آشنایی با مفهوم قدرت و گشتاور و تفاوت آنها

اخیراً این تعریف از قدرت و گشتاور را شنیده‌ایم: “قدرت میزان سریع رسیدن خودرو به دیوار در زمان فشار دادن پدال گاز است. گشتاور هم نشان دهنده‌ی میزان خرابی دیوار پس از تصادف می‌باشد.” متأسفانه این تعریف چندان دقیق نیست اما خب راهی ساده برای توضیح دو مفهوم یاد شده خواهد بود. اگرچه متعصبان خودرویی با قدرت و گشتاور پیشرانه‌ها کلنجار می‌روند اما تعداد معدودی از آن‌ها می‌توانند تعریف دقیقی از این دو معیار را ارائه کنند. ما تلاش داریم در این مقاله تعریف نسبتاً جامعی از مفهوم قدرت و گشتاور را در اختیار شما عزیزان بگذاریم.

گشتاور

فهمیدن نیرو در خط مستقیم آسان است. خودرویی را که بنزین تمام کرده است هل داده‌اید؟ برای حرکت کردن خودرو باید به آن نیرو وارد کنید. نیرو با واحد یا یکای نیوتون اندازه‌گیری می‌شود. برای فهمیدن نیوتون شما کافی است روی ترازو بروید. جرم خود را به کیلوگرم بخوانید (مثلاً 80 کیلوگرم) و آن را در شتاب جاذبه زمین (9.8 متر بر مجذور ثانیه) ضرب کنید تا نیروی وزن شما به دست آید. جواب برابر با 784.8 نیوتون خواهد بود. (توضیح مترجم: در فیزیک متوسطه اول و دوم با مفهوم نیرو و وزن آشنا شده‌اید. وزن همان نیرویی است که به زمین وارد می‌شود و مقدار آن از حاصل‌ضرب جرم در شتاب جاذبه به دست می‌آید. شایان ذکر است واحد جرم کیلوگرم و واحد وزن نیوتون است. پس وزن از جنس نیرو می‌باشد.)

گشتاور اساساً اثر چرخشی نیرو می‌باشد. برای مثال یک آچار را در نظر بگیرید که یک متر طول دارد. اگر نیروی 784.8 نیوتونی به انتهای آن وارد شود (نیروی وزن همان فرد 80 کیلویی)، پیچ گشتاور 784.8 نیوتون متری را تجربه خواهد کرد. (توضیح مترجم: گشتاور نیرو به دو عامل نیرو و فاصله نقطه اثر نیرو تا محور چرخش بستگی دارد. از آنجایی که واحد نیرو نیوتون و واحد فاصله همان متر است بنابراین واحد گشتاور برابر نیوتون متر خواهد بود. گشتاور با مقدار نیرو و فاصله نقطه اثر نیرو تا محور چرخش نسبت مستقیم دارد یعنی با افزایش مقدار آن دو فاکتور گشتاور بیشتر و با کاهش آن‌ها گشتاور کاهش می‌یابد.)

وقتی بحث پیشرانه‌های درون‌سوز باشد گشتاور خروجی در شفت خروجی (یا میل‌لنگ) پیشرانه اندازه‌گیری خواهد شد. این گشتاور نتیجه‌ی فشار داخل سیلندر در بالای پیستون است. این حرکت خطی توسط شاتون به چرخش تبدیل می‌شود. در یک داینو پیشرانه، ترمز به شفت خروجی متصل شده تا از آن برای ثابت نگه داشتن پیشرانه و سرعت استفاده شود. سپس گشتاور تولیدی با سلول لود ارتباطی به ترمز اندازه‌گیری می‌شود. منحنی گشتاور حداکثر پیشرانه می‌تواند با ترمزگیری پیشرانه در بازه‌های فزاینده پیشرانه از دور درجا گرفته تا حداکثر سرعت آن در حالت تخت گاز پیشرانه رسم شود.

