Момент и мощность
Возникает вопрос — если КМ так легко увеличить в разы, то что ограничивает его рост? Ответ даёт та же физика. Как бы не переключалась трансмиссия, есть основная характеристика двигателя, которую изменить она не в состоянии — это мощность.
Мощность двигателя простыми словами равна произведению момента на скорость вращения. То есть выигрывая в скорости, проигрываем в моменте и наоборот. Более того, это является основой для парадоксального многим заключения — значение момента вообще не должно интересовать водителя. Можно ведь просто раскрутить двигатель при увеличенном передаточном числе, сила на колёсах будет той же.
Направление момента силы и его знак
Изучение вопроса, что такое момент силы, не может быть полным, если не рассмотреть его векторную природу. Вспоминая свойства векторного произведения, можно с уверенностью сказать, что момент силы будет перпендикулярен плоскости, построенной на векторах-множителях.
Конкретное направление M¯ определяется однозначно, если применить так называемое правило буравчика. Звучит оно просто: вращая буравчик по направлению кругового движения системы, поступательным движением буравчика определяется направление момента силы.
Если смотреть на вращающуюся систему вдоль ее оси, то вектор момента силы, приложенный к точке, может быть направлен как на читателя, так и от него. В связи с этим при количественных расчетах используют понятие о положительном или об отрицательном моменте. В физике принято положительным считать тот момент силы, который приводит к вращению системы против хода часовой стрелки.
Понятие о моменте силы
Каждый любитель велосипеда хотя бы один раз в своей жизни раскручивал рукой колесо своего «железного коня». Если описанное действие выполнять, взявшись рукой за покрышку, то раскрутить колесо гораздо легче, чем взявшись за спицы ближе к оси вращения. Это простое действие описывается в физике с помощью момента силы или вращающего момента.
Что такое момент силы? Ответить на этот вопрос можно, если представить себе систему, которая может вращаться вокруг оси O. Если в некоторой точке P к системе приложить вектор силы F¯, тогда момент действующей силы F¯ будет равен:
То есть момент M¯ представляет собой векторную величину, равную произведению векторной силы F¯ на радиус-вектор OP¯.
Записанная формула позволяет отметить важный факт: если внешняя сила F¯ приложена под любым углом к любой точке оси вращения, то момента она не создает.
Как это решается в современных автомобилях, и почему производители всё упрощают
Хороший двигатель сейчас немыслим без турбонаддува. Не вдаваясь в описание этого устройства, можно сказать, что наполнение цилиндров легко обеспечивается почти при любых оборотах, начиная практически с холостых. Отсюда ровная «полка» крутящего момента, который достигает своей максимальной величины при 1500–2000 об/мин и не меняется до максимальных, у подобных двигателей значительно меньших, чем у старых «атмосферников».
Казалось бы, проблема решена, но нельзя же без рекламного эффекта. И производители начинают соревнование — кто большую величину момента укажет в характеристиках новой модели. Зачем это знать водителю — непонятно, всё равно автоматическая коробка передач выберет нужный момент на колёсах, который в несколько раз выше, создаваемого мотором, каким бы он ни был. А разгон автомобиля и прочие его способности определяются исключительно максимальной мощностью. Обороты, при которых она достигается, у гражданских автомобилей примерно одинаковые. То есть надо упоминать равномерность распределения момента по оборотам, чтобы под нагрузкой момент не падал даже без переключений, но нет, указывается только абстрактное число Ньютон-метров.
Простым языком о крутящем моменте
Если внимательно изучить основные характеристики двигателя авто, то можно столкнуться со следующими понятиями:
- уровень мощности мотора машины, который измеряется в лошадиных силах;
- крутящий момент мотора машины (измеряется в ньютонометрах);
- число оборотов, которые мотор машины делает в течение одной минуты.
Подавляющее большинство людей, которые видят значение в 100 или же в 200 л.с. считают, что это хорошо. И, по большому счету, это действительно так. 100 л.с. или же лошадиных сил являются очень хорошими показателями для городских кроссоверов, которые отличаются компактными размерами, или же для мощных хэтчбеков.
Однако такие характеристики как крутящий момент, число оборотов, которые мотор делает в течение одной минуты, являются не менее важными характеристиками мотора. Потому как уровень мощности в 200 л.с. может быть достигнут, только когда мотор автотранспортного средства работает на пределе. От крутящего момента и будет зависеть быстрота разгона транспортного средства.
Допустим, что вы едете на своей машине по автомобильной трассе на большой скорости, включив четвертую или же пятую передачу. Если вдруг дорога станет подниматься, то уровень мощности мотора вашего транспортного средства может просто оказаться недостаточно.
По этой причине вам придется переходить на низкие передачи, уровень мощности мотора, соответственно, от этого будет увеличиваться. Крутящий же момент обеспечивает увеличение уровня мощности мотора автотранспортного средства, помогая активизировать все его силы на то, чтобы преодолеть препятствие.
