Skoltech-matematiker har avslöjat hemligheten med bildandet av de mest ovanliga naturliga strukturerna - graciösa kolumner, valv och andra arkitektoniska element som ofta finns i bergen, och publicerade sina resultat i Scientific Reports.
Jordens utseende förändras nästan varje sekund på grund av kontinenternas rörelse, stencirkulationen i dess djup och olika former av erosion. De främsta "skulptörerna" i planetens ansikte är inte människor, utan vind, floder, regn, glaciärer och andra krafter och fenomen. Under de senaste århundradena har forskare upptäckt flera hundra erosionslandformer, i vilka bildandet av dussintals olika processer och faktorer är involverat.
Det mest slående och ovanliga av dessa är de gigantiska stenbågarna, broarna, kolumnerna och andra komplexa strukturer som kan ses i bergen, gjorda av sandsten och andra mjuka stenar. Historien för deras bildande var ett av de mest intressanta mysterierna för mänskligheten, och många okunniga människor ansåg allvarligt att de skulpturerades av representanter från forntida civilisationer eller till och med "gäster" från rymden.
För tre år sedan fick matematiker från Charles University i Prag (Tjeckien) veta att deras "skulptör" var vinden och inte utlänningar eller antika arkitekter. De fann att dessa kolumner och bågar är resultatet av en ovanlig process med självorganisering av sandkorn i sandstenskikt som eroderas av vinden, vilket får dem att hålla fast vid varandra när bågen eller kolonnen "föds".
Igor Ostanin, en Skoltech-forskare, och hans kollegor blev intresserade av upptäckten av tjeckiska kollegor när de märkte att fenomenet de beskrev mycket liknar hur de mest "avancerade" ingenjörerna och arkitekterna i dag optimerar formen och strukturen på konstgjorda kolumner, valv och andra strukturer, där både hög styrka och låg vikt krävs.
”Vi kunde inte låta bli att märka att liknande metoder för att hitta optimala former av strukturer används i stor utsträckning i modern industri. Dessa metoder, evolutionär strukturell optimering, baseras på gradvis borttagning av ineffektivt material. Den mest slående aspekten av denna likhet är att det matematiska kriteriet med vilket material tas bort under optimering är nästan exakt samma som kriteriet som följer från erosionsprocessens fysik, säger Igor Ostanin, en Skoltech-forskare.
Med hjälp av denna gissning skapade Ostanin och hans kollegor en uppsättning matematiska formler som beskrev processen för vinderosion och försökte "bygga" en båge med hjälp av en datormodell av sandstenformationen.
Det var extremt enkelt - sandsten bestod faktiskt av många nästan oberoende kuber som pressade på grannar med en viss kraft. Om denna kraft överskred ett visst värde, kunde vinden inte flytta denna "kub" från sin plats, och annars försvann den från lagret efter en viss tidsperiod.
Kampanjvideo:
I experiment med denna modell bekräftade ryska forskare resultaten från sina tjeckiska motsvarigheter och avslöjade flera fysiska principer som förklarar hur dessa kolumner och valv föddes. I sin mest allmänna form kunde de visa att vinden spelar rollen som en slags "dator" som försöker forma sandstenskiktet på ett sådant sätt att en minsta mängd elastisk deformationsenergi samlas in i den, mycket gradvis och av misstag avlägsnar de svagaste elementen från strukturen.
Inledningsvis fortskrider denna process mycket snabbt, men efter flera hundra år, när formen på en kolonn eller bågen redan närmar sig idealet, bromsar erosionen kraftigt, eftersom nästan alla "kuber" börjar klamra fast varandra med stor kraft. Tack vare detta kan verkliga bergbågar och kolumner existera i miljoner år i nästan intakt form.
Sådana slutsatser, som Ostanin konstaterar, är viktiga inte bara för ingenjörer och geologer, utan också för människor som letar efter spår av utomjordiskt liv. Som ryska matematiker betonar kan sådana strukturer, som till exempel kan upptäckas på Mars, i princip inte betraktas som spår av utomjordiska civilisationer.
