¿Qué es el equilibrio hidrostático?

Se dice que un volumen de fluido, que puede ser un gas o un líquido, está en equilibrio hidrostático cuando la fuerza descendente ejercida por la gravedad está equilibrada por una fuerza ascendente ejercida por la presión del fluido. Por ejemplo, la atmósfera de la Tierra se tira hacia abajo por la gravedad, pero hacia la superficie el aire está comprimido por el peso de todo el aire de arriba, por lo que la densidad del aire aumenta desde la parte superior de la atmósfera hasta la superficie de la Tierra. Esta diferencia de densidad significa que la presión del aire disminuye con la altitud, por lo que la presión ascendente desde abajo es mayor que la presión hacia abajo desde arriba y esta fuerza hacia arriba de la red equilibra la fuerza hacia abajo de la gravedad, manteniendo la atmósfera a una altura más o menos constante. Cuando un volumen de fluido no está en equilibrio hidrostático, debe contraerse si la fuerza gravitacional excede la presión, o se expanda si la presión interna es mayor.

Este concepto puede expresarse como la ecuación de equilibrio hidrostático. Generalmente se establece como dp/dz = −gρ y se aplica a una capa de fluido dentro de un volumen mayor en equilibrio hidrostático, donde DP es el cambio de presión dentro de la capa, Dz es el grosor de la capa, G es la aceleración debido a la gravedad y ρ es la densidad del fluido. La ecuación se puede usar para calcular, por ejemplo, la presión dentro de una atmósfera planetaria a una altura dada por encima de la superficie.

Un volumen de gas en el espacio, como una gran nube de hidrógeno, inicialmente se contraerá debido a la gravedad, con su presión aumentando hacia el centro. La contracción continuará hasta que haya una fuerza externa igual a la fuerza gravitacional interna. Este es normalmente el punto en que la presión en el centro es tan grande que los núcleos de hidrógeno se fusionan para producir helio en un proceso llamado fusión nuclear que libera grandes cantidades de energía, dando a luz a una estrella. El calor resultante aumenta la presión deEl gas, produciendo una fuerza externa para equilibrar la fuerza gravitacional interna, de modo que la estrella estará en equilibrio hidrostático. En caso de aumento de la gravedad, tal vez a través de más gas que cae en la estrella, la densidad y la temperatura del gas también aumentará, proporcionando una presión más externa y manteniendo el equilibrio.

Las estrellas permanecen en equilibrio hidrostático durante largos períodos, generalmente varios mil millones de años, pero eventualmente se quedará sin hidrógeno y comenzarán a fusionar elementos progresivamente más pesados. Estos cambios sacan temporalmente a la estrella del equilibrio, causando expansión o contracción hasta que se establece un nuevo equilibrio. El hierro no puede fusionarse en elementos más pesados, ya que esto requeriría más energía de la que produciría el proceso, por lo que cuando todo el combustible nuclear de la estrella eventualmente se ha transformado en hierro, no puede tener lugar una fusión adicional y la estrella se derrumba. Esto podría dejar un núcleo de hierro sólido, una estrella de neutrones o un agujero negro, dependiendo de la masa dela estrella. En el caso de un agujero negro, ningún proceso físico conocido puede generar suficiente presión interna para detener el colapso gravitacional, por lo que no se puede lograr el equilibrio hidrostático y se cree que la estrella se contrae a un punto de densidad infinita conocida como singularidad.