نسبة القدرة إلى الوزن

تطبق هذه الخاصية للمحركات ومصادر القدرة وذلك للمقارنة بين التصميمات المختلفة. هذه الخاصية تستخدم كمقايس للأداء الفعلي لأي محرك أو مصدر للقدرة. يستخدم أيضا لقياس اداء المركبات حيث يتم قسمة القدرة الخارجة من المحرك على وزنه. يقوم المصنع بوضع قيمتها عند أكبر قيمة لها ولكن عند الاستخدام تختلف القيمة الفعلية مما تؤثر على الاداء.

مقلوب هذه النسبة ينتج عنه نسبة بين الوزن والقدرة التي تطبق على مركبات الفضاء، السيارات والمركبات عموما كي نتمكن من عمل مقارنة بين أداء المركبات المختلفة. نسبة القدرة إلى الوزن تساوي حاصل ضرب الدفع لوحدة الكتل وسرعة المركبة.

القدرة إلى الوزن (القدرة المحددة)

القدرة المحددة هي خارج قسمة القدرة المتولدة بواسطة المحرك والكتلة. محرك ديزل له 8 أسطوانات مع تربو تكون القدرة الخارجة منه 250 كيلو وات (340 حصان) وكتلة تساوي 380 كجم وتعطي نسبة القدرة للوزن وتساوي .65 كيلو وات/كجم.

تتواجد أمثلة لهذه النسبة العالية في التربينات. هذا لقدرتها على العمل عند سرعات عالية جدا. على سبيل المثال، المحرك الأساسي لمكوك فضاء يستخد مضخة توربينية (مضخة تعمل بمحرك توربيني) لتغذية وقود الدفع (سائل الأكسجين والهيدروجين) إلى غرفة احتراق المحرك. المضخة التوربينية لسائل الهيدروجين يكون لها حجم في حجم محرك السيارة يزن 352 كجم ينتج حوالي 72,000 حصان ويكن نسبة القدرة للوزن 153 كيلووات/كجم.

التفسير المادي (الفيزيائي)

في الميكانيكا الكلاسيكية، القدرة اللحظية هي قمية متوسط الشغل الناتج لوحدة الزمن. عندما يقترب الزمن  Δt من الصفر فإن:

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

الوحدة المترية لنسبة القدرة للوزن هي  ${\displaystyle {\tfrac {W}{kg}}\;}$  وتساوي${\displaystyle {\tfrac {m^{2}}{s^{3}}}\;}$

قوة الدفع

إذا كان الشغل الذي يجب بذله هو جسم له حركة خطية وله كتلة ثابتة m و مركزالثقل له يتم تسريعه في خط مستقيم إلى سرعة ${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$${\displaystyle \phi \;}$ .

وتكن طاقة الحركة التي تصل للجسم تساوي:

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

حيث:

${\displaystyle m\;}$  كتلة الجسم.

${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$ هي سرعة مركز الثقل للجسم وتتغير مع الزمن.

قوة الدفع/الجذب الميكانيكية التي تصل للجسم تساوي:

${\displaystyle P_{K}={\tfrac {1}{2}}m2|\mathbf {v} (t)|\lim _{\Delta t\rightarrow 0}{\tfrac {\Delta |\mathbf {v} (t)|}{\Delta t}}=m\mathbf {a} (t)\cdot \mathbf {v} (t)=\mathbf {F} (t)\cdot \mathbf {v} (t)=\mathbf {\tau } (t)\cdot \mathbf {\omega } (t)}$

حيث:

${\displaystyle \mathbf {a} (t)\;}$ هي عجلة مركز ثقل الجسم تتغير مع الزمن.

${\displaystyle \mathbf {F} (t)\;}$ هي قوة خطية أو الدفع على مركز ثقل الجسم يتغير مع الزمن.

${\displaystyle \mathbf {v} (t)\;}$ هي سرعة مركز ثقل الجسم تتغير مع الزمن.

${\displaystyle \mathbf {\tau } (t)\;}$ هو العزم المؤثر على مركز ثقل الجسم يتغير مع الزمن.

${\displaystyle \mathbf {\omega } (t)\;}$ هي السرعة الزاوية لمركز ثقل الجسم تتغير مع الزمن.

في الدفع، تسلم القدرة إذا كانت المحطة في حالة التشغيل ويتم نقلها كي تسبب حركة للجسم. نفرض ان ناقل الحركة الميكانيكي يسمح للمحطة كي تعمل عن أقصى قدرة خارجة. هذا الفرض يسمح بضبط المحرك كى يتم التسويق له عند مدى القدرة وكتلة المحرك. المحركات الكهربية لا تعاني من هذا فبدلا من هذا يتم التسويق لعزمهم الكبير للشد عند السرعات المنخفضة.نسبة القدرة إلى الوزن تكون:

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

حيث:

${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$ هي السرعة الخطية لمركز ثقل الجسم.

قدرة المحرك

القدرة الفعلية لأي محرك جذب يمكن حسابها بواسطة دينامومتر كي يقيس العزم و السرعة الدورانية.

القدرة القصوى للجذب تحدث عند سرعة دوران أكبر من السرعة التي عندها العزم يكون أكبر ما يمكن. الانحدار السريع لمنحنى العزم ينتج عنه وصول القدرة إلى أقصاها عند نفس السرعة الدورانية.

