Что важнее — мощность или крутящий момент — Лайфхак

  • Лайфхак
  • Эксплуатация

Фото Aston Martin

Не секрет, что у автомобилей одного класса с примерно одинаковыми мощностью и литражом мотора динамика разгона может быть разной. Или еще — одни машины эффективно ускоряются уже на низких оборотах, а другие только на высоких. Почему это происходит?

Иван Флягин

Как известно, под мощностью подразумевается энергия, вырабатываемая мотором. Чтобы понять разницу между крутящим моментом и мощностью, можно привести такой пример: если автомобиль уперся передними колесами в препятствие и не в состоянии тронуться с места, фактическая мощность без движения сведется к нулю. При этом крутящий момент продолжает развиваться, пытаясь толкнуть авто вперед, пока мотор окончательно не выдохнется и не заглохнет.

Когда мы, закручивая гайку, давим на гаечный ключ, усилие, которое на него воздействует, является крутящим моментом. В данном случае эта величина равна силе воздействия на рычаг, умноженной на длину ключа (по-научному — длину плеча силы). Первое измеряется в ньютонах, а второе — в метрах.

Например, крутящий момент в 1 Ньютон-метр (Н. м) — это сила, с которой 0,1 кг давят на конец рычага длиной 1 м. В двигателе внутреннего сгорания роль рычага исполняет кривошип коленчатого вала. Через него и создается крутящий момент, который, образно выражаясь, толкает машину вперед. Именно эта сила превращает тепловую энергию в механическую.

Как известно, мощность измеряется ваттах или в лошадиных силах, а в технических характеристиках рядом с ее максимальным значением всегда указываются обороты, при которых она достигается.

Время, пока двигатель набирает максимальную мощность, напрямую зависит от величины крутящего момента. Можно сказать, что за эти мгновения все имеющиеся лошадки собираются в один организованный и управляемый табун. Чем выше крутящий момент, тем быстрее ускоряется автомобиль и тем больше у него тяга.

Крутящий момент также зависит от количества оборотов коленчатого вала двигателя в минуту. У различных силовых агрегатов пик максимального крутящего момента достигается при разных оборотах. У одних это происходит в диапазоне 1800—3000 об/мин, в других — при 3000—4500 об/мин. Чем ниже эти числа, тем раньше достигается пик крутящего момента, что также влияет на разгон.

146956

Как правило, мотор выдает пик тяги не в одной точке, а в определенном диапазоне, который называется «полкой куртящего момента». Это можно оценить при движение в гору на автомобиле с механической коробкой — при широком диапазоне нет нужды переходить на пониженную передачу, так как крутящего момента хватает, чтобы «толкать» машину в пределах одной ступени. Также и при скоростных маневрах мотор сохраняет динамаику в широком диапазоне оборотов.

Тракторы, тягачи и большегрузы по определению должны быть тяговитыми, поэтому, как правило, все они выпускаются с дизельными моторами, которые считаются лидерами по величине крутящего момента. Его пик в таких агрегатах приходится уже на 1500–2000 об/мин.

Как правило, в бензиновых двигателях максимальное значение крутящего момента достигается позже, чем у его дизельных собратьев — в районе 4000–4500. Зато бензиновые моторы можно раскручивать до 7000–8000 об/мин, что позволяет им развивать довольно большую мощность, в то время как у дизельных рабочий диапазон ограничен. По этой причине любители спортивной езды предпочитают выбирать автомобили с высокооборотными бензиновыми движками.

В любом случае, при выборе подходящего мотора все его характеристики нужно учитывать и оценивать в комплексе.

  • Лайфхак
  • Эксплуатация

Зачем нужна автоматическая блокировка центрального замка

24656

  • Лайфхак
  • Эксплуатация

Зачем нужна автоматическая блокировка центрального замка

24656

Подпишитесь на канал «Автовзгляд»:

  • Telegram
  • Яндекс.Дзен

бензин, двигатель, технология, дорога

Крутящий момент, что это и зачем он нужен?

Каждый двигатель внутреннего сгорания рассчитан на определенную максимальную мощность, которую он может выдавать при наборе определенного количества оборотов коленчатого вала. Однако помимо максимальной мощности существует еще и такая величина в характеристике двигателя, как максимальный крутящий момент, достигаемый на оборотах отличных от оборотов максимальной мощности.

