O que a classificação 'hp' realmente significa em relação a um motor de aeronave?

O que é potência? É uma medida do trabalho que um cavalo pode fazer em uma hora, inventado no tempo dos motores a vapor, a fim de entender o que eles poderiam fazer, numa época em que todo o trabalho era feito por humanos e cavalos. Como de costume, antes do SI, havia muitas definições de cavalos de potência. Aqui está o do wiki, sobre o que um cavalo métrico poderia fazer:

Observe que há um elemento de tempo na imagem: se o cavalo leva o dia inteiro para aumentar o peso de um metro de altura, ele não é muito poderoso.

Hoje em dia, a unidade de energia é o Watt, depois de James Watt, que cunhou a unidade de potência para vender seus motores a vapor. É definida como a força em Newton, necessária para mover 1 kg em um metro em um segundo:

$$ 1 W = 1 \ frac {N \ cdot m} {s} $$

Nessas unidades, você pode ver uma força vezes uma velocidade, e essa é uma maneira de ver qual é a potência: você precisa de mais potência para dirigir mais rápido em uma colina. Mas estas são entidades lineares, e a maior parte da energia é feita por motores rotativos. As unidades rotativas são o torque (N * m) e a velocidade do giro do motor (rad / s).

Com motores, faz diferença onde a potência é medida. Sempre há perdas causadas pelo atrito e pela conversão de energia, e quanto mais próximo você mede no eixo de saída do motor, maior a leitura. Isso é o que os fabricantes de veículos preferem: a potência do motor do carro é medida no virabrequim, não nas rodas que realmente o impulsionam pelas estradas, porque entre o motor e as rodas há perdas de transmissão.

A pergunta por que a potência é usada para classificação do motor, e não força ou torque, é interessante. É a força que nos acelera: $ F = m \ cdot a $. Podemos engrenar a força do motor ou a saída de torque conforme necessário - se a engrenagem não tivesse perdas, a potência antes e depois da mudança seria a mesma. Portanto, a potência é útil para comparar as capacidades dos motores, independentemente das marchas. No entanto, eles sempre serão os recursos máximo .

Com uma aeronave, a potência do motor precisa impulsionar a aeronave através da hélice. A hélice entrega o impulso T e pode conduzir o avião na velocidade V, sendo a velocidade máxima onde o arrasto é igual ao impulso. A potência do motor é impulsionada vezes a velocidade no ar, mais a potência necessária para superar as perdas: perdas mecânicas devido ao atrito e perdas aerodinâmicas devido à eficiência da hélice.

Sua pergunta sobre ter uma aeronave com um quarto do peso e tamanho similar. O empuxo é necessário para superar o arrasto aerodinâmico, tanto o arrasto de fricção quanto o arrasto induzido pela elevação. Arraste de fricção permanecerá igual, o arrasto induzido pelo elevador será 1/4 da versão de peso total. Você precisará de mais de 45 hp para que a aeronave de um quarto de comprimento possa viajar na mesma velocidade de cruzeiro.

A imagem é desta fonte mais informativa : o poder parasita permanece o mesmo, o poder induzido diminui um fator 4. Observe que em baixas velocidades a potência induzida é dominante, em altas velocidades a potência parasita é dominante. Assim, com um motor de 45 hp, você sairá do chão se o peso for reduzido pelo fator 4, mas a velocidade máxima será muito menor.

Peço desculpas se estou simplificando demais, mas a saída dos motores de pistão geralmente pode ser medida nas rodas ou na manivela. Como as aeronaves não têm rodas motorizadas, o que estamos medindo é puramente a potência que o motor pode fornecer no eixo de manivela / saída, onde podemos conectar diretamente a nossa hélice.

Quando os fabricantes listam potência, eles realmente querem dizer "potência máxima". Isso é calculado diretamente a partir do torque que o motor pode fornecer em uma rotação específica. O motor fornecerá saídas diferentes (isto é, menos) em velocidades diferentes. Então você pode pensar em cavalos de potência como o cálculo do torque multiplicado pelo RPM. (Na verdade, ele é dividido por um valor arbitrário para transformá-lo em 'cavalos'), com o valor da lista sendo a maior combinação de torque x rpm que o mecanismo pode fornecer.

O torque é a medida da força real que a rotação do motor pode fornecer. Então, como o RPM é o multiplicador, um motor muito rápido, mas com baixo torque, pode ter mais BHP do que um motor lento mas com torque. Pense na diferença entre um caminhão e um carro esportivo leve - o caminhão precisa de muito mais força para se mover, de modo que um motor de carro esportivo de alta potência será inútil se não puder fornecer o torque necessário.

Sozinho, ele também não diz nada sobre eficiência ou, por exemplo, a quantidade de tempo que os componentes podem sustentar isso. Também não define como essa potência é aproveitada - 100hp por meio de uma hélice emplumada produz resultados diferentes para uma hélice sem pluma, por exemplo.

Como deve ficar claro, um único valor de potência não informa a história completa sobre um motor.

Para qualquer motor sem pistão, precisaríamos desse valor em alguma forma de eixo de saída para compará-lo como para o mesmo. Você precisaria de detalhes mais específicos sobre a medição de qualquer mecanismo específico para determinar onde a medição foi feita.

Finalmente, mesmo quando a comparação é "justa", porque a potência é um produto de torque e RPM, não podemos dizer que dois motores de 100hp são iguais. Precisamos saber exatamente quando na "curva de potência" que esse poder é entregue. Isso não é linear, daí a necessidade de dinamizar os motores.

Se, no entanto, você puder encontrar dois mecanismos que fornecem a mesma potência na mesma rotação (ou seja, eles seriam os mesmos em um gráfico), o desempenho deve ser semelhante. Mas, infelizmente, temos que discutir coisas como o tempo de resposta em que, por exemplo, um motor a jato pode levar muito tempo para enrolar, mas um motor elétrico pode ser quase instantâneo.

TL; DR A comparação de usinas de energia é realmente muito difícil, mesmo com números completos. Comparar com base em um único número é, na melhor das hipóteses, indicativo.

Além das outras respostas: para motores de combustão interna, a potência nominal é a quantidade máxima de potência que o motor pode produzir, ou seja, com aceleração máxima aplicada e no ponto ótimo em sua faixa de rotação. Uma maneira mais abrangente de indicar quanta potência um motor tem, é a curva de potência / torque como exemplo aleatório :

Isso mostra como a potência de saída varia com o rpm. O pico nesta curva é cotado como potência nominal.

Para motores elétricos, por outro lado, a potência de entrada é freqüentemente especificada, certamente para o tipo de motor elétrico que você tem em casa. Para motores elétricos, esta é uma figura importante porque você tem que dimensionar a fonte de alimentação de acordo: você não vai longe se conectar um motor de 10kW a uma bateria de penlite.

Agora, os motores elétricos são muito eficientes: cerca de 95% da potência de entrada é convertida em movimento do eixo de saída. Sua bomba de água irá converter 950 W em movimento e apenas 50 W em calor.

Motores de combustão interna são muito menos eficientes. Um motor a gasolina realmente bom converte cerca de 30% da energia em seu combustível em movimento (diesel pode chegar a 40%). O resto é perdido como calor e ruído, através do sistema de arrefecimento e do escape.