流体力学とは何かを理解する
クレイリブ/ゲッティイメージズ
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。このコンテキストでは、「流体」という用語は次のいずれかを指します。 液体または気体 .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な統計的アプローチであり、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 、他のブランチは 流体静力学、 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、流体静力学は、ほとんどの場合、流体力学よりもエキサイティング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。
流体の基本原理
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。流体力学のかなり初期の概念は、 浮力 、で発見 アルキメデスによる古代ギリシャ .
流体が流れると、 密度 と プレッシャー 流体がどのように相互作用するかを理解するためにも重要です。の 粘度 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不可欠です。これらの分析で出てくる変数の一部を次に示します。
- かさ粘度: メートル
- 密度： r
- 動粘度: n = メートル / r
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 .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は、 定常流 .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。)
あ 定常流れ 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)、安定した流れが得られます。 いいえ 安定した流れ。
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。
フロー自体に時間の経過とともに変化するプロパティがある場合、それは 非定常流 または 過渡的な流れ .暴風雨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
スムーズな液体の流れは、 層流 .一見混沌とした非線形の動きを含む流れは、 乱流 .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 ( 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流れの条件にも依存します。
レ = 慣性力 / 粘性力
レ = ( r の DV / DX ) / ( メートル d2V/dx2)
項 dV/dx は、速度 (または速度の一次導関数) の勾配であり、速度に比例します ( の ） で割った L 、長さのスケールを表し、dV/dx = V/L になります。 2 次導関数は、d2V/dx2= V/L2.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。
レ = ( ρ V V / L ) / ( m V / L 2)
Re = ( † V L ) / メートル
長さスケール L で割ることもできます。 フィートあたりのレイノルズ数 、として指定 参照 = の / n .
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 は、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、あらゆる面で固定境界と接触する流れを表します。
開水路の流れ 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。市の水道システムでは、これを利用するために給水塔を使用することが多く、塔内の水の高低差 ( 流体力学的ヘッド ）は圧力差を生み出し、機械式ポンプで調整して、システム内の必要な場所に水を供給します。
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 年の本に掲載されています。 流体力学 .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 として知られているものを使用して説明できます。 ベルヌーイの方程式 :
( の 2/2) + gz + p / r =定数
どこ g は重力による加速度、 r は液体全体の圧力、 の は、特定の点での流体の流速です。 と 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。
( の 12/2) + gz 1+ p 1/ r = ( の 22/2) + gz 2+ p 2/ r
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液体に囲まれており、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.そこにはもちろん流体力学の出番があり、流体力学の概念を応用する分野はいくらでもあります。
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に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。
- 地質学と地球物理学 - プレートテクトニクス 地球の液体コア内の加熱された物質の運動を研究することを含みます。
- 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。
- 天体物理学と宇宙論 - 恒星の進化の過程には、恒星の経時変化が含まれます。これは、恒星を構成するプラズマが恒星内でどのように流れ、相互作用するかを調べることで理解できます。
流体力学の別名
流体力学は、 と呼ばれることもあります。 流体力学 、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、流体力学は、流体力学が動いている液体に適用され、 空気力学 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、接頭辞「hydro-」を使用します。