Vad är hydrostatisk jämvikt?
En volym vätska, som kan vara en gas eller en vätska, sägs vara i hydrostatisk jämvikt när den nedåtgående kraften som utövas av tyngdkraften balanseras av en uppåtkraft som utövas av vätskans tryck.Till exempel dras jordens atmosfär nedåt av tyngdkraften, men mot ytan komprimeras luften av vikten av all luften ovan, så luftens densitet ökar från toppen av atmosfären till jordens yta.Denna densitetsskillnad innebär att lufttrycket minskar med höjden så att det uppåtgående trycket under nedan är större än det nedåtgående trycket uppifrån och denna netto uppåt kraft balanserar tyngdkraftskraften och håller atmosfären i en mer eller mindre konstant höjd.När en volym vätska inte är i hydrostatisk jämvikt måste den sammandras om gravitationskraften överskrider trycket eller expanderar om det inre trycket är större.
Detta koncept kan uttryckas som den hydrostatiska jämviktsekvationen.Det anges vanligtvis som dp/dz ' −gρ och gäller ett vätskeskikt inom en större volym i hydrostatisk jämvikt, där DP är förändringen i tryck i skiktet, DZ är skiktets tjocklek, G är accelerationen förfallertill tyngdkraften och ρ är vätskans densitet.Ekvationen kan användas för att beräkna, till exempel trycket i en planetad atmosfär med en given höjd över ytan.
En volym gas i rymden, till exempel ett stort vätmoln, kommer initialt att sammandras på grund av tyngdkraften, meddess tryck ökar mot mitten.Kontraktionen kommer att fortsätta tills det finns en yttre kraft som är lika med den inre gravitationskraften.Detta är normalt punkten när trycket i mitten är så stort att vätekärnorna säkring tillsammans för att producera helium i en process som kallas kärnfusion som frigör enorma mängder energi, vilket ger en stjärna.Den resulterande värmen ökar gasens tryck och producerar en yttre kraft för att balansera den inre gravitationskraften, så att stjärnan kommer att vara i hydrostatisk jämvikt.I händelse av att tyngdkraften ökar, kanske genom mer gas som faller in i stjärnan, kommer också tätheten och temperaturen på gasen att öka, vilket ger mer yttre tryck och bibehåller jämvikten.
stjärnor förblir i hydrostatisk jämvikt under långa perioder, vanligtvis flera miljarderår, men så småningom kommer de att ta slut på väte och börja smälta gradvis tyngre element.Dessa förändringar sätter tillfälligt stjärnan ur jämvikt, vilket orsakar expansion eller sammandragning tills en ny jämvikt upprättas.Järn kan inte smälta in i tyngre element, eftersom detta skulle kräva mer energi än processen skulle producera, så när allt stjärnans kärnbränsle så småningom har förvandlats till järn, kan ingen ytterligare fusion äga rum och stjärnan kollapsar.Detta kan lämna en solid järnkärna, en neutronstjärna eller ett svart hål, beroende på stjärnan.När det gäller ett svart hål kan ingen känd fysisk process generera tillräckligt inre tryck för att stoppa gravitationskollaps, så hydrostatisk jämvikt kan inte uppnås och man tror att stjärnan sammandras till en punkt med oändlig densitet känd som en singularitet.