دانشجویان مهندسی مکانیک شهرکرد

عبارت اسب بخار توسط جیمز وات(1819- 1736) ابداع شد. بیشتر شهرت او به خاطر کارهایش برای بهبود ماشین بخار است.همچنین ما هر وقت از لامپ های 100 واتی حرف می زنیم به یاد او می افتیم.


داستان از آن جا شروع شد که وات در یک معدن زغال سنگ با اسب هایی که زغال سنگ بلند می کردند کار می کرد و راهی می خواست تا بتواند در باره ی توان هر یک از این اسب ها صحبت کند.او دریافت که به طور میانگین، یک اسب معدن می تواند 22000 پوند-فوت (حدود 30 کیلوژول) کار را در یک دقیقه انجام دهد.سپس او این عدد را 50 درصد افزایش داد و اسب بخار را 33000 پوند-فوت (حدود 45 کیلوژول) انرژی در یک دقیقه قرار داد.این یک واحد دلخواه بود که پس از گذشت قرن ها،امروزه در خودرو ها،ماشین ها ی چمن زنی ، اره برقی ها و در بعضی جارو برقی ها به کار می رود.



مفهوم اسب بخار این است: به نظر وات،یک اسب می تواند در هر دقیقه 33000 پوند-فوت کار انجام دهد.پس اسبی را در نظر بگیرید که مانند شکل بالا در حال بالا کشیدن زغال از معدن است.اسبی که یک اسب بخار توان دارد می تواند 330 پوند(150 کیلوگرم) زغال را در مدت یک دقیقه 100 فوت(30 متر) بالا بکشد.و یا 33 پوند(15 کیلوگرم) را در یک دقیقه 1000 فوت(300 متر) و...

شما می توانید ترکیب های متفاوتی از وزن و جابه جایی در یک دقیقه را در نظر بگیرید و تا زمانی که حاصل ضرب آنها 33000 شود،یک اسب بخار خواهید داشت.

ممکن است فکر کنید نمی توان 33000 پوند(15 تن) زغال را در یک سطل ریخت و از اسب خواست آن را در مدت یک دقیقه،1 فوت (30 سانتی متر) جا به جا کند چون اسب نمی تواند چنین بار سنگینی را تکان دهد.همچنین ممکن است فکر کنید نمی توان 1 پوند(450 گرم) زغال را در یک سطل گذاشت و از اسب خواست در مدت یک دقیقه آن را 33000 فوت(10 کیلومتر) جا به جا کند،زیرا در این حالت سرعت اسب باید 375 مایل در ساعت(603 کیلومتر در ساعت) باشد که ممکن نیست.اگر مطلب قرقره و طناب چگونه کار می کند را خوانده باشید،می دانید که با یک مجموعه از قرقره ها می توان نسبت جا به جایی و وزن را عوض کرد.پس می توان آرایشی از قرقره ها را درست کرد به نحوی که با سرعت و بار مناسب اسب هماهنگ باشد و مهم نیست چه باری در سطل است.

اسب بخار می تواند به واحد های دیگر هم تبدیل شود:

?یک اسب بخار برابر با 746 وات است.پس اگر یک اسب را به چرخی وصل کنیم تا آن را بچرخاند با آن چرخ می توان مولد برقی را به کار انداخت که 76 وات توان تولید می کند.

?انرژی حاصل از یک اسب بخار در مدت یک ساعت برابر 2545BTU است که هر BTU انرژی مورد نیاز برای بالا بردن دمای یک پوند آب به اندازه ی یک درجه ی فارنهایت است.

?یک BTU برابر 1055 ژول،یا 252 گرم-کالری ویا 252/0 کالری غذایی است.یک اسب احتمالا 641 کالری غذایی را در یک ساعت می سوزاند.



اندازه گیری اسب بخار:

اگر بخواهید توان یک موتور را بدانید،باید موتور را به یک توان سنج (Dynamometer) وصل کنید. توان سنج باری را روی موتور قرار می دهد و توانی را که موتور در برابر بار تولید می کند را اندازه می گیرد.

