Что такое крутящий момент? что такое лошадиная сила?

История

Лошадь с древних времён использовалась людьми в качестве тяглового скота. В XVIII веке, на основе наблюдений за работой лошадей были выполнены расчёты, показывающие какую полезную мощность имеет лошадь при длительной работе. Так, Дезагюлье определил мощность лошади в 103 кгс·м/с, Смитон в 53 кгс·м/с, Тредгольд в 64 кгс·м/с, Уатт в 76 кгс·м/с.

Приблизительно в 1789 году шотландский инженер и изобретатель Джеймс Уатт ввел термин «лошадиная сила», чтобы показать, работу скольких лошадей способны заменить его паровые машины. В частности утверждается, что одну из первых машин Уатта купил пивовар, чтобы заменить ею лошадь, которая приводила в действие водяной насос. Согласно распространенной легенде, при этом пивовар решил сжульничать, выбрав самую сильную лошадь и заставив её работать на пределе сил. Уатт принял и даже превысил полученную пивоваром цифру, и эталоном стала именно мощность построенной машины, несмотря на то что реальная мощность, которую развивает лошадь при нормальной работе в течение продолжительного времени, значительно меньше — по некоторым оценкам, в полтора раза.

В то время в Англии для поднятия из шахт угля, воды и людей использовались бочки объёмом от 140,9 до 190,9 л. Существовала (и существует) единица объема баррель, основанная на массе типовой бочки (англ. barrel) с грузом, которая весила 380 фунтов (1 фунт = 0,4536 кг), то есть 1 баррель = 172,4 кг. Вытащить такую бочку могли только две лошади за канат, перекинутый через блок. Усилие средней рабочей лошади в течение 8 часов работы составляет 15 % от её веса или 75 кгс при массе лошади в 500 кг. За 8 часов лошадь с таким усилием может пройти 28,8 км со скоростью 3,6 км/ч (1 м/с).

Наблюдая за традиционным источником энергии — лошадью, Уатт пришел к выводу, что бочку массой 180 кг могут вытягивать из шахты две лошади со скоростью 2 морских мили/ч (примерно 3,6 км/ч). В этом случае лошадиная сила в английских мерах принимает вид 1 л. с. = 1/2 барреля · 2 морских мили/ч = 1 баррель·морская миля/ч (здесь баррель принят за единицу силы, а не массы). То же самое в более мелких единицах составляет 380 фунтов на 98,4 футов/мин, что приблизительно равно 846,4 ваттам. Если округлить расчеты в фунто-футах за минуту (оставив ускорение свободного падения в единицах СИ, равным 9,82093 м/с2, то 1 ватт=433,9735 фунто-футов/мин) и принять груз, который должна тянуть лошадь с постоянной скоростью 1 м/с равным 75 кг, то лошадиная сила будет равна 736,56 ватт, что составляет приблизительно 320 000 фунто-футов в минуту. Поэтому 1 лошадиную силу считают равной 735,5 ватт .

Расчёты Уатта относились к мощности лошади, усреднённой за большое время. Кратковременно лошадь может развивать мощность около 1000 кгс·м/с, что соответствует 9,8 кВт или 33 475 BTU/ч (котловая лошадиная сила). По другим данным — до 15 л. с. в пике.[источник не указан 1279 дней]

На Втором Конгрессе Британской Научной ассоциации в 1882 году была принята новая единица измерения мощности — ватт (обозначение: Вт, W), названая в честь Джеймса Уатта (Ватта), создателя универсальной паровой машины.
До этого при большинстве расчётов использовались введённые Джеймсом Уаттом лошадиные силы.

Используйте силу

Сила- это самое главное, чтобы достичь какой-то скорости. Ведь без затраты определенных сил не будет и необходимой скорости.  Соответственно от сюда вытекает следующее, скорость будет зависеть от того, какой объем силы мы затратили для достижения скорости. Для примера: Если расстояние в несколько метров пробежать за 5 секунд или за 10 секунд, то соответственно и сила, которую мы затратим для этой короткой пробежки будет различна друг от друга. Ведь для более быстрой пробежки необходима и большая сила. 

