連続の方程式とは? わかりやすく解説

Weblio 辞書 > 同じ種類の言葉 > 人文 > 関数 > 方程式 > 連続の方程式の意味・解説 

連続の方程式

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2022/12/20 15:47 UTC 版)

連続の方程式(れんぞくのほうていしき、: equation of continuity、連続方程式、連続の式、連続式などとも言う)は物理学で一般的に適用できる方程式で、「原因もなく物質が突然現れたり消えたりすることはない」という自然な考え方を表す。

保存則と密接に関わっている。

狭義

狭義には、流体力学における質量保存則

領域 Ω における物理量 q の総量 M の時間変化を q の生成と流出と合わせて図示したもの。代表点のみの軌跡を記している。青い点の個数はΩにおけるq の総量 M (t ) を表す。ピンクの点の個数は湧き出し Δt S を、黄色の点は流れだす流量 Δt J を表す。図より


が成り立つ事がわかる。

広義の連続の式をフラックス形式あるいは一般の保存則という[1]q をあるスカラー物理量、Ωを固定された有界積分領域、∂ΩをΩの境界である閉曲面とする。

q についての連続の式は、

領域 Ω における q の単位時間あたりの増加量 と 境界 ∂Ω における q の単位時間あたりの流出量流量J とのは、 領域Ωにおける q の単位時間あたりの湧き出し量 S等しい

と表現できる。

ここで q は連続的に分布する量であり、上述の量はすべて何らかの「密度量」で表現できなければいけない。そこで、q の密度 ρ、q の流束 jq の湧き出し密度 σ を導入すると、

と表せる。ここで、dS は、境界 ∂Ω 上の微小素片における外向きの面積ベクトルであり、第2式は流束と面積ベクトルとの積の総和が境界を通って流れ出す q の流量であることを表している。

これにより連続の式は

となる。

ガウスの定理を使って第2項を体積積分で書き換え、第1項の時間微分と体積積分を交換すると

となるので、微分形

が得られる。

特に、湧き出しがないときの連続の式

を保存形、あるいは、q保存則の微分形と呼ぶ。

流体における連続の式

質量保存則

速度が v で表される流れを考える。ρを質量密度、j を質量の流束とする。流れ、すなわち、移流あるいは対流は速度 v での物質の移動であるので、流束は

となる[2]

質量保存則から連続の式は

となる。

輸送定理による導出

速度が v で表される流れにおける連続の方程式は、質量保存則とレイノルズの輸送定理を用いても導ける[1]

ここで、実質微分であり、Ω(t ) は流れと共に移動する任意の積分領域とする。1番目の等式は質量保存則を、2番目の等式はレイノルズの輸送定理を表している。

これより、

が成立する。

この式は、実質微分の定義

と公式

を使って、

と等価であることがわかる。

非圧縮性流体についての連続の方程式

連続の方程式

に対して、非圧縮性流体の性質(密度が一定であること)を付加すると、非圧縮性流体における連続の式が導き出される。密度が一定というのは、空間的に一様という意味ではなく、変形していく領域内で一定という意味である[2]。つまり、 となるので、ρ≠ 0 であることから、

を得る。この式を非圧縮性条件ともいう。

この条件を満たす流れにおいて、流れていく流体要素の体積は不変である。

電磁気学における連続の方程式

電荷保存則

電磁気学における連続の式とは電荷の保存則の微分形である[3]。ρ を電荷密度j電流密度とすれば、連続の式は

となる。

変位電流

マクスウェルの方程式において、電荷の保存則を満たすためにオリジナルのアンペールの式

変位電流を導入する必要があった。修正されたアンペールの式

において、両辺に発散 ∇· を作用させると、左辺はゼロとなるので、

となり、ガウスの式

を代入することで連続の式が得られる。

四元電流

電荷の保存則を表す連続の式は四元電流を使うことで、ローレンツ共変でコンパクトな形にすることができる。四元電流 Jμ (μ= 0, 1, 2, 3) を

と表す。ここで c光速である。微分演算子

を定義すると、連続の式は

と表現できる。ただし、添字におけるアインシュタインの規約を採用した。

量子力学

量子力学における連続の式は確率の保存則を表す[4]

Ψ(r , t ) を規格化された波動関数とする。確率密度 ρ、確率流束 j

と定義すると、シュレディンガー方程式

を用いて、確率に対する連続の式

が得られる。

連続の式の導出

シュレディンガー方程式とその複素共役の式

それぞれに Ψ* , Ψ をそれぞれ掛けて2式の差を取ると

更に

となり、連続の式

ただし、

が得られる。

拡散方程式 

ブラウン運動などのミクロスケール由来の現象による物質の質量輸送現象を考える[5]。このとき、経験則であるフィックの法則(フィックの第一法則)により流束は

と密度の勾配で与えられる。係数 κ は拡散係数と呼ばれ、次元 をもつ。拡散係数が定数の時、連続の式から拡散方程式

が得られる。

脚注

[脚注の使い方]

