STEM 隨筆︰古典力學︰轉子【五】《電路學》 五【電感】 IV‧馬達‧二‧C

當人們在自然中的發現了一些『經驗定律』,有時並不代表我們『知道』它的『成因』。從科學史來看,許多的『物理概念』都是逐步建立起來的。『熱力學第一定律』是『能量守恆』定律對『非孤立系統』的擴展。此時能量可以用『W 或『Q 的形式傳入或傳出系統。即:

\qquad \mathrm \Delta E_{\rm int}= Q + W

此處 \Delta E_{\rm int} 為『系統內能』的變化量,如果外界對此系統做功,則 W 取正值,反之為取負值。

對於『準靜態』的『可逆過程』,可以寫成微分形式

\qquad \mathrm dE_{\rm int} = \delta Q + \delta W

。一直要到『統計力學』之後,人們才能夠用『微觀粒子』間的『交互作用』來說明這些『現象』的『經驗定律』之『成因』。

假使將『電磁學』與『動力學』聯合起來看,『勞侖茲力定律』Lorentz force law 就十分重要。這個定律是一個『基本公理』,並不能夠從別的理論推導出來,而是由無數次『重複的實驗』所得到之結果。在『電動力學』裡,『勞侖茲力』是一個『帶電粒子』於電磁場中運動時,所感受到的電磁作用力。可以用方程式表達為

\mathbf{F} = q (\mathbf{E} +\mathbf{v} \times \mathbf{B})

此處,\mathbf{F} 是『勞侖茲力』,q 是帶電粒子的『電荷量』,\mathbf{E} 是『電場』,\mathbf{v} 是帶電粒子的『速度』,\mathbf{B} 是『磁場』。

之前我們談到過《德汝德模型》,那麼是否可以用它來解釋『焦耳定律』的呢?回顧前文,德汝德將『導體』想像成由相對固定的『正離子』與可移動的『自由電子』所構成。這些為數眾多的『自由電子』彼此間不斷的發生『碰撞』,又和固定的『正離子』間也發生碰撞。同時德汝德假設了︰

一、如果沒有外部的『電磁場』作用,『自由電子』將會作『直線運動』,彼此間的『電磁作用力』可以被忽略。這意味著是一種『獨立電子』的假設,它處於一個由『正離子』與『其他電子』所構成的『平均的環境』 ── 因此淨作用為零 ──,統計上來講這一般認為是『合宜的』。

二、『電子』和『正離子』之間的『碰撞』是『即時』的,統計上無關之『隨機事件』,所以總體來說這沒有任何『淨貢獻』,雖然有不同的學者『批評』它的『合宜性』。然而如果從『散射事件』來看,這也許只是說某些『物質屬性』之『均向性』的另一種說法罷了。

三、假設了『平均碰撞時間\tau 的『存在』,所以我們可以說很小的一段時距 \delta t 發生『碰撞』的『機會』是 \frac {\delta t}{\tau},而且這個『機率』和一個『自由電子』的『位置』與『動量』無關。這正像是『丟一根』長度為 \delta t 的『』投到一個以 \tau 為『格子線』板子上,問『』掉到『線上』的『機率』大小如何,通常被認為是很好的『近似』。

四、『碰撞』後的『熱電子』應該保有該處『熱平衡』的速度。這是一個作用『鄰近原則』的假設,一般從『物理因果』上講,以為應是『正確的』。

事實在『假設二』中的『電子』與『正離子』的『散射碰撞』,是一種『能量不守恆』的碰撞,『電子』將部份的『能量』移轉給了『正離子』,並使得『金屬』溫度上升,這說明了『焦耳定律』的由來。依據『假設三』,一個電子在很小時距 \delta t 發生碰撞的機率是 P_c = \frac{\delta t}{\tau},那麼某個電子從一開始 0t 時刻不發生碰撞的機率可以這樣計算︰將 0t 時距切割成 N 小段,每一段長 \delta t,如此 t = N \delta t。於是

P_{nc}(t) = \lim \limits_{\delta t \rightarrow 0} \left( 1 - \frac{\delta t}{\tau} \right) \cdots \left( 1 - \frac{\delta t}{\tau} \right) =  \lim \limits_{\delta t \rightarrow 0} {\left( 1 - \frac{\delta t}{\tau} \right)}^N