Другой пример: Если вы передвигаете в доме мебель, а вы хотите ее передвинуть как можно быстрее, то вам необходима куда большая сила, если эту же мебель передвигать медленнее и не спеша. Выходит, что сила при такой работе куда важнее, чем та же скорость.

Практический аспект

Величина транспортного налога в России зависит от мощности двигателя. За расчетную единицу в этом случае берутся л. с.: налоговая ставка умножается на их количество. Число категорий оплаты зависит от региона. Например, в Москве для легковых автомобилей определяют 8 категорий (цены действуют на 2018 год):

• до 100 л. с. = 12 руб.;
• 101-125 л. с. = 25 руб.;
• 126-150 л. с. = 35 руб.;
• 151-175 л. с. = 45 руб.;
• 176-200 л. с. = 50 руб.;
• 201-225 л. с. = 65 руб.;
• 226-250 л. с. = 75 руб.;
• от 251 л. с. = 150 руб.

Цена приводится за 1 л. с. Соответственно, при мощности в 132 л. с. владелец автомобиля будет уплачивать 132 х 35 = 4620 руб. в год.

Раньше в Великобритании, Франции, Бельгии, Испании, Германии налог на транспортное средство зависел от количества «лошадей». С введением киловатта в одних странах (Франция) отказались от л. с. полностью в пользу новой универсальной единицы, в других (Великобритания) в качестве основы транспортного налога стали учитывать размеры автомобиля. В Российской Федерации традиция использовать старую единицу измерения еще соблюдается.

Кроме расчета транспортного налога, в России эта единица используется при страховании автогражданской ответственности (ОСАГО): при расчете премии при обязательном страховании владельцев транспорта.

Еще одно ее практическое применение, теперь уже технического характера — вычисление действительной мощности двигателя авто. При замерах используются термины брутто и нетто. Замеры брутто проводятся на стенде без учета работы сопутствующих систем — генератора, насоса системы охлаждения и т. д. Значение брутто всегда выше, но не показывает производимой мощности в нормальных условиях. Если указанные в документах киловатты переводить в л. с. этим способом, можно оценить только количество работы двигателя.

Watch this video on YouTube

Для точной оценки мощности механизма это непрактично, т. к. погрешность составит 10-25%. Фактические показатели двигателя при этом окажутся завышены, а при расчете транспортного налога и ОСАГО цены будут увеличены, т. к. оплачивается каждая единица мощности.

Измерение нетто на стенде направлено на анализ работы машины в нормальных условиях, со всеми вспомогательными системами. Величина нетто меньше, но точнее отражает мощность в нормальных условиях с воздействием всех систем.

Точнее измерить мощность поможет динамометр — устройство, подключаемое к двигателю. Он создает нагрузку на двигатель и замеряет количество энергии, выданное двигателем против нагрузки. Некоторые автосервисы предлагают воспользоваться динамометрическими стендами (диностендами) для подобных замеров.

Также мощность можно замерить самостоятельно, но с некоторой погрешностью. Подключив ноутбук кабелем к машине и запустив специальное приложение, можно зафиксировать мощность движка в кВт или л.с. при разной скорости движения. Преимущество такого варианта в том, что программа выдаст на экран погрешность вычислений сразу после контрольной оценки, а также сразу же произведет перевод из киловатт в лошадиные силы, если замер велся в единицах СИ.

Внесистемные единицы измерения постепенно уходят в прошлое. Значения мощности все чаще указываются в ваттах. Тем не менее, пока используется лошадиная сила, будет необходимость в ее конвертации.

На что влияют лошадиные силы в автомобиле?

Некоторые автомобильные издания пишут, что цена автомобиля определяется только «лошадками» под капотом. Так ли это? И почему в техданных автомобиля прописывают крутящий момент или КМ?

КМ — это следствие оказания воздействия на рычаг, знакомый всем по урокам физики. Соответственно, выводится и термин измерения в Нм. В ДВС роль рычага исполняет коленвал, а сила или энергия рождается при сгорании горючего. Она действует на поршень, создающий КМ.