Что же означает понятие крутящий момент? Говоря научным языком, крутящий момент равен произведению силы на плечо ее применения и измеряется в ньютон — метрах. Значит если к гаечному ключу длиной 1 метр (плечо), приложить силу в 1 Ньютон (перпендикулярно на конце ключа), то мы получим крутящий момент равный 1 Нм.

Для наглядности: если гайка затянута с усилием 3 кгс, то для ее откручивания придется к ключу с длиной плеча в 1 метр приложить усилие 3 кг. Однако, если на ключ длиной 1 метр надеть дополнительно 2-х метровый отрезок трубы, увеличив тем самым рычаг до 3 метров, то тогда для отворачивания этой гайки потребуется лишь усилие в 1 кг. Так поступают многие автолюбители при откручивании колесных болтов: либо добавляют отрезок трубы, а за неимением такового просто надавливают на ключ ногой, увеличив тем самым силу приложения к баллонному ключу. Так же если на рычаг метровой длины повесить груз равный 10 кг, то появится крутящий момент равный 10 кгм. В системе СИ это значение (перемножается на ускорение свободного падениям) будет соответствовать 98,1 Нм. Результат всегда един — крутящий момент, это произведение силы на длину рычага, стало быть, нужен либо длиннее рычаг, либо большее количество прикладываемой силы.

Все это хорошо, но для чего нужен крутящий момент в автомобиле и как его величина влияет на его поведение на дороге? Мощность двигателя лишь косвенно отражает тяговые возможности мотора, и ее максимальное значение проявляется, как правило, на максимальных оборотах двигателя. В реальной жизни в таких режимах практически никто не ездит, а вот ускорение двигателю требуется всегда и желательно с момента нажатия на педаль газа. На практике одни автомобили уже с низких оборотов ведут себя достаточно резво, другие напротив предпочитают лишь высокие обороты, а на низах показывают вялую динамику. Так у многих возникает масса вопросов, когда они с авто с бензиновым мотором мощностью 105-120 л.с. пересаживаются на 70-80 – сильный дизель, то последний с легкостью обходит машину с бензиновым мотором. Как такое может быть? Связано это с величиной тяги на ведущих колесах, которая различна для этих двух автомобилей. Величина тяги напрямую зависит от произведения таких показателей как, величины крутящего момента, передаточного числа трансмиссии, ее КПД и радиуса качения колеса. Как создается крутящий момент в двигателе. В двигателе нет метровых рычагов и грузов, и их заменяет кривошипно-шатунный механизм с поршнями.

Крутящий момент в двигателе образуется за счет сгорания топлива — воздушной смеси, которая расширяясь в объеме с усилием толкает поршень вниз. Поршень в свою очередь через шатун передает давление на шейку коленчатого вала. В характеристике двигателя нет значения плеча, но есть величина хода поршня (двойное значение радиуса кривошипа коленвала). Для любого мотора крутящий момент рассчитывается следующим образом. Когда поршень с усилием 200 кг двигает шатун на плечо 5 см, появляется крутящий момент 10 кГс или 98,1Нм. В данном случает для увеличения крутящего момента нужно либо увеличить радиус кривошипа, или же увеличить давление расширяющихся газов на поршень. До определенной величины можно увеличить радиус кривошипа, но будут расти и размеры блока цилиндров как в ширину, так и в высоту и увеличивать радиус до бесконечности невозможно. Да и конструкцию двигателя придется значительно упрочнять, так как будут нарастать силы инерции и другие отрицательные факторы. Следовательно, у разработчиков моторов остался второй вариант – нарастить силу, с которой поршень передает усилие для прокручивания коленвала. Для этих целей в камере сгорания нужно сжечь больше горючей смеси и к тому же более качественно. Для этого меняют величину и конфигурацию камеры сгорания, делают «вытеснители» на головках поршней и повышают степень сжатия. Однако максимальный крутящий момент доступен не на всех оборотах мотора и у различных двигателей пик момента достигается на различных режимах. Одни моторы выдают его в диапазоне 1800- 3000 об/мин, другие на 3000-4500 об/мин. Это зависит от конструкции впускного коллектора и фаз газораспределения, когда эффективное наполнение цилиндров рабочей смесью происходит при определенных оборотах.