= \lim \limits_{\delta t \rightarrow 0} {\left( 1 - \frac{\delta t}{\tau} \right)}^{\frac{t}{\delta t} } = \lim \limits_{- \frac{\delta t}{\tau} \rightarrow 0} {\left[  {\left( 1 - \frac{\delta t}{\tau} \right)}^{- \frac{\tau}{\delta t}}  \right]}^{- \frac{t}{\tau}} = e^{- t/ \tau}

,如此 P_{nc} \cdot P_c = e^{- t/ \tau} \frac{dt}{\tau} 就是間隔了 t 時間,t + dt 時發生碰撞的機率。

Scattering

 

參考上圖,一個電子以『初始動量\vec{p} = m \cdot \vec{v} 在電場 \vec{E} 中作運動,並於 t 時間後與正離子發生碰撞,在發生碰撞前,電子將以 \vec{a} = \frac{\vec{E} e t}{m} 作加速,它的速度將會是 \vec{v_i} = \vec{v} + \Delta \vec{v} = \vec{v} + \vec{a} t = \vec{v} + \frac{\vec{E} e t}{m}。然後與正離子發生碰撞,依據『假設二』,這個『散射現象』是統計上無關的『隨機事件』,於是每一『立體角』Solid angle d \Omega 方向的『散射機率\frac{d \Omega}{4 \pi} = \sin(\theta) d \theta d \Phi / 4 \pi 都相等。再按造『假設四』,散射後的速度 | \vec{v_f} | = | \vec{v} |,這個 v 就是電子的『熱速度』。因此這個電子移轉給正離子的能量是

\Delta E(\theta, \Phi) = \frac{1}{2} m ({v_i}^2 - {v_f}^2) = \frac{1}{2} m ({v_i}^2 - v^2)

= \frac{1}{2} m [ ( v^2 + {\Delta v}^2 + 2 v \Delta v \cos{\theta} - v^2 ]

= \frac{{(e E t)}^2}{2 m} + v E e t \cos{\theta}

。各方向的平均移轉能量為

\Delta E = \int \frac{d \Omega}{4 \pi} \Delta E(\theta, \Phi)

= \frac{1}{4 \pi} \int_{0}^{ 2 \pi} d \Phi \int_{0}^{\pi} \sin(\theta) d \theta \Delta E(\theta, \Phi) = \frac{{(e E t)}^2}{2 m}

。如果計之以 P_c \cdot P_{nc} 的機率,如此每個電子每次碰撞,平均的能量損失是

\langle \Delta E \rangle = \int_{0}^{\infty} \frac{d t}{\tau} e^{- t/ \tau} \Delta E = \int_{0}^{\infty} \frac{d t}{\tau} e^{- t/ \tau}  \frac{{(e E t)}^2}{2 m} = \frac{{(e E \tau)}^2}{m}

,假使這個導體的『電子密度』是 n,電子的『碰撞頻率』是 \frac{1}{\tau},單位時間移轉給正離子的平均總能量密度為

\langle \Delta E \rangle \cdot n \cdot \frac{1}{\tau} = \frac{n e^2 \tau}{m} E^2 \equiv \sigma E^2

。如此一根長度是 L,截面積為 A 的導線,單位時間的能量損失就會是

P = A L \cdot \sigma E^2 = \sigma E^2 A L

。在『德汝德模型』中,J = \sigma E,所以 I = J A = \sigma E A,於是

I^2 R = {(\sigma E A)}^2 \cdot \frac{L}{\sigma A} = \sigma E^2 A L = P

─── 《【SONIC Π】電聲學之電路學《一》中

 

一個好的『模型』可以開闊眼界,進一步解釋『現象成因』,於是對『經驗定律』,比方說︰

焦耳加熱

焦耳加熱也稱為歐姆加熱電阻加熱,是電流通過導體產生熱量的過程。

焦耳定律焦耳-楞次定律是定量說明傳導電流電能轉換為熱能的定律。 1841 年,英國物理學家詹姆斯·焦耳發現載流導體中產生的熱量 Q(稱為焦耳熱)與電流I的平方、導體的電阻 R 和通電時間 t成比例。而在1842年時,俄國物理學家海因里希·楞次也獨立發現上述的關係,因此也稱為「焦耳-楞次定律」。

採用國際單位制時,焦耳定律的表達式為:

Q = I2Rt 或 P = I2R

其中 Q(熱量)、 I(電流)、 R(電阻)、 t(時間)、 P(熱功率)各量的單位依次為焦耳安培歐姆瓦特

焦耳定律是設計電照明,電熱設備及計算各種電氣設備溫升的重要公式。

 

也能有更深刻之認識也!或將理解『能量』就是『能量』乎?