أمثلة

محركات

المحرك الحراري والمضخة الحرارية

تتكون الطاقة الحرارية من طاقة الحركة الجزيئية و الطاقة الكامنة.  يستطيع المحرك الحراري تحويل الطاقة الحرارية والتي تتواجد في صورة فرق في درجات حرارة بين مصدرين أحدهما ساخن والآخر بارد إلى شغل ميكانيكي. تقوم المضخات الحرارية بإعادة تحويل الشغل الميكانيكي إلى طاقة حرارية.

المحرك الكهربي

يستخدم ا لمحرك الكهربي الطاقة الكهربية لتوليد الشغل الميكانيكي حيث عادة من خلال تقاطع بين المجال المغناطيسي و الموصلات الحاملة للتيار.  تتولد الطاقة الكهربية من خلال التفاعل الحادث بين الشغل الميكانيكي والموصل الكهربي الموجود بالمجال المغناطيسي.

محركات المائع ومضخات المائع

يمكن استخدام الموائع (غاز/ سائل) لنقل وتخزين الطاقة باستخدام الضغط وخصائص المائع الأخرى. تحول المحركات الهيدروليكية والهوائية (penumatic) طاقة الضغط إلى شغل ميكانيكي أو كهربي. تقوم مضخات الموائع بتحويل الشغل الميكانيكي أو الكهربي إلى حركة أو تغير في ضغط المائع أو التخزين في وعاء الضغط. 

مولدات كهروحرارية ومحركات كهروحرارية

يمكن استخدام تأثيرات مختلفة لإنتاج الظاهرة الكهروحرارية، الانبعاث الأيوني الحراري، الكهربية الحرارية للمواد والكهرباء الانضغاطية. المقاومة الكهربية و المغناطيسية الحديدية للمواد يمكن استخدامها لتوليد الطاقة الصوتية الحرارية من التيار الكهربي.

خلايا كهرواستاتيكية وكهروكيميائية

البطاريات (الخلايا المغلقة)

توصل بطاريات الخلية الكهروكيميائية فرق جهد حيث أن التركيب الكيميائي لهم يتغير من مشحون إلى غير مشحون. الجهد الاسمي الخارج وجهد القطع يتم تحديدهم عن طريق مصنع البطارية. جهد الخرج يصل إلى جهد القطع عندما تكون البطارية غير مشحونة. الجهد الاسمي الخارج دائما ما يكون أقل من الجهد الناتج من الدائرة عندما تكون البطارية مشحونة. تؤثر درجة حرارة البطارية على القدرة الخارجة منها حيث تنتج قدرة أقل عندما تكون درجة الحرارة منخفضة. الطاقة الكلية الخارجة من دائرة مشحونة تتأثر بدرجة حرارة البطارية والقدرة الخارجة منها. إذا انخفضت درحة الحرارة أو زادت القدرة المطلوبة فإن الطاقة الكلية التي يتم توصيلها تقل.

مكثفات كهروستاتيكية، تحليل كهربي وكهروكيميائية

تخزن المكثفات الشحنة الكهربية في أقطاب مفصولين بمجال كهربي بوسط عازل. تسنخدم الكثفات الكهرو ستاتيكية مكثفات مستوية حيث تتراكم عليها الشحنة الكهربية. يستخدم المكثف الكهرلى قطب سائل كأحد الأقطاب المستخدمة والتأثير الكهربي مزدوج الطبقة (electric double layer effect) على سطح الوسط العازل لزيادة كمية الشحنة المختزنة لوحدة الحجوم. الآلات تعتمد المكثفات على درجة الحرارة بعكس البطاريات. نسبة لقدرة إلى الوزن بالمكثفات تكون أكبر من البطاريات.

حزم خلايا الوقود وبطاريات الخلايا المتدفقة

على الرغم من تشابه خلايا الوقود وخلايا التدفق بالبطاريات إلا أنهم يختلفوا في عدم احتوائها على وسط لتخزين الطاقة أو الوقود. مع استمرار تدفق الوقود والأكاسيد فإن الخلايا تحول الطاقة المختزنة إلى طاقة كهربية ومنتجات ضائعة.  خلية وقود.

الخلايا الكهروضوئية

المركبات

تحسب نسبة القدرة للوزن عادة باستخدام الوزن الصافي للسيارات أو وزن الدرجات النارية بمستهلكاتها الذي لا يشمل وزن السائق وأى حمولات أخرى. 

مركبات الدفع والمركبات الخاصة

يتم تصميم المركبات بصورة تقابل احتياجات الأشخاص ومتطلبات الحمولات. يقوم المصممين بتغيير نسبة القدرة للوزن لزيادة مستوى الراحة، مساحة التخزين، اقتصاد الوقود، التحكم في الانبعاثات وقدرة التحمل. يمكن زيادة مساحة التخزين بالمركبة عن طريق تقليل مقاومة التدحرج ( rolling resistance) بدون تغيير نسبة القدرة للوزن. بعض المركبات مثل الرياضية يتم تغيير نسبة القدرة للوزن كى تقابل احتياجاتها في الاداء والسرعة وغيره. 

معدلات منخفضة

شائعة

مركبات رياضية وطائرات

مقالات ذات صلة

• كثافة الطاقة

مراجع

روابط خارجية

• Measurespeed.com - Power to Weight Ratio Calculator

موسوعات ذات صلة :

• موسوعة الفيزياء