Začali jsme seriál o závodních motorech. Zatím jen v rámci historie. Teď se podíváme trochu na fyziku, mechaniku, přenos hybnosti, tepla a hmoty a na pár těch nejzásadnějších „proč“ kolem konstrukce závodních motorů. Začneme tím nejdůležitějším. Otáčkami.
Závodní motory mají většinou dost vysoké otáčky. Proč?
Články na téma závodní motory:
- Závodní motory: výlet do historie
- Proč chceme u závodních motorů co nejvyšší otáčky? - právě čtete
- Nejlepší mezi závodními motory: Cosworth DFV
- Proč závodní motory tak řvou? (1. díl)
- Proč závodní motory tak řvou? (2. díl)
- Proč závodní motory tak řvou? Mají vůbec výfuk? (3. díl)
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Titan
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Keramika
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Hliník
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Inconel, Electron a další
Už jste nejméně milionkrát slyšeli, že závodní motor točí šílené otáčky. A že musí točit takhle hodně, protože musí mít výkon. Cože? Proč? Není to hloupost? No, není. Tohle je takové učivo střední školy, které se ale bohužel neučí. Na střední škole fyzikáři vysvětlí vztah mezi energií a výkonem, jaké jsou účinnosti a ztráty ve spalovacím motoru, ale souvislosti už se do školních osnov nedostaly. Paradoxně na vysoké škole, pokud půjdete studovat konstrukci spalovacích motorů (ale obávám se, že tohle je dnes poněkud neperspektivní obor), se očekává, že tohle znáte a umíte. Člověk si tak musí dát ty veličiny většinou dohromady sám.
Točivý moment
„Prosím všechny, kteří operují s termínem „kroutící moment“ – zapomeňte na něj. Kroutící moment používejte třeba u povolování šroubů. My klikovou hřídel nechceme ukroutit, my s ní chceme točit. Děkuji.“
Začneme točivým momentem. Co to tedy točivý moment je? Poradí nám chytré knihy:
„Točivý moment je fyzikální veličina vyjadřující míru rotace objektu kolem dané osy nebo bodu. Je definován jako součin síly a vzdálenosti od bodu otáčení, konkrétně matematickým vzorcem M=r×F, M značí točivý moment, r je poloměr a F je síla. Směr točivého momentu se určuje pravidlem pravé ruky, přičemž směr otáčení ve směru hodinových ručiček označuje negativní točivý moment a směr proti hodinovým ručičkám pozitivní točivý moment. Točivý moment je měřen v jednotkách newtonmetrů (N.m) dle mezinárodního systému jednotek (SI).“
Abychom si to dobře představili, není nic lepšího, než názorný příklad. Jednoduchým příkladem točivého momentu může být otáčení kola na kolečkových bruslích. Představme si, že na jedno kolo působí síla 10 N ve vzdálenosti 0,05 m od osy otáčení kola. V tomto případě je točivý moment vypočten jako M = 0,05 m x 10 N = 0,5 N.m. Tento točivý moment pak působí na kolo tak, že ho roztáčí kolem jeho osy.
Kde vezmeme tohle všechno v motoru? No přece působením pístu přes ojnici na klikovou hřídel, která má své zalomení s určitým ramenem. Zde je třeba zdůraznit, že to, o čem budeme mluvit i nadále, se vždy a pouze týká hodnot výstupu na klikové hřídeli, protože to, co bychom naměřili na kolech je hodnota zcela jiná. Kdo odhalí důvod, získá modrého bludišťáka.
