گشتاور و قدرت به زبان ساده؛ مهم‌ترین مشخصات‌ عملکرد خودرو

شاید پیشتر هم این عبارت را شنیده باشید: «قدرت باعث فروش بیشتر می‌شود، گشتاور مسابقات را می‌برد!» اما این برنده هر مسابقه چیست و چرا در خودرو اهمیت بسیار دارد؟! از آنجایی که توضیحات مهندسی برای بسیاری دشوار است و مشاهده ویدئوهای آموزشی نیز هیچ کمکی به درک کامل این مسئله نمی‌کنند، در ادامه سعی داریم تا این مولفه را به‌شکلی غیرمهندسی برایتان شرح دهیم.

گشتاور (Torque)

گشتاور چیزی است که با آن چیزها را از لحاظ مکانیکی انجام می‌دهند. چرخش یک دستگیره، بازسازی یک سوپاپ، بالابردن یک اهرم با مکانیزم و… همه‌وهمه مثال‌هایی از کاربردهای روزمره این مولفه جادویی است. گشتاور به‌طور خلاصه اندازه‌گیری مقدار کار انجام‌شده در چیزی است؛ به‌عبارت دیگر و غیرعلمی‌تر، اندازه نیروی یک اهرم به شمار می‌رود.

شاید معلمان فیزیک و اساتید دانشگاه عبارتی به‌مراتب دقیق‌تر را برایتان به کار ببرند و برای ارائه مثال از یک اهرم ساده استفاده کنند اما ما می‌خواهیم آن را به‌گونه‌ای توضیح دهیم که با آن بتوان تاثیر گشتاور را در خودرو درک کرد. اما احتمالا بهترین راه برای تصویرسازی گشتاور، اجزای موتوری یک خودرو نباشند و به‌جای آن بهتر است به آچار جغجغه‌ای (یا همان آچار گشتاور یا آچار گشتاورسنج) توجه کنید.

اما چرا یک آچار گشتاور؟! به‌خاطر اینکه گشتاور به بیان دقیق‌تر، میزان نیروی انتقال یافته در یک جهت خاص، از یک فاصله دور و حول یک مرکز است. آچار گشتاور، نیروی دست شما را در جهتی مشخص، دور مرکز پیچ و از فاصله‌ای دورتر از آن به پیچ منتقل می‌کند. به همین دلیل است که واحد گشتاور نیوتن متر (Nm) یا پوند فوت (Ib-ft) است. به‌عبارت دیگر، برای اندازه‌گیری گشتاور یک آچار جغجغه‌ای، نیروی دستتان (در واحد نیوتن) را در فاصله‌اش (در واحد متر) تا مرکز چرخش ضرب می‌کنید.

اگر متوجه هنوز هم ابهام دارید، بگذارید یک مثال ساده را با هم بررسی کنیم: مثلا با چرخ پنچر ماشین وارد یک پارکینگ شده‌اید و از قضا، یک چرخ زاپاس، یک جک و یک آچار گشتاور را نیز با خود به همراه دارید. فرض کنید که طول دسته آچارتان ۲۰ سانتی‌متر (برابر ۰.۲ متر) باشد. شما جک را درموقعیت مناسب قرار می‌دهید و آماده‌اید تا پیش از درآوردن چرخ، پیچ‌هایش را باز کنید. آچارتان را به‌شکل تصویر بالا روی یکی از پیچ‌ها قرار می‌دهید و آن را به‌صورت پادساعتگرد (مخالف عقربه‌های ساعت) حرکت می‌دهید. بنابراین اگر نیروی دست شما ۵۰ نیوتن باشد، گشتاور حاصل از دستتان حول پیچ برابر حاصل‌ضرب ۰.۲ متر در ۵۰ نیوتن می‌شود؛ یعنی ۱۰ نیوتن متر!

حال اگر سختتان باشد چه؟! پاسخ را بلند بگویید! البته که از یک آچار با دسته بلندتر استفاده می‌کنید یا اینکه بیشتر زور می‌زنید. درهرصورت با افزایش نیروی دست یا فاصله دست با مرکز چرخش، گشتاور بیشتر می‌شود و پیچ راحت‌تر باز می‌گردد. اما بلندشدن دسته آچار، تا حد معینی ممکن است و نمی‌توانید وارد یک آچارفروشی (که اصلا وجود ندارد) یا ابزارفروشی شوید و یک آچار نیم متری بخواهید! چون چنین چیزی وجود ندارد. البته شاید هم بتوانید یک میله ۴ متری پیدا کنید، آچار را به آن ببندید و با پا روی آن فشار وارد کنید. با این کار هم نیرو زیاد شده و هم فاصله بیشتر شده است!

