Krutiaci moment a výkon

Uvedieme si príklad, ktorý by nám mal pomôcť k ľahšiemu pochopeniu o čo vlastne ide. Závažie s hmotnosťou 1kg pripevnené k zemi by sme sa snažili zdvihnúť ľubovoľnou silou (ale tak, aby sme neutrhli upevnenie), pôsobili by sme na toto závažie silou a spotrebovali by sme nejakú energiu, ale nevykonali by sme tým žiadnu prácu. Pokiaľ by sme dané závažie od zeme uvoľnili a pôsobili na neho silou potrebnou k vyzdvihnutiu do výšky 1 metra, závažie by sme nielen zdvihli silou cca 10N (Newtonov), ale vykonali by sme pri tom prácu o veľkosti cca 10Nm, alebo Joulov. Keby nám tato práca trvala 1 minútu, dostali by sme výkon 10Nm za minútu, čo je cca 0,17 Wattov (10Nm delené 60 sekúnd). Pokiaľ by sme boli schopní tu istú prácu vykonať za 1 sekundu, mali by sme výkon 10 Nm za sekundu, t.j. 10 Wattov.

Na tomto príklade môžeme vidieť, ak vykonáme tú istú prácu rýchlejšie, máme vyšší výkon, a naopak. Tiež sme zistili, že hodnoty točivého momentu motoru (napr. 180Nm) ešte o ničom nevypovedajú, lebo nevieme, akou rýchlosťou sa motor pri tomto točivom momente otáča (t.j. akú dráhu vykoná). Výkon motora sa meria v konských silách. Túto jednotku zaviedol vedec Watt, a pri pokusoch ktoré robil, došiel k záveru, že jeden kôň má výkon 745,7 Wattov.

Vo svete sa však používajú dve definície pre konskú silu: HP podľa americkej normy a PS podľa európskej normy. Rozdiel medzi nimi je nasledovný: 1PS = 0,98632HP. Z čoho vyplýva, že „americké“ kone sú silnejšie.

Pri meraní motora je potrebné merať silu pri rotujúcich objektoch (ako je napr. kľukový hriadeľ), je teda potrebné definovať "rotačnú" silu v Nm (ňjutn-metre) točivého momentu. 1Nm točivého momentu je sila potrebná k udržaniu závažia o hmotnosti cca 0,1kg na beztiažovom vodorovnom ramene vo vzdialenosti 1 meter od stredu otáčania. Podobne na udržanie 1 kilogramu na konci rovnakého ramena potrebujeme, aby hriadeľ, na ktorú je rameno upevnené, mal točivý moment 10Nm atď. Z točivého momentu, ktorý na rameno pôsobí a z otáčok jeho otáčania môžeme zistiť jeho výkon podľa tohto vzorca:
 

(1)

V praxi sa však nemeria výkon priamo z bežiaceho motora. Na dynamometri (alebo motorovej brzde) sa meria vždy točivý moment vyjadrený v Nm pri určitých otáčkach, z ktorého následne vypočítame výkon v kiloWattoch (kW).

Točivý moment

Ľubovoľné vozidlo s ľubovoľným, zaradeným prevodovým stupňom bude akcelerovať s priebehom, ktorý bude presne kopírovať jeho krivku točivého momentu. Pre zjednodušenie nebudeme brať do úvahy všetky straty, (ako napríklad trenie, odpor... - ten možno úplne zanedbať lebo, keď je vozidlo na meraní na motorovej brzde, tak stojí a nemá žiadny odpor) atď. Takže automobil bude pri ľubovoľne zaradenom stupni zrýchľovať najviac na vrchole točivého momentu, kdekoľvek mimo toto maximum, bude zrýchlenie pomalšie, pričom rozdiel bude tým väčší, čím väčšia bude "špička" na grafe točivého momentu. Zatiaľ čo točivý moment je jediné, čo vodič cíti "na chrbte", výkon je iba výpočet, ktorý vychádza z točivého momentu.

