流体

流体の定義と特性

流体（りゅうたい）とは、明確な定義によれば静止状態でせん断応力が発生しない連続体を指します。この定義から、流体は一般的に液体や気体に該当しますが、液体と気体が混在する場合や、微量の固体が含まれた混相流体も流体と認識されることがあります。

流体の共通する性質

流体の一つの特徴は、その流動性です。流動性とは、体積が一定であり、準静的な状態での変形に対し力を必要としない特性を指します。さらに、流体が静止している場合には、接触面に平行な内部の力（せん断応力、または接線応力）が生じないことも特筆されます。これにより「静止状態においてせん断応力が発生しない連続体」としての流体の定義が導かれます。

また、この流動性は熱力学的な性質や物性ではなく、運動学的な観点で捉えられることに留意すべきです。したがって、固体と流体は単なる物質の形態において分けられるものではなく、外部から与えられる力の変化に応じて同じ物質でも異なる性質を示すことがあります。たとえば、急激な力が水に加わると固体のように振る舞いますし、非常にゆっくりとした力のもとでは氷が流れることがあります。さらに、粘弾性を持つ物質や分散系なども流体として扱われることがあります。

連続体モデル

流体は実際には分子から構成されていますが、連続体モデルではその流体を様々な物理量が連続的に変化するものとして考えます。これにより、密度、圧力、温度、速度などの量が各点で定義され、連続的に変化することを可能にします。このモデルの基礎には、クヌーセン数という指標があり、実際の流体が連続体であると見なすためには、その値が十分に小さい必要があります。

流体の分類

流体は様々な観点から分類されます。

• - 密度の変化による分類

- 非圧縮性流体：密度に時間的変化がなく、主に液体に適用されます。
- 圧縮性流体：密度の変化が顕著であり、気体などが該当します。
- バロトロピック流体：圧力のみに依存する流体。

• - 粘性による分類

- 粘性流体：流動時にせん断応力が生じる流体。
- ニュートン流体：せん断速度とせん断応力の関係が線形。
- 非ニュートン流体：この関係が成り立たない流体。
- 非粘性流体：運動の影響を受けず、圧力だけで記述される流体。

このように、流体に関する理解は、その性質や挙動を評価するために多岐にわたる情報が求められます。

流体の運動の記述

流体の運動は、速度ベクトルに基づいて流線、流脈線、流跡線といった形式で描かれます。定常な流れの場合、これらは一致しますが、非定常な場合には異なった形状を持ちます。流体の運動は質量保存、運動量保存、エネルギー保存の法則に従って記述され、特に非粘性流体にはオイラー方程式が適用されます。

流体力学における高度な理解は、物理学、工学、環境科学など、様々な分野において重要です。流体はその特性や挙動によって、私たちの生活や技術に深い影響を与えているのです。

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