Лошадиная сила - единица измерения, не имеющая единого стандарта в мире, хотя в большинстве стран и придерживаются одного ее числового значения. Лошадиная сила не входит в общепринятую Международную систему измерения, а в России было отменено ее официальное применение. Между тем данная мера используется не только в быту, но и на государственном уровне.
Что измеряют в лошадиных силах
В лошадиных силах - то количество механической работы, которое производится за определенный отрезок времени. Самый распространенный показатель - килограммы на метр в секунду. Используется в основном в отношении транспортных средств и некоторых других механизмов.
В России из расчета на одну лошадиную силу вычисляется налог на транспорт, а в документах на средства передвижения, оборудованные двигателем, эта единица измерения часто используется для указания его мощности.
Что такое лошадиная сила
Эта мера была введена в обиход в конце 18-го века в Англии. Технический прогресс и повсеместное применение паровых машин выявили необходимость в общем стандарте определения их работоспособности.
Методом практических измерений, произведенных при работе, совершаемой живым конем в определенных условиях, вычислил, что за 1 секунду 1 лошадь способна переместить на расстояние в 1 метр груз весом 75 кг - этот показатель и был принят за одну лошадиную силу.
Стандартные единицы измерения мощности
В Международной системе измерения официальной единицей для определения мощности утвержден Ватт (1 киловатт = 1000 ватт). Эта мера будет одинаковой во всем мире.
В ваттах измеряется мощность как скорость передаваемой энергии или как количество произведенной за определенное время работы.
В связи с единым мировым стандартом многие производители автомобилей, а также других транспортных средств и механизмов в документах на технику указывают мощность двигателя в ваттах. Однако в нашей стране каждая лошадиная сила в автомобиле влияет на сумму транспортного налога, поэтому удобнее знать уровень мощности двигателя своей машины именно в этих единицах.
Метрическая лошадиная сила
Самое распространенное в мире исчисление лошадиной силы (л. с.) происходит в метрической системе. Для расчета используют килограммовые показатели веса груза, а измерение расстояния, на которое его перемещают, производят в метрах.
В таком случае одна лошадиная сила равна 735,49875 Ватт, что эквивалентно 0,74 кВт.
Один киловатт будет равен 1,36 л. с.
Таблица лошадиных сил
Зная формулу расчета, можно легко перевести цифровые показатели из одних единиц измерения в другие, но если вычислениями заниматься нет желания, можно воспользоваться сравнительной таблицей. Приведенные ниже числовые показатели актуальны для метрической системы измерения.
Отличие расчета лошадиных сил в Америке и Великобритании
В связи с применением в ряде стран, например в США и Великобритании, футов и фунтов как мер длины и веса их расчет лошадиной силы будет отличаться от принятого в большей части мировых государств, в том числе и в России.
В традиционной системе измерения этих стран одна лошадиная сила будет равна 745,6999 Вт (0,746 кВт) и составлять 1,014 от метрической лошадиной силы. При равных показателях в данной единице измерения двигатель автомобилей, для оценки которых использовались футы и фунты, в процессе фактической работы окажется мощнее.
Однако в большинстве случаев мощность двигателя в сопроводительных документах указывается в кВт, поэтому пересчитать ее можно по стандартной формуле.
Часто реальные показатели мощности отличаются от заводских параметров и есть смысл произвести реальные замеры:
- поставив автомобиль на динамометрический стенд - самый точный вид диагностики;
- установив в него дополнительное электронное оборудование (что целесообразно только для транспортных средств, нуждающихся в постоянном контроле этого показателя, так как обслуживание и покупка специальной техники обойдутся недешево);
- или проверив с помощью приложения, закачанного на ноутбук, который через кабель подключается к автомобилю и производит замеры во время тестовых заездов.
Особенности определения брутто и нетто мощности двигателя
Благодаря своеобразной системе замера мощности двигателя, использовавшейся на заводах, производящих транспортные средства в Японии и некоторых, принадлежавших США, количество лошадиных силы в авто, изготовленных ими, отличалось от фактического при функционировании.
Дело в так называемой нетто-мощности и брутто-мощности. При измерении первого показателя учитывается расход энергии на работу сопутствующих агрегатов - системы охлаждения, генератора, ремней привода. В расчетах брутто-мощности их влияние не учитывается. Поэтому реальные показатели при разных способах замера могут существенно отличаться - на 10-25 процентов.
Машины, в документах которых мощность двигателя прописана исходя из брутто-показателя, будут слабее автомобилей с идентичными цифровыми значениями замеров нетто.
