Ньютон на метр

Alex-2011 ›
Блог ›
Крутящий момент и лошадиные силы .

Интересная познaвательная статья для любителей ездить на автомобилях с дизельным двигателем.

Лошадиные силы решают всё – такой вывод можно сделать, читая иные автомобильные издания, а также рекламные буклеты и техпаспорта. Так ли это? Зачем тогда в технических характеристиках указывают еще и крутящий момент?
Что определяют ньютон-метры? Что важнее – «лошади» или «ньютоны»?

ТЕОРИЯ
Для начала стоит разобраться с определениями. Вспоминаем школьный учебник физики. Крутящий момент
– это произведение силы на плечо рычага, к которому она приложена, Мкр = F х L. Сила измеряется в ньютонах, рычаг – в метрах. 1 Нм – крутящий момент, который создает сила в 1 Н, приложенная к концу рычага длиной 1 м.
В двигателе внутреннего сгорания роль рычага исполняет кривошип коленвала. Сила, рождаемая при сгорании топлива, действует на поршень, через который и создает крутящий момент. Выходит, что главная характеристика двигателя – величина крутящего момента на коленчатом валу. Понятно, что момент создается не постоянно, а только в период действия силы – то есть, только во время рабочего хода.
Разберемся теперь с мощностью. Все там же – в школьном пособии и про нее сказано предельно ясно. Мощность – это работа, совершенная в единицу времени. Формула банальная – Р = A/t. А так как работу в двигателе совершает именно та сила, которая создает крутящий момент, то мощность, говоря простыми словами, показывает, сколько раз в единицу времени двигатель создает крутящий момент. Не надо быть семи пядей во лбу, чтобы понять – количество «крутящих моментов», то есть мощность, зависит от количества оборотов двигателя. Чтобы нам было уже совсем просто, физики-математики напряглись и вывели наглядную формулу: P = Mкр*n/9549, где Mкр – крутящий момент двигателя (Нм), n – обороты коленвала двигателя (об./мин.). (Мощность получается в киловаттах. Чтобы преобразить ее в «скакунов», умножаем результат на 1,36).
Вроде бы с печкой все понятно. Попробуем от нее станцевать. На что влияет мощность, а на что – крутящий момент? Начнем с мощности. Мощность двигателя при движении автомобиля расходуется на преодоление различных сил сопротивления – это силы трения в трансмиссии и качения колес, силы аэродинамического сопротивления и т.д. Чем больше мощность, тем большее сопротивление автомобиль может преодолеть и большей скорости достичь. Повторимся, мощность мотора – величина не постоянная, а зависящая, прежде всего, от оборотов двигателя. Рядом со значениями максимальной мощности всегда указываются обороты, на которых она достигается. На других оборотах мощность иная – более низкая. Какая именно – можно узнать, взглянув на график внешних скоростных характеристик того или иного мотора. Важно другое – при разгоне двигатель не развивает оборотов максимальной мощности сразу (во всяком случае в обычных условиях). Машина стартует обычно с оборотов чуть выше холостого хода. Поэтому, чтобы мобилизовать весь «табун», мотору нужно время на раскрутку. Вот здесь-то и играет решающую роль крутящий момент. Именно от него зависит время достижения двигателем максимальной мощности, а значит и вожделенная динамика разгона. И получается, что забытые некоторыми ньютон-метры значат не меньше, чем хваленые лошадиные силы.
Противостояние «л.с. – Нм»
логично выливается в противостояние «бензин – дизель». Серийные бензиновые двигатели развивают не самый большой крутящий момент. К тому же максимального значения он достигает только на средних оборотах (обычно 3000-4000). Зато эти моторы могут раскручиваться до 7-8 тыс. об./мин., что позволяет им развивать довольно большую мощность. Ведь согласно приведенной выше формуле, мощность численно от оборотов зависит гораздо больше, чем от момента.
По этой же причине тихоходные дизели (развивают не более 5 000 об./мин.), обладая внушительным моментом, доступным практически с самых «низов», в максимальной мощности проигрывают бензиновым.
Однако мощность важна не только максимальная. Как уже было сказано, мощность, которую развивает двигатель на оборотах ниже предельных, как правило, так же далека от максимальной заявленной. Ключом к пониманию характера любого мотора являются кривые его характеристик: мощности и момента.
Приводим графики двух двигателей марки Mercedes-Benz. Один – объемом 1,8 л, дизельный (с турбонаддувом). Другой – двухлитровый бензиновый. Заявленные мощности – 109 л.с. и 136 л.с. соответственно. Моменты – 250 и 185 Нм. Мы сравнили мощность этих моторов во всем диапазоне оборотов, а не только максимальную. И получилось, что от 1000 до 4000 об./мин. (а это практически весь «городской» спектр) дизель мощнее «бензина» максимум на 34 л.с., а в среднем – на 17. О превосходстве в моменте даже говорить не стоит.
Ради интереса мы сравнили также характеристики аналогичных двухлитровых моторов Volkswagen: 2,0 TDI (140 л.с. и 320 Нм) и 2,0 FSI (150 л.с. и 200 Нм). Результат тот же – выигрыш в максимальной мощности оборачивается проигрышем до отметки в 4 500 об./мин. Интересная картина.

