Эффективность автомобильных двигателей. Чему не учат на уроках физики

И чего не знают и не понимают преподаватели физики в школах и в вузах и даже академики РАН. Прочитайте, включив свою голову - и Вы станете чуточку умнее

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив

Настоятельно рекомендую взрослым, у которых есть дети - школьники и студенты, интересующиеся автомобильной техникой и физикой, поделиться этой статьёй со своими детьми, а детям, школьникам и студентам - со своими друзьями. Рекомендую задать возникшие вопросы по этой теме своим школьным учителям физики и преподавателям вузов - пусть попробуют ответить на них.

А если они не справятся, спрашивайте меня. Можно "по "мылу" d-pi@yandex.ru

ПЕРЕПОСТЫ СТАТЬИ ПРИВЕТСТВУЮТСЯ АВТОРОМ

Вновь процитирую английский школьный учебник по физике:

Перевод:

Мощность и движение

В физике бывают ситуации, когда к объекту нужно прикладывать постоянную силу, чтобы поддерживать его постоянную скорость. Хорошим примером этого является автомобиль, движущийся по ровной дороге с постоянной скоростью (рис. 2). Суммарная сила, действующая на автомобиль, равна нулю. Скорость работы, совершаемая поступательной силой, создаваемой двигателем автомобиля, равна скорости работы, совершаемой против сил трения, действующих на автомобиль. Можно рассчитать мощность P, развиваемую силой, создаваемой автомобилем.

И снова мы видим глупость:

P = F*V

Почему глупость?

Пару лет назад я провел простенький эксперимент, пока ездил на работу – по регистратору с GPS определил требуемую «движущую силу» для поддержания постоянной скорости для своей Астры (При желании прочесть - поищите эти статьи на канале "Не верь стереотипам"). Вот какие графики пассивного торможения у меня получились:

Пассивное торможение, если у Вас автомобиль «с ручкой», то есть с механической коробкой переключения передач, а не «велосипед» с АКПП и двумя педалями – «тормозом» и «газом», может быть в двух вариантах:

1. с размыканием сцепления (красные графики)

2. без размыкания сцепления (синие графики).

Когда мы сбросили газ, мы можем выжать сцепление, разъединив колёса с двигателем, и трение, препятствующее движению, будет возникать лишь в подшипниках ступиц, трансмиссии и коробке переключения передач (КПП) … а можем не выжимать, и тогда колёса вдобавок заставят вращаться коленвал и двигать сами поршни внутри цилиндров – то есть сопротивление движению явно увеличится.

Таким образом я получил уравнения замедления скорости автомобиля при движении по инерции (я немного подкорректирую начальную скорость и величину замедления):

для пассивного торможения с размыканием сцепления:

V₁ = V₀ - a₁ t = 18,0 (м/с) - 0,22 t (м/с^2)

для пассивного торможения без размыкания сцепления:

V₂ = V₀ - a₂ t = 18,0 - 0,40 t

Масса загруженного автомобиля, на котором проводился эксперимент, включая биологическую прокладку между водительским сидением и рулём – 1500 кг. Также из следствия второго закона Ньютона мы знаем, что F = ma. Поэтому мы можем определить силу торможения для обоих случаев.

F₁ = ma₁ = 1500×0,22 = 330 Н

F₂ = ma₂ = 1500×0,40 = 600 Н

То есть, если бы у рассматриваемого автомобиля не было двигателя, то для поддержания любой скорости до 60 км/час (а вообще говоря, даже на скоростях до 90...100 км/час сопротивление атмосферы можно не учитывать, как и возрастание сил трения в трансмиссии) ему вполне бы хватило тягового усилия в 330 ньютонов.

А если убрать трансмиссию, то, вероятно, и 280..300 ньютонов. А если убрать КПП, коробку переключения передач, то, возможно, всего 220…250 ньютонов. И что интересно - ведь в качестве тягового двигателя можно использовать и реактивный ракетный двигатель, а можно – электрические мотор-колёса, встроенные вместо ступиц.

Примем, что для поддержания такой же скорости с работающим двигателем внутреннего сгорания необходимо создавать движущую силу, которая трансформируется из вращательного момента ДВС в размере 300 ньютонов.

Как мы видим, часть этой «прибавки» тратится на шестерёнки и подшипники в сцеплении, а большую часть, практически половину создаваемой "движущей силы" "съедает" сам двигатель.

Есть над чем призадуматься, n’est pas (не так ли?)?

То есть более половины топлива (энергии) при движении автомобиля «бесполезно» расходуется на преодоление трения и изменение направления движения поршней в цилиндрах, сжатие и разряжение газов в цилиндрах. И подобная ситуация – у всех сотен миллионов дизельных, бензиновых, спиртовых, как частично в Бразилии и газовых, как частично в Российской Федерации автомобилей.

И что особенно интересно – при повышении скорости автомобиля расход топлива (энергии) неуклонно растёт, хотя по классическим законам Ньютона, по классической механике, должно быть совсем наоборот – при повышении скорости расход топлива на 100 км должен снижаться!!!

ОСТОЛОПЫ ТУТ ЖЕ ЗАВЕРЕЩАТ: ПОЧЕМУ при повышении скорости расход топлива на 100 км должен снижаться ?!!! Дело в том, остолопы не знают и не понимают основ физики, и потому, что преподают общую физику в школах и в вузах тоже остолопы.

