La respuesta puede parecer obvia: 'porque son menos masivas'. Pero, ¿cuál es la relación física correcta aquí?
Si se instalaran dos motores idénticos en una bicicleta (digamos, 200 kg) y un automóvil (1000 kg), ellos:
a) emitir energía idéntica durante un tiempo dado. Entonces, cuando se convierte en energía cinética a través de la velocidad de la bicicleta después de un período dado será más rápida que la del automóvil por un factor de la raíz cuadrada de cinco porque .
O bien, ¿los dos motores idénticos b) generarán una fuerza instantánea idéntica ? Entonces, cuando se convierte en aceleración a través de , la bicicleta acelerará cinco veces más rápido .
También hay un elemento de resistencia al viento , por lo que podríamos suponer que la bicicleta tiene una cuarta parte del área de la superficie orientada hacia la fuente (ignorando cualquier diseño aerodinámico). Supongo que esto es parte de la ecuación que regiría la velocidad máxima. (Me encantaría un indicador de cómo calcular este par conocido dado (y, por lo tanto, la fuerza en el neumático ) y el arrastre).
Algunos aspectos de esta pregunta se relacionan con la ingeniería . Por ejemplo, la tendencia a que los motores de las bicicletas estén sobrediseñados en comparación con los motores de automóviles de precio similar. También puede haber un efecto de que la potencia de la bicicleta se aplique a la rueda o al suelo de manera más directa que la del automóvil. Pero realmente estoy preguntando sobre la física de la situación.
Suponga el mismo motor en cada vehículo. Suponga que la bicicleta es una quinta parte de la masa del automóvil. ¿Será la aceleración de la bicicleta cinco veces la del automóvil, o la raíz cuadrada de cinco?
También estoy un poco interesado en la diferencia en la capacidad de frenado, suponiendo la mitad del contacto en la carretera y una quinta parte del impulso a una velocidad equivalente.
Hay dos puntos importantes a tener en cuenta en el rendimiento de un vehículo
El poder sobre el peso es directamente proporcional a la aceleración. De hecho, la aceleración (sin la resistencia del aire) es exactamente potencia sobre impulso.
Entonces, en la comparación entre un automóvil y una motocicleta, considere que la relación potencia / peso (y, por lo tanto, potencia sobre masa) es mucho mayor para una motocicleta.
Esto juega un papel a velocidades medias. A velocidades más bajas, la tracción es importante y, a velocidades más altas, las fuerzas aerodinámicas se vuelven significativas.
La tracción obliga a que la aceleración sea muy similar en la 1.ª marcha para la mayoría de los vehículos (con la salvedad de que las motocicletas pueden hacer caballitos, lo que aumenta la tracción). Entonces, si inicialmente la aceleración se limita a algunos lo que difiere entre vehículos es la velocidad a la que se produce la aceleración debido a la potencia solamente. Llamemos a esto , y suele corresponder a la velocidad máxima en primera marcha.
Una vez más, cuanto mayor sea la relación entre potencia y peso, mayor velocidad se puede alcanzar en la primera marcha (en general). Un semirremolque, por ejemplo, puede cambiar de 1.ª a 2.ª marcha a 10 mph, mientras que un automóvil de pasajeros puede hacerlo a 40 mph y una motocicleta a 70 mph.
Entonces, una motocicleta puede acelerar en el límite máximo de tracción a una velocidad más alta y luego pasar a la aceleración bajo potencia. Por supuesto, hay muchos factores que intervienen en el diseño de transmisiones y lo anterior es una simplificación muy tosca.
la tasa de aceleración máxima de cualquier vehículo está determinada por su relación potencia-peso. Es común tener motos deportivas en estos días que pesan entre 500 y 600 libras (con conductor) que contienen motores de 100 HP, por lo que pueden acelerar más que casi cualquier automóvil de calle. De hecho, debido a esto, incluso un Honda CM450 puede acelerar más que un Porsche 912.
La velocidad máxima está determinada por la relación potencia-resistencia. El término dominante en la suma de arrastre es el área frontal proyectada que es pequeña para una bicicleta y grande para los autos, razón por la cual la clase de motos deportivas de superbike (150HP+) puede alcanzar casi 150MPH en 150HP.
La relación potencia-peso es un factor, pero otro factor clave para una motocicleta de 0 a 60 mph en comparación con un automóvil con tracción delantera o trasera es que el centro de masa relativamente alto de la motocicleta significa que se transfiere más peso a la llanta trasera, o a todos. el peso en el caso de un caballito, que a su vez permite una mayor fricción relativa en la rueda motriz, lo que generalmente resulta en más de 1 g de aceleración en motocicletas de gama alta.
La situación puede haber cambiado con algunos autos híbridos con tracción total como el Tesla Model S P100D, con una aceleración controlada de lanzamiento de 0 a 60 mph en 2.5 segundos, siempre que haya suficiente tracción (probablemente se necesite una pista de carreras de resistencia con VHT). El Ferrari LaFerari tarda 2,4 segundos y el Porsche 918 Spyder 2,2 segundos. Esto iguala o supera a las bicicletas más rápidas con los mejores ciclistas encorvados sobre el tanque para reducir el factor de caballito. Algunas pruebas de bicicletas se realizan con la parte delantera amarrada y los amortiguadores traseros ajustados a la máxima rigidez y altura o bloqueados en su posición.
En una situación en la calle, parece poco probable que incluso con un par uniforme aplicado por los motores eléctricos a las 4 ruedas, simplemente no habrá suficiente tracción para que los autos logren tiempos de 0 a 60 mph por debajo de los 3 segundos.
Sin embargo, una vez pasadas las 60 mph, o más como 80 mph, dado que esa es la primera marcha en las bicicletas de gama alta, la bicicleta acelera más que casi todos los autos, debido a la relación potencia-peso.
En cuanto a las motos, las motos de alta gama ahora tienen alrededor de 200 hp (Ducati V4R es de 230 hp con escape opcional), pero debido al factor de caballito, los tiempos de 0 a 60 mph no han mejorado mucho, se mantienen alrededor de 2.5 a 2.6 segundos. Por ejemplo, el Suzuki Hayabusa de primera generación de 175 hp iguala el tiempo de 0 a 60 mph del ZX-14R actual de 200 hp, que es 40 lb más pesado y posiblemente con un centro de masa más atrás y/o más alto. La ZX-14R es aproximadamente 0,25 segundos más rápida que la Busa en una carrera de 1/4 de milla (9,5 frente a 9,75 con un ciclista profesional en una buena pista).
Lo primero es lo primero. Si tienes dos vehículos idénticos, excepto la masa, entonces sí puedes calcular F=ma y KE = 1/2 mv^2 y verás que estas dos ecuaciones están vinculadas. Y si ignoras la fricción, te dirían lo mismo. (pero es posible que necesite un poco de cálculo ), por lo que (a) y (b) en su pregunta son iguales, solo que medidos de manera diferente.
Pero las motos no tienen motores idénticos como dices, y la resistencia y la tracción son muy diferentes. Pero en general no es que las motos tengan motores mágicos. Incluso una motocicleta bastante aburrida tiene la principal ventaja de la falta de masa (como usted dice) y ese es el núcleo de su ventaja cuando acelera desde parado, aunque están limitadas por una sola rueda.
granjero
Caza de errol
granjero