Wędrówki po świecie mocy. Czy „więcej” zawsze znaczy „lepiej”?

Jednym z zagadnień, które wprowadzają sporo zamieszania, jest moc. Dlaczego ten, wydawałoby się, dość oczywisty temat potrafi tak łatwo wywieść w pole naszą intuicję? Spróbujmy poszukać odpowiedzi na to pytanie.

Forma tego materiału, a zwłaszcza niektóre z przykładów, zaprezentowane zostały z lekkim przymrużeniem oka. Nie zmienia to jednak faktu, że temat oraz zawarte w materiale sugestie traktować należy zupełnie serio.

IM WIĘCEJ CIEBIE…

W przypadku różnych dyskusji na temat mocy większość z nas prezentuje powszechnie znany pogląd, który mówi, że „więcej – znaczy lepiej”. Chcemy mieć większe wzmacniacze i „mocniejsze” głośniki, by nasz system był głośniejszy! Pomijając aspekt finansowy ocena mocy jest w rzeczywistości głównym (lub jedynym) kryterium branym pod uwagę przy zakupie wzmacniaczy i głośników przez zdecydowaną większość osób. Skoro tak, to spróbujmy obiektywnie przyjrzeć się roli, jaką pełni moc w systemie nagłośnieniowym – starając się zachować obiektywizm, czyli nadmiernie nie umniejszając, ale też nie wyolbrzymiając przesadnie jej znaczenia.

W tym miejscu powiedzmy sobie od razu coś, co dla wielu osób może okazać się prawdziwym zaskoczeniem. Otóż moc znamionowa jest zaledwie jednym z elementów rozległej układanki, która daje pełny obraz rzeczywistych możliwości. Dlatego też próba charakteryzowania wzmacniaczy lub głośników na podstawie mocy znamionowej jest mniej więcej tym samym, co próba dokonania charakterystyki osobowości jedynie na podstawie fotografii danej osoby. Niestety, zwykle jest jeszcze coś więcej (a raczej o wiele więcej) niż tylko to, co możemy stwierdzić za pomocą wzroku.

Dla lepszego zrozumienia istoty zagadnienia zapomnijmy na chwilę o systemach nagłośnieniowych (za wyjątkiem sporadycznych odniesień) i przyjrzyjmy się mocy w aspekcie innych sytuacji, jakie znamy z codziennego życia. Pewne pojęcia, które zostały zapisane pogrubioną czcionką, mają kluczowe znaczenie dla kontekstu, w jakim zostały użyte.

Zacznijmy od wyjaśnienia

KILKU PODSTAWOWYCH POJĘĆ

Moc charakteryzują dwa główne określenia: moc wytwarzana oraz moc zużywana. Patrząc od strony wytwarzania to rzeczywiście trudno byłoby nie zgodzić się ze stwierdzeniem, że „więcej – oznacza lepiej”, bo przecież zawsze chcemy mieć zapewnioną większą moc, niż potrzebujemy.

Jeśli natomiast spojrzymy na wszystko od strony zużycia, to szybko zorientujemy się, że jednak „mniej – znaczy lepiej”. Dlaczego lepiej? Dlatego, że przy mniejszym zużyciu oszczędzamy pieniądze. Jeżeli określony zakres pracy zostanie wykonany przy mniejszym zużyciu mocy, to oszczędzamy pieniądze. Niestety, proces wytwarzania mocy zwykle wiąże się również z generowaniem określonych kosztów. Należy też pamiętać, że moc jest marnowana, jeśli nie robi czegoś pożytecznego!

W systemach elektroakustycznych wzmacniacze i głośniki spełniają podwójną rolę – zużywają, a zarazem też generują moc. Wzmacniacz zużywa moc pobieraną ze źródła zasilania i generuje moc, która napędza głośnik. Głośnik zużywa moc dostarczaną przez wzmacniacz i generuje moc akustyczną w pomieszczeniu. Ilości mocy generowanej i zużywanej jest szacowana tak samo. Jedna i druga wielkość wyrażana jest w watach. Dlatego właśnie – choćby tylko z uwagi na ten fakt – należy dokładnie zwracać uwagę na to, o jaką moc znamionową w danym momencie chodzi, gdyż, jak wcześniej ustaliliśmy, patrząc od strony wytwarzania większa wartość będzie korzystniejsza, natomiast z punktu widzenia zużycia korzystniejsza będzie wartość mniejsza.

Prawa dotyczące mocy są analogiczne zarówno dla układów elektrycznych, jak i mechanicznych. Przykłady tych ostatnich są jednak bardziej rozpowszechnione, a przynajmniej łatwiejsze do zauważenia w codziennym życiu.