Конь-огонь

Измерение мощности в лошадиных силах широко распространено только в автомобильной сфере. Причина – неоднозначное определение этой единицы. Мерить мощь моторов по поголовью рысаков впервые предложил Джеймс Уатт (в специальной литературе для этих целей используют его фамилию). Он предположил, что лошадь может поднимать 33 000 фунтов груза (14 968,55 кг) со скоростью 1 фут (30 см) в минуту, что равняется 745,7 Вт. Именно эту единицу до сих пор применяют в Англии (обозначение BHP). В остальных европейских странах лошадиная сила определяется как 735,49875 Вт и обозначается pferdestarke – PS (нем.), cheval – ch (фр.) или просто – л.с.

Цель и средства

Наращивать мощность моторов можно по-разному. Самый «примитивный» способ – увеличение рабочего объема – слава богу, свое, похоже, отжил. Теперь в чести более продвинутые методы.
Увеличение максимального числа оборотов позволяет поднять мощность без серьезного изменения крутящего момента. Пример – BMW M5/M6, двигатель которых крутится до 8250 об./мин.
Турбо- и механический наддув резко повышают крутящий момент мотора. К примеру, двигатель 2,0 FSI (VW, Audi) выдает 150 л.с. и 200 Нм. Он же, но с турбиной (2,0 TFSI) – 200 л.с., 280 Нм.
Изменение фаз газораспределения (VTEC, VVTi, bi-VANOS) позволяет поднять момент и сдвинуть его в зону «нужных» оборотов. Самый изощренный способ – возможность изменения степени сжатия. Так, на 1,6-литровом турбо-двигателе SAAB, благодаря подвижной головке блока, она варьируется от 8:1 до 14:1. Результат – 308 Нм и 225 л.с.

