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連続体仮定

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（画像はイメージです）

連続体仮定では、流体を離散的な分子ではなく連続体として扱います。この簡略化は、問題の長さスケールが分子間距離よりもはるかに大きい場合に有効であり、密度や速度などの特性を極めて小さな点でも定義できます。これにより、微分方程式を用いて流体の流れの巨視的な挙動を記述することが可能になります。

連続体仮定は、流体力学そして連続体力学全体。これにより、物質の原子レベルでの不連続性を無視し、流体を連続的な物質または場としてモデル化することができます。この仮定の下では、密度、圧力、温度、速度などの特性は、空間内の任意の点で明確に定義され、ある点から別の点へと連続的に変化すると考えられます。この数学的理想化は、特に微積分学の適用を可能にするため、非常に重要です。偏微分流体の挙動をモデル化するために、ナビエ・ストークス方程式のような方程式を用いる。

The validity of this assumption is determined by the Knudsen number ([latex]Kn[/latex]), which is the ratio of the molecular mean free path (the average distance a molecule travels before colliding with another) to a representative physical length scale of the problem. When [latex]Kn ll 1[/latex], the continuum assumption holds. However, in situations where the length scale is comparable to the mean free path, such as in rarefied gases in the upper atmosphere, in micro-electromechanical systems (MEMS), or in shock waves, the assumption breaks down. In these cases, more complex models based on statistical mechanics, like the Boltzmann equation or direct simulation Monte Carlo (DSMC) methods, are required to accurately describe the fluid’s behavior by considering the motion of individual molecules.

したがって、連続体仮定は、原子のミクロな世界と私たちが観察するマクロな世界との間の重要な架け橋となる。この仮定は、複雑な分子間相互作用を扱いやすい連続的な特性に単純化し、流体の流れに関連する工学および物理学の問題の大部分を、計算上扱いやすく、高い精度で解決できるようにする。

計算流体力学（CFD）, 流体力学, Laminar Flow, マイクロ電気機械システム（MEMS）, 乱流

UNESCO Nomenclature: 2210

機械工学

タイプ

抽象システム

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

原子論
微積分学の発展ニュートンそしてライプニッツ
エヴァンジェリスタ・トリチェリとブレーズ・パスカルによる圧力と密度の初期の概念

アプリケーション

計算流体力学（CFD）
翼の空力解析
天気予報モデル
ダムとパイプラインの水理工学
動脈における血流モデリング

特許:

潜在的なイノベーションのアイデア

hyper-efficient マイクロ流体 drug delivery systems based on localized continuum breakdown
real-time atmospheric dust simulators for mars rovers
ai-driven material design that predicts properties at the meso-scale where continuum assumption wavers
advanced lubrication systems for nano-machines
simulators for terraforming processes on other planets
quantum fluid simulators for superfluids where the assumption is invalid
predictive models for the formation of planetary rings
self-healing materials with fluidic micro-channels that operate at the edge of continuum mechanics

関連：連続体力学、流体、密度、速度、微分方程式、クヌーセン数、平均自由行程、巨視的。

歴史的背景

19th-century laboratory with scientists studying atomic structure and chemical reactions.

現代原子論

原子論では、すべての物質は原子と呼ばれる離散的な単位から構成されているとされています。元素は、原子核に特定の数の陽子を持つ原子から構成されます。かつては分割不可能と考えられていた原子ですが、現在では陽子、中性子、電子といった素粒子から構成されていることが分かっています。化学反応はこれらの原子の再配列を伴いますが、反応過程において原子自体は保存されます。

Laboratory setup demonstrating Avogadro's Law in physical chemistry with gas measurements.

アボガドロの法則

アボガドロの法則は、同じ温度と圧力の条件下では、すべての気体の同体積には同数の分子が含まれると述べています。これは、気体の体積と物質量（モル数）の間に直接比例関係があることを示しています。この数学的な関係は、[latex]V propto n[/latex]、またはより一般的には[latex]V/n = k[/latex]と表されます。ここでkは定数です。

Stirling engine demonstrating thermodynamic principles in a laboratory setting.

スターリングサイクル

理想的なスターリングサイクルは、等温膨張、等積熱除去、等温圧縮、等積熱添加の 4 つの独立したプロセスからなる閉じた再生熱力学サイクルです。作動流体は永久に封入されています。その理論的な熱効率はカルノーサイクルの効率に等しく、[latex]eta_{th} = 1 - frac{T_C}{T_H}[/latex] で与えられます。ここで、[latex]T_H[/latex] と [latex]T_C[/latex] はそれぞれ高温熱源と低温熱源の絶対温度です。

連続体仮定

Laboratory setup for studying magnetic dipole moment in electromagnetism.

