آشنایی کامل با مفهوم اسب بخار

آشنایی کامل با مفهوم اسب بخار

جیمز وات (۱۸۱۹- ۱۷۳۶) فردی بود که عبارت اسب بخار را ابداع کرد. جیمز وات به خاطر کارهایش برای بهبود ماشین بخار بیشتر شهرت خود را به دست آورد. همچنین زمانی به یاد او می افتیم که از لامپ‌های ۱۰۰ واتی حرف می‌زنیم.

شروع داستان از زمانی بود که وات با اسب‌هایی که زغال سنگ بلند می‌کردند در یک معدن زغال سنگ کار می‌کرد و برای این که بتواند دربارهٔ توان هر یک از این اسب‌ها صحبت کند راهی می‌خواست.  او دریافت که یک اسب معدن به طور میانگین در یک دقیقه می‌تواند ۲۲۰۰۰ پوند – فوت (حدود ۳۰ کیلو ژول) کار را انجام دهد. سپس او با قرار دادن اسب بخار با ۳۳۰۰۰ پوند – فوت (حدود ۴۵ کیلو ژول) انرژی در یک دقیقه این عدد را ۵۰ درصد افزایش داد. این واحد، یک واحد دلخواه بود که امروزه پس از گذشت قرن‌ها در ماشین‌های چمن زنی، بعضی جارو برقی‌ها، خودروها و اره برقی‌ها به کار می‌رود.

اسب بخار این مفهوم را دارد: از نظر وات، در هر دقیقه یک اسب می‌تواند ۳۳۰۰۰ پوند – فوت کار انجام دهد. پس مانند شکل بالا اسبی را در نظر بگیرید که در حال بالا کشیدن زغال از معدن است. اسبی با توان یک اسب بخار توانایی این را دارد که در مدت یک دقیقه ۳۳۰ پوند (۱۵۰ کیلوگرم) زغال را ۱۰۰ فوت (۳۰ متر) بالا بکشد و یا در یک دقیقه ۳۳ پوند (۱۵ کیلوگرم) را ۱۰۰۰ فوت (۳۰۰ متر) بالا بکشد و …

شما می‌توانید از وزن و جابه جایی در یک دقیقه ترکیب‌های متفاوتی را در نظر بگیرید و زمانی یک اسب بخار خواهید داشت که حاصل ضرب آنها ۳۳۰۰۰ شود.

ممکن است فکر کنید در یک سطل نمی‌توان ۳۳۰۰۰ پوند (۱۵ تن) زغال را ریخت و از اسب خواست در مدت یک دقیقه آن را، به میزان ۱ فوت (۳۰ سانتی متر) جا به جا  کند چون اسب قادر نیست چنین بار سنگینی را تکان دهد. همچنین ممکن است فکر کنید در یک سطل نمی‌توان ۱ پوند (۴۵۰ گرم) زغال را گذاشت و از اسب خواست آن را ۳۳۰۰۰ فوت (۱۰ کیلومتر) در مدت یک دقیقه جا به جا کند، زیرا سرعت اسب در این حالت باید ۳۷۵ مایل در ساعت (۶۰۳ کیلومتر در ساعت) باشد که غیر ممکن است. اگر مطلب قرقره و طناب چگونه کار می‌کند را مطالعه کرده باشید، می دانید که می‌توان نسبت جا به جایی و وزن را با یک مجموعه از قرقره‌ها عوض کرد. پس به نحوی که با سرعت و بار مناسب اسب هماهنگ باشد می‌توان آرایشی از قرقره‌ها را درست کرد و مهم نیست در سطل چه باری است.

اسب بخار به واحدهای دیگر هم می‌تواند تبدیل شود:

● ۷۴۶ وات برابر با یک اسب بخار است. پس اگر به چرخی یک اسب را وصل کنیم تا آن را بچرخاند می‌توان مولد برقی را با آن چرخ به کار انداخت که ۷۶ وات تولید می‌کند.

● در مدت یک ساعت انرژی حاصل از یک اسب بخار برابر  ۲۵۴۵BTU است که برای بالا بردن دمای یک پوند آب هر BTU انرژی مورد نیاز به اندازهٔ یک درجهٔ فارنهایت است.

● ۱۰۵۵ ژول برابر با یک BTU ، یا ۲۵۲/۰ کالری غذایی و یا ۲۵۲ گرم-کالری است. یک اسب احتمالاً در یک ساعت ۶۴۱ کالری غذایی را می‌سوزاند.

اندازه گیری اسب بخار:

اگر توان یک موتور را بخواهید بدانید، باید یک توان سنج (Dynamometer) را به موتور وصل کنید. توان سنج روی موتور باری را قرار می‌دهد و توانی را که در برابر بار توسط موتور تولید می‌شود را اندازه می‌گیرد.

