Ein Mensch so stark wie zwei Pferde! Geht das?
Diese zugegeben etwas provokante Frage wollen wir beantworten, in dem wir auf die Vergangenheit der Leistungsmessung von Maschinen aller Art blicken.
Imperiale Horse power (HP)
Die Erfindung der britischen Pferdestärken (HP) geht zurück auf den schottischen Erfinder James Watt, der die durch ihn stark verbesserte Dampfmaschine an Kohlebergwerke und Brauereien verkaufen wollte. Die potentiellen Kunden fragen sich schlicht, wieviel Pferde (die bis dato die Arbeit verrichteten) sie durch den Erwerb einer Dampfmaschine einsparen konnten.
Um den Wert zu ermitteln, beobachtete Watt im Jahr 1782 schwere Grubenpferde (oft Brauereipferde), die Kohlekübel über Seilzüge aus tiefen Schächten nach oben zogen. Er berechnete die Leistung nach einem einfachen physikalischen Prinzip: Kraft mal Weg pro Zeit. Ein typisches Pferd zog mit einer Kraft von schätzungsweise 150 Pfund (circa 68kg). Es lief dabei in einer Stunde eine Strecke, die umgerechnet etwa 2,5 Meilen entsprach. Diese 2,5 Meilen in einer Stunde entsprachen etwa 220 Fuß (ft) pro Minute.
Daraus errechnete er die englische Einheit von 33.000 foot-pounds per minute (150 lb multipliziert mit 220 ft). Natürlich konnte ein Pferd diese Leistung nicht den ganzen Tag gleichmäßig erbringen, so daß James Watt circa 50% auf diese Leistung aufschlug (Wann immer wir von Lebewesen und Leistung sprechen, sind erklärende Worte wie „dauerhafte Leistung“ oder „Spitzenleistung“ natürlich angebracht) und dies als 1 HP definierte.
Metrische Pferdestärke (PS)
Als man diese Einheit im 19. Jahrhundert nach Kontinentaleuropa (und damit nach Deutschland) importierte, stand man vor einem Problem: Das britische Pfund und der Fuß passten nicht ins metrische System mit Gramm und Metern. Die europäischen Ingenieure rechneten Watts 33.000ft-lb/min einfach in das metrische System um. Dabei kam ein etwas ungerader Wert heraus, den man für die Praxis kurzerhand glattbügelte:
Man definierte die metrische Pferdestärke (PS) so, dass ein Pferd 75 Kilogramm in einer Sekunde genau einen Meter nach oben zieht. Diese Definition war natürlich auch einfacher meß- und vergleichbar (weil z.B. bei Watts Beobachtungen Rollwiderstände der gezogenen Last von 68kg weitgehend unberücksichtigt blieben).
Weil bei dieser europäischen Rundung die Werte minimal angepasst wurden, gibt es bis heute einen winzigen Unterschied zwischen den Systemen: Das britisch-amerikanische 1 hp mit 745,7 Watt ist ein ganz kleines bisschen stärker als unser deutsches 1 PS mit 735,5 Watt.
Das Mißverständnis
Wegen Watts großzügiger Definition glauben viele, ein Pferd leiste genau 1 PS. Das stimmt so aber nicht: Ein echtes Pferd kann in der Spitze (beim schnellen Antreten oder Galoppieren) kurzzeitig bis zu 15 PS leisten! Die von James Watt definierte „1 PS“ entspricht eher der Leistung, die ein gesundes Arbeitspferd dauerhaft über einen ganzen Arbeitstag hinweg erbringen kann.
Ein trainierter menschlicher Leistungssportler schafft kurzzeitig (beim Sprint) übrigens auch mal gut und gerne 1,5 bis 2 PS, dauerhaft leistet ein Mensch im Schnitt aber nur etwa 0,1 PS.
Es gibt sie also, die Menschen mit der Kraft von zwei PS.
Der Weg zum Watt
Das PS war von Anfang an eine „unreine“ Einheit. Es basierte auf willkürlichen Werten (wie schwer ist ein Pferd, wie schnell läuft es?) und war eng an das jeweilige Land gebunden. Zudem breitete sich im späten 19. Jahrhundert die Elektrizität rasant aus. Niemand konnte sinnvoll erklären, wie viele „Pferdestärken“ durch ein Stromkabel fließen oder wie viel PS eine Glühbirne verbraucht.
