Fysikk for bil&motor

Hver gang vi åpner et bilmagasin, en bilbrosjyre eller besøker et nettsted der emnet er bil&motor, møter vi en stor mengde ulike fysiske begreper og måleenheter som kan være forvirrende for de fleste av oss. Det kan derfor være en god idé å ta en titt på hva som skjuler seg bak de mange begrepene og måleenhetene, og samtidig kommentere noen av de vanlige feil og misforståelser som gjøres på dette området. Vi skal forsøke å forklare dette uten å gå i detaljer. De som er interessert i å lese mer om dette emnet kan finne mye stoff om det på Internett. Samtidig skal vi forsøke å si litt om hva de enkelte begrepene betyr i bilverdenen spesielt. Helt til slutt skal vi også komme litt inn på det som for mange fremstår som ‘det store spørsmålet’ i våre dager; er det høy effekt eller høyt dreiemoment som er viktigst.

For å forstå nytten kan det være greit å begynne med å se på hva en bil egentlig gjør. Vi tenker oss en helt normal bil med en vanlig forbrenningsmotor. I sylindrene i motoren forbrenner vi en blanding av drivstoff og luft, og omdanner dermed den kjemiske energien i drivstoffet til en kraft som virker på stemplene og overføres gjennom veivakslene til et dreiemoment i form av en rotasjon. Denne rotasjonen overføres gjennom girkasse, kardang og akslinger, den gires opp og ned etter behov og blir til slutt brukt til å dreie hjulene rundt mot veien. Dermed overføres den roterende bevegelsen til en kraft mellom veien og bilen som gjør at bilen skyves fremover, dvs. at vi får en akselerasjon opp til en viss hastighet i form av et antall km/h som vi er ute etter.

Motorens effekt og dreiemoment ved ulike turtall avgjør hvor godt egnet den er til å gi oss akselerasjon og fart og hvor godt den kan drive bilen med last i tunge bakker. Som vi forstår er det mye fysikk involvert i dette.

Litt grunnleggende fysikk

Opp gjennom tidene har det versert flere ulike systemer for fysiske begreper og enheter, men fra 1960 har det vi kaller SI-systemet (Systeme Internationale), som tar utgangspunkt i det metriske system, vært en verdensstandard og blitt tatt i bruk i stadig større grad. Siden SI-systemet i stor grad bygger på det metriske systemet, er overgangen mye mindre for de av oss som tidligere brukte dette systemet enn det er for engelskmenn og amerikanere. Resultatet er da også at vi har blitt ganske flinke til å bruke SI-enhetene, og etter mange års arbeid ser vi nå også tegn på at SI-systemet har fått innpass i det ‘britiske imperiet’ og er i ferd med sakte men sikkert å erstatte det systemet som gjerne kalles pfs-systemet etter pound-foot-second.

I SI-systemet tar vi utgangspunkt i syv grunnenheter som alt annet er avledet av, og en rekke avledete enheter i tillegg til disse. I tillegg til de avledete enhetene åpner SI til en viss grad for spesielle versjoner av enhetene for bruk i spesielle miljøer som f.eks. bil&motor. Eksempler på dette er at hastighet kan angis i km/h i stedet for m/s og at dekktrykk kan angis i bar i stedet for N/m².

For store og små tall bruker vi som oftest de kjente prefiksene k – kilo, 1000; M – mega, 1000.000; og m – milli, 1/1000, osv. foran den aktuelle enheten for å få håndterbare og fattbare tallstørrelser. Allerede her ser vi at det ikke er ukritisk om vi bruker store eller små bokstaver i benevnelsene våre, så dette er noe vi må passe på.

Når vi i fysikken bruker begrepet ‘legeme’ mener vi vanligvis ‘et eller annet med en masse’, og det kan være et menneske eller en bil eller noe annet.

