Co je hydrostatická rovnováha?

Objem tekutiny, kterým může být plyn nebo kapalina, se uvádí, že je v hydrostatické rovnováze, když je gravitační síla směrem dolů vyvážena silou vyvíjenou tlakem tekutiny. Například zemská atmosféra je přitahována dolů gravitací, ale směrem k povrchu je vzduch stlačován hmotností veškerého vzduchu nad, takže hustota vzduchu vzrůstá od vrcholu atmosféry k zemskému povrchu. Tento rozdíl hustoty znamená, že tlak vzduchu klesá s výškou, takže tlak směrem nahoru zdola je větší než tlak směrem dolů a tato čistá síla vzhůru vyrovnává sílu gravitace směrem dolů, přičemž atmosféra udržuje více či méně konstantní výšku. Pokud objem tekutiny není v hydrostatické rovnováze, musí se zkrátit, pokud gravitační síla překročí tlak, nebo se zvětšit, pokud je vnitřní tlak větší.

Tento koncept lze vyjádřit jako hydrostatickou rovnovážnou rovnici. Obvykle se uvádí jako dp / dz = −gρ a vztahuje se na vrstvu tekutiny ve větším objemu v hydrostatické rovnováze, kde dp je změna tlaku ve vrstvě, dz je tloušťka vrstvy, g je zrychlení způsobené do gravitace a ρ je hustota kapaliny. Rovnice může být použita pro výpočet například tlaku v planetární atmosféře v dané výšce nad povrchem.

Objem plynu v prostoru, jako je velký oblak vodíku, se zpočátku smršťuje kvůli gravitaci a jeho tlak se zvyšuje směrem ke středu. Snížení bude pokračovat, dokud nebude existovat vnější síla rovnající se vnitřní gravitační síle. To je obvykle bod, kdy je tlak ve středu tak velký, že atomy vodíku se spojí a vytvoří helium v ​​procesu zvaném jaderná fúze, který uvolní obrovské množství energie a zrodí hvězdu. Výsledné teplo zvyšuje tlak plynu a vytváří vnější sílu, která vyrovnává vnitřní gravitační sílu, takže hvězda bude v hydrostatické rovnováze. V případě nárůstu gravitace, pravděpodobně tím, že do hvězdy spadne více plynu, se také zvýší hustota a teplota plynu, což poskytne větší tlak směrem ven a udržuje rovnováhu.

Hvězdy zůstávají v hydrostatické rovnováze po dlouhou dobu, obvykle několik miliard let, ale nakonec jim dojde vodík a začnou spojovat postupně těžší prvky. Tyto změny dočasně vyřadí hvězdu z rovnováhy a způsobí expanzi nebo kontrakci, dokud nebude vytvořena nová rovnováha. Železo nemůže být spojeno s těžšími prvky, protože by to vyžadovalo více energie, než by proces produkoval, takže když se veškeré jaderné palivo hvězdy nakonec přemění na železo, nemůže dojít k žádné další fúzi a hvězda se zhroutí. To by mohlo v závislosti na hmotnosti hvězdy zanechat pevné železné jádro, neutronovou hvězdu nebo černou díru. V případě černé díry nemůže žádný známý fyzický proces generovat dostatečný vnitřní tlak k zastavení gravitačního kolapsu, takže hydrostatickou rovnováhu nelze dosáhnout a předpokládá se, že hvězda se smrští do bodu nekonečné hustoty známé jako singularita.