流体力学は、2 つの流体が互いに接触するときの相互作用を含む、流体の動きの研究です。この文脈において、「流体」という用語は、液体または気体のいずれかを指す。これは、これらの相互作用を大規模に分析するための巨視的で統計的なアプローチであり、流体を物質の連続体と見なし、一般に液体または気体が個々の原子で構成されているという事実を無視します。
流体力学は、流体力学の 2 つの主要な分野の 1 つです。 、もう一方のブランチは fluid statics です。 静止流体の研究。 (おそらく驚くべきことではありませんが、ほとんどの場合、流体静力学は流体力学ほど刺激的ではないと考えられているかもしれません。)
流体力学の主要概念
すべての分野には、それがどのように機能するかを理解するために重要な概念が含まれています。流体力学を理解しようとするときに出くわす主なもののいくつかを次に示します。
流体の基本原則
流体静力学に適用される流体の概念は、動いている流体を研究するときにも役立ちます。流体力学の最も初期の概念は浮力であり、古代ギリシャでアルキメデスによって発見されました。
流体が流れるとき、流体の密度と圧力も、それらがどのように相互作用するかを理解するために重要です。粘度は液体の変化に対する抵抗力を決定するため、液体の動きを研究する上でも重要です。これらの分析で出てくる変数の一部を以下に示します:
- かさ粘度:μ
- 密度:ρ
- 動粘度:ν =μ / ρ
フロー
流体力学には流体の運動の研究が含まれるため、最初に理解しなければならない概念の 1 つは、物理学者がその運動をどのように定量化するかということです。物理学者が液体の動きの物理的性質を説明するために使用する用語は、フロー です。 .流れは、空気を吹き飛ばす、パイプを流れる、表面に沿って流れるなど、さまざまな流体の動きを表します。流体の流れは、流れのさまざまな特性に基づいて、さまざまな方法で分類されます。
定常流と非定常流
流体の動きが時間の経過とともに変化しない場合、定常流と見なされます .これは、流れのすべての特性が時間に対して一定のままである状況によって決定されます。あるいは、流れ場の時間微分が消滅すると言うことで説明することもできます。 (導関数を理解するための詳細については、計算を確認してください。)
定常状態の流れ すべての流体特性 (流動特性だけでなく) が流体内のすべての点で一定であるため、時間依存性はさらに低くなります。したがって、安定した流れがあったが、流体自体の特性がある時点で変化した場合 (おそらく、流体の一部に時間依存のリップルを引き起こすバリアが原因で)、安定した流れは になります。 定常状態の流れ。
ただし、定常状態の流れはすべて定常流の例です。直管を一定の速度で流れる電流は、定常流 (および定常流) の例です。
流れ自体に時間とともに変化する特性がある場合、それは非定常流れと呼ばれます または一時的な流れ .嵐の際に側溝に流れ込む雨は、非定常流の一例です。
原則として、定常流は非定常流よりも問題を扱いやすくします。これは、時間に依存する流れの変化を考慮する必要がなく、時間の経過とともに変化するものであることを考えると予想されることです。通常、物事はより複雑になります。
層流と乱流
液体の滑らかな流れは層流と言われています .一見無秩序で非線形の動きを含む流れは、乱流があると言われます .定義上、乱流は非定常流の一種です。
どちらのタイプの流れにも、渦、渦、およびさまざまなタイプの再循環が含まれる可能性がありますが、存在するそのような動作が多いほど、流れが乱流として分類される可能性が高くなります。
流れが層流か乱流かの区別は、通常、レイノルズ数に関連しています。 (レ ）。レイノルズ数は、1951 年に物理学者のジョージ ガブリエル ストークスによって最初に計算されましたが、19 世紀の科学者オズボーン レイノルズにちなんで名付けられました。
レイノルズ数は、流体自体の詳細だけでなく、次の方法で粘性力に対する慣性力の比率として導出されるその流れの条件にも依存します:
再 =慣性力 / 粘性力
再 =(ρ V dV /dx ) / (μ dV/dx)
項 dV/dx は、速度 (または速度の一次導関数) の勾配であり、速度 (V ) を L で割った値 、長さのスケールを表し、dV/dx =V/L になります。二次導関数は、dV/dx =V/L となります。これらを 1 階導関数と 2 階導関数に代入すると、次のようになります。
再 =(ρ V V /L ) / (μ V /L )
Re =(ρ V L ) / μ
長さスケール L で割り、1 フィートあたりのレイノルズ数を求めることもできます。 、Re f として指定 =V / ν .
