Co to jest równowaga hydrostatyczna?

Mówi się, że objętość płynu, która może być gazem lub cieczą, jest w równowadze hydrostatycznej, gdy siła w dół wywierana przez grawitację jest równoważona siłą w górę wywieraną przez ciśnienie płynu. Na przykład atmosfera Ziemi jest ciągnięta w dół przez grawitację, ale w kierunku powierzchni powietrze jest sprężone przez ciężar całego powietrza powyżej, więc gęstość powietrza wzrasta od górnej części atmosfery do powierzchni Ziemi. Ta różnica gęstości oznacza, że ​​ciśnienie powietrza zmniejsza się wraz z wysokością, tak że ciśnienie w górę od dołu jest większe niż ciśnienie w dół od góry i ta siła netto w górę równoważy siłę grawitacyjną w dół, utrzymując atmosferę o wysokości mniejszej lub bardziej stałej. Gdy objętość płynu nie jest w równowadze hydrostatycznej, musi się kurczyć, jeśli siła grawitacyjna przekracza ciśnienie lub rozszerzyć, jeśli ciśnienie wewnętrzne jest większe.

Ta koncepcja można wyrazić jako równanie równowagi hydrostatycznej. Zazwyczaj jest to określone jako DP/Dz = −gρ i dotyczy warstwy płynu w większej objętości w równowadze hydrostatycznej, gdzie DP jest zmianą ciśnienia w warstwie, Dz jest grubością warstwy, G jest przyspieszeniem z powodu grawitacji, a ρ jest gęstością płynu. Równanie można wykorzystać do obliczenia, na przykład, ciśnienie w atmosferze planetarnej na danej wysokości nad powierzchnią.

Objętość gazu w przestrzeni, takiej jak duża chmura wodoru, początkowo będzie się kurczyć z powodu grawitacji, a jego ciśnienie wzrośnie w kierunku środka. Skurcz będzie trwał, aż będzie siła zewnętrzna równa wewnętrznej sile grawitacyjnej. Zwykle jest to punkt, w którym ciśnienie w centrum jest tak duże, że jądra wodoru łączą się, aby wytworzyć hel w procesie zwanym fuzją jądrową, która uwalnia ogromne ilości energii, rodząc gwiazdę. Powstałe ciepło zwiększa ciśnienieGaz, wytwarzający siłę zewnętrzną w celu zrównoważenia wewnętrznej siły grawitacyjnej, tak aby gwiazda była w równowadze hydrostatycznej. W przypadku wzrostu grawitacji, być może poprzez większą liczbę gazów do gwiazdy, gęstość i temperatura gazu również wzrośnie, zapewniając większe ciśnienie zewnętrzne i utrzymując równowagę.

Gwiazdy pozostają w równowadze hydrostatycznej przez długi czas, zwykle kilka miliardów lat, ale ostatecznie zabraknie wodoru i zaczną łączyć stopniowo cięższe elementy. Zmiany te tymczasowo wyrzucają gwiazdę z równowagi, powodując ekspansję lub skurcz, aż do ustalenia nowej równowagi. Żelaza nie można połączyć w cięższe elementy, ponieważ wymagałoby to więcej energii niż proces, więc gdy całe paliwo jądrowe gwiazdy ostatecznie przekształciło się w żelazo, nie może nastąpić żadna dalsza fuzja, a gwiazda zawali się. Może to pozostawić solidny żelazny rdzeń, gwiazdę neutronową lub czarną dziurę, w zależności od masygwiazda. W przypadku czarnej dziury żaden znany proces fizyczny nie może generować wystarczającego ciśnienia wewnętrznego w celu zatrzymania zawalenia grawitacyjnego, więc nie można osiągnąć równowagi hydrostatycznej i uważa się, że gwiazda kurczy się do punktu nieskończonej gęstości znanej jako osobliwość.