Co to jest równowaga hydrostatyczna?

Mówi się, że objętość płynu, która może być gazem lub cieczy, jest w równowadze hydrostatycznej, gdy siła w dół wywierana przez grawitację jest równoważona przez siłę 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 przekroczy ciśnienie lub rozszerzyć, jeśli ciśnienie wewnętrzne jest większe.

Ta koncepcja można wyrazić jako równanie równowagi hydrostatycznej.Zazwyczaj jest to określane jako dp/dz ' −gρ i stosuje się do warstwy płynu w większej objętości w równowadze hydrostatycznej, gdzie dp jest zmianą ciśnienia w warstwie, dz się grubością warstwy, g jest przyspieszeniem wynikającym z powodu wynikado grawitacji i 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, z grawitacją, zJego ciśnienie wzrasta w kierunku centrum.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 ciśnienie gazu, wytwarzając 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, zazwyczaj kilka miliardówlata, ale ostatecznie zabraknie im 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 dalsza fuzja, a gwiazda zawali się.Może to pozostawić solidny żelazny rdzeń, gwiazdę neutronową lub czarną dziurę, w zależności od masy gwiazdy.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