En bil i fart påvirkes av en rekke krefter som virker i forskjellige retninger, hver av disse kreftene har en størrelse og en retning, og det er den resultantkraften som alle disse kreftene gir samlet, som bestemmer retningen på bilens bevegelse og den akselerasjonen vi får. Kraft gir altså en akselerasjon, som Newton sier i sin 2. lov (F = ma, kraft er masse ganger akselerasjon). Et legeme (f.eks. en bil) som ikke påvirkes av krefter – egentlig der resultantkraften er lik null – vil ikke forandre retning eller fart. Når vi allikevel må bruke motoren for å holde jevn fart er det fordi vi må oppveie de kreftene som virker mot bilens kjøreretning og som kommer fra bl.a. friksjon og luftmotstand. Da forstår vi også at en bil med lav luftmotstand og dekk med lav rullemotstand vil bidra til mindre bruk av krefter for å holde bilen i fart, og dermed også lavere drivstofforbruk.

Masse og tyngde/vekt

Mange har vanskelig for å skille begrepene masse og vekt. Vi snakker daglig om hvor mye vi veier og angir dette i kilogram – kg, mens det da egentlig er kroppens masse vi angir. Et legemes masse er konstant, mens vekten er et uttrykk for tyngden til denne massen under påvirkning av gravitasjon fra f.eks. jorden.

For å illustrere forskjellen: Et menneske har en konstant masse, men vekten på jordas overflate er seks ganger så stor som på månens overflate fordi månens gravitasjonskraft bare er en sjettedel av jordens. Masse angis altså i kg, eller g (gram) for små masser. Vekt er som sagt en kraft og angis derfor vanligvis i Newton – N i SI-systemet. Tidligere brukte vi i det metriske system å oppgi vekt i kilopond – kp, og 1 kp var da definert som vekten av en masse på 1 kg på jordens overflate. Når vi da litt slurvete sier ’kilo’ i stedet for ’kilogram’ ser vi at det ligger godt til rette for å blande disse to uttrykkene (kg og kp) sammen. Denne sammenblanding er opphavet til misforståelsen om at f.eks. dekktrykk kan angis i kg/cm². Ifølge SI er 1 kp = 9,8 N og til daglig kan vi avrunde dette til 10 N.

I pfs-systemet brukte man tidligere lb – pound om både masse og kraft (og penger), men har siden delt dette begrepet opp i lbf – pound-force for kraft og lbm – pound-mass for masse, helt parallelt med vårt (metriske) skille mellom kp for kraft og kg for masse. Bruk av den gamle lb for pound er derfor en kilde til forvirring og bør unngås. På mange lufttrykkmålere oppgis det fortsatt lufttrykk i PSI – pounds per square inch.

Kraft, arbeid, energi, effekt, trykk og dreiemoment

Dette er de sentrale begreper i bil-fysikken, og vi skal se litt nærmere på hva disse egentlig er. Vi kan bruke mye kraft og energi på et legeme men utfører ikke noe arbeid på det uten at vi setter det i bevegelse (eller deformerer det). Tenk deg at du forsøker den umulige oppgaven å løfte et hus; du bruker mye krefter men får ikke utføre noe arbeid fordi du ikke greier å bevege huset. Når det gjelder bil&motor så er det jo bevegelse som er hele ideen; det er derfor vi bruker biler.

Kraft er definert som en påvirkning som forandrer bevegelsen til et legeme eller som deformerer det, og angis vanligvis i N – Newton (eventuelt med et passende prefiks). I vår verden (bil&motor) er kraft den påvirkningen som hjulene virker mot veibanen med og som får bilen til å bevege seg. Luftmotstand motvirker denne bevegelsen og vi bruker som kjent krefter for å overvinne luftmotstanden. Samtidig vet vi at tyngdekraften trekker bilen ned mot bakken, mens høy fart og luft som presses under en bil vil bidra til en løftekraft, som altså virker mot tyngdekraften. Dette påvirker også friksjonskreftene som vi bruker til å få feste mot veibanen med.

