อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนัก ( PWRหรือเรียกอีกอย่างว่ากำลังจำเพาะหรืออัตราส่วนกำลังต่อมวล ) เป็นการคำนวณที่ใช้กันทั่วไปกับเครื่องยนต์และแหล่งพลังงานเคลื่อนที่ เพื่อให้สามารถเปรียบเทียบหน่วยหรือการออกแบบหนึ่งกับอีกหน่วยหรือการออกแบบหนึ่งได้ อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักเป็นการวัดประสิทธิภาพที่แท้จริงของเครื่องยนต์หรือแหล่งพลังงานใดๆ นอกจากนี้ยังใช้เป็นการวัดประสิทธิภาพของยานพาหนะโดยรวม โดยนำกำลังเอาต์พุตของเครื่องยนต์มาหารด้วยน้ำหนัก (หรือมวล ) ของยานพาหนะ เพื่อให้ได้ค่าที่ไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของยานพาหนะ ผู้ผลิตมักจะระบุอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักที่ค่าสูงสุด แต่ค่าที่แท้จริงอาจแตกต่างกันไปในการใช้งาน และความแปรผันเหล่านี้อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพ

อัตราส่วนน้ำหนักต่อกำลัง (power loading) ซึ่งเป็นค่าผกผันของอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักเป็นการคำนวณที่ใช้กันทั่วไปในเครื่องบิน รถยนต์ และยานพาหนะอื่นๆ เพื่อให้สามารถเปรียบเทียบประสิทธิภาพของยานพาหนะคันหนึ่งกับอีกคันหนึ่งได้ อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักเท่ากับแรงขับต่อหน่วยมวลคูณด้วยความเร็วของยานพาหนะใดๆ

อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนัก (กำลังจำเพาะ) ถูกกำหนดให้เป็นกำลังที่เครื่องยนต์สร้างขึ้นหารด้วยมวล ในบริบทนี้ คำว่า "น้ำหนัก" เป็นคำที่ไม่ถูกต้อง เพราะในภาษาพูดทั่วไปมักหมายถึงมวล ในสภาพแวดล้อมที่ไร้แรงโน้มถ่วง (ไร้น้ำหนัก) อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักจะไม่ถือว่ามีค่าเป็นอนันต์

เครื่องยนต์ดีเซล V8 เทอร์โบชาร์จทั่วไปอาจมีกำลังเครื่องยนต์ 250 กิโลวัตต์ (340 แรงม้า) และมวล 380 กิโลกรัม (840 ปอนด์) ^{[ 1 ]}ทำให้มีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนัก 0.65 กิโลวัตต์/กิโลกรัม (0.40 แรงม้า/ปอนด์)

ตัวอย่างของอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักที่สูงมักพบได้ในกังหัน เนื่องจากความสามารถในการทำงานที่ความเร็วสูงมาก ตัวอย่างเช่นเครื่องยนต์หลักของกระสวยอวกาศ ใช้ ปั๊มเทอร์โบ (เครื่องจักรที่ประกอบด้วยปั๊มที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์กังหัน) เพื่อป้อนเชื้อเพลิง (ออกซิเจนเหลวและไฮโดรเจนเหลว ) เข้าสู่ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ ปั๊มเทอร์โบไฮโดรเจนเหลวแบบดั้งเดิมมีขนาดใกล้เคียงกับเครื่องยนต์รถยนต์ (น้ำหนักประมาณ 352 กิโลกรัม (775 ปอนด์)) และผลิตกำลัง 72,000 แรงม้า (54 เมกะวัตต์) ^{[ 2 ]}สำหรับอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนัก 153 กิโลวัตต์/กิโลกรัม (93 แรงม้า/ปอนด์)

ในกลศาสตร์คลาส สิก กำลังทันทีคือค่าจำกัดของงานเฉลี่ยที่ทำต่อหน่วยเวลาเมื่อช่วงเวลา Δt เข้าใกล้ศูนย์ (กล่าวคืออนุพันธ์ของงานที่ทำเทียบกับเวลา)

${\displaystyle P=\lim _{\Delta t\rightarrow 0}{\tfrac {\Delta W(t)}{\Delta t}}=\lim _{\Delta t\rightarrow 0}P_{\mathrm {avg} }={\frac {d}{dt}}W(t)\,}$