Наиболее простое решение для увеличения крутящего момента, а следовательно и тяги, это применение турбо или механического наддува, либо применение их в комплексе. Тогда крутящий момент можно уже использовать с 800-1000 об/мин, т.е. практически сразу. К тому же это закрывает такую проблему, как провалы при наборе скорости, так как величина крутящего момента становится практически одинакова во всем диапазоне оборотов двигателя. Достигается это различными путями: увеличивают количество клапанов на цилиндр, делают управляемыми фазы газораспределения для оптимизации сгорания топлива, повышают степень сжатия, применяют выпускной коллектор по формуле 1-4 -2-3, в турбинах применяют крыльчатки с изменяемым и регулируемым углом атаки лопаток и т. д.

Учебное пособие по крутящему моменту и вращательному движению

Что такое крутящий момент?

Крутящий момент — это мера того, насколько сила, действующая на объект, заставляет этот объект вращаться. Объект вращается вокруг оси, которую мы назовем точкой поворота и обозначим ‘\(O\)’. Мы будем называть силу ‘\(F\)’. Расстояние от точки вращения до точки, где действует сила, называется плечом момента и обозначается «\(r\)». Обратите внимание, что это расстояние ‘\(r\)’ также является вектором и указывает от оси вращения до точки, где действует сила. (Обратитесь к рисунку 1 для графического представления этих определений.)

Рисунок 1: Определения

Крутящий момент определяется как  \(\Gamma = r \times F = rF \sin (\theta)\).

Другими словами, крутящий момент представляет собой перекрестное произведение между вектором расстояния (расстояние от точки вращения до точки приложения силы) и вектором силы, где ‘\(a\)’ представляет собой угол между \(r\) и \(F. \)

Перекрестное произведение

Перекрестное произведение, также называемое векторным произведением, представляет собой операцию над двумя векторами. Перемножение двух векторов дает третий вектор, который перпендикулярен плоскости, в которой лежат первые два. То есть для пересечения двух векторов \(A\) и \(B\) мы размещаем \(A\) и \(B\) так, чтобы их хвосты находились в одной точке. Затем их векторное произведение \(A \times B\) дает третий вектор, скажем, \(C\), хвост которого также находится в той же точке, что и у \(A\) и \(B.\) Вектор \(C\) указывает направление, перпендикулярное (или нормальное) к обоим \(A\) и \(B). Направление \(C\) зависит от правила правой руки.

Рисунок CP 1: \(A \times B = C\)

Если угол между \(A\) и \(B\) равен , то векторное произведение \(A\) и \(B\ ) можно выразить как 

\(A \times B = A B \sin(\theta)\)

Рисунок CP2: \(B \times A = D\)

Если компоненты для векторов \(A\) и \ (B\) известны, то мы можем выразить компоненты их векторного произведения, \(C = A \times B\) следующим образом A_xB_z\)
\(C_z = A_xB_y — A_yB_x\)
 
Далее, если вы знакомы с определителями, \(A \times B\), это 

\(A \times B = \Biggr| \begin {matrix} i \quad j \quad k \\ A_x \; A_y \; A_z \\ B_x \; B_y \; B_z \end{matrix} \Biggr|\)

Сравнивая рисунки CP1 и CP2, мы замечаем, что 
\(A \times B = — B \times A\)

Очень хорошая симуляция, позволяющая исследовать свойства перекрестного произведения, доступна по ссылке ЗДЕСЬ. Используйте кнопку «назад», чтобы вернуться в это место.

 

Используя правило правой руки , мы можем найти направление вектора крутящего момента. Если мы направим пальцы в направлении \(r,\) и согнем их в направлении \(F,\), то большой палец будет указывать в направлении вектора крутящего момента.

Правило правой руки

Вопрос

В каком направлении крутящий момент на этой диаграмме относительно точки вращения, обозначенной \(O\)?

