Considera un'automobile che viaggia ad una certa velocità, costante, in pianura. QUesta automobile, per procedere richiederà una certa energia, che serve essenzialmente per vincere la resistenza dell'aria, gli attriti interni e l'attrito volvente degli pneumatici.
In queste condizioni, l'energia erogata dal motore è esattamente in equilibrio con quella dissipata nel processo; se il processo richiede, in un'unità di tempo, una certa energia, nella stessa unità di tempo il motore deve erogare la medesima quantità di energia.
La potenza è, da questo punto di vista, la velocità alla quale viene prodotta/ceduta l'energia; matematicamente è la derivata rispetto al tempo dell'energia.
Energia e lavoro sono dimensionalmente equivalenti; se l'automobile di cui sopra ad un tratto si trova ad affrontare una salita, rallenterà; e lo farà fino al punto in cui la resistenza dell'aria più gli attriti più l'energia potenziale impiegata per variare di quota saranno equivalenti all'energia erogata dal motore.
In altri termini l'automobile rallenterà, ed il guidatore avrà due possibilità: o procedere ad una velocità minore fino alla sommità della salita. oppure premere sull'acceleratore chiedendo al motore più energia per compensare la richiesta addizionale.
Alla fine, l'automobile giungerà comunque alla fine della salita, più o meno velocemente. Il lavoro compiuto sarà quindi uguale; ciò che sarà cambiato sarà la velocità con la quale è stato compiuto, quindi la potenza erogata.
Con il cambio di velocità fai fondamentalmente la stessa cosa; quando, in salita, scali di marcia sei più lento, ma l'energia che il tuo motore eroga ti consente, seppur più lentamente, di guadagnare la sommità della salita.
Pertanto, la velocità raggiunta è una questione di bilancio: se l'energia erogata e quella dissipata si equivalgono, l'auto procede a velocità costante, se lìenergia erogata è minore l'auto decelera fino al punto di equilibrio, se è maggiore accelera fino al punto di equilibrio.
In pratica, l'accelerazione dipende in maniera diretta (a parità di altre condizioni) dalla potenza che richiedi al motore, e cioè dalla velocità con il quale esso è in grado di erogare l'energia; escludendo le dissipazioni per attrito, infatti. si fa riferimento al rapporto peso/potenza per avere un'idea delle accelerazioni.
Quello che occorre considerare è allora come viene generata l'energia, e come il motore trasmette la potenza.
Il motore, essenzialmente, trasforma l'energia chimica del carburante in energia meccanica, e lo fa con un rendimento abbastanza basso (circa il 25%) ed un'efficienza ancora minore.
Il metodo che usa è quello di riscaldare una massa di gas (principalmente composta da aria), la quale si espande e preme contro un pistone.
L'energia prodotta dipende linearmente da due fattori: la quantità del gas e la sua temperatura. A parità di massa, a temperature maggiori corrispondono energie maggiori; a parità di temperatura, a masse maggiori corrispondono energie maggiori.
Quest'ultima condizione è l'esatto motivo per il quale motori di cilindrata maggiore erogano potenze maggiori: la massa di gas che si espande è più grande.
Un modo di ottenere lo stesso effetto è quello di usare un compressore: comprimi l'aria che devi "stipare" nello stesso volume (la cilidrata). A parità di cilindrata potrai avere così masse maggiori.
Se la massa d'aria è maggiore, per portarla alla stessa temperatura ti servirà più carburante; questo è il motivo per il quale quando nei Diesel aumenti la sola pressione di sovralimentazione ma non quella del carburante l'incremento di prestazioni è basso: hai una massa maggiore, ma più fredda. L'energia calorica contenuta nella massa maggiore resta uguale, e non hai vantaggi in termini di potenza.
L'energia per azionare il compressore può essere ricavata in diversi modi; quelli che si usano, essenzialmente, sono due: viene azionato dall'albero motore (compressore volumentrico), o viene azionato da una turbina che sfrutta i gas di scarico (turbocompressore). Vi sono degli altri metodi che per certi versi sarebbero più "promettenti"...
Ambedue i metodi in uso hanno un difetto: poichè anche la compressione richiede energia, e questa è proporzionale, in ultima analisi, alla velocità alla quale dira il compressore, la quantità di aria compressa è dipendente dalla velocità alla quale gira il compressore (comunque esso sia fatto).
E poichè a basso numero di giri esso gira lentamente (qualunque sia il metodo per azionarlo), a basso numero di giri l'incremento della massa d'aria a parità di cilindrata è minore, ed il motore è in grado di erogare meno energia.
L'energia erogata dal motore ad ogni ciclo è quella che chiamiamo "coppia"; sorvoliamo sul perchè la chiamiamo in questo modo, ma essa viene espressa, nel sistema MKS in Newton*metro, e cioè forza (Newton) per spostamento (metro).
La forza è quella esercitata sul pistone dalla massa d'aria, che si trasmette attraverso la biella, mentre lo spostamento sarebbe quello della corsa.
Così, nel calcolo della potenza erogata devi considerare due cose:
1) L'energia erogata ad ogni "spinta"
2) il numero di volte nell'unità di tempo in cui il pistone "spinge"
In pratica, la potenza erogata è proporzionale alla forza di ogni singola "spinta", per il numero di volte in cui ciò avviene nell'unità di tempo; è cioè proporzionale al prodotto della coppia per i giri al minuto.
Per il momento mi fermo qui, ma questo dovrebbe aver reso chiaro diversi aspetti sui quali si discute, spesso senza cognizione di causa, e che invece trovano qui una spiegazione chiara:
1) a cosa serve un compressore
2) perchè per richiedere maggiori prestazioni ad un motore Diesel devi aumentare la pressione nel rail
3) il motivo per il quale a maggiori prestazioni devono necessariamente corrispondere maggiori consumi
4) il motivo per cui i motori ad autoaccensione, pur sviluppando coppie mediamente superiori dei motori ad accensione comandata di pari cilindrata, erogano potenze inferiori.
In particolare, riguardo al punto 3), è chiaro come funziona la faccenda. Fin quando un motore a benzina ed un motore Diesel lavorano allo stesso numero di giri, la potenza erogata dal Diesel sarà maggiore, perchè maggiore è la coppia.
Giunti al punto in cui il Diesel non può continuare a salire di giri, mentre il motore a benzina può farlo, il motore a benzina erogherà potenze sempre maggiori, nonostante la coppia più bassa, fin quando la potenza erogata supererà quella el Diesel.
Pertanto, alla fine, i motori a benzina consentono un'accelerazione superiore (rapporto peso/potenza), ma questo non può mai verificarsi nelle prime fasi dell'accelerazione, in cui il numero di giri è basso e la maggiore coppia del DIesel si traduce in una maggior potenza.
Se questo ti ha chiarificato il quadro e ti consente di rivedere le tue riflessioni, bene; altrimenti andiamo avanti.
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