ایده ی طرز کار توان سنج را می توان به این صورت درک کرد:تصور کنید موتوری را روشن کردید.و بدون آنکه باری روی آن باشد پدال گاز را فشار می دهید.در این جالت موتور آن قدر سریع می چرخد که از هم می پاشد. که این مناسب نیست بنابراین با یک توان سنج باری را بر موتور قرار می دهید و باری را که موتور در دور های مختلف می تواند تحمل کند را اندازه می گیرید.باید توان سنجی را به موتور وصل کنید،گاز دهید و با توان سنج بار روی موتور را تغییر دهید تا دور موتور مثلا روی 7000 دور بر دقیقه ثابت بماند.و در این دور،باری را که موتور می تواند تحمل کند را ثبت می کنید. سپس بار را زیاد تر کنید تا دور موتور مثلا به 6500 کاهش یابد و دوباره بار متناظر با این دور را ثبت کنید.و به همین ترتیب ادامه دهید.همچنین می توانید همین کارها را از 500 و 1000 دور به بالا انجام دهید.چیزی که توان سنج اندازه می گیرد در واقع گشتاور پیچشی است و برای تبدیل آن به اسب بخار باید گشتاور را در دور موتور ضرب کنید.

رسم نمودار توان:

اگر نمودار توان یک موتور( بر حسب اسب بخار) در برابر دور موتور را رسم کنید ،چیزی که در نهایت به دست می آید منحنی توان موتور است.یک نمونه منحنی توان یک موتور با عملکرد بالا شبیه نمودار زیر است.(این منحنی مربوط به موتور 300 اسب بخاری میتسوبیشی دو توربوشارژره است)


چنین نموداری نشان می دهد که هر موتوری یک توان بیشینه دارد.(دور موتوری که در آن توان خروجی موتور بیشینه است).همچنین یک موتوردر یک دور خاص،گشتاور بیشینه ای دارد.شما معمولا چنین چیزی را در مجلات و نشریات می بینید: rpm 6500 hp@320 ، rpm5000lb-ft@ 290 (مربوط به 1999 Shelby Series 1)

وقتی می گویند موتوری گشتاورآخر پایینی دارد یعنی بیشینه ی گشتاور در دور موتورهای نسبتا پایین(مثلا 2000 یا 3000 دور) رخ می دهد.

چیز دیگری که در منحنی توان یک خودرو دیده می شود جایی است که توان بیشینه رخ می دهد.وقتی سعی می کنید به سرعت شتاب بگیرید می خواهید موتور را نزدیک توان بیشینه نگه دارید و به همین خاطر دنده را کم می کنید تا دور موتور زیاد شود و به توان بیشینه نزدیک شوید.وقتی می خواهید از پشت چراغ قرمز شروع به حرکت کنید گاز می دهید تا دور موتور بالا رود و به توان بیشینه نزدیک شوید آنگاه کلاچ را رها می کنید تا توان زیادی به چرخ ها منتقل شود.

توان در خودرو هایی با عملکرد بالا:

خودرویی با عملکرد بالا نامیده می شود که نسبت به وزنش توان زیادی داشته باشد.هرچه وزن بیشتر باشد توان بیشتری برای شتاب دادن به خودرو لازم است.برای توان مشخصی باید وزن را کاهش داد تا شتاب زیاد تر شود.

جدول زیر توان و وزن چند خودرو با عملکرد بالا (و یک خودرو با عملکرد پایین)را نشان می دهد.در این جدول می توانید توان بیشینه،وزن،نسبت توان به وزن،زمان لازم برای رسیدن سرعت از صفر به 60 مایل در ساعت(97 کیلومتر در ساعت) و قیمت خودرو را ببینید.


می توانید رابطه ی واضحی بین نسبت توان به وزن و زمان صفر تا 60 خودرو ببینید.معمولا نسبت بیشتر نشان دهنده ی خودرو ی سریع تر است.جالب است که رابطه ی کمتری بین سرعت و قیمت خودرو وجود دارد.به نظر می رسد دوج وایپردر این جدول قیمت خوبی دارد!

اگر خودروی سریع تری می خواهید در واقع نسبت توان به وزن بیشتری می خواهید پس اولین کار خالی کردن صندوق عقب است.