Соотношение мощности и веса

Отношение мощности к массе ( PWR ) (также называемое удельной мощностью или отношением мощности к массе ) - это расчет, обычно применяемый к двигателям и мобильным источникам энергии, чтобы можно было сравнить одно устройство или конструкцию с другим. Отношение мощности к массе - это измерение фактических характеристик 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 метрику, не зависящую от размера транспортного средства. Производители часто указывают максимальное значение удельной мощности, но фактическое значение может варьироваться в зависимости от использования, и изменения будут влиять на производительность.

Расчет, обратный соотношению мощности к массе и соотношению массы к мощности (нагрузка мощности), обычно применяется к самолетам, автомобилям и транспортным средствам в целом, чтобы можно было сравнить характеристики одного транспортного средства с характеристиками другого. Удельная мощность равна силе тяги на единицу массы, умноженной на скорость любого транспортного средства.

Удельная мощность (удельная мощность) [ править ]

Формула отношения мощности к весу (удельной мощности) двигателя (силовой установки) представляет собой мощность, вырабатываемую двигателем, деленную на массу. Вес в этом контексте - разговорный термин для обозначения массы . Чтобы убедиться в этом, обратите внимание, что то, что инженер подразумевает под «отношением мощности к весу» электродвигателя, не бесконечно в условиях невесомости.

Типичный дизельный двигатель V8 с турбонаддувом может иметь мощность 250 кВт (340 л.с.) и массу 380 кг (840 фунтов) ^{[1], что} дает ему удельную мощность 0,65 кВт / кг (0,40 л.с. / фунт).

Примеры высокого отношения мощности к массе часто можно найти в турбинах. Это из-за их способности работать на очень высоких скоростях. Например, главные двигатели космического корабля " Шаттл " использовали турбонасосы (машины, состоящие из насоса, приводимого в действие газотурбинным двигателем) для подачи топлива (жидкий кислород и жидкий водород ) в камеру сгорания двигателя. Первоначальный турбонасос на жидком водороде аналогичен по размеру автомобильному двигателю (весит примерно 352 кг (775 фунтов)) и выдает 72000 л.с. (54 МВт) ^[2] при удельной мощности 153 кВт / кг (93 л.с. /фунт).

Физическая интерпретация [ править ]

В классической механике мгновенная мощность - это предельное значение средней работы, выполненной за единицу времени, когда интервал времени Δ t приближается к нулю (т. Е. Производная по времени выполненной работы).

${\displaystyle P=\lim _{\Delta t\rightarrow 0}{\tfrac {\Delta W(t)}{\Delta t}}=\lim _{\Delta t\rightarrow 0}P_{\mathrm {avg} }={\frac {d}{dt}}W(t)\,}$

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

Движущая сила [ править ]

Если работа , чтобы сделать это прямолинейное движение тела с постоянной массой , чей центр массы должны быть ускорено вдоль (возможно , прямо) к скорости и углу относительно центра и радиальными из гравитационного поля А. Н. бортовой силовой установки , то соответствующая кинетическая энергия равна${\displaystyle m\;}$${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$${\displaystyle \phi \;}$

${\displaystyle E_{K}={\tfrac {1}{2}}m|\mathbf {v} (t)|^{2}}$

куда:

${\displaystyle m\;}$ это масса тела

${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$- скорость центра масс тела, изменяющаяся во времени.

Принцип работы-энергии гласит, что работа, проделанная с объектом за период времени, равна разнице в его общей энергии за этот период времени, поэтому скорость, с которой выполняется работа, равна скорости изменения кинетическая энергия (при отсутствии изменения потенциальной энергии).

Работа, проделанная от времени t до момента t + Δ t по пути C , определяется как линейный интеграл , поэтому основная теорема исчисления имеет силу, равную .${\displaystyle \int _{C}\mathbf {F} \cdot d\mathbf {x} =\int _{t}^{t+\Delta t}\mathbf {F} \cdot \mathbf {v} (t)dt}$${\displaystyle \mathbf {F} (t)\cdot \mathbf {v} (t)=m\mathbf {a} (t)\cdot \mathbf {v} (t)=\mathbf {\tau } (t)\cdot \mathbf {\omega } (t)}$

куда:

${\displaystyle \mathbf {a} (t)={\frac {d}{dt}}\mathbf {v} (t)\;}$- ускорение центра масс тела, изменяющееся во времени.

${\displaystyle \mathbf {F} (t)\;}$ это линейная сила или тяга, приложенная к центру масс тела, изменяющаяся со временем.

