物理の基礎
高校物理からCAEシミュレーションへの学習ロードマップ。ニュートン力学・波動・熱・流体・電磁気の基礎知識を、実際のFEM/CFD解析に接続して体系的に学ぶ。
なぜ「物理の基礎」から始めるのか
CAE（コンピュータ支援工学）は複雑なソフトウェアとツールの集積に見えますが、その数学的基盤は高校・大学初年の物理学に直結しています。FEMの運動方程式 $[M]\{\ddot{u}\}+[C]\{\dot{u}\}+[K]\{u\}=\{F\}$ はニュートンの第2法則の行列表現であり、CFDのナビエ-ストークス方程式は運動量保存則の流体版です。
本セクション「物理の基礎」では、高校物理レベルの概念を出発点に、それがどのようにCAEシミュレーションの基礎理論へと発展するかを明示的に示します。「FEMを勉強したいが何から始めればよいか」という問いの答えがここにあります。
高校物理 → CAEへの橋渡し
全14トピック一覧
ニュートンの運動法則
第1・第2・第3法則の解説から、FEM運動方程式 $[M]\ddot{u}+[C]\dot{u}+[K]u=F$ への架け橋まで。自動車衝突試験の力の計算例付き。
CAE接続：動解析・衝突解析運動学：速度と加速度
位置・速度・加速度の微積分関係、等加速度3公式、放物運動。陽解法（中心差分法）・陰解法（Newmark-β法）の時間積分への接続。
CAE接続：時間積分・過渡解析仕事とエネルギー
仕事の定義・運動エネルギー定理・弾性ひずみエネルギー。仮想仕事の原理（FEMの弱形式）・カスティリアノの定理への接続。
CAE接続：仮想仕事原理・エネルギーバランス運動量と力積
運動量保存則・弾性/非弾性衝突・はね返り係数。エアバッグ展開力積計算、Explicit FEM（LS-DYNA/Abaqus）への接続。
CAE接続：衝突解析・Explicit FEMばね・フックの法則
ばね定数の物理的意味・並列/直列接続・ヤング率との関係。FEM剛性行列 $[K_e]$ の導出とアセンブリの仕組み。板金ばね戻りの設計。
CAE接続：剛性行列・線形静解析単振動（SHM）
固有振動数 $\omega_n=\sqrt{k/m}$・減衰比・強制振動・共振。タコマナローズ橋崩落の教訓。FEM固有値解析（ランチョス法）・実験モーダル解析（EMA）。
CAE接続：モーダル解析・固有値問題波の基本性質
横波・縦波・波の基本式・干渉・定在波・ドップラー効果・分散。超音波探傷検査の原理。FEM/BEM音響解析（Helmholtz方程式）への接続。
CAE接続：音響解析・BEM・超音波熱と温度
比熱・熱伝導（フーリエの法則）・対流・輻射・熱抵抗ネットワーク・集中容量法。FEM熱解析の境界条件設定。EVバッテリー熱管理の実践例。
CAE接続：熱解析・熱-構造連成流体の圧力と浮力
パスカルの原理・アルキメデスの原理・静水圧・マノメーター。CFD解析での圧力境界条件の設定と流体力計算への接続。
CAE接続：CFD・流体解析応力とひずみの入門
応力（$\sigma=F/A$）とひずみ（$\varepsilon=\Delta L/L$）の定義・ヤング率・ポアソン比・引張試験。FEM応力出力の読み方と降伏判定。
CAE接続：線形静解析・材料モデル円運動と遠心力
向心加速度・角速度・遠心力 $F=m\omega^2r$・コリオリ力。ガスタービン翼・遠心ポンプ翼車のCAE解析への接続。
CAE接続：回転体解析・遠心場力のつり合いと静力学
力のつり合い・トルクと回転のつり合い・自由体図（FBD）の描き方。橋梁・建物のFEM静解析の前段となる力の分析手法。
CAE接続：線形静解析・反力計算熱膨張と材料
線膨張係数 $\alpha$・熱膨張 $\Delta L = \alpha L \Delta T$・異種材料接合の熱応力。半導体パッケージ・配管系の熱応力CAE解析への接続。
CAE接続：熱応力・熱-構造連成電流・電圧・抵抗
オームの法則・ジュール発熱・キルヒホッフの法則。電気-熱連成解析（電流-温度シミュレーション）、EMC/EMI解析への基礎。
CAE接続：電磁気解析・電気-熱連成学習ロードマップ — 推奨読書順
ここが全CAEの基盤。FEM動解析・衝突解析の本質がわかります。
FEM剛性行列と固有値解析の物理的意味が理解できます。
熱解析・熱-構造連成・CFDの基礎が固まります。
専門分野のCAE解析に必要な物理を補完します。
関連する深掘り理論ページ
物理の基礎を学んだ次のステップとして、以下の「解析の基礎理論」ページで数学・数値手法の詳細を学べます：
インタラクティブシミュレーターで体験
物理の基礎を学んだら、インタラクティブツールで実際にパラメータを変えてシミュレーションを体験しましょう。計算式の意味が直感的に理解できます。
シミュレーター集を見る（54種） 熱拡散シミュレーターを試す