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La relación potencia-peso ( PWR ) (también llamada potencia específica o relación potencia-masa ) es un cálculo que se aplica comúnmente a motores y fuentes de energía móviles para permitir la comparación de una unidad o diseño con otro. La relación peso-potencia es una medida del rendimiento real de cualquier motor o fuente de energía. También se utiliza como una medida del rendimiento de un vehículo en su conjunto, con la salida de potencia del motor dividida por el peso (o masa) del vehículo, para dar una métrica que sea independiente del tamaño del vehículo. Los fabricantes suelen cotizar la relación potencia-peso en el valor máximo, pero el valor real puede variar en el uso y las variaciones afectarán el rendimiento.

La inversa de la relación potencia-peso, peso-potencia (carga de potencia) es un cálculo que se aplica comúnmente a aeronaves, automóviles y vehículos en general, para permitir la comparación del desempeño de un vehículo con otro. La relación potencia-peso es igual al empuje por unidad de masa multiplicado por la velocidad de cualquier vehículo.

Potencia-peso (potencia específica) [ editar ]

La fórmula de relación potencia / peso (potencia específica) para un motor (planta de energía) es la potencia generada por el motor dividida por la masa. Peso en este contexto es un término coloquial para masa . Para ver esto, tenga en cuenta que lo que un ingeniero quiere decir con la "relación potencia / peso" de un motor eléctrico no es infinito en un entorno de gravedad cero.

Un motor diesel V8 turboalimentado típico puede tener una potencia de 250 kW (340 hp) y una masa de 380 kg (840 lb), [1] lo que le da una relación potencia-peso de 0,65 kW / kg (0,40 hp / lb).

En las turbinas, a menudo se pueden encontrar ejemplos de altas relaciones de potencia a peso. Esto se debe a su capacidad para operar a velocidades muy altas. Por ejemplo, los motores principales del Transbordador Espacial usaban turbobombas (máquinas que consisten en una bomba impulsada por un motor de turbina) para alimentar los propulsores (oxígeno líquido e hidrógeno líquido ) en la cámara de combustión del motor. La turbobomba de hidrógeno líquido original es de tamaño similar a un motor de automóvil (pesa aproximadamente 352 kilogramos (775 lb)) y produce 72,000 hp (54 MW) [2] para una relación potencia-peso de 153 kW / kg (93 hp / lb).

Interpretación física [ editar ]

En la mecánica clásica , la potencia instantánea es el valor límite del trabajo promedio realizado por unidad de tiempo cuando el intervalo de tiempo Δ t se acerca a cero (es decir, la derivada con respecto al tiempo del trabajo realizado).

La unidad métrica que se usa típicamente de la relación potencia / peso es la que es igual . Este hecho permite expresar la relación potencia-peso puramente mediante unidades base SI . La relación potencia-peso de un vehículo es igual a su aceleración multiplicada por su velocidad; por lo que al doble de la velocidad, experimenta la mitad de la aceleración, siendo todo lo demás igual.

Poder de propulsión [ editar ]

Si el trabajo a realizar es el movimiento rectilíneo de un cuerpo con masa constante , cuyo centro de masa debe acelerarse a lo largo de un (posiblemente no recto) a una velocidad y ángulo con respecto al centro y radial de un campo gravitacional por un central eléctrica a bordo , entonces la energía cinética asociada es

dónde:

es la masa del cuerpo
es la velocidad del centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.

El principio trabajo-energía establece que el trabajo realizado al objeto durante un período de tiempo es igual a la diferencia en su energía total durante ese período de tiempo, por lo que la tasa a la que se realiza el trabajo es igual a la tasa de cambio de la energía cinética (en ausencia de cambios de energía potencial).

El trabajo realizado desde el tiempo t hasta el tiempo t + Δ t a lo largo de la ruta C se define como la integral de línea , por lo que el teorema fundamental del cálculo tiene que la potencia está dada por .

dónde:

es la aceleración del centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.
es una fuerza lineal, o empuje, aplicada sobre el centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.
es la velocidad del centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.
es un par de torsión aplicado sobre el centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.
es la velocidad angular del centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.

En la propulsión , la potencia solo se entrega si el motor está en movimiento y se transmite para hacer que el cuerpo esté en movimiento. En este caso, se asume típicamente que la transmisión mecánica permite que la central eléctrica opere a la potencia de salida máxima. Esta suposición permite el ajuste del motor para intercambiar el ancho de banda de potencia y la masa del motor por la complejidad y la masa de la transmisión. Los motores eléctricos no sufren esta compensación, sino que intercambian su alto par por tracción a baja velocidad. La ventaja de potencia o la relación potencia-peso es entonces

dónde:

es la velocidad lineal del centro de masa del cuerpo.