РАЗЪЯСНЯЮ:

Давайте оснастим автомобиль не ДВС и не электродвигателем, а реактивным:

На самом деле такие автомобили встречаются и в реальных соревнованиях:

«Автомобиль»Thrust SSC, в 1997 году он превысил скорость звука и установил рекорд 1223,653 км/ч.

… и ездят автомобили на реактивных двигателях с довольно давних пор:

«Ракетный» автомобиль The Blue Flame, старичок из 1970-ых.

Так вот: когда мы имеем дело с реактивным двигателем, то картина становится совершенно очевидной – чем больше тяга реактивного двигателя, тем выше ускорение. А если необходимо поддерживать какую-то постоянную скорость, то необходимо, чтобы тяга двигателя F_тяги = сумме всех сил сопротивления движению.

То есть – если установить реактивный двигатель на Opel Astra, и пренебречь изменением её массы и расходом топлива, то, для поддержания ЛЮБОЙ скорости вплоть до 80-100 км/час необходимо, чтобы этот реактивный двигатель выдавал тягу, ну, как мы уже договорились в 300 Н.

Лучшие ракетные реактивные двигатели (РД-180, РД-193) обладают удельным импульсом (эффективность реактивного двигателя, характеризует расход ракетного топлива на единицу тяги в единицу времени) немногим более 300 ньютонов тяги * секунду / ньютон веса топлива. То есть, сжигая 102 грамма керосина с жидким кислородом в секунду, реактивные двигатели с аналогичными характеристиками удельного импульса обеспечат постоянную тягу в 300 Н, необходимую для поддержания скорости Астры.

Тогда при скорости 10 км/час для преодоления дистанции в 100 км Астре потребуется 10 часов и, соответственно 10 часов * 3600 * 102 грамма = 3,67 тонны топлива с окислителем, при скорости 50 км/час – 2 часа * 3600 * 102 грамма = 734 кг топлива и при скорости 100 км/час – «всего-навсего» 367 кг.

Таким образом при повышении скорости движения мы получаем существенную экономию топлива, причем во всех этих случаях реактивный двигатель работает с совершенно одинаковой отдачей – потребляет по 102 грамма керосиново-окислительной смеси и выдает «на гора» необходимые 300Н тяги. И как быть в таком случае с «классической» формулой мощности P = F*V?

Подспудно даже остолопы понимают, что "мощь" (тяга) реактивного двигателя не меняется, но, согласно формуле из школьного учебника физики, "мощность" увеличивается аж в 10 раз при движении со скоростью 100 км/час относительно движения со скоростью 10 км/час.

В этом и заключается основная глупость нынешней школьной физики, доставшейся нам в наследство от учёных XVII века. Но проблема в том, что на защите ошибочных догматов физики 400-летней давности стоят остолопы-академики из РАН.

(Подсказка – для реактивных ракетных двигателей такое понятие как «мощность двигателя» и «КПД двигателя» специалистами вообще нигде не используется. Используются величины «тяга», которая как раз и характеризует некую «мощь» двигателя и «удельный импульс» - эффективность, или, другими словами, коэффициент полезного действия)

Разумеется, большую часть топлива в ракетном реактивном двигателе на керосине занимает жидкий кислород, тогда как автомобильные ДВС «хлебают» кислород прямо из окружающей атмосферы, но всё равно имеет смысл сравнить эффективность двигателей по затраченным реактивным двигателем 110-120 килограммам керосина (обычное соотношение керосина к жидкому кислороду в ракетных двигателях 1:2,1) с обычными для автомобильных ДВС 6…8 литрами бензина на 100 км.

Именно поэтому на автомобили и не ставят реактивные движки.

Тут ничего не поделать – тропинка в космос – очень дорогая. Ведь обычный ДВС с колёсами на ракету не поставишь – всё равно в воздухе колёсам не от чего будет оттолкнуться.

Тем не менее, на примере ракетных двигателей я продемонстрировал, что, согласно классической механике, которую, к сожалению не знают и не понимает большинство граждан, включая преподавателей физики и академиков РАН, что при увеличении скорости расход топлива на 100 км при скоростях до 100 км/час должен уменьшатся.

А увеличивается он у автомобилей по той простой причине, как я уже говорил и повторю еще раз – что эффективность ДВС, то есть количество ньютоно-метров крутящего момента в секунду на единицу затраченного топлива при увеличении оборотов существенно снижается.

В чем же проблема?

В том, что при повышении числа оборотов ДВС (и электродвигателей) их эффективность существенно уменьшается – я имею в виду, что расход топлива на создание одного ньютонометра крутящего момента в секунду (это единственно правильный коэффициент полезного действия) существенно увеличивается – причем В РАЗЫ!!!

А согласно классической механике, во сколько раз увеличивается скорость, во столько раз уменьшается расход топлива на 100 км, если не учитывать мелкие побочные эффекты.

Именно поэтому низко оборотистые но «сильные» по ньютонометрам дизельные двигатели куда как более экономичны, чем «шустрые» высоко оборотистые бензиновые.

Приветствую различные перепосты.