Aparte de los muchos factores que ya te han comentado (yo destacaría par motor, relaciones del cambio y peso propio del vehículo), hay una importante razón que hace que la relación no sea lineal (o directamente proporcional), y es que el peso remolcado es sólo uno de los esfuerzos a vencer; el otro es la aerodinámica.
Si sólo consideramos el peso, sí, ahí tenemos una proporcionalidad lineal. Pero el peso sólo "lo notas" en las aceleraciones y en las subidas (hablo en términos de potencia, sin entrar en estabilidad y tal, donde por supuesto también influye). En llano a velocidad constante, el peso es casi indiferente (bueno, afectaría a la resistencia por rodadura, pero es un factor menor).
En cambio, en términos aerodinámicos, la relación es cuadrática, no lineal. La resistencia varía con el cuadrado de la velocidad. Así que el doble de potencia no te permite ir el doble de rápido, sino sólo un 44% más rápido (en realidad sería menos, ya que esto es una sobresimplificación, que no tiene en cuenta resistencias mecánicas internas y demás, que tampoco son lineales).
En la práctica... la mayor potencia te permite subir puertos más cómodamente (es donde más se nota) no sólo porque ahí sí "tira" el peso (relación lineal) sino porque también te permite vencer más fácilmente la resistencia aerodinámica (relación cuadrática).
No sé si es correcto deducir de tu pregunta que te gustan las mates...

Si es así, sería fácil sacar la formulilla que buscas, dejándola solamente en función de peso y velocidad; despreciarías todo el resto de efectos, lo que es simplificar mucho, pero al menos te daría una idea bastante más aproximada de lo que buscas, que no va a ser ni una relación directa ni cuadrática, sino una mezcla (un polinomio

). En realidad, mientras escribía esto lo he planteado en un papel, y queda muy sencillito...
...y perdón por el latazo, pero cuando le pilláis a uno aburrido y gustando estas cosas técnicas, pues...