หน่วยเมตริกที่ใช้กันทั่วไปของอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักคือซึ่งเท่ากับข้อเท็จจริงนี้ทำให้สามารถแสดงอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักได้โดยใช้หน่วยฐาน SI เท่านั้น อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักของยานพาหนะเท่ากับความเร่งคูณด้วยความเร็ว ดังนั้นเมื่อความเร็วเป็นสองเท่า ความเร่งจะลดลงครึ่งหนึ่ง โดยที่ปัจจัยอื่นๆ คงที่ ${\displaystyle {\tfrac {\text{W}}{\text{kg}}}\;}$${\displaystyle {\tfrac {{\text{m}}^{2}}{{\text{s}}^{3}}}\;}$

ถ้างานที่ต้องทำคือ การเคลื่อนที่ เชิงเส้นตรงของวัตถุที่มีมวล คงที่ โดยที่ จุดศูนย์กลางมวล ของวัตถุ นั้นถูกเร่งความเร็วไปตามเส้นตรง (ซึ่งอาจไม่ใช่เส้นตรง) ไปจนถึงความเร็วและมุมหนึ่งเมื่อเทียบกับจุดศูนย์กลางและรัศมีของสนามโน้มถ่วงโดยใช้แหล่งพลังงาน ภายในตัววัตถุ พลังงานจลน์ที่เกี่ยวข้องจะเป็นเท่าใด ${\displaystyle m\;}$${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$${\displaystyle \phi \;}$

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

ที่ไหน:

${\displaystyle m\;}$คือมวลของร่างกาย

${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$คือความเร็วของจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุ ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา

หลักการงาน-พลังงานกล่าวว่า งานที่ทำต่อวัตถุในช่วงเวลาหนึ่งจะเท่ากับผลต่างของพลังงานรวมของวัตถุในช่วงเวลานั้น ดังนั้น อัตราการทำงานจึงเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ (ในกรณีที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักยภาพ)

งานที่ทำตั้งแต่เวลาtถึงเวลาt + Δt ตามเส้นทางCถูกกำหนดให้เป็นปริพันธ์ตามเส้น ดังนั้นทฤษฎีบทพื้นฐานของแคลคูลัสจึงกล่าวว่ากำลังนั้นกำหนดโดย ${\displaystyle \int _{C}\mathbf {F} \cdot d\mathbf {x} =\int _{t}^{t+\Delta t}\mathbf {F} \cdot \mathbf {v} (t)dt}$${\displaystyle \mathbf {F} (t)\cdot \mathbf {v} (t)=m\mathbf {a} (t)\cdot \mathbf {v} (t)=\mathbf {\tau } (t)\cdot \mathbf {\omega } (t)}$

ที่ไหน:

${\displaystyle \mathbf {a} (t)={\frac {d}{dt}}\mathbf {v} (t)\;}$คือความเร่งของจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุ ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา

${\displaystyle \mathbf {F} (t)\;}$คือแรงเชิงเส้น หรือแรงผลัก ที่กระทำต่อจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุ ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา

${\displaystyle \mathbf {v} (t)\;}$คือความเร็วของจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุ ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา

${\displaystyle \mathbf {\tau } (t)\;}$คือแรงบิดที่กระทำต่อจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุ ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา

${\displaystyle \mathbf {\omega } (t)\;}$คือความเร็วเชิงมุมของจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุ ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา

ในระบบขับเคลื่อนพลังงานจะถูกส่งก็ต่อเมื่อเครื่องยนต์กำลังเคลื่อนที่ และจะถูกส่งต่อเพื่อทำให้วัตถุเคลื่อนที่ โดยทั่วไปแล้วจะถือว่าระบบส่งกำลังเชิงกลช่วยให้เครื่องยนต์ทำงานที่กำลังสูงสุดได้ ข้อสมมตินี้ทำให้การปรับแต่งเครื่องยนต์สามารถแลกเปลี่ยนช่วงกำลังและมวลของเครื่องยนต์กับความซับซ้อนและมวลของระบบส่งกำลังได้มอเตอร์ไฟฟ้าไม่ประสบปัญหาการแลกเปลี่ยนนี้ แต่จะแลกเปลี่ยนแรงบิด สูง กับแรงฉุดที่ความเร็วต่ำ ดังนั้น ข้อได้เปรียบด้านกำลังหรืออัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักจึงเป็นดังนี้

