مفهوم قدرت و گشتاور

گشتاور:
تعریف ساده گشتاور عبارت است از، نیروئی که جهت دوران جسم حول محوری مشخص به آن وارد می آید. این نیرو به یک اهرم وارد شده و واحد آن نیوتن متر می باشد. نیوتن واحد نیرو می باشد و در سطح تحت تأثیر جاذبه به زمین وارد می شود جسمی به جرم یک کیلوگرم نیروئی برابر با 8 نیوتن مینماید. گشتاور حاصلضرب نیرو (برحسب نیوتن) در طول اهرم اعمال کننده نیرو ( برحسب متر) می باشد. بدین ترتیب برای افزایش گشتاور دو راه وجود دارند که عبارتند از افزایش نیرو یا افزایش طول اهرم اعمال نیرو.

به عنوان مثال درب اطاقی را در نظر بگیرید که می خواهید آن را باز نمائید، می توانید نیروی کمتر را به لبه بیرونی آن ( جائی در نزدیکی دستگیره) وارد کنید و یا نیروی فوق العاده بیشتری را به نقطه ای در نزدیکی لولا اعمال نمائید. بدین ترتیب شما برای باز کردن درب نیروی گشتاور یکسانی اعمال نموده اید هر چه که این عمل را به دو صورت متفاوت انجام داده اید، یعنی در مورد اول نیرو کمتر و طول بیشتر بوده و در مورد دوم نیرو بیشتر و طول کمتر بوده است.

درب اطاق چه ربطی به موتور خودرو دارد ؟
در بالا اثبات شد که افزایش طول اهرم در افزایش گشتاور موثر است، به همین دلیل است که کورس برخی موتورها زیاد است ( شاتون بلند) مثل موتورهای آمریکائی 4100 سی سی و 5700 سی سی شورلت نوا و بیوک که گشتاور فوق العاده زیادی را تولید مینمایند. حجم موتور در واقع مقدار نیرو را مشخص می کند و مقدار نیرو ضرب در طول اهرم ( در مورد خودرو طول شاتون) مقدار گشتاور را مشخص مینماید.

نتیجتا می توان برای افزایش گشتاور طول شاتون یا کورس پیستون را افزایش داد. البته افزایش کورس باعث کاهش بازده حجمی موتور خصوصا در دورهای بالا می گردد. به همین دلیل است که موتورهای کورس بلند مثل موتورهای اتومبیلهای امریکائی موجود در کشور علاقه چندانی به دور موتور بالا ندارند.

کاهش قابلیت افزایش دور موتور باعث کاهش نهایت قدرت خروجی موتور می گردد، به همین دلیل است که موتورهای بسیار پر قدرت فرمول 1 کورس پیستون بسیار کوتاهی دارند.

اسب بخار:
با نگاهی به خودروهای مختلف ملاحظه می شود که مثلا خودرویی با 1300 سی سی حجم موتور قوی تر از خودرویی با 1600 سی سی است و امثالهم پس این اختلاف از چیست ؟ بله این اختلاف از قدرت ماشین ها است یعنی چیزی که با اسب بخار سنجیده می شود. عبارت اسب بخار توسط جیمز وات (1819- 1736) ابداع شد. بیشتر شهرت او به خاطر کارهایش برای بهبود ماشین بخار است.

داستان از آن جا شروع شد که وات در یک معدن زغال سنگ با اسب هایی که زغال سنگ بلند می کردند کار می کرد و راهی می خواست تا بتواند در باره ی توان هر یک از این اسب ها صحبت کند. او دریافت که به طور میانگین، یک اسب معدن می تواند 22000 پوند-فوت (حدود 30 کیلوژول) کار را در یک دقیقه انجام دهد.سپس او این عدد را 50 درصد افزایش داد و اسب بخار را 33000 پوند-فوت (حدود 45 کیلوژول) انرژی در یک دقیقه قرار داد.این یک واحد دلخواه بود که پس از گذشت قرن ها، امروزه در خودرو ها، ماشین های چمن زنی، اره برقی ها و در بعضی جارو برقی ها به کار می رود.