只不過『能量』很多種,『單位』常又不同,彼此間形態轉換式子往往費疑猜哩!!

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功率的單位是瓦特

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一六七三年法國物理學家丹尼斯‧帕潘 Denis Papin 在巴黎與惠更斯萊布尼茨做助手期間,逐漸對利用『真空』產生動力感到興趣。其後在為波義耳做助手期間,發明了『高壓蒸鍋』 steam digester,這是一個氣密性良好,藉著增大氣壓提高水的沸點,能夠達到縮短烹飪時間的目的,是『蒸汽機』和『壓力鍋』的前身。一六八一年,帕潘將他的發明帶到了倫敦的英國皇家學會,最終這個發明被當作了一個『實驗器材』;不過,還是給了他加入學會的資格。然而一七零七年到一七一二年間,帕潘多篇論文被皇家學會發表,非但沒有通知他本人,也都沒有付稿費,這令他極為不滿。傳聞帕潘實於一七一二年裡,在窮困潦倒中去世,死後葬於一個不知名的地方。

同一年一七一二年,英國工程師和發明家湯瑪斯‧紐科門 Thomas Newcomen 發明利用『蒸氣』作『機械功』的『氣壓引擎』atmospheric engine,今天稱之為『紐科門蒸氣引擎』,之後被運用在礦區與油田,以節省大量的人力。

蘇格蘭著名的發明家和機械工程師詹姆斯‧馮‧布雷達‧瓦特 James von Breda Watt 是英國皇家學會院士,愛丁堡皇家學會院士。瓦特小時候因為身體孱弱去學校的時間不多,主要的教育都是由母親在家裡進行。他從小就表現出了靈巧的雙手以及數學上的天分,喜歡很多蘇格蘭的民間傳說與故事。一七歲時母親過世,而父親的生意又開始走下坡。瓦特於是到倫敦的一家儀錶修理廠作了一年的徒工,然後回到蘇格蘭格拉斯哥打算開一家自己的修理店。儘管當時蘇格蘭還沒有類似的修理店,由於他並沒有做滿所要求的七年徒工,他的開店申請還是被格拉斯哥的錘業者行會拒絕了。一七五七年格拉斯哥大學的教授給瓦特一個機會,讓他在大學裡開設了一間小修理店,這幫助了他走出了困境。當時物理學家與化學家約瑟夫‧布萊克 Joseph Black 教授更成了瓦特的朋友與導師 。瓦特的小店開業四年後,在朋友蘇格蘭物理學家和發明家約翰‧羅比遜 John Robison 引導下,瓦特開始了對蒸汽機的實驗。據聞那時瓦特也還從未親眼見過一台可以運轉的蒸汽機,但是他就開始建造自己的蒸汽機模型。起初的實驗失敗後,他堅持繼續實驗並且閱讀了所有他能找到的有關蒸汽機的文獻 ,而且獨立的發現了『潛熱』的重要性,殊不知這早在多年前就已被布萊克教授所發現的了。

一七六三年,瓦特得知格拉斯哥大學有一台紐科門蒸汽機 Newcomen steam engine,然而正在倫敦修理,他請求學校取回了這台蒸汽機並親自進行了修理。雖然經過修理,這台蒸汽機勉強可以工作,但是效率很低。再藉著大量的實驗,瓦特發現效率低的原因是因為活塞每推動一次,氣缸里的蒸汽都要先行冷凝,然後再加熱進行下一輪推動,這使得蒸汽百分之八十的熱量,都耗費在為了維持氣缸的溫度之上。一七六五年瓦特取得了關鍵性的進展,他將冷凝器與氣缸分離開來 ,使得氣缸溫度可以持續維持在注入之蒸汽的溫度,並在此基礎上很快建造了一個可以運轉的模型。……這就是 瓦特發明蒸汽機的故事!!

