よぉ、桜木建二だ。今回は「流体力学」という学問について説明するぞ。「流体力学」は、実用性が高く、工学の広い分野で用いられている。工学を学ぶ上で、流体力学を学ぶことは避けて通れないだろう。流体力学は、難しい学問だという印象を持たれることが多く、つまづいてしまうことも多い。そこで、今回は流体力学を学習する上で重要となるポイントをまとめた。
塾講師として物理を高校生に教えていた経験もある通りすがりのぺんぎん船長と一緒に解説していくぞ。
解説／桜木建二
「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。
ライター／通りすがりのペンギン船長
現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻しており、物理学も幅広く勉強している。塾講師として物理を高校生に教えていた経験から、物理の学習において、つまずきやすい点や勘違いしやすい点も熟知している。
流体力学とは？
流体力学とは、流体の流れそのものや流体の中に置かれた物体にかかる力を、数式を用いて考察する学問ですよ。流体とは、水や空気といった液体および気体の総称です。物理学の他の分野と同様に、工学の世界では非常に実用性の高い学問として認識されていますよ。
この記事では、流体力学をこれから学ぶという方に向けて、流体力学の全体像と学習におけるポイントを簡潔に説明していきますね。流体力学では、古典力学で登場する運動量や力学的エネルギーの概念を、より発展的に扱います。ですから、古典力学の理解に自信がない場合は、流体力学を学ぶ前に、古典力学を復習するところから始めるということがおすすめです。
また、余裕がある方は、流体力学と同時に伝熱学を学んでみるのも良いかもしれません。なぜなら、流体力学と伝熱学は互いに深い関係性があり、似ている公式や法則が多数登場するからです。自分のレベルにあったところからで良いので、流体力学の世界を楽しんでみましょう!
桜木建二
流体力学を学ぶ前に、古典力学が理解できているかを確かめろ。
流体力学が役立つ場面
ここでは、流体力学が役立つ場面をいくつか紹介します。飛行機や新幹線は、流体である空気中を高速で通過しますよね。物体が流体中を高速で通過すると、大きな揚力や抵抗力が生じます。実際、飛行機は揚力を利用して、空を飛んでいますよ。また、新幹線は車両の先端部をとがらせることで、車両にかかる空気抵抗を小さくしています。このような揚力や抵抗力の大きさの計算およびシミュレーションには流体力学の理論が用いられていますよ。
また、流体力学を応用することで、気流など含む大気の状態を予測することもできます。このような技術は、気象、大気汚染、地球温暖化などの研究に用いられいるのです。流体力学は、水が関連する現象にも適応することができます。例えば、洪水の時に橋の橋脚にどの程度の力がかかるのかという計算は、流体力学を用いて行いますよ。他にもダムや防潮堤の設計、配管の設計にも、流体力学が用いられています。このように、工学の非常に広い分野で、流体力学が用いられているのです。
桜木建二
航空産業、鉄道の設計、天気予報といった広い分野で流体力学は活躍しているぞ。
流体力学を学習する際のポイント
ここでは、流体力学を学習する上でポイントとなる事柄を、例を挙げながら紹介しますね。流体力学では、様々な用語や方程式が登場します。また、その方程式の多くが複雑な偏微分方程式で表現されていますよ。そのため、学習を開始して、いきなり挫折してしまったという方もいるかもしれません。ですが、以下のポイントを意識して学習することができれば、混乱することなく流体力学を学ぶことができるかと思います。
＼次のページで「用語の定義と方程式の意味を考えよう!」を解説！／
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