磁気双極子モーメント

磁石の磁気モーメントは、その全体的な磁気特性を表すベクトル量です。磁気モーメントは、距離だけ離れた仮想的な北極と南極のペアである磁気双極子として視覚化できます。モーメントは南極から北極の方向を向いています。電流ループの場合、磁気モーメントは[latex]vec{mu} = I vec{A}[/latex]で表され、Iは電流、Aは面積ベクトルです。

ゼーベック効果

ゼーベック効果とは、温度差を直接電圧に変換する現象です。2種類の異なる導体または半導体の接合部に温度勾配を加えると、電圧が発生します。この電圧は温度差に比例し、その比例定数はゼーベック係数（[latex]V = S cdot Delta T[/latex]）として知られています。

コーシー応力テンソル

コーシー応力テンソルは、[latex]boldsymbol{sigma}[/latex] と表記され、材料内部のある点における応力状態を完全に定義する2階テンソルです。このテンソルは、その点を通過する任意の表面上の牽引ベクトル（単位面積あたりの力）[latex]mathbf{T}[/latex] と、その表面の法線ベクトル [latex]mathbf{n}[/latex] を、線形関係 [latex]mathbf{T} = boldsymbol{sigma} cdot mathbf{n}[/latex] によって関連付けます。

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Gas mixing apparatus in a vintage laboratory for thermodynamics applications.

ドルトンの分圧の法則

ドルトンの法則は、反応しない気体の混合物において、全圧力は個々の気体の分圧の合計に等しいと述べています。気体の分圧とは、同じ温度でその気体が単独で体積全体を占めた場合に及ぼす圧力のことです。式は [latex]P_{text{total}} = sum_{i=1}^{n} p_i[/latex] です。

Electrode polarization in a Voltaic pile experiment demonstrating hydrogen gas formation.

電極分極の制限

ボルタ電池の主な欠点は、電極分極です。動作中、銅カソードで発生した水素ガスが表面に気泡の絶縁層を形成します。この層によって電池の内部抵抗が増加し、反応に利用できる表面積が減少します。その結果、電池の使用開始直後に電圧と電流出力が著しく低下します。

Experimental setup for measuring speed of sound in a perfect gas in acoustics.

理想気体における音速

理想気体における音速（[latex]c[/latex]）は、圧力や密度だけではなく、その熱力学的性質によって決まります。式は[latex]c = sqrt{gamma R_s T}[/latex]で、ここで[latex]gamma[/latex]は比熱容量比（[latex]c_p/c_v[/latex]）、[latex]R_s[/latex]は比気体定数、[latex]T[/latex]は絶対温度です。したがって、音は温度の高い気体ほど速く伝わります。

Regenerator matrix of a Stirling engine demonstrating thermal energy storage in thermodynamics.

スターリングエンジン再生器エコノマイザー

再生器、または「エコノマイザー」は、ロバート・スターリングの最も重要な貢献であり、エンジンの高効率化の鍵となる部分です。これは、サイクル中に熱エネルギーを一時的に蓄積・放出する内部熱交換器です。高温ガスが低温側に移動する際に、再生器マトリックスに熱を蓄積し、その熱は低温ガスが高温側に戻る際に再び吸収されます。

Tensile testing machine measuring stress and strain in solid state physics.

ストレスとひずみ

工学的応力 ([latex]sigma[/latex]) は、加えた荷重を元の断面積 ([latex]A_0[/latex]) で割った値であり、工学的ひずみ ([latex]epsilon[/latex]) は、長さの変化 ([latex]Delta L[/latex]) を元の長さ ([latex]L_0[/latex]) で割った値です。これらの定義、[latex]sigma = frac{F}{A_0}[/latex] および [latex]epsilon = frac{Delta L}{L_0}[/latex] は、応力-ひずみ曲線を描く上で基本となりますが、試験中に試験片の寸法が一定であると仮定しています。

電磁気学と電磁石

電磁石とは、電流によって磁場が発生する磁石の一種です。電流を遮断すると磁場は消滅します。一般的に、電磁石はコイル状に巻かれた導線で構成されています。磁場の強さは、電流とコイルの巻数に比例します。この原理はハンス・クリスチャン・エルステッドによって発見されました。

ナビエ・ストークス方程式

ナビエ・ストークス方程式は、粘性流体の運動を記述する非線形偏微分方程式のセットです。これは、運動量の変化と圧力勾配、粘性力、および外力とのバランスをとるニュートンの第2法則を表しています。非圧縮性流体の場合、方程式は [latex]rho (frac{partial mathbf{v}}{partial t} + mathbf{v} cdot nabla mathbf{v}) = -nabla p + mu nabla^2 mathbf{v} + mathbf{f}[/latex] となります。