Это будет зависеть главным образом от конкретной марки транспортного средства. Что касается двигателей дизельного типа, то у них максимальный крутящий момент в подавляющем большинстве случаев наблюдается на трех-четырех тысячах оборотов в течение одной минуты.
Соответственно, у них гораздо лучше динамика разгона. Тем не менее, в плане максимального уровня мощности они очень сильного проигрывают двигателям, которые работают на бензине.
Ну и для того, чтобы читателям было совсем понятно, что представляет собой крутящий момент, расскажем о единицах, в которых он измеряется. Это метры и ньютоны. Это та сила, с которой мощность поступает от поршня на маховик через коленвал. И уже от него на трансмиссию (коробку передач). От скорости движения поршня будет непосредственным образом зависеть скорость движения маховика.
Хотя существуют и такие автотранспортные средства, мотор которых вырабатывает тягу даже при низких оборотах. К таким в частности, можно отнести различного рода трактора, самосвалы, а также внедорожники.
От чего зависит крутящий момент мотора автотранспортного средства
Само собой разумеется, что самые мощные моторы транспортных средств обладают достаточно крупными размерами. Соответственно, если ваше транспортное средство – это малолитражка или же компактный хэтчбек, то у вас не получится ни резко разогнаться, ни «стартануть» с места.
Исходя из этого, на малолитражках двигатель используется только лишь на половину своей максимальной мощности. В то время как мощные транспортные средства способны разгоняться практически с места. При этом отсутствует необходимость в быстром переключении передач.
Еще одним важным параметром, который оказывает самое непосредственное влияние на крутящий момент мотора автотранспортного средства, является его эластичность. Этот параметр показывает соотношение числа оборотов, которое делает мотор в течение одной минуты, и уровня мощности.
Даже на низкой передаче авто может ехать с достаточно высокой скоростью при двигателе, работающем на полную мощность. Это является особенно актуальным при езде по городским улицам, потому как там водителям приходится постоянно притормаживать, разгоняться, а потом снова притормаживать.
При езде по автомобильной трассе это тоже очень выгодно, потому как можно разогнать двигатель транспортного средства до необходимого количества оборотов всего одним нажатием на педаль.
Важность понятия о моменте силы для статики
Многие знакомы с задачами на рычаги разного рода. Практически во всех этих задачах статики требуется найти условия равновесия системы. Для нахождения этих условий проще всего воспользоваться концепцией момента силы.
Если система не движется и находится в состоянии равновесия, то сумма всех моментов сил относительно оси, точки или выбранной опоры должна быть равна нулю, то есть:
Где n — число действующих сил.
Напомним, что абсолютные значения моментов Mi в равенство выше нужно подставлять с учетом их знака. Сила реакции опоры, которая рассматривается в качестве оси вращения, вращающего момента не создает. Ниже приводится видео, которое поясняет тему этого пункта статьи.
Абсолютная величина момента силы
В предыдущем пункте мы рассмотрели определение, что такое момент силы относительно оси. Теперь обратимся к рисунку ниже.
Здесь изображен некоторый стержень, имеющий длину L. С одной стороны он закреплен через шарнирное соединение на вертикальной стене. Другой конец стержня является свободным. На этот конец оказывает действие сила F¯. Также известен угол между стержнем и вектором силы. Он равен φ.
Вращающий момент определяется через векторное произведение. Модуль такого произведения равен произведению абсолютных значений векторов на синус угла между ними. Применяя тригонометрические формулы, приходим к следующему равенству:
Обращаясь снова к рисунку выше, можно это равенство переписать в следующей форме:
Величина d, которая равна расстоянию от вектора силы до оси вращения, получила название рычага силы. Чем больше значение d, тем больший момент создаст сила F.
В чем смысл величины M¯?
Имеется в виду физический смысл. Действительно, в механике линейного движения известно, что сила — это мера возможности придать линейное ускорение телу. По аналогии, момент силы точки — это мера возможности сообщения углового ускорения системы. Момент силы является причиной появления углового ускорения и ему прямо пропорционален.
Разную возможность совершения вращения или поворота легко понять, если вспомнить, что дверь открывается легче, если ее толкнуть подальше от дверных петель, то есть в области ручки. Еще один пример: любой более-менее тяжелый предмет легче удержать, если прижать руку к телу, чем держать его на вытянутой руке. Наконец, открутить гайку проще, если воспользоваться длинным ключом. В названных примерах момент силы изменяется за счет уменьшения или увеличения рычага силы.