مفهوم اسب بخار این است که یک اسب می تواند در هر دقیقه 33000 پوند-فوت کار انجام دهد. برای روشن شدن مطلب اسبی را در نظر بگیرید که در حال بالا کشیدن زغال از معدن است. اسبی که یک اسب بخار توان دارد می تواند 330 پوند(150 کیلوگرم) زغال را در مدت یک دقیقه 100 فوت(30 متر) بالا بکشد.و یا 33 پوند(15 کیلوگرم) را در یک دقیقه 1000 فوت(300 متر) و....

شما می توانید ترکیب های متفاوتی از وزن و جابه جایی در یک دقیقه را در نظر بگیرید و تا زمانی که حاصل ضرب آنها 33000 شود، یک اسب بخار خواهید داشت. هر 1 اسب بخار 746 وات است.

قدرت و گشتاور به زبان ساده تر:

• توان خودش از گشتاور و دور موتور به دست میاد.
• توان (اسب بخار) = گشتاور (پاوند فوت) ضربدر دور موتور (دور در دقیقه) تقسیم بر 5252

چون به جای توان از واژه ی قدرت موتور هم استفاده میشه این باور غلط بعضی جاها هست که فکر می کنن قدرت موتور یعنی زور موتور، یعنی نیروی موتور یا.... ولی این اشتباهه در فیزیک منظور از قدرت موتور توان موتور است. توان نیرو نیست بلکه سرعت انجام کار است.

حتی ممکنه یک موتور با گشتاور 373 نیوتن متر در دور 2000 توانش نسبت به موتوری که فقط 193 نیوتن متر گشتاور در دور 5600 داره کمتر باشه علتشم اینکه موتور دومی با وجود گشتاور کمتر می تونه خیلی بیشتر از موتور اول دور بگیره و در مدت زمان کمتر کار بیشتری انجام بده.

برای روشن شدن بهتر موضوع یک مثال می زنم:

• فرض کنید دو تا ورزشکار داریم. ورزشکار A ورزشکار B
• ورزشکار A بازوهاش خیلی قوی نیست ولی می تونه خیلی تند و سریع بدوه.
• ورزشکار B بازوهاش خیلی قویه ولی خیلی کند راه می ره.
• حالا فرض کنید این دو ورزشکار باید هر کدومشون 1000 کیلوگرم بار (مثلا 20 تا جعبه ی 50 کیلویی) را از یک مکان به مکان دیگری جابه جا کنند.
• ورزشکار A بازوهاش زیاد قوی نیست و هر دفعه مثلا بیشتر از 2 تا جعبه نمی تونه با خودش ببره ولی در عوض خیلی تند می ره و میاد دوباره 2 تا جعبه دیگه بر می داره می ره.
• ورزشکار B بازوهاش قویه و هر بار می تونه مثلا 4 تا جعبه با خودش ببره ولی چون دویدنش زیاد خوب نیست و مجبوره کند راه بره، تو این مدت که ورزشکار B داره 4 تا جعبه ی اول رو با خودش می بره، ورزشکار A چون خیلی تند راه می ره می تونه دو تا جعبه ای که برداشته به مقصد برسونه و دوباره برگرده بیاد دو تا جعبه ی دیگه با خودش ببره.

یعنی تو این مدتی که طول میکشه تا ورزشکار B چهار تا جعبه به مقصد برسونه، ورزشکار A می تونه 2 تا جعبه به مقصد برسونه و دوباره برگرده بیاد 2 تا جعبه ی دیگه برداره و خودشو به وزشکار B برسونه.

یعنی در مدت زمان یکسان هر دو ورزشکار می تونن 4 تا جعبه به مقصد برسونن با اینکه یکیشون بازوهای خیلی قوی تری داشت. در پایان هر دو ورزشکار در مدت زمان یکسان می تونن هر دوشون 1000 کیلوگرم بار جا به جا کنن.

