流体力学の基礎を学ぶ記事一覧
流体力学とは
機械工学には様々な分野が存在しますが、その中でも最重要といえるのが流体力学です。流体力学が取り扱う流体とは「気体」と「液体」を指していて、自由に変形できる特徴を有しています。機械系の学生の科目には「流れ学」と「流体力学」というように、科目名が別に設定されている場合が多いでしょう。この「流れ学」とは流...
密度と比重量と比重の違い
流体力学を学ぶにあたって、流体に関する基本的な性質である「密度」「比重量」「比重」などについて理解しておく必要があります。密度とは私たちが普段よく耳にする密度は、人口密度です。「人口密度」は、単位面積1 km2当たりに居住する人の数です。例えば、日本では、東京が最も人口密度が高く6168人／km2、...
粘度と動粘度
粘度流体には、空気、水、油、塗料などさまざまな種類があり、私たちは、その粘り気のことを、「さらさら」や「どろどろ」といった表現をします。これらを定量的に表現したものが「粘度」です。例えば、粘り気のある水あめなどをかき混ぜる際、水をかき混ぜるより力が必要となります。この粘性の強さを表すための物性値が「...
レイノルズ数
流体の粘性を表す物性値は粘度あるいは動粘度ですが、流れに対する粘性の影響力を支配するのはレイノルズ数です。レイノルズ数は単位が存在しない無次元量で、以下の式で定義することができます。ここで，ν：流体の動粘度，U：流れの代表速度，L：流れ場の代表長さです。レイノルズ数Reは慣性力と粘性力との比であるこ...
体積弾性係数と圧縮率
圧力変化によって体積変化する性質を圧縮性といいます。ある物質が圧力pの下で体積Vであった場合、圧力を極わずかに上昇させると、圧力がp+dp、体積がV+dV（ただし，dV<0である）になったとします。このとき，圧力変化dpが微小であれば，圧力変化dpと体積変化dVとの間には以下の関係が成立します...
粘性流体と非粘性流体
「粘度と動粘度」 で説明しました粘性は流体の重要な性質の1つです。そして、この粘性の有無によって流体を分類することができます。粘性がある流体を 「粘性流体」 粘性がない流体を 「非粘性流体」といいます。実在する流体はすべて粘性を持っているため、厳密には非粘性流体はない といえます。（ただし，極低温の...
圧縮性流体と非圧縮性流体
圧縮性に着目して分類する流体を圧縮性流体と非圧縮性流体といいます。圧縮性の影響を考慮する必要がある流体が 「圧縮性流体」 です。一方、圧縮性の影響が小さく、圧縮性を無視できる流体が 「非圧縮性流体」 です。（なお、厳密な非圧縮性流体は実在しません。）圧縮性流体非圧縮性流体 流体の圧縮性の物性値...
理想流体とは
粘性および圧縮性のない流体を理想流体といいます。粘性がないため，エネルギー損失や抵抗力が存在しないため、解析を行う際、計算が非常に容易になります。しかし、実在する流体とは矛盾点が発生します。一般的に、物体の表面付近には流速の遅い境界層が形成されます。境界層の外側は粘性の影響が小さいため、理想流体とし...
圧力の基礎
私たちの生活の中には、圧力を活用した様々な製品が存在します。例えば、ポンプ、シリンダー、コンプレッサー、タービンなどは、圧力を原理とした機械製品です。ここでは、機械設計で必ず理解が必要となる圧力に関する基礎を解説します。圧力とは圧力とは、単位面積に対して垂直に働く力のことです。床の上に置かれた荷物に...
絶対圧とゲージ圧
圧力には、「絶対圧」と「ゲージ圧」の2種類があります。「ゲージ圧」は大気圧を基準とした圧力です。大気圧とは私たちは空気の底に住んでおり、普段感じることはありませんが、空気の重さを体で受けています。そして海面上では、1cm2あたり約1kgfの空気の力（0.101MPa）がかかっています。この海面上で空...
パスカルの原理
静止している流体に加わる圧力はどこでも等しくなります。例えば、自動車のタイヤの空気圧は、どこを測定ポイントとしても同じです。また、その時にかかる圧力は物体に対して常に垂直です。このように静止している流体では、同じ圧力が全てに伝わって等しくなります。これを「パスカルの原理」といいます。（ちなみに動いて...
アルキメデスの原理（浮力）
静止した流体中にある物体は、それが「排除した流体の重量に等しい大きさ」の鉛直上の向きの力つまり、浮力を受けます。これが「アルキメデスの原理」です。例えば、1cm3の大きさを持つ「氷（こおり）」をコップの水に浮かべてみましょう。ここで、水の密度を1.0g/cm3、氷の密度を0.9g/cm3とします。す...
流れの基礎
流れを表す物理量ここでは、流れを理解して頂くために、速度や流量など流れを表す物理量について解説します。■速度速度とは単位時間当たりの移動量距離のことです。単位は、m/sやkm/hなどが使われます。例えば、自動車の速度は時速40[km/h] 、台風の風速は、最大15[m/s]、ボールのスピードは時速8...
圧力とせん断応力
ある物質の中の微小要素を取り出したとき、その微小要素に働く力は図の通りです。微小面積の面に圧縮力が働いているとき、圧力pはと表すことができます。また、せん断応力τは次式で表すことができます。
流線、流脈線、流跡線
流れは目に見えないことが多いので、流れの可視化によって目に見えるようにすることがあります。「流線」とは、ある瞬間を写真で撮影したように、その瞬間における速度ベクトルを線で結んだもののことを言います。「流脈線」とはある一点から通過した流体の流れを描いた線のことです。例えば、流れる水に墨汁を流したときに...
様々な流れ
定常流と非定常流時間変化のない流れを「定常流」といいます。定常流では、「流量・流速・圧力」などの物理量は時間によらず一定となります。例えば、容器に流れ込む水の量Ｑ1と流れ出す水の量Ｑ2が同じである場合が定常流となります。一方、流れ込む水の量Ｑ1が流れ出す水の量Ｑ2より小さい場合、時間と共に「流量・流...
質量保存則
気体のように、密度変化を無視できない圧縮性流体の定常流において、下図のような任意の断面（A1やA2）を通過する単位時間あたりに流れる流量（質量流量）は等しくなります。断面Ａと断面Ｂを単位時間あたりに流れる流量を計算してみます。単位時間をΔｔとすると、流れた距離は、速度×時間なので、U×Δt となりま...
ベルヌーイの定理
1738年スイスの物理学者であるダニエル・ベルヌーイ氏（Daniel Bernoulli）は、ベルヌーイの定理を発見しました。ベルヌーイの定理は以下の式となります。この式を簡単に説明すると、「流体の速度が増加すると圧力が下がること」 を示しています。これを身近な例でご説明いたします。例えば、Ａ４の用...
管内の流れと圧力損失
どの様な流れでも、流体の粘性によって摩擦抵抗が作用します。摩擦抵抗は流れのエネルギー損失になります。円管や長方形管内流れの場合、このエネルギー損失を「管摩擦損失」といいます。例えば、大きな水槽から水平な直管内へ流体が流れる場合、管摩擦損失によって圧力は下流へ向って徐々に低下します。これを「圧力降下」...
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