Рисунок RHR 1: Схема проблемы Рисунок RHR 2: Схема проблемы, сила была преобразована, чтобы упростить использование правила правой руки

Решение

Здесь мы предполагаем, что векторы силы \(F,\) и плеча момента r были первоначально размещены «голова к голове» (то есть, \(F\) указывал на острие стрелки \(r,\) не в своей точке вращения). Это показано на рис. RHR 1. Однако, переводя вектор силы в его положение на рис. RHR 2, использование правила правой руки становится более очевидным.

Без этого уточнения можно интерпретировать рисунок RHR 2 как вектор силы, проходящий через точку вращения, и в этом случае крутящего момента не будет. Это связано с определением плеча момента, которое представляет собой расстояние между точкой вращения и точкой, в которой действует сила. Если сила действует прямо на точку вращения, то \(r = 0,\), поэтому крутящего момента не будет. (Имея плечо момента, равное нулю, это все равно, что пытаться открыть дверь, нажимая на ее петли; ничего не происходит, потому что приложенная сила не создает крутящего момента.)

Вспомните использование правила правой руки при расчете крутящего момента. Пальцы должны быть направлены в сторону первого вектора и согнуты в сторону второго вектора. В этом случае крутящий момент представляет собой перекрестное произведение плеча момента и крутящего момента. Таким образом, пальцы будут указывать в том же направлении, что и плечо момента, и свернуты в направлении силы (по часовой стрелке). Направление вашего большого пальца — это направление крутящего момента; в этом случае крутящий момент попадает на экран.

Мы можем представить «внутри» и «из» с помощью символов при рисовании трехмерных диаграмм. Символ «в» – это  (предполагается, что это конец стрелки), а «из» –  (это кончик стрелки).

Рисунок RHR 3: Схема решенной проблемы (результирующий крутящий момент находится на экране)

 

Представьте, что вы толкаете дверь, чтобы открыть ее. Сила вашего толчка (\(F\)) заставляет дверь вращаться вокруг своих петель (точка вращения, \(O\)). То, насколько сильно вам нужно нажимать, зависит от расстояния, на котором вы находитесь от петель (\(r\)) (и от нескольких других вещей, но давайте их сейчас проигнорируем). Чем ближе вы к петлям (т.е. чем меньше \(r\)), тем труднее нажимать. Вот что бывает, когда пытаешься толкнуть дверь не с той стороны. Крутящий момент, создаваемый вами на двери, меньше, чем если бы вы отодвинули правильную сторону (от ее петель).

Обратите внимание, что приложенная сила \(F,\) и плечо момента \(r,\) не зависят от объекта. Кроме того, сила, приложенная к точке поворота, не вызовет крутящего момента, поскольку плечо момента будет равно нулю (\(r = 0\)).

Другой способ выражения приведенного выше уравнения состоит в том, что крутящий момент является произведением величины силы и перпендикулярного расстояния от силы до оси вращения (т.е. точки поворота).

Пусть сила, действующая на объект, разбита на тангенциальную (\(F_{tan}\)) и радиальную (\(F_{rad}\)) составляющие (см. рис. 2). (Обратите внимание, что тангенциальная составляющая перпендикулярна плечу момента, а радиальная составляющая параллельна плечу момента.) Радиальная составляющая силы не влияет на крутящий момент, поскольку она проходит через точку поворота. Таким образом, только тангенциальная составляющая силы влияет на крутящий момент (поскольку она перпендикулярна линии между точкой действия силы и точкой поворота).

Рисунок 2: Тангенциальная и радиальная составляющие силы F

На объект может действовать более одной силы, и каждая из этих сил может действовать на разные точки объекта. Тогда каждая сила будет вызывать крутящий момент. Чистый крутящий момент представляет собой сумму отдельных крутящих моментов.

Вращательное равновесие аналогично поступательному равновесию, где сумма сил равна нулю. При вращательном равновесии сумма крутящих моментов равна нулю. Другими словами, на объекте нет чистого крутящего момента.

\(\sum \tau = 0\)

Обратите внимание, что единицами крутящего момента в системе СИ является ньютон-метр , что также является способом выражения джоуля (единицы измерения энергии). Однако крутящий момент — это не энергия. Итак, чтобы избежать путаницы, мы будем использовать единицы Н·м, а не Дж. Различие возникает из-за того, что энергия — это скалярная величина, а крутящий момент — это вектор.