Arbeid er kraft ganger veilengde, og angis i J – Joule. I bil&motor bruker vi ofte den avledete enheten Nm (Newton for kraft og meter for veilengde). Dette kjenner vi igjen også som mål for dreiemomentet til en bilmotor. Når en bil har kjørt en viss veilengde har motoren utført et visst arbeid på bilen (bilens masse) som er proporsjonalt med kraften vi bruker og veilengden.

Energi defineres ofte som alt som kan omdannes til mekanisk arbeid, og måles også i J – joule på samme måte som arbeid. I bil-verdenen kjenner vi til energi som f.eks. produseres i en bilmotor gjennom forbrenning av drivstoff og som vi omdanner til en bevegelse – mekanisk arbeid – i stemplene i motoren.

Effekt er arbeid eller energi pr. tidsenhet, vanligvis pr. sekund. Effekt måles derfor i J/s som er det samme som (det vanligste begrepet) W – watt. Vi ser også at J dermed blir det samme som wattsekund – Ws. I elektroteknikken er vi vant til å angi engergi(forbruk) i kilowattimer – kWh som er en avledet enhet av Ws; 1 Wh = 3600 Ws fordi det går 3600 sekunder på en time. I bil&motor angir vi fortsatt ofte en motors ytelse, dvs. effekt, i hestekrefter – HK (eg. horsepower – HP), mens SI-systemet etter hvert har fått oss til langt på vei å gå over til den standardiserte kilowatt – kW. Omregningen er (pr. definisjon) 1 HP = 735 W, eller 1 kW = 1,36 HP. Her bør vi legge til at en ‘gammel engelsk HP’ er noe høyere, lik 746 W. Hvis du har problemer med å skille mellom effekt og energi så husk at effekten er øyeblikksverdien av energien.

Dreiemoment er et annet begrep vi kjenner fra bil&motor. Dette er definert som en krafts evne til å forandre et legemes rotasjon, og er det samme som kraft ganger armlengde, og armlengde er avstanden mellom det punktet der kraften virker og legemets rotasjonspunkt. Dreiemoment måles derfor i newtonmeter – Nm. Her er det på sin plass å arrestere de som til stadighet sier at motoren har så og så mange «Newton», enten det er omtalt som Norges fremste bileksperter eller ikke.

Hvis vi skal åpne en dør kan vi enten bruke stor kraft langt inn på døra eller liten kraft ytterst på døra; uansett må vi bruke det dreiemoment som må til for å åpne døra for å overvinne (først og fremst) friksjonen som holder døra igjen.

Siden vi tidligere brukte kp som benevnelse for kraft brukte vi også kilopondmeter – kpm som benevnelse for dreiemoment, men akkurat i dette tilfellet har vi lykkes bedre i å bytte til SI-enheter enn for motoreffekt, så Nm er et kjent begrep for de fleste bilinteresserte. Men det heter altså Newton-meter, ikke bare Newton som mange sier. Omregningsfaktoren er den samme som mellom newton og kilpond, dvs. 1 kpm = 9,8 Nm (≈ 10 Nm). Vi ser fortsatt fra tid til annen dreiemoment oppgitt som ‘kgm’, men dette stammer altså fra sammenblandingen mellom kg og kp som vi omtalte tidligere og er direkte galt.

I pfs-systemet angir man fortsatt i mange tilfeller dreiemoment i form av lbf-ft – pound-force-foot. Omregning mellom SI og pfs: 1 Nm = 0,738 lbf-ft og 1 lbf-ft = 1,356 Nm.

For en bil blir det til syvende og sist det dreiemomentet som kommer ut på drivhjulene, dividert på hjulradien, som gir oss den kraften mellom hjul og veibane som gir bilen en bevegelse fremover.

