مفهوم اسب بخار — به زبان ساده

در گذشته‌های نه چندان دور، اصلی‌ترین منبع تأمین توان در مزارع کشاورزی، اسب‌ها بودند. تا قبل از ظهور تراکتور، برای حمل انواع بار از اسب استفاده می‌شد. اگر قرار بود هنوز هم کشاورزان برای تولید غذا به نیروی محرکه اسب‌ها متکی باشند، شاید به بیست برابر تعداد فعلی اسب‌ها در کره زمین نیاز داشتیم. امروزه تقریباً همه ما می‌دانیم که اصطلاح اسب بخار (Horsepower) به توان موتور اشاره دارد. توان را می‌توان به عنوان سرعت انجام کار تعریف کرد. این کمیت به صورت نسبت کار انجام شده به مدت زمان انجام آن کار محاسبه می‌شود. یکای اندازه‌گیری توان (چه مکانیکی و چه الکتریکی)، وات است. یک وات برابر با یک ژول کار است که در یک ثانیه انجام می‌شود. هر ژول انرژی به صورت متر بر کیلوگرم بر ثانیه تعریف می‌شود.

اما واحد دیگری هم وجود دارد که برای اندازه‌گیری توان به صورت متداول به کار می‌رود. این واحد، اسب بخار است. هر اسب بخار معادل 746 وات است. یک اسب بخار، برابر با مقداری از انرژی است که یک اسب معمولی قادر به انتقال آن باشد. البته شاید اسب‌های امروزی با ۸ ساعت کار روزانه، نتوانند بیشتر از ۵۰۰ وات انرژی تولید کنند!

فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی 1 در فرادرس

کلیک کنید

برای رسیدن به درک بهتری از این واحد اندازه‌گیری بهتر است یادآوری کنیم که توان یک لامپ روشنایی حبابی، ۱۰۰ وات و توان یک مایکروفر در حدود ۱۰۰۰ وات است. «یوسین بولت» (Usain Bolt) دونده افسانه‌ای اهل جامائیکا، در سال 2009 میلادی هنگامی که رکورد دوی صد متر جهان را می‌شکست، توانی برابر با 2620 وات داشت. این عدد معادل 3/5 اسب بخار است. اما داستان اسب بخار از کجا شروع شد؟ چرا «جیمز وات» (James Watt)، پای اسب را به مهندسی مکانیک کشاند؟

تاریخچه اسب بخار

شروع داستان به سال 1702 میلادی برمی‌گردد که «توماس ساوری» (Thomas Savery) پس از اختراع یکی از نمونه‌های اولیه موتور بخار، در کتاب «دوست معدن‌چی» متن زیر را نوشت.

فرض کنید موتور [پمپ آب]، آب را با قدرتی بالا بکشد که معادل کار همزمان دو اسب در کنار هم باشد. در این حالت و برای انجام پیوسته این کار، نیاز است ۱۰ یا ۱۲ اسب [بیکار] در مزرعه خود نگهداری کنید. بنابراین به عقیده من، این موتور به اندازه ۱۰ تا ۱۲ اسب کار می‌کند. در آینده، می‌توان موتورهای بزرگتری طراحی کرد که به اندازه هشت، ده، پانزده یا حتی بیست اسب، توان انجام کار داشته باشند.

تصویر بالا، موتور بخار ساخته شده توسط توماس ساوری را نشان می‌دهد. پس از توسعه موتور بخار توسط جیمز وات، مهندس و مخترع اسکاتلندی، نیاز به معیاری بود تا بتوان موتورهای بخار مختلف را باهم مقایسه کرد. در ابتدا، وات ادعا می‌کرد که موتور او نسبت به موتور نیوکامن، 75 درصد سوخت کمتری مصرف می‌کند و با این وجود برتری‌هایی هم دارد. ولی برای اثبات این ادعا، نیاز به معیار شفاف‌تری بود. معیاری که با استفاده از آن، کشاورزان بتوانند برای خرید موتور از او، تصمیم‌گیری کنند. طبق محاسباتی که وات انجام داد، یک اسب معمولی می‌تواند چرخ آسیاب را ۱۴۴ دور در هر ساعت بچرخاند. قطر چرخ، 24 فوت است. بنابراین، اسب در هر دقیقه، مسافتی برابر 12 فوت (۳/۷ متر) را می‌پیماید. جیمز وات ادعا کرد که اسب، نیروی 180 پوند را به چرخ وارد می‌کند. در نتیجه، توان آن را به صورت زیر محاسبه کرد.

$$\large P=\frac {W}{t}=\frac {Fd}{t} = \frac{180\:lbf\times 2.4\times 2\pi\times 12\:ft}{1\:min}=32,572\:\frac{ft.lbf}{min}$$

مقدار به دست آمده از رابطه قبل، به $$\large \:\frac{ft.lbf}{min}$$ 33000 گرد شد و به عنوان استانداردی برای یک اسب بخار، به کار رفت. به شکل زیر توجه کنید. بر این اساس، یک اسب با توان یک اسب بخار می‌تواند مثلاً 330 پوند زغال‌سنگ را تا ارتفاع یکصد فوت بالا ببرد.

برخی از تبدیل‌های اسب بخار

یک اسب بخار، معادل 746 وات است. یعنی اگر مطابق شکل زیر، اسبی با قدرت یک اسب بخار شروع به دویدن روی تردمیل کند، قادر است 746 وات برق تولید کند.

یک اسب بخار، معادل $$BTU$$ 2545 انرژی گرمایی است. یعنی اگر 746 وات برق تولید شده در حالت قبل را تماماً در اختیار یک بخاری برقی قرار دهید، انرژی معادل $$BTU$$ 2545 تولید می‌شود. این مقدار انرژی قادر است، دمای یک پوند آب یک درجه فارنهایت را به میزان یک درجه افزایش دهد.

واحد $$BTU$$ معادل 1055 ژول یا 252 گرم-کالری است. در نتیجه، هر اسب بخار می‌تواند 641 کالری را در هر ساعت بسوزاند.

اندازه‌گیری اسب بخار

برای اندازه‌گیری اسب بخار در یک موتور، باید از یک دینامومتر استفاده کرد. دینامومتر قادر است به موتور، باری اعمال کند و در ادامه، توان تولیدی موتور را تحت آن بار اندازه‌ بگیرد. به طور مشابه، اگر محور (شفت)ی را به یک موتور متصل کنیم، موتور می‌تواند گشتاوری به محور اعمال کند.

فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی 2 در فرادرس

کلیک کنید

در این حالت، می‌توان از دینامومتر برای اندازه‌گیری این گشتاور استفاده کرد. دینامومترها عموماً گشتاور را به صورت پوند-فوت (نیوتن-متر) اندازه‌گیری می‌کنند. برای تبدیل گشتاور به اسب بخار، کافیست گشتاور را در سرعت موتور ضرب کنیم. مخرج کسر، تبدیل واحدها را تصحیح می‌کند.

$$\large \frac {T (lbf.ft)\times N (radiens/second)}{5.252} = hp (lbf.ft/second)$$

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مهندسی مکانیک و فیزیک، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی مکانیک
• آموزش فیزیک پایه 1
• موتور بخار چگونه کار می‌کند؟ — به زبان ساده
• قضیه کار و انرژی — به زبان ساده
• انرژی پتانسیل چیست؟ — به زبان ساده
• گرانش چیست؟ — به زبان ساده

^^