Соотношение мощности и веса

Отношение мощности к весу (PWR, также называемое удельной мощностью или отношением мощности к массе) — это расчет, обычно применяемый к двигателям и мобильным источникам энергии, позволяющий сравнить один агрегат или конструкцию с другим. Отношение мощности к весу — это показатель фактической производительности любого двигателя или источника энергии. Он также используется для измерения характеристик транспортного средства в целом, при этом выходная мощность двигателя делится на вес (или массу) транспортного средства, чтобы получить показатель, не зависящий от размера транспортного средства. Производители часто указывают соотношение мощности к весу по пиковому значению, но фактическое значение может меняться в процессе использования, и эти изменения будут влиять на производительность.

Обратное отношение мощности к весу, соотношение веса к мощности (силовая нагрузка) — это расчет, обычно применяемый к самолетам, автомобилям и транспортным средствам в целом, чтобы обеспечить сравнение характеристик одного транспортного средства с другим. Отношение мощности к весу равно тяге на единицу массы, умноженной на скорость любого транспортного средства.

Отношение мощности к весу (удельная мощность) определяется как мощность, вырабатываемая двигателем(ами), деленная на массу. В этом контексте термин «вес» можно считать неправильным, поскольку в просторечии он относится к массе. В условиях невесомости (невесомости) соотношение мощности к весу не будет считаться бесконечным.

Типичный дизельный двигатель V8 с турбонаддувом может иметь мощность 250 кВт (340 л.с.) и массу 380 кг (840 фунтов), что дает соотношение мощности к весу 0,65 кВт/кг (0,40 л.с./фунт).

Примеры высокой удельной мощности часто можно встретить в турбинах. Это связано с их способностью работать на очень высоких скоростях. Например, в главных двигателях космического корабля «Шаттл» использовались турбонасосы (машины, состоящие из насоса, приводимого в движение турбинным двигателем) для подачи топлива (жидкого кислорода и жидкого водорода) в камеру сгорания двигателя. Оригинальный турбонасос на жидком водороде по размеру аналогичен автомобильному двигателю (весом примерно 352 кг (775 фунтов)) и производит 72 000 л.с. (54 МВт) при соотношении мощности к весу 153 кВт/кг (93 л.с./фунт). .

В классической механике мгновенная мощность — это предельное значение средней работы, совершаемой за единицу времени, когда временной интервал Δt приближается к нулю (т.е. производная по времени совершения работы).

Обычно используемая метрическая единица соотношения мощности к весу — ${\displaystyle {\tfrac {\text{W}}{\text{kg}}}\;}$, что равно ${\displaystyle {\tfrac {{\text{m}}^{2}}{{\text{s}}^{3}}}\;}$ . Этот факт позволяет выразить удельную мощность исключительно в базовых единицах СИ. Отношение мощности к весу транспортного средства равно ускорению, умноженному на скорость; поэтому при удвоенной скорости он испытывает половину ускорения при прочих равных условиях.

Если совершаемая работа представляет собой прямолинейное движение тела с постоянной массой ${\displaystyle m\;}$, центр масс которого необходимо ускорить по (возможно, непрямолинейной) ) линия со скоростью ${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$ и углом ${\displaystyle \phi \;}$ относительно центра и радиально от гравитационного поля бортовой силовой установкой, то соответствующая кинетическая энергия равна

где:

Принцип работы-энергии гласит, что работа, совершенная объектом за определенный период времени, равна разнице его полной энергии за этот период времени, поэтому скорость выполнения работы равна скорости изменения кинетическая энергия (при отсутствии изменения потенциальной энергии).

Работа, совершаемая от момента времени t до момента времени t + Δt вдоль пути C, определяется как линейный интеграл ${\displaystyle \int _{C}\mathbf {F} \cdot d\mathbf {x} =\int _{t}^{t+\Delta t}\mathbf {F} \cdot \mathbf {v} (t)dt}$, поэтому фундаментальная теорема исчисления гласит, что мощность определяется выражением ${\displaystyle \mathbf {F} (t)\cdot \mathbf {v} (t)=m\mathbf {a} (t)\cdot \mathbf {v} (t)=\mathbf {\tau } (t)\cdot \mathbf {\omega } (t)}$.

