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Continua における運動量の維持

1827
  • Augustin-Louis Cauchy
実験室で運動量保存の原理を実証する流体力学の実験。.

(画像はイメージです)

流体や固体などの連続系では、運動量保存則は微分形式で表されます。ある点における運動量密度 [latex]rho vec{v}[/latex] の変化率は、コーシー応力テンソル [latex]sigma[/latex] と体積力 [latex]vec{f}[/latex] の発散によって決まります。これは、コーシー運動量方程式 [latex]frac{partial (rho vec{v})}{partial t} + nabla cdot (rho vec{v} otimes vec{v}) = nabla cdot sigma + vec{f}[/latex] で表されます。

When dealing with a continuum, such as a fluid or a deformable solid, it is impractical to track individual particles. Instead, we describe the system using fields like density ([latex]\rho[/latex]), velocity ([latex]\vec{v}[/latex]), and stress ([latex]\sigma[/latex]) that vary continuously in space and time. The principle of momentum conservation is applied to an infinitesimal volume element within the continuum.

The Cauchy momentum equation is essentially Newton’s second law applied to this volume element. The term [latex]\frac{\partial (\rho \vec{v})}{\partial t}[/latex] represents the rate of change of momentum within the volume. The term [latex]\nabla \cdot (\rho \vec{v} \otimes \vec{v})[/latex] represents the net rate of momentum flow out of the volume (advection). The term [latex]\nabla \cdot \sigma[/latex] represents the surface forces acting on the volume element due to stress from the surrounding material. The Cauchy stress tensor [latex]\sigma[/latex] is a second-order tensor that describes the state of stress at a point. Finally, [latex]\vec{f}[/latex] represents the body forces (like gravity) acting on the volume.

This equation is a cornerstone of continuum mechanics. When combined with the continuity equation (conservation of mass) and an equation of state, it forms the basis for the Navier-Stokes equations, which are fundamental to fluid dynamics.

UNESCO Nomenclature: 2209
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

  • アイザック・ニュートンの運動法則
  • レオンハルト・オイラーの流体力学に関する研究
  • ダニエル・ベルヌーイの原理
  • ベクトル解析とテンソル解析の発展

アプリケーション

  • 計算流体力学(CFD)
  • 航空宇宙工学(翼設計)
  • 構造工学(応力解析)
  • 地球物理学(マントル対流)
  • 気象学(天気予報)

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連分野:連続体力学、コーシー運動量方程式、応力テンソル、流体力学、運動量密度、発散、体積力、ナビエ・ストークス方程式、固体力学、移流。

歴史的背景

Continua における運動量の維持

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(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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