ПРАКТИКА

Понять, что значат на практике «лишние» ньютон-метры и лошадиные силы, мы решили на примере двух новейших Volkswagen Passat с упомянутыми двухлитровыми моторами – турбо-дизелем и бензиновым атмосферником. У первого – 140 л.с. и 320 Нм, у второго – 150 л.с. и 200 Нм. Для кристальной чистоты эксперимента обе машины были с шестиступенчатыми механическими коробками (разницу передаточных отношений главной пары в данном случае считаем несущественной).
На дизельном Passat мы уже ездили, а потому хорошо знакомы с его неординарной натурой. На холостых и малых оборотах мотор не проявляет особого энтузиазма, но по достижении 1750 об./мин. (уже с этой отметки водителю доступны все 320 Нм момента) в корне преображается. На кривой хорошо видно, что амплитуда крутящего момента составляет 110 Нм, больше трети максимального значения! Эту разницу двигатель успевает преодолеть в промежутке между 1000 и 2000 об./мин. Уже под конец второй тысячи мотор мощно бросает Passat вперед. Ускорение не ослабевает вплоть до максимальных 4500 об./мин., следует переключение – и вновь изобилие тяги до самого верха. Еще переключение – все повторяется. Словно невидимый силач-великан тащит машину тросом, потом перехватывает руки и тащит снова – бурный разгон идет на каждой передаче, даже на пятой и шестой он остается впечатляющим. Если не мешкать при переключениях и не выпадать из диапазона 2000-4000 оборотов (а это не сложно благодаря исключительно точному приводу переключения), то дизельный Passat позволяет перемещаться в пространстве очень и очень интенсивно. Спортивно. Единственный минус, он же плюс – при разгоне «в пол» стрелка тахометра в мгновения пролетает короткую шкалу. Только успевай работать ручкой КПП.
Пора пересаживаться в бензиновую машину. Ее характер спокойнее. Passat реагирует на действия акселератора точно и отзывчиво. Мотор тянет уверенно с самого низа и до максимальных оборотов, но без подхватов и волнующих ускорений. Посмотрите, разница между моментом на холостом ходу и максимальным – всего 50 Нм, так что подхватам взяться просто неоткуда. Но управляться с такой динамикой удобнее – передачи длинные, с прогнозируемой тягой во всем рабочем диапазоне. Пока мотор перегоняет стрелку тахометра из левого нижнего угла в правый нижний, можно немного передохнуть, не надо строчить рычагом коробки. Ага, есть 6 500 – переключаемся. Но эмоции, эмоции от разгона: Они есть, но не такие, как в случае с дизелем. Здесь уже не чудо-силач тянет машину, а какой-то механический робот-ускоритель, с постоянным, точно тарированным усилием. Теперь самое сладкое. Машины стоят бок о бок на одной линии. Напомним, что у бензинового Passat превосходство в максимальной мощности на 10 л.с. Но проявляется оно только после 4 500 оборотов. А у дизеля превосходство в моменте, которое проявляется во всем диапазоне. Ну, любители дрэг-рэйсинга, ваши ставки?
Синхронный старт. Первые секунды машины идут ноздря в ноздрю. Затем дизель уступает четверть корпуса – мотор быстро выкрутился, надо менять передачу. Из-за более редких переключений бензиновый Passat выходит вперед почти на корпус. С набором скорости этот отрыв уменьшается. По паспорту в упражнении «до сотни» дизель проигрывает своему противнику всего 0,4 секунды. Это разница в пределах водительской погрешности. И максимальная скорость меньше лишь чуть-чуть – 209 км/ч против 213.
Но это на зачетной прямой. Там водители бросают сцепление, уже раскрутив моторы. А в городе, чтобы угнаться за дизелем, «бензину» приходится постоянно держать обороты близко к красной зоне. Вспомните графики – там, где дизельный двигатель уже почти набрал свои 140 л.с. (3500 об./мин.), у бензинового под педалью пока только сотня. Чтобы набрать столько же, ему нужно еще 1 500 оборотов. При этом первый набирает обороты максимальной мощности почти моментально (вот оно, превосходство момента!), а второй – значительно дольше. И на шоссе, двигаясь со скоростью 120 км/ч, «дизелю» для ускорения не потребуется переключение, а бензиновый Passat попросит передачу пониже.
В общем, на практике все получилось так, как предсказывала теория. Максимальная мощность двигателя прежде всего определяет максимальную скорость автомобиля. А крутящий момент – быстроту достижения мотором этой максимальной мощности. Таким образом, при сопоставимой мощности пресловутый разгон до «сотни» будет даваться более «моментному» двигателю меньшей кровью – он требует меньшей раскрутки перед стартом машины. В «мирных» условиях повседневного вождения это весомый фактор. Но и мощность крайне важна: момент не может разгонять автомобиль бесконечно – только до определенной скорости, которая, естественно, ограничивается мощностью. Вот и получается, что «лошади» и «ньютоны» тесно взаимосвязаны, и разить ими по отдельности оппонента в споре о моторах – дилетантство.
Как бы то ни было, практический итог этого противостояния противоречит общепринятому автолюбительскому мировоззрению. Мы однозначно признаем победителем турбо-дизель. Именно он больше подойдет водителям, ценящим динамику и азарт разгона. К тому же на его стороне экономичность и дешевизна топлива. А педанты, оценивающие превосходство динамики по голым цифрам, и любители ровных характеристик найдут свою правду в более привычном пока для России «бензине». И еще – у него правильный звук, если для кого-то это имеет большое значение.
Между прочим, результат нашего небольшого исследования отвечает мировым тенденциям автопрома – современные турбо-дизели, догнав бензиновые моторы по мощности, склонили чашу весов в свою сторону, благодаря большему моменту. Так что от солярки россиянам, похоже, все равно не уйти.

В выводе напишим старую поговорку: Покупаем лошадиные силы, а ездим на моменте.