 

瓦特改良了紐科門蒸汽機,這事奠定了『工業革命』的重要基礎,他是那個時代裡的重要人物。 瓦特創造『馬力』的概念,後人為了紀念他的貢獻,便將『功率』的『單位』命名為『瓦特』。

有些人認為『工業革命』始於一七五九年左右,但是直到一八三零年代,它還沒有真正蓬勃的展開。普遍的觀點認為,工業革命發源於英格蘭中部地區,是在一七六九年瓦特改良蒸汽機之後,再因為一系列『技術革命』引發了從『手工勞動』朝向由『機器生產』的轉變,是一次『生產方式』的重大飛躍。隨後才自英格蘭擴散到整個歐洲大陸,一九世紀方傳播到了北美地區。由於『工業革命』是以機器取代人力,以大規模『工廠化生產』取代個體作坊『手工生產』的一場『生產』與『科技』之革命。因此機器的發明及運用成為了這個時代的標誌,所以歷史學家稱這個時代為『機器時代』 the Age of Machines。

自然界中『能量』的『形式』有很多種,不同的『學說‧理論』的歷史的發展,產生了能量的多種『單位』︰

機械功】︰ \int \vec{F} \cdot \vec{ds} 是『牛頓‧米』,一『『牛頓‧米』就是一『焦耳』。

熱能』︰將一公克的水在一大氣壓 ── 101.325 kPa ── 下升高攝氏一度所需要的熱量,叫做一『卡路里』Calorie,簡稱作『』,縮寫成 cal。後來的科學家發現水在不同溫度下的比熱容量不同,所以又衍生了許多不同的定義。這就是焦耳所量測的『熱功當量』。一『』等於  4.186 『焦耳』。

電能』︰依據『焦耳定律I \cdot V \cdot t 是『安培‧伏特‧秒』,也就是說一『安培‧伏特‧秒』就是一『焦耳』。

所謂的『功率』 power 是指『能量』之『轉換』或者『使用』的『速率』,用單位時間的能量大小來表示。『功率』的『單位』是『瓦特』 W ,假使 \Delta W 是一物理系統在 \Delta t 時間內所做的功,那麼這段時間內的『平均功率P_{avg} 可以由下式給出

P_{avg} = \frac{\Delta W}{\Delta t}

。而『瞬時功率』就是當時間 \Delta t \rightarrow 0 時,『平均功率』的極限值

P = \lim \limits_{\Delta t\to 0} \frac{\Delta W}{\Delta t} = \frac{{\rm d}W}{{\rm d}t}

。也就是講一秒消耗一焦耳的能量就是一『瓦特』,一般所說的『一度電』是指『一千瓦小時』所使用的『電能』多寡,它等於 1000 \cdot 60 \cdot 60 J

從『瞬時功率』 的『定義』,可以推導出

機械瞬時功率】是 {P}(t) = \vec{F}(t) \cdot \vec{v}(t)

電力瞬時功率】是 P(t) = I(t) \cdot V(t)

─── 摘自《【SONIC Π】電路學之補充《二》

 

因此最好知道所謂的『因次分析』呦??

為什麼要討論『物理量』的『單位』呢?因為一般物理定律都用著『數學式』表達,萬一所計算的物理量發生了『 1 公斤  + 6 米 – 8 秒 』,這可能要比南宋著名禪宗大師大慧宗杲,是臨濟宗楊岐派第五代傳人,所提倡的『看話禪』── 舉個例說︰『萬法歸一,一歸何處?』── 還要『難參無解』。據說物理量使用單位的『因次分析』dimensional analysis 始於牛頓之『相似性原理』;就建立因次分析的現代意義用法上講,馬克士威是位重要的推手,他區分『質量』 、『長度』、『時間』的度量單位為『基礎單位』,將其它單位歸類為『衍生單位』。十九世紀時法國數學家約瑟夫‧傅立葉 Joseph Fourier 洞悉了『物理定律』的『數學方程式』應當與度量物理量的『單位無關』。難道說一個人用『 □ □ 制』單位,另一個人用『○ ○制』單位,他們的牛頓第二運動定律 \mathbf{F}=m\mathbf{a} 就因此會是『兩種』的嗎?假使兩人描述『同一』自然現象,在彼此使用的『單位換算』後,竟然能夠是『答案不同』的嗎??

