Τι είναι η υδροστατική ισορροπία;

Ένας όγκος υγρού, ο οποίος μπορεί να είναι αέριο ή υγρό, λέγεται ότι είναι σε υδροστατική ισορροπία όταν η δύναμη προς τα κάτω που ασκείται από τη βαρύτητα εξισορροπείται από μια ανοδική δύναμη που ασκείται από την πίεση του υγρού.Για παράδειγμα, η ατμόσφαιρα της Γης τραβιέται προς τα κάτω από τη βαρύτητα, αλλά προς την επιφάνεια ο αέρας συμπιέζεται από το βάρος όλου του αέρα πάνω, έτσι ώστε η πυκνότητα του αέρα να αυξάνεται από την κορυφή της ατμόσφαιρας στην επιφάνεια της Γης.Αυτή η διαφορά πυκνότητας σημαίνει ότι η πίεση του αέρα μειώνεται με υψόμετρο έτσι ώστε η ανοδική πίεση από κάτω να είναι μεγαλύτερη από την προς τα κάτω πίεση από πάνω και αυτή η καθαρή ανοδική δύναμη εξισορροπεί την πτωτική δύναμη της βαρύτητας, διατηρώντας την ατμόσφαιρα σε ένα περισσότερο ή λιγότερο σταθερό ύψος.Όταν ένας όγκος υγρού δεν είναι σε υδροστατική ισορροπία, πρέπει να συστέλλεται εάν η βαρυτική δύναμη υπερβεί την πίεση ή επεκταθεί εάν η εσωτερική πίεση είναι μεγαλύτερη.Συνήθως αναφέρεται ως dp/dz ' -gρ και ισχύει για ένα στρώμα υγρού μέσα σε μεγαλύτερο όγκο στην υδροστατική ισορροπία, όπου η DP είναι η μεταβολή της πίεσης μέσα στο στρώμα, το DZ είναι το πάχος του στρώματος, το G είναι η οφειλόμενη επιτάχυνσησε βαρύτητα και ρ είναι η πυκνότητα του υγρού.Η εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό, για παράδειγμα, την πίεση μέσα σε μια πλανητική ατμόσφαιρα σε ένα δεδομένο ύψος πάνω από την επιφάνεια.

Ένας όγκος αερίου στο διάστημα, όπως ένα μεγάλο σύννεφο υδρογόνου, αρχικά θα συστέλλεται λόγω βαρύτητας, μεΗ πίεση του αυξάνεται προς το κέντρο.Η συστολή θα συνεχιστεί μέχρι να υπάρξει μια εξωτερική δύναμη ίση με την εσωτερική βαρυτική δύναμη.Αυτό είναι συνήθως το σημείο όταν η πίεση στο κέντρο είναι τόσο μεγάλη που οι πυρήνες υδρογόνου συγχωνεύονται μαζί για να παράγουν ήλιο σε μια διαδικασία που ονομάζεται πυρηνική σύντηξη που απελευθερώνει τεράστιες ποσότητες ενέργειας, γενώντας ένα αστέρι.Η προκύπτουσα θερμότητα αυξάνει την πίεση του αερίου, παράγοντας μια εξωτερική δύναμη για να εξισορροπήσει την εσωτερική βαρυτική δύναμη, έτσι ώστε το αστέρι να βρίσκεται σε υδροστατική ισορροπία.Σε περίπτωση αύξησης της βαρύτητας, ίσως μέσω περισσότερου αερίου που πέφτουν στο αστέρι, η πυκνότητα και η θερμοκρασία του αερίου θα αυξηθούν επίσης, παρέχοντας περισσότερη εξωτερική πίεση και διατηρώντας την ισορροπία. Τα αστέρια παραμένουν σε υδροστατική ισορροπία σε μεγάλες περιόδους, συνήθως αρκετά δισεκατομμύριαΧρόνια, αλλά τελικά θα εξαντληθούν από το υδρογόνο και θα αρχίσουν να συγχωνεύουν σταδιακά βαρύτερα στοιχεία.Αυτές οι αλλαγές έβαλαν προσωρινά το αστέρι από την ισορροπία, προκαλώντας επέκταση ή συστολή μέχρι να δημιουργηθεί μια νέα ισορροπία.Ο σίδηρος δεν μπορεί να συγχωνευθεί σε βαρύτερα στοιχεία, καθώς αυτό θα απαιτούσε περισσότερη ενέργεια από ό, τι θα παράγει η διαδικασία, οπότε όταν όλα τα πυρηνικά καύσιμα του αστεριού τελικά μετατράπηκαν σε σίδηρο, δεν μπορεί να γίνει περαιτέρω σύντηξη και το αστέρι καταρρέει.Αυτό μπορεί να αφήσει έναν συμπαγές πυρήνα σιδήρου, ένα αστέρι νετρονίων ή μια μαύρη τρύπα, ανάλογα με τη μάζα του αστέρι.Στην περίπτωση μιας μαύρης τρύπας, καμία γνωστή φυσική διαδικασία δεν μπορεί να δημιουργήσει επαρκή εσωτερική πίεση για να σταματήσει τη βαρυτική κατάρρευση, οπότε η υδροστατική ισορροπία δεν μπορεί να επιτευχθεί και θεωρείται ότι το αστέρι συμβόλαται σε ένα σημείο άπειρης πυκνότητας γνωστού ως singularity.