流体

物理学では、流体は、加えられたせん断応力または外力の下で継続的に移動および変形（流動）する可能性のある液体、気体、またはその他の物質です。 ^[1]流体はせん断弾性率がゼロであり、簡単に言えば、加えられた せん断力に抵抗できない物質です。

流体という用語は一般に液体と気体の両方の相を含むが、その定義は科学の分野によって異なる。固体の定義も同様に異なり、分野によっては、物質によっては流体と固体の両方の特性を持つものがある。^[2]シリー・プッティのような非ニュートン流体は、突然の力が加えられると固体と同様に挙動する。^[3]ピッチなどの非常に高い粘度を持つ物質も、固体のように挙動する（ピッチ落下実験を参照）。素粒子物理学では、この概念は液体や気体以外の流体物質を含むように拡張されている。 ^[4]医学や生物学における流体は、身体の液体成分（体液）を指すが、^{[5] [6]}「液体」はこの意味では使用されない。飲用または注射による水分補給のために与えられる液体も、流体と呼ばれることがある^[7]（例：「水分をたくさん飲む」）。油圧学では、流体は特定の特性を持つ液体を指す用語であり、（油圧）オイルよりも広い意味を持つ。^[8]

流体は次のような特性を示します。

• 永久変形に対する抵抗力がなく、消散的、摩擦的な方法で相対的な変形速度にのみ抵抗し、
• 流動する能力（容器の形状をとる能力とも呼ばれる）。

これらの特性は、通常、静的平衡状態ではせん断応力に耐えられないことから生じます。対照的に、固体はせん断に対してバネのような復元力で反応するか（つまり、変形は可逆的）、変形する前に一定の初期応力を必要とします（塑性を参照）。

固体は、せん断応力と通常の応力（圧縮と引張の両方）の両方に対して復元力で反応します。対照的に、理想流体は圧力と呼ばれる通常の応力に対してのみ復元力で反応します。つまり、流体は圧縮応力（正圧に対応）と引張応力（負圧に対応）の両方を受ける可能性があります。固体と液体はどちらも引張強度があり、これを超過すると固体では不可逆的な変形と破壊が生じ、液体ではキャビテーションが始まります。

固体と液体はどちらも自由表面を持ち、その形成にはある程度の自由エネルギーがかかります。固体の場合、与えられた単位表面積を形成するのに必要な自由エネルギーの量は表面エネルギーと呼ばれ、液体の場合は表面張力と呼ばれます。表面張力に応じて、液体の流動性は固体とは異なる挙動を示しますが、平衡状態ではどちらも表面エネルギーを最小化する傾向があります。つまり、液体は丸い液滴を形成する傾向があり、純粋な固体は結晶を形成する傾向があります。自由表面のない気体は自由に拡散します。

固体では、せん断応力はひずみの関数ですが、流体では、せん断応力はひずみ速度の関数です。この動作の結果が、流体の状態を特徴付ける 圧力の役割を説明するパスカルの法則です。

流体の挙動は、ナビエ・ストークス方程式（以下の式に基づく 偏微分方程式の集合）によって記述できます。

• 連続性（質量保存）、
• 線形運動量保存則、
• 角運動量の保存、
• エネルギーの保存。

流体の研究は流体力学と呼ばれ、流体が動いているかどうかに応じて 流体力学と流体静力学に細分されます。

せん断応力とひずみ速度およびその導関数の関係に応じて、流体は次のいずれかとして特徴付けられます。

• ニュートン流体：応力はひずみ速度に正比例する
• 非ニュートン流体: 応力がひずみ速度に比例しない場合、その高次の累乗と導関数。

ニュートン流体はニュートンの粘性の法則に従い、粘性流体と呼ばれることもあります。

流体は圧縮性によって分類できます。

• 圧縮性流体: 流体に圧力が加えられたり、流体が超音速になったりすると、体積の減少や密度の変化を引き起こす流体。
• 非圧縮性流体: 水や油など、圧力や流速の変化によって体積が変化しない流体 (つまり、ρ = 一定)。

ニュートン流体や非圧縮流体は実際には存在しませんが、理論上は存在するものと想定されています。粘性や圧縮性の影響を完全に無視した仮想流体は完全流体と呼ばれます。

• 案件
• 液体
• ガス
• 超臨界流体

• バード、ロバート・バイロン、スチュワート、ウォーレン・E、ライトフット、エドワード・N (2007)。輸送現象。ニューヨーク：ワイリー、改訂第2版。p.912。ISBN 978-0-471-41077-5。