Получается, что величина КМ тоже имеет важное значение, как и мощность. Только последний параметр подразумевает уже другую работу, совершённую за единицу времени

Она показывает, сколько раз в единицу времени ДВС создаёт КМ. Мощность обусловливается амплитудой вращения силовой установки или оборотами, а значит, зависит от КМ. Собственно поэтому она и рассчитывается в киловаттах.

Теперь непосредственно о влиянии.

1. Мощность автомобиля требуется для форсирования определённых сопротивлений. Чем она выше, тем больше машина способна передюжить. В этом случае противодействующими силами выступают силы трения и качения колёс, сопротивление встречного воздуха и т. д.
2. КМ влияет на возможности автомобиля непосредственно, ведь рядом с параметром «лошадей» всегда пишутся обороты, от которых зависит оптимальная мощность.

Лошадиная сила непосредственно влияет и на транспортный налог, определяемый законом страны. Чем она выше, тем больше надо будет платить за машину.

Вычислить налог на автомобиль или ТН можно и своими силами, пользуясь следующей формулой: л.с. автомобиля х актуальную ставку и компоненту, выводимую отношением срока владения транспортным средством к общему количеству месяцев в году.

Пример 1.

Лада Веста оснащена двигателем, развивающим 105 л.с. Если владелец проживает в Москве, то ставка налога на сегодня составляет 12 рублей. Из этого получается, что стоимость ТН за 1 год будет равна:

12х105=1260 рублей.

Пример 2.

Фольксваген Гольф, оснащенный двигателем на 2.0 TSI GTI с КМ 152 кВт, обладает мощностью 207 л.с. Рассчитываем налог:

12х207=2484 рубля.

Пример 3.

Топовый автомобиль Феррари GTB купе имеет под капотом 270 лошадей. Соответственно, налог будет составлять:

12х270=3240 рублей.

Эталоны лошадиной силы

В Российской Федерации величина лошадиной силы установлена равной 735,499 Вт.

В большинстве европейских стран лошадиная сила определяется как 75 кгс·м/с, то есть как мощность, которая требуется, чтобы равномерно вертикально поднимать груз массой в 75 кг со скоростью 1 метр в секунду при стандартном ускорении свободного падения (9,80665 м/с²). В таком случае 1 л. с. составляет ровно 735,49875 Вт, что иногда называют метрической лошадиной силой, хотя она не входит в метрическую систему единиц.

В США и Великобритании в автомобильной отрасли чаще до сих пор приравнивают лошадиные силы к 745,69988145 Вт (обозначение англ. ), что равно 1,01386967887 метрической лошадиной силы.

В США также используются электрическая лошадиная сила и котловая лошадиная сила (Boiler horsepower — используются в промышленности и энергетике).

Что это такое

Не все знают, почему мощность двигателей измеряют в лошадиных силах. На самом деле здесь достаточно интересная история.

Многим будет интересно узнать, откуда пошла такая единица измерения и почему всё дело в лошадях. Во многом это связано с маркетингом своего времени. Благодаря нему, в настоящее время мы измеряем мощность силовых агрегатов в лошадиных силах. Теперь стоит рассказать, почему так произошло.

Такая единица измерения как ЛС была введена ещё в 18 веке Джеймсом Уаттом. Именно в честь него названа другая единица, то есть Ватт.

Ещё в 70-х годах 18 века он создал первый паровой двигатель, который значительно превосходил по своим техническим параметрам паровую установку, изобретённую Ньюкоменом. При этом Уатт не знал, как лучше и выгоднее продать свою разработку. Одним из его аргументов выступал тот факт, что для работы его двигателя нужно на 75% меньше топлива.

Изначально продажа осуществлялась по несколько необычной схеме. Клиенты, покупавшие двигатель, отдавали треть денег, которые им удалось сэкономить на покупке топлива. Но те времена были периодом, когда в мире транспорта доминировали лошади. В итоге паровые машины мало кого интересовали.

В результате Уатт решил, что нужно сравнивать его двигатель не с другим паровым агрегатом, а именно с животными. В итоге его схема продаж была отменена, и Джеймс попробовал несколько иную тактику продаж. Он хотел убедить людей в том, что нужно покупать его двигатель.