Так как в России от количества лошадиных сил в транспортном средстве зависит величина уплачиваемого за него налога, лучше выяснить реальные показатели двигателя, чтобы избежать переплаты, которая в определенных случаях может оказаться очень значимой. Особенно, если придется не просто приплюсовать несуществующие лошадиные силы для оплаты по идентичному тарифу, но и умножать их общее количество на повышенную ставку (такое может произойти в том случае, если теоретические и фактические показатели окажутся в разных ценовых группах расчета транспортной выплаты, например, по документам 155 л. с., а по факту менее 150 и т. п.).
Сколько лошадиных сил в автомобиле?
1 лошадиная сила или л.с. равна мощности, необходимой для подъёма 75-килограммового груза на высоту один метр за 1 секунду. В некоторых случаях принято переводить л.с. в киловатты - тогда 1 лошадиная сила будет равна 735,5 Вт или 0,735 кВт.
Для определения мощности в л.с. конкретного автомобиля, надо перевести кВт, указанные в паспортных данных, в лошадиные силы. Делается это так: приведённые значения в киловаттах просто делятся на 0,735. Итоговое значение и будет означать лошадиные силы определённого автомобиля.
Несколько примеров для сравнения.
- Ниссан Микра с двигателем, объёмом 1 л, имеет показатель мощности 48 кВт. Чтобы определить параметр в лошадиных силах, надо разделить 48/0,735. Получается 65,3 или округлённо - 65 лошадей.
- Спортивная версия известного Фольксваген Гольф с мотором TSI на 2.0 л имеет мощность 155 кВт. Разделив число на 0,735, получаем значение в л.с. - 210.
- В паспортных данных отечественной «Нивы» указано 58 кВт, что равно 79 л.с. Часто это значение округляют, и указывается значение в 80 л.с.
Как узнать лошадиные силы автомобиля?
Существует и другой способ вычисления лошадей. Практически на любом крупном СТО имеется специальная установка, легко определяющая, сколько лошадиных сил в автомобиле. Машину поднимают на платформу, фиксируют, педаль акселератора выжимают до упора. За несколько минут компьютер рассчитает значение.
Принято различать 2 системы измерения: отечественную и европейскую. Обе приравнивают л.с. к 75 кг х м/с.
Чему равна лошадиная сила в автомобиле?
Таким образом, лошадиная сила в автомобиле равна разделённому значению кВт на 0,735. Киловатт - это метрическая единица измерения лошадиной силы. По-научному она сравнима с работой, производимой за 1 секунду при поднятии груза массой 75 кг на высоту один метр. Всё это с учётом земного притяжения.
Современный автомобиль считается высокоэффективным, если его двигатель имеет большую мощность по отношению к массе транспортного средства. Или так: чем легче кузов, тем больше параметр мощности позволит ускорить автомобиль.
Это хорошо видно ниже на примере высокопроизводительных авто.
- Додж Випер мощностью 450 л.с. имеет полную массу в 3,3 т. Соотношение мощность/вес составляет 0,316, разгон до сотни - 4.1 с.
- Феррари 355 Ф1 мощностью 375 л.с. - полная масса 2,9 т, соотношение - 0,126, разгон до сотни - 4,6 с.
- Шелби Сериес 1 мощностью 320 л.с. - полная масса 2,6 т, соотношение - 0,121, разгон до сотни - 4,4 с.
На что влияют лошадиные силы в автомобиле?
Некоторые автомобильные издания пишут, что цена автомобиля определяется только «лошадками» под капотом. Так ли это? И почему в техданных автомобиля прописывают крутящий момент или КМ?
КМ - это следствие оказания воздействия на рычаг, знакомый всем по урокам физики. Соответственно, выводится и термин измерения в Нм. В ДВС роль рычага исполняет коленвал, а сила или энергия рождается при сгорании горючего. Она действует на поршень, создающий КМ.
Получается, что величина КМ тоже имеет важное значение, как и мощность. Только последний параметр подразумевает уже другую работу, совершённую за единицу времени. Она показывает, сколько раз в единицу времени ДВС создаёт КМ. Мощность обусловливается амплитудой вращения силовой установки или оборотами, а значит, зависит от КМ. Собственно поэтому она и рассчитывается в киловаттах.
Теперь непосредственно о влиянии.
- Мощность автомобиля требуется для форсирования определённых сопротивлений. Чем она выше, тем больше машина способна передюжить. В этом случае противодействующими силами выступают силы трения и качения колёс, сопротивление встречного воздуха и т. д.
- КМ влияет на возможности автомобиля непосредственно, ведь рядом с параметром «лошадей» всегда пишутся обороты, от которых зависит оптимальная мощность.
