流体の力学的性質と運動法則の基礎

流体力学（りゅうたいりきがく、英: fluid dynamics / fluid mechanics）とは、気体や液体といった流体の静止状態や運動状態での性質、また流体中での物体の運動を研究する力学の一分野である。

概説

力学の一部門であり、連続体力学の一部として位置づけられる。大きく分けると、静止状態を対象とする流体静力学と、運動状態を扱う流体動力学に大別される。工学や実用の場においては、水を対象とする水力学や、空気を対象とする空気力学などの専門分野に分かれて扱われることもある。

歴史的発展

流体静力学は古くから発展した歴史を持っており、古代ギリシャのアルキメデスによる原理の発見や、17世紀におけるブレーズ・パスカルによるパスカルの発見、ボイルらによる気体の法則の発見などによって基礎が築かれた。

一方、流体動力学はアイザック・ニュートンの『自然哲学の数学的諸原理』の刊行後に発展した。18世紀には、ダニエル・ベルヌーイ、レオンハルト・オイラー、ルイ＝ジョゼフ・ラグランジュらにより、粘性を無視できる完全流体の運動が研究された。その後、19世紀に入るとアンリ・ナビエやジョージ・ガブリエル・ストークスによって粘性流体を記述する基礎方程式であるナビエ-ストークス方程式が導かれ、オズボーン・レイノルズによる乱流の研究へとつながっていった。

主要な概念と方程式

流体力学では、質量保存の法則、運動量保存の法則、エネルギー保存の法則といった保存則が基礎となる。流体の運動を解析する上では、オイラー方程式やナビエ-ストークス方程式が用いられ、これらは現代の物理学および応用数学における重要な研究対象となっている。

応用分野

流体力学の知見は多岐にわたる分野に応用されている。機械工学、航空工学、船舶工学などの工業技術のほか、地球科学における気象学や海洋物理学、さらには天文学における宇宙流体力学に至るまで、幅広い領域で不可欠な学問となっている。