Първо трябва да разберем какво представляват мощността и енергията и какво върти масата с тази сила или енергия. Противно на общоприетото схващане, въртящата се маса не консумира енергия. Въртяща се (или движеща се) маса магазини енергия. Този ефект е почти същият като изливането на енергия в кофа, подобно на зареждането на кондензатор в електронна верига. На практика цялата съхранена енергия, с изключение на тази, загубена при преобразуване в топлина, все още е там и е налична за извършване на работа в даден момент в бъдеще. Това бъдеще, в което енергията се връща, може да бъде милисекунди по-късно и да ни помогне, или може да е известно време по-късно и да загубим енергия. Ето защо времето е много важно.

въртяща

Един пример за полезно съхранение на енергия е маховикът и коляновият вал на автомобил. Силата върху коляновия вал е в импулси. Често срещаният V8 с четири цикъла има четири цикъла на мощност на оборот на коляновия вал и има 100 оборота на манивелата в секунда. При 6000 оборота в минута 8-цилиндров 4-тактов има 400 мощни импулса в секунда. Маховикът (заедно с хармоничния демпфер и теглото на въртящия се възел) изглажда тези импулси, като съхранява и освобождава импулсната енергия от експлозиите в цилиндрите. Резултатът е плавно завъртане, което няма да разкъсва предавките, да вибрира колата или да бие по лагерите.

Винаги трябва да помним въртенето или движението на маса, всъщност не разрушава енергията. Ако го направи, земята щеше да спре да се върти преди милиони години! Ключът към разбирането как промените в теглото влияят на производителността е да се разберат някои много прости основни енергийни потоци в системата.

Например, всички знаем, че две топки за билярд в крайна сметка спират след сблъсък. Те спират да се движат само защото приложена енергия (от преместване на пръчката за бияч) в крайна сметка се преобразува в топлина (от триене с въздуха и масата) и звук (което не е голяма част от загубата на енергия). Движението на топката по филцовата повърхност на масата и през въздуха пренася енергия извън двете движещи се топки във въздуха и околната среда около масата и в самата маса. Температурата на масата и въздуха се повишава все по-леко, защото приложената енергия се движи извън системата, която "виждаме"! Тъй като топлинната енергия се разпространява навсякъде в много голяма област, не забелязваме повишаване на температурата. Просто забелязваме, че топките бързо спират да се движат.

Друг пример са спирачките на нашата кола. Енергията, съхранявана в движещото се тегло на автомобила, се преобразува в топлина чрез триене на спирачни накладки, които се трият в метални ротори, прикрепени към въртящите се колела. Това преобразува съхранената енергия (двигателят, вложен в теглото на автомобила) в топлина и топлината (съдържаща цялата тази енергия) се излъчва във въздуха. Повечето от това, което всъщност правим в една кола, е да движим топлината наоколо.

Първият закон на Нютон

Маса продължава в състояние на покой или продължава равномерно движение по права линия, освен ако не е принудена да промени това състояние от силите, впечатлени върху нея.

Възрастни момчета като Нютон със сигурност имаха много време в ръцете си, за да мислят за прости неща, но те се справиха правилно. Добър пример е ракета, преминаваща през космоса. Той ще продължи вечно по права линия, освен ако не удари нещо или ако гравитацията или друга сила не го издърпа в нова посока. Земята иска да се движи по права линия, освен гравитационното привличане към слънцето постоянно огъва пътя си. Куршумът реагира по същия начин, освен че триенето с въздуха и гравитацията променя посоката и скоростта постепенно на разстояние.

Вторият закон на Нютон

Ускорението, произведено от определена сила, действаща върху тялото, е право пропорционално на големината на силата и обратно пропорционално на масата на тялото.

Натискаме по-силно и/или по-дълго и нещо се движи по-бързо. Ако е по-тежък, трябва да натискаме по-дълго или по-силно (или и двете), за да получим еднаква скорост. Отнема повече енергия, за да ускорим по-тежък обект със същата скорост, както бихме могли да преместим по-лек обект със същата скорост. Можем да приложим повече сила или да приложим същата сила за по-дълго време, за да накараме нещо да се движи по-бързо. Всичко е около ВРЕМЕ по МОЩНОСТТА или количеството ВРЕМЕ, приложено количество МОЩНОСТ. Ето защо тези големи шофьори в крайна сметка могат да преместят голяма лодка, железопътен вагон или самолет. Необходими са само ниско триене и достатъчно време и някой, който не може да премести Volkswagen с две спукани гуми, може да търкаля 10-тонен железопътен вагон.

