گشتاور در برابر توان؛ مسئله این است

توان و گشتاور (تورک) از مشخصات اصلی پیشرانه‌ی خودروها است که خریداران آن را به عنوان معیار و شاخصی برای مقایسه می‌دانند. در این مقاله با ما همراه باشید تا با تفاوت‌ها و تشابهات میان این دو کمیت بیشتر آشنا شوید.

به طور خلاصه گشتاور و توان پارامترهای مشابهی هستند که البته تفاوت فاحشی نیز با هم دارند. این تفسیر به خوبی نشان‌دهنده‌ی رابطه‌ی گشتاور و توان به یکدیگر است.

گشتاور و توان دو پارامتری هستند که به واسطه روشن کردن خودرو و فشردن پا بر روی پدال گاز تولید می‌شود. دو عنصر هوا و سوخت در محفظه احتراق ترکیب می‌شوند و پس از اشتعال منجر به چرخش میل‌لنگ می‌شوند. در ادامه جعبه‌دنده و شفت انتقال نیز نیروی موجود را به چرخ‌های منتقل می‌کنند. این چرخش به هم پیوسته حاصل جادوی تبدیل انرژی است که شامل تبدیل انرژی پتانسیل موجود در هر لیتر سوخت به انرژی جنبشی و حرکتی است.

اگر بخواهیم نگاه دقیق‎تری به هر دو پارامتر داشته باشیم ابتدا باید هر کدام از کمیت‌ها را تعریف کنیم:

انرژی ظرفیت انجام کار تعریف می‌شود. به عنوان مثال کاری که سابقاً اسب‌های باری انجام می‌دادند امروزه توسط موتورهای احتراق داخلی انجام می‌شوند.

کار نتیجه اعمال نیرو در فاصله مورد نظر است. واحد اندازه گیری کار ژول و نیوتن‌متر در سیستم جهانی (SI) و فوت پوند در واحد امریکایی است.

گشتاور یک نیروی دورانی است که به وسیله میل لنگ موتور احتراقی تولید می‌شود. هر چه موتور احتراقی گشتاور (تورک) بیشتری تولید کند، توانایی انجام کار بیشتری را می‌توان انتظار داشت. واحد گشتاور با کار یکسان است ولی تفاوت‌های جزئی با هم دارند؛ به این دلیل که گشتاور یک بردار است و جهت دارد. واحد گشتاور نیز نیوتن متر یا پوند فوت است.

البته همیشه استثنائاتی وجود دارد. در این بحث گشتاوری که برای اعمال نیرو جهت سفت کردن پیچ به کار می‌آید، گشتاور استاتیکی تعریف می‌شود. به منظور دوری از هر گونه ابهام، واحد گشتاور استاتیکی به شکل پوند فوت نمایش داده می‌شود. به صورت قراردادی واحد گشتاور در دستگاه بین‌المللی SI نیوتن‌متر است که شامل گشتاور استاتیکی و دینامیکی خواهد شد.

توان سرعت انجام کار تعریف می‌شود. در قرن هجدهم یک مخترع اسکاتلندی به نام جیمز وات این کمیت را بدین شکل تعریف کرد؛ یک اسب بخار معادل با توانی است که نیاز است ۳۳۰۰۰ پوند بار به مدت یک دقیقه یک فوت بالاتر از سطح زمین نگه داشته شود. با در نظر گرفتن این ملاحظات، سازمان استاندارد بین‌المللی (SI) واحد توان را وات تعیین کرد.

بنا به تئوری یوگی می‌توان نتیجه گرفت که گشتاور ظرفیت انجام کار است و توان میزان سریع بودن همین میزان کار را اندازه گیری می‌کند. به عبارت دیگر، توان نرخ انجام کار (یا اعمال گشتاور) در مقدار زمان معین است. به لحاظ ریاضیاتی اسب بخار حاصل‌ضرب گشتاور در سرعت دورانی است. منظور از سرعت دورانی، سرعت چرخش میل لنگ موتور احتراق داخلی است. بنابراین به منظور تولید توان بیشتر از طریق موتور احتراقی نیاز به تولید گشتاور بیشتر است که در سرعت‌های دورانی بالاتر اتفاق می‌افتد. به صورت ریاضی نیز برای محاسبه‌ی توان کافی است گشتاور پیشرانه را در دور موتور ضرب و بر عدد واحد ۵۲۵۲ تقسیم کنید (H=TxRPM/5252).

انجام محاسبات دستی پارامترهای معرفی شده یک بحث است و اعمال این اعداد و ارقام بر روی پیشرانه واقعی بحثی دیگر. یکی از محدودیت‌های موجود مربوط به دور موتور احتراقی است که از دور آرام شروع می‌شود و تا دور نهایی (معروف به محدوده قرمز رنگ) خاتمه می‌یابد. به طور مثال یک خودروی دوج چلنجر ۶.۲ لیتری هشت سیلندر (هلکت) در نظر بگیرید که حداکثر توان ۷۰۷ اسب بخار را در ۶۰۰۰ دور بر دقیقه (rpm) تولید می‌کند. در دور آرام میزان توان تولیدی به شدت افت پیدا می‌کند و به محض اینکه وارد محدوده دور نهایی می‌شویم یعنی ۶۲۰۰ دور بر دقیقه توان تولیدی به ۷۰۰ اسب بخار ارتقا پیدا می‌کند. همچنین این پیشرانه گشتاور حداکثری ۶۵۰ پوند فوتی را در ۴۰۰۰ دور بر دقیقه تولید می‌کند.

