Relación potencia-peso

Si el trabajo a realizar es el movimiento rectilíneo de un cuerpo con masa constante${\displaystyle m\;}$, cuyo centro de masa debe acelerarse a lo largo de una línea (posiblemente no recta) hasta una velocidad${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$y ángulo${\displaystyle \phi \;}$con respecto al centro y radial de un campo gravitatorio por una planta de energía a bordo, entonces la energía cinética asociada es

${\displaystyle E_{K}={\tfrac {1}{2}}m|\mathbf {v} (t)|^{2}}$

dónde:

${\displaystyle m\;}$es la masa del cuerpo

${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$es la velocidad del centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.

El principio de trabajo-energía establece que el trabajo realizado sobre un 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 en la energía potencial).

El trabajo realizado desde el tiempo t hasta el tiempo t + Δt a lo largo de la trayectoria C se define como la integral de línea.${\displaystyle \int _{C}\mathbf {F} \cdot d\mathbf {x} =\int _{t}^{t+\Delta t}\mathbf {F} \cdot \mathbf {v} (t)dt}$, por lo tanto, el teorema fundamental del cálculo tiene que la potencia está dada por${\displaystyle \mathbf {F} (t)\cdot \mathbf {v} (t)=m\mathbf {a} (t)\cdot \mathbf {v} (t)=\mathbf {\tau } (t)\cdot \mathbf {\omega } (t)}$.

dónde:

${\displaystyle \mathbf {a} (t)={\frac {d}{dt}}\mathbf {v} (t)\;}$es la aceleración del centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.

${\displaystyle \mathbf {F} (t)\;}$Es una fuerza lineal  , o empuje  , aplicada sobre el centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.

${\displaystyle \mathbf {v} (t)\;}$es la velocidad del centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.

${\displaystyle \mathbf {\tau } (t)\;}$es el torque aplicado sobre el centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.

${\displaystyle \mathbf {\omega } (t)\;}$es la velocidad angular del centro de masa del cuerpo, que cambia con el tiempo.

En la propulsión , la potencia solo se entrega si la planta motriz está en movimiento y se transmite para que el cuerpo se mueva. Normalmente se asume que la transmisión mecánica permite que la planta motriz opere a su máxima potencia. Esta suposición permite que la optimización del motor compense la complejidad y la masa de la transmisión con un mayor ancho de banda de potencia y una mayor masa del motor. Los motores eléctricos no sufren esta compensación, sino que sacrifican su alto par motor por tracción a baja velocidad. La ventaja de potencia o relación potencia-peso es entonces

${\displaystyle {\mbox{P-to-W}}=|\mathbf {a} (t)||\mathbf {v} (t)|\;}$

dónde:

${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$es la velocidad lineal del centro de masa del cuerpo.

La potencia útil de un motor con potencia de salida en el eje se puede calcular utilizando un dinamómetro para medir el par y la velocidad de rotación , alcanzándose la potencia máxima cuando el par multiplicado por la velocidad de rotación es máximo. En 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 que alcance dicha velocidad. Se utiliza para calcular la eficiencia propulsora .

La energía térmica se compone de energía cinética molecular y energía de fase latente . Las máquinas térmicas pueden convertir la energía térmica, en forma de gradiente de temperatura entre una fuente caliente y un sumidero frío, en otro trabajo mecánico deseable . Las bombas de calor utilizan trabajo mecánico para regenerar energía térmica en un gradiente de temperatura. Deben utilizarse definiciones estándar al interpretar la transferencia de la potencia propulsora de un motor a reacción o cohete a su vehículo.

Un motor eléctrico utiliza energía eléctrica para realizar trabajo mecánico , generalmente mediante la interacción de un campo magnético y conductores que transportan corriente . Mediante la interacción del trabajo mecánico sobre un conductor eléctrico en un campo magnético, se puede generar energía eléctrica .

Los fluidos (líquidos y gaseosos) pueden utilizarse para transmitir y/o almacenar energía mediante la presión y otras propiedades propias de los fluidos. Los motores hidráulicos (de líquido) y neumáticos (de gas) transforman la presión del fluido en trabajo mecánico o eléctrico . Las bombas de fluido transforman el trabajo mecánico o eléctrico en movimiento o cambios de presión del fluido, o en su almacenamiento en un recipiente a presión .

Diversos efectos pueden aprovecharse para producir termoelectricidad , emisión termoiónica , piroelectricidad y piezoelectricidad . La resistencia eléctrica y el ferromagnetismo de los materiales pueden utilizarse para convertir la corriente eléctrica en energía termoacústica.

