ความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดและแรงม้า

เคยสงใสกันหรือไม่ว่าไอเจ้าแรงบิดหรือทอร์คกับแรงม้า มีความแตกต่างกันอย่างไรแล้วมีความสัมพันธืกันอย่างไร วันนี้เราจึงจะเสนอความรู้ที่ว่าด้วยความสัมพันธ์ของทั้งสองตัวมาให้ลองอ่านกัน

เริ่มที่แรงบิดกันก่อนเลย เจ้าแรงบิดหรือทอร์คนี้มีหน่วยที่ใช้กันหลายหน่วยเช่น ปอนด์ – นิ้ว หรือปอนด์ – ฟุต และหน่วย  SI  คือ  นิวตัน – เมตร ด้วยหน่วยที่บอกกันไปก็เป็นข้อสังเกตุได้ว่าเป็นค่าของแรงกระทำคูณกับระยะทางใดๆ

แรงบิดตัวของแกนหมุนใดๆ มีหน่วยวัดที่นิยม 3 แบบ คือ

ฟุต-ปอนด์ : โดยตัวเลขที่บอกจะเป็นความยาวของรัศมีการหมุน ที่มีแรงผลัก 1 ปอนด์
นิวตัน-เมตร : โดยตัวเลขที่บอกจะเป็นแรงผลักในหน่วย นิวตัน ที่รัศมีการหมุน 1 เมตร
กิโลกรัม-เมตร : โดยตัวเลขที่บอกจะเป็นแรงผลักในหน่วย กิโลกรัม ที่รัศมีการหมุน 1 เมตร

โดยถ้าเอามาใช้กับเครื่องยนต์แรงบิดนี้จะเป็นแรงที่กระทำต่อจุดหมุนของเครื่องคือเพลาข้อเหวี่ยง เราสามารถคำนวนหน่วยให้ออกมาเป็น หน่วย SI ได้ โดยมีความสัมพันธ์ดังนี้

1 ฟุต – ปอนด์ = 0.737265 นิวตัน – เมตร

1 กิโลกรัม – เมตร = 9.8 นิวตัน – เมตร

ส่วนเจ้าแรงม้า (Horse Power) จะเป็นการโฟกัสที่พละกำลังของเครื่องยนต์ในแต่ละรอบการหมุนของเครื่องยนต์นั้นๆที่มีหน่วยเป็น rpm หรือรอบต่อนาทีนั้นเอง หน่วยของแรงม้าที่ใช้กันมีดังนี้ แรงม้า (HP),แรงม้า (PS),กิโลวัตต์ (KW) และ BHP(กำลังของเครื่องยนต์ที่วัดจากเพลาเครื่อง) โดยสูตรการคำนวนมีดังนี้

HP = K x Torque x RPM โดยให้ค่า K เป็นค่าคงที่ในการคำนวน

BHP = IHP – FHP

ค่าของ  BHP นั้นจะเป็นค่าใช้งานจริงมากกว่าเนื่องจากเป็นการวัดจากการสูญเสียกำลังมาแล้วเนื่องจากเป็นการวัดจาดเพลาเครื่อง โดยมี IHP (Indicated Horse Power) เป็นค่าเต็มของแรงม้าเครื่องยนต์แบบเพรียวๆ ไปหักลบกับ FHP (Friction Horse Power) ซึ่งเป็นค่าแรงเสียดทานของเครื่องยนต์

หลังเราทำความรู็จักกับทั้ง แรงบิดและแรงม้ากับแล้ว สังเกตุหรือไม่ว่ามีความสัมพันธ์กันอย่างไร แน่นอนครับตามหลักของฟิสิกส์เบื้องต้น คือ กำลังจะเกิดขึ้นได้นั้นต้องมีแรงมากระทำให้เกิดงานเพื่อจะได้รับกำลัง จากสูตร  งาน(จูล) = แรง * ระยะทาง หรือ W = F x S และพลังงาน หรือในเนื้อเรื่องเชิงกลนั้นเป็นพละกำลัง ที่มีหน่วยเป็น วัตต์ (Watt) หรือ จูลต่อวินาที ออกมาเป็นสูตร  พลังงาน  =งาน * ความเร็ว(เมตรต่อวินาที) หรือ P = W x v 

โดยสูตร ทอร์คก็เป็นแรงที่ออกแรงแบบเชิงมุมนั้นเอง  = rF sin  = r F = r F  โดยแรงเป็นแรงที่กระทำเชิงมุมต่อองศานั้นๆ F = F sin  และระยะทางจากจุดหมุนคือ r = ระยะทาง(S) ฉะน้้น ทอร์ค ( ) = งาน (W) เมื่อได้งานออกมาจะนำมาหาพลังงานได้ในหน่วยของ  วัตต์ (Watt) หลังจากนั้น ใช้ความสัมพันธ์ของ  วัตต์ (Watt) กับ hp คือ

