Co decyduje o osiągach - moc czy moment obrotowy?

Stwierdził on, że przyspieszenie (a) równe jest ilorazowi siły działającej na ciało (F) i jego masy (m). Dobrze znany wzór a=F/m jest kluczem do rozwiązania naszego problemu. Masa samochodu to m, ale czym będzie F?

Na przyspieszający samochód działa siła napędowa Fnap i przeciwnie zwrócona siła oporów ruchu Fop. Naszym F (liczonym w niutonach) będzie ich różnica. Przyspieszenie samochodu wyrażone w m/s^{2 można wyliczyć ze wzoru 1. Czasami przyspieszenie podaje się też w g, wtedy 1g=9,80665m/s}2.

Z siłą oporów ruchu nie ma problemu, to po prostu suma oporów powietrza i toczenia, ale skąd wziąć siłę napędową? Sposoby są dwa:

1. Trudniejszy: mnożąc moment obrotowy silnika w danej chwili przez przełożenie załączonego biegu oraz przełożenie przekładni głównej i dzieląc otrzymaną wartość przez promień dynamiczny koła. Dla porządku warto uwzględnić też sprawność mechaniczną układu przeniesienia napędu. Zależność opisuje wzór 2. Czym jest promień dynamiczny koła? To odległość od środka koła do nawierzchni podczas jazdy. Dość trudno go ocenić: opona ugina się pod ciężarem samochodu, ale jednocześnie działa na nią siła odśrodkowa - promień będzie nieco inny dla każdej prędkości.
2. Łatwiejszy: dzieląc po prostu moc silnika w danej chwili przez prędkość samochodu (wzór 3.). Wszystkie wartości należy  wprowadzać w jednostkach SI. Dla ułatwienia podam, że kontynentalny koń mechaniczny (KM lub PS) to 735,5W a angielski (HP) to 745,7W. Te drugie możecie spotkać np. oglądając Top Gear.

Celem tego tekstu nie jest zachęcanie nikogo do wielogodzinnego przesiadywania nad kalkulatorem. Zobaczmy co można uzyskać wykorzystując wcześniejsze zależności. Naszym obiektem do obserwacji będzie, 75-konny VW Golf IV 1.4. Charakterystyka silnika znajduje się na wykresie 1.

Potrzebujemy całego przebiegu mocy lub momentu, nie tylko ich maksymalnych wartości - podczas przyspieszania moc i moment bezustannie się zmieniają. Jeśli wykorzystamy wzór 2. lub 3. uzyskamy tak zwany wykres trakcyjny (wykres 2), czyli po prostu przebieg siły napędowej na poszczególnych biegach. Pozwoliłem sobie dorysować jeszcze krzywą (błękitną) oporów ruchu.

Tutaj jest dobry moment na kilka obserwacji:

• w miejscu gdzie krzywa siły napędowej przecina się z krzywą oporów ruchu samochód przestaje przyspieszać - mamy wtedy do czynienia z prędkością maksymalną,
• krzywe siły napędowej przypominają krzywą momentu obrotowego, więc gdybyśmy jeździli tylko na jednym biegu to powinniśmy przejmować się głównie przebiegiem momentu obrotowego,
• jeśli chcemy rozpędzić samochód jak najszybciej, to powinniśmy zmieniać biegi w miejscu przecięcia się krzywych siły napędowej lub ewentualnie nieco później by uwzględnić obniżenie prędkości podczas zmiany biegu; czasami krzywe \nie chcą się przeciąć\ - w takim przypadku zmiana powinna wystąpić tuż przed odcięciem zapłonu/wtrysku.

Narysowanie takiego wykresu wymaga nieco chęci. Na szczęście nie musimy go znać by określić optymalne punkty zmiany biegów. Nie bez powodu, poniżej narysowałem krzywe mocy w funkcji prędkości samochodu. Wystarczy zauważyć, że punkty przecięcia na obu wykresach wypadają przy tych samych prędkościach. Wniosek: zmiana biegu powinna być wykonywana przy takiej prędkości obrotowej aby moc przed i po zmianie była taka sama. Potrzebując najlepszego przyspieszenia poruszamy się w okolicach szczytu krzywej mocy silnika.

Na koniec wykorzystajmy wzór 1. - odejmując od krzywych sił napędowych krzywą oporów ruchu i dzieląc wynik przez masę samochodu otrzymamy taki oto wykres:

Jeśli zapomnimy o poślizgu kół to nasz poczciwy Golf uzyska na pierwszym biegu 5,5m/s^2 lub w innej jednostce 0,56g przyspieszenia. Przeciętnego (68kg) kierowcę wciśnie w fotel 38kG (374N).

Szukając więc samochodu o jak najlepszych osiągach, powinniśmy przede wszystkim zwrócić uwagę na wartość jego mocy maksymalnego oraz na kształt krzywej momentu obrotowego lub mocy silnika.