Так была придумана единица измерения, которую мы все сегодня знаем как лошадиную силу. Подобное решение принималось в связи с тем, что клиент интуитивно понимал, о чём идёт речь, сравнивая возможности паровой установки и рабочей лошади. Фактически это был хитрый маркетинговый ход. Но свои слова Уатт подкреплял соответствующими вычислениями.

Он взял в качестве основы среднюю рабочую лошадь и посчитал, сколько энергии она способна выработать. Никто точно не знает, на каких конкретно экспериментах основывались его расчёты. Но было выявлено, что за 60 секунд работы лошадь вырабатывает примерно 45 тысячи джоулей. И это соответствовало одной лошадиной силе.

В действительности результаты оказались несколько завышенными. Редкие лошади могли работать в подобном режиме в течение целого дня. Но поняв, что возможности животных была переоценены, Уатт убедился в более высокой производительности своей разработки. Именно об этом он начал активно рассказывать потенциальным покупателям.

История необычная и достаточно интересная. Но факт в том, что такой хитрый маркетинговый ход в итоге обернулся своего рода революцией. Двигатель Уатта сыграл огромную роль в дальнейшем развитии промышленности, а его рекламные лошадиные силы стали стандартной единицей измерения.

В чем измеряется мощность двигателя

На практике чаще всего используются ватты/киловатты, а лошади применяются только в одной области – вычисление мощности движка авто. Дело все в том, что в России практически все владельцы автомобилей обязаны платить транспортный налог, а его размер напрямую зависит от количества “лошадок” двигателя.

Рассмотрим, когда нужно использовать для расчетов ту или иную лошадку:

• Метрические – представляют собой основные единицы измерения мощности двигателя, поскольку на практике они используются чаще всего.
• Английские – применяются для подсчета мощности автомобилей, которые изготовлены на некоторых английских, американских, канадских, австралийских и новозеландских заводах.
• Электрические – нужны для подсчета мощности авто с электрическим и комбинированным движком.

Приборы для измерения мощности двигателя

Для вычисления используется специальный прибор под названием динамометр, который подключается непосредственно к двигателю авто. Для определения силы движка машину помешают на специальную платформу, а потом выполняется холостой разгон движка с подключенным динамометром. На основании измерения некоторых технических показателей (ускорение, скорость разгона, стабильность работы и другие) при разгоне динамометр определяют общую мощность, а результаты выводятся на цифровой или аналоговый экран.

Рассмотрим, чем они отличаются и какой из этих показателей более надежный:

• Брутто-мощность – этот показатель измеряется при разгоне “голого” авто (то есть без глушителя, вторичных амортизаторов и других вспомогательных деталей).
• Нетто-мощность – этот показатель измеряется при разгоне “нагруженного” авто с учетом всех необходимых деталей, которые нужны для комфортной езды.

Обратите внимание, что при определении транспортного налога нужно определять именно “нагруженную” нетто-мощность. Дело все в том, что брутто-мощность обычно на 10-20% выше нетто-показателя (ведь автомобилю не приходится в таком случае “разгонять” дополнительные важные детали)

Подобная уловка часто используется недобросовестными производителями и маркетологами, которые хотят выставить свой автомобиль в более лучшем свете, что нужно помнить при проведении замеров.

Что такое лошадиная сила

Единицу измерения ЛС придумал Джеймс Уатт в конце XVIII века. Предполагается, что подобное название связано с тем, что Уатт хотел доказать преимущество своих паровых машин над более традиционной тягловой рабочей силой – над лошадьми. Популярная легенда гласит, что после создания первых прототипов одну из паровых машин купил местный пивовар, которому движок нужен был для работы водяного насоса. Во время испытания пивовар сравнил паровую машину со своей самой сильной лошадью – и оказалось, что лошадь в 1,38 раз слабее паровой машины (а 1 киловатт – это как раз и есть 1,38 лс).

Что такое киловатты

В начале XIX века лошадиные силы стали использоваться для обозначения мощности, которую в пределе может создать одна сильная лошадь. Однако некоторые инженеры и ученые в качестве точки отсчета стали использовать не абстрактных лошадей, а вполне конкретные первые машины Уатта фиксированной мощности. Эта практика закрепилась в конце XIX века, когда в качестве единицы мощности были признаны ватты. Впрочем, далеко не все государства признали новые единицы, поэтому сегодня лошадиные силы все еще используются в качестве вспомогательных или основных единиц мощности.

