Vääntö

Tätä artikkelia on pyydetty kuvitettavaksi. Syy: {{{1}}}. Tarkempia tietoja saattaa olla sivulla AutoWiki:Artikkelitoiveet.

Fysiikassa vääntöä (tunnus T) voidaan ajatella epämuodollisesti "pyörimisvoimana". Vääntöä mitataan newtonmetreillä. Väännön, usein puhutaan myös momentista, käsite periytyy Arkhimedeen työstä vipujen kanssa. Voiman, massan ja kiihtyvyyden pyörimisliikkeen yhtälöt ovat vastaavasti vääntö, hitausmomentti (inertiamomentti) ja kulmakiihtyvyys. Voima, jota käytetään vipuun kerrottuna vivun pituudella, on vääntö. Esimerkiksi kolmen newtonmetrin voiman käyttäminen vipuun, jonka pituus on kaksi metriä tuottaa yhtä paljon vääntöä kuin yhden newtonmetrin käyttäminen kuuden metrin vipuun.

Vääntö saadaan kulmanopeuden vektorin (r) ja voiman vektorin (F) tulona:

 T = r · F

Mekaaninen vääntö

Vääntö on osa moottorin perusmääritystä: moottorista saatu teho ilmaistaan sen väännöllä, joka on kerrottu pyörimisnopeudella. Polttomoottorit tuottavat käyttökelpoista vääntöä vain tietyllä kierroslukualueella (tyypillisesti noin 1 000-6 000 kierrosta minuutissa pienellä autolla). Ulos saatavaa kierroslukuriippuvaista vääntöä voidaan mitata dynamometrilla ja se voidaan ilmaista vääntökäyrällä. Vääntökäyrän huippu ei voi määrityksen mukaan ilmentyä suuremmalla kierrosnopeudella kuin suurin teho.

Väännön, tehon ja pyörimisnopeuden suhteen ymmärtäminen on olennaista rakennettaessa moottoria. Voimansiirron ja vaihteiston välityksen on oltava oikea, jotta moottorin vääntö saadaan hyödynnettyä parhaiten.

Höyrykoneet ja sähkömoottorit tapaavat tuottaa suurimman väännön kun pyörimisnopeus on nolla, väännön vähetessä kun pyörimisnopeus kasvaa (johtuen suuremmasta kitkasta ja muista haittatekijöistä). Tästä syystä tällaisilla moottoreilla on usein hyvin erilaiset voimansiirrot kuin polttomoottoreilla.

Väännön ja tehon suhde

Tämän artikkelin tai osion paikkansapitävyys on kyseenalaistettu, ja artikkeli tarvitsee tarkistamista. Artikkelin keskustelusivulla voi keskustella epäselvyyksistä. Kaikki tarkistettavat sivut

Jos voiman annetaan vaikuttaa jollakin matkalla, se tekee mekaanista työtä. Samalla tavalla, jos väännön annetaan vaikuttaa pyörivällä matkalla, se tekee työtä. Teho on tehty työ jaettuna ajalla. Aika ja pyöritty matka liittyvät toisiinsa kulmanopeudella, missä jokainen kierroksen matka on tuotosta ympyrän ympärysmitasta, joka on liikuttu voiman vaikutuksesta. Teho voidaan laskea seuraavalla tavalla:

 Teho = Vääntö x Kulmanopeus

Matemaattisesti yhtälö voidaan järjestää uudestaan, jotta vääntö voidaan laskea annetusta tehomäärästä. Käytännössä ei ole mitään suoraa tapaa mitata tehoa kun vääntö ja pyörimisnopeus voidaan mitata suoraan.

Johdonmukaisia mittayksiköitä pitää käyttää. SI-järjestelmässä tehon yksikkö on watti, väännön newtonmetri, kierrosnopeuden kierroksia/sekunnissa ja kulmanopeuden radiaaneja sekunnissa (ei kierroksia minuutissa eikä edes kierroksia sekunnissa).

Muunnokset toisiin yksiköihin

Eri tehon, väännön tai kulmanopeuden yksiköille muunnos tekijä täytyy olla sijoitettuna yhtälöön. Myös jos käytetään pyörimisnopeutta (kierroksia per yksikkö) kulmanopeuden sijaan (radiaaneja per yksikkö) muunnos tekijä 2π täytyy lisätä, koska kierroksessa on 2π radiaania:

 Teho = Vääntö x 2π x Pyörimisnopeus

jossa pyörimisnopeus on kierroksia per yksikkö.
Kaava SI-yksiköille:

               Vääntö (Nm) x 2π x Pyörimisnopeus (r/min)       Vääntö (Nm) x Pyörimisnopeus (r/min)
 Teho (kW) = --------------------------------------------- ≈ ----------------------------------------  
                                 60000                                        9549

60000 tulee 60 sekuntia per minuutti kertaa 1000 wattia per kilowatti. Jälkimmäinen muunnos tekijä on likiarvoinen, koska transsendenttinen numero π on siinä; tarkempi arvo on 9549,29658551372... Se tulee 60000 (Nm/min) / 2π (radiaaneja/revoluutioita).

Jotkut käyttävät hevosvoimia tehon, newtonmetrejä (Nm) / jalka-paunoja (lbf·ft) väännön ja r/min (kierroksia minuutissa) / rpm (revoluutioita per minuutti) kulmanopeuden ilmaisemiseksi.
Tämä kaava newtonmetreille:

               Vääntö (Nm) x Pyörimisnopeus (r/min)
 Teho (hv} = ----------------------------------------
                               7121

Tämä muunnos tekijä on likiarvoinen, koska transsendenttinen numero π on siinä; tarkempi arvo on 7120,91046381758... Se tulee 44742 (Nm/min) / 2π (radiaaneja/revoluutioita).

Ja tämä kaava jalka-paunoille:

               Vääntö (lbf·ft) x Pyörimisnopeus (rpm)
 Teho (hv} = ------------------------------------------
                                5252

Tämä muunnos tekijä on likiarvoinen, koska transsendenttinen numero π on siinä; tarkempi arvo on 5252,11312203255... Se tulee 33000 (ft·lbf./min) / 2π (radiaaneja/revoluutioita). Se vaihtelee tietysti myös hevosvoimien määrityksestä; esimerkiksi käytettäessä metristä hevosvoimaa siitä tulee ~5180.

Vääntökäyrä

Polttomoottorin vääntökäyrä on usein alaspäin avautuvan laakean kaaren muotoinen. Kuvassa vääntökäyrä on merkitty sinisellä.

Mittayksiköt

Väännön mittayksiköitä ovat newtonmetri ja pound-feet.

Lähde

• Artikkeli käyttää sisältöä englanninkielisen Wikipedian Torque-artikkelista. Wikipediasta voi ottaa tekstiä tietyin ehdoin, koska Wikipedia on GFDL-lisenssillä.