ENERGIA

Rozważania proponuję zacząć od energii, gdyż – jak głosi jedna z naukowych teorii – to właśnie od energii wszystko się zaczęło. Źródłami energii są: elektrownie, samochody, lokomotywy, materiały wybuchowe, zwierzęta i ludzie, ale są też mniej oczywiste źródła, jak rośliny, woda, wiatr, a nawet śmieci. Każde z wymienionych źródeł energii musi czerpać własną energię z czegoś innego, tworząc w ten sposób olbrzymią sieć współzależności. Co prawda twierdzenie takie kwestionowane jest przez biblijną teorię stworzenia świata, ale tego wątku w naszych rozważaniach nie będziemy podejmować. Większość energii na planetę Ziemia dostarczana jest przez Słońce, które jest podstawowym źródłem energii podtrzymującej fizyczną sferę naszej egzystencji.

Wprowadźmy w tym miejscu kilka kolejnych pojęć. Energia wyrażana jest w dżulach [J], a dzielimy ją na energię potencjalną, czyli, mówiąc w dużym uproszczeniu, zgromadzoną w różnych przedmiotach w związku z ich położeniem w przestrzeni, i energię kinetyczną (czyli energię ruchu), jaką na przykład prezentuje woda napędzająca turbinę. Praca jest efektem użycia określonej siły do przemieszczenia przedmiotu na określoną odległość. Moc jest wynikiem wykonania pracy. Opisuje nam ona jak szybko została wykonana praca. Moc wyznaczamy poprzez stosunek pracy do czasu jej wykonania, a więc określa nam ona pracę wykonaną w danym przedziale czasu.

MOC

Żeby wygenerować moc, musi zostać wykonana praca w odniesieniu do przedziału czasu. Jeśli przedział czasu potrzebny do wykonania pracy ulegnie skróceniu – wygenerowana moc jest większa. Warto pamiętać o tym, patrząc na „chwilową moc szczytową” w specyfikacjach technicznych. To istotny punkt w rozważaniach, więc jeszcze do niego wrócimy. Moc może być wyrażona w watach [W], gdzie jeden wat równy jest jednemu dżulowi na sekundę.

Myślę, że dobrym przykładem dla zobrazowania procesu generowania i zużywania mocy jesteśmy my sami, czyli nasz organizm. Ludzie czerpią energię z pokarmów. Jest ona następnie magazynowana w postaci tkanki tłuszczowej, która później spalana jest podczas wykonywania codziennych czynności życiowych. Nieustannie doświadczamy procesu zamiany jednej form energii w drugą. Proces ten zachodzi nieprzerwanie przez cały okres naszego życia. Szczerze mówiąc, nikt chyba nie pokusił się, by kiedykolwiek zmierzyć jego efektu w sposób inny, niż poprzez niechętny rzut oka na wyświetlacz wagi łazienkowej, na której zdarza się nam okazjonalnie stawać, żeby sprawdzić ile kilogramów udało się zrzucić od poprzedniego ważenia.

Spróbujmy zmierzyć generowaną przez organizm moc za pomocą roweru treningowego – takiego, którego wyświetlacz pozwala na wyrażenie odczytu w watach. Jeśli nie, to mogą być też kalorie, cykle/minutę, tętno, albo nawet temperatura ciała. Istnieje wiele możliwości mierzenia generowanej mocy i większość z tych metod sprowadza się do kalkulacji szacunkowych.

Teraz możesz już wskoczyć na wspomniany rower treningowy i zacząć intensywnie pedałować, obserwując wskazania wyświetlacza. Jeżeli będziesz pracować ciężko, to możesz uzyskać około 100 dżuli na sekundę, czyli 100 W. Pedałując nieprzerwanie generujesz 100 W uśrednionej mocy ciągłej. Jeżeli utrzymasz ten proces przez okres godziny, to uzyskasz 100 Watogodzin [Wh]. Gdyby rower połączony był z siecią producenta energii, to mógłbyś odsprzedać wygenerowaną moc, zyskując na tym kilka groszy (dosłownie) za swój wysiłek, a producent zamieniłby całą wygenerowaną moc w energię elektryczną.

Obserwując bacznie Twój wysiłek przez pewien okres czasu moglibyśmy przypisać mu wartość znamionową, określającą jak dobrze spełniasz się w roli generatora. Wartość znamionowa wskazywałaby jak dużo mocy możesz dostarczyć. Wartość ta wyrażona byłaby w watach, ale są też i inne możliwości jej zobrazowania. Moglibyśmy na przykład porównać Cię z koniem i wyrazić Twoje możliwości w koniach mechanicznych. Jeden koń mechaniczny równa się 746 W, co stawia Twoją wartość znamionową na poziomie 0,075 konia mechanicznego. Wynika z tego, że potrzeba byłoby co najmniej dziesięciu ludzi, by wygenerować tyle samo mocy, ile generuje koń. Nie powinien więc nikogo dziwić fakt, że to właśnie koń, a dziś znacznie częściej jego współczesny odpowiednik – traktor, brane są pod uwagę podczas wykonywania ciężkich prac w rolnictwie.

