Co to jest równowaga hydrostatyczna?

Mówi się, że objętość płynu, która może być gazem lub cieczą, znajduje się w równowadze hydrostatycznej, gdy siła skierowana w dół wywierana przez grawitację jest równoważona siłą skierowaną w górę wywieraną przez ciśnienie płynu. Na przykład ziemska atmosfera jest przyciągana w dół przez grawitację, ale w kierunku powierzchni powietrze jest sprężane przez ciężar całego powietrza powyżej, więc gęstość powietrza wzrasta od górnej części atmosfery do powierzchni Ziemi. Ta różnica gęstości oznacza, że ​​ciśnienie powietrza maleje wraz z wysokością, tak że ciśnienie skierowane do góry od dołu jest większe niż ciśnienie skierowane do dołu z góry, a ta siła netto skierowana do góry równoważy siłę grawitacji skierowaną w dół, utrzymując atmosferę na mniej więcej stałej wysokości. Kiedy objętość płynu nie znajduje się w równowadze hydrostatycznej, musi ona się kurczyć, jeśli siła grawitacji przekracza ciśnienie, lub rozszerzać się, jeśli ciśnienie wewnętrzne jest większe.

Pojęcie to można wyrazić jako równanie równowagi hydrostatycznej. Zazwyczaj jest określany jako dp / dz = −gρ i dotyczy warstwy płynu o większej objętości w równowadze hydrostatycznej, gdzie dp jest zmianą ciśnienia w warstwie, dz jest grubością warstwy, g jest odpowiednim przyspieszeniem do grawitacji, a ρ jest gęstością płynu. Równanie można wykorzystać do obliczenia na przykład ciśnienia w atmosferze planetarnej na danej wysokości nad powierzchnią.

Objętość gazu w kosmosie, taka jak duża chmura wodoru, początkowo kurczy się z powodu grawitacji, a jego ciśnienie wzrasta w kierunku środka. Skurcz będzie trwał, dopóki nie będzie siły zewnętrznej równej wewnętrznej sile grawitacji. Jest to zwykle punkt, w którym ciśnienie w centrum jest tak duże, że jądra wodoru łączą się ze sobą, aby wytworzyć hel w procesie zwanym fuzją jądrową, która uwalnia ogromne ilości energii, dając początek gwiazdy. Powstałe ciepło zwiększa ciśnienie gazu, wytwarzając siłę zewnętrzną, która równoważy wewnętrzną siłę grawitacyjną, dzięki czemu gwiazda będzie w równowadze hydrostatycznej. W przypadku wzrostu grawitacji, być może w wyniku większej ilości gazu wpadającego do gwiazdy, gęstość i temperatura gazu również wzrośnie, zapewniając większe ciśnienie zewnętrzne i utrzymując równowagę.

Gwiazdy pozostają w równowadze hydrostatycznej przez długie okresy, zwykle kilka miliardów lat, ale ostatecznie skończą im się wodór i zaczną się stopić coraz cięższe pierwiastki. Zmiany te tymczasowo wyprowadzają gwiazdę z równowagi, powodując rozszerzanie się lub kurczenie do momentu ustanowienia nowej równowagi. Żelazo nie może zostać stopione z cięższymi pierwiastkami, ponieważ wymagałoby to więcej energii niż wytworzyłby ten proces, więc kiedy całe paliwo jądrowe gwiazdy ostatecznie przekształci się w żelazo, nie będzie już możliwe dalsze połączenie i gwiazda zapadnie się. Może to pozostawić stały żelazny rdzeń, gwiazdę neutronową lub czarną dziurę, w zależności od masy gwiazdy. W przypadku czarnej dziury żaden znany proces fizyczny nie może wytworzyć wystarczającego ciśnienia wewnętrznego, aby zatrzymać zapadanie grawitacyjne, więc nie można osiągnąć równowagi hydrostatycznej i uważa się, że gwiazda kurczy się do punktu o nieskończonej gęstości zwanego osobliwością.