Illustration of a planar Couette flow. Since the shearing flow is opposed by friction between adjacent layers of fluid (which are in relative motion), a force is required to sustain the motion of the upper plate. The relative strength of this force is a measure of the fluid's viscosity.
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粘度とは何か？流体の「ねばりけ」を決定づける物理的メカニズム

水のようにサラサラとした液体から、蜂蜜やケチャップのようにドロリとした液体まで、物質によって流れやすさは大きく異なります。この「流れにくさ」や「ねばりけ」を物理学的に定義したものが粘度（Viscosity）です。粘度は単なる感覚的な指標ではなく、流体内部で発生する摩擦力として定量的に測定され、工業設計から地球科学まで幅広い分野で不可欠な概念となっています。

Key Facts

  • 粘度の正体： 流体層の間で発生する内部摩擦であり、流れに対する抵抗力である。
  • 2種類の定義： 内部摩擦の強さを表す「粘性係数（絶対粘度）」と、密度を考慮した「動粘度」がある。
  • 温度の影響： 一般的に液体は温度が上がると粘度が下がり、気体は逆に上がる傾向がある。
  • 流体の分類： 粘度が一定の「ニュートン流体」と、負荷によって変化する「非ニュートン流体」に分かれる。
  • 極端な例： ピッチのような物質は、見た目は固体に近いが、実際には水の約2,300億倍という極めて高い粘度を持つ流体である。

粘度の物理的定義とメカニズム

粘度は、流体がせん断（ずり）変形を受ける際に、その動きに抵抗しようとする性質を指します。例えば、2枚の平行な板の間に流体がある場合、上の板を動かそうとすると、流体層同士の摩擦によって抵抗が生じます。この抵抗を維持するために必要な力が、その流体の粘性の尺度となります。

Illustration of a planar Couette flow. Since the shearing flow is opposed by friction between adjacent layers of fluid (which are in relative motion), a force is required to sustain the motion of the upper plate. The relative strength of this force is a measure of the fluid's viscosity.

物理学的には、せん断応力（単位面積あたりに働く力）が速度勾配（速度の変化率）に比例する場合、その比例定数が粘性係数 $\mu$ となります。この関係性は、流体内部で運動量がどのように輸送されるかという視点からも説明されます。

In a general parallel flow, the shear stress is proportional to the gradient of the velocity.

動粘度と粘性係数の違い

粘度には大きく分けて2つの指標があります。一つは「粘性係数（絶対粘度）」で、流体そのものの内部摩擦の強さを表します。もう一つは、粘性係数を流体の密度 $\rho$ で割った「動粘度（Kinematic Viscosity）」です。動粘度は、重力などの外力によって流体がどのように拡散・移動するかを評価する際に非常に有用な指標となります。

Viscosity, the slope of each line, varies among materials.

物質による粘性の多様性と特性

粘度の値は物質によって劇的に異なります。空気のような気体から、水、オイル、そして極めて高粘度なピッチまで、その範囲は数桁に及びます。また、多くの物質において粘度は温度に強く依存します。

温度と粘度の関係

ガラスのような非晶質材料では、温度変化に伴って粘度が指数関数的に変化します。これにより、高温では液体として流動し、冷却されるにつれて急激に硬くなるという特性を持ちます。

Common glass viscosity curves[64]

また、特定の物質（例：$\text{B}_2 ext{O}_3$）では、温度帯によって粘性の挙動が異なる2つの領域が存在することが確認されています。

Common logarithm of viscosity against temperature for B2O3, showing two regimes

極端な粘性の例：ピッチドロップ実験

一見すると固体に見える物質でも、極めて長い時間をかければ流動することがあります。クイーンズランド大学で行われている「ピッチドロップ実験」では、1927年から漏斗に入れたピッチを観察しており、約10年に一度だけ滴が落ちます。この実験から、ピッチの粘度は水の約2,300億倍であると推定されています。

In the University of Queensland pitch drop experiment, pitch has been dripping slowly through a funnel since 1927, at a rate of one drop roughly every decade. In this way the viscosity of pitch has been determined to be approximately 230 billion (2.3×1011) times that of water.[87]

日常的な例では、蜂蜜のような高粘度流体は、低い温度ではほとんど流れませんが、加熱することで劇的に流動性が増します。

Honey being drizzled

粘度の定量的な比較

以下に、代表的な物質の粘性と、そのオーダー（桁数）による分類をまとめます。

物質別の粘度特性まとめ
分類 代表的な物質 粘度の目安 (Pa·s) 特徴
低粘度気体 水素、ブタン $10^{-5}$ 前後 極めて流れやすく、拡散が速い
一般的液体 水、エタノール $10^{-3}$ 前後 標準的なニュートン流体
中粘度液体 オリーブ油、モーターオイル $10^{-2} \sim 10^{-1}$ 潤滑剤として利用される範囲
高粘度・半固体 ケチャップ、ピーナッツバター $10^{0} \sim 10^{3}$ 非ニュートン流体的な挙動を示す
超高粘度物質 ピッチ、地球のマントル $10^{8} \sim 10^{21}$ 時間スケールが極めて長い流動

Frequently Asked Questions

ニュートン流体と非ニュートン流体の違いは何ですか？

ニュートン流体は、加える力（せん断応力）に関わらず粘度が一定である流体（水や空気など）を指します。一方、非ニュートン流体は、加える力の強さや時間によって粘度が変化する流体（ケチャップや血液など）のことです。

温度が上がるとなぜ液体の粘度は下がるのですか？

温度が上昇すると、液体分子の熱運動が激しくなり、分子間の相互作用（結合力）が弱まるため、分子同士が滑りやすくなり、結果として粘度が低下します。

動粘度と粘性係数はどのように使い分けますか？

物質そのものの物理的性質（内部摩擦）を議論する場合は粘性係数を用います。一方で、重力による沈降速度や配管内の流れなど、密度が影響する現象を解析する場合は動粘度が便利です。

気体の粘度は温度が上がるとどうなりますか？

液体とは逆に、気体は温度が上がると粘度が増加します。これは、温度上昇によって分子の衝突回数が増え、運動量の輸送が活発になるためです。

粘度が極めて高い物質は固体と同じではないのですか？

物理的な定義では、どれほど時間がかかってもせん断応力に対して変形し続けるのであれば、それは流体として扱われます。ピッチや地球のマントルは、人間にとっての短期的時間スケールでは固体に見えますが、地質学的時間スケールでは流体として振る舞います。

References

  1. The discussion which follows draws from , pp. 232–237
  2. These materials are highly .

📸 フォトギャラリー

Illustration of a planar Couette flow. Since the shearing flow is opposed by friction between adjacent layers of fluid (which are in relative motion), a force is required to sustain the motion of the upper plate. The relative strength of this force is a measure of the fluid's viscosity.
In a general parallel flow, the shear stress is proportional to the gradient of the velocity.
Viscosity, the slope of each line, varies among materials.
Common glass viscosity curves[64]
Common logarithm of viscosity against temperature for B2O3, showing two regimes
In the University of Queensland pitch drop experiment, pitch has been dripping slowly through a funnel since 1927, at a rate of one drop roughly every decade. In this way the viscosity of pitch has been determined to be approximately 230 billion (2.3×1011) times that of water.[87]
Honey being drizzled