流体力学（概要）：基本、用語、方程式

流体力学の研究は、物理学の狭いトピックのように思えるかもしれません。 日常のスピーチでは、たとえば、液体、特に水の流れのようなものを意味するときに「流体」と言います。 そして、なぜあなたはとても平凡な何かの動きを見るだけでそんなに多くの時間を費やしたいのですか？

しかし、この考え方は、流体の研究の性質を誤解し、流体力学の多くの異なるアプリケーションを無視します。 流体力学は、海流などを理解するのに役立つだけでなく、プレートテクトニクス、恒星進化論、血液循環、気象学などの分野にも応用できます。

重要な概念はエンジニアリングと設計にとっても重要であり、流体力学の習得はへの扉を開きます 航空宇宙工学、風力タービン、空調システム、ロケットエンジン、パイプなどを扱う ネットワーク。

ただし、このようなプロジェクトに取り組むために必要な理解を解き放つための最初のステップは、 流体力学の基礎、物理学者がそれについて話すときに使用する用語、およびそれを支配する最も重要な方程式 それ。

フレーズ内の個々の単語を分解すると、流体力学の意味を理解できます。 「流体」とは、液体または非圧縮性流体を指しますが、技術的には気体を指すこともあり、トピックの範囲が大幅に広がります。 名前の「ダイナミクス」の部分は、動いていない流体の研究である流体静力学ではなく、動いている流体または流体の動きの研究を含むことを示しています。

流体力学、流体力学、空気力学の間には密接な関係があります。 流体力学は、流体運動静的流体であるため、流体力学は実際には流体力学の半分を構成します（そして、それは最も進行中の研究の一部です）。

一方、空気力学は取引します排他的に流体力学は気体と液体の両方をカバーしますが、気体の場合。 空気力学に取り組みたいことがわかっている場合は専門化することには利点がありますが、流体力学はこの分野で最も広範囲で最も活発な分野です。

流体力学の主な焦点は流体の流れ、したがって、基本を理解することは、どの学生にとっても重要です。 ただし、重要なポイントは直感的に単純です。流体は下り坂を流れ、圧力差の結果として流れます。 下り坂の流れは重力ポテンシャルエネルギーによって駆動され、圧力差による流れは ニュートンの2番目の場所に沿って、ある場所と別の場所での力の不均衡によって本質的に駆動されます 法律。

連続の方程式はかなり複雑に見える表現ですが、実際には非常に単純な点を伝えています。つまり、物質は流体の流れの間に保存されます。 したがって、ポイント1を通過して流れる流体の量は、ポイント2を通過して流れるポイントと一致する必要があります。質量流量は一定です。 この方程式により、これが何を意味するのかを具体的に理解するのが簡単になります。

どこρ密度です、Aは断面積であり、vは速度であり、下付き文字1と2は、それぞれポイント1とポイント2を示します。 流体の流れを考慮しながら、方程式の項を慎重に検討してください。断面積は1つで、 与えられた点での流体の流れの2次元の「スライス」であり、速度は、 流体が動いています。

パズルの残りの部分である密度は、これがさまざまなポイントでの流体の圧縮量とバランスが取れていることを保証します。 これは、ガスがポイント1とポイント2の間で圧縮される場合、ポイント2での単位体積あたりのより多くの物質が方程式で考慮されるようにするためです。

それぞれの側で3つの項の単位を組み合わせると、式の結果の単位は質量/時間の値、つまりkg / sであることがわかります。 この方程式は、移動中の2つの異なるポイントでの物質の流量と明示的に一致します。

ベルヌーイの原理は、流体力学における最も重要な結果の1つであり、言い換えると、流体がより速く流れる領域では圧力が低いと述べています。 しかし、これがベルヌーイの方程式の形で表現されると、これが次のステートメントであることが明らかになります。電気の保存流体力学に適用されます。

それは本質的に、エネルギー密度（すなわち、体積の単位でのエネルギー）が 定数、または（同等に）特定のポイントの前後で、これら3つの項の合計が残ります 同じ。 記号で：

最初の項は圧力エネルギーを与えます（圧力=P）、第2項は単位体積あたりの運動エネルギーを示し、第3項は位置エネルギーを示します（g= 9.81 m / s² そしてh=チューブの高さ）。 物理学におけるエネルギー保存の法則または運動量方程式に精通している場合は、この方程式の使用方法についてすでによく理解しているはずです。

選択したポイントの後のパイプと流体の初期値と少なくともいくつかの詳細がわかっている場合は、方程式を再配置することで残りの値を見つけることができます。

ベルヌーイの方程式に関するいくつかの注意点に注意することが重要です。 両方の点が流線上にあり、流れが安定しており、摩擦がなく、流体の密度が一定であると想定しています。

