Matematycy ze Skoltechu ujawnili tajemnicę powstawania najbardziej niezwykłych struktur naturalnych - wdzięcznych kolumn, łuków i innych elementów architektonicznych, które często można znaleźć w górach, i opublikowali swoje odkrycia w Scientific Reports.
Wygląd Ziemi zmienia się prawie co sekundę z powodu ruchu kontynentów, cyrkulacji skał w jej głębi i różnych form erozji. Głównymi „rzeźbiarzami” planety nie są ludzie, ale wiatr, rzeki, deszcze, lodowce oraz inne siły i zjawiska. W ciągu ostatnich kilku stuleci naukowcy odkryli kilkaset erozyjnych form terenu, w powstawaniu których zaangażowane są dziesiątki różnych procesów i czynników.
Najbardziej uderzające i niezwykłe z nich są gigantyczne kamienne łuki, mosty, kolumny i inne złożone konstrukcje, które można zobaczyć w górach, wykonane z piaskowca i innych miękkich skał. Historia ich powstania była dla ludzkości jedną z najciekawszych tajemnic, a wielu ignorantów poważnie zakładało, że wyrzeźbili je przedstawiciele starożytnych cywilizacji, a nawet „goście” z kosmosu.
Trzy lata temu matematycy z Uniwersytetu Karola w Pradze (Czechy) odkryli, że ich „rzeźbiarzem” był wiatr, a nie obcy czy starożytni architekci. Odkryli, że te kolumny i łuki wynikają z niezwykłego procesu samoorganizacji ziaren piasku w warstwach piaskowca, które są erodowane przez wiatr, co powoduje, że przylegają one do siebie mocniej, gdy łuk lub kolumna się „rodzą”.
Igor Ostanin, badacz ze Skoltechu, i jego koledzy zainteresowali się odkryciem ich czeskich kolegów, gdy zauważyli, że opisywane przez nich zjawisko jest bardzo podobne do tego, w jaki sposób najbardziej „zaawansowani” inżynierowie i architekci optymalizują dziś kształt i strukturę wykonanych przez człowieka kolumn, łuków i innych konstrukcji, gdzie wymagana jest zarówno duża wytrzymałość, jak i niewielka waga.
„Nie mogliśmy nie zauważyć, że podobne metody znajdowania optymalnych form konstrukcji są szeroko stosowane we współczesnym przemyśle. Metody te, ewolucyjna optymalizacja strukturalna, polegają na stopniowym usuwaniu nieefektywnego materiału. Najbardziej uderzającym aspektem tego podobieństwa jest to, że kryterium matematyczne, według którego materiał jest usuwany podczas optymalizacji, jest prawie identyczne z kryterium wynikającym z fizyki procesu erozji”- mówi Igor Ostanin, badacz ze Skoltechu.
Kierując się tym przypuszczeniem, Ostanin i jego koledzy stworzyli zestaw wzorów matematycznych opisujących proces erozji wietrznej i spróbowali „zbudować” z niego łuk, korzystając z komputerowego modelu formacji piaskowca.
To było niezwykle proste - w rzeczywistości piaskowiec składał się z wielu prawie niezwiązanych ze sobą sześcianów, które naciskały na sąsiadów z pewną siłą. Gdyby ta siła przekroczyła pewną wartość, to wiatr nie mógłby przesunąć tego „sześcianu” ze swojego miejsca, w przeciwnym razie po pewnym czasie zniknąłby z warstwy.
Film promocyjny:
Eksperymentując z tym modelem rosyjscy naukowcy potwierdzili odkrycia swoich czeskich odpowiedników i ujawnili kilka fizycznych zasad wyjaśniających, w jaki sposób powstają te kolumny i łuki. W swojej najogólniejszej postaci potrafili wykazać, że wiatr pełni rolę swego rodzaju „komputera”, który usiłuje uformować warstwę piaskowca w minimalną ilość energii odkształcenia sprężystego, bardzo stopniowo i przypadkowo usuwając z konstrukcji najsłabsze elementy.
Początkowo proces ten przebiega bardzo szybko, ale po kilkuset latach, gdy kształt kolumny czy łuku zbliża się już do ideału, erozja gwałtownie zwalnia, gdyż prawie wszystkie „kostki” zaczynają przylegać do siebie z dużą siłą. Dzięki temu prawdziwe łuki i kolumny górskie mogą istnieć przez miliony lat w niemal nienaruszonej formie.
Takie wnioski, jak zauważa Ostanin, są ważne nie tylko dla inżynierów i geologów, ale także dla osób poszukujących śladów życia pozaziemskiego. Otóż, jak podkreślają rosyjscy matematycy, takich struktur, które można odkryć np. Na Marsie, w zasadzie nie można uznać za ślady pozaziemskich cywilizacji.