¿Qué significa realmente la calificación de 'hp' con respecto a un motor de avión?

¿Qué es la potencia? Es una medida del trabajo que un caballo puede hacer en una hora, inventada en la época de las máquinas de vapor para dar sentido a lo que podían hacer, en una época en la que todo el trabajo lo realizaban humanos y caballos. Como era habitual antes de la IS, había muchas definiciones de caballos de fuerza. Aquí está el de wiki, sobre lo que podría hacer un caballo métrico:

Observe que hay un elemento de tiempo en la imagen: si el caballo tarda todo el día en levantar el peso un metro de altura, no es muy poderoso.

Hoy en día, la unidad de potencia es el vatio, en honor a James Watt, quien acuñó la unidad de potencia para vender sus máquinas de vapor. Se define como la fuerza en Newton, requerida para mover 1 kilogramo sobre un metro en un segundo:

En estas unidades, puedes ver una fuerza multiplicada por una velocidad, y esa es una forma de ver qué es la potencia: necesitas más potencia para conducir más rápido cuesta arriba. Pero estas son entidades lineales, y la mayor parte de la energía proviene de motores rotativos. Las unidades rotativas son par (N*m) y qué tan rápido gira el motor (rad/s).

Con los motores, marca la diferencia dónde se mide la potencia. Siempre hay pérdidas causadas por la fricción y por la conversión de energía, y cuanto más cerca se mida del eje de salida del motor, mayor será la lectura. Esto es lo que prefieren los fabricantes de vehículos: la potencia del motor del automóvil se mide en el cigüeñal, no en las ruedas que realmente lo impulsan por las carreteras, porque entre el motor y las ruedas hay pérdidas de transmisión.

La pregunta de por qué se usa la potencia para la clasificación del motor, y no la fuerza o el par, es interesante. Es la fuerza que nos acelera:$F = m \cdot a$. Podemos engranar la fuerza del motor o la salida de par según sea necesario; si el engrane no tuviera pérdidas, la potencia antes y después del engrane sería la misma. Por lo tanto, la potencia es útil para comparar las capacidades de los motores, independientemente de los engranajes. Sin embargo siempre serán capacidades máximas .

Con un avión, la potencia del motor necesita impulsar el avión a través de la hélice. La hélice proporciona un empuje T y puede impulsar el avión a una velocidad V, siendo la velocidad máxima donde la resistencia es igual al empuje. La potencia del motor es el empuje multiplicado por la velocidad aerodinámica, más la potencia necesaria para superar las pérdidas: pérdidas mecánicas debidas a la fricción y pérdidas aerodinámicas debidas a la eficiencia de la hélice.

Su pregunta sobre tener un avión de una cuarta parte del peso y tamaño similar. El empuje es necesario para superar la resistencia aerodinámica, tanto la resistencia por fricción como la resistencia inducida por la sustentación. El arrastre por fricción permanecerá igual, el arrastre inducido por sustentación será 1/4 de la versión de peso completo. Necesitará más de 45 hp para que el avión de un cuarto de peso viaje a la misma velocidad de crucero.

La imagen es de esta fuente más informativa : la potencia parásita permanece igual, la potencia inducida se reduce en un factor de 4. Observe que a bajas velocidades la potencia inducida es dominante, a altas velocidades la potencia parásita es dominante. Entonces, con un motor de 45 hp, despegará si el peso se reduce en un factor 4, pero la velocidad máxima será mucho menor.

Pido disculpas si estoy simplificando demasiado, pero la salida de un motor de pistón generalmente se puede medir en las ruedas o en el cigüeñal. Como los aviones no tienen ruedas motrices, lo que estamos midiendo es puramente la potencia que el motor puede entregar en el cigüeñal/eje de salida donde podemos conectar directamente nuestra hélice.

Cuando los fabricantes enumeran los caballos de fuerza, en realidad quieren decir "potencia máxima". Esto se calcula directamente a partir del par que el motor puede entregar a una RPM específica. El motor entregará salidas diferentes (es decir, menos) a diferentes velocidades. Entonces, puede pensar en los caballos de fuerza como el cálculo del par multiplicado por RPM. (En realidad, luego se divide por un valor arbitrario para convertirlo en 'caballos') y el valor de la lista es la combinación más alta de par x rpm que el motor puede entregar.

El par es la medida de la fuerza real que puede generar la rotación del motor. Entonces, debido a que las RPM son el multiplicador, un motor muy, muy rápido pero de bajo torque puede tener más BHP que un motor lento pero con torque. Piense en la diferencia entre un camión y un automóvil deportivo ligero: el camión necesita mucha más fuerza para moverse, por lo que el motor de un automóvil deportivo de alta potencia será inútil si no puede entregar el par requerido.

Por sí solo, tampoco dice nada sobre la eficiencia o, por ejemplo, la cantidad de tiempo que los componentes pueden soportar esto. Tampoco define cómo se aprovecha esa potencia: 100 hp hasta una hélice emplumada produce resultados diferentes a una hélice no emplumada, por ejemplo.

Como debería quedar claro, un solo valor de caballos de fuerza no cuenta ni cerca de la historia completa de un motor.

Para cualquier motor que no sea de pistón, necesitaríamos este valor en algún tipo de eje de salida para compararlo de igual a igual. Necesitará detalles más específicos sobre la medición de cualquier motor en particular para determinar dónde se tomó la medición.

Finalmente, incluso cuando la comparación es 'justa', debido a que la potencia es un producto del torque y las RPM, no podemos decir que dos motores de 100 hp sean iguales. Necesitaríamos saber exactamente en qué momento de la 'curva de potencia' se entrega esta potencia. Esto no es lineal, de ahí el requisito de los motores de dinamómetro.

Sin embargo, si pudiera encontrar dos motores que entreguen la misma potencia a las mismas RPM (es decir, serían iguales en un gráfico), entonces el rendimiento debería ser similar. Pero luego, desafortunadamente, tenemos que discutir cosas como el tiempo de respuesta donde, por ejemplo, un motor a reacción puede tardar mucho en ponerse en marcha, pero un motor eléctrico puede ser casi instantáneo.

TL;DR Comparar plantas de energía es realmente muy difícil, incluso con cifras completas. La comparación basada en un solo número es vagamente indicativa en el mejor de los casos.

Además de las otras respuestas: para los motores de combustión interna, la potencia nominal es la cantidad máxima de potencia que el motor puede producir, es decir, con el acelerador a fondo aplicado y en el punto óptimo en su rango de revoluciones. Una forma más completa de indicar cuánta potencia tiene un motor es la curva de potencia/torque como este ejemplo aleatorio :

Esto muestra cómo la potencia de salida varía con las rpm. El pico en esta curva se cita como la potencia nominal.

Para los motores eléctricos, por otro lado, la potencia de entrada a menudo se especifica, ciertamente para el tipo de motor eléctrico que tiene en casa. Para los motores eléctricos, esta es una cifra importante porque hay que dimensionar la fuente de alimentación en consecuencia: no llegarás muy lejos si conectas un motor de 10 kW a una batería penlite.

Ahora, los motores eléctricos son muy eficientes: alrededor del 95 % de la potencia de entrada se convierte en movimiento del eje de salida. Su bomba de agua convertirá 950 W en movimiento y solo 50 W en calor.

Los motores de combustión interna son mucho menos eficientes. Un motor de gasolina realmente bueno convierte aproximadamente el 30% de la energía de su combustible en movimiento (los diésel pueden llegar al 40%). El resto se pierde en forma de calor y ruido, a través del sistema de refrigeración y el escape.