Wracając do wielkości znamionowych – człowiek, który byłby zdolny do wygenerowania 100 W mocy w krótszym czasie niż inny człowiek, byłby uznany za wydajniejsze źródło. Do czego zmierzam? Otóż jeśli z tego rozważania „usuniemy” jednostkę czasu, to dokonanie porównania dwóch źródeł mocy okaże się niemożliwe! Jeżeli nie jest określony przedział czasu, to przyjęte założenie, że źródło jest w stanie utrzymać swoją znamionową moc jest błędne. Warto o tym pamiętać, rozważając zakup wzmacniaczy!

Energia elektryczna, którą zużywamy, generowana jest przez wytwórców na kilka różnych sposobów. Najczęściej jest to spalanie różnych surowców, przepływ wody i inicjowanie reakcji łańcuchowej. Dostawca wystawia nam fakturę za każdą kilowatogodzinę zużytej energii elektrycznej. Oczywiście każdy producent i dostawca stara się mieć jak największą korzyść z naszego zużycia. Żaden z nas – czyli odbiorców – nie chwali się dużym zapotrzebowaniem na moc, ale raczej tym, z jak niewielkim zapotrzebowaniem na moc potrafi sobie świetnie radzić.

Głośnik musimy również postrzegać w identycznych kategoriach, czyli „nie mów mi ile on zużywa, ale ile wytwarza”. Decyzja zakupu głośników opierająca się wyłącznie na ich jak największej mocy znamionowej może okazać się tym samym, co typowanie do zakupu samochodu według kryterium „ilość kilometrów na litr”, a następnie wybór tego, którego kilometraż jest najgorszy!

Doskonale wiemy (również z doświadczenia), że przemieszczaniu przedmiotu z punktu A do punktu B towarzyszy zawsze przyłożenie siły wprawiającej przedmiot w ruch, a także siły działającej w kierunku przeciwnym. W układach mechanicznych siłą przeciwdziałającą przemieszczaniu przedmiotów jest tarcie. Pochłania ono częściowo dostarczoną moc, zamieniając ją w ciepło, które jest kolejną formą energii. W układach elektrycznych odpowiednikiem ciepła jest rezystancja. „Hamuje” ona przepływ prądu przez elementy układu elektrycznego oraz przewodniki, powodując rozpraszanie (czyli marnowanie) części mocy w postaci wydzielanego ciepła.

Rezystancja stanowi obciążenie dla źródła, które musi ją pokonać. Zmniejszenie rezystancji powoduje zwiększenie mocy oraz większy przepływ prądu. Mówimy wówczas, że źródło jest bardziej obciążone.

Sposób przedstawienia zależności jest oczywiście dużym uproszczeniem. Chodzi o to, by nie zagłębiać się w zagadnienia fizyki bardziej niż jest o absolutnie konieczne, bo przecież nie o wzory i obliczenia tu chodzi.

Wróćmy jeszcze do tematu obciążenia. Z opisanego wcześniej powodu dwa głośniki połączone równolegle zmuszają wzmacniacz do generowania globalnie większej mocy, niż dostarczałby on dla jednego tylko głośnika. Jednak moc przypadająca na każdy z dwóch połączonych równolegle głośników jest mniejsza. Sytuację tę możemy porównać do dwóch identycznych wiader z wodą. Jedno z nich ma jeden otwór, a drugie – dwa otwory. Dodam, że otwory w obu wiadrach są identyczne pod każdym względem. Nietrudno chyba odgadnąć, że wiadro z dwoma otworami będzie traciło wodę dwukrotnie szybciej, niż wiadro z jednym otworem, gdyż woda napotyka w nim na mniejszy opór zatrzymujący ją wewnątrz, co pozwala na jej większy przepływ.

Zużyciu mocy zawsze i wszędzie towarzyszy wydzielanie się ciepła. Można powiedzieć nawet, że jeśli nie ma ciepła – nie ma zużycia mocy. Czynnikiem wyznaczającym moc znamionową głośnika jest jego zdolność do rozpraszania ciepła. Przeciążony głośnik to ten, który coraz bardziej się rozgrzewa. Przypomnę, że poza „grilowaniem” znanych jest jeszcze kilka innych – równie skutecznych – metod „uciszania” głośników, ale nie są one akurat związane bezpośrednio z zagadnieniem dotyczącym mocy.

Marek Witkowski