Таким образом, хвалёные лошадиные силы автомобиля ничто без крутящего момента, ведь именно последний показатель определяет динамику разгона, влияет на достижение двигателем апогея мощности.
Лошадиная сила непосредственно влияет и на транспортный налог, определяемый законом страны. Чем она выше, тем больше надо будет платить за машину.
Вычислить налог на автомобиль или ТН можно и своими силами, пользуясь следующей формулой: л.с. автомобиля х актуальную ставку и компоненту, выводимую отношением срока владения транспортным средством к общему количеству месяцев в году.
Пример 1.
Лада Веста оснащена двигателем, развивающим 105 л.с. Если владелец проживает в Москве, то ставка налога на сегодня составляет 12 рублей. Из этого получается, что стоимость ТН за 1 год будет равна:
- 12х105=1260 рублей.
Пример 2.
Фольксваген Гольф, оснащенный двигателем на 2.0 TSI GTI с КМ 152 кВт, обладает мощностью 207 л.с. Рассчитываем налог:
- 12х207=2484 рубля.
Пример 3.
Топовый автомобиль Феррари GTB купе имеет под капотом 270 лошадей. Соответственно, налог будет составлять:
- 12х270=3240 рублей.
Мощность автомобиля характеризует его скоростные качества – чем выше мощность, тем выше можно развить скорость. Так уж повелось, что в автомобильном мире мощность принято измерять лошадиными силами. Однако, мощность двигателя является величиной не постоянной и напрямую зависит от его оборотов. Другими словами, на низких оборотах в работе двигателя задействован далеко не весь «табун лошадей», а только некоторая его часть. Так для бензиновых двигателей большинства современных автомобилей максимальная мощность (которую указывают в паспорте) достигается при 5000-6000 оборотах в минуту, а для дизельных – 3000-4000. Однако, в повседневной городской езде обороты двигателя, как правило, ниже, а значит, ниже мощность. А теперь представим, что нам надо ускориться для обгона – мы нажимаем на педаль и обнаруживаем, что «автомобиль не едет». В чем же причина? Причина – в крутящем моменте.
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 коленчатого вала. Сила, рождаемая при сгорании топлива, действует на поршень, через который и создает крутящий момент. В контексте настоящей статьи крутящий момент есть величина, определяющая насколько быстро двигатель может набрать максимальную мощность. Нетрудно догадаться, что именно эта величина характеризует динамику разгона. Также как и мощность, максимальный крутящий момент указывается для конкретных оборотов двигателя. При этом важным параметром является не столько величина момента, сколько обороты, на которых он достигается. Например, для резкого ускорения при спокойной езде (2000-2500 об./мин.) более предпочтителен тот двигатель, крутящий момент которого достигается на низких оборотах – нажал на педаль и машина выстрелила.
Известно, что серийные бензиновые двигатели развивают не самый большой крутящий момент, при этом максимальное значение достигается только на средних оборотах (обычно 3000-4000). Зато бензиновые двигатели могут раскручиваться до 7-8 тыс. об./мин., что позволяет им развивать довольно большую мощность. В противоположность таким моторам «тихоходные дизели», развивающие не более 5 000 об./мин., обладают внушительным моментом, доступным практически с самых «низов», при этом проигрывают в максимальной мощности.
И на десерт капелька математики. Мощность двигателя можно рассчитать по формуле:
P = Mкр*n/9549 [кВт],
где Mкр – крутящий момент двигателя (Нм), n – обороты коленчатого вала двигателя (об./мин.).
Для получения лошадиных сил необходимо полученный результат умножать на коэффициент 1,36.
На практике известно, что мощность двигателя в большей степени зависит от оборотов, потому что эту величину «проще нарастить», чем крутящий момент.
Сухой остаток: для максимальной скорости важна мощность двигателя, а для ускорения – крутящий момент. При этом важной характеристикой являются обороты двигателя, на которых этот крутящий момент максимален, то есть на которых возможно максимальное ускорение.
Лошадиные силы бывают разными
Употребляемые в международной практике показатели мощности двигателя во многих случаях не поддаются прямому сравнению друг с другом.