Ускорение, енергия и мощ


Ускорение, по дефиниция е промяна в посоката или скоростта. Ако забавим нещо, това е ускорение, само в отрицателна посока. Ако обърнем превозно средство или друга маса в нова посока, това наистина е ускорение под нов ъгъл или в нова посока. Ето защо можем да сравним или дефинираме спиране и завиване в G-сила (g), точно както правим с ускоряващото „излитане“.

Ние прилагаме сила (и това означава, че прилагаме енергия) с течение на времето (сила, приложена във времето е сила), за да ускорим обекта. Ако искаме да въртим върха, прилагаме сила извън центъра от оста и под прав ъгъл към оста. Горната част съхранява енергията, която прилагаме, и продължава да се върти. С течение на времето запасената сила се преобразува в топлина от триене и горната част постепенно се забавя, докато окончателно спре.

Силата е натиск или енергия. Продуктът на времето, в което прилагаме силата и количество сила е силата. Властта във времето е много полезно нещо за нас, защото означава, че можем да свършим работа с нея. Само мощността, без да се прилага, не е толкова полезна. Позволете ми да дам няколко примера:

"Ватите" са мярка за мощ, подобно на конските сили. „Ватите“ сами по себе си не са скорост, тъй като ватът не включва определено време за приложение. Ватът е само ниво на мощност или работно ниво на енергия за неопределено време.

Ако включим един час, ще имаме ватчас. Киловат-часове, ват-секунди, ват-часове и други комбинации от ниво на мощност и време определят електрическата енергия или работата. Ето защо сме таксували за киловатчас в домовете си! Ако ни таксуваха обикновени стари "ватове", това нямаше да каже на никого колко "работа" сме купили. Ватите са истинска скаларна (едноизмерна) мярка за способност за работа, точно както конските сили. И двете показват сила или способност за извършване на работа, но и на двете липсва каквото и да било включване на работното време, така че нямаме представа колко работа е свършена или би могла да бъде извършена.

Конската сила е функция на оборотите в минута и въртящия момент, точно както ватовете са волтове по ампери. Конската сила е способност да вършите полезна работа, но извършването на действителна работа изисква време. Въртящият момент е налягане и тъй като не включва скорост, това не е много полезно измерване на мощността на системата или способността за ускоряване или преместване на тежестта. Въпреки това, което чуваме, колянов вал въртящият момент не е пряко свързан с преместване на нещо извън линията или издърпване на тежък товар. Нагоре при двигателя всичко е свързано само с конски сили. Конските сили (въртящ момент при определени обороти) в крайна сметка се преобразуват чрез предавки и други механични устройства до нова стойност на въртящия момент при различен обороти в минута. В крайна сметка всичко, което ни интересува, е ротационният натиск върху контактния участък на нашите гуми, който тласка колата ни напред. 800 lb/ft въртящ момент при 2000 RPM двигател не ускорява превозно средство, както и 400 lb/ft двигател при 5000 RPM, защото конските сили са продукт на въртящ момент и обороти в минута. Двигателят с по-високи обороти може да бъде насочен, за да осигури по-голямо налягане напред на колелата. Двигателят с по-високи обороти, с по-малък въртящ момент, има повече конски сили.

Ако забележите, ET калкулаторите не искат въртящ момент. Това е така, защото въртящият момент не определя количествено способността за извършване на работа. ET калкулаторите искат конски сили, тъй като конските сили ясно определят способността за работа.

Джаулите са друга често срещана мярка за способност за работа. Джаулът включва както време, така и сила (натиск). Един джаул е една вата секунда или еквивалентът на един ват, прилаган за една секунда. Един джаул може да бъде 10 вата, приложени за 1/10 от секундата (10 * 1/10 = 1), произведението на времето и силата трябва да бъде само ЕДНА вата секунда, за да се получи един джаул. Ако приложим ДВА вата за 1/2 секунда, имаме същата работа. Два вата за 1/2 секунда е един джаул (2 * 1/2 = 1).