Полезное и интересное интерактивное занятие по вращательному равновесию.

Крутящий момент и угловое ускорение

В этом разделе мы разработаем взаимосвязь между крутящим моментом и угловым ускорением. Для этого раздела вам необходимо иметь общее представление о моментах инерции.

Момент инерции

Момент инерции является аналогом массы при вращении. Просмотрите определения, как объяснено в вашем учебнике.

В следующей таблице приведены моменты инерции для различных обычных тел. «М» в каждом случае — это общая масса объекта. 92\)

 

Рис. 3. Радиальная и тангенциальная составляющие силы, два измерения

Представьте себе силу F, действующую на некоторый объект на расстоянии r от его оси вращения. Мы можем разбить силу на тангенциальную (\(F_{tan}\)), радиальную (\(F_{rad}\)) (см. рис. 3). (Это предполагает двумерный сценарий. Для трех измерений — более реалистичной, но и более сложной ситуации — у нас есть три компонента силы: тангенциальная составляющая \(F_{tan}\), радиальная составляющая \( F_{rad}\) и z-компонента \(F_z\). Все компоненты силы взаимно перпендикулярны или нормальны.) 92\), умноженное на угловое ускорение, \(\альфа\).

\(\sum \tau = I\cdot \alpha\)

Панель 4: Радиальная, тангенциальная и z-компоненты силы, три измерения

Если провести аналогию между поступательным и вращательным движением, то это соотношение между угловое ускорение аналогично второму закону Ньютона. А именно, принимая крутящий момент за аналог силы, момент инерции за аналог массы и угловое ускорение за аналог ускорения, мы получаем уравнение, очень похожее на второй закон.

Пример задачи: Качающаяся дверь

Вопрос

В спешке, чтобы поймать такси, вы мчитесь через плавно вращающуюся дверь на тротуар. Сила, которую вы приложили к двери, была \(50 Н,\) приложена перпендикулярно плоскости двери. Ширина двери \(1,0\;м\). Предполагая, что вы толкнули дверь за ее край, каков был крутящий момент на распашной двери (принимая петлю за точку опоры)?

Подсказки

  1. Где точка поворота?
  2. Какая сила была приложена?
  3. На каком расстоянии от точки вращения была приложена сила?
  4. Какой угол между дверью и направлением силы?

Решение

Точка поворота находится на петлях двери, напротив того места, где вы толкали дверь. Сила, которую вы использовали, была \(50 Н,\) на расстоянии \(1,0\;м\) от точки вращения. Вы ударили по двери перпендикулярно ее плоскости, поэтому угол между дверью и направлением силы был \(90\) градусов.

Так как
\(\tau = r \times F = r F \sin (\theta)\)

Диаграмма примера задачи

, то крутящий момент на двери был:
\(\tau = (1,0 м) (50 Н ) \sin(90)\)
\(\tau = 50 Н·м\)

Обратите внимание, что это только величина крутящего момента; чтобы завершить ответ, нам нужно найти направление крутящего момента. Используя правило правой руки , мы видим, что направление крутящего момента выходит за пределы экрана.

систем отсчета — От чего зависит крутящий момент?

спросил

Изменено
8 лет, 5 месяцев назад

Просмотрено
4к раз

$\begingroup$

От чего зависит крутящий момент? Я знаю, что крутящий момент зависит от силы и момента, но зависит ли он от выбора источника? Потому что я думаю, что выбор источника определяет его плечо момента.

  • системы отсчета
  • крутящий момент

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Крутящий момент определяется как $\vec \tau = \vec r \times \vec F$, где $\vec r$ — вектор смещения от начала координат до точки приложения силы. Это означает, что крутящий момент очень сильно зависит от выбора исходной точки. Опять же, выбор начала координат также влияет на тензор инерции.

Пока вы правильно понимаете всю физику, вы можете выбрать любое исходное положение. Окончательный ответ будет одинаковым независимо от выбора происхождения. Тем не менее, некоторые варианты выбора значительно усложняют уравнения движения, в то время как другие варианты значительно упрощают уравнения движения. «Лучший» выбор начала координат — тот, который приводит к простейшим уравнениям движения. Это варьируется от проблемы к проблеме.

Posted inПопулярное