Электроника: Постоянный ток/Закон Ома/Мощность в электрических цепях

Мощность – это величина того, сколько работы можно выполнить за заданный промежуток времени. Под «работой» часто имеют в виду поднятие груза с преодолением силы гравитации. Чем тяжелее вес и/или выше его поднимают, тем больше работы нужно сделать. Мощность – это величина того, как быстро выполняется стандартный объем работы.

В американских автомобилях мощность двигателя измеряется в так называемых «лошадиных силах» – единице измерения, которую производители паровых двигателей изначально изобрели для измерения работоспособности своих машин, используя для этого самый распространенный «источник питания» того времени – лошадей. Одна лошадиная сила составляет примерно 745 ньютон-метров работы в секунду. Мощность двигателя машины означает не то, на какой высоты холм она может заехать или то, насколько тяжелый груз она способна тащить, а то, насколько быстро она может заехать на этот холм или тянуть этот груз. Мощность механического двигателя зависит от скорости вращения двигателя и крутящего момента на выходном валу. Скорость выходного вала двигателя измеряется в оборотах в минуту. Крутящий момент – это вращательная сила, производимая двигателем, и она, как правило, измеряется в ньютон-метрах (на западе – в фунт-футах). По отдельности ни скорость вращения вала, ни крутящий момент мощность двигателя не определяют. Тракторный дизельный двигатель мощностью 100 лошадиных сил будет крутиться относительно медленно, но давать относительно большой крутящий момент. Мотоциклетный двигатель на 100 лошадиных сил будет крутиться очень быстро, но давать относительно маленький крутящий момент. Оба двигателя дают одни и те же 100 лошадиных сил, но разные скорость и крутящий момент. Вот уравнение для расчёта мощности на валу:

Обратите внимание, что здесь только две переменные с правой стороны уравнения – S и T. Все остальные значения – это константы (т.е. не меняющиеся значения): «2», «π» и «33000». Показатель лошадиных сил меняется только в зависимости от скорости и крутящего момента. Давайте перезапишем это уравнение, чтобы показать связь между ними:

Поскольку лошадиные силы не равны скорости (обороты в минуту), умноженной на крутящий момент (ньютон-метры), мы не можем сказать, что эта величина равна ST. Но они пропорциональны друг другу. Если математический результат ST изменится, то параметр лошадиных сил изменится в той же пропорции.

Настоящая мощность Лады Весты: результаты замеров на стенде

Кому-то Веста нравится, кому-то – нет. Кто-то верит в её светлое будущее, кто-то уже готов её похоронить. Но пока все эти оценки и суждения – субъективное мнение в лучшем случае и ничем не обоснованные потуги воспаленного мозга «диванных» экспертов – в худшем. Хочется оценить новую машину объективно, чтобы цифры какие-то были, что ли. «Ну не давление же в колёсах мерить!» – подумали мы и решили замерить параметры автомобиля на мощностном стенде. Метод почти научный, а это то, чего так хотелось. Веста в редакции уже есть, специалисты, согласные помочь в этом деле, откликнулись быстро, и ваш покорный слуга забрался в салон Лады для поездки на стенд. Посмотрим, что из этого вышло.

Чуть-чуть теории и истории

Давайте для начала вспомним, что такое «лошадиная сила» и ньютон, умноженный на метр. И начнём мы со второго вопроса.

Ньютон – это единица измерения силы. И представить её достаточно легко: возьмите килограммовую гирьку и сдвиньте её за одну секунду из состояния покоя на метр в сторону. Для придания ускорения один метр в секунду потребуется как раз один ньютон, правда, в нашем эксперименте мы не учитываем силу трения и другие силы, которыми можно пренебречь. Но приблизительно представить такую силу можно. Теперь чуть усложним. Представьте обычную ручную мясорубку, но с метровой рукояткой. Если к крайней точке такого рычага приложить силу, равную одному ньютону, то на шнеке мясорубки возникнет момент, равный 1 Нм (ньютон, умноженный на метр). Думаю, теперь понятие «крутящий момент» стало более понятным, причём без всяких формул, которые всё равно никто читать бы не стал. Теперь вернёмся к нашим « лошадям».

В лошадиных силах измеряют мощность, то есть работу, совершённую за единицу времени. В Международной системе единиц СИ лошадиных сил нет, для обозначения мощности используется ватт. Один ватт – это та мощность, которая необходима для того, чтобы за одну секунду совершить работу в один джоуль, то есть сдвинуть точку приложения силы в один ньютон на расстояние одного метра. Представить это чуть сложнее, чем крутящий момент, но это и понятно: вещь довольно условная. Собственно, сам Джеймс Уатт, в честь которого позже назвали единицу мощности ваттом, тоже так и не мог себе представить мощность в таком виде, поэтому обратился к лошадям. История вопроса заслуживает более подробного упоминания.

Шотландский изобретатель прославился своими паровыми машинами. Естественно, он имел желание их продавать, но для этого надо было наглядно объяснить людям преимущества своей техники, а именно – дать им возможность «пощупать» ту самую пресловутую мощность. Один из покупателей машины Уатта приобрёл её для того, чтобы вытаскивать из шахты гружёные бочки, для чего раньше пользовался парой лошадок.

