Naturliga bågar och broar, pelare, valv och andra exotiska sandstenformationer fascinerar med sin extraordinära form och absolut obegripliga stabilitet. De har alltid varit en källa till överraskning och nyfikenhet för många generationer av forskare, och vanliga människor tog ibland dessa statyer för "hälsningar" från antika civilisationer eller till och med utomjordingar. I allmänhet var det tydligt att deras huvudarkitekter var vind, vatten och sol, men tills nyligen förblev anledningen till deras icke-triviala former ett mysterium.
Den första solida experimentella och teoretiska studien av erosionsmekanismer som ligger till grund för bildandet av naturliga bågar utfördes för tre år sedan av matematiker från Charles University i Prag. De fann att former härrör från en unik process för självorganisation av sandkorn inom sandstenlager. Forskare antog att naturlig erosion i första hand tar bort osträngt material, vilket är”ineffektivt” när det gäller belastningsfördelning. Anledningen till detta beteende ligger i lagen om torr friktion - ju starkare materialpartiklarna komprimeras av intilliggande materialskikt, desto svårare är det att separera dem.
Skoltech-forskare fascinerades av tanken från sina kollegor i Prag, och de fortsatte att studera frågan om mekanismerna för bildandet av sådana strukturer. De bestämde sig för att se på fenomenet erosion som en process för formoptimering (formoptimering används nu i stor utsträckning i modern industri, när ingenjörer och arkitekter förbättrar formen och strukturen på strukturer de uppför, där både styrka och låg vikt behövs samtidigt). Och för att testa sin idé skapade forskare ett matematiskt program som beskriver vinderosionsprocessen och med hjälp av dem byggde de en båge med hjälp av en datormodell av ett sandstenlager. Sandstenmodellen bestod av många nästan orelaterade kuber som verkade på grannar med en viss kraft. Om denna kraft översteg ett visst värde, kunde vinden inte flytta "kuben" från sin plats,annars försvann den från reservoaren efter en viss tid, rapporterar RIA Novosti.
Experimentera med denna modell, ryska forskare bekräftade idén från sina tjeckiska kollegor och avslöjade flera fysiska principer som förklarar hur kolumner och bågar föds. I sin mest allmänna form visade de att vinden spelar rollen som en slags "dator" som försöker forma sandstenskiktet till en sådan form att en minimal mängd elastisk deformationsenergi ackumuleras inuti den, vilket gradvis och av misstag tar bort de svagaste elementen från strukturen.
Ursprungligen fortsätter denna process snabbt, men efter flera hundra år, när formen på en kolonn eller båge redan närmar sig idealet, saktar erosionen kraftigt ner, eftersom nästan alla "kuber" börjar klamra sig fast med varandra. Tack vare detta kan riktiga bergbågar och pelare existera i miljontals år i nästan orörd form.
Sådana slutsatser är viktiga inte bara för ingenjörer och geologer, utan också för människor som letar efter spår av utomjordiskt liv. Nu, som ryska matematiker betonar, kan sådana strukturer, som till exempel kan upptäckas på Mars, i princip inte betraktas som spår av utomjordiska civilisationer.
