.Jeżeli ktoś wie w czym rzecz, to nie musi czytać, bo nic tu nowego nie znajdzie
. Napisałem to bardziej z myślą o tych, którzy gubią się trochę w pojęciach momentu obrotowego, mocy i nie do końca wiedzą, co która rzecz daje i z czego wynika.Czym jest moment obrotowy?
Najprościej mówiąc jest to "siła", jaką wytwarza obracający się element, np. wał silnika. Jest ona wyrażana w Nm (niutonometrach), czyli sile określonej w niutonach, uzyskanej na końcu ramienia obracającego się wraz z wałem, o długości 1 metra. Jeżeli wyobrazimy sobie śmigło, którego łopatki mają długość jednego metra i które jest napędzane silnikiem generującym 10 Nm, to przykładając rękę do łopatek (na ich końcu, czyli 1 metr od środka śmigła) zostaniemy uderzeni z siłą 10 N.
Moment obrotowy jest więc realną "siłą", jaką generuje silnik i jest też jednocześnie "obrotowym" odpowiednikiem siły liniowej, czyli takiej, którą uzyskujemy np. w wyniku ruchu tłoka w cylindrze lub siłownika (np. unoszącego klapę bagażnika w samochodzie).
Nietrudno zatem domyślić się, że moment obrotowy silnika jest tym, dzięki czemu możemy jechać i przyspieszać. Naturalnie więc, im większym momentem obrotowym dysponuje nasz silnik, tym dynamiczniej możemy przyspieszać.
Czym jest moc?
Ruch obrotowy oprócz tego, że charakteryzuje się jakimś momentem obrotowym, zawiera jeszcze drugi, bardzo ważny parametr, mianowicie prędkość obrotową, podawaną zazwyczaj w obrotach na minutę. Moc jest właśnie iloczynem tych dwóch wartości, czyli momentu obrotowego i prędkości obrotowej. Oczywiście nie wprost, bo wtedy wyszłyby astronomiczne wartości mocy, dlatego też aby otrzymać właściwą wartość mocy w KM (koniach mechanicznych), wynik mnożenia musimy podzielić przez odpowiedni współczynnik, który wynosi 7022 (pod warunkiem, że podajemy wartość momentu obrotowego w Nm i wartość prędkości obrotowej w obrotach na minutę).
Otrzymujemy więc wzór:
Moc [KM] = ( Moment obrotowy [Nm] · Prędkość obrotowa [obr/min] ) ÷ 7022 lub w jednostkach podstawowych: Moc [W] = Moment obrotowy [Nm] · Prędkość obrotowa [rad/s]
Mając przykładowy silnik, który w danym momencie generuje 125 Nm i kręci się z prędkością 4000 obr/min, to korzystając z naszego wzoru możemy policzyć, że generuje on w tym momencie nieco ponad 70 KM.
Więc co jest w końcu ważne, moment obrotowy czy moc?
Otóż, i jedno, i drugie - przede wszystkim jednak moc silnika. Wystarczy spojrzeć na wzór, aby zauważyć, że nie ma mocy bez momentu obrotowego, ale co niemniej ważne, nie ma też mocy bez prędkości obrotowej. A to właśnie moc jest pracą wykonaną w jednostce czasu, czyli tym, co jest w rzeczywistości najistotniejsze.
Przykład
Wyobraźmy sobie wielkie, drewniane koło, ważące kilka ton i napędzane przez prąd rzeki. Generuje ono potężny moment obrotowy, który wynosi np. 5000 Nm. Jednakże ma jedną wadę - kręci się bardzo powoli, z prędkością obrotową np. 1 obr/min. Chcąc jechać samochodem z prędkością 100 km/h, koła muszą kręcić się z prędkością obrotową ok. 800 obr/min. Gdybyśmy więc zamontowali takie drewniane koło jako napęd w naszym samochodzie, to musielibyśmy zastosować dużą przekładnię, która 1 obr/min zamieni nam na 800 obr/min. Jednakże zwiększając prędkość obrotową poprzez przekładnię, automatycznie zmniejszamy moment obrotowy. Jeżeli np. zwiększymy obroty dwukrotnie, to moment obrotowy zmniejszy się również dwukrotnie. Skoro więc chcemy z 1 obr/min uzyskać 800 obr/min, to jak nietrudno policzyć, musimy zastosować przekładnię zwiększającą prędkość obrotową aż 800-krotnie, a co za tym idzie zmniejszającą moment obrotowy również 800-krotnie. Przez to z początkowych 5000 Nm, na kołach dostaniemy zaledwie 6,25 Nm, co jest wartością nieco większą od momentu obrotowego jakim dysponuje silnik chińskiego skutera o pojemności 50 ccm. Nie pozwoli nam to, rzecz jasna, nawet na zbliżenie się do prędkości 100 km/h (o ile w ogóle pozwoli na ruszenie samochodu z miejsca).
Jak zatem widać, nawet wielki moment obrotowy, nie jest tak naprawdę nic warty, jeżeli nie ma wystarczająco dużej prędkości obrotowej.
