O que é equilíbrio hidrostático?

Um volume de fluido, que pode ser um gás ou um líquido, é considerado em equilíbrio hidrostático quando a força descendente exercida pela gravidade é equilibrada por uma força ascendente exercida pela pressão do fluido. Por exemplo, a atmosfera da Terra é puxada para baixo pela gravidade, mas para a superfície o ar é comprimido pelo peso de todo o ar acima, de modo que a densidade do ar aumenta do topo da atmosfera até a superfície da Terra. Essa diferença de densidade significa que a pressão do ar diminui com a altitude, de modo que a pressão ascendente abaixo é maior que a pressão descendente acima e essa força ascendente líquido equilibra a força descendente da gravidade, mantendo a atmosfera em uma altura mais ou menos constante. Quando um volume de fluido não está em equilíbrio hidrostático, ele deve se contrair se a força gravitacional exceder a pressão ou expandir se a pressão interna for maior.

Esse conceito pode ser expresso como a equação de equilíbrio hidrostático. Geralmente é declarado como dp/dz = −gρ e se aplica a uma camada de fluido dentro de um volume maior no equilíbrio hidrostático, onde DP é a mudança de pressão dentro da camada, Dz é a espessura da camada, g é a aceleração devido à gravidade e ρ é a densidade do fluido. A equação pode ser usada para calcular, por exemplo, a pressão dentro de uma atmosfera planetária em uma dada altura acima da superfície.

Um volume de gás no espaço, como uma grande nuvem de hidrogênio, contratará inicialmente devido à gravidade, com sua pressão aumentando em direção ao centro. A contração continuará até que haja uma força externa igual à força gravitacional interna. Normalmente, esse é o ponto em que a pressão no centro é tão grande que os núcleos de hidrogênio se fundem para produzir hélio em um processo chamado fusão nuclear que libera enormes quantidades de energia, dando à luz uma estrela. O calor resultante aumenta a pressão deO gás, produzindo uma força externa para equilibrar a força gravitacional interna, para que a estrela esteja em equilíbrio hidrostático. No caso de aumentar a gravidade, talvez com mais gás que cai na estrela, a densidade e a temperatura do gás também aumentarão, fornecendo mais pressão externa e mantendo o equilíbrio.

As estrelas permanecem em equilíbrio hidrostático por longos períodos, normalmente vários bilhões de anos, mas eventualmente ficam sem hidrogênio e começam a fundir elementos progressivamente mais pesados. Essas mudanças tiram temporariamente a estrela do equilíbrio, causando expansão ou contração até que um novo equilíbrio seja estabelecido. O ferro não pode ser fundido em elementos mais pesados, pois isso exigiria mais energia do que o processo produziria; portanto, quando todo o combustível nuclear da estrela se transformará em ferro, nenhuma fusão mais pode ocorrer e a estrela entra em colapso. Isso pode deixar um núcleo de ferro sólido, uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, dependendo da massa dea estrela. No caso de um buraco negro, nenhum processo físico conhecido pode gerar pressão interna suficiente para interromper o colapso gravitacional, portanto, o equilíbrio hidrostático não pode ser alcançado e pensa -se que a estrela se contrai a um ponto de densidade infinita conhecida como singularidade.