Potencia del motor [ editar ]

La potencia útil de un motor con salida de potencia del eje se puede calcular utilizando un dinamómetro para medir el par y la velocidad de rotación , alcanzando la potencia máxima cuando el par multiplicado por la velocidad de rotación es un máximo. En el caso de los motores a reacción, la potencia útil es igual a la velocidad de vuelo de la aeronave multiplicada por la fuerza, conocida como empuje neto, necesaria para hacerlo funcionar a esa velocidad. Se utiliza para calcular la eficiencia de propulsión .

Ejemplos [ editar ]

Motores [ editar ]

Motores de calor y bombas de calor [ editar ]

La energía térmica se compone de energía cinética molecular y energía de fase latente . Los motores térmicos pueden convertir la energía térmica en forma de gradiente de temperatura entre una fuente caliente y un disipador frío en otro trabajo mecánico deseable . Bombas de calor tomar trabajo mecánico para regenerar energía térmica en un gradiente de temperatura. Deben utilizarse definiciones estándar al interpretar cómo se transfiere la potencia propulsora de un motor a reacción o cohete a su vehículo.

  1. La relación total entre potencia y peso del vehículo se muestra a continuación

Motores eléctricos y generadores electromotrices [ editar ]

Un motor eléctrico utiliza energía eléctrica para proporcionar trabajo mecánico , generalmente a través de la interacción de un campo magnético y conductores portadores de corriente . Mediante la interacción del trabajo mecánico en un conductor eléctrico en un campo magnético, se puede generar energía eléctrica .

  1. La relación total entre potencia y peso del vehículo se muestra a continuación

Motores de fluidos y bombas de fluidos [ editar ]

Los fluidos (líquidos y gaseosos) se pueden usar para transmitir y / o almacenar energía usando presión y otras propiedades de los fluidos. Los motores hidráulicos (líquidos) y neumáticos (gas) convierten la presión del fluido en otros trabajos mecánicos o eléctricos deseables . Las bombas de fluido convierten el trabajo mecánico o eléctrico en movimientos o cambios de presión de un fluido, o el almacenamiento en un recipiente a presión .

Generadores termoeléctricos y actuadores electrotérmicos [ editar ]

Se pueden aprovechar una variedad de efectos para producir termoelectricidad , emisión termoiónica , piroelectricidad y piezoelectricidad . La resistencia eléctrica y el ferromagnetismo de los materiales se pueden aprovechar para generar energía termoacústica a partir de una corriente eléctrica.

Sistemas de celdas electroquímicos (galvánicos) y electrostáticos [ editar ]

Baterías (de celda cerrada) [ editar ]

Todas las baterías de celda electroquímica entregan un voltaje cambiante a medida que su química cambia de "cargada" a "descargada". El fabricante suele especificar una tensión de salida nominal y una tensión de corte para una batería. El voltaje de salida cae al voltaje de corte cuando la batería se "descarga". El voltaje de salida nominal es siempre menor que el voltaje de circuito abierto producido cuando la batería está "cargada". La temperatura de una batería puede afectar la energía que puede entregar, donde las temperaturas más bajas reducen la energía. La energía total entregada por un solo ciclo de carga se ve afectada tanto por la temperatura de la batería como por la potencia que entrega. Si la temperatura baja o la demanda de energía aumenta, la energía total entregada en el punto de "descarga" también se reduce.

Los perfiles de descarga de la batería a menudo se describen en términos de un factor de capacidad de la batería . Por ejemplo, una batería con una capacidad nominal expresada en amperios-hora (Ah) a una corriente de descarga nominal de C / 10 (derivada en amperios) puede proporcionar con seguridad una corriente de descarga más alta y, por lo tanto, una relación potencia-peso más alta, pero solo con menor capacidad energética. Por lo tanto, la relación potencia-peso de las baterías es menos significativa si no se hace referencia a la correspondiente relación energía-peso y la temperatura de la celda. Esta relación se conoce como ley de Peukert . [51]

Condensadores electrostáticos, electrolíticos y electroquímicos [ editar ]

Los condensadores almacenan carga eléctrica en dos electrodos separados por un medio ( dieléctrico ) semi-aislante de campo eléctrico . Los condensadores electrostáticos cuentan con electrodos planos en los que se acumula la carga eléctrica. Los condensadores electrolíticos utilizan un electrolito líquido como uno de los electrodos y el efecto de doble capa eléctrica sobre la superficie del límite dieléctrico-electrolito para aumentar la cantidad de carga almacenada por unidad de volumen. Los condensadores eléctricos de doble capa extienden ambos electrodos con un material nanoporoso como el carbón activado.para aumentar significativamente el área de la superficie sobre la que se puede acumular la carga eléctrica, reduciendo el medio dieléctrico a nanoporos y un separador muy delgado de alta permitividad .

Si bien los condensadores tienden a no ser tan sensibles a la temperatura como las baterías, tienen una capacidad significativamente limitada y, sin la fuerza de los enlaces químicos, sufren de autodescarga. La relación potencia-peso de los condensadores suele ser más alta que la de las baterías porque las unidades de transporte de carga dentro de la celda son más pequeñas (electrones en lugar de iones), sin embargo, la relación energía-peso suele ser más baja.

