در بخش اول این مقاله به بررسی تفاوتهای اصولی بین مفاهیم قدرت و گشتاور پرداختیم. به خاطر بیاورید که علاوه بر مفاهیمی چون کار، توان و توان دورانی، تورک و تفاوت آن با کار را توصیف کردیم.
شتابگیری خودرو
با توجه به قانون دوم نیوتون شتاب یک جسم ارتباط مستقیمی با نیروی وارده به جسم و همچنین جرم جسم دارد:
برای اینکه شتابگیری حاصل شود، نیرو باید با سرعت برابر با سرعتی که خودرو در حال حرکت است وارد شود. نیرویی که در دورهای مشخص از زمان اتفاق می‌افتد را توان می‌نامند. بنابراین شتاب نوعی نیرویی است که به اشیاء در حال حرکت وارد می‌شود و به‌وسیله توانی که در سرعت مشخص به جسم وارد شده مشخص می‌شود.
نیروی حاصل از شتاب که تایر به جاده اعمال می‌کند از تورک بر سر چرخ‌ها نشات می‌گیرد. در پایین نیرو بر اساس تورک موتور که گذرنده از تمام سیستم انتقال است تقسیم بر شعاع چرخ محاسبه شده است:
اگر سرعت خودرو و توان موتور در لحظه‌ای مشخص باشند، نیرو حاصل از شتابگیری خودرو بدون داشتن نسبت دنده و قطر لاستیک و تورک موتور قابل محاسبه است. در پایین فرمول مربوطه آورده شده است:
محاسبه نیرو بر اساس تورک و توان هر دو پاسخ‌های برابری با هم دارند. به مثال زیر توجه فرمایید:
یک مثال ساده:برای شرح بیشتر تأثیر توان و تورک، سه موتور متفاوت را روی یک خودرو شبیه‌سازی می‌کنیم. سرعت خودرو برای هر کدام از سه آزمایش برابر است بنابراین تفاوت در بین نیروی حاصل از شتابگیری کاملاً مشهود است.
خودرو دارای تایرهای 24 اینچی است. تایرها دارای سرعت دورانی 500 دور بر دقیقه هستند، یعنی خود در حال حرکت با سرعت 35.7 مایل بر ساعت است. دنده‌ای که خودرو در آن قرار دارد دارای نسبت 2:1 است.
موتور آبی رنگ خودرو دارای سرعت دورانی 2000 دور بر دقیقه است و تورک 200 پوند-فوت و توان 76 اسب بخار تولید می‌کند. نسبت دنده‌ای که برای دنده آخر در نظر گرفته شده است 2:1 است که دور چرخ با شفت ورودی در این زمان قابل تطبیق شدن است. با در نظر گرفتن فرضیات فوق خودرو نیروی 800 پوندی به جاده وارد می‌کند.
موتور سبز رنگ در دور 4000 دور بر دقیقه در حال کار کردن است و تورکی معادل 100 پوند-فوت و توانی معادل 76 اسب بخار تولید می‌کند. موتور سبز رنگ با دو برابر سرعت موتور آبی رنگ در حال دوران است ولی در عین حال دارای تورک یک دوم برابر است. نسبت دنده آخرین این خودرو 4:1 است. با فرضیات فوق خودرو نیروی 800 پوندی به جاده را وارد می‌کند که برابر با نیروی وارده به جاده توسط موتور آبی رنگ است.
موتور قرمز رنگ با دور 4000 دور بر دقیقه در حال دوران است که تورکی معادل با 200 پوند-فوت و توانی معادل با 152 اسب بخار تولید می‌کند. تورک این موتور مانند موتور آبی رنگ است و دور آن بیشتر از موتور سبز رنگ است. نسبت دنده انتخابی ما 4:1 است. با وجود چنین تنظیماتی خودرو نیرویی معادل با 1600 پوند به جاده وارد می‌کند که معادل با دو برابر موتورهای قبلی است.
از مقایسه بین سه مورد متفاوت فوق می‌توان نتیجه گرفت که پرقدرت‌ترین موتور، موتوری است که بیشترین نیرو رو به جاده وارد می‌کند. دو موتور دیگری که دارای قدرت یکسان است، نیرویی مشابه به جاده وارد می‌کنند. یعنی با وجود تورک‌ها و دورهای متفاوت نیرویی مشابه به جاده وارد می‌کنند. این موضوع نشان می‌دهد که توان موتور، صرف‌نظر از میزان تورک تولیدی یا دوری که موتور در حال کار کردن است، میزان نیروی شتاب دهنده (نیروی وارده به جاده) را تعیین می‌کند.
منحنی‌ها و محدوده‌های توان:کارایی موتور خودرو معمولاً به‌وسیله ماکزیمم منحنی‌های توان قابل توصیف است. یک موتور خوب بیشترین میزان توان را تولید می‌کند و همچنین بیشترین میزان توان متوسط را هم دارد. نمودار توان بر حسب دور موتور را منحنی توان به طور معمول می‌نامند که حاوی اطلاعات مهمی از چگونگی عملکرد موتور در دورهای مختلف است.
برای یک موتور وجود توان متوسط پایین‌تر نسبت به موتور دیگر در عین حال بالاتر بودن بیشینه توان نسبت به موتور دیگر طبیعی است.
منحنی‌های توان که در بالا نشان داده شده است یکی دارای 400 اسب بخار و دیگری دارای 375 اسب بخار است. در حالی که موتوری که 400 اسب بخار تولید می‌کند دارای بیشینه توان بیشتری است و موتوری که 375 اسب بخار تولید می‌کند دارای متوسط به مراتب بیشتری نسبت به موتور 400 اسب بخاری است. در اغلب موارد مخصوصاً در درگ های خیابانی موتور 375 اسب بخاری عملکرد بهتری به طور کلی از خود نشان می‌دهد.