Конските сили могат да бъдат посочени и в киловати. Една конска сила е приблизително 0,7457 киловата, или 745,7 вата (точната стойност е 0,745699872 киловата). Това означава, че 746 вата за една секунда са 746 джаула и това е една конска сила в секунда! Един киловат е 1,391 конски сили.

Много европейски двигатели се оценяват в киловати вместо в конски сили, вероятно сте виждали това. Двигателят с мощност от 300 конски сили ще бъде около 223,7 киловата. Къщата ви вероятно консумира между 2 и 5 киловата средна мощност, в зависимост от това колко е голяма и как отоплявате или охлаждате. Това е някъде между 2-1/2 до 7 конски сили със средна мощност. Помислете какво би се случило с електропреносната мрежа, ако преобразуваме всичките си автомобили и камиони, както искат гърците, да работят с електричество! Много бързо щяхме да останем без ток.

Колко джаула са в 1492 вата, когато се прилагат за 1/2 секунда? 1/2 по 1492 или 746 джаула! 746 джаула е една конска сила секунда. Бихме могли да оценим двигателите си в джаули, ако трябва да включим както мощност, така и време.

Конски сили и ускорение

Знаем, че конските сили сами по себе си не са мярка за полезни резултати от работата, трябва да знаем времето, когато определена конска сила е приложена (или премахната), за да знаем как влияе на ускорението. За щастие има калкулатори за конски сили, които предсказват ET за дадена мощност. Тези калкулатори работят, защото знаят разстоянието, познават приложената конска сила (предполагат, че е постоянна) и оттам могат да изчислят скоростта и изминалото време. Те правят това, защото приемат, че мощността се прилага постоянно и изчисляват промяната на скоростта във времето. От скоростта и времето те получават разстоянието. Когато видят 1/4 мили (или 1/8 миля), спират да изчисляват и показват скоростта и времето, необходимо за достигане на тази скорост и разстояние.

Сега е интересно нещо. Необходим е определен брой конски сили-секунди (приложена определена енергия), за да се достигне определена скорост за дадено тегло. Ако направим превозното средство два пъти по-тежко, отнема два пъти повече конски сили-секунди (два пъти повече енергия), за да се движи със същата скорост.

Например отидете на тази връзка:

Сега нека приложим 100 к.с., за да преминем 1/4 мили в 1000-килограмово превозно средство. Изминахме 108,6 MPH за 12,55 секунди. Сега да кажем, че имаме кола от 2000 паунда. За да имаме еднаква скорост и време, трябва да удвоим приложената сила. Ако приложим 200 к.с. в нашата кола с тегло от 2000 паунда, имаме абсолютно същите ET и MPH! Сега знаем защо застрахователните компании, в края на 60-те, често ограничават застраховката до автомобил със съотношение 10: 1 тегло към конски сили или повече. Те не се интересуваха дали това е Super Bee Dodge от 4 400 паунда с хеми от 425 к.с. или 315 к.с. 3200 паунда Hurst Rambler Scrambler, застрахователните компании искаха тегло над 10: 1 или не можете да си купите застраховка. 10: 1 тегло-конски сили е в най-добрия случай 108,6 MPH при 12,55 секунди кола! My American Motors 10: 1 Weight-HP Hurst S/C Rambler, като документиран факт, постави нов национален рекорд на ET от 12,54 секунди на 1/4 мили около 1970 г.

Да предположим, че искаме да променим въртящата се маса на задвижващия вал, за да подобрим мощността на задните колела. Всички знаем, че по-голямата част от тежестта на задвижващия вал е на външния ръб. Това е куха тръба. Да приемем, че оригиналният вал е тежал 30 паунда и искаме да го сменим с алуминиев вал с 15 паунда. Задвижващият вал е с диаметър 3,5 инча.

Можем да отидем на друг калкулатор, за да намерим джаулите, съхранени в задвижващия вал! Когато познаваме джаулите, знаем колко са изминали секундите от преместването на колата. Да предположим, че двигателят достига върхове при 6000 оборота в минута в края на 1/4 мили и това отне 13 секунди.