قدرت

زمانی که گشتاور را توضیح دادیم زمان را وارد مساله نکردیم. ما هرگز نپرسیدیم چقدر تولید می‌کشد تا درب بطری باز شود یا پیچ و مهره در چه زمانی باز/بسته شود. ارتباط بین گشتاور و قدرت در زمان است؛ بنابراین وقتی کرنومتر وارد میدان شود قدرت فاکتور مهمی خواهد بود (در واقع نسبت قدرت به وزن که یکی از فاکتورهای کلیدی شتاب گیری است). در بحث پیشرانه‌های درون‌سوز، زمان به سرعت پیشرانه یا سرعت چرخشی شفت خروجی اشاره دارد؛ بنابراین اگر گشتاور و سرعت پیشرانه در نقطه لود خاصی را بدانیم به راحتی می‌توانیم قدرت را به دست آوریم. قدرت به‌صورت مستقیم اندازه‌گیری نمی‌شود. این امر به ما کمک می‌کند تا به قدرت بجای نیرو به شکل انرژی نگاه کنیم. دلیل این است که یکای انرژی ژول و یکای قدرت هم ژول بر ثانیه است.

محاسبات ساده

یک پیشرانه گشتاور 426 نیوتون متری در دور 8400 در هر دقیقه تولید می‌کند. قدرت آن چقدر است؟

معادله به این صورت است: P = 2NπT/60

که در آن P همان قدرت (وات)، π عدد پی، N سرعت پیشرانه (دور بر دقیقه) و T گشتاور (نیوتون بر متر) می‌باشد. با جای دادن اعداد در معادله عدد 374730 وات یا همان 375 کیلووات به دست می‌آید که برابر با حداکثر قدرت پیشرانه 4 لیتری پورشه 911 اسپیدستر است.

چرخ‌دنده در برابر گشتاور و قدرت

گیربکس گاهی اوقات چند برابر کننده گشتاور خوانده می‌شود که خب دلایل خوبی هم برای این امر وجود دارد. اگر شما دوچرخه‌سوار باشید این موضوع را می‌دانید. با سنگین کردن دنده در سراشیبی، گشتاور درتوپی چرخ عقب چند برابر می‌شود. این موضوع با ابعاد دنده‌ها نیز هماهنگی دارد. اگر دوچرخه‌سوار قادر به تولید 300 نیوتون متر در شفت پدال باشد و چرخ‌دنده‌ها نیز به گونه‌ای باشند که دنده جلو نصف ابعاد دنده‌عقب را داشته باشد، توپی چرخ عقب گشتاور 600 نیوتون متری را تجربه خواهد کرد.

در گیربکس خودرو، نسبت دنده یک به راحتی می‌تواند سه به یک با نسبت دنده آخر بازهم سه به یک باشد. اگر حداکثر گشتاور پیشرانه 200 نیوتون متر باشد، اکسل محرک گشتاور 1800 نیوتون متری را تجربه خواهد کرد (200 N.m x 3 x 3 = 1 800 N.m). اگر نسبت دنده دوم دو به یک باشد گشتاور در زمان انتخاب این دنده به 1200 نیوتون متر کاهش خواهد یافت.

البته قدرت در زمان تعویض دنده‌ها چند برابر نشده و ثابت می‌ماند (صرف‌نظر از اتلاف معمول). فهم این موضوع راحت است زیرا زمانی که گشتاور از طریق دنده‌ها چند برابر می‌شود سرعت چرخشی به خاطر همان نسبت کاهش می‌یابد. بازهم دوچرخه‌سوار (با حداکثر قدرت تثبیت شده) درک خواهد کرد که پایین‌ترین دنده در دوچرخه سرعت این وسیله را به‌طور قابل‌توجهی کم می‌کند. این موضوع همچنین توضیح می‌دهد که چرا پیشرانه 30 کیلوواتی (تنها 150 نیوتون متر گشتاور تولید می‌کند) در تراکتور می‌تواند ریشه‌های درختان را از جا بکند. گشتاور می‌تواند از طریق دنده‌های بسیار سنگین چند برابر شود که نتیجه آن ایجاد نیروی کشنده‌ی زیاد خواهد بود؛ اما سرعت در چنین پیشرانه‌هایی بسیار کم خواهد بود زیرا قدرت 30 کیلوواتی آن ثابت می‌ماند.