در این مثال بازوی قویتر ورزشکار B به گشتاور موتور بیشتر تشبیه میشه

سرعت دویدن بیشتر ورزشکار A به دور موتور بیشتر تشبیه میشه

در واقع چون هر دو ورزشکار در مدت زمان یکسان کار یکسانی انجام دادند توان آنها برابر است. یعنی سرعت انجام کارشون یکیه. چیزی که در ماشین موقع شتاب گیری احساس می کنید گشتاور موتور است، توان نیرو نیست که احساس بشه. البته خود گشتاور هم نیرو نیست.

                              گشتاور = نیرو ضربدر بازوی اعمال نیرو

ولی چون گشتاور مستقیم از نیرو به وجود میاد احساس میشه.چون توان موتور در دورهای بالا به دست میاد با توجه به فرمول،

                             توان بیشتر = گشتاور بیشتر در دور بالا

وقتی دو ماشین در دور موتور یکسان به قدرتهای متفاوتی می رسن اونی که توانش بیشتره در همون دور گشتاور بیشتری داره. البته با ثابت نگه داشتن گشتاور و بالا بردن دور موتور هم میشه به توان بیشتری رسید. مثلا گشتاور 160 نیوتن متر در دور 6000 = 134.7 اسب بخار

ولی گشتاور 160 نیوتن متر در دور 7000 = 157.2 اسب بخار

پس میشه توان رو به صورت گشتاور موتور در دورهای بالا تعریف کرد. مسلما هر ماشینی در دورهای بالا گشتاورش افت کمتری داشته باشه به توان بیشتری هم می رسه.

موقع شتابگیری چون موتور همیشه در دورهای بالا به سر می بره برای همین گشتاور موتور در دورهای بالا عامل تایین کننده ای است. ماشینی که توان بیشتری داره مسلما در دورهای بالا هم گشتاور بیشتری داره و می تونه بهتر شتاب بگیره. بحث کشش هم فقط کشش دور پایین نیست. در واقع شتاب = کشش موتور در دورهای بالا در هر دنده

علت اینکه دو واژه ی متفاوت کشش و شتاب به وجود اومده اینکه معمولا همه تو شهر با دور پایین و دور وسط رانندگی می کنن و اغلب در یک دنده ثابت به سر می برن و کمتر معکوس می دن. برای همین به اصطلاح میگن اگه موتور گشتاورش تو دور پایین خوب باشه (یا توانش تو دور پایین بهتر باشه) نیازی نیست معکوس بدید چون با همون دنده ماشین می کشه یا موتورش کشش داره.

شتاب هم چیزی جز کشش نیست فقط با این تفاوت که در بحث شتاب کشش ماشین به جای دور پایین و وسط تو دور بالا مهمه. توان هم از گشتاور در دور بالا به دست میاد پس توان بهتر کشش بهتری تو دور بالا میده. برای همین اینطور جا افتاده که شتاب = توان و کشش = گشتاور و این دو از هم تفکیک شدن.

در صورتی که کشش و شتاب هر دو به گشتاور (یا هر دو به توان) ربط دارن. به طور خلاصه میشه عملکرد ماشینارو از هر دو بعد گشتاور و توان تحلیل کرد. مثلا میشه به جای این که بگیم فلان ماشین گشتاور بیشتری تو دور پایین داره میشه گفت توان بیشتری تو دور پایین داره. یا مثلا به جای اینکه بگیم فلان ماشین قدرت بیشتری داره میشه گفت گشتاور بیشتری تو دور بالا داره. (یا موتورش می تونه بیشتر دور بگیره)

البته عملکرد ماشین به عوامل دیگه ای مثل ضرایب گیربکس و ضریب دیفرانسیل، وزن و ضریب آیرودینامیک و سایز چرخ و... هم بستگی داره و فقط به توان و گشتاور موتور مربوط نمیشه.