Часто вижу в технических и не очень спорах броские фразы про мощность и крутящий момент, основанные на довольно туманных, хотя и логичных выводах, возникающих у любого мыслящего человека, читавшего когда-либо обзоры, смотревшего передачи или просто слышавшие краем уха о характеристиках моторов.

Пребывая в хорошем расположении духа и отвечая на одно из таких высказываний, сам не заметил как накатал немаленькую простыню, заслуживающую местечко в блоге. Формулы, выводы теорем, таблицы, графики и испытания болидов из личного гаража в рамках защиты докторской…

Основы

мощность — это кол-во преобразованной энергии за единицу времени. другими словами — скорость преобразования энергии (в нашем случае — энергии химических связей топлива в энергию полета рычащего сотоны к закату).
сила — ускорение, сообщенное единице массы. Величина, с которой мы изменяем скорость объекта определенной массы за единицу времени. Если объект будет вдвое тяжелее, то и толкать его придется вдвое сильнее, чтобы сообщать ему такое же ускорение.
крутящий момент (он же Момент Силы) — вращательный вариант силы. Когда вы давите на педаль велосипеда, вы прикладываете к ней силу, но тем самым прикладываете и момент силы к оси вращения педалей. Для крутящего момента справедлив принцип рычага: для приложения момента к оси, чем длиннее плечо (длина шатуна педали), тем меньшую силу необходимо сообщать педали, но при этом педаль будет проделывать больший путь.

Чтобы объяснить связь мощности и силы, рассмотрим пример — все когда-то крутили дворовую карусель. Наверняка ведь замечали, что вращение карусели, которая крутится медленно, легко ускорить — достаточно просто с силой толкнуть. Но если она уже крутится быстро, то дальше ее раскручивать уже трудно: рукой просто не удается махнуть достаточно быстро, чтобы передать карусели силу, которая у нас вроде как есть. Для того чтобы продолжать раскручивать ее дальше (т.е. прилагать к ней ту же силу), нам уже необходимо тратить больше энергии.
 

• мощность = скорость * сила

 
… или, если рассматривать движение как вращение:

• мощность = крутящий момент * частота вращения * 2PI

 

Про моторы

Мощность выдаваемая двигателем на вал при определенных оборотах строго равна крутящему моменту, сообщаемому двигателем на вал, умноженному на частоту оборотов этого вала с коэффициентом 2PI.

• мощность на валу = крутящий момент на валу * частота вращения вала * 2PI

 
Дальше усилие передается через систему передач (коробка, редуктор, цепь и т.д.), где преобразуется по принципу «рычага» (больше сила — меньше амплитуда и наоборот), а также безвозвратно теряет часть себя из-за потерь на трении в узлах
 

• крутящий момент на колесе = крутящий момент на валу двигателя * КПД трансмиссии * передаточное отношение (крутящий момент увеличивается из-за большого передаточного отношения)
• частота вращения колеса = частота вращения вала двигателя / передаточное отношение (частота вращения в итоге уменьшается — цена увеличения крутящего момента)

(на более низких «передачах» передаточное отношение больше, на более высоких — меньше)
 
Частота вращения с обоих сторон сокращается и получаем что мощность на колесе отличается от мощности на моторе только из-за КПД трансмиссии, в то время как момент на колесе может сильно быть разным из-за разных передаточных отношений.
 

• мощность на колесе / (частота вращения колеса * 2PI)  = мощность на валу двигателя / (частота вращения вала двигателя * 2PI) * КПД трансмиссии * передаточное отношение

 
Теперь перейдем к главному результату работы инженеров — силы на заднем колесе:

• cила = крутящий момент на колесе / радиус колеса

(крутящий момент на колесе = мощность на колесе / (частота вращения колеса * 2PI))

• cила = мощность на колесе / (частота вращения колеса * 2PI) / радиус колеса

(скорость = частота вращения колеса * радиус колеса * 2PI) 
(частота вращения колеса = скорость / радиус колеса / 2PI)

• cила = мощность на колесе / (скорость / радиус колеса / 2PI) * 2PI / радиус колеса
• cила = мощность на колесе / скорость * радиус колеса / радиус колеса
• cила = мощность на колесе / скорость

(мощность на колесе = мощность на валу двигателя * КПД трансмиссии)

• cила = мощность на валу двигателя * КПД трансмиссии / скорость

 
Получаем:

• cила, толкающая землю назад = мощность на валу двигателя * КПД трансмиссии / скорость вращения земли назад

или

• cила, толкающая землю назад = крутящий момент на валу двигателя * частота вращения вала двигателя * КПД трансмиссии / скорость вращения земли назад

Что абсолютно одно и то же.
 
Обратите внимание, что мощность и крутящий момент двигателя, упомянутые выше — это мощность и крутящий момент конкретно сейчас — при текущей скорости, выбранной передаче, частоте вращения двигателя и положения ручки газа.

Характеристики же, указываемые в спеках — это максимально достижимые (по мнению изготовителя) значения. Причем в нормальных спеках всегда как минимум указано, на каких именно оборотах возможно их достижение — отдельно для мощности и отдельно для крутящего момента.