Здесь уместно привести аналогию философского характера, взяв за пример книгу Экхарта Толле «Сила момента Сейчас». Книга относится к психологическому жанру и учит жить без стресса в данный момент своей жизни. Только текущее мгновение имеет смысл, только во время него совершаются все действия. Учитывая названную идею книги «Сила момента Сейчас» можно сказать, что вращающий момент в физике осуществляет ускорение или замедление вращения в текущий момент времени. Поэтому главное уравнение моментов имеет следующий вид:
Где dL — изменение момента импульса за бесконечно малый промежуток времени dt.
Популярная механика на коленчатом валу
Вращающийся вал любого двигателя с большой силой сопротивляется попыткам его затормозить. Точно так же, как и сам автомобиль противостоит встречному ветру и трению качения колёс. Но при линейном движении физика понятней, сила сопротивления приложена в обратном направлении толкающей силе, всё это вполне однозначно можно измерить.
При вращательном движении сила зависит от точки вдоль радиуса, к которой прикладывается сопротивление вращению. Чем эта точка дальше от центра, тем меньшее усилие потребуется, очень похоже на правило рычага, которое известно гораздо большему кругу не очень хорошо помнящих физику людей. То есть для точной характеристики способностей двигателя преодолевать нагрузку надо учесть и радиус.
Для этого и придумано понятие крутящего момента (КМ) — это сила, умноженная на расстояние от оси вращения, ну или плечо рычага, если так понятнее. Чем больше сила и чем длиннее рычаг (радиус маховика или колеса), тем крутящий момент больше. Измеряется он, соответственно, в Ньютон-метрах, где Ньютон — стандартная единица измерения силы, ну а что такое метр вряд ли стоит объяснять.
Чем создаётся момент в поршневом ДВС и как его повышают
Если представить себе поршень, соединённый с шейкой коленвала через шатун, то становится понятно, что КМ однозначно определяется давлением на поршень. Отсюда и несколько выводов:
- чем больше площадь днища поршня и давление газов над ним, тем выше крутящий момент, значит надо увеличивать наполнение цилиндра полезной смесью или рабочий объём двигателя;
- если смесь сильнее сжимается, то и давление будет больше, отсюда преимущество имеют моторы с высокой степенью сжатия;
- объективными пределами для бесконечного роста момента станут прочность деталей и особенности горения, над этим и работают автомобильные инженеры.
Естественно, поршневыми моторами создатели автомобилей не ограничиваются, но у пока единственного реального конкурента ДВС — электромотора проблема момента так остро не стоит, если его и указывают, то разве что в рекламных целях. Но в любом случае надо выяснить, на что влияет крутящий момент двигателя, и почему ему уделяется столько внимания. Не инженерами, для них он реально очень важен, а миром потребителей автомобилей.
Нам мощность не надо, момента давайте!
К сожалению, борьбу за момент всячески поддерживают автожурналисты и блоггеры, с гордостью сообщая Ньютон-метры рядом с лошадиными силами. Явно в большинстве своём не понимая вообще, что это такое. Доходит даже до озвучивания принципиального преимущества дизельных двигателей в моменте. Забывая при этом, что у дизелей обычно значительно меньше обороты максимальной мощности и дело всё равно остаётся за коробкой передач.
Простой пример, уточняющий что такое крутящий момент двигателя автомобиля простыми словами — чтобы уравнять возможности двигателей с моментом, допустим, 300 и 400 Н*м, достаточно бесступенчатой коробке чуть сдвинуть управляющие конусы вариатора — и момент на колёсах станет одинаковым. А именно он и придаёт автомобилю тот самый уверенный разгон. Поэтому не стоит внимательно относиться к заявленным численным величинам крутящего момента двигателя, достаточно знать его мощность.
Вам также будет интересно почитать:
Что скрывается под именем «лямбда-зонд»
Белый дым из выхлопной трубы дизельного двигателя
Чёрный дым из выхлопной трубы дизельного двигателя: причины
Что такое адсорбер в автомобиле и для чего он нужен
Что интересует разных водителей
Каждый, кто оказывается за рулём, со временем начинает желать, чтобы автомобиль резво реагировал на нажатие педали акселератора в любой ситуации, не требуя дополнительных действий. Но возможности моторов ограничены, для хорошей отдачи им надо развить достаточное количество оборотов, как принято называть частоту вращения коленчатого вала. Только так можно зарядить цилиндры нужным количеством рабочей смеси.
Для раскрутки моторов на любой скорости существует трансмиссия. Находящаяся в её составе коробка передач может менять своё передаточное число, вручную или автоматически, позволяя двигателю работать на больших оборотах, а значит и со значительным моментом, даже на малых скоростях, например, при подъёме гружёного автомобиля в гору. Происходит это потому, что крутящий момент водителю нужен не на валу двигателя, а на ведущих колёсах.
Законы техники утверждают, что при повышении передаточного числа скорость падает, а КМ увеличивается. Причём пропорционально, фактически он умножается на величину общего передаточного числа от двигателя к колёсам. И уже именно там он ощущается водителем как сила, толкающая машину вперёд.