Výkon motoru
A stejně tak si popíšeme výkon motoru. Co to je? Výkon je vlastně práce, nebo chcete-li energie vykonaná motorem za určitý čas. Prosím – to slovíčko „čas“ je tam strašně důležité. Jde totiž o to, že výkon je práce, kterou my chceme vykonat co nejrychleji (za co nejkratší čas!). Práce je v našem případě samozřejmě otočení klikové hřídele určitou silou. Tady narazíme na vzoreček, který se dá jednoduše odvodit (energie je vlastně síla působící na obvodu kola v čase) a najdete ho i v těch učebnicích fyziky ze střední školy: P = (2.π.M.O)/60 [W], kde π je známá konstanta, M je točivý moment, o jsou otáčky [/min]. A teď si vezměte, že vlastně všechno kromě točivého momentu a otáček jsou konstanty. Abychom navíc dostali pro nás důležité kilowatty, musíme tam ještě přidat tisícovku. Takže najednou máme 2π/60/1000. A vida! Takže my vlastně máme jednoduchý přepočet výkonu a točivého momentu: P = M.O/9550.
Nezdá se vám to? Samozřejmě, Zas tak úplně jednoduché to není, ale pro to základní pochopení to stačí.
A co s těmi otáčkami?
Tady musíme ještě jednou říct, že tohle všechno jsou informace, jako bychom je brali přímo na klice motoru, tedy bez převodovky a kol.
Vrátíme se chvíli k točivému momentu. Zrychlení automobilu a točivý moment motoru jsou úzce propojeny, avšak nemají identický průběh. Při otáčkách, které odpovídají maximálnímu točivému momentu, bude auto zrychlovat nejefektivněji, a cestující tak budou silněji tisknuti do sedadel. Je důležité zmínit, že během dalšího zrychlování se otáčky motoru budou zvyšovat, zatímco točivý moment a hodnota zrychlení budou postupně klesat. Proč? Protože tu sílu ze vzorečku už prostě nezvýšíte, ale naopak se začne snižovat účinnost. Takže pokud chceme zvýšit výkon motoru, musíme zvýšit sílu na klice, nebo...
Pojďme k výkonu. Čeho chceme docílit v závodním automobilu? Překonat danou vzdálenost za co nejkratší čas. Tady se může se zdát, že klíčem k tomu je vyvinout co největší zrychlení, a tak udržovat motor třeba na 3000 otáčkách za minutu, kde máme nejvyšší točivý moment. Ve skutečnosti je však nezbytné motor dostat do nejvyššího výkonu, což znamená co nejrychleji dosáhnout nejvyšších otáček za minutu a tyto otáčky udržovat. Komplikace spočívá v tom, že při 3000 otáčkách za minutu motor sice vykazuje nejvyšší zrychlení, ale rychlost automobilu je v tomto okamžiku mnohem nižší než třeba při 5000 otáčkách za minutu. I když je zrychlení automobilu při 5000 otáčkách za minutu nižší, díky vyšší rychlosti automobil ujede za stejný časový interval (například 1 sekundu) delší vzdálenost než při 3000 otáčkách za minutu.
Také čtěte
Co z toho vyplývá?
Pokud chceme auta, která jsou spolehlivá, málo namáhaná a mají malou spotřebu, necháme válet jejich pracovní otáčky někde nízko a točivý moment se budeme snažit vyladit tak, aby byl stále stejný v co nejširším spektru otáček.
Když se bavíme o závodních vozech, je lepší připravit motor tak, aby jak výkon, tak i točivý moment šplhaly nahoru do vysokých otáček, protože umožní využívat nejvyšší točivý moment na každý převodový stupeň a auto tak budeme moct tlačit kupředu stále vysokou silou, tudíž bude rychlejší.
Už chápete, proč formulové vozy jezdily jako dvanáctiválce s miniaturními písty a objemy motorů třeba kolem litru? Protože setrvačné síly pístů, klikových hřídeli a ojnic byly malé a motory tak mohly snadno šplhat bez poruch do vysokých otáček. Nastavením charakteristiky motoru na to, aby síla a tedy i zrychlení mohly být co nejvýš, je pro závodní motory jednou z cest, jak zvýšit výkon.
Zdroj info: Emanuel Svoboda – Přehled středoškolské fyziky (2020) ISBN: 978-80-7196-475-9 Jan Hromádko – Spalovací motory (2011), ISBN: 978-80-247-3475-0.
Zdroj médií: Depositphotos.
Zdroj médií: Depositphotos.