>Конвертер величин

Общие сведения

Момент силы — это физическая величина, характеризующая насколько сила, приложенная к телу, вызывает вращение тела вокруг оси. В английском и некоторых других языках это явление называют разными словами, в зависимости от контекста. Поскольку эта статья написана для сайта переводчиков, мы немного поговорим о терминологии в других языках. Величина момента силы равна векторному произведению силы, приложенной к телу на вычисленное по перпендикуляру расстояние между осью вращения и точкой приложения силы, которая вызывает вращение. В английском языке для момента силы используют два термина, момент силы (moment of force) и отдельный термин, torque. Английский термин torque используют для обозначения физической величины, которую измеряют так же, как и момент силы (в английском), но только в контексте, в котором сила, ответственная за это свойство, обязательно вызывает вращение тела. Эту величину также измеряют, умножив силу на расстояние между осью вращения и точкой приложения силы. В русском языке термину «torque» соответствуют термины «вращающий момент» и «вращательный момент», которые являются синонимами. Русский термин «крутящий момент» относится к внутренним усилиям, возникающим в объектах под действием приложенных к ним нагрузок. Этому термину соответствуют английские термины «torsional movement», «torque effect», «torsional shear» и некоторые другие.

Вращающий момент (torque в английской терминологии) — результат приложения двух сил, которые рука прилагает к отвертке, а отвертка, в свою очередь — к головке винта

Как уже упоминалось выше, в этой статье мы уделяем много внимания контексту, в котором используется тот или иной английский термин. Наша задача — объяснить разницу, чтобы помочь читателю, если он в будущем столкнется с этими терминами в английском тексте. Самое главное, что следует помнить — оба термина, момент силы и torque, используют для одной и той же физической величины, но в разных контекстах. Во многих языках, как и в русском, используют только один термин. Ниже рассмотрим в каком же контексте используют каждый из этих терминов.

Терминология в английском языке

Как мы уже упоминали выше, английские термины «момент силы» и «torque» используют для одного и того же понятия, но в разных контекстах. В этом разделе обсудим, когда в английском наиболее часто используют термин «момент силы» и почти не используют «torque». Часто о понятии «torque» говорят в контексте, когда сила, действующая на тело вызывает изменение углового ускорения тела. С другой стороны, когда в английском языке говорят о моменте силы, то сила, действующая на тело не обязательно вызывает такое ускорение. То есть, «torque» — это частный пример момента силы, но не наоборот. Можно также сказать, что «torque» — это момент силы, но момент силы — не «torque».

Ниже рассмотрим несколько примеров. Стоит еще раз напомнить, что разница в использовании этих двух терминов зависит от контекста, но используют их для одного и того же физического явления. Нередко оба эти термина используют попеременно.

На вороток действует пара сил от рук, в результате чего возникает вращающий момент, (по-английски torque).

Чтобы понять, что такое момент силы, рассмотрим вначале, что такое момент в общем. Момент — это интенсивность, с которой сила действует на тело на определенном расстоянии относительно тела. Величина момента силы зависит от величины силы, которая действует на тело, и от расстояния от точки приложения силы до точки на теле. Как мы увидели из определения выше, эта точка часто находится на оси вращения.

Момент силы пропорционален силе и радиусу. Это значит, что если сила приложена к телу на определенном расстоянии от оси вращения, то вращательное действие этой силы умножается на радиус, то есть чем дальше от оси вращения приложена сила, тем более вращающее действие она оказывает на тело. Это принцип используется в системах рычагов, шестерней и блоков, чтобы получить выигрыш в силе. В этом контексте чаще всего говорят о моменте силы и о его использовании в различных системах, например в системах рычагов. Примеры работы рычагов показаны в статье «Подробнее о вращающем моменте». Стоит заметить, что в этой статье мы в основном обсуждаем вращающий момент, что соответствует английскому термину «torque».

Изгибающий момент. В данной ситуации нет кручения, поэтому здесь лучше говорить о моменте силы, а не о вращающем моменте.

Иногда понятия момент силы и вращающий момент различают с помощью понятия «пары сил». Пара сил — это две силы одинаковой величины, действующие в противоположном направлении. Эти силы вызывают вращение тела, и их векторная сумма равна нулю. То есть, термин «момент силы» используют в более общем контексте, чем вращающий момент.

В некоторых случаях термин «вращающий момент» используют, когда тело вращается, в то время как термин «момент силы» используют, когда тело не вращается, например, если речь идет об опорных балках и других конструктивных элементах зданий в строительстве. В таких системах концы балки либо жестко закреплены (жесткая заделка), либо крепление позволяет балке вращаться. Во втором случае говорят, что эта балка закреплена на шарнирной опоре. Если на эту балку действует сила, например, перпендикулярно ее поверхности, то в результате образуется момент силы. Если балка не фиксирована, а прикреплена на шарнирной опоре, то она свободно движется в ответ на действующие на нее силы. Если же балка фиксирована, то в противодействие моменту силы образуется другой момент, известный как изгибающий момент. Как видно из этого примера, термины момент силы и вращающий момент различаются тем, что момент силы не обязательно изменяет угловое ускорение. В этом примере угловое ускорение не изменяется потому, что силам извне, действующим на балку, противодействуют внутренние силы.