那什麼是物理量的『因次』呢?舉個例子,在 MKS 制中,一般力的『度量單位』是『牛頓』Newton,通常用 N 代表。那你怎麼知道『一牛頓的力』有多大呢? 其實它有個『定義』︰

1 N \equiv_{df} 使質量 1 kg 物體的加速度為 1 \frac{m}{s^2}} 時所需要的力

。那麼這個定義又從哪裡來的呢?它就是從牛頓第二運動定律 F = m \cdot a 來的,因此 F 之『N』那個單位與 m \cdot a 的『kg  \cdot  \frac{m}{s^2}}』這個度量單位,都是表達牛頓第二運動定律中『』、『質量』和『加速度』的『概念』間的『物理量』的『單位度量關係』。由於我們是從『質量』和『加速度』的基礎物理量之『大小』,來定義『力的單位』,所以說『牛頓』是一個衍生的『導出單位』。如果比較 CGS 制『一達因的力』之『定義

1 dyne \equiv_{df} 使質量 1 g 物體的加速度為 1 \frac{cm}{s^2}} 時所需要的力

,所以 1 N = 1  \frac{kg \cdot m}{s^2}} = \frac{1000 g \cdot 100 cm}{s^2}} = 10^5 \frac{g \cdot cm}{s^2}}  = 10^5 dyne

。仔細考察『單位轉換』的過程,『1 kg = 1000 g』,而『kg, g』都是『質量度量』單位,同樣的『1 m = 100 cm』中之『m, cm』都是『長度度量』單位。由於『自然界』並沒有偏好哪一種『度量單位』,它的選擇當然是『人為的』。其次『相同』的『度量領域』的『單位變換』,它的『變換係數』通常是無單位的數值『常數』,比方說『1 m = {10}^2 cm』中之『{10}^2』,或者『1 kg = {10}^3 g』裡的『{10}^3』,因為它們都是同類的度量單位。於是我們可以說『因次』就是『物理單位』中『物理概念』的『度量抽象』。舉例來講,不論長度的度量單位是『米、公分、尺、…』 ,我們都說這個『物理量』的『因次』是『長度』。這樣一個物理量的因次就可以由是基本的『質量』、『長度』、『時間』、『電荷量』、『絕對溫度』…組合,藉由對應的『因次符號』『M』、『L』、『T』、『Q』、『\Theta』…來表達,將該物理量的因次寫成『 M^{q_1} \cdot L^{q_2} \cdot T^{q_3} \cdot Q^{q_4} \cdot {\Theta}^{q_5} \cdots』,此處的 q_1, q_2, q_3, \cdots 都是『有理數』。

假使說發現了一個物理定律,就說是『彈簧』的『虎克定律F = k \cdot x 吧,那麼虎克常數『k』的因次是什麼呢?如果將這個線性彈簧施加『1 N』的力,它從平衡處位移了『\alpha \cdot m』,此處 \alpha 是『無因次』的『純量』。這樣依據『虎刻定律

1 N = 1 kg  \cdot  \frac{m}{s^2}} = k \cdot \alpha \cdot m

,因此 k = {\alpha}^{-1} \frac{kg}{s^2}}k 的因次是 M \cdot T^{-2},也許有人想還是『牛頓/米』比較親切的啊!這個『每秒每秒幾公斤』到底是什麼的嗎??事實上『自然定律』將各個『物理概念』聯繫了起來,於是『同類現象』或者『運動現象』在『度量上』需要與『已經定義』的『單位』保有『一致性』,能夠彼此『相容』。就像牛頓的『萬有引力』定律 F = G \frac{m_1 m_2}{r^2},既然是『力的範疇』,那個『萬有引力常數G

G = \left(6.67384 \plusmn 0.00080 \right) \times 10^{-11} \ \mbox{m}^3 \ \mbox{kg}^{-1} \ \mbox{s}^{-2}

的『單位』就得確保最終 G \frac{m_1 m_2}{r^2} 是『』的單位,而且符合『一牛頓的力』度量之大小『定義』。當然它的因次 L^3 \cdot M^{-1} \cdot T^{-2} 就是『抽象』的了!要是說道兩靜電荷間作用力的『庫侖定律

F = k_{\mathrm{e}}\frac{qq'}{r^2}
k_{\mathrm{e}} = 8.987\ \times 10^9 \ \mathrm{N \cdot m^2 \cdot C^{-2}}

,就怕那個『庫侖常數k_{\mathrm{e}} 的『因次M \cdot L^3 \cdot T^{-2} \cdot Q^{-2} 會是『天書』的吧!其實這卻是許多『物理常數』的由來!!

