流体とは何か？物理学的定義から分類、力学的な性質までを解説
私たちの身の回りにある水や空気など、「流れる」性質を持つ物質を物理学では流体（Fluid）と呼びます。一般的に流体といえば液体や気体を指しますが、科学的な視点で見ると、その定義は単に「液状であること」以上の深い意味を持っています。本記事では、流体の本質的な定義から、固体との決定的な違い、そして複雑な分類について詳しく解説します。
Key Facts
- 流体は、せん断応力（ずらす力）が加わると連続的に変形し、流れ続ける物質である。
- 静止状態でせん断応力に抵抗することができず、せん断弾性係数がゼロである点が特徴。
- 液体と気体の両方を含む概念であり、分野（医学、油圧工学など）によって定義が異なる場合がある。
- 流体の挙動は、質量・運動量・エネルギーの保存則に基づく「ナビエ・ストークス方程式」で記述される。
- 粘性の性質によって「ニュートン流体」と「非ニュートン流体」に大別される。
流体の物理学的定義と性質
物理学における流体の最大の特徴は、外部からせん断応力（物体をずらすように働く力）を受けた際に、それに抵抗せず連続的に変形し続ける能力にあります。簡単に言えば、流体は「形を維持する力」を持たず、容器の形状に合わせて自在に変化する物質のことです。
これに対し、固体はせん断応力に対してバネのような復元力で抵抗するか、あるいは変形が始まるまでに一定の応力を必要とします。流体は静止状態でこのせん断応力を支えることができないため、常に流れが生じます。
固体との決定的な違い
固体と流体の違いは、応力への反応の仕方にあります。固体は圧縮や引張だけでなく、せん断（ずらし）に対しても復元力を持ちますが、理想的な流体が復元力を持つのは、圧力と呼ばれる法線応力（垂直に働く力）に対してのみです。
また、表面の性質にも違いが見られます。液体は表面張力によって表面エネルギーを最小限にしようとするため、丸い水滴のような形状を作る傾向があります。一方、気体は自由表面を持たず、空間に自由に拡散します。
流体のモデリングと力学
流体の挙動を解析する学問を流体力学と呼び、さらにそれが静止している状態を「流体静力学」、運動している状態を「流体動力学」と区別します。
流体の状態を数学的に記述する場合、固体のように「変形量（ひずみ）」ではなく、「変形速度（ひずみ速度）」に注目します。この考え方に基づき、以下の保存則を組み合わせたナビエ・ストークス方程式という偏微分方程式を用いて、流体の動きがモデル化されます。
- 質量の保存（連続の式）
- 線形運動量の保存
- 角運動量の保存
- エネルギーの保存
流体の多様な分類
流体は、せん断応力とひずみ速度の関係や、圧力による体積変化の有無によって以下のように分類されます。
粘性による分類
- ニュートン流体：応力がひずみ速度に正比例する流体。水などがこれに当たり、ニュートンの粘性法則に従います。
- 非ニュートン流体：応力がひずみ速度に単純に比例しない流体。例えば、急激な力を加えると固体のように振る舞う「スライム（Silly Putty）」などが挙げられます。
圧縮性による分類
- 圧縮性流体：圧力をかけた際に体積が減少したり、密度が変化したりする流体（主に気体）。
- 非圧縮性流体：圧力や流速が変化しても体積がほぼ変わらない流体（水や油など）。
なお、理論的な計算を簡略化するために、粘性と圧縮性の両方を完全に無視した仮想的な流体を「完全流体」と呼びます。
| 分類基準 | 種類 | 特徴 | 具体例 |
|---|---|---|---|
| 粘性の性質 | ニュートン流体 | 応力がひずみ速度に比例する | 水、空気 |
| 非ニュートン流体 | 応力がひずみ速度に比例しない | スライム、高粘度ピッチ | |
| 圧縮性の有無 | 圧縮性流体 | 圧力で密度・体積が変化する | 気体全般 |
| 非圧縮性流体 | 圧力で体積がほぼ変化しない | 水、油 |
Frequently Asked Questions
流体と液体の違いは何ですか？
液体は流体の一種ですが、流体という言葉は液体だけでなく気体（およびプラズマなど）も含めた、より広い概念を指します。物理学的には「せん断応力に抵抗せず流れる性質を持つもの」すべてが流体です。
非ニュートン流体とは具体的にどのようなものですか？
加わる力の強さや速度によって粘度が変化する流体です。例えば、ゆっくり動かすと液体のように振る舞うが、強く叩くと固体のように硬くなる物質などがこれに該当します。
「完全流体」は実際に存在するのですか？
いいえ、現実の世界に粘性や圧縮性が完全にゼロの流体は存在しません。しかし、物理的な計算を単純化し、理論的な解を導き出すためのモデルとして利用されています。
医学的な意味での「流体（Fluid）」とは何ですか？
医学や生物学の分野では、血液やリンパ液などの「体液」を指して fluid と呼びます。また、点滴や経口摂取による水分補給を指して「fluid replacement（水分補給）」と表現することもあります。