これらは式の制限的な制限であり、あなたが厳密に正確で、これらの要件を満たす移動流体はありません。 ただし、物理学でよくあることですが、多くの場合はこのように近似的に説明できます。計算をはるかに簡単にするために、これらの近似を行う価値があります。

ベルヌーイの方程式は、実際にはいわゆる層流に適用され、基本的に、滑らかな流れまたは流線型の流れで移動する流体を表します。 変動、渦、その他の不規則な振る舞いがある乱流の反対として考えると役立ちます。

この定常流では、流れを特徴づけるために使用される速度や圧力などの重要な量は一定のままであり、流体の流れは層状に発生していると考えることができます。 たとえば、水平面では、流れは一連の平行な水平としてモデル化できます。 水の層、またはチューブを通して、それは一連のますます小さな同心体と考えることができます シリンダー。

層流のいくつかの例は、それが何であるかを理解するのに役立つはずです。日常の例の1つは、蛇口の底から出てくる水です。 最初はドリブルしますが、蛇口をもう少し開くと、滑らかで完璧な水の流れが得られます。これは層流です。それでも、より高いレベルでは次のようになります。乱流. たばこの先端から出る煙も、最初は滑らかな流れである層流を示しますが、先端から離れるにつれて乱流になります。

層流は、流体がゆっくりと移動している場合、粘度が高い場合、または流れるスペースが少ない場合によく見られます。 これは、オズボーンレイノルズ（レイノルズ数で知られる）による有名な実験で実証されました。 次のセクションで詳しく説明します）、ガラスを通る流体の流れに染料を注入しました チューブ。

流れが遅い場合、染料は直線経路で移動し、高速では遷移パターンに移動し、はるかに高速では乱流になります。

乱流は、流体が流れる空間が大きく、粘度が低い、高速で発生する傾向のある無秩序な流れの動きです。 これは、渦、乱気流、および伴流によって特徴付けられ、カオス的な振る舞いのために、流れの正確な動きを予測することを非常に困難にします。 乱流では、流体の速度と方向（つまり速度）が連続的に変化します。

風、川の流れ、水の中の水など、日常生活における乱流の例は他にもたくさんあります。 ボートの移動、航空機の翼の先端の周りの空気の流れ、および血液の流れをきっかけに 動脈。 この理由は、層流は実際には特別な状況でのみ発生するためです。 たとえば、層流を得るには蛇口を特定の量だけ開く必要がありますが、任意のレベルまで開くと、流れが乱れる可能性があります。

システムのレイノルズ数は、移行点層流と乱流の間、および流体力学の状況に関するより一般的な情報。 レイノルズ数の式は次のとおりです。

どこρ密度です、v速度です、Lは特性長（パイプの直径など）であり、μは流体の動粘度です。 その結果、流体の流れを特徴付ける無次元数が得られ、流れの特性がわかっている場合は、層流と乱流を区別するために使用できます。 レイノルズ数が2,300未満の場合は層流になり、レイノルズ数が4,000を超える場合は乱流になり、中間段階は乱流になります。

流体力学には、明白なものからそれほど明白ではないものまで、実世界のアプリケーションがたくさんあります。 より期待されるアプリケーションの1つは、配管システムの設計です。これは、すべてが意図したとおりに機能することを保証するために、流体がパイプをどのように流れるかを考慮する必要があります。 実際には、配管工は流体力学を理解していなくてもタスクを実行できますが、一般にパイプ、コーナー、配管システムの設計には不可欠です。

海流（および大気流）は、流体力学が不可欠な役割を果たすもう1つの領域であり、物理学者が研究および取り組んでいる特定の領域が多数あります。 海と大気はどちらも回転する層状のシステムであり、どちらもその行動に影響を与える多数の複雑さを持っています。

ただし、さまざまな海流と大気の流れを駆動するものを理解することは、 現代、特に地球規模の気候変動やその他の人類起源による追加の課題 影響。 ただし、システムは一般に複雑であるため、これらのシステムをモデル化して理解するために、計算流体力学がよく使用されます。

より身近な例は、流体力学が物理システムの理解に貢献できる小規模な方法を示しています。野球のカーブボールです。 スピンがスローに与えられると、スピンに逆らって移動する空気の一部を遅くし、スピンとともに移動する部分を速くする効果があります。

これにより、ベルヌーイの式によると、ボールのさまざまな側面に圧力差が生じます。 これは、ボールを低圧領域（ボールの側面が次の方向に回転する方向）に向かって推進します。 モーション）。