محدوده توان خودرو به دو دسته باز و محدود تقسیم می‌شود که بر پایه و اساس یک سری از مشخصات و ویژگی‌های خاص هستند. این ویژگی‌ها در جدول زیر آورده شده است.
مقایسه دو خودرو:
بیایید دو خودرو با دو موتور متفاوت را که دارای بیشینه توان برابر هستند را با هم مقایسه کنیم.
هر دو خودرو دارای وزن، سیستم انتقال قدرت و شعاع چرخ مشابه هستند در واقع تنها تفاوت این دو خودرو در موتور آن‌ها است. یکی از خودروها به موتور V8 با توان 500 اسب بخار مجهز شده است و دیگری یک موتور 4 سیلندر تورپوشارژ شده 500 اسب بخاری در اختیار دارد.
خودرویی که موتور V8 در اختیار دارد را موتور RedNeck و موتور چهار سیلندر را Ricer می‌نامیم. موتور V8 در دور 6000 دور بر دقیقه کار می‌کند و 400 پوند فوت تورک تولید می‌کند در حالی که موتور 4 سیلندر در دور 9000 دور بر دقیقه تنها مقداری کمتر از موتور قبلی تورک تولید می‌کند. برای ساده‌سازی ریاضیاتی موتور V8 دارای دو آرام 600 دور بر دقیقه و موتور 4 سیلندر دارای دور آرام 900 دور بر دقیقه است.
شکل زیر منحنی‌های توان دو موتور را نشان می‌دهد:
هر دو موتور دارای بیشینه توان 500 اسب بخار هستند. موتور V8 توان 500 اسب بخار را در دور 5000 دور بر دقیقه و تورک 573 پوند فوتت را در دور 4250 دور بر دقیقه تولید می‌کند این در حالی است که موتور 4 سیلندر توان 500 اسب بخاری را در دور 8000 دور بر دقیقه و تورک 337 پوند فوت را در دور 7500 دور بر دقیقه توانایی تولید دارد.
به دلیل اینکه موتور V8 در دو آرام‌تری کار می‌کند، نیاز است تا تورک بیشتری نسبت به موتور 4 سیلندری تولید نماید تا به توان 500 اسب بخار برسد. به طور مشابه موتور 4 سیلندری لازم است تا دور سریع‌تری داشته باشد تا بتواند توان 500 اسب بخاری را تولید نماید. در نمودار پایینی مقایسه‌ای میان محدوده‌های توان دو موتور را نشان داده است:
به یاد داشته باشید که با توجه به اینکه دو موتور دارای مقدار مشابه بیشینه توان هستند، ولی موتور Redneck دارای 80 درصد محدوده توان گسترده‌تری است. این جزء مزایای قابل‌تحسین این موتور است. در میان دو خودرو آن خودرویی که دارای موتور V8 است سرعت بیشتری نسبت به موتور 4 سیلندری دارد چون موتور V8 دارای متوسط توان بیشتری در آن دور موتور خاص نسبت به دیگری است.
هر دو خودرو دارای وزن 3000 پوندی هستند که دارای 330 اسب بخار بیشینه توان به ازای هر تن وزن هستند. نسبت دنده آخر 3.55:1 برای موتور Redneck و 5.325:1 برای موتور Ricer است. موتور Ricer از نسبت دنده بالاتری بهره می‌برد چون باید با دور موتور بالاتری خود را سازگار نماید.
با وجود تمام داده‌های فوق، نمودار سرعت در برابر زمان برای هر دو کار در پایین رسم شده است. مهم است به خاطر داشته باشید که ضریب آئرودینامیکی، شرایط اولیه و دیگر افت توان‌ها صرف‌نظر شده است در این مقایسه.
شتاب گیری در سرعت کم:نتیجه بررسی بین دو موتور فوق نشان می‌دهد که موتور redneck دارای عملکرد بهتری در شتاب 0 تا 100 کیلومتر بر ساعت است. در سرعت‌های بالاتر از 100 کیلومتر بر ساعت Ricer بیشتر در محدوده توان خود در حال دوران است و هر دو موتور شتاب یکسانی دارند. در مسابقات درگ موتور Ricer در مسابقه قطعاً برنده نخواهد شد. بنابراین می‌توان گفت که خودرویی که برای سرعت‌های متفاوت‌تری هدف‌گذاری شده است باید محدوده توان گسترده‌تری را به خود بگیرد در حالی که خودروهایی که سرعت‌های خیلی متفاوتی را به خود تجربه نمی‌کنند نباید محدوده توان آن‌ها وسیع باشد.
نتیجه‌گیری:برای اینکه خودروی شما شتابگیری خیلی سریعی داشته باشد، موتور باید توانایی داشته باشد تا نیروی بزرگ در آن سرعت خاص تولید کند. مقداری توان، که نیرویی که موتور می‌تواند (در آن سرعت خاص) تولید کند را مشخص کند. خواه می‌تواند سرعت پایین یا سرعت بالا باشد. مهم نیست که موتور در دورهای بالا توان یا تورک زیادی تولید می‌کند، چون چرخ‌دنده‌های زنجیره انتقال قدرت می‌تواند میزان تورک و دور را با میزان نسبت مناسب تنظیم کنند.
بیشینه توان ماشین را به فروش می‌رساند ولی مقداری متوسط توان بالا شما را برنده مسابقه می‌کند
همواره به یاد داشته باشید که میزان تورک و توان بیشینه می‌تواند یک ایده کاملاً کلی از عملکرد یک موتور را به شما بدهد ولی بهترین راه برای مقایسه خودروها مسابقه دادن آن‌هاست.!
