ストークスの法則とは?
ストークスの法則は、粘性のある流体の中をゆっくり移動する小さな球形粒子にはたらく抗力(ドラッグ)を表す法則です。粒子が重力で沈むとき、重力・浮力・抗力がつり合い、すぐに一定の終端(沈降)速度に達します。この計算ツールでは、粒子と流体の物性値からその速度を求められます。普遍的な物理法則にもとづくため、国や地域による制約はありません。
計算式
終端速度は次の式で求められます。
$$v = \frac{2}{9} \cdot \frac{(\rho_p - \rho_f) \cdot g \cdot r^{2}}{\mu}$$ここで、\(\rho_p\) は粒子密度(kg/m³)、\(\rho_f\) は流体密度(kg/m³)、\(g\) は重力加速度(m/s²)、\(r\) は粒子半径(m)、\(\mu\) は流体の粘度(動粘度ではなく粘性係数、Pa·s)です。なお、はたらく抗力は \(F_d = 6\pi\mu r v\) で表されます。
使い方
粒子密度、流体密度、粒子半径(メートル単位)、流体の粘度、そして測定地点の重力加速度(地球上では 9.81 m/s²)を入力してください。結果は m/s 単位の沈降速度で表示されます。値が正のときは粒子が沈むことを、負のとき(粒子が流体より軽い場合)は浮き上がることを意味します。
計算例
砂粒(\(\rho_p = 2500\) kg/m³、\(r = 0.001\) m)が水(\(\rho_f = 1000\) kg/m³、\(\mu = 0.001\) Pa·s、\(g = 9.81\))の中を沈む場合:
$$v = \frac{2}{9} \times \frac{(2500 - 1000) \times 9.81 \times (0.001)^{2}}{0.001} = \frac{0.2222 \times 1500 \times 9.81 \times 1\times10^{-6}}{0.001} \approx 3.27\ \text{m/s}$$(注意:このサイズの実際の砂粒は低レイノルズ数の範囲を超えるため、ストークスの法則では過大評価になります。この法則が厳密に成り立つのは、ごく小さな粒子に限られます。)
よくある質問
ストークスの法則はどんなときに使えますか? レイノルズ数が小さい場合(Re < 約1)に限られます。つまり、小さな粒子・遅い速度・粘性の高い流体という条件です。
なぜ半径はメートル単位でなければならないのですか? 計算式がSI単位系で構成されているためです。マイクロメートルやミリメートルは、あらかじめメートルに換算してください(1 mm = 0.001 m)。
粒子が流体より密度が低い場合はどうなりますか? 速度が負の値になり、粒子が沈むのではなく浮力で浮き上がることを示します。