Hidrostatik Denge Nedir?

Bir gaz veya sıvı olabilen bir sıvı hacminin, yerçekimi tarafından uygulanan aşağı doğru kuvvet, sıvının basıncı tarafından uygulanan bir yukarı kuvvet ile dengelendiğinde hidrostatik dengede olduğu söylenir. Örneğin, Dünya'nın atmosferi yerçekimi ile aşağı doğru çekilir, ancak yüzeye doğru hava yukarıdaki tüm havanın ağırlığı ile sıkıştırılır, böylece havanın yoğunluğu atmosferin tepesinden Dünya'nın yüzeyine yükselir. Bu yoğunluk farkı, hava basıncının rakımla düştüğü anlamına gelir, böylece aşağıdan yukarıya doğru olan basınç yukarıdan aşağıya doğru olan basınçtan daha büyüktür ve bu yukarı doğru çıkan kuvvet, atmosferi daha fazla veya daha az sabit bir yükseklikte tutarak yerçekimi aşağı doğru kuvvetini dengeler. Bir sıvı hacmi hidrostatik dengede değilse, yerçekimi kuvveti basıncı aşarsa büzülmeli veya iç basınç daha büyükse genleşmelidir.

Bu kavram hidrostatik denge denklemi olarak ifade edilebilir. Genellikle dp / dz = −gρ olarak ifade edilir ve hidrostatik dengede daha büyük hacimli bir sıvı tabakasına uygulanır, burada dp, tabaka içindeki basınçtaki değişimdir, dz, tabakanın kalınlığıdır, g, ivme nedeniyle yerçekimi ve ρ sıvının yoğunluğudur. Denklem, örneğin yüzeyin üzerinde belirli bir yükseklikte gezegen atmosferindeki basıncı hesaplamak için kullanılabilir.

Büyük bir hidrojen bulutu gibi, uzaydaki bir gaz hacmi başlangıçta yerçekimi nedeniyle büzüşecek ve basıncı merkeze doğru yükselecektir. Kasılma, içe doğru yerçekim kuvvetine eşit bir dış kuvvet olana kadar devam edecektir. Bu normalde merkezdeki basıncın o kadar büyük olduğu noktadır; hidrojen çekirdeği nükleer füzyon denilen bir işlemde helyum üretmek için bir araya gelerek büyük miktarlarda enerji açığa çıkarak bir yıldız doğurur. Elde edilen ısı, içerideki yerçekimi kuvvetini dengelemek için dışa doğru bir kuvvet üreterek gazın basıncını arttırır, böylece yıldız hidrostatik dengede olur. Yerçekiminin artması durumunda, belki de yıldıza düşen daha fazla gaz sayesinde, gazın yoğunluğu ve sıcaklığı da artar, daha fazla dış basınç sağlar ve dengeyi korur.

Yıldızlar uzun süre boyunca, genellikle birkaç milyar yıl boyunca hidrostatik dengede kalırlar, ancak sonunda hidrojen tükenir ve giderek ağır elementleri kaynaştırırlar. Bu değişiklikler, yıldızı geçici olarak dengenin dışında bırakarak yeni bir denge kuruluncaya kadar genişlemeye veya daralmaya neden olur. Demir, işlemin üreteceğinden daha fazla enerji gerektireceği için, daha ağır elementlere kaynatılamaz, bu nedenle tüm yıldızın nükleer yakıtı nihayetinde demire dönüştüğü zaman, başka bir füzyon gerçekleşemez ve yıldız çöker. Bu, yıldızın kütlesine bağlı olarak katı bir demir çekirdek, bir nötron yıldızı veya bir kara delik bırakabilir. Bir kara delik durumunda, bilinen hiçbir fiziksel işlem yerçekimsel çöküşü durdurmak için yeterli iç basınç üretemez, bu nedenle hidrostatik denge elde edilemez ve yıldızın tekillik olarak bilinen sonsuz bir yoğunluk noktasına büzüldüğü düşünülmektedir.