低いレイノルズ数は、滑らかな層流を示します。高いレイノルズ数は、渦と渦を示し、一般により乱流になる流れを示します。
パイプの流れと開水路の流れ
パイプの流れ パイプを通って移動する水 (したがって「パイプ フロー」という名前) やエア ダクトを通って移動する空気など、すべての側面で固定境界と接触するフローを表します。
開通の流れ 剛体境界と接触していない少なくとも 1 つの自由表面がある他の状況での流れを説明します。 (技術的に言えば、自由表面には 0 の平行せん断応力があります。) 開水路の流れのケースには、川を流れる水、洪水、降雨時の水の流れ、潮流、および灌漑用水路が含まれます。これらの場合、水が空気と接触している流水の表面は、流れの「自由表面」を表します。
パイプ内の流れは圧力または重力のいずれかによって駆動されますが、開水路の状況での流れは重力のみによって駆動されます。市の水道システムは給水塔を使用してこれを利用することが多いため、塔内の水の高低差 (流体力学的水頭 ） 圧力差が発生し、機械式ポンプで調整されて、システム内の必要な場所に水が送られます。
圧縮性と非圧縮性
気体は、気体を含む体積を減らすことができるため、一般に圧縮性流体として扱われます。エアダクトは、サイズを半分に縮小しても、同じ量のガスを同じ割合で運ぶことができます。ガスがエアダクトを通って流れる場合でも、一部の領域は他の領域よりも密度が高くなります.
一般に、非圧縮性とは、流体が流れの中を移動するときに、流体のどの領域の密度も時間の関数として変化しないことを意味します。もちろん、液体も圧縮できますが、圧縮できる量にはさらに制限があります。このため、液体は通常、非圧縮性であるかのようにモデル化されます。
ベルヌーイの原理
ベルヌーイの原理 は流体力学のもう 1 つの重要な要素であり、ダニエル ベルヌーイの 1738 年の著書 Hydrodynamica に掲載されています。 .簡単に言えば、液体の速度の増加を圧力または位置エネルギーの減少に関連付けます。非圧縮性流体の場合、これはベルヌーイの方程式として知られているものを使用して記述できます。 :
(v /2) + gz + p /ρ =定数
どこで g は重力による加速度、ρ は液体全体の圧力、v は、特定の点での流体の流速 z です。 はその地点の標高、p その時の圧力です。これは流体内で一定であるため、これらの方程式は任意の 2 点 1 と 2 を次の方程式で関連付けることができます:
(v 1 /2) + gz 1 + p 1 /ρ =(v 2 /2) + gz 2 + p 2 /ρ
標高に基づく液体の圧力とポテンシャル エネルギーの関係は、パスカルの法則によっても関連付けられます。
流体力学の応用
地球の表面の 3 分の 2 は水であり、惑星は大気の層に囲まれているため、私たちは文字通り常に流体に囲まれています...ほとんど常に動いています.
少し考えてみると、これは、私たちが科学的に研究し理解するために、動く流体の相互作用がたくさんあることをかなり明白にします.もちろん、流体力学の出番なので、流体力学の概念を適用する分野が不足することはありません。
このリストはすべてを網羅しているわけではありませんが、さまざまな専門分野にわたる物理学の研究で流体力学がどのように現れるかについての概要を示しています。
- 海洋学、気象学、気候科学 - 大気は流体としてモデル化されているため、気象パターンと気候傾向の理解と予測に不可欠な大気科学と海流の研究は、流体力学に大きく依存しています。
- 航空学 - 流体力学の物理学では、空気の流れを研究して抗力と揚力を生み出し、空気よりも重い飛行を可能にする力を生成します。
- 地質学と地球物理学 - プレート テクトニクスには、地球の液体コア内の加熱された物質の動きの研究が含まれます。
- 血液学と血行動態 - 血液の生物学的研究には、血管を通る循環の研究が含まれ、血液循環は流体力学の方法を使用してモデル化できます。
- プラズマ物理学 - 液体でも気体でもありませんが、プラズマは流体と同様に振る舞うことが多いため、流体力学を使用してモデル化することもできます。
- 天体物理学と宇宙論 - 星の進化のプロセスには、星の経時変化が含まれます。これは、星を構成するプラズマがどのように流れ、星内で相互作用するかを研究することで理解できます。
- トラフィック分析 - おそらく、流体力学の最も驚くべき応用の 1 つは、車両と歩行者の両方の交通の動きを理解することです。交通量が十分に密集している地域では、交通量全体を、流体の流れとほぼ同じように動作する単一のエンティティとして扱うことができます。
流体力学の別名
流体力学は流体力学と呼ばれることもあります 、これはより歴史的な用語ですが。 20 世紀を通じて、「流体力学」という言葉がより一般的に使用されるようになりました。
技術的には、流体力学が動いている液体に流体力学が適用され、 空気力学 であると言う方が適切でしょう。 流体力学が動いている気体に適用されるときです。
ただし、実際には、流体力学的安定性や磁気流体力学などの専門的なトピックでは、それらの概念を気体の運動に適用する場合でも、"hydro-" 接頭辞を使用します。