Лошадиная сила (л.с.) Европа, pferdestarke - PS (нем.), cheval - ch (франц.) -1 л.с. (1 PS, 1 ch)=0,735 кВт=0,9862 hp
Лошадиная сила США, horsepower - hp (англ.)- 1 hp =1,0139 л.с.=0,7457 кВт
2.2Уже более века двигатели внутреннего сгорания используются практически во всех областях транспорта. Они являются "сердцем" автомобиля, трактора, тепловоза, корабля, самолёта и за последние тридцать лет стали представлять собой своеобразный сплав последних достижений науки и техники. Для нас уже привычными стали такие термины, как МОЩНОСТЬ и КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ и являются необходимым критерием оценки силовых возможностей двигателя. Но на сколько правильно Вы можете оценить потенциал двигателя, имея перед глазами лишь скупые цифры с техническими данными автомобиля? Надеюсь, Вы не станете целиком полагаться на заверения продавца автосалона, что мотор приобретаемого Вами авто достаточно мощный и полностью Вас удовлетворит? Для того, чтобы потом не пожалеть о не выгодном приобретении прошу ознакомиться с нижеизложенным.
С давних времён для строительства, перемещения грузов, а так же транспортировки людей человечество использовало всевозможные механизмы и устройства. С изобретением более чем 10 тыс. лет назад ЕГО ВЕЛИЧЕСТВА КОЛЕСА, теория механики претерпела серьёзные изменения. Изначально, роль колеса сводилась только к банальному уменьшению сопротивления (силы трения) и переводу силы трения в качение. Конечно, катить круглое гораздо приятней, чем тащить квадратное! Но качественное изменение способа применения колеса произошло намного позднее благодаря появлению другого гениального изобретения ― ДВИГАТЕЛЯ! Отцом парового локомотива, чаще называют Джорджа Стивенсона, который построил в 1829 году свой знаменитый паровоз "Ракета". Но ещё в 1808 году англичанин Ричард Тревитик демонстрирует одно из самых революционных изобретений в истории первый паровоз. Но к нашей всеобщей радости Тревитик сначала построил паровой автомобиль для уличного движения, а затем уж только пришел к мысли o паровозе. Таким образом, автомобиль является в некотором роде прародителем паровоза. К сожалению судьба первооткрывателя Ричард Тревитика, как впрочем, многих инженеров, но не коммерсантов сложилась печально. Он разорился, долго жил на чужбине, и умер в нищете. Но не будем о грустном…
Наша задача ― понять, что такое крутящий момент и мощность двигателя, и она значительно упростится, если вспомнить устройство паровоза. Кроме пассивного преобразователя трения из одного вида в другой, колесо стало выполнять еще одну задачу - создавать движущую (тяговую) силу, то есть, отталкиваясь от дороги, приводить в движение экипаж. Давление пара действует на поршень, тот, в свою очередь, давит на шатун, последний проворачивает колесо, создавая КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ. Вращение колеса под действием крутящего момента вызывает появление пары сил. Одна из них - сила трения между рельсом и колесом - как бы отталкивается от рельса назад, а вторая - та самая искомая нами СИЛА ТЯГИ через ось колеса передается на детали рамы паровоза. На примере паровоза заметно, что чем больше давление пара, действующее на поршень, а через него - на шатун, тем большая сила тяги будет толкать его вперед. Очевидно, изменяя давление пара, диаметр колеса и положение точки крепления шатуна относительно центра колеса, можно менять силу и скорость паровоза. То же самое происходит в автомобиле.
Разница в том, что все преобразования сил осуществляются непосредственно в самом двигателе. На выходе из него мы имеем просто вращающийся вал, то есть, вместо силы, толкающей паровоз вперёд, здесь мы получаем круговое движение вала с определенным усилием ― КРУТЯЩИМ МОМЕНТОМ. А МОЩНОСТЬ, развиваемая двигателем, ― это его способность вращаться как можно быстрее, одновременно создавая при этом на валу крутящий момент. Затем вступает в действие силовая передача автомобиля (трансмиссия), которая этот крутящий момент изменяет так, как нам нужно, и подводит к ведущим колесам. И только в контакте между колесом и дорожным покрытием крутящий момент снова "выпрямляется" и становится тяговой силой.
Очевидно, что тяговую силу предпочтительно иметь наибольшую. Это обеспечит нужную интенсивность разгона, способность преодолевать подъемы и перевозить больше людей и груза.
В технической характеристике автомобиля есть такие параметры, как число оборотов двигателя при максимальной мощности и максимальном крутящем моменте и величина этой мощности и момента. Как правило, они измеряются соответственно в оборотах в минуту (мин־¹), киловаттах (кВт) и ньютонометрах (Нм). Необходимо уметь правильно понимать внешнюю скоростную характеристику двигателя.