745.7 Watt  =  1 hp

0.7457 kW  =  1 hp

หรือจะหาความสัมพันธ์จากสูตรก็ได้ คือ

HP = K x Torque x RPM ถ้าจะหาค่า HP เมื่อกลับข้างสมการ

Torque = HP/(K x RPM)

**โดยค่า K เป็นค่าคงที่ = 0.001376**

ตัวอย่างการคำนวณ

ตัวอย่างที่ 1 
เครื่องยนต์ A มีแรงบิดสูงสุด 20.0 กิโลกรัม-เมตร ที่ 3,600 รอบต่อนาที มีแรงม้าสูงสุด 150 แรงม้า ที่ 6,000 รอบต่อนาที
คำนวณหา แรงม้า ที่แรงบิดสูงสุด ได้จาก : 3,600 X 20.0 X 0.001376 = 99.072 แรงม้า ที่ 3,600 รอบต่อนาที
คำนวณหา แรงบิด ที่แรงม้าสูงสุด ได้จาก : 150 / (6,000 X 0.001376) = 18.168 กิโลกรัม-เมตร ที่ 6,000 รอบต่อนาที

ตัวอย่างที่ 2 
เครื่องยนต์ B มีแรงบิดสูงสุด 20.0 กิโลกรัม-เมตร ที่ 4,500 รอบต่อนาที มีแรงม้าสูงสุด 150 แรงม้า ที่ 6,500 รอบต่อนาที
คำนวณหา แรงม้า ที่แรงบิดสูงสุด ได้จาก : 4,500 X 20.0 X 0.001376 = 123.84 แรงม้า ที่ 4,500 รอบต่อนาที
คำนวณหา แรงบิด ที่แรงม้าสูงสุด ได้จาก : 150 / (6,500 X 0.001376) = 16.771 กิโลกรัม-เมตร ที่ 6,500 รอบต่อนาที

แรงบิดเป็นแรงที่เกิดขึ้นต่อเพลาข้อเหวี่ยงต่อรอบหนึ่งๆ โดยจะมีเพียงรอบเดียวเท่านั้นที่จะสามารถดึงแรงบิดสูงสุดออกมาสามารถเป็นได้ทั้งรอบต่ำ กลาง หรือ สูง เนื่องจากแรงบิดนั้นเกิดขึ้นจากการจุดระเบิดด้วยส่วนประสมของการจุดระเบิดนั้นจะมีความรุนแรงแทนค่าเป็น F หรือแรงกระทำแต่จะต้องมีส่วนประสมของอากาศที่เหมาะสมและความถี่ที่สมบูรณ์ในการทำงานจึงสามารถดึงแรงบิดสูงสุดออกมาได้ ฉะนั้นจึงอยู่ที่การออกแบบเครื่องยนต์ว่าจะทีแรงบิดสูงสุดที่รอบเครื่องเท่าใด คิดภาพตามไปว่ายิ่งเครื่องหมุนเร็วอากาศและการอัดจะลดแรงลงแต่จะยิ่งหมุนเร็วขึ้นเพราะชนะแรงต้านได้แล้ว นั้นคือแรงบิดเตรื่องลงไม่ได้ทำให้ความเร็วรถลดลงไปด้วย ฉะนั้นทอร์คจึงมีผลต่ออัตราเร่งของรถเนื่องจากเป็นแรงที่กระทำโดยตรงยิ่งมีแรงมากก็ยิ่งที่แรงส่งสูง

ส่วนแรงม้าคือกำลังสูงสุดที่เครื่องยนต์ ก็มีเพียงรอบเดียวเท่านั้นที่สามารถดึงพลังงานสูงสุดออกมาได้พลังมีผลในทางการขับขี่ถึงความเร็วสูงสุดของเครื่องยนต์ P = W x v แทนสูตร v = s/t เป็น P = W x S/t ก็คือ ถ้าเทียบกับม้าที่ยกรอกติดน้ำหนัก 180 ปอนด์ พบว่า 1 ชั่วโมง ม้าจะหมุนได้ 144 รอบ นาทีละ 2.4 รอบ ขนาดรอก 12 ฟุต หมายถึง ม้ามีกำลัง 32,572 ฟุตปอนด์ต่อนาที นั้นเอง คือยิ่งกำลังม้าสูงก็จะยิ่งลากรอกน้ำหนัก 180 ปอนด์ มากกว่า 144 รอบ ใน 1 ชั่วโมง