流体静力平衡

流体静力平衡

静水压平衡(英文:Hydrostatic equilibrium)是指当由于 地球 重力产生的压力和由压力 梯度 形成的与前者方向相反 压强 梯度力之间的平衡。这两种力之间的平衡也称为 静力学 平衡、流体静力平衡。

数学理论

对于相对静止或匀速运动的 流体 , 牛顿运动定律 表明该物体所受合力为零–向上的力和向下的力 相等 这种平衡被称为静水压平衡

我们可以将该气体分解为若干微长方体体积元素。当只考虑其中一个元素时,我们可以解决当所有为长方体是一个整体的境况。

有三种力:由流体上压力 产生的作用在微 立方体 的顶部之上的向下的力,根据压力的定义,

相似的,作用在体积元素上从流体压力下向上推的了力是

在这个等式中,减号来自于方向–这个力支持了体积元素,而不是将它们拉下去(我们认定正方向的力作用向下,如果你将"下"当成"上"对于静水压结果一样).

最后,体积元素的重量导致了一种向下的力。如果用 表示密度,体积是 ,然后 是标准重力,那么:

微 立方体 的体积等于顶部或底部的面积乘以高度- 计算立方体 的等式

平衡这些力,作用在气体上的合力为

如果气体不动,它将是零。如果我们除以A,

或者,

在压力中变化, 是体积元素的高度–地面上距离的改变。考虑这些改变是无穷微小的,等式可以用 导数 的形式表达。

密度随压力的改变而改变,重力根据高度的改变而改变,所以等式会成为:

注意最后的这个等式在静水压平衡的境况下,可以根据三维的 纳维 乔治·斯托克斯 方程式解决。

唯一的平凡等式是- 方程 ,读作

这样静水压平衡可以被认为是纳维-斯托克斯方程式的一个特殊情况。

应用

流体

静水压平衡和 流体 静力学与流体的平衡原理密切相关。静水压平衡是对于计量水中物质的特别平衡,静水压平衡可以用来发现它们之间的比重。

大气

静水压平衡是支持大气不 塌的重要平衡。

天文学

流体静力平衡是 恒星 不会向内坍缩( 内爆 )或爆炸的原因。在天文物理,在恒星内部给定的任何一层,都是在热压力(向外)和在其外物质的质量产生的压力(向内)平衡的状态,这种平衡称为流体静力平衡。恒星就像一颗气球,在气球中,气球内部的气体向外挤压,大气压力和弹性材料提供足够的向内的抵抗压力,使气球的内外压力平衡。在 恒星 的情况下,恒星内部的质量提供向内的压力, 各向同性 的重力场压缩恒星使它成为最紧凑的形状:球形。

但是请注意,一颗 恒星 只能成为理想的球体,原因只与自身的重力相关。在实际的情况下,所有其它的力都是改变像外的,最常被注意到的就是由 恒星自转 产生的 离心力 。一颗自转的 恒星 会依据其 角速度 成为在流体静力平衡下的椭球体;在此点上,它将成为 卡尔·雅可比 (不规则)椭圆,更高的旋转速度就会形成梨形。一个极端的例子就是 织女一 ,它的自转周期是12.5小时,因此它的 赤道 比两极胖了约20%。

如果一颗恒星的附近有大质量的 伴星 ,就会产生潮汐力的作用,使它的球形在朝向伴星的方向上扭曲成为扁球体, 渐台二 ( 天琴座 β)就是一个例子。

在 星系团 介质中它也是重要的,它限制了存在星系团核心部分的气体总量。

此外,有足够的质量,能以自身的重力克服刚体力,以呈现流体静力平衡的形状也是 太阳系 中 行星 或 矮行星 的定义。

参考资料

  1. Strobel, Nick. (May, 2001). Nick Strobel's Astronomy Notes. astronomynotes 2013-11-21