Примеры момента силы

Здесь момент силы каждого ребенка равен весу этого ребенка, умноженному на его расстояние от оси вращения. Девочка сидит ближе к точке опоры, но прилагает больше силы к качелям, чем мальчик, поэтому качели — в равновесии.

Хороший пример момента силы в быту — это действие на тело одновременно момента силы и изгибающего момента, о котором мы говорили выше. Момент силы часто используют в строительстве и в проектировании строительных конструкций, так как, зная момент силы, можно определить нагрузку, которую должна выдержать эта конструкция. Нагрузка включает нагрузку от собственного веса, нагрузку, вызванную внешними воздействиями (ветром, снегом, дождем, и так далее), нагрузку от мебели и нагрузку, вызванную посетителями и обитателями здания (их вес). Нагрузка, вызванная людьми и интерьером, называется в строительстве полезной нагрузкой, а нагрузка, вызванная весом самого здания и окружающей средой называется статической или постоянной нагрузкой.

При постройке в 1900 году моста Александры через реку Оттава использовано много двутавровых балок

Если на балку или другой конструктивный элемент действует сила, то в ответ на эту силу возникает изгибающий момент, под действием которого некоторые части этой балки сжимаются, в то время как другие, наоборот, растягиваются. Представим, к примеру, балку, на которую действует сила, направленная вниз и приложенная по центру. Под воздействием этой силы балка принимает вогнутую форму. Верхняя часть балки, на которую действует сила, сжимается под воздействием этой силы, в то время как нижняя, наоборот, растягивается. Если нагрузка больше, чем этот материал может выдержать, то балка разрушается.

Наибольшая нагрузка — на самый верхний и самый нижний слои балки, поэтому в строительстве и при проектировании сооружений эти слои часто укрепляют. Хороший пример — использование двутавровых конструкций. Двутавр — конструктивный элемент с поперечным сечением в форме буквы Н или латинской буквы “I” с верхней и нижней засечками (поэтому английском языке используют термин I-beam, Такая форма очень экономична, так как она позволяет упрочнить самые слабые части балки, используя при этом наименьшее количество материала. Чаще всего двутавровые балки сделаны из стали, но для прочной балки двутавровой конструкции вполне можно использовать и другие материалы. На YouTube можно найти видеосюжеты испытания двутавровых балок, сделанных из материалов, менее прочных, чем сталь, например из пенопласта и фанеры (нужно искать plywood beam test). Двутавровые балки из фанеры и древесностружечных плит появились на российском рынке стройматериалов относительно недавно, хотя они давно и очень широко применяются при строительстве каркасных домов в Северной Америке.

Если на конструкцию действует изгибающий момент, то двутавровые балки — решение проблем, связанных с прочностью. Двутавровые балки также используют в конструкциях, которые подвергаются напряжению сдвига. Края двутавровой балки противодействуют изгибающему моменту, в то время как центральная опора противостоит напряжению сдвига. Несмотря на ее достоинства, двутавровая балка не может противостоять крутящим нагрузкам. Чтобы уменьшить эту нагрузку на поверхность конструкции, ее делают круглой и полируют поверхность, чтобы предотвратить скопление нагрузки в точках с неровной поверхностью. Увеличение диаметра и изготовление такой конструкции полой внутри может помочь уменьшить ее вес.

Турбовинтовые двигатели с воздушными винтами создают крутящий момент, который действует на фюзеляж этого турбовинтового самолета; по-английски в данном случае могут говорить о моменте силы (moment of force) или о возникновении напряжения при кручении (torsional stress), так как вращение отсутствует

В это статье мы рассмотрели, чем отличаются термины «момент силы» и «вращающий момент», а также английские термины «moment of force» и «torque», и увидели несколько примеров момента силы. В основном мы говорили о случаях, когда момент силы создает проблемы в строительстве, но часто бывает наоборот и момент силы приносит пользу. Примеры использования момента силы на практике — в статье «Подробнее о вращающем моменте». Стоит также упомянуть, что разница в терминологии в английском языке чаще всего значительна в американском и британском машиностроении и строительстве, в то время как в физике эти термины часто взаимозаменяемы.

Литература