Почему мощность автомобильных двигателей измеряется в крутящем моменте [Нм], а не в тяге [Н]?

Проблема с тягой в том, что это свойство всего транспортного средства (с определённой трансмиссией, определённым передаточным числом главной передачи и определённым размером привода), а не свойство двигателя. Кроме того, оно зависит от используемой передачи.

Есть один параметр, который не зависит от всего этого. Это мощность, измеряемая в лошадиных силах (обратите внимание, что существуют два разных несовместимых определения «лошадиной силы») или киловаттах. Это физическое ограничение двигателя, которое вы не можете преодолеть. Если двигатель вырабатывает 100 киловатт, вы никогда не получите от него 101 киловатт, но если двигатель вырабатывает 200 ньютон-метров на выходном валу, вы легко получите от него 2400 ньютон-метров на колёсах — просто включите первую передачу и выжмите педаль газа до упора.

Однако проблема с максимальной мощностью двигателя в киловаттах заключается в том, что она почти всегда достигается при частоте вращения, из-за которой двигатель работает очень шумно. Если вы хотите быстро разогнаться, вы можете переключиться на передачу, обеспечивающую более высокую частоту вращения двигателя, но переключение происходит медленно и ухудшает пользовательский опыт. Кроме того, если вы не хотите раздражать других участников дорожного движения шумом, возможно, вам стоит воздержаться от такого переключения.

Поэтому вам может понадобиться другой показатель, который описывает, насколько хорошо двигатель обеспечивает вращательную тягу (которая преобразуется трансмиссией и шинами в поступательную тягу) при текущей частоте вращения. Этот показатель должен быть максимально независимым от частоты вращения. Это крутящий момент. Обычно кривая крутящего момента очень плоская в рабочем диапазоне двигателя.

Проблема с крутящим моментом двигателя заключается в том, что трансмиссия и главная передача преобразуют его в крутящий момент на колёсах, и вам нужно выполнить это преобразование, чтобы получить крутящий момент на колёсах. Кроме того, для преобразования в поступательную силу в ньютонах необходимо знать размер колёс. Но в некоторых случаях, если вы хотите узнать, насколько хорошо вы можете разогнаться на подходящей передаче без переключения, вам нужно знать крутящий момент.

Теоретически в автомобиле с 6-ступенчатой механической коробкой передач можно указать шесть значений тяги на каждой передаче. Или можно указать только одно значение — крутящий момент двигателя. Обычно выбирают крутящий момент двигателя (наряду с мощностью двигателя), потому что это единственное число, отражающее характеристики двигателя. Кроме того, в двух разных автомобилях с одним и тем же двигателем, но разными коробками передач, передаточным числом главной передачи и разным размером шин крутящий момент двигателя остаётся неизменным, а тяга — нет. Кроме того, выбор передачи обычно зависит от желания избежать шума двигателя и скорости автомобиля, поэтому вам может быть даже не нужно знать, какую тягу можно получить на первой передаче, если вы едете по автомагистрали.

Сравнивать яблоки с апельсинами, например, Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, у которого максимальный крутящий момент достигается при 102 оборотах в минуту, с бензиновым двигателем автомобиля, у которого максимальный крутящий момент достигается при 4200 оборотах в минуту, несправедливо (да и в любом случае было бы несправедливо, ведь RTA96-C всегда побеждает!). Тогда нужно сравнивать мощность. Однако для двух двигателей со схожими характеристиками, например двух двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для автомобилей, а не для судов, сравнение крутящего момента может быть полезным, а в некоторых случаях даже более эффективным, чем сравнение мощности.

Реактивные двигатели самолётов создают линейную, а не вращательную тягу. Они выбрасывают поток газа с высокой скоростью, что создаёт линейную тягу. Поэтому в самолётах нужно измерять линейную тягу, а не крутящий момент. В самолёте нельзя переключать передачи!

Я добавлю немногое к ответу Kitsunemimi (который абсолютно верен).

Проще говоря, тяга — это ТОЛЬКО линейная сила, действующая в одном направлении.