Točivý moment 200Nm vás pri rovnakom zaradenom prevodovom stupni zrýchli rovnako rýchlo ako pri 2000 otáčkach za minútu, tak pri 4000 otáčkach za minútu, aj keď podľa vzťahu bude pri 4000ot./min. výkon dvojnásobný. Preto nie je výkon pre "vodičov chrbát" nejako významný, lebo ho nijak nepocíti.

Oproti krivke točivého momentu (a zodpovedajúcemu zatlačeniu do sedačky), výkon väčšinou citeľne rastie s otáčkami, obzvlášť pokiaľ točivý moment s otáčkami tiež narastá. Výkon bude vzrastať aj v tom prípade, pokiaľ prekročíme vrchol točivého momentu a bude naďalej vzrastať s otáčkami, pokiaľ točivý moment nezačne ochabovať tak rýchlo, že tento pokles už nestačia vyrovnávať vzrastajúce otáčky. Aj cez tento fakt výkon nemá nič spoločného so "zatlačením vodiča do sedačky". Neveríte? Zájdite si so svojim autom na rovné a prehľadné miesto, zaraďte prvý rýchlostný stupeň a choďte ustálene tak rýchlo, aby bol otáčkomer práve na vrchole točivého momentu. V tomto okamihu dajte plný plyn a ucítite zatlačenie do sedačky, ktorého je váš voz schopný. Teraz nastavte otáčky do oblasti maximálneho výkonu a opäť dajte plný plyn. Zatlačenie do sedačky už nebude tak citeľné, ako v predchádzajúcom prípade.

Výkon

Pokiaľ je točivý moment tak dôležitý, prečo sa vôbec niekto stará o výkon? Je totiž vždy lepšie produkovať točivý moment vo vyšších otáčkach, ako v nižších, pretože v tomto prípade môžete využiť sprevodovanie.

Extrémny príklad, z odbornej literatúry, ale zato veľmi výstižný. Netýka sa to síce priamo automobilov, ale pre pochopenie je postačujúci. Jedná sa o mlynské koleso, ktoré je vyrobené z masívneho dreva a otáča sa veľmi lenivo a pomaly. Toto mlynské koleso disponuje točivým momentom obrovskej hodnoty cca 3500Nm, čo je v motorizme len veľmi ťažko dosiahnuteľná hodnota. Rýchlosť otáčania je cca 12 otáčok za minútu. Keby sme toto mlynské koleso pripevnili ku kolesám automobilu, tento automobil by zrýchlil z nuly na 12 otáčok za minútu v okamihu, a poháňajúce mlynské koleso by ani nepoznalo, že sme k nemu niečo pripojili.

Na druhú stranu, dvanásť otáčok bežného kolesa automobilu za minútu odpovedá rýchlosti cca 1,5km/h, čo je samozrejme „slimačie“ tempo. Pokiaľ by sme chceli ísť rýchlejšie (to samozrejme chceme), boli by sme nútení previesť sprevodovanie smerom hore, t.j. dorýchla. Pri rýchlosti vozidla 100km/h by sme museli mlynské koleso sprevodovať cca 67-krát dorýchla, čím by točivý moment klesol na 52Nm (3500/67). To je naozaj veľmi málo a bežný automobil by sa zrejme s takto malým točivým momentom na stokilometrovú rýchlosť ani nedostal. Pokiaľ použijeme skôr odvodený vzťah, dostaneme výkon tohto mlynského kolesa úbohých 4kW.

Na tomto príklade je názorne vidieť, že zatiaľ čo mlynské koleso je schopné vynaložiť obrovské množstvo sily a mohlo by tak lámať skaly, jeho výkon je značne malý. U spomínaného lámania skaly totiž nepotrebujeme rýchlosť a stačí nám iba mamutia sila. U vozidla rýchlosť potrebujeme, aby sme sa vôbec niekam dostali a nezáleží tak iba na sile.