流体とは何かWhat is a fluid?

本稿では、流体をせん断応力に対する力学的応答によって定義し、ニュートン流体の構成式および連続体近似の適用範囲を整理する。

読了目安 8分2026-08-11 更新用語・式・単位を一次資料と照合EN version

要旨

流体とは、静止状態においてせん断応力を持続的に支持できず、せん断応力が作用する限り変形を継続する物質である。この力学的定義には液体と気体の両方が含まれる。

弾性固体では、せん断応力は有限のせん断ひずみと対応し、変形後の静的平衡が成立し得る。一方、流体では静的なせん断応力と釣り合う平衡状態は存在せず、せん断変形が時間とともに進行する。

弾性固体

有限変形で静的平衡

流体

せん断変形が時間的に進行

ニュートン流体では、応力テンソルのせん断成分は速度勾配に対して線形である [1, 2]。一方向速度 u = u(y) をもつ単純せん断流では、構成式は次式に簡約される。

式 (1)　ニュートンの粘性法則

\tau=\mu\frac{\mathrm d u}{\mathrm d y}

単純せん断流 u = u(y) に対する表示

物理的解釈同一の速度差に対しては、代表長さが小さいほど速度勾配が増大する。したがって粘度が一定であれば、必要なせん断応力も比例して増大する。

流体は分子から構成されるが、巨視的な流体力学では、密度 ρ、圧力 p、速度 u、温度 T を空間および時間の連続関数として表す。代表長さが分子の平均自由行程に対して十分大きい場合、この連続体近似が妥当となる [3]。

静止流体の応力は面に垂直な圧力として表される

粘度は速度勾配とせん断応力を関係付け、摩擦損失を規定する

連続体に対して質量・運動量・エネルギーの局所収支を定式化できる

流体の状態および輸送特性を記述する基本物性を定義する。

用語、構成式および物性の区分は、国際標準用語集と公的研究機関の資料に照合した。参照日は2026年8月11日。外部専門家による査読は未実施である。