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

ที่ไหน:

${\displaystyle |\mathbf {v} (t)|\;}$คือความเร็วเชิงเส้นของจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุ

กำลังใช้งานของเครื่องยนต์ที่มีกำลังส่งออกที่เพลาสามารถคำนวณได้โดยใช้ไดนาโมมิเตอร์เพื่อวัดแรงบิดและความเร็วรอบโดยกำลังสูงสุดจะเกิดขึ้นเมื่อแรงบิดคูณด้วยความเร็วรอบมีค่าสูงสุด สำหรับเครื่องยนต์ไอพ่น กำลังใช้งานจะเท่ากับความเร็วในการบินของเครื่องบินคูณด้วยแรงที่เรียกว่าแรงขับสุทธิที่จำเป็นในการทำให้เครื่องบินบินด้วยความเร็วนั้น ค่านี้จะใช้ในการคำนวณประสิทธิภาพการขับเคลื่อน

พลังงานความร้อนประกอบด้วยพลังงานจลน์ของโมเลกุล และพลังงานแฝงเครื่องยนต์ความร้อนสามารถแปลงพลังงานความร้อนในรูปของความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแหล่งความร้อนและแหล่งความเย็นไปเป็นงานเชิงกล อื่น ๆ ที่ต้องการ ได้ปั๊มความร้อนใช้แรงงานเชิงกลเพื่อสร้างพลังงานความร้อนขึ้นใหม่ในรูปของความแตกต่างของอุณหภูมิ ควรใช้คำจำกัดความมาตรฐานเมื่อตีความการถ่ายโอนกำลังขับเคลื่อนของเครื่องยนต์ไอพ่นหรือจรวดไปยังยานพาหนะ

มอเตอร์ไฟฟ้าใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อสร้างงานเชิงกลโดยปกติผ่านปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านโดยปฏิสัมพันธ์ของงานเชิงกลต่อตัวนำไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กสามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าได้

ของไหล (ทั้งของเหลวและก๊าซ)สามารถใช้ในการส่งผ่านและ/หรือกักเก็บพลังงานโดยใช้ความดันและคุณสมบัติอื่นๆ ของของไหล เครื่องยนต์ ไฮดรอลิก (ของเหลว)และ เครื่องยนต์ นิวแมติก (ก๊าซ) แปลงความดันของของไหลให้เป็น งานเชิงกลหรือไฟฟ้าอื่นๆ ที่ต้องการปั๊มของไหลแปลงงานเชิงกลหรือไฟฟ้าให้เป็นการเคลื่อนที่หรือการเปลี่ยนแปลงความดันของของไหล หรือการกักเก็บไว้ในภาชนะ รับความดัน

สามารถนำปรากฏการณ์ต่างๆ มาใช้ในการผลิตพลังงานความร้อนไฟฟ้าการปล่อยอิเล็กตรอนจากความร้อน พลังงานไพโรอิเล็กทริกและพลังงานเพียโซอิเล็กทริกได้นอกจากนี้ ยังสามารถนำ ความต้านทานไฟฟ้าและคุณสมบัติแม่เหล็กเฟอร์โรของวัสดุมาใช้ในการแปลงกระแสไฟฟ้าให้เป็นพลังงานความร้อนเสียง ได้

เซลล์ไฟฟ้าเคมีทุกชนิดจะให้แรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงทางเคมีจากสถานะ "ชาร์จ" ไปสู่สถานะ "คายประจุ" โดยทั่วไป ผู้ผลิตแบตเตอรี่จะระบุแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ระบุและแรงดันไฟฟ้าตัดการทำงาน แรงดันไฟฟ้าขาออกจะลดลงเหลือแรงดันไฟฟ้าตัดการทำงานเมื่อแบตเตอรี่ "คายประจุ" แรงดันไฟฟ้าขาออกที่ระบุจะน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าวงเปิดที่เกิดขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ "ชาร์จ" เสมอ อุณหภูมิของแบตเตอรี่สามารถส่งผลต่อกำลังไฟฟ้าขาออกได้ โดยอุณหภูมิที่ต่ำลงจะทำให้กำลังไฟฟ้าขาออกลดลง พลังงานทั้งหมดที่ส่งออกมาในรอบการชาร์จหนึ่งครั้งจะได้รับผลกระทบจากทั้งอุณหภูมิของแบตเตอรี่และกำลังไฟฟ้าที่ส่งออกมา หากอุณหภูมิลดลงหรือความต้องการพลังงานเพิ่มขึ้น พลังงานทั้งหมดที่ส่งออกมา ณ จุดที่ "คายประจุ" ก็จะลดลงเช่นกัน