Это графическое изображение зависимости мощности и крутящего момента от оборотов коленчатого вала. Наиболее показательной является форма кривой крутящего момента, а не его величина. Чем раньше достигается максимум и чем более полого кривая падает по мере увеличения оборотов (то есть мотор имеет неизменную тягу), тем правильнее спроектирован и работает двигатель. Однако получить двигатель, обладающий достаточным запасом мощности, высокими оборотами да еще и стабильным КРУТЯЩИМ МОМЕНТОМ в широком диапазоне оборотов, непросто. Именно на это направлены применение наддува различных систем, электронного регулирования впрыска топлива, переменные фазы газораспределения, настройка выпускной системы и ряд других мероприятий.
Давайте рассмотрим пример. Вам предстоит преодолеть подъем, а увеличить скорость движения (разогнать автомобиль перед подъемом) нельзя из-за дорожной обстановки. Для сохранения темпа движения потребуется увеличить силу тяги. Тут часто возникает ситуация, которая выглядит так, добавление газа не даёт прироста силы тяги. Это вызывает снижение скорости, а значит, и оборотов двигателя, сопровождающееся дальнейшим уменьшением силы тяги на ведущих колесах.
Так что же делать? Как поддержать большую тяговую силу при малой скорости движения, если двигатель "не тянет", то есть, не обеспечивает достаточный КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ? Вступает в действие трансмиссия. Вы вручную, или автоматическая коробка передач самостоятельно, измените передаточное число так, чтобы сила тяги и скорость движения находились в оптимальном соотношении. Но это дополнительные неудобства в управлении автомобилем. Напрашивается вывод: было бы лучше, если бы двигатель сам приспосабливался к работе в таких ситуациях. Например, вы въезжаете на подъем. Сила сопротивления движению автомобиля возрастает, скорость падает, но силу тяги можно добавить, просто сильнее нажав на педаль газа. Автомобильные конструктора для оценки этого параметра используют термин "ЭЛАСТИЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ".
Это соотношение между числами оборотов максимальной мощности и оборотов максимального крутящего момента (об/мин Pmax/об/мин Mmax). Оно должно быть таковым, чтобы по отношению к оборотам максимальной мощности обороты максимального крутящего момента были как можно ниже. Это позволит снижать и увеличивать скорость только за счет работы педалью газа, не прибегая к переключению передач, а также ехать на повышенных передачах с малой скоростью. Практически оценить эластичность мотора можно путем проверки способности автомобиля разгоняться от 60 до 100 км/ч на четвёртой передаче. Чем меньше времени займет этот разгон, тем эластичнее двигатель.
В подтверждение вышеизложенного, обратимся к результатам тестов автомобилей Audi, BMW и Mercedes, проведенных в Европе и опубликованных российским издательством немецкого журнала Auto Motor und Sport в ноябрьском номере за 2005 год. Главным образом, рассмотрим характеристики Audi и BMW. Двигатель Audi, гораздо меньшего объёма и почти такой же мощности, практически не уступает баварцу в разгоне с места, но зато в замерах на эластичность и экономичность кладёт конкурента на обе лопатки. Почему это происходит? Потому что коэффициент эластичности мотора Audi 2,39 (4300/1800) против 1,66 (5800/3500) у BMW, а поскольку вес автомобилей приблизительно равный, жеребец из Мюнхена позволяет дать завидную фору своему соотечественнику. Причём эти впечатляющие результаты достигаются на топливе АИ-95.
Итак, подведём итог!
Из двух двигателей одинакового объема и мощности, предпочтителен тот, у которого выше эластичность. При прочих равных условиях такой мотор будет меньше изнашиваться, работать с меньшим шумом и меньше расходовать топливо, а также упростит манипуляции рычагом коробки передач. Под все эти условия попадают современные бензиновые и дизельные двигатели с наддувом. Эксплуатируя автомобиль с таким мотором, Вы получите массу приятных впечатлений!
2.3Что интересует людей, изучающих технические характеристики того или иного автомобиля? В первую очередь мощность, затем расход топлива и максимальная скорость. О крутящем моменте вспоминают редко. А зря.
Тяговые возможности моторов еще с момента рождения самоходных колясок принято оценивать по мощности, которая выражается в лошадиных силах. Из-за отсутствия в те далекие времена методики расчета и определения мощности до 1906/1907 годов эта характеристика двигателя имела не вполне четкое обозначение – она показывала приблизительную мощность – «от» и «до», например, от 15 до 20 л.с.