Как уже было сказано, всё, что связано с двигателями внутреннего сгорания, в конечном счёте сводится к вращательной энергии (крутящему моменту), которая приводит к тяге (в некотором смысле, но не совсем). Даже там, где резина соприкасается с дорогой, мы имеем дело не с линейной силой, а с множеством вращательных сил, которые в каждый момент времени складываются, чтобы создать линейное движение. (Примечание: чтобы лучше это понять, можно в замедленной съёмке понаблюдать за задними колёсами дрэгстера при старте. Потрясающе.)

Как вы могли заметить, все остальные факторы, влияющие на «пользовательский опыт», весьма изменчивы: сцепление с дорогой, шины, вес груза и т. д. Единственное, что производитель может вам гарантировать, — это стандартная мощность двигателя — независимая от всех этих переменных — то есть просто крутящий момент. Наконец, как уже упоминалось, фактическое значение в Н·м/с², которое ощущает водитель, будет сильно меняться в зависимости от передаточных чисел, давления в шинах, размера колёс и даже от таких факторов окружающей среды, как температура, влажность, давление и т. д.

Даже в электромобилях в качестве характеристик используются крутящий момент и мощность, потому что пользователь может лучше представить, каким будет опыт использования. Они полностью игнорируют кривую крутящего момента в уравнении, но речь по-прежнему идёт о вращательной силе, а не о линейной.

На эту тему можно сказать многое, но Solar Mike и Moab в общих чертах объясняют основную причину. Крутящий момент — это не показатель, который был выведен для описания «пользовательского опыта», это измерение силы, которую способен создать двигатель. Двигатели вращаются, поэтому они создают крутящий момент. Ракеты и реактивные двигатели толкают, поэтому они создают тягу (как правило). В конце концов, это просто ещё одно число, описывающее характеристики транспортного средства. Как и в случае со многими другими числами, вам нужно понимать, как их интерпретировать, чтобы они были вам полезны. Скорее всего, вас больше интересует время разгона от 0 до 100 км/ч.

Я не уверен на 100 % в правильности этого ответа (пожалуйста, прокомментируйте, если заметите ошибки)

Во-первых, указанное значение крутящего момента говорит само за себя. На самом деле это просто максимальное значение на кривой (поскольку крутящий момент зависит от частоты вращения двигателя). Интерес представляет кривая крутящего момента.

Это значит, что если мы сравним два автомобиля с одинаковым весом, то нет никакой гарантии, что в дрэг-рейсинге победит тот, у которого выше максимальный крутящий момент и максимальная мощность. И даже если у двух автомобилей будут одинаковые показатели крутящего момента и мощности, нет никакой гарантии, что победит тот, у которого эти показатели выше. Потому что это также зависит от передаточного числа коробки передач и главной передачи (и размера колёс).

На следующем рисунке показана кривая крутящего момента для автомобиля, включая коробку передач!

Все цвета, кроме красного, обозначают крутящий момент для каждой передачи, а красный — просто комбинацию.

Теперь о тяге. Неявно кривая тяги определяется кривой крутящего момента в сочетании с размером колёс и передаточным числом главной передачи. Если вы перемножите эти числа, то (как мне кажется) получите кривую тяги. Как видите, кривая тяги имеет пик на низких скоростях (в данном случае около 48–56 км/ч). Таким образом, кривая тяги даёт некоторое представление об ускорении, возможно, более понятное, чем просто показатель крутящего момента.

Однако вам придётся учесть вес автомобиля, сопротивление воздуха и качению и т. д. и т. п., чтобы получить представление об ускорении (которое, как я полагаю, и представляет интерес). А в таком случае разве нельзя просто построить кривую ускорения?

Кроме того, скорее всего, производитель посчитает, что проще указать число, а не всю кривую. Вероятно, это будет максимальное число, и вопрос в том, насколько интересна максимальная тяга, ведь она возникает только один раз, а затем резко падает. Так что в этом случае, как говорит @Kitsunemimi, не лучше ли использовать числа от 0 до 60?