Im Jahr 1889 wurde auf der „Zweiten Internationalen Generalkonferenz für Maße und Gewichte“ in Paris beschlossen, eine neue, universelle Einheit für Leistung einzuführen (in der gleichen Konferenz wurden auch das Urkilogramm und der Urmeter definiert). Man benannte sie zu Ehren von James Watt: das Watt (W). Physiker definierten das Watt über grundlegende Naturgesetze des sogenannten metrischen Systems (MKS-System: Meter, Kilogramm, Sekunde). Ein Watt wurde festgeschrieben als:
Der riesige Vorteil: Diese Formel lässt sich perfekt in die Elektrotechnik übersetzen. 1 Watt ist genau die Leistung, die entsteht, wenn ein Strom von 1 Ampere bei einer Spannung von 1 Volt fliesst.
Da man nun wusste, wie viel Energie genau ein Watt ist, und man gleichzeitig wusste, wie viel Energie genau ein metrisches PS ist (nämlich 75kg * (m/s)), konnten die Wissenschaftler beide Einheiten präzise miteinander vergleichen.
Sie berechneten über die Erdbeschleunigung (9,81 m/s²), wie viel elektrische bzw. physikalische Energie nötig ist, um die Leistung von 1 PS zu erbringen. Das Ergebnis: 1 PS = 735,49875 Watt
Obwohl das Watt wissenschaftlich längst etabliert war, hielten die Autofahrer und Motorradhersteller Anfang 1900 weiter stur an ihren geliebten PS fest (mehr PS klangen im Prospekt einfach nach mehr Kraft).
In Deutschland machte der Gesetzgeber dem Ganzen schließlich mit dem „Gesetz über Einheiten im Messwesen“ ein Ende: Seit dem 1. Januar 1978 wurde das Kilowatt (kW) zur einzig offiziellen, rechtlichen Einheit für die Leistung von Motoren im Straßenverkehr. Seitdem muss in jedem Fahrzeugschein (Zulassungsbescheinigung Teil I) der kW-Wert an erster Stelle stehen.
Wie wurde die Leistung gemessen?
Früher wie heute gilt: Die angegebene Leistung ist stets die Motorleistung an der Kurbelwelle. Verluste durch Getriebe, Allradantrieb und ähnliches, die dazu führen, dass die Kraft nicht mehr am Reifen ankommt, bleiben unberücksichtigt.
Anfang des 20. Jahrhunderts gab es keine Rollenmeßstände. Man montierte den nackten Motor auf dem Prüfstand und nutzte eine rein mechanische Meßmethode: den Prony’schen Zaum (auch Bremszaum genannt) oder dessen Weiterentwicklung, die Wasserwirbelbremse.
Allen Meßmethoden war die Grundeigenschaft gleich: Messen durch Abbremsen.
Bei der Methode des Bremszaum wurde direkt auf die Kurbelwelle ein Bremstrommel geschraubt. Um diese Trommel wurde ein Zaum gelegt, der innen mit Bremsbelägen ausgestattet war. Daran wiederum war ein starrer Hebel mit einer exakt definierten Länge befestigt. Das freie Ende des Hebels drückte auf eine mechanische Gewichtswaage.
Jetzt startete man den Motor, gab Vollgas und zog die Bremsschraube am Zaum langsam immer fester. Die Trommel wurde heiß, der Hebel drückte mit aller Kraft auf die Waage. Man zog die Bremse so weit an, bis die Motordrehzahl unter der Last gerade noch stabil gehalten wurde (oder zu sinken begann) – das war der Punkt der Höchstleistung.
Aus der Drehzahl und der Kraft auf der Waage ließ sich nun die PS-Zahl ermitteln.
Diese Meßmethode war aber so brutal für das Material (Hitze, Verschleiß, Ungenauigkeit), dass man in den 1920er Jahren begann, die Wasserwirbelbremse zur Leistungsmessung zu nutzen: Das Meßprinzip blieb das gleiche, aber statt Bremsbacken wurden verstellbare Wasserschaufeln genutzt, um einen Widerstand zu provozieren. Dies war wesentlich materialschonender.
Das Problem der Wasserwirbelbremse war deren Trägheit, physikalisch musste man Wassermengen steuern. 1931 wurde die Wirbelstrombremse (von den amerikanischen Brüdern Martin und Anthony Winther zur Reife gebracht, dort auch genannt Dynamometer) zur Leistungsmessung eingeführt. Benefit: Berührungslose Messung (da ein Magnetfeld eingesetzt wird) und blitzschnelle Reaktion (durch Ändern des Stromfluss im Elektromagneten).
Für den „normalen“ Motorradfahrer in der Werkstatt um die Ecke blieb die Technik allerdings noch lange Zeit unbezahlbar. Erst als in den 1980er und 1990er Jahren bezahlbare Computer und digitale Steuerungen hinzukamen, wurden die Wirbelstrombremsen auch in den kompakten Rollenprüfständen verbaut, die wir heute kennen.