Naturalne łuki i mosty, kolumny, sklepienia i inne egzotyczne formacje z piaskowca fascynują swoim niezwykłym kształtem i absolutnie niezrozumiałą stabilnością. Zawsze były źródłem zaskoczenia i zaciekawienia przez wiele pokoleń naukowców, a zwykli ludzie czasami brali te posągi na „pozdrowienia” od starożytnych cywilizacji, a nawet obcych. Ogólnie było jasne, że ich głównymi architektami byli wiatr, woda i słońce, ale do niedawna przyczyna ich nietrywialnych form pozostawała tajemnicą.
Pierwsze solidne badania eksperymentalne i teoretyczne mechanizmów erozji leżących u podstaw powstawania naturalnych łuków zostały przeprowadzone trzy lata temu przez matematyków z Uniwersytetu Karola w Pradze. Odkryli, że kształty powstają w wyniku wyjątkowego procesu samoorganizacji ziaren piasku w warstwach piaskowca. Naukowcy postawili hipotezę, że naturalna erozja usuwa przede wszystkim nieobciążony materiał, który jest „nieefektywny” pod względem rozkładu obciążenia. Przyczyną takiego zachowania jest prawo tarcia suchego - im silniej cząsteczki materiału są ściskane przez sąsiednie warstwy materiału, tym trudniej je rozdzielić.
Badacze Skoltech byli zafascynowani pomysłem swoich praskich kolegów i kontynuowali badanie kwestii mechanizmów powstawania takich struktur. Postanowili spojrzeć na zjawisko erozji jako na proces optymalizacji kształtu (optymalizacja kształtu jest obecnie szeroko stosowana we współczesnym przemyśle, kiedy inżynierowie i architekci poprawiają kształt i konstrukcję wznoszonych przez siebie konstrukcji, gdzie potrzebna jest jednocześnie wytrzymałość i niewielka waga). A potem, aby przetestować swój pomysł, naukowcy stworzyli program matematyczny opisujący proces erozji wietrznej iz jego pomocą zbudowali łuk, korzystając z komputerowego modelu warstwy piaskowca. Model piaskowca składał się z wielu prawie niezwiązanych ze sobą sześcianów, które działają na sąsiadów z określoną siłą. Gdyby siła ta przekroczyła pewną wartość, to wiatr nie mógłby przesunąć „sześcianu” ze swojego miejsca,w przeciwnym razie zniknął ze zbiornika po pewnym czasie, donosi RIA Novosti.
Eksperymentując z tym modelem, rosyjscy naukowcy potwierdzili pomysł swoich czeskich kolegów i ujawnili kilka fizycznych zasad wyjaśniających, w jaki sposób powstają kolumny i łuki. W swojej najbardziej ogólnej postaci pokazali, że wiatr pełni rolę swego rodzaju „komputera” próbującego nadać warstwie piaskowca taki kształt, aby gromadziła się w niej minimalna ilość energii odkształcenia sprężystego, stopniowo i przypadkowo usuwając z konstrukcji najsłabsze elementy.
Początkowo proces ten przebiega szybko, ale po kilkuset latach, gdy kształt słupa czy łuku zbliża się już do ideału, erozja gwałtownie zwalnia, gdyż prawie wszystkie „kostki” zaczynają przylegać do siebie z dużą siłą. Dzięki temu prawdziwe górskie łuki i kolumny mogą istnieć przez miliony lat w niemal nienaruszonej formie.
Takie wnioski są ważne nie tylko dla inżynierów i geologów, ale także dla osób poszukujących śladów życia pozaziemskiego. Teraz, jak podkreślają rosyjscy matematycy, takich struktur, które można odkryć np. Na Marsie, w zasadzie nie można uznać za ślady pozaziemskich cywilizacji.