流体ってなに？
流体とは、「流れることができるもの」のことです。たとえば、水、牛乳、はちみつなどの液体、そして空気やガスも流体に含まれます。
では、なぜ流体と言えるのでしょうか？
たとえば、水を考えてみてください。水の分子は常に動いていて、それぞれの位置が変わっています。この「分子が動いている」という状態が、流体の特徴です。つまり、**分子が動いて位置を変えられるものが「流体」**です。
流体じゃないものの例
砂糖や小麦粉はどうでしょう？
コップを傾けると下に流れ落ちますが、これは重力で落ちているだけで、分子同士が位置を変えているわけではありません。そのため、砂糖や小麦粉は流体ではなく固体です。
力学ってなに？
「力学」とは、「力」とその影響を研究する学問です。
たとえば、止まっているサッカーボールを蹴ると、力を加えたことでボールが動き始めます。このとき、力が加わることで「加速」や「動き」が生まれます。力学では、こうした力の大きさや方向、物体への影響を研究します。
流体力学とは？
「流体力学」とは、流体が力を受けたとき、どのように動くかを研究する学問です。流体力学はさらに以下の3つに分かれます：
1. 流体静力学
流体が静止している状態を研究します。たとえば、水がバケツの中にじっとしているときの圧力などを考えます。
2. 流体運動学
流体が動いている状態を研究します。ただし、圧力の影響は考えません。
3. 流体動力学
流体が動いているときに圧力の影響も考慮して研究します。
流体の特性
流体には以下のような重要な性質があります：
• 密度（物質の重さの密度）
• 粘性（どれくらい「ねばねば」しているか）
• 表面張力（水滴が丸くなる性質）
流体静力学とは
流体静力学は、動かない液体や気体についての力や圧力を考える学問です。たとえば、水が入ったコップや空気が入ったボールの中で何が起きているのかを理解するための基礎になります。
基本の考え方
圧力
圧力は、流体が押してくる力のことです。たとえば、水の中に手を入れると水が押してくる感じがしますよね。それが圧力です。
• 公式：
圧力 P = F / A
（力 F を面積 A で割ったもの）
パスカルの原理
流体に力を加えると、その圧力が流体全体に均等に広がります。これをパスカルの原理と言います。
• 例：
ジャッキや油圧ブレーキはこれを利用して重い物を持ち上げています。
浮力
水の中に物を入れると浮こうとする力が働きます。これが浮力です。浮力の大きさは、物体が押しのけた水の重さと同じになります。
静水圧
静止している水の中では、深くなるほど圧力が高くなります。たとえば、プールの底に行くほど耳が痛くなるのはこのためです。
• 公式：
圧力 P = ρ g h
（ρ：水の密度、g：重力加速度、h：深さ）
応用例
• ダムやタンク
水が押してくる力を計算して設計します。
• 船や潜水艦
浮力を計算して沈まないようにします。
• 日常生活
血圧計や点滴も流体静力学の考え方を利用しています。
流体運動学とは
流体運動学は、動いている液体や気体の流れを研究する分野です。流体がどのように動くか、どのような経路を通るかを解析することで、水道、航空機の設計、天気予報など多くの分野で応用されています。
この分野では、流体の速度や流れのパターンに着目し、圧力や力の影響を考える「流体力学」とは少し異なり、主に動きそのものを扱います。
流れの種類
1. 層流（Laminar Flow）
流体が規則正しく滑らかに動く状態です。流れが層をなしているため、「層流」と呼ばれます。
例：蛇口から静かに水を出したときの流れ。
2. 乱流（Turbulent Flow）
流体が不規則に渦を巻きながら動く状態です。非常に複雑な動きをするため、解析が難しいですが、現実の多くの流れが乱流です。
例：川の急流や強風。
基本の概念
流線（Streamline）
流体の動きの経路を示す線です。流線が平行であれば層流、乱れている場合は乱流を表します。
流量（Flow Rate）
一定時間内にどれだけの流体が通過するかを示します。流量は、管の断面積と流速で計算できます。
公式：流量 Q = A × v
Q：流量、A：断面積、v：流速
連続の式（Continuity Equation）
流体は圧縮されない場合、管の太さが変わっても流量は一定になります。これを「連続の式」と呼びます。
公式：A₁ × v₁ = A₂ × v₂
A₁、A₂：断面積、v₁、v₂：流速
例：太い部分から細い部分へ流れるとき、細い部分では流速が速くなります。
応用例
• 航空機の設計
翼の周りの空気の流れを分析して揚力を最大化します。
• 気象学
空気や水蒸気の流れを計算して、天気予報や気候モデルを作ります。
• 産業技術
水道管や排気システムで効率的な流れを設計します。
注意点
流体運動は、形状や速度によって複雑に変化します。特に乱流は解析が難しいです。圧縮性がある流体（音速に近い流れなど）では、運動学だけでなく圧力や温度の影響も考慮が必要です。
流体運動学を理解することで、私たちの身の回りの多くの現象や技術の仕組みを深く知ることができます。
流体動力学とは
流体動力学は、動いている液体や気体に力が加わるときの挙動を研究する分野です。流体の速度、圧力、密度、温度がどのように変化するかを解析し、それらがどのように相互作用するかを考えます。この知識は、航空機や船舶の設計、エネルギー生産、気象予測などに応用されています。
基本の法則
ベルヌーイの定理
流体の速度と圧力には関係があります。速度が速い場所では圧力が低く、速度が遅い場所では圧力が高くなる、という原理です。
公式：
P + 1/2 ρv² + ρgh = 定数
P：圧力、ρ：流体の密度、v：流速、g：重力加速度、h：高さ
例：飛行機の翼の上を通る空気の流れが速いことで揚力が発生します。
ナビエ–ストークス方程式
流体の運動を正確に記述する方程式で、流速、圧力、密度、粘性（流体の内部摩擦）を組み合わせて解析します。この方程式は非常に複雑で、解析的な解を得るのが難しい場合が多いです。
流体の性質
1. 圧縮性
空気のような気体は圧縮性がありますが、水などの液体はほとんど圧縮性がありません。
2. 粘性
流体が内部で摩擦を持つ性質です。粘性が高い流体（例：ハチミツ）は動きが遅く、粘性が低い流体（例：水）はスムーズに流れます。
3. 層流と乱流
流れが滑らかな場合は層流、不規則で渦を巻く場合は乱流になります。流れの性質は流体の速度や粘性によって決まります。
応用例
• 航空機と船舶の設計
流体動力学を利用して翼や船体の形状を最適化し、揚力や抵抗を調整します。
• 発電所やエンジン
タービンやポンプの設計で流体の動きを効率化します。
• 気象予測
空気や水蒸気の流れを解析し、天気や気候変動を予測します。
• スポーツ科学
ボールや自転車の空気抵抗を減らす設計に利用されます。
注意点
流体動力学では、速度や圧力の変化に加え、温度や密度の影響も考慮する必要があります。また、乱流は非常に複雑で、シミュレーションや実験に頼ることが多いです。
流体動力学を理解することで、自然現象や技術開発における流れの仕組みを深く学ぶことができます。