${\displaystyle \mathbf {v} (t)\;}$- скорость центра масс тела, изменяющаяся во времени.

${\displaystyle \mathbf {\tau } (t)\;}$это крутящий момент применяется на центр масс тела, меняется со временем.

${\displaystyle \mathbf {\omega } (t)\;}$это угловая скорость центра масс тела, меняется со временем.

В силовых установках мощность передается только в том случае, если силовая установка находится в движении, и передается, чтобы заставить тело двигаться. Здесь 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 трансмиссии и массу. Электродвигатели не страдают от этого компромисса, вместо этого они меняют свой высокий крутящий момент на тягу на низкой скорости. Тогда преимущество в мощности или отношение мощности к весу составляет

${\displaystyle {\mbox{P-to-W}}=|\mathbf {a} (t)||\mathbf {v} (t)|\;}$

куда:

${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$- линейная скорость центра масс тела.

Мощность двигателя [ править ]

Полезная мощность двигателя с выходной мощностью на валу может быть рассчитана 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 заставить его двигаться с такой скоростью. Используется при расчете тягового КПД .

Примеры [ править ]

Двигатели [ править ]

Тепловые двигатели и тепловые насосы [ править ]

Тепловая энергия складывается из молекулярной кинетической энергии и энергии скрытой 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 движущая сила реактивного или ракетного двигателя передается на его транспортное средство, следует использовать стандартные определения.

Электродвигатели и электродвигатели [ править ]

Электродвигатель использует электрическую энергию , чтобы обеспечить механическую работу , как правило , через взаимодействие с магнитным полем и токонесущих проводников . За счет взаимодействия механической работы с электрическим проводником в магнитном поле может генерироваться электрическая энергия .

Жидкостные двигатели и жидкостные насосы [ править ]

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

Термоэлектрические генераторы и электротермические приводы [ править ]

Для получения термоэлектричества , термоэлектронной эмиссии , пироэлектричества и пьезоэлектричества можно использовать множество эффектов . Электрическое сопротивление и ферромагнетизм материалов можно использовать для генерации термоакустической энергии из электрического тока.

Электрохимические (гальванические) и электростатические системы ячеек [ править ]

(Закрытые) батареи [ править ]

Все батареи с электрохимическими элементами выдают изменяющееся напряжение, поскольку их химический состав меняется от «заряженного» к «разряженному». Номинальное выходное напряжение и напряжение отключения обычно указываются для батареи ее производителем. Выходное напряжение падает до напряжения отсечки, когда аккумулятор «разряжается». Номинальное выходное напряжение всегда меньше, чем напряжение холостого хода, возникающее, когда аккумулятор «заряжен». Температура аккумулятора может влиять на мощность, которую он может выдать, тогда как более низкие температуры снижают мощность. Общая энергия, получаемая за один цикл зарядки, зависит как от температуры аккумулятора, так и от мощности, которую он выдает. Если температура понижается или увеличивается потребность в мощности, общая энергия, передаваемая в точке «разряда», также уменьшается.

Профили разряда батареи часто описываются с точки зрения коэффициента емкости батареи . Например, батарея с номинальной емкостью, выраженной в ампер-часах (Ач) при номинальном токе разряда C / 10 (измеренном в амперах), может безопасно обеспечивать более высокий ток разряда - и, следовательно, более высокое отношение мощности к весу - но только с меньшей энергоемкостью. Следовательно, отношение мощности к весу для батарей менее значимо без учета соответствующего отношения энергии к весу и температуры элемента. Эта связь известна как закон Пойкерта . ^[49]

Электростатические, электролитические и электрохимические конденсаторы [ править ]

Конденсаторы накапливают электрический заряд на двух электродах, разделенных полуизолирующей ( диэлектрической ) средой электрического поля . Электростатические конденсаторы имеют плоские электроды, на которых накапливается электрический заряд. В электролитических конденсаторах жидкий электролит используется в качестве одного из электродов, а двойной электрический слой воздействует на поверхность границы диэлектрик-электролит для увеличения количества заряда, накопленного на единицу объема. Двухслойные электрические конденсаторы удлиняют оба электрода нанопористым материалом, например активированным углем.для значительного увеличения площади поверхности, на которой может накапливаться электрический заряд, уменьшения диэлектрической среды до нанопор и очень тонкого сепаратора с высокой диэлектрической проницаемостью .