گشتاور بنزینی در برابر دیزلی

همان‌گونه که گفته شد گشتاور تولیدی توسط پیشرانه درون‌سوز نتیجه فشارهای درون سیلندر است. پیشرانه‌های بنزینی ضربات محدودی دارند به این معنی که اگر فشارهای داخل سیلندر خیلی زیاد شود پیشرانه رویداد مضر احتراق خودکار را تجربه خواهد کرد که در آن سوخت بدون شروع جرقه و به‌صورت خود به خودی مشتعل می‌شود. از طرف دیگر، فشارهای درون سیلندر پیشرانه‌های دیزلی تنها توسط استحکام قطعات محدود می‌شود زیرا احتراق با استفاده از اشتعال فشرده‌سازی رخ می‌دهد. پیشرانه‌های بنزینی توربو فاصله با پیشرانه‌های توربودیزل را کم کرده‌اند اما یک پیشرانه دیزلی با حجم مشابه گشتاور بیشتری خواهد داشت.

دلیل اینکه چرا پیشرانه‌های بنزینی با حجم مشابه می‌توانند قدرت بیشتری تولید کنند به خاطر سرعت‌های بیشتری است که می‌توانند به آن دست یابند. سرعت پیشرانه‌های دیزلی به حدود 5 هزار دور در دقیقه محدود شده که دلیل آن زمان موردنیاز برای تزریق سوخت و فرایند اشتعال فشرده‌سازی است. البته پیشرانه‌های بنزینی به راحتی می‌توانند از دور 5 هزار در دقیقه بالا بروند. در ادامه مقایسه منحنی‌های قدرت و گشتاور دو پیشرانه تئوری با حجم مشابه را می‌بینید. یکی از پیشرانه‌ها از نوع دیزلی بوده و گشتاور 400 نیوتون متری دارد اما حداکثر دور آن به 5 هزار محدود شده است. پیشرانه دیگری از نوع بنزینی است و تنها 300 نیوتون متر گشتاور تولید می‌کند اما تا حداکثر 8 هزار دور می‌گیرد. واضح است که پیشرانه بنزینی قدرت بیشتری دارد (251 کیلووات در برابر 209 کیلووات) و می‌تواند پرشتاب‌تر ظاهر شود.

در پیشرانه دیزلی با شتاب گیری اولیه بالاتر راننده باید در دور 5 هزار دنده دو را انتخاب کند درحالی‌که در پیشرانه بنزینی دنده یک می‌تواند تا دور 8 هزار سرعت گرفته و دست برتر را داشته باشد.

گشتاور پیشرانه الکتریکی

خودروهای الکتریکی این روزها کاملاً سر زبان‌ها هستند. این از نظر میزان گشتاور در دسترس خبر خوبی است. گشتاور در دسترس این خودروها قبلاً و در حالتی که پیشرانه سرعتی ندارد توسط نیروهای مغناطیسی تولید شده است؛ بنابراین در مقابل خودروهای درون‌سوز که نیازمند سرعت گرفتن برای تولید گشتاور هستند، حداکثر گشتاور خودروهای الکتریکی تقریباً از لحظه حرکت در دسترس است. منحنی گشتاور این خودروها نیز نشان دهنده‌ی چنین چیزی بوده و گشتاور تنها در سرعت‌های بالا افت می‌کند. بهترین جنبه پیشرانه‌های الکتریکی این است که تأخیری در ارائه گشتاور وجود ندارد. این امر می‌تواند خشنودی ماشین بازها را در پی داشته باشد.