Обороты VS тяга

Так уж исторически и технически сложилось, что на ДВС, настроенных на тягу, отношение мощности к крутящему моменту выше чем на оборотистых движках. Например у VTX1800 макс момент 163 (при 3000 об/мин), а макс мощность 107 (5000), в то время как у близкого по максимальной мощности CBR600F макс момент 64 (10500), а мощность 102 (12000). Но! Небольшой момент двигателя сибера легко конвертировать в большой, поставив редуктор и получив больший момент с меньшей частотой вращения. На самом деле именно это и происходит: когда спорт и кубатурный круизер, решившие прострелить кто быстрее, на долю секунды поравняются в ускорении, крутящий момент на их колесах будет отличаться только из-за разницы в весе и обтекаемости, но не из-за характеристик мотора.

Дело тут в другом:
У «оборотистых» двигателей доступный крутящий момент (и мощность соответственно — она же жестко связана с моментом) двигателя растет примерно линейно с ростом оборотов — максимальный момент доступен близко к максимальным оборотам, а средний момент доступен примерно на средних оборотах.
У «тяговитых» двигателей доступный крутящий момент растет более «выпукло» — на своих средних (а иногда даже низких) оборотах он уже близок к максимальному или достигает максимума, а дальше плавно понижается. Это не является следствием большого крутящего момента — и то и другое лишь следствия параметров мотора (фазы газораспределения, перекрытие, и т.д.).

Если у тягового двигателя будет максимальная мощность такая-же, как у оборотистого, то достигать ее он будет на меньших оборотах.
 

• Меньшие обороты + такая-же мощность = больший момент в зоне максимальной мощности

 
А на круизерских витвинах тяговитость обычно настолько ярко выражена, что они имеют максимальный крутящий момент ощутимо выше чем у намного более мощных оборотистых моторов.

Но т.к. это все сложновато для указания в источниках для широкой публики (кому это вообще интересно?), указывают просто момент и мощность, пользуясь мнемоничностью исторического совпадения отношений момента-мощности и тяговости-оборотистости двигателя.




Здесь только крутящий момент. Чтобы представить характер кривой мощности, просто мысленно умножьте Y каждой точки кривой момента на значение X этой же точки.

Кто побеждает гонки

В известной фразе про победу гонщиков над продажными лошадиными силами как раз и имеется ввиду преимущество раннего роста крутящего момента (и мощности соответственно) при одинаковых максимальных характеристиках.

Для примера сравним два автомобиля с близким весом, обтекаемостью и максимальной мощностью, но разным распределением мощности/момента по шкале тахометра:

Mazda 3 атмосферник 2.0: макс мощность 150 (6000) и макс момент 210 (4000).
Skoda Octavia турбо 1.8: макс мощность 152 (4300-6200) и макс момент 250 (1500-4200).

Видим что у шкоды максимальный крутящий момент достигается почти на самых низах и дальше идет ровной полкой.

Максимальная развиваемая мощность моторов одинаковая и достигается ближе к концу диапазона. но ведь при разгоне мы постоянно меняем обороты — сразу после включения следующей передачи нам еще нужно пробраться через средний диапозон. А в среднем диапазоне у более тягового мотора шкоды дури больше. Это мы и видим в заявленном разгоне до ста — шкода разменивает сотню за 8 секунд, тогда как мазда с «таким же кол-вом лошадок» — только за 10 секунд.

На самом деле, конечно, это не совсем верно что моторы с наддувом как-то особо тянут на низах. Моторы с наддувом вообще тянут. В «голом» и непридушенном виде они работают точно так же как атмосферники в полтора-два или более раз большего объема — его характеристики так же вздымаются по мере повышения оборотов. Просто производитель предпочитает программно выровнять характеристику мотора, обрезав мощность на верхах и середине, тем самым получая возможность оборудовать машину вполне обычными для данного объема трансмиссией и периферией, при этом оставив хорошую эластичность и влезая в экологические нормы.

В мототехнике наддув получил признание только в экзотических случаях вроде дрэг-рейсинга, да и вообще развитие моторов идет другим руслом, но суть отличий между характеристиками тяговых и оборотистых движков та же.

Итог

Из двух одинаковых по весу, геометрии, КПД трансмиссии и максимальной мощности мотора мотоциклов будет быстрее разгоняться тот, у которого мотор больше настроен на тягу, а оборотистый будет проигрывать. Но на деле, конечно, такие мотоциклы никогда не имеют одинаковый вес и обтекаемость: для достижения такой-же максимальной мощности, настроенный на тягу мотор должен иметь больший объем, чем оборотистый, а соответственно больший вес и габариты всего мотоцикла. К тому же, на мотоциклах с более тяговыми моторами обычно ставится трансмиссия с более низким КПД (кардан, демпферы) в угоду комфорту и долговечности, что еще более усугубляет различия. Поэтому в гонках более популярны двигатели, достигающие максимальных показателей ближе к максимальным оборотам. Зато настроенные на тягу на более низких оборотах двигатели отлично подходят тем, кому хочется реже щелкать передачами с минимальной потерей динамики.