Хотя конденсаторы, как правило, не так чувствительны к температуре, как батареи, их емкость значительно ограничена, и они не обладают прочностью химических связей и страдают от саморазряда. Отношение мощности к массе конденсаторов обычно выше, чем у аккумуляторов, потому что единицы переноса заряда внутри элемента меньше (электроны, а не ионы), однако отношение энергии к массе, наоборот, обычно ниже.

Стопки топливных элементов и батареи проточных элементов [ править ]

Топливные элементы и проточные элементы , хотя, возможно, используют схожий химический состав с батареями, отличаются тем, что не содержат накопителя энергии или топлива . При непрерывном потоке топлива и окислителя доступные топливные элементы и проточные ячейки продолжают преобразовывать среду накопления энергии в электрическую энергию 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.

Фотогальваника [ править ]

Транспорт [ править ]

Соотношение мощности к весу для транспортных средств обычно рассчитывается с использованием снаряженной массы (для автомобилей) или собственной 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 транспортного средства. В соревновательном велоспорте результативность спортсмена все чаще выражается в VAM и, таким образом, в виде отношения мощности к весу в Вт / кг. Это можно измерить с помощью велосипедного измерителя мощности или рассчитать на основе измерения наклона дорожного подъема и времени наездника, чтобы подняться по нему. ^[99]

Коммунальная и практическая техника [ править ]

Большинство автомобилей спроектировано с учетом требований комфорта пассажиров и перевозки грузов. В различных конструкциях сочетается соотношение мощности и веса, чтобы повысить комфорт, грузовое пространство, экономию топлива , контроль выбросов , энергетическую безопасность и долговечность. Уменьшение лобового сопротивления и меньшее сопротивление качению в конструкции транспортного средства может способствовать увеличению грузового пространства без увеличения отношения мощности к весу (без груза). Это увеличивает ролевую гибкость автомобиля. Соображения энергетической безопасности могут компромиссы между мощностью (обычно уменьшенной) и массой (обычно увеличенной) и, следовательно, соотношением мощности к весу, для гибкости топлива или гибридизации трансмиссии.. Некоторые варианты универсальных и практичных транспортных средств, такие как хот-хэтчи и внедорожники, изменяют конфигурацию мощности (обычно увеличенной) и веса, чтобы обеспечить восприятие спортивного автомобиля как производительность или для другой психологической выгоды .

Локомотив обычно должен быть очень тяжелым для того , чтобы развить достаточную адгезию на рельсах , чтобы начать поезд. Поскольку коэффициент трения между стальными колесами и рельсами в большинстве случаев редко превышает 0,25, улучшение отношения мощности к весу локомотива часто является контрпродуктивным. Однако выбор системы передачи энергии, такой как частотно-регулируемый привод по сравнению с приводом постоянного тока , может поддерживать более высокое отношение мощности к массе за счет лучшего управления мощностью тяги.

Заметно низкое соотношение [ править ]

Общая сила [ править ]

Спортивная роскошь, родстеры и легкий спорт [ править ]

Следует учитывать повышенные характеристики двигателя, а также другие функции, связанные с автомобилями класса люкс . Продольные двигатели распространены. Кузова варьируются от хот-хэтчей , седанов (седанов) , купе , кабриолетов и родстеров . Средний уровень , двойной спорт и крейсер мотоциклов , как правило, имеют аналогичные коэффициенты мощности к весу.

Спортивные автомобили [ править ]

Отношение мощности к массе является важной характеристикой транспортного средства, которая влияет на ускорение спортивных автомобилей.

Самолет [ править ]

Винтовые самолеты зависят от высокого отношения мощности к массе для создания достаточной тяги для достижения устойчивого полета, а затем для быстрого полета.

Отношение тяги к весу [ править ]

Реактивный самолет производит тягу напрямую .

Человек [ править ]

Соотношение мощности и веса важно при езде на велосипеде, поскольку оно определяет ускорение и скорость во время подъемов на холм. Поскольку способность велосипедиста к выходному весу снижается с утомлением, это обычно обсуждается в отношении продолжительности времени, в течение которого он или она поддерживает эту мощность. Профессиональный велосипедист может производить более 20 Вт / кг (0,012 л.с. / фунт) за 5 секунд максимум. ^[259]

См. Также [ править ]

• Плотность энергии
• Мощность двигателя
• Пропульсивная эффективность
• Конкретный выход
• Отношение тяги к массе
• Метрики автомобиля
• Диаграмма Кармана – Габриэлли

Ссылки [ править ]