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流体の基本md 6bd8070
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流体りゅうたい基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_63cda31516e85ceae570338f99413f38description流体を圧力で静止状態、流量とエネルギーで運動状態として扱い、静水圧、浮力、連続の式、ベルヌーイの式を証明する講義である。prerequisites力のつり合いと運動の法則 / 仕事と力学的エネルギー / 熱と気体type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/force-balance-and-laws-of-motion.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/work-and-mechanical-energy.lecture.n.md / data/lecture/physics/thermodynamics/heat-and-gases.lecture.n.md
physicsfluidpressurebuoyancybernoullilecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、流体りゅうたいではちから一点いってんはたら矢印やじるしとしてだけでなく、めん分布ぶんぷする圧力あつりょくとして解説かいせつする。

静止せいしした流体りゅうたいでは、ふかさによって圧力あつりょくわり、そのから浮力ふりょくしょうじる。ながれる流体りゅうたいでは、途中とちゅう流体りゅうたいえないことから連続れんぞくしきて、仕事しごととエネルギー保存ほぞんからベルヌーイのしきる。

2用語ようご定義ていぎ

流体りゅうたいfluidとは、液体えきたい気体きたいのようにかたちたもたず、容器ようきながれにおうじて変形へんけいする物質ぶっしつである。

圧力あつりょくpressure p とは、めん垂直すいちょくはたらちから面積めんせきったりょうであり、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]p=FS

定義ていぎする。

密度みつどdensity ρ とは、単位体積たんいたいせきあたりの質量しつりょうであり、

ρ=mV

である。

3方針ほうしん

流体りゅうたい問題もんだいでは、静止せいしながれかをさきける。

  1. 静止せいしならちからのつりいから圧力あつりょくす。
  2. くかしずむかなら、重力じゅうりょく浮力ふりょくくらべる。
  3. くだふとさとはやさなら、連続れんぞくしき使つかう。
  4. 圧力あつりょくはやさ、たかさが同時どうじるなら、ベルヌーイのしきうたがう。

4関係式かんけいしき 1:静水圧せいすいあつしき

密度みつど ρ静止せいしした流体りゅうたいで、表面ひょうめん圧力あつりょくp0 とすると、ふかh圧力あつりょく

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]p=p0+ρgh

である。

4.1証明しょうめい

断面積だんめんせき Sたかh流体柱りゅうたいちゅうかんがえる。流体りゅうたい静止せいししているので、上下方向じょうげほうこうちからはつりう。

したからけるちからpSうえからされるちからp0S流体柱りゅうたいちゅう重力じゅうりょく

ρShg

である。つりいより

pS=p0S+ρShg

である。S>0ると

p=p0+ρgh

る。

5原理げんり 2:アルキメデスの原理げんり

物体ぶったいしのけた流体りゅうたい体積たいせきV とすると、物体ぶったいける浮力ふりょく

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]FB=ρgV

である。これはしのけた流体りゅうたいおもさにひとしい。

5.1証明しょうめい

まず直方体ちょくほうたいかんがえる。上面じょうめんふかさを h1下面かめんふかさを h2底面積ていめんせきS とする。

上面じょうめん下向したむきにはたらちから

p1S=(p0+ρgh1)S

である。下面かめん上向うわむきにはたらちから

p2S=(p0+ρgh2)S

である。したがって上向うわむきの合力ごうりょく

FB=p2S-p1S=ρg(h2-h1)S

である。ここで

V=(h2-h1)S

だから

FB=ρgV

る。任意にんいかたち物体ぶったいちいさいはしらけてわせればおな結論けつろんになる。

6関係式かんけいしき 3:連続れんぞくしき

密度みつど一定いっていとみなせる定常流ていじょうりゅうでは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]S1v1=S2v2

である。

6.1証明しょうめい

時間じかん Δtあいだに、断面積だんめんせき S1場所ばしょとお体積たいせき

ΔV1=S1v1Δt

である。断面積だんめんせき S2場所ばしょとお体積たいせき

ΔV2=S2v2Δt

である。定常流ていじょうりゅう途中とちゅう流体りゅうたいがたまらず、密度みつど一定いっていなら、おな時間じかんとお体積たいせきひとしい。したがって

S1v1Δt=S2v2Δt

である。Δt>0ると

S1v1=S2v2

る。

7関係式かんけいしき 4:ベルヌーイのしき

非圧縮ひあっしゅく非粘性ひねんせい定常ていじょうながれで、おな流線りゅうせん沿う 2 てんくらべると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]p+12ρv2+ρgh=一定

である。

7.1証明しょうめい

体積たいせき ΔV流体りゅうたいが、てん 1 からてん 2 へ移動いどうするとかんがえる。圧力あつりょくがする仕事しごとは、上流側じょうりゅうがわ

p1ΔV

下流側かりゅうがわ逆向ぎゃくむきに

p2ΔV

である。したがって圧力あつりょくによる正味しょうみ仕事しごと

(p1-p2)ΔV

である。

流体りゅうたい質量しつりょう

Δm=ρΔV

である。エネルギー保存ほぞんより、圧力あつりょく仕事しごと運動うんどうエネルギーと位置いちエネルギーの増加ぞうかひとしいので、

(p1-p2)ΔV=12ρΔV(v22-v12)+ρΔVg(h2-h1)

である。ΔV>0って整理せいりすると、

p1+12ρv12+ρgh1=p2+12ρv22+ρgh2

である。したがって

p+12ρv2+ρgh

おな流線りゅうせん沿って一定いっていである。

8見分みわかた

  • 水深すいしんるなら p=p0+ρgh
  • くかしずむかなら FB=ρgV重力じゅうりょくくらべる。
  • くだふとさがわるなら Sv 一定いってい
  • 圧力あつりょくはやさ、たかさが同時どうじるならベルヌーイ。

9どこまで成立せいりつするか

ベルヌーイのしきは、粘性ねんせいによる損失そんしつ無視むしし、おな流線りゅうせん沿ってくらべるときのしきである。ほそくだでの粘性ねんせい影響えいきょう乱流らんりゅう、ポンプやタービンの仕事しごとがある場合ばあいには、単純たんじゅん保存式ほぞんしきとして使つかえない。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]p=FS
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]p=p0+ρgh
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]FB=ρgV
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]S1v1=S2v2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]p+12ρv2+ρgh=一定

11一言ひとこと

流体りゅうたいでは、静止せいし圧力あつりょくのつりいでみ、ながれは流量りゅうりょうとエネルギー保存ほぞんむ。

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