Wyobraźmy sobie teraz mały silniczek modelarski, który kręci się z dużą prędkością obrotową, np. 10000 obr/min. Jednakże ze względu na swój mały rozmiar, a co za tym idzie pojemność skokową, nie jest w stanie generować dużego momentu obrotowego, generuje więc np. tylko 0,5 Nm. Umieszczając go w samochodzie, musimy zastosować podobną przekładnię, ale "w drugą stronę", teraz musimy zmniejszyć prędkość obrotową, ale dzięki temu zwiększy nam się moment obrotowy na kołach. Chcąc zmniejszyć prędkość obrotową z 10000 obr/min na 800 obr/min, stosujemy przekładnię 12,5-krotną i w związku z tym, moment obrotowy zwiększa nam się 12,5-krotnie, otrzymujemy zatem... 6,25 Nm! Dokładnie tak - tyle samo ile w przypadku wielkiego, drewnianego koła.
I możemy zauważyć kolejną rzecz, nawet bardzo mały moment obrotowy może wygenerować stosunkowo dużo siły, pod warunkiem, że prędkość obrotowa jest duża.
Wróćmy do naszego wzoru i obliczmy moc dla obu opisanych powyżej źródeł napędu.
Drewniane koło:
( 5000 · 1 ) ÷ 7022 = 0,71 KM
Silniczek modelarski:
( 0,5 · 10000 ) ÷ 7022 = 0,71 KM
Do jakich dochodzimy wniosków?
Ano do takich, że tak naprawdę moc zawsze wyznacza nam realne możliwości, którą dostajemy do dyspozycji. Moment obrotowy jest tylko jedną z dwóch składowych mocy i oczywiście jest bardzo ważny, bo bez niego nie będzie mocy, ale nie mniej ważna jest prędkość obrotowa, bo bez niej tej mocy nie będzie również.
Czy bolid F1 byłby w stanie pociągnąć kilkudziesięciotonową naczepę?
Oczywiście! Należałoby jedynie zastosować inną przekładnię, bo ciągnąc naczepę nie ma raczej potrzeby rozwijania 300 km/h, natomiast jest potrzeba uzyskiwania dużej siły.
Przeciętny ciągnik siodłowy ma 400 - 500 KM mocy, a bolid F1 ok. 750 KM, więc... poradzi sobie z ciągnięciem naczepy i to w dodatku lepiej.
Weźmy przykładowy silnik MAN-a D 2676 LF01:
480 KM przy 1900 obr/min
2300 Nm przy 1050 - 1400 obr/min
I przykładowy silnik F1:
750 KM przy ok. 18000 obr/min
300 Nm przy ok. 17000 obr/min
Chcemy aby nasza naczepa jechała z prędkością 80 km/h, oznacza to prędkość obrotową koła naczepy ok. 425 obr/min. Obliczymy więc jakie przekładnie musimy zastosować, aby z prędkości obrotowych silników uzyskać 425 obr/min i dzięki temu dowiemy się jakim momentem obrotowym na kołach będziemy dysponować.
Dla obu silników przyjmiemy, że kręcą się z obrotami właściwymi dla swoich mocy maksymalnych, czyli 1900 obr/min dla MAN-a i 18000 obr/min dla F1. Nie znamy natomiast momentów obrotowych dla tychże prędkości obrotowych, dlatego przyjmiemy wartości maksymalnych momentów obrotowych, co daje nieco większą korzyść silnikowi MAN-a.
MAN:
Przekładnia: 1900 ÷ 425 = 4,47
Moment obrotowy na kołach: 2300 · 4,47 = 10281 Nm
F1:
Przekładnia: 18000 ÷ 425 = 42,35
Moment obrotowy na kołach: 300 · 42,35 = 12705 Nm
Jak widać, wszystko się potwierdza. Pojawia się pytanie, dlaczego więc do ciężarówek wkłada się takie wielkie i ciężkie silniki? Odpowiedź jest prosta: ekonomia. Silnik w ciężarówce ma z założenia wytrzymać jak największy przebieg, a niskie obroty temu sprzyjają. Ekstremalnie wysilony silnik F1 w ciężarówce radziłby sobie bardzo dobrze, ale tylko przez pierwsze... 2000 km, 3000 km, pewnie nie więcej, a potem nadawałby się jedynie na złom.
Kiedy samochód najlepiej przyspiesza?
Pomijam kwestię oczywistą, czyli taką, że wtedy kiedy gaz jest wciśnięty "do dechy".
W pierwszej kolejności wtedy, kiedy jest na jak najniższym biegu, a w drugiej kolejności wtedy, kiedy silnik generuje największy moment obrotowy.
Mamy więc najniższy bieg, czyli jedynkę, toczymy się ledwo co, aż w pewnym momencie wciskamy gaz i ciągniemy do czerwonego pola. Jak będziemy się wtedy rozpędzać? Dokładnie tak, jak przebiega krzywa momentu obrotowego (pomijając oczywiście pozostałe czynniki, takie jak np. zwiększający się opór powietrza w miarę rozpędzania). Weźmy dla przykładu:
Mamy tutaj dwa wykresy, ten w miarę poziomy reprezentuje moment obrotowy, a ten rosnący moc. I w tym przypadku dynamika rozpędzania będzie wyglądała właśnie tak, jak wygląda wykres momentu obrotowego, czyli najpierw rozpędzamy się z coraz większą dynamiką, aż do 3500 obr/min, potem ta dynamika utrzymuje się na niemal stałym poziomie, aż od 6500 obr/min dynamika zaczyna spadać.