где:

При движении мощность передается только в том случае, если силовая установка находится в движении, и передается, чтобы привести тело в движение. Обычно предполагается, что механическая трансмиссия позволяет силовой установке работать с максимальной выходной мощностью. Это предположение позволяет при настройке двигателя менять ширину диапазона мощности и массу двигателя на сложность и массу трансмиссии. Электродвигатели не страдают от этого компромисса, вместо этого обменивая свой высокий крутящий момент на тягу на низкой скорости. Тогда преимущество в мощности или отношение мощности к весу

где:

Полезную мощность двигателя с выходной мощностью на валу можно рассчитать с помощью динамометра для измерения крутящего момента и скорости вращения, при этом максимальная мощность достигается, когда крутящий момент, умноженный на скорость вращения, является максимальным. Для реактивных двигателей полезная мощность равна скорости полета самолета, умноженной на силу, известную как чистая тяга, необходимая для того, чтобы он двигался с этой скоростью. Он используется при расчете двигательной эффективности.

Тепловая энергия состоит из молекулярной кинетической энергии и энергии латентной фазы. Тепловые двигатели способны преобразовывать тепловую энергию в виде температурного градиента между горячим источником и холодным стоком в другую желаемую механическую работу. Тепловые насосы используют механическую работу для регенерации тепловой энергии в температурном градиенте. При интерпретации того, как тяговая мощность реактивного или ракетного двигателя передается его транспортному средству, следует использовать стандартные определения.

Электродвигатель использует электрическую энергию для выполнения механической работы, обычно посредством взаимодействия магнитного поля и проводников с током. В результате взаимодействия механической работы на электрическом проводнике в магнитном поле может быть получена электрическая энергия.

Жидкости (жидкость и газ) можно использовать для передачи и/или хранения энергии с использованием давления и других свойств жидкости. Гидравлические (жидкостные) и пневматические (газовые) двигатели преобразуют давление жидкости в другую желательную механическую или электрическую работу. Жидкостные насосы преобразуют механическую или электрическую работу в движение или изменение давления жидкости или ее хранение в сосуде под давлением.

Различные эффекты могут быть использованы для создания термоэлектричества, термоионной эмиссии, пироэлектричества и пьезоэлектричества. Электрическое сопротивление и ферромагнетизм материалов могут быть использованы для создания термоакустической энергии из электрического тока.

Все электрохимические аккумуляторы выдают переменное напряжение по мере того, как их химический состав меняется от «заряженного» к «разряженному». Номинальное выходное напряжение и напряжение отсечки обычно указываются для батареи ее производителем. Выходное напряжение падает до напряжения отсечки, когда аккумулятор «разряжается». Номинальное выходное напряжение всегда меньше напряжения холостого хода, возникающего при «зарядке» аккумулятора. Температура батареи может влиять на мощность, которую она может обеспечить, поскольку более низкие температуры снижают мощность. На общий объем энергии, получаемой за один цикл зарядки, влияет как температура аккумулятора, так и мощность, которую он подает. Если температура снижается или потребность в электроэнергии увеличивается, общая энергия, подаваемая в точку «разряда», также уменьшается.

Профили разряда батареи часто описываются с точки зрения емкости батареи. Например, батарея с номинальной емкостью, указанной в ампер-часах (Ач), при номинальном токе разряда C/10 (выраженном в амперах) может безопасно обеспечивать более высокий ток разряда – и, следовательно, более высокое соотношение мощности к весу – но только с меньшей энергоемкостью. Поэтому соотношение мощности к весу батарей менее значимо без учета соответствующего соотношения энергии к весу и температуры элемента. Это соотношение известно как закон Пейкерта.

Конденсаторы накапливают электрический заряд на двух электродах, разделенных полуизолирующей (диэлектрической) средой электрического поля. Электростатические конденсаторы имеют плоские электроды, на которых накапливается электрический заряд. Электролитические конденсаторы используют жидкий электролит в качестве одного из электродов, а эффект двойного электрического слоя на поверхности границы диэлектрик-электролит увеличивает количество заряда, запасаемого на единицу объема. Электрические двухслойные конденсаторы расширяют оба электрода нанопористым материалом, таким как активированный уголь, чтобы значительно увеличить площадь поверхности, на которой может накапливаться электрический заряд, уменьшая диэлектрическую среду до нанопор и очень тонкого сепаратора с высокой диэлектрической проницаемостью.