出典

  1. ^ a b 中村育雄 『流体解析ハンドブック』(初)共立出版、1998年3月20日。ISBN 4320081188 
  2. ^ a b 巽友正 『新物理学シリーズ21 流体力学』培風館、1995年9月。ISBN 456302421X 
  3. ^ 砂川重信 『理論電磁気学』(3版)紀伊國屋書店、1999年9月。ISBN 4314008547 
  4. ^ メシア 著、小出昭一郎、田村二郎 訳 『量子力学1』(1版)東京図書、1971年6月15日。ISBN 4489012438 
  5. ^ 戸田 盛和; 斎藤 信彦; 久保 亮五; 橋爪 夏樹 『岩波講座 現代物理学の基礎 統計物理学』(新装)岩波書店、2011年11月26日。ISBN 4000298054 

連続の方程式

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2022/03/01 22:16 UTC 版)

連続体力学」の記事における「連続の方程式」の解説

連続体空間表記したとき、時刻tにおける空間上の点xでの連続体密度をρ=ρ(x,t)とする。 空間内の領域Vを考え、 Vの境界∂V上の微小なdSとその法線ベクトルnに対し微小時間ΔtにdSからVの外へ流出する粒子の総質量は ρ v ⋅ n Δ t d ⁡ S {\displaystyle \rho \mathbf {v} \cdot \mathbf {n} \Delta t\operatorname {d} S} であるので、空間内の領域Vの質量のΔt秒間での増加量は質量保存の法則より、 ∫ V ∂ ρ ∂ t Δ t d ⁡ V = − ∫ ∂ V ρ v ⋅ n Δ t d ⁡ S = − ∫ V ∇ ⋅ ( ρ v ) Δ t d ⁡ V {\displaystyle \int _{V}{\partial \rho \over {\partial t}}\Delta t\operatorname {d} V=-\int _{\partial V}\rho \mathbf {v} \cdot \mathbf {n} \Delta t\operatorname {d} S=-\int _{V}\nabla \cdot (\rho \mathbf {v} )\Delta t\operatorname {d} V} である。ここで第二等号ガウスの発散定理より従う。Vの任意性により、連続体は以下の連続の方程式を満たさねばならないことが結論けられる: ∂ ρ ∂ t + ∇ ⋅ ( ρ v ) = 0 {\displaystyle {\partial \rho \over {\partial t}}+\nabla \cdot (\rho {\boldsymbol {v}})=0} (B1)式より、物質微分使えば連続の方程式は D ⁡ ρ D ⁡ t + ρ ∇ ⋅ v = 0 {\displaystyle {\operatorname {D} \rho \over {\operatorname {D} t}}+\rho \nabla \cdot {\boldsymbol {v}}=0} (C1) とも書ける。

※この「連続の方程式」の解説は、「連続体力学」の解説の一部です。
「連続の方程式」を含む「連続体力学」の記事については、「連続体力学」の概要を参照ください。

ウィキペディア小見出し辞書の「連続の方程式」の項目はプログラムで機械的に意味や本文を生成しているため、不適切な項目が含まれていることもあります。ご了承くださいませ。 お問い合わせ



連続の方程式と同じ種類の言葉


英和和英テキスト翻訳>> Weblio翻訳
英語⇒日本語日本語⇒英語
  

辞書ショートカット

すべての辞書の索引

「連続の方程式」の関連用語











連続の方程式のお隣キーワード
検索ランキング

   

英語⇒日本語
日本語⇒英語
   



連続の方程式のページの著作権
Weblio 辞書 情報提供元は 参加元一覧 にて確認できます。

   
ウィキペディアウィキペディア
All text is available under the terms of the GNU Free Documentation License.
この記事は、ウィキペディアの連続の方程式 (改訂履歴)の記事を複製、再配布したものにあたり、GNU Free Documentation Licenseというライセンスの下で提供されています。 Weblio辞書に掲載されているウィキペディアの記事も、全てGNU Free Documentation Licenseの元に提供されております。
ウィキペディアウィキペディア
Text is available under GNU Free Documentation License (GFDL).
Weblio辞書に掲載されている「ウィキペディア小見出し辞書」の記事は、Wikipediaの連続体力学 (改訂履歴)、電荷保存則 (改訂履歴)の記事を複製、再配布したものにあたり、GNU Free Documentation Licenseというライセンスの下で提供されています。

©2025 GRAS Group, Inc.RSS