می‌توان به این صورت ایدهٔ طرز کار توان سنج را درک کرد: موتوری را تصور کنید که روشن کردید و پدال گاز را بدون آنکه باری روی آن باشد فشار می‌دهید. موتور در این حالت آن قدر سریع می‌چرخد که از هم می‌پاشد. که این مناسب نیست بنابراین باری را بر موتور با یک توان سنج قرار می‌دهید و باری را اندازه می‌گیرید که موتور می‌تواند در دورهای مختلف تحمل کند. به موتور باید توان سنجی را وصل کنید، گاز دهید و بار روی موتور را با توان سنج تغییر دهید تا مثلاً روی ۷۰۰۰ دور بر دقیقه دور موتور ثابت بماند و باری را که موتور در این دور می‌تواند تحمل کند را ثبت می‌کنید. سپس برای اینکه دور موتور مثلاً به ۶۵۰۰ کاهش یابد، بار را زیادتر کنید و بار متناظر با این دور را دوباره ثبت کنید و به همین رویه را ادامه دهید. همچنین می‌توانید از ۵۰۰ و ۱۰۰۰ دور به بالا همین کارها را انجام دهید. در واقع گشتاور پیچشی چیزی است که توان سنج اندازه می‌گیرد و باید گشتاور را در دور موتور ضرب کنید تا به اسب بخار تبدیل شود.

رسم نمودار توان:

اگر بر حسب اسب بخار نمودار توان یک موتور را در برابر دور موتور رسم کنید، منحنی توان موتور چیزی است که در نهایت به دست می‌آید. با عملکرد بالا یک نمونه منحنی توان یک موتور شبیه نمودار زیر است. (این منحنی به موتور ۳۰۰ اسب بخاری میتسوبیشی مربوط می‌شود که دو توربو شارژر دارد)

چنین نموداری نشان دهنده این است که هر موتوری دارای یک توان بیشینه است. (توان خروجی موتور در دور موتوری که در آن بیشینه است). همچنین در یک دور خاص یک موتور، گشتاور بیشینه‌ای دارد. شما معمولاً در مجلات و نشریات چنین چیزی را می‌بینید:  rpm ۶۵۰۰ hp@۳۲۰، rpm۵۰۰۰lb-ft@ ۲۹۰ (مربوط به 1999 Shelby Series 1)

وقتی در دور موتورهای نسبتاً پایین (مثلاً ۲۰۰۰ یا ۳۰۰۰ دور) بیشینهٔ گشتاور رخ می‌دهد اصطلاحاً می گویند موتور دارای گشتاور آخر پایینی است.

چیز دیگری که توان یک خودرو در منحنی دیده می‌شود جایی است که توان بیشینه رخ می‌دهد. وقتی به سرعت سعی می‌کنید شتاب بگیرید می‌خواهید موتور را به توان بیشینه نزدیک نگه دارید و برای این که دور موتور زیاد شود به همین خاطر دنده را کم می‌کنید و به توان بیشینه نزدیک شوید. وقتی می‌خواهید شروع به حرکت از پشت چراغ قرمز کنید گاز می‌دهید تا به توان بیشینه نزدیک شوید و دور موتور بالا رود و برای این که توان زیادی به چرخ‌ها منتقل شود آنگاه کلاچ را رها می‌کنید.

 در خودروهایی با عملکرد بالا توان به چه صورت است:

خودرویی که نسبت به وزنش توان زیادی داشته باشد با عملکرد بالا نامیده می‌شود. وزن هرچه بیشتر باشد برای شتاب دادن به خودرو توان بیشتری لازم است. باید وزن را کاهش داد برای توان‌های مشخص، تا شتاب زیادتر شود.

یک خودرو با عملکرد پایین و چند خودرو با عملکرد بالا را در جدول زیر از نظر توان و وزن نشان می‌دهد. در این جدول توان بیشینه، وزن، نسبت توان به وزن، زمان لازم برای رسیدن سرعت از صفر به ۶۰ مایل در ساعت (۹۷ کیلومتر در ساعت) و قیمت خودرو را می‌توانید مشاهده کنید.

می‌توانید بین نسبت توان به وزن و زمان صفر تا ۶۰ خودرو رابطهٔ واضحی ببینید. معمولاً خودروی سریع‌تر نشان دهندهٔ نسبت بیشتر است. جالب است که بین قیمت خودرو و سرعت رابطهٔ کمتری وجود دارد. در این جدول به نظر می‌رسد دوج وایپر قیمت خوبی دارد!

در واقع اگر نسبت توان به وزن بیشتری می‌خواهید و خودروی سریع‌تری می‌خواهید پس خالی کردن صندوق عقب اولین کار است.

منبع:1616