یکی از مشکلات پیش رو اندازه‌گیری دقیق توان و گشتاور شفت خروجی است. ابزار موجود برای انجام این کار دینامومتر است که به دستگاه اندازه‌گیری توان نیز شناخته می‌شود. دینامومتر گشتاور موتور احتراقی و سرعت دورانی میل لنگ را اندازه‌گیری می‌کند و میزان توان را با توجه به روابط ریاضیاتی محاسبه خواهد کرد.

دینامومتری که بر اساس جریان ادی (Eddy current) کار می‌کند، با استفاده از میدان مغناطیسی گشتاور میل‌لنگ را به یاتاقانی منتقل می‌کند. این یاتاقان تحت بار استاتیکی ثابت و در فاصله‌ای دقیق از مرکز شفت میل‌لنگ قرار گرفته است که با نام لود سل (Load Cell) شناخته می‌شود. بدین ترتیب دینامومتر با استفاده از نیروی وارده ضربدر فاصله‌ی محل اعمال آن تا مرکز شفت، میزان گشتاور پیشرانه را محاسبه می‌کند.

بهترین موتورهای احتراقی گشتاور کافی را در دورهای پایین تولید می‌کنند و همان میزان گشتاور را تا رسیدن به دور نهایی حفظ می‌کنند. میزان گشتاور تولیدی رابطه مستقیمی با جریان هوای ورودی موتور احتراقی دارد. موتورهای احتراقی بزرگ هوای بیشتری به داخل می‌مکند و گشتاور بیشتری تولید می‌کنند. سوپر شارژرها و توربوشارژرها نیز به موتورهای احتراقی بزرگ کمک می‌کنند تا هوای بیشتری مکش کنند. البته میزان متناسبی از سوخت باید وارد محفظه احتراق شود که این قسمت ساده کار است مخصوصاً زمانی که تزریق سوخت به طور الکترونیکی کنترل می‌شود.

طراحان موتور احتراق داخلی برای تعیین میزان درست و کافی نسبت سوخت با مشکلات فراوانی مواجه هستند. یکی از این مسائل ساخت اکثر قطعات موتور احتراقی از مواد سخت است؛ زیرا این دسته از قطعات به واسطه فشار ناشی از احتراق تحت فشار بار زیادی قرار خواهند گرفت. خنک‌کاری و روانکاری موتور احتراقی توان تولیدی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. تنظیم مقدار هوای ورودی و خروجی از موتور احتراقی در دورهای بسیار بالا جایی است که هنر مهندسی خودش را نشان می‌دهد. فاکتور مصرف سوخت بهینه و گازهای آلاینده خروجی کم خطر نیز در محاسبات طراحی موتور احتراق داخلی باید لحاظ شود. با در نظر گرفتن تمامی مسائل فوق استفاده از آب برای خنک کاری پیشرانه‌های خودرو امری منطقی به نظر می‌رسد.

نباید فراموش کنیم که توان و گشتاور دو تعبیر کاملاً مجزا هستند، با اینکه رابطه نزدیکی با هم دارند ولی تمایزهای فراوانی با هم دارند. ولی سؤالی که بیشتر دوستداران خودرو به طور عمومی با آن مواجه هستند این است که کدام‌ یک بهتر است؟

برای پاسخ به جواب سوال فوق می‌توان پارامتر‌های پیشرانه را به ورزش بیس‌بال تشبیه کرد. بازی بیس بال را در نظر بگیرید که گشتاور به کسی که توپ را می‌گیرد تشبیه شده است و توان به پرتاب کننده توپ. به هر دو نفرات برای انجام نیاز است ولی با توجه به وظایف پرتاب کننده او می‌تواند سرعت و مسیر فرود توپ را تعیین کند. گشتاور وظیفه خطیر و مهمی در موتورهای احتراقی دارد ولی توان عنصری است که می‌توان موتورهای احتراقی بی‌نظیر را از نمونه‌های خوب متمایز کرد. بدین ترتیب با توجه به موارد ذکر شده می‌توان تا حدودی به کاربرد و اهمیت گشتاور و توان پی برد. به عنوان مثال خودرو‌های آفرود و پیکاپ که به نیروی زیادی برای حمل بار سنگین در شرایط نامساعد دارند، از پیشرانه‌هایی با گشتاور زیاد بهره می‌برند و در طرف مقابل خودرو‌های اسپرت و چالاک به پیشرانه‌هایی با توان و سرعت کاری بالا مجهز شده‌اند.

منبع: زومیت

پرندگان مهاجر مهمان زمستانی تالاب هیرم اوز (فیلم)

تماشاخانه

پرواز معجزه وار و خطی قوها/ تماشای یکی از شگفتی‌های طبیعت (فیلم)

آمریکا هم بله؟ ببینید مهاجران چطور در روز روشن وارد این کشور می‌شوند (فیلم)

فیلم های دیگر