С 1907 года этот неточный показатель мощности разделили на два значения, например, 6/22 л.с. В первую цифру заложили значение налоговой ставки, а во вторую – мощность. Введенная налоговая лошадиная сила соответствовала определенному значению рабочего объема двигателя: 261,8 куб. см для четырехтактных моторов и 174,5 куб. см – для двухтактных. Появление такого способа установления налоговых ставок было обусловлено зависимостью рабочего объема двигателя от количества вырабатываемой им энергии и потребления топлива. Обозначать мощность в киловаттах (кВт), согласно международной системе измерений СИ, начали значительно позже.
На самом деле «мощность» отражает тяговые возможности двигателя лишь косвенно. С этим согласятся те, кто ездил на автомобилях-одноклассниках с двигателями приблизительно равной мощности и объема. Они наверняка заметили, что одни автомобили достаточно резвы начиная с низких оборотов, другие любят только высокие обороты, а на малых ведут себя достаточно вяло.
Много вопросов возникает у тех, кто после легковушки с 110-120-сильным бензиновым мотором пересел за руль такой же машины, но с дизельным двигателем мощностью всего 70-80 л.с. По динамике разгона, не используя спортивный режим (высокие обороты), на первый взгляд маломощный «дизель» с легкостью обойдет своего бензинового брата. В чем же здесь дело?
Вся эта неразбериха вызвана тем, что в каждом случае такая величина как сила тяги (FT, Н), приложенная к ведущим колесам, будет разной. Объяснение этому легко найти из формулы: FT=Мкр i h/r, где Мкр-крутящий момент двигателя, i-передаточное число трансмиссии, h – КПД трансмиссии (при продольном расположении двигателя h=0,88-0,92, при поперечном – h=0,91-0,95), r – радиус качения колеса. Из формулы видно, что чем больше крутящий момент двигателя и передаточное число, и чем меньше потери в трансмиссии (т.е. чем выше ее КПД) и радиус ведущих колес, тем больше сила тяги. Радиус колес, передаточное число и КПД трансмиссии у автомобилей-одноклассников очень схожи, поэтому на силу тяги они влияют не в такой степени как крутящий момент двигателя.
Если в формулу подставить реальные цифры, то сила тяги на каждом ведущем колесе, например, автомобиля Volkswagen Golf IV с 75-сильным мотором, развивающим крутящий момент 128 Н м, будет равна 441 Н или 45 кГ с. Правда, эти значения действительны, когда частота вращения коленчатого вала двигателя (3300 об/мин) соответствует максимальному крутящему моменту.
Что такое крутящий момент
Разобраться, что такое крутящий момент, можно на простом примере. Возьмем палку и один ее конец зажмем в тисках. Если надавить на другой конец палки, на нее начнет воздействовать крутящий момент (Мкр). Он равен силе, приложенной к рычагу, умноженной на длину плеча силы. В цифрах это выглядит так: если на рычаг длиной один метр подвесить 10-килограммовый груз, появится крутящий момент величиной 10 кг м. В общепринятой системе измерения СИ этот показатель (умножается на значение ускорения свободного падения – 9,81 м/с2) будет равен 98,1 Н м. Из этого следует, что получить больший крутящий момент можно двумя путями – увеличив длину рычага или вес груза.
В двигателе внутреннего сгорания нет палок и грузов, а вместо них имеется кривошипно-шатунный механизм с поршнями. Крутящий момент здесь получают благодаря сгоранию горючей смеси, которая при этом расширяется и толкает поршень вниз. Поршень в свою очередь через шатун давит на «колено» коленчатого вала. Хотя в описании характеристик двигателей длину плеча не указывают, об этом позволяет судить величина хода поршня (удвоенное значение радиуса кривошипа).
Примерный расчет крутящего момента двигателя выглядит так. Когда поршень толкает шатун с усилием 200 кг на плечо 5 см возникает крутящий момент 10 кГ с, или 98,1 Н м. Чтобы этот показатель стал больше, радиус кривошипа следует увеличить или сделать так, чтобы поршень давил на шатунную шейку с большей силой. Увеличивать радиус кривошипа до бесконечности нельзя, так как размер двигателя тоже придется увеличивать в ширину и в высоту. Возрастают и силы инерции, требующие упрочения конструкции или уменьшения максимальных оборотов. Появляются при этом и другие негативные факторы. В такой ситуации у конструкторов двигателей остался только один выход – увеличить силу, с которой поршень приводит в движение коленчатый вал. Для этого топливно-воздушную смесь в камере сгорания необходимо сжечь более качественно и большее количество. Достигают этого путем увеличения рабочего объема, диаметра цилиндров и их количества, а также улучшения степени наполнения цилиндров топливно-воздушной смесью, оптимизации процесса сгорания, повышения степени сжатия. Подтверждает это и расчетная формула крутящего момента: Мкр=VH pe / 0,12566 (для четырехтактного двигателя), где VH – рабочий объем двигателя (л), pe – среднее эффективное давление в камере сгорания (бар).