Trykk er definert som kraft pr. flateenhet og SI-enheten for trykk er Pa – Pascal, det samme som N/m² – newton pr. kvadratmeter. Siden dette gir svært små tall i praksis kan vi alternativt bruke begrepet bar, og 1 bar = 100 kPa (kilopascal). Vi bruker vanligvis å angi lufttrykket på jordoverflaten i millibar, som altså er 1/1000 bar, og normaltrykket er 1013 mbar og kalles også 1 atmosfære (atm). Trykk over normaltrykket kalles ofte for overtrykk, og er kjent fra f.eks. turbolading og dekktrykk, og fra innsprøytningstrykket i de nye høytrykks dieselmotorene som faktisk kan være vanvittige 2000 bar!

Siden det er så mange ulike angivelser for trykk er det bortimot full forvirring når det gjelder måleenhet for dekktrykk, og situasjonen blir ikke bedre av at det i svært mange tilfeller brukes begreper som ikke har noe med trykk å gjøre i det hele tatt. Her har bilindustrien mange svin på skogen. I praksis er det tre mer eller mindre godkjente måter å angi dekktrykk på.

Fortsatt brukes av og til det gamle kp/cm² – kilpond pr kvadratcentimeter (og begrepene ‘kg’ eller ‘kg/cm²‘ som vi nå vet er galt siden kg er enhet for masse og ikke kraft). Vi ser nå etterhvert at det anbefalte begrepet bar er på vei inn også i forbindelse med dekktrykk som en avløser for kp/cm².

I pfs-verdenen måles dekktrykk fortsatt i lbf/in² – pound-force per square inch (pound-force pr. kvadrat-tomme) som oftest forkortet psi (dette oppgis ofte feilaktig som ‘lb’ eller ‘pound’). Omregningsfaktorene er:

100 psi = 7 kp/cm² eller 1 kp/cm² = 14 psi
1 bar = 1,02 kp/cm² og 1 kp/cm² = 0,98 bar.

I praksis kan vi altså si at 1 bar ≈ 1 kp/cm², det ligger i alle fall godt innenfor (den elendige) nøyaktigheten til de fleste lufttrykkmålere på bensinstasjonene.

Lengde og hastighet – og volummål

Vi tar også kort med noen andre fysiske enheter som brukes i bilverdenen.

Vi som bruker SI-systemet angir lengde i meter eller avledete enheter, mens pfs-systemet angir lengde i tomme, fot, yard og mile. Noen aktuelle omregninger er:

1 tomme = 25,4 mm (definert)
1 ft (fot) = 12 tommer (definert) = 0,3048 m
1 yd (yard) = 3 ft (definert) = 36 tommer = 0,9144 m
1 mile = 1760 yd (definert) = 5280 fot = 1609 m

Hastighet oppgis i SI-systemet i m/s – meter pr. sekund, og den godkjente avledete enheten km/h – kilometer pr. time. I fps-systemet bruker man fortsatt mph – miles per hour, og dette ser ut til å være vanskelig å få gjort noe med. Aktuelle omrengninger er:

80 km/h = 22,2 m/s, 100 km/h = 27,8 m/s = 62,1 mph (miles per hour), tips: lettest å huske på er at 90 km/h = 25 m/s (nøyaktig)
100 mph = 160,9 km/h, 60 mph = 96,6 km/h, 55 mph = 88,5 km/h tips: når du ser akselerasjonstallene for en bil angitt som 0 – 60 mph så er ikke dette det samme som 0 – 100 km/h (i alle fall ikke i de miljøene som bedømmer en bil på tiendelen av et sekund i akselerasjon), morsom nok oppgir TV-programmet «Fifth Gear» nå 0 – 62 mph som ganske nøyaktig tilsvarer 100 km/h

I praksis kan det være greit å kunne finne bilens hastighet i m/s ut fra km/h, for da ser vi enkelt hvor mange meter vi kjører hvert sekund, og forhåpentlig blir vi litt flinkere til å holde avstand til bilen foran? Enklest å huske er kanskje at 90 km/h er nøyaktig 25 m/s.