И тут Уатта осенило: если всю работу делают лошади, то почему бы не измерять мощность своих машин в этих животных? И он принялся за ними наблюдать. Сейчас уже никто не скажет, сколько он смотрел на бедных лошадей, но в итоге пришёл к выводу, что бочку массой 180 килограммов (бочка по-английски «barrel», печально известный за последнее время баррель) две лошади тянут со средней скоростью две мили в час. Изобретатель перевёл баррели и мили в более мелкие величины и решил, что лошадиной силой отныне будут 380 фунтов, перемещённых на 88 футов за одну минуту.

Теперь посмотрим вот на что. Дюймовые величины неоднократно округляли, потом переводили в метрические значения и снова округляли. Работа получалась мучительная, поэтому в «метрических» странах решили, что одна лошадиная сила – это приблизительно 75 килограммов, поднятых за одну секунду на один метр вверх, причём ускорение свободного падения равно 9,80665 м/с². Последнюю величину тоже округляли все по-разному (хотя большинство из курса физики помнит число 9,8 м/с²), отчего в итоге лошадиные силы стали разниться. Сейчас они используются в России только для расчета налогов, ОСАГО и для впаривания покупателям машин с мощными (вроде бы) моторами. Собственно, последнее – это то, чего и добивался Джеймс Уатт.

Наша российская лошадиная сила – это 735,499 Вт. А вот в США и Великобритании лошади, скорее всего, были круче наших, поэтому их лошадиная сила чуть больше – 745,69988145 Вт, то есть одна наша лошадиная сила – это 1,014 их «лошадки».

Поэтому тут тяжело не вспомнить слова великого Энцо Феррари: «Лошадиные силы продают автомобили, а крутящий момент выигрывает гонки». Лошадиная сила – это условность, а вот момент – это дело другое, то, что действительно можно замерить. Впрочем, холивары на тему «момент или мощность» можно устраивать бесконечно, а может, даже и нужно. Пока перейдём ко второй части Марлезонского балета с измерением мощности.

Стенды, брутто и нетто

Наверное, многие уже поняли, что замерить непосредственно можно лишь момент, реально существующую величину, и уж только потом рассчитать мощность. Но и это далеко не всё.

В мире есть только один признанный метод определения параметров мотора: установка его на стенде отдельно от автомобиля. Только так можно снять показания с маховика, во всех остальных случаях момент считывается по результатам замеров ускорения и торможения роликов динамометрического стенда. Конечно, снимать двигатель, подключать его к стенду, затем возвращать обратно – дорого и долго, поэтому такими вещами занимаются очень редко. Да и в этом случае иногда возникают разночтения: кто-то проводит измерения со снятым навесным оборудованием (генератором, помпой и пр.), получая завышенные показания. Другой случай – это замер двигателя со всем установленным оборудованием, что даёт, конечно, несколько иные значения. В этом заключаются различия в измерении мощности нетто и брутто.

Общепринятой практикой остаётся замер на колёсном стенде. В этом случае полученная характеристика – это момент, а мощность, как мы уже поняли, можно рассчитать, зная момент и скорость. При этом таким способом можно узнать момент только на колёсах, а не на маховике двигателя. Исходя из ускорения замедлений и разгонов, высчитываются потери в трансмиссии и тот самый нужный момент на маховике.

Стенды тоже работают по разным принципам, но в тонкости их различий мы углубляться не будем, потому что у меня опасения, что и до этого абзаца добрались далеко не все. Лучше перейдём к Весте.

Долой «шиповку»

Хотя декабрь в этом году в Петербурге и похож на апрель, машина у нас «обута» в зимнюю резину. Стуча шипами по мокрому асфальту, я подъехал к боксу станции. И сразу попал в шиномонтажку: проводить замеры на установленной «шиповке» нельзя. На барабанах стенда Весту будут «разгонять» до максимальной скорости, которая по паспорту составляет 178 километров в час.

При такой частоте вращения колёс есть вероятность того, что не все шипы захотят оставаться на месте, а это чревато последствиями. Приходится «переобувать» автомобиль в летнюю резину, за что и принимаются мастера. Я в это время пользуюсь отсутствием передних колёс и разглядываю то, что ими обычно скрыто, в первую очередь – тормозные механизмы.

Ничего инопланетного я там не нахожу (кроме колодок TRW), поэтому перехожу к следующему эксперименту: хлопаю дверьми, пока машина стоит на обычных подкатных домкратах. Двери закрываются с благородными «чпоками», что радует: помнится, были в истории АВТОВАЗа (да и не только в его) машинки, которые перекашивались так, что дверь даже открывалась с трудом. Кстати, подробно о тонкостях обслуживания и ремонта Весты вы можете прочитать в соответствующей статье – это интересно.

Тем временем мастера вкручивают буксировочный крюк. Работа несложная, но вот открыть заглушку в бампере сложнее, чем бозон Хиггса. Однако через несколько минут с этим делом справились, машину загоняют на стенд. Теперь остаётся её закрепить ремнями, что и делает мастер. Последнее приготовление – подсоединение через разъем OBD. Разъём, кстати, находится в традиционном месте – под панелью со стороны водителя. Итак, устанавливаем соединение и «едем».

Крутим, вертим

Ещё до начала замера возникло опасение, связанное с роботизированной коробкой передач. Дело в том, что у некоторых автомобилей после срабатывания отсечки обороты сразу падают, и в этом случае замер не отражает действительную картину. При этом он производится, естественно, в ручном режиме «робота». Веста такой глупости не сделала и показала всё, что могла.

Итак, первый замер. Двигатель прогрет, но не слишком горячий. Специалист «разгоняет» машину на стенде и давит на педаль газа. После нескольких минут визга мотора на предельных оборотах первое испытание закончено, и мы бежим к монитору.