โดยทั่วไปแล้ว โปรไฟล์การคายประจุของแบตเตอรี่จะถูกอธิบายในแง่ของปัจจัยความจุของแบตเตอรี่ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ที่มีความจุระบุเป็นแอมแปร์-ชั่วโมง (Ah) ที่กระแสคายประจุ C/10 (คำนวณเป็นแอมแปร์) อาจให้กระแสคายประจุที่สูงกว่าได้อย่างปลอดภัย – และด้วยเหตุนี้จึงมีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักที่สูงกว่า – แต่มีความจุพลังงานที่ต่ำกว่าเท่านั้น ดังนั้น อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสำหรับแบตเตอรี่จึงมีความหมายน้อยลงหากไม่มีการอ้างอิงถึงอัตราส่วนพลังงานต่อน้ำหนักและอุณหภูมิของเซลล์ที่สอดคล้องกัน ความสัมพันธ์นี้เรียกว่ากฎของเพอเคิร์ต^{[ 54 ]}

ตัวเก็บประจุจะเก็บประจุไฟฟ้าไว้บนขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่แยกจากกันด้วยสนามไฟฟ้าในตัวกลางกึ่งฉนวน ( ไดอิเล็กทริก ) ตัวเก็บประจุแบบไฟฟ้าสถิตมีขั้วไฟฟ้าแบบแบนราบซึ่งประจุไฟฟ้าจะสะสมอยู่ ตัวเก็บประจุแบบ อิเล็กโทรไลต์ใช้อิเล็กโทรไลต์เหลวเป็นหนึ่งในขั้วไฟฟ้า และใช้ผลของชั้นไฟฟ้าคู่ที่ขอบเขตระหว่างไดอิเล็กทริกกับอิเล็กโทรไลต์เพื่อเพิ่มปริมาณประจุที่เก็บไว้ต่อหน่วยปริมาตร ตัวเก็บประจุแบบชั้นไฟฟ้า คู่จะ ขยายขั้วไฟฟ้าทั้งสองด้วย วัสดุที่ มีรูพรุนระดับนาโนเช่นถ่านกัมมันต์ เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวที่ประจุไฟฟ้าสามารถสะสมได้อย่างมีนัยสำคัญ ลดขนาดของตัวกลางไดอิเล็กทริกให้เหลือเพียงรูพรุนระดับนาโนและ แผ่นกั้นที่ มีค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าสูงบางมาก

แม้ว่าตัวเก็บประจุจะไม่ไวต่ออุณหภูมิเท่าแบตเตอรี่ แต่ก็มีข้อจำกัดด้านความจุอย่างมาก และเนื่องจากขาดความแข็งแรงของพันธะเคมี จึงเกิดการคายประจุเองได้ อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักของตัวเก็บประจุมักจะสูงกว่าแบตเตอรี่ เพราะตัวนำประจุในตัวเก็บประจุมีขนาดเล็กกว่า (อิเล็กตรอนแทนที่จะเป็นไอออน) อย่างไรก็ตาม อัตราส่วนพลังงานต่อน้ำหนักมักจะต่ำกว่า

เซลล์เชื้อเพลิงและเซลล์ไหลแม้ว่าจะใช้เคมีที่คล้ายคลึงกับแบตเตอรี่ แต่ก็ไม่มีตัวกลางในการเก็บพลังงานหรือเชื้อเพลิงด้วยการไหลของเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์อย่างต่อเนื่อง เซลล์เชื้อเพลิงและเซลล์ไหลที่มีอยู่จึงสามารถเปลี่ยนตัวกลางในการเก็บพลังงานให้เป็นพลังงานไฟฟ้าและของเสียได้อย่างต่อเนื่อง เซลล์เชื้อเพลิงมีอิเล็กโทรไลต์คงที่ ในขณะที่เซลล์ไหลต้องการการไหลของอิเล็กโทรไลต์อย่างต่อเนื่อง โดยทั่วไปแล้วเซลล์ไหลจะมีเชื้อเพลิงละลายอยู่ในอิเล็กโทรไลต์

อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักของยานพาหนะมักคำนวณโดยใช้น้ำหนักรถเปล่า (สำหรับรถยนต์) หรือน้ำหนักรวม (สำหรับรถจักรยานยนต์) กล่าวคือ ไม่รวมคนขับและสัมภาระใดๆ ซึ่งอาจทำให้เข้าใจผิดได้เล็กน้อย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรถจักรยานยนต์ ซึ่งคนขับอาจมีน้ำหนัก 1/3 ถึง 1/2 ของน้ำหนักรถ ในกีฬาจักรยานแข่งขัน ประสิทธิภาพของนักกีฬาจะถูกแสดงออกมาในหน่วย VAM มากขึ้นเรื่อยๆ และดังนั้นจึงแสดงเป็นอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักในหน่วย W/kg ซึ่งสามารถวัดได้โดยใช้เครื่องวัดกำลังจักรยานหรือคำนวณจากความลาดชันของถนนและเวลาที่นักปั่นใช้ในการขึ้นไป^{[ 104 ]}

โดยทั่วไปแล้ว หัวรถจักร จะต้องมีน้ำหนักมากเพื่อให้มี แรงยึดเกาะกับรางเพียงพอที่จะเริ่มเดินรถได้ เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่างล้อเหล็กกับรางนั้นแทบจะไม่เกิน 0.25 การปรับปรุงอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักของหัวรถจักรจึงมักจะส่งผลเสียมากกว่าผลดี อย่างไรก็ตาม การเลือกใช้ระบบส่งกำลัง เช่น ระบบขับเคลื่อนความถี่แปรผันเทียบกับระบบขับเคลื่อนกระแสตรงอาจช่วยให้ได้อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักที่สูงขึ้นได้โดยการจัดการกำลังขับเคลื่อนได้ดีขึ้น

รถยนต์ส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการด้านความสะดวกสบายของผู้โดยสารและการบรรทุกสัมภาระ การออกแบบยานยนต์มักมีการแลกเปลี่ยนอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักเพื่อเพิ่มความสะดวกสบาย พื้นที่บรรทุกสัมภาระประหยัดน้ำมันควบคุม การ ปล่อยมลพิษความมั่นคงทางพลังงานและความทนทานการลดแรงต้านอากาศและแรงต้านการหมุนที่ต่ำลงในการออกแบบยานยนต์สามารถช่วยเพิ่มพื้นที่บรรทุกสัมภาระได้โดยไม่ต้องเพิ่มอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนัก (เมื่อไม่มีสัมภาระ) ซึ่งจะเพิ่มความยืดหยุ่นในการใช้งานของรถยนต์ การพิจารณาความมั่นคงทางพลังงานอาจมีการแลกเปลี่ยนกำลัง (โดยทั่วไปจะลดลง) และน้ำหนัก (โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น) และด้วยเหตุนี้จึงส่งผลต่ออัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนัก เพื่อความยืดหยุ่นในการใช้เชื้อเพลิงหรือระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริด รถยนต์อเนกประสงค์และรถยนต์ใช้งานบางประเภท เช่นรถแฮทช์แบ็กสมรรถนะสูงและรถยนต์อเนกประสงค์แบบสปอร์ตจะปรับเปลี่ยนกำลัง (โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น) และน้ำหนักเพื่อให้ความรู้สึก เหมือน รถสปอร์ตหรือเพื่อประโยชน์ทางจิตวิทยา อื่น ๆ

สมรรถนะของเครื่องยนต์ที่เพิ่มขึ้นเป็นสิ่งที่ต้องพิจารณา เช่นเดียวกับคุณสมบัติอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับรถยนต์หรูเครื่องยนต์วางตามยาวเป็นเรื่องปกติ ตัวถังมีหลากหลาย ตั้งแต่รถแฮทช์แบ็กสมรรถนะสูงรถซีดาน (ซาลูน)รถคูเป้รถเปิดประทุนและรถโรดสเตอร์รถจักรยานยนต์แบบดูอัลสปอร์ตและ ครุยเซอร์ ระดับกลางมักจะมีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักที่คล้ายคลึง กัน

อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักเป็นคุณลักษณะสำคัญของยานยนต์ที่มีผลต่ออัตราเร่งของรถสปอร์ต