На что влияют лошадиные силы и что значит крутящий момент

В процессе своей работы двигатель внутреннего сгорания вырабатывает определенную энергию, которая и определяет мощность. Именно эта сила преобразуется в крутящий момент на коленчатом валу, который переходит, меняя свои значения, на трансмиссию, а затем на ведущие мосты и колеса. В результате машина начинает движение. Таким образом, крутящий момент механическим способом заставляет машину двигаться.

Эта техническая характеристика представляет собой силу мотора, которая умножается на плечо ее приложения. Во время работы двигателя внутри цилиндров создается давление, которое воздействует на кривошипно-шатунный механизм коленчатого вала, заставляя его интенсивно вращаться.

Крутящий момент измеряется в Нм. От этой характеристики напрямую зависит реализация показателей мощности ДВС на практике. Таким образом, оптимальная сила мотора зависит от его оборотов. Лошадиные силы не имеют никакого значения без крутящего момента, поскольку именно через него достигается максимальная динамика разгона. Таким образом, настоящая мощность двигателя определяется именно этим показателем.

Современные автомобильные двигатели характеризуются высокой степенью сжатия, повышенными оборотами. Такое сочетание является наиболее оптимальным вариантом для любителей быстрой динамичной езды. Следует помнить, что разгоняет машину, двигает ее вперед именно крутящий момент, а «лошадки» как раз отвечают за его производство.

Какие факторы влияют на крутящий момент двигателя

Когда речь идет о максимальном значении крутящего момента двигателя, существует три разных, но взаимосвязанных ограничивающих фактора.

Механические свойства материалов

Во-первых, это механические свойства материалов. Хорошим примером такого подхода к проектированию являются разные серводвигатели.

Более дешевые сервоприводы с более низким крутящим моментом используют пластиковые шестерни, обычно сделанные из нейлона. Производство пластиковых шестеренок недорогое, что делает сервоприводы с нейлоновыми шестеренками более дешевыми в производстве, и, следовательно, их можно дешевле купить. Нейлоновые шестерни также более легкие, по сравнению с металлическими, что является важным фактором для робототехники и летательных аппаратов. Однако если на эти нейлоновые шестерни будет приложен слишком большой крутящий момент, они сломаются.

Сервоприводы с более высоким крутящим моментом содержат металлические шестерни, поэтому они могут выдавать более высокий крутящий момент без поломок.

Материалы, используемые в конструкции двигателя, играют огромную роль в определении того, какой крутящий момент двигатель будет способен создать.

Рисунок 4 – Двигатели изготавливаются из различных материалов, но, как правило, те, что изготовлены из металла, имеют более высокий крутящий момент, чем те, что изготовлены из нейлона или другого пластика.

Максимальное напряжение двигателя

Вторым фактором, влияющим на максимальный крутящий момент двигателя, является максимальное напряжение, на которое рассчитан двигатель. Если вы посмотрите на страницу характеристик любого сервопривода, вы найдете разные значения крутящего момента для разных напряжений. Более высокие напряжения дают двигателю большую мощность для обеспечения более высокого крутящего момента. Тем не менее, двигатель и его схема управления могут принимать ограниченное напряжение из-за возможности перегрева и сгорания. Максимальное напряжение, которое двигатель может принять без сбоев, влияет на величину его максимального крутящего момента.

Рисунок 5 – Максимальное напряжение двигателя указывается в технических характеристиках, представленных производителями. Связь между рабочим напряжением и крутящим моментом.

Тепловыделение двигателя

Это подводит нас к последнему фактору, ограничивающему максимальный крутящий момент двигателя. Поскольку двигатели работают, они генерируют ненужное тепло. Чем тяжелее работает двигатель, тем больше тепла он выделяет.

Для большинства двигателей, используемых в любительских проектах, от двигателей постоянного тока до сервоприводов и шаговых двигателей, создаваемое тепло просто излучается в воздух. У них нет активного охлаждения, как, например, в электромобиле. Следовательно, двигатель ограничен тем, какой крутящий момент (а также скорость) он может генерировать без риска сбоя по температуре.

