¿Por qué tarda más en viajar ida y vuelta a una velocidad promedio, que más lento en un sentido y más rápido en el camino de regreso?

Su pregunta lo tiene exactamente al revés.
Si viaja a 15 km / h, viaja 20 km en total, por lo que pasa 20/15 horas u 80 minutos.
Si viaja 10 km a 10 km / h, eso es una hora (60 minutos), y otros 10 km a 20 km / h, eso es 30 minutos. El total es de 90 minutos.

Siempre es más rápido viajar a la misma velocidad que acelerar / reducir la velocidad en la misma cantidad. Alguien solicitó una prueba general, aquí está.
Tomemos la distancia total de una manera para que sea 1 unidad; esto es arbitrario. Supongamos que su velocidad promedio es [math] s [/ math], y alternativamente va a la velocidad [math] s + x [/ math] en una dirección, y [math] sx [/ math] en la otra dirección. Veamos el tiempo total. Cuando vas a velocidad constante es [matemática] \ frac {2} {s} [/ matemática]. La forma alternativa:
[matemáticas] \ frac {1} {sx} + \ frac {1} {s + x} = \ frac {s + x + s – x} {s ^ 2-x ^ 2} = \ frac {2s} { s ^ 2-x ^ 2} [/ matemáticas].
Si aumenta el denominador, la fracción se vuelve más pequeña, entonces:
[matemáticas] \ frac {2s} {s ^ 2-x ^ 2}> \ frac {2s} {s ^ 2} = \ frac {2} {s} [/ matemáticas]. Y el camino promedio toma menos tiempo.
QED

¡Imagínense si en lugar de reducir la velocidad en 5 km / h en el tramo anterior, hubieran disminuido en 15 km / h!

El tiempo y la velocidad son inversamente proporcionales, por lo que a medida que su velocidad cae hacia cero, la duración del tiempo puede ser muy grande.

¡Porque no encuentras la “velocidad promedio” promediando tus velocidades! Usted encuentra la “velocidad promedio” dividiendo la distancia total recorrida por el tiempo total que tomó. En su primer escenario, viaja 20 km en una hora y un tercio para una velocidad promedio de 15 km por hora. En el segundo escenario, viaja 20 km en 1.5 horas para una velocidad promedio de 13 y un tercio de km por hora. (Dmitriy Genzel es correcto, por cierto; tienes tus escenarios al revés. El segundo escenario lleva más tiempo, 1,5 horas en lugar de 1,33 horas, porque tu velocidad promedio es más lenta).

Porque la velocidad (es decir, el espacio en el tiempo) debe promediarse en el tiempo y no en el espacio. Entonces, si viaja 1 hora a 10 km / hy 1 hora a 20 km / h, es lo mismo que 2 horas a 15 km / h.
Si evalúa la media sobre el espacio, sobrepesa la velocidad más alta que se mantiene para una ruta más corta.