Хотя конденсаторы, как правило, не так чувствительны к температуре, как батареи, они значительно ограничены по емкости и без прочности химических связей страдают от саморазряда. Отношение мощности к весу конденсаторов обычно выше, чем у батарей, поскольку единицы переноса заряда внутри ячейки меньше (электроны, а не ионы), однако соотношение энергии к весу, наоборот, обычно ниже.

Топливные и проточные элементы, хотя и используют химический состав, аналогичный батареям, не содержат носителя энергии или топлива. При непрерывном потоке топлива и окислителя доступные топливные элементы и проточные элементы продолжают преобразовывать среду хранения энергии в электроэнергию и отходы. Топливные элементы явно содержат фиксированный электролит, тогда как проточные элементы также требуют непрерывного потока электролита. В проточных ячейках топливо обычно растворено в электролите.

Соотношение мощности к весу транспортных средств обычно рассчитывается с использованием снаряженной массы (для автомобилей) или сырой массы (для мотоциклов), то есть без учета веса водителя и любого груза. Это может немного вводить в заблуждение, особенно в отношении мотоциклов, где водитель может весить от 1/3 до 1/2 веса самого автомобиля. В соревновательном велоспорте результаты спортсменов все чаще выражаются в VAM и, следовательно, в соотношении мощности к весу в Вт/кг. Это можно измерить с помощью велосипедного измерителя мощности или рассчитать на основе измерения угла подъема дороги и времени, затраченного гонщиком на подъем.

Локомотив обычно должен быть тяжелым, чтобы иметь достаточное сцепление с рельсами, чтобы можно было запустить поезд. Поскольку коэффициент трения между стальными колесами и рельсами в большинстве случаев редко превышает 0,25, улучшение удельной мощности локомотива часто бывает контрпродуктивным. Однако выбор системы передачи мощности, например, привода с регулируемой частотой или привода постоянного тока, может обеспечить более высокое соотношение мощности к весу за счет лучшего управления движущей силой.

Большинство транспортных средств спроектированы с учетом требований комфорта пассажиров и перевозки грузов. В конструкции транспортных средств оптимальное соотношение мощности к весу для повышения комфорта, грузового пространства, экономии топлива, контроля выбросов, энергетической безопасности и долговечности. Уменьшенное лобовое сопротивление и более низкое сопротивление качению в конструкции транспортного средства могут способствовать увеличению грузового пространства без увеличения удельной мощности (нулевого груза). Это повышает ролевую гибкость автомобиля. Соображения энергетической безопасности могут заключаться в компромиссе между мощностью (обычно уменьшенной) и весом (обычно увеличенным), а, следовательно, и соотношением мощности к весу, в пользу гибкости использования топлива или гибридизации трансмиссии. В некоторых вариантах внедорожников и практичных автомобилей, таких как горячие хэтчбеки и внедорожники, мощность (обычно увеличенная) и вес изменяются, чтобы обеспечить восприятие спортивного автомобиля как производительности или для получения другой психологической выгоды.

Необходимо учитывать повышенную мощность двигателя, а также другие особенности, присущие автомобилям класса люкс. Продольные двигатели распространены. Кузова варьируются от горячих хэтчбеков, седанов (седанов), купе, кабриолетов и родстеров. Мотоциклы двойного спорта и круизеры среднего класса, как правило, имеют одинаковое соотношение мощности и веса.

Соотношение мощности и веса является важной характеристикой автомобиля, влияющей на ускорение спортивных автомобилей.

Винтовые самолеты зависят от высокого отношения мощности к весу, чтобы создать достаточную тягу для достижения устойчивого полета, а затем и для скорости.

Реактивные самолеты создают тягу напрямую.

Соотношение мощности и веса важно в велоспорте, поскольку оно определяет ускорение и скорость при подъеме на гору. Поскольку соотношение мощности к весу велосипедиста уменьшается с усталостью, это обычно обсуждается с учетом продолжительности времени, в течение которого он или она сохраняет эту мощность. Профессиональный велосипедист может производить более 20 Вт/кг (0,012 л.с./фунт) максимум за пять секунд.