Отидете на този калкулатор:

Оригиналният карданен вал тежеше 30 килограма и трябваше да го завъртим до 6000 оборота в минута. Ако въведем това, виждаме, че е изразходвало (и съхранило) 5310 джаула. 480 унции в пръстен с диаметър 3,5 инча (кух център) и 6000 оборота в минута.

Това е 5310/746 = 7,12 конски сили-секунди за завъртане на вала до 6000. Тъй като времето беше 13 секунди, валът попи 0,548 конски сили, разпределени през тези 13 секунди.

Сега преминаваме към алуминиевия вал. Всичко е същото, с изключение на теглото, сега е 15 паунда или 240 унции. Използвайки този калкулатор на маховика, установихме, че сме използвали 2655 джаула. Това е 2655/746 = 3,56 конски сили-секунди. За 13 секунди „съхранихме“ .274 конски сили. Нетната печалба в наличната енергия за 13 секунди беше около 1/4 конски сили.

Ето истинското правило как става това.

Ако въртим маса с много голям диаметър или много тежка маса и го правим бързо, жертваме много налична мощност. Ако въртим маса с много малък диаметър, особено за по-дълъг период от време, ние се отказваме по-малко енергия във всеки един момент.

Промяната от алуминиев маховик към стоманен маховик е много по-изразена от промяната на същото тегло в карданен вал, тъй като алуминиевото колело е с много по-голям диаметър. Ние също ускоряваме и забавяме маховика, докато ускоряваме и превключваме, вместо плавно да въртим нещото като карданен вал.

Истината е за драг състезанията, освен ако нямаме ужасно бърз автомобил или автомобил за състезания по пътищата, където трябва незабавно да сменим мощността, алуминиевото колело едва прави забележима промяна върху стоманен маховик. Алуминиевото колело всъщност може да бъде по-бавно в автомобила с плъзгане, тъй като приложената мощност не е толкова гладка. По-трудно е да извадите лек алуминиев маховик от отвора и това лесно може да компенсира всяка малка промяна на „наличната мощност“.

Обобщение

Това е приближение, предназначено да ви даде разумно усещане за това как промяната в въртящата се маса влияе на ускорението. Можем да видим, че мощността, извлечена за въртене на тежест, не е много голяма, ако не я завъртим твърде бързо или ако това, което въртим, не е много тежко и/или много голямо в диаметър. „Усещането“, за което повечето хора се придържат (и папагал) е, че „по-тежката въртяща се маса убива ускорението“. Това обикновено не е вярно за големите тежки автомобили, въпреки че може да е истина. Повечето неща, за които се тревожим, не оказват значителна разлика в голямата схема на нещата. Никога не бих си направил труда да премина от стоманен на алуминиев кардан в колата си, защото колата ми отнема 11 секунди, за да премине 1/4 мили. Колата тежи 3000 паунда и това означава, че може да спестя 20 паунда тегло и 1/2 конски сили, загубени, за да завъртя това тегло по дължината на пистата. $ 400 изобщо не е добра инвестиция за 1/2 конски сили по дължината на пистата или допълнителните 1/2 конски сили, приложени за 11 секунди, които трябва да извлека в края и да преобразувам обратно в отопление със спирачките си.

Всъщност не трябва да се притеснявам колко бързо се въртят нещата в този момент. Не ме интересува дали манивелата е с 12 килограма по-лека от 50 килограма. Не ме интересува дали задвижващият вал е с 15 паунда по-лек от 30 паунда! Точно сега, че $ 400 до $ 1000 ще отидат много по-далеч, ако направят още 20 конски сили на двигателя или премахнат 60 килограма статично тегло. Когато започна да ми свършва лесното захранване, тогава ще похарча пари, правейки скъпите неща по-леки. Големият проблем в момента е сцеплението, така че точно сега искам да изгладя захранването. Последното нещо, от което се нуждая, е да направя колата по-критична за стартиране на оборотите в минута, като използвам по-лек маховик или шокирам гумите повече, като използвам по-лек кардан. Първото голямо намаляване на теглото ще бъдат предните K елементи, защото това би премахнало теглото отпред и ефективно добавило по-голям процент от теглото към задните колела! Последното намаляване на теглото за моята кола ще бъде алуминиев маховик или полуоска.