「馬力」之源:為什麼有那麼多功率單位

2021-01-09 騰訊汽車

一匹馬的平均力量有多大。發明了蒸汽機的瓦特先生就對1 馬力做出了自己的規定:1 匹馬在1 小時內拉動磨盤144 圈(每分鐘2.4 圈)的工作能力。這裡提到的磨盤半徑是12 英尺,瓦特假設馬的拉力是180 磅。這樣計算下來,瓦特規定的1 馬力大約是32572 英尺·磅/ 分鐘。為了計算的方便,那時候的科學家把這一數據簡化為33000 英尺·磅/ 分鐘,換算成公制單位大概是745.699872 W,也就是0.746 千瓦。

「馬力」這個概念被人為創造出來之後,最初用來比較蒸汽機與馬匹在一段持續時間內的工作能力,後來被廣泛地應用到活塞引擎、轉子引擎、電動機等機械領域內。根據所在領域的不同,1 馬力的數值會有細微的不同。

儘管一百多年前的人們對於測量的精度沒有精確的計量方式,但在19 世紀和20 世紀當中,人們提到的「1 馬力」在今天看來基本是相對穩定的。隨著德國汽車工業的逐漸壯大,使用不同計算方式的德國人對於德國汽車功率的計算方式也和英國人不同,這也導致後來我們在汽車引擎性能領域逐漸看到兩種測量方法。英國人把自己的英制單位擴展到了大英帝國統治的很多地區,這包括印度、美國等。而德國人遵循著工程學上很嚴謹的計量方式,1 米和1 千克都有著精確的定義。所以,英制的1 馬力大概對應0.746 千瓦,而公制的 1 馬力大概等於0.735 千瓦。

中國在度量衡方面採用了比較嚴謹的米制體系,所以我們日常使用米和千克(等同於公斤)來計算長度和重量。所以我們更應該使用公制(或者說德系)的功率計算方式。千瓦是中國官方規定的計量功率的單位,這在家庭用電或者工程機械方面沒有問題。

讓自然吸氣引擎的升功率達到100 馬力。這是全球汽車業內一個瘋狂的舉動,100 馬力/ 升的性能數字,至今仍然被很多資深車迷用來評判一款新誕生的汽車能否算得上「高性能」。不過要把這個數字換算成千瓦的話,大概是73.5 千瓦,已經失去了100 這個數字給人的「跨越感」。的確,如果有人說「:這款引擎的升功率達到了73.5 千瓦。」相信很少有人會被這句話背後的卓越性能表現打動,但如果說:「 這款車的升功率超過了100 馬力。」相信即使外行的人也會覺得這是個了不起的成績。

最終,我們決定開始使用公制馬力來計量汽車的功率,也就是使用ps 來衡量引擎。另外兩個單位在不同領域也都有廣泛的應用,但千瓦過於學術而且普通讀者很難有直觀感覺,英制馬力的使用範圍不大。搞清楚這三者之間關係之後,我們就可以自己換算不同的功率單位了。一名健康的成年人在瞬間可以產生最大1.2 馬力功率,這是個很優秀的數字。但要想持續無限時間地工作下去,那輸出功率就要降低到0.1 馬力左右了。經過專業訓練的田徑運動員可以在瞬間爆發2.5 馬力,但也只能以0.3 馬力的狀態持續工作幾個小時。那是不是可以認為人的勞動能力和馬差不多呢?答案是否定的:健康的馬可以在幾個小時內持續輸出1 馬力功率,而科學家們從它們身上測量到的瞬間峰值功率超過了10 馬力。

那對於我們的汽車呢?你只要輕點油門,引擎轉速很快就會超過2000 轉/ 分鐘。以普通的2.0 升家用轎車來說,這時候的輸出功率大約是50 馬力。從理論上來說,相當於有50 匹馬在拉你前進。那些動輒超過500 馬力的跑車就更誇張了,設想一下它前面相當於多少匹健壯的馬在拉著跑⋯⋯當然汽車的功率並不能全部轉化為前進的動力,在克服了部件摩擦、動力損耗和滑動之後,最後傳遞到輪胎的功率大約是引擎功率的80%~98%。手動變速器效率最高,而使用液力變矩器的普通自動變速器效率最低。

英國人以自己獨特的文化為出發點,規定了1 英尺和1 磅這種獨特的長度與重量單位。但是這兩個單位與我們經常使用的米和千克計量單位存在一個很奇怪的換算關係,1 英尺並不能對應一個整數的米,同樣1 磅也不能對應一個整數的千克數字。所以不同單位的功率數字在換算時候會出現很多小數。在汽車領域,我們常見到的有千瓦、英制馬力(bhp)和公制馬力(hp、ps)。對於千瓦這個單位,由於它的定義非常嚴謹不會跟其它單位混淆,我們不用過多介紹。經常被人們混淆的是英制馬力(bhp,但有時也用hp 表示)和公制馬力(hp,或者ps),兩者相對千瓦都有固定的換算關係。除此之外,還有電機領域的功率,也用hp 表示。在工程技術領域,bhp 也用來表示引擎在扣除水泵、發電機、油泵動力損失之後,傳遞到變速器之前的功率。需要說明的是:如果使用hp 來衡量功率,通常需要在後面標註是哪種馬力。例如用字母I 來表示英制功率,M 來表示公制功率,E 來表示電機功率。

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