Todas las celdas electroquímicas proporcionan un voltaje variable a medida que su composición química cambia de "cargada" a "descargada". El fabricante de una batería suele especificar un voltaje de salida nominal y un voltaje de corte. El voltaje de salida cae al voltaje de corte cuando la batería se "descarga". El voltaje de salida nominal siempre es menor que el voltaje de circuito abierto que se produce cuando la batería está "cargada". La temperatura de una batería puede afectar su potencia de salida; a temperaturas más bajas, esta disminuye. La energía total suministrada durante un ciclo de carga se ve afectada tanto por la temperatura de la batería como por la potencia suministrada. Si la temperatura baja o la demanda de potencia aumenta, la energía total suministrada en el punto de "descarga" también se reduce.

Los perfiles de descarga de las baterías suelen describirse en función de un factor de la capacidad de la batería . Por ejemplo, una batería con una capacidad nominal expresada en amperios-hora (Ah) a una corriente de descarga nominal C/10 (derivada en amperios) puede proporcionar de forma segura una corriente de descarga mayor  —y, por lo tanto, una mayor relación potencia-peso—  , pero solo con una menor capacidad energética. Por consiguiente, la relación potencia-peso de las baterías resulta menos significativa sin tener en cuenta la relación energía-peso correspondiente y la temperatura de la celda. Esta relación se conoce como la ley de Peukert . ^{[ 54 ]}

Los condensadores almacenan carga eléctrica en dos electrodos separados por un campo eléctrico en un medio semi-aislante ( dieléctrico ). Los condensadores electrostáticos cuentan con electrodos planos sobre 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 en la interfaz dieléctrico-electrolito aumenta la cantidad de carga almacenada por unidad de volumen. Los condensadores de doble capa eléctrica extienden ambos electrodos con un material nanoporoso , como el carbón activado, para aumentar significativamente 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 no suelen ser tan sensibles a la temperatura como las baterías, su capacidad es significativamente limitada y, al carecer de la resistencia de los enlaces químicos, sufren autodescarga. La relación potencia-peso de los condensadores suele ser mayor que la de las baterías, ya que los portadores de carga en los condensadores son más pequeños (electrones en lugar de iones); sin embargo, la relación energía-peso suele ser menor.

Las pilas de combustible y las pilas de flujo , aunque posiblemente empleen una química similar a la de las baterías, no contienen el medio de almacenamiento de energía ni el combustible . Mediante un flujo continuo de combustible y oxidante, las pilas de combustible y las pilas de flujo disponibles convierten continuamente el medio de almacenamiento de energía en energía eléctrica y productos de desecho. Las pilas de combustible contienen un electrolito fijo, mientras que las pilas de flujo requieren un flujo continuo de electrolito. En las pilas de flujo, el combustible suele estar disuelto en el electrolito.

Generalmente, una locomotora debe ser pesada para lograr la adherencia suficiente a los rieles y poder arrancar un tren. Dado que el coeficiente de fricción entre las ruedas de acero y los rieles rara vez supera 0,25, mejorar la relación potencia-peso de una locomotora suele ser contraproducente. Sin embargo, la elección del sistema de transmisión de potencia, como un variador de frecuencia frente a un sistema de corriente continua , puede permitir una mayor relación potencia-peso mediante una mejor gestión de la potencia de propulsión.

La mayoría de los vehículos están diseñados para satisfacer las necesidades de comodidad de los pasajeros y de carga. Los diseños de vehículos sacrifican 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 autonomía. Una menor resistencia aerodinámica y una menor resistencia a la rodadura en el diseño de un vehículo pueden permitir un mayor espacio de carga sin aumentar la relación potencia-peso (sin carga). Esto aumenta la flexibilidad de funciones del vehículo. Las consideraciones de seguridad energética pueden sacrificar la potencia (generalmente disminuida) y el peso (generalmente aumentado), y por lo tanto la relación potencia-peso, a cambio de flexibilidad de combustible o hibridación del tren motriz . Algunas variantes de vehículos utilitarios y prácticos, como los compactos deportivos y los vehículos utilitarios deportivos, reconfiguran la potencia (generalmente aumentada) y el peso para proporcionar la percepción de un rendimiento similar al de un automóvil deportivo o para obtener otro beneficio psicológico .

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

Los aviones de hélice dependen de una alta relación potencia-peso para generar el empuje suficiente para lograr un vuelo sostenido y, posteriormente, para alcanzar velocidad.