Pilas de pilas de combustible y baterías de pilas de flujo [ editar ]

Las celdas de combustible y las celdas de flujo , aunque quizás utilicen una química similar a las baterías, tienen la distinción de no contener el medio de almacenamiento de energía o el combustible . Con un flujo continuo de combustible y oxidante, las celdas de combustible y las celdas de flujo disponibles continúan convirtiendo el medio de almacenamiento de energía en energía eléctrica y productos de desecho. Las celdas de combustible contienen claramente un electrolito fijo, mientras que las celdas de flujo también requieren un flujo continuo de electrolito. Las celdas de flujo suelen tener el combustible disuelto en el electrolito.

  1. La relación total entre potencia y peso del vehículo se muestra a continuación

Fotovoltaica [ editar ]

Vehículos [ editar ]

Las relaciones de potencia a peso de los vehículos se calculan generalmente utilizando el peso en vacío (para automóviles) o el peso húmedo (para motocicletas), es decir, excluyendo el peso del conductor y la carga. Esto podría ser un poco engañoso, especialmente en lo que respecta a las motocicletas, en las que el conductor puede pesar entre 1/3 y 1/2 del vehículo en sí. En el deporte del ciclismo de competición, el rendimiento del atleta se expresa cada vez más en VAM y, por lo tanto, como una relación potencia / peso en W / kg. Esto se puede medir mediante el uso de un medidor de potencia de bicicleta o se puede calcular a partir de la medición de la inclinación de una carretera y el tiempo del ciclista para ascenderla. [101]

Vehículos utilitarios y prácticos [ editar ]

La mayoría de los vehículos están diseñados para satisfacer los requisitos de transporte de carga y comodidad de los pasajeros. Los diferentes diseños intercambian la relación potencia-peso para aumentar la comodidad, el espacio de carga, el ahorro de combustible , el control de emisiones , la seguridad energética y la resistencia. El arrastre reducido y la resistencia a la rodadura más baja en el diseño de un vehículo pueden facilitar un mayor espacio de carga sin aumentar la relación potencia / peso (carga cero). Esto aumenta la flexibilidad de funciones del vehículo. Las consideraciones de seguridad energética pueden compensar la potencia (normalmente disminuida) y el peso (normalmente aumentado) y, por tanto, la relación potencia / peso, por flexibilidad de combustible o hibridación del tren de transmisión.. Algunas variantes de vehículos utilitarios y prácticos, como las escotillas calientes y los vehículos deportivos utilitarios, reconfiguran la potencia (generalmente aumentada) y el peso para proporcionar la percepción del rendimiento de un automóvil deportivo o para otros beneficios psicológicos .

Una locomotora generalmente debe ser muy pesada para desarrollar suficiente adherencia sobre los rieles para arrancar un tren. Como el coeficiente de fricción entre las ruedas de acero y los rieles rara vez excede de 0,25 en la mayoría de los casos, mejorar la relación potencia / peso de una locomotora suele ser contraproducente. Sin embargo, la elección del sistema de transmisión de potencia, como la transmisión de frecuencia variable frente a la transmisión de corriente continua , puede respaldar una relación potencia-peso más alta al administrar mejor la potencia de propulsión.

Relación notablemente baja [ editar ]
Poder común [ editar ]
Rendimiento de lujo, roadsters y deportes suaves [ editar ]

Se debe tener en cuenta un mayor rendimiento del motor, pero también otras características asociadas con los vehículos de lujo . Los motores longitudinales son comunes. Las carrocerías varían desde hot hatches , sedán (berlinas) , coupés , descapotables y roadsters . Las motocicletas cruiser y de doble deporte de rango medio tienden a tener relaciones de potencia a peso similares.

Vehículos deportivos [ editar ]

La relación peso-potencia es una característica importante del vehículo que afecta la aceleración de los vehículos deportivos.

Aircraft[edit]

Propeller aircraft depend on high power-to-weight ratio to generate sufficient thrust to achieve sustained flight, and then to fly fast.

Thrust-to-weight ratio[edit]

Jet aircraft produce thrust directly.

Human[edit]

Power to weight ratio is important in cycling, since it determines acceleration and the speed during hill climbs. Since a cyclist's power to weight output decreases with fatigue, it is normally discussed with relation to the length of time that he or she maintains that power. A professional cyclist can produce over 20 W/kg (0.012 hp/lb) as a 5-second maximum.[486]

See also[edit]

  • Energy density
  • Engine power
  • Propulsive efficiency
  • Specific output
  • Thrust-to-weight ratio
  • Vehicle metrics
  • von Kármán–Gabrielli diagram

References[edit]

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External links[edit]

  • Measurespeed.com - Power to Weight Ratio Calculator
  • Power to Weight Ratio (PWR) Calculator