Co w takim razie z mocą? Przecież ona, jak widać na wykresie, rośnie dość mocno, a samochód wcale nie przyspiesza bardziej dynamicznie (a po przekroczeniu 6500 obr/min już nawet coraz mniej dynamicznie). Owszem, nie przyspiesza bardziej dynamicznie, ale za to jedzie z dużo większą prędkością.
Powyższy wykres przedstawia charakterystykę wysokoobrotowego silnika benzynowego, którego maksymalny moment obrotowy wynosi 400 Nm, a maksymalna moc 420 KM. Możemy go porównać z silnikiem diesla, który charakteryzowałby się zbliżoną krzywą momentu obrotowego, ale (jak to diesel) mógłby się kręcić do 4500 obr/min. W związku z tym, jego maksymalna moc wynosiłaby tylko nieco ponad 250 KM ( [ 400Nm · 4500 obr/min ] ÷ 7022 ). Jeżeli włożymy oba silniki do identycznych samochodów, z identycznymi masami, przełożeniami itd., to dynamika rozpędzania obu samochodów w zakresie od 1000 obr/min do 4500 obr/min będzie dokładnie taka sama, ale... dla diesla (z mocą 250 KM) to już jest koniec, przy tych obrotach osiągnął prędkość np. 250 km/h i więcej już nie pojedzie, a benzynowy (z mocą 420 KM) może się jeszcze spokojnie kręcić do dużo wyższych obrotów i osiągnąć w końcu prędkość np. 300 km/h.
Dlaczego w wyścigach i przy ostrej jeździe ciągnie się zawsze do wysokich obrotów, skoro maksymalny moment obrotowy występuje przy dużo niższych obrotach?
Po to, aby jak najdłużej wykorzystywać jak najniższe biegi, które to dają najwięcej momentu obrotowego na kołach.
Przyjmijmy, w dużym uproszczeniu, że przełożenie w naszym samochodzie na I biegu to 12:1, a na II biegu to 8:1 (ten stosunek przełożeń, odpowiada w przybliżeniu realnemu połączeniu przełożenia skrzyni biegów i przełożenia głównego w samochodzie).
Kolejne założenie, to moment obrotowy naszego silnika, przyjmijmy że maksymalny moment obrotowy wynosi 200 Nm, a najniższy (biorąc pod uwagę użyteczny zakres pracy silnika) 150 Nm. Czyli, rozpędzamy się, przekraczamy obroty momentu maksymalnego i zaczyna on nam spadać, aż do wartości 150 Nm.
I mogłoby się wydawać, że dalsze ciągnięcie silnika powyżej obrotów momentu maksymalnego jest bez sensu - jednak tak nie jest. Na razie rozpatrujemy wyłącznie wartości dotyczące samego silnika, a tak naprawdę interesują nas koła, bo to one ciągną samochód i ważna jest siła, którą one dysponują.
Znamy przełożenia, możemy więc łatwo policzyć jaki moment obrotowy na kołach będziemy uzyskiwać przy danych biegach i momentach obrotowych silnika.
Przy naszym zakresie momentu obrotowego, czyli od 200 Nm do 150 Nm, będzie to wyglądało następująco:
I bieg: od 2400 Nm do 1800 Nm
II bieg: od 1600 Nm do 1200 Nm
I w tym momencie już wszystko powinno być jasne, mimo że na I biegu od pewnego momentu moment obrotowy na kołach zaczyna spadać, to i tak będzie on większy od największego momentu obrotowego jaki jesteśmy w stanie uzyskać na II biegu.
Czy zatem cała ta moc jest potrzebna jedynie do osiągania wysokich prędkości?
Nie tylko. Wbrew powszechnej obecnie ekscytacji momentem obrotowym, za przyspieszenie również odpowiada moc silnika. Przyspieszenie wprawdzie wynika z momentu obrotowego na kołach, jednakże moment obrotowy na kołach wynika właśnie z mocy silnika.
Nie trzeba nawet do tego przeprowadzać kolejnej, szczegółowej analizy, wystarczy porównać dwa przykładowe samochody, powiedzmy Volkswagen Golf V z wolnossącym benzynowym 1.4 FSI 90 KM i turbodieslem 1.9 TDI 90 KM.
Maksymalny moment obrotowy benzynowego 1.4 FSI: 130 Nm
Maksymalny moment obrotowy turbodiesla 1.9 TDI: 210 Nm
Różnica w wartości momentu obrotowego dosyć spora (turbodiesel ma go o ponad 60% więcej) - jednakże mimo takiej różnicy obydwa samochody rozpędzają się do 100 km/h dokładnie w tym samym czasie: 12,9 s. Dlaczego? Oczywiście odpowiedzią jest moc - obydwa silniki mają taką samą i dlatego zapewniają takie same osiągi.