Vi måler volum i L – liter (stor L anbefales nå av SI fordi liten l i mange skrifttyper er vanskelig å skille fra tallet 1), mens pfs-systemet opererer med to ulike gallons; US gallon og Imperial gallon, og dette får også innvirkning på måling av drivstofforbruk og sammenligning av drivstoffpriser:

1 L = 0,22 imp. gallon = 0,26 US gallon
1 US gallon = 3,8 L
1 imp. gallon = 4,6 L

Drivstofforbruk angir vi vanligvis i L/mil (liter pr. mil eller pr. 10 km), mens pfs-verdenen angir det i mpg – miles per gallon. For å regne om kan vi bruke følgende faktorer;

1 L/mil = 23,5 mpg (US) = 28,2 mpg (imp)
20 mpg (US) = 1,18 L/mil og 20 mpg (imp) = 1,41 L/mil

Effekt eller dreiemoment – hva er viktig?

Det store spørsmålet for mange bilinteresserte disse dager er hva som er viktigst av høy motoreffekt eller høyt dreiemoment, og dette er en problemstilling som opptar mange spesielt i forbindelse med de nye høytrykks dieselmotorene som gir høyt dreiemoment med moderat effekt sammenlignet med bensinmotorer.

Først må vi slå fast at effekt og dreiemoment er to sider av samme sak. Det lar seg ikke gjøre å måle en motors (mekaniske) effekt, men vi kan måle dreiemomentet ved ulike turtall (i et dynamometer eller bremsebenk som det også kalles) og deretter regne ut motoreffekten ved ulike turtall etter en gitt formel:

Effekt [kW] = (dreiemoment [Nm] * rpm) / 9549

Det vi ser her er at ved (det teoretiske turtallet) 9549 rpm er tallverdiene for effekt i kW og dreiemoment i Nm like. Siden dette er turtall som er ukjent for de fleste bilmotorer, kan vi heller si det slik at ved det halve av dette turtallet, dvs. 4775 rpm er tallverdien for effekt i kW halvparten av tallverdien for dreiemoment i Nm: Dette gjelder for alle motorer, sjekk det gjerne dersom du har tilgang til noenlunde nøyaktige kurver over effekt- og dreiemomentforløp for en motor. Det ligger en lang og komplisert utlegning bak denne formelen og den skal vi ikke ta her, men praktiske tester ved å tegne opp effekt- og dreiemomentkurver i samme diagram for f.eks. min gamle Opel Omega 2,5/V6 viser at formelen stemmer, se figuren nedenfor.

Kurvene viser sammenhengen mellom effekt [kW] og dreiemoment [Nm]. Ved 4775 rmp leser vi ut ca 115 kW og 230 Nm.

Hva som er viktigst av effekt og dreiemoment er et spørsmål som det også kan skrives lange utlegninger om, så vi videreformidler bare kort hva andre har kommet frem til.

Det finnes gode argumenter for begge syn, men det virker som følgende holdning går igjen;

for best mulig akselerasjon er det viktig med høy effekt mens man kan greie seg med relativt lite dreiemoment, og girutveksling som gjør det mulig å ligge nærmest mulig det turtallet der motoren har maksimal effekt,
for høyest mulig toppfart er det også høy effekt som gjelder,
for best mulig kjørbarhet, dvs. evnen til å holde farten oppe med tung belastning er det viktig med høyt dreiemoment over et stort turtallsområde.

Dette finner vi også igjen i det faktum at racing-biler ofte har motorer med høy effekt ved høye turtall, mens lastebiler har motorer med mye dreiemoment over et stort turtallsområde og relativt lav maksimaleffekt.

La oss også nevne at motorer med helt flat dreiemomentkurve, slik enkelte bilprodusenter ynder å fortelle at de har, er en fysisk umulighet i seg selv: Slike dreiemomentkurver er heller et resultat av en aktiv motorstyringselektronikk og oppnås trolig gjennom å redusere momentet i store deler av turtallsområdet for å flate ut kurven. Slike motorer kunne altså fysisk hatt større maksimalt dreiemoment men med en spissere topp.

Videre lesning

For de som vil vite mer om dette kan jeg anbefale: SI-systemet.