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ストークス-19世紀の古典数理物理学(2) ベクトル解析,粘性流体

投稿日時: 01/02 システム管理者

科学者であるストークスは、数学から美的快楽と実用的満足感を得た。半収束級数の指摘、完全収束または限定的収束の無限級数の研究、整数列と級数の一様収束の概念の導入、ベクトル解析に取り組んだ。彼が提案した最も重要な公式の一つは、彼の名が冠されたストークスの公式です。

[訳注]
ベクトル場の回転を閉曲面上で面積分したものは、ベクトル場を閉曲面の縁で周回線積分したものに一致するというものです。

 

 

 

ベクトル場A(x,y,z)とは、平面あるいは空間の各点でベクトルが定義されているものです。例えば、天気予報で風の向きと強さが矢印で描き込まれたマップをよく目にすることがあるでしょう。
ベクトルの回転は,上の式でrotAと書かれているものですが,ベクトル解析は別の稿にまわします。話をもとに戻します。



1849年には友人のトムソンがストークスからこの公式を入手しています。ストークス自身は、1849年から1882年まで毎年行っていた数学の試験にこれを含めることが有用であると考えていました。 1910年には、ドイツの理論物理学者A.I.W. Sommerfeldがストークスの結論を4次元空間に一般化しました。J.C.マクスウェルは、彼の論文 "On Faraday Force Lines" (1885-1886)で、ストークスの結論をベクトル解析の重要な定理として、C.F.ガウス、J.グリーン、M.W.オストログラドスキ、W.トムソン、そしてもちろん、J.G.ストークスの名を冠した。

 

 

当初、科学者たちは、液体や気体の力学と固体の力学には共通点がないと考えていました。しかし、1845年、ストークスは固体と粘性液体の共通の性質を発見しました。固体物質の可塑性が高まると弾性が低下し、固体は液体状態になっていくという結論です。ストークスの考えは価値あるものであることが証明され、その後の一連の科学的研究を刺激しました。

フランスの科学者L.M.A. ナビエ, O.L. コーシー, S.D. ポアソンなどが粘性流体の研究に成功しました。ストークスは1849年に彼の論文「移動する流体の内部摩擦の理論と弾性固体の平衡と運動について」で、粘性流体と気体の微分方程式を導出することによって、ナヴエの理論を補完しました(分子の概念とは無関係です)。これらは今日ではナビエ・ストークス方程式として知られています。この科学者に敬意を表して、CGS単位系で動粘度の単位は、後にストークス(ロシア語表記:St、国際St)と呼ばれるようになりました。国際単位系では、粘度のSI単位はm^2/sです。

 

 

ストークスは層状境界層の理論も構築しました。彼は乱流における層流の遷移の事実を確立した - 最初は液体の流れる水道管や物体に対して(研究は抵抗の値に境界層の剥離の影響を研究するために実施された)。時を経て、船、航空機、タービン、蒸気機関の高速化に起因する乱流の理論が大きく発展しました。


科学史家 I.B. Pogrebyskii が定義したような、物理的側面への注目、実験結果の考察、運動の明確な運動学的描写、オリジナルの動的原理の網羅的な定式化、これらすべてが、理論の成功した応用と組み合わされて、ストークスの研究は粘性流体の理論に関する更なる研究の主要な出発点となりました [3, p.127]。

分子間の距離や分子間の相互作用による液体速度の不規則な成分を無視して、ストークスは液体粒子の近傍での液体の平均的な規則速度のみで計算しました。彼が粘性流体の運動方程式を導出することを可能にしたのは、流体粒子のひずみ速度の6つの成分に対する応力の6つの成分の線形依存性に基づくと仮定したからです。

流体を連続的な媒体として考えたストークスは、「内部摩擦」の概念を採り入れ、その計算に基づいて、円柱内の粘性流体の回転に関して、ニュートンの解析を修正した。ストークスが示したように、ニュートンの間違いは、液体中の隔離された各層の外部表面と内部表面に作用する摩擦力のモーメントの代わりに、力そのものを考慮したことである。ニュートンは、流体粒子の1回転の時間が円筒状の層の半径に線形に依存することを発見し、ストークスの結果から、時間は半径の2乗に比例することがわかりました。その結果、円筒管内の定常流における粘性非圧縮性流体の流量についても、ハーゲン-ポワズイユ式を理論的に説明できるようになった。やがてストークス自身も、速度の時間変化の法則を記述した微分方程式を得ました。

1851年、科学者は、束縛されていない粘性流体の中で、そのゆっくりとした均一な運動の間に小さな固体球に作用する抗力Fの公式を導出しました。ストークスの公式はF=6πRηu形です。ここでRとuは球の半径と速度、ηは流体の動的粘性係数で、この法則は非常に小さな半径でも真であることが判明し、A.アインシュタインは後に糖分子の半径を測定するためにこれを使用しました。

ストークスの法則は、新しい研究で広く使われました。私は、A.アインシュタインによるブラウン運動の計算、J.J.トムソンによるイオンの電荷の決定、R.ミリカンによる電子電荷の決定を思い出します。ミリカンの実験と自身の実験を分析した結果、ミリカンがストークスの公式で誤って空気粘度の値を使ったので、素電荷を正確に決定することができなかったことがわかりました。このチェックの結果は、ストークスの法則の正しさの確認になりました。

論文 "移動する流体の内部摩擦の理論について" (1845) で、ストークスは物体が等時性振動を起こすのは、小さな変形範囲では、物体に生じる応力が変形量に比例するという事実によることを示し [4, p. 116]、橋梁のたわみについても研究しました。ウェールズの鉄道橋の崩壊を知り、変形したときの鋳鉄の脆さが原因であると解明しました。ストークスの橋梁の動的たわみに関する研究は、工学的な応用研究に近いものです。
弾性の理論を扱い、弾性体と塑性体を考察し、自然界では弾性と塑性は切り離せないものであり、実際には両者の間には急激な変化はないと考えました。

ストークスはまた、液体の中での音の吸収についても研究した。しかし、彼は粘性を散逸(散逸)メカニズムと考えながらも、熱伝導率を考慮に入れていなかったため、彼の分析は不完全なものでした。しかし、J. R. von マイヤー、J. P. ジュール、H. L. F. von ヘルムホルツがエネルギー保存法則を発見(当初は不信感を持って科学界に受け入れられていた)をするまでは、これを解決できませんでした。

ストークスは科学活動の初期の頃から、主要な力学者、流体力学者としての地位を確立していました。F. E. ノイマン、J.A.ポアンカレ、P.M.M. デュエム、T.レヴィ=チヴィタ、M.V.オストログラドスキー、P.L.チェビシェフのように、彼は力学の理論的基礎の開発に貢献しました。同時に、弾性理論は、彼によって開発されました。 1860年代までに。若いジョージ・ストークスは、ケンブリッジの科学界で、理論力学、数理物理学、水力学の熟練した研究者として、光学の専門家として、同時に新世代の科学者たちの辛抱強く親しみやすい教育者としても知られるようになりました。