Получить на коленчатом валу двигателя максимальный крутящий момент удается не на всех оборотах. У разных двигателей пик максимального крутящего момента достигается на различных режимах – у одних он больше на малых оборотах (в диапазоне 1800-3000 об/мин), у других – на более высоких (в диапазоне 3000-4500 об/мин). Объясняется это тем, что в зависимости от конструкции впускного тракта и фаз газораспределения эффективное наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью происходит только при определенных оборотах.
Лошадиная сила, безусловно, является одной из самых ироничных единиц измерения. Её присутствие в механической форме практически устранило необходимость использования «биологических» лошадиных сил, вот только мощность любых автомобилей мы по-прежнему измеряем в старых добрых «лошадях». Представьте, если бы мы до сих пор оценивали яркость лампочки в свечах! Так откуда же появился этот термин?
Оказывается, его придумал Джеймс Ватт — знаменитый шотландский инженер и изобретатель. В 1763 году его попросили отремонтировать действующий макет паровой машины Ньюкомена. Макет был оснащен двухдюймовым цилиндром и имел рабочий ход поршня в шесть дюймов. После серии экспериментов Ватт заменил металлический цилиндр на смазанный льняным маслом и высушенный в печи деревянный, а также уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды.
Макет заработал, а изобретатель убедился в неэффективности паровой машины и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования, которые подняли производительность более чем в четыре раза. Как результат, работы Ватта положили начало промышленной революции сначала в Англии, а затем и во всём мире. Но чтобы паровые машины хорошо продавались, покупателям нужно было наглядно и доступно объяснить их достоинства.
К примеру, продемонстрировать, работу скольких лошадей способны заменить эти самые паровые машины. В то время в Англии для поднятия из шахт угля, воды и людей использовались бочки объёмом от 140,9 до 190,9 л. Один баррель весил 172,4 килограмма, а вытащить такую бочку могли две лошади за канат, перекинутый через блок. Усилие средней лошади в течение 8 часов работы составляет 15% от её веса или 75 килограмм-сил при массе лошади в 500 кг.
Ватт пришел к выводу, что бочку массой 180 килограммов могут вытянуть из шахты две лошади со скоростью 2 мили/ч. Тогда, умножив ½ барреля на 2 мили/ч, получим, что одна лошадиная сила равна 1 баррель · миля/ч. Округлив расчеты в фунто-футах за минуту, изобретатель решил, что лошадиная сила будет равна 33000 фунто-футов в минуту. В большинстве европейских стран и России лошадиная сила определяется как 75 кгс·м/с, то есть как мощность, затрачиваемая при равномерном вертикальном подъёме груза массой в 75 кг со скоростью 1 м/с и стандартном ускорении свободного падения.
В таком случае 1 л.с. составляет ровно 735,49875 ватт — эту величину ещё называют «метрической лошадиной силой». На Втором Конгрессе Британской Научной ассоциации в 1882 году была принята новая единица измерения мощности — «ватт», названная, собственно, в честь Джеймса Ватта. Но вместо виртуальных ваттов мы предпочитаем использовать старые добрые лошадиные силы. Согласитесь, так гораздо понятнее.
Термин "лошадиная сила" был изобретён инженером Джеймсом Ваттом. Ватт жил с 1736 по 1819 годы и является одним из самых известных и заслуженных учёных за его работу по повышению эффективности паровых двигателей. Мы также произносим его фамилию почти каждый день, когда говорим о 60-ваттных лампочках.
История гласит, что Ватт работал на угольной шахте, где уголь поднимался из шахты с помощью пони. Ватт хотел найти способ утвердить и говорить о силе, производимой этим животным. Он обнаружил, что в среднем пони могла сделать 22 000 фут-фунтов работы за одну минуту. Затем он увеличил это число на 50 процентов и привязал измерение одной лошадиной силы к 33 000 фут-фунтам работы за одну минуту. Эта произвольная единица измерения проделала свой путь в течение столетий, и теперь ей измеряется производительность Вашего автомобиля, газонокосилки, цепной пилы и даже в некоторых случаях пылесоса.