Л.с. и Н.м.

Мощность и крутящий момент в моторе неразрывно между собой связаны, так как эта лошадиная сила происходит из крутящего момента. Формула для расчета мощности двигателя очень проста.

Изначально необходимо, силу, которая выражается в Ньютон-метрах (Н.м.) надо умножить на 0,7376, все это для того, чтобы перевести значения в Британскую и Американскую единицу измерения силы (Фунт-Фут), далее, воспользовавшись выше указанной формулой умножить таковые данные на количество оборотов двигателя (RPM), и, полученное после умножения значение необходимо разделить на число 5252. В итоге мы получим приблизительное к точности значение мощности самого двигателя, которое и будет выражаеться в лошадиных силах. На примере нижеуказанной формулы нами был сделан расчет мощности двигателя при силе 100 фунт-фут (1000 оборотов в минуту двигателя). Из этого примера видно, что при силе в 100 фунт-футов и 1000 оборотов в минуту мощность двигателя составила приблизительно около 19 л.с. 

Разницу между мощностью и силой легко понять еще на одном примере. Допустим, что вы на автомобиле буксируете какой-то груз в гору, значит вам будет необходим низкий крутящий момент, но естественно потребуется и больше силы для более легкого буксирования. А если же вы хотите максимально быстро разогнать свой автомобиль с 0 до 100 км/час, то ему потребуется уже максимальное количество оборотов двигателя, а силы для такого разгона за короткий промежуток времени уже потребуется не так много. Но чем больше будет мощность двигателя, тем быстрее вы разгоните свою автомашину до 100 километров.

Поэтому различная грузовая и подъемная техника всегда, как правило оснащается дизельными двигателями, которые имеют большую тягу и не высокое максимальное количество оборотов двигателя, если их сравненивать с бензиновыми силовыми агрегатами. Дизельные двигатели способны передвигать транспортные средства имеющие огромную весовую массу. Но такой автотранспорт из-за небольшого количества л.с. очень медленно трогается и разгоняется.

Вот почему, такой автомобиль как Honda S2000 может сорваться с места и разогнаться до 100 километров в час примерно за 6 секунд, Dodge RAM 3500 может буксировать груз весом более 8000 тыс. килограмм (на прицепе). Это и есть абсолютное различие между крутящим моментом и лошадиной силой.

В транспортных средствах есть еще один элемент, который помогает автомобилю передавать крутящий момент на колеса,- это коробка переключения скоростей передач, которая предназначена для передачи максимального крутящего момента при определенной скорости. Например, тракторные тягачи и трактора для перевозки тяжелых грузов в прицепах оснащаются большими дизельными двигателями, у которых большой крутящий момент и большая сила, которая выражается в Ньютон-метрах (Н.м.). Но такие двигатели не имеют большого количества лошадиных сил. Такие двигатели созданы не для разгона транспортного средства до высокой скорости, как правило, они нужны в основном для перевозки тяжелых грузов. Некоторые такие тракторы оснащены 10 ступенчатыми коробками передач.

Так мощность и крутящий момент непосредственно близко связаны друг с другом. Лошадиная сила зависит от крутящего момента (силы Н.м.) и от количества оборотов в минуту двигателя. 

Крутящий момент по своей сути,- это сила и мощность с которой можно сделать определенную работу. И чем меньше затрачивается времени для выполнения (или набора определенной скорости) такой работы, тем больше мощность самого автомобиля, которая выражается в лошадиных силах. 

Лошадиные силы (л.с.)

Введенная в обиход «маэстро» и по совместительству создателем продуктивных паровых двигателей – мистером Джеймсом Уаттом – это единица мощности, основанная на лошадиных силах каким-то образом жива и по сей день, пронеся подсчеты гениального инженера сквозь столетия. Она является основной единицей измерения мощности автомобилей во многих странах, в том числе и в России, используется не только в качестве измерения мощности двигателя внутреннего сгорания в официальных документах к моделям автомобилей, но и для расчетов налогообложения в автомобильной сфере, например, подсчет транспортного налога.