قدرت (Power)

حال که مفهوم گشتاور را درک کرده‌اید، درک تفاوتش با قدرت برایتان آسان‌تر خواهد بود. خوبی گشتاور این است که روش محاسبه‌اش به راحتی گفتن عبارت «آیا می‌توان انجامش داد؟!» است. باید نیرو «الف» را در فاصله «ب» ضرب کنید تا اهرمتان گشتاور موردنیاز را تولید کند. اما قدرت این وسط چه کاره است؟!

قدرت محاسبات نسبتا پیچیده‌تری دارد و برحسب زمان سنجیده می‌شود. به‌عبارت‌دیگر، درحالی‌که گشتاور امکان انجام‌شدن کار را برایتان شرح می‌دهد، قدرت مشخص می‌کند که آن را با چه سرعتی می‌توان انجام داد. برای محاسبه قدرت، می‌توان گشتاور را (برحسب نیوتن متر) در در سرعت موتور (برحسب دوربررقیقه یا RPM) ضرب کنید و حاصل را تقسیم بر ۹.۵۴ کنید. شاید بپرسید چرا ۹.۵۴؟! به دلیل اینکه راهش همین است! اگر بخواهید پیشرفته‌تر از این موضوع را درک کنید باید برگردید به همان توضیحات دانشگاهی و آکادمیک!

بگذارید گریزی به مثال لاستیک پنچرمان بزنیم. اگر پیچ آنقدر سفت باشد که فشارآوردن تناوبی شما فایده‌ای نداشته باشد و خبری از میله چهار متری نباشد، مجبور می‌شوید از یک چکش استفاده کنید و با چند ضربه ناگهانی، پیچ را شل کنید؛ چراکه نیروی یک ضربه با چکش به‌مراتب بیشتر از نیروی تناوبی دست شما است. این ضربات ناگهانی که به انتهای آچار وارد می‌شوند باعث شل‌شدن پیچ می‌شوند. با وجود اینکه نرخ انجام کار کاهش پیدا کرد اما درنهایت انجام شد.

همین مورد را می‌توان به تفنگ‌های نبرد نیز تعمیم داد. این تفنگ‌ها با ارائه متعدد و پیاپی گشتاور به اهرم، کار خود را انجام می‌دهند. اگر یک تفنگ بزرگ داشتید که می‌توانست به میل‌لنگ شلیک کند و آن را به چرخش درآورد خیلی خوب می‌شد اما با وجود اینکه چنین تفنگ غول‌آسایی وجود خارجی ندارد، گشتاورش قادر به حرکت‌درآوردن خودرو است اما نه با سرعت بالا (قدرت).

یک موتور احتراقی به‌طور کلی این‌گونه عمل می‌کند. می‌توانید فرض کنید که چندین آچار دارید که گشتاور را به پیچ (میل‌لنگ) اعمال کرده و این کار را در هر ثانیه تا صدها بار تکرار می‌کنند. اینجاست که میل‌لنگ نیز به یک آچار بزرگ تبدیل شده و چرخ طیار (Fly Wheel) را برایتان به چرخش درمی‌آورد؛ بنابراین گشتاور حقیقی خودرو محاسبه می‌شود. درحقیقت، تک‌تک اجزای موتور خودروی احتراقی شما نقش یک آچار را برای دیگر بازی می‌کند تا گشتاور از هر کدام از آن‌ها به دیگری منتقل شود. برای تکمیل این تمثیل، می‌توان جعبه‌دنده را به‌عنوان یک جعبه‌ابزار فرض کرد که درونش شمار زیادی آچار با اندازه‌های گوناگون وجود دارد و به شما اجازه می‌دهد تا برحسب نیازتان، بهترینشان را انتخاب کنید. انگار که همه‌جا مملو از آچار است.

حال کدام‌یک بهتر است؟!

گشتاور نماینده عبارت «می‌توان انجامش داد؟!» بود؛ بنابراین مهم‌ترین عاملی است که ظرفیت موتور را تعیین می‌کند؛ با این حال، اگر در یک مسابقه باشید در آن خودروهای فرمول ۱ مانند تصویر به رقابت می‌پردازند، سرعت انجام کار نیز برایتان اهمیت قابل‌توجهی دارد. درنهایت باید به این نکته توجه کنید نه گشتاور و نه قدرت، تمام ماجرا نیستند. برای نمونه می‌توان به خودروهای اسپرت و آفرود زیادی نگاه کرد که هرکدام نمونه‌ای عالی از پیچیدگی این مسئله‌اند. همه‌چیز به گشتاور و قدرت و ختم نمی‌شود و فاکتورهای دیگری چون آیرودینامیک، طراحی فنربندی، پیکیربندی دنده‌ها و… در عملکرد بهتر و سریع‌تر موثر هستند.