Если говорить проще, то лошадиная сила измеряется следующим образом: согласно измерениям Ватта, одна лошадь может делать 33 000 фут-фунтов работы каждую минуту. Итак, представьте себе лошадь, поднимающую уголь из угольной шахты, как показано на рисунке. Лошадь с мощностью в одну лошадиную силу может поднимать 330 фунтов (~150 кг) угля на высоту 100 футов (30,5 метров) каждую минуту, или 33 фунта (15 кг) угля на 1000 футов (305 метров) в минуту - Вы можете составить любую комбинацию веса к высоте на время, которая Вам понравится. Пока делается работа на 33 000 фут-фунтов в минуту, у Вас есть ровно одна лошадиная сила.
Вы, наверное, попробуете составить и такую комбинацию, чтобы, к примеру, загрузить 33 000 фунтов (15 тонн) угля в огромный контейнер и попросить лошадь поднимать его на 1 фут (30 сантиметров) в минуту, но поймёте, что лошадь физически не сможет сдвинуться с места с таким весом. Вы, вероятно, может также представить, что положите 1 фунт (450 грамм) угля в ведро и попросите лошадь поднимать его на 33 000 футов (около 838 метров) в минуту, развив, таким образом, скорость в 1183 км/ч, и лошадь, конечно же, не сможет развить такой скорости. Тем не менее, если Вы читали Архимеда, да и просто, если Вы старше 10-12 лет, то Вы знаете, что такое рычаг и что Вы легко можете изменить соотношение массы и скорости, используя рычаг. Таким образом, можно создать блок и решить систему, которая не ставит комфортное количество веса на коня или не позволяет ему (коню) двигаться с комфортной скоростью, независимо от того, сколько веса на самом деле Вам необходимо передвинуть.
Теперь мы с Вами знаем, что подразумевал Джеймс Ватт под лошадиной силой. Тем не менее, на сегодняшний день мощность измеряется несколько иным способом и может быть преобразована в другие единицы. Более того, в России официально термин "лошадиная сила" используется лишь при расчёте транспортного налога, а в других же сферах официальной единицей измерения принято считать Ватты. Сегодня также существует метрическое измерение лошадиной силы - не вдаваясь в подробности, она равна около 735,5 Ватт, или 75 кгс·м/с (работа, которая производится при поднятии груза массой 75 кг на высоту в 1 метр за 1 секунду, и всё это с учётом земного значения ускорения свободного падения).
А теперь немного о практике использования термина "лошадиная сила" и общей производительности автомобиля.
Автомобиль считается "высоко эффективным", если имеет под капотом большую мощность по отношению к общей массе автомобиля. Это имеет смысл, ведь чем меньше веса Вы имеете, тем больше мощность позволит ускорить машину. Для заданного количества энергии Вы хотите минимизировать вес, чтобы максимизировать ускорение.
В следующей таблице приведены соотношения лошадиных сил к весу у нескольких самых известных высокопроизводительных автомобилей. Вам уже понятно, что чем больше соотношение мощности к весу, тем это лучше, и Вам станет видно, что это не всегда прямо пропорционально влияет на цену автомобиля.
|
Мощность (л.с.) |
Полная масса (кг) |
Соотношение мощность/вес |
Разгон 0-100 км/ч (сек) |
Цена |
|
|
Dodge Viper |
450 |
3 320 |
0.136 |
4.1 |
$66 000 |
|
Ferrari 355 F1 |
375 |
2 975 |
0.126 |
4.6 |
$134 000 |
|
Shelby Series 1 |
320 |
2 650 |
0.121 |
4.4 |
$108 000 |
|
Lotus Esprit V8 |
350 |
3 045 |
0.115 |
4.4 |
$83 000 |
|
Chevrolet Corvette |
345 |
3 245 |
0.106 |
4.8 |
$42 000 |
|
Porsche Carrera |
300 |
2 900 |
0.103 |
5.0 |
$70,000 |
|
Mitsubishi 3000GT |
320 |
3 740 |
0.086 |
5.8 |
$45,000 |
|
Ford Escort |
110 |
2 470 |
0.045 |
10.9 |
$12 000 |
|
Лада Калина (Норма 1.6) |
81 |
1 555 |
0.052 |
13.3 |
335 000 руб. |
|
УАЗ Patriot (Welcome 2.7) |
128 |
2 650 |
0.048 |
19 |
580 000 рублей |
Вы можете видеть очень определенную корреляцию между соотношением мощности к массе и временем разгона в большинстве случаев, более высокий коэффициент указывает на более быстрый автомобиль. Интересно, что значительно меньше корреляции между скоростью и ценой. Объясняется это огромным количеством факторов, начиная от бренда автомобиля и заканчивая комплектацией конкретной спецификации.
Если Вы хотите быстрый автомобиль, Вам необходимо хорошее соотношение мощности к весу.