─── 摘自《【SONIC Π】聲波之傳播原理︰原理篇《四上》

 

如是藉著

歐拉運動定律

歐拉運動定律Euler’s laws of motion)是牛頓運動定律的延伸,可以應用於多粒子系統運動或剛體運動,描述多粒子系統運動或剛體的平移運動旋轉運動分別與其感受的力矩之間的關係 。在艾薩克·牛頓發表牛頓運動定律之後超過半個世紀,於1750年 ,萊昂哈德·歐拉才成功地表述了這定律。[1][2]

剛體也是一種多粒子系統,但理想剛體是一種有限尺寸,可以忽略形變的固體。不論是否感受到作用力,在剛體內部,點與點之間的距離都不會改變。

歐拉運動定律也可以加以延伸,應用於可變形體deformable body)內任意部分的平移運動與旋轉運動。

剛體

歐拉第一運動定律

歐拉第一定律表明,從某慣性參考系觀測,施加於剛體的淨外力 ,等於剛體質量質心加速度的乘積。[3]歐拉第一定律以方程式表達為

\displaystyle \mathbf {F} ^{(ext)}=m\mathbf {a} _{cm}

其中,\displaystyle \mathbf {F} ^{(ext)} 是剛體感受到的淨外力,\displaystyle m 、 \displaystyle \mathbf {a} _{cm} 分別是剛體的質量、質心加速度。

剛體的平移運動等同於位於其質心、具有其質量的粒子,感受到同樣的淨外力,而呈現的運動。

……

歐拉第二運動定律

歐拉第二定律表明,設定某慣性參考系的固定點O(例如,原點)為參考點,施加於剛體的淨外力矩,等於角動量的時間變化率。歐拉第二定律以方程式表達為

\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}_{O}^{(ext)}={\frac {\mathrm {d} \mathbf {L} _{O}}{\mathrm {d} t}} ;

其中,\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}_{O}^{(ext)} 是對於點O淨外力矩,\displaystyle \mathbf {L} _{O} 是對於點O的角動量。

……… 摘自《STEM 隨筆︰古典力學︰動力學

※ 註︰

角動量

物理學中,角動量是與物體的位置向量動量相關的物理量。對於某慣性參考系的原點 \displaystyle \mathbf {O} ,物體的角動量是物體的位置向量動量叉積,通常寫做 \displaystyle \mathbf {L} 。角動量是向量

\displaystyle \mathbf {L} =\mathbf {r} \times \mathbf {p}

其中, \displaystyle \mathbf {r} 表示物體的位置向量, \displaystyle \mathbf {L} 表示角動量。 \displaystyle \mathbf {p} 表示動量。角動量 \displaystyle \mathbf {L} 又可寫為:

\displaystyle \mathbf {L} =\mathbf {r} \times \mathbf {p} =\mathbf {r} \times (m\mathbf {v} )=\mathbf {r} \times (m\times (r{\boldsymbol {\omega }}))=mr^{2}{\boldsymbol {\omega }}=I{\boldsymbol {\omega }}

其中, \displaystyle I 表示杆狀系統的轉動慣量\displaystyle {\boldsymbol {\omega }} 是角速度向量。

假設作用於物體的外力矩和為零,則物體的角動量是守恆的。需要注意的是,由於成立的條件不同,角動量是否守恆與動量是否守恆沒有直接的聯繫。

當物體的運動狀態(動量)發生變化,則表示物體受力作用,而作用力大小就等於動量 \displaystyle \mathbf {P} 的時變率: \displaystyle \mathbf {F} ={\frac {d\mathbf {P} }{dt}}

當物體的轉動狀態發生改變時,表示物體受到力矩作用,而力矩就等於角動量的時變率: \displaystyle {\boldsymbol {\tau }}={\frac {d\mathbf {L} }{dt}}

 

當曉 \vec{\tau} (t)  \cdot \vec{\omega} (t) 是瞬時功率耶☆