Математиците на Skoltech разкриха тайната на формирането на най-необичайните природни структури - изящни колони, арки и други архитектурни елементи, които често се срещат в планините, и публикуваха своите открития в „Научни доклади“.
Появата на Земята се променя почти всяка секунда поради движението на континентите, циркулацията на скалите в нейните дълбочини и различни форми на ерозия. Основните „скулптори“на лицето на планетата не са хора, а вятър, реки, дъждове, ледници и други сили и явления. През последните няколко века учените са открили няколкостотин ерозионни форми, във формирането на които участват десетки различни процеси и фактори.
Най-поразителните и необичайни от тях са гигантските каменни арки, мостове, колони и други сложни конструкции, които могат да се видят в планините, изградени от пясъчник и други меки скали. Историята на тяхното формиране беше една от най-интересните загадки за човечеството и много невежи хора сериозно предположиха, че са изваяни от представители на древни цивилизации или дори „гости” от космоса.
Преди три години математици от Карловия университет в Прага (Чехия) разбраха, че техният "скулптор" е вятърът, а не извънземните или древните архитекти. Те откриха, че тези колони и арки са резултат от необичаен процес на самоорганизация на пясъчни зърна в пясъчни слоеве, които са ерозирани от вятъра, което ги кара да се прилепват по-плътно един към друг, тъй като арката или колоната се „раждат“.
Игор Останин, изследовател на Skoltech, и неговите колеги се заинтересуваха от откритието на чешките колеги, когато забелязаха, че описаното от тях явление е много подобно на това как най-модерните инженери и архитекти днес оптимизират формата и структурата на създадени от човека колони, арки и други структури, където изискват се както висока якост, така и ниско тегло.
„Не бихме могли да не забележим, че подобни методи за намиране на оптимални форми на конструкции се използват широко в съвременната индустрия. Тези методи, еволюционната структурна оптимизация, се основават на постепенното отстраняване на неефективния материал. Най-забележителният аспект на това сходство е, че математическият критерий, чрез който се отстранява материалът по време на оптимизация, е почти същият като критерия, който следва от физиката на процеса на ерозия “, казва Игор Останин, изследовател в Skoltech.
Ръководени от това предположение, Останин и неговите колеги създадоха набор от математически формули, описващи процеса на ерозия на вятъра, и се опитаха да „построят“арка, използвайки го с помощта на компютърен модел на образуването на пясъчник.
Беше изключително просто - пясъчникът всъщност се състоеше от много почти несвързани кубчета, които притискаха съседите с определена сила. Ако тази сила надхвърли определена стойност, тогава вятърът не би могъл да премести този „куб“от мястото си и в противен случай той изчезна от слоя след определен период от време.
Промоционално видео:
Експериментирайки с този модел, руските учени потвърдиха откритията на своите чешки колеги и разкриха няколко физически принципа, които обясняват как се раждат тези колони и арки. В най-общата си форма те успяха да покажат, че вятърът играе ролята на своеобразен „компютър“, който се опитва да формира слоя пясъчник в минимално количество енергия от еластична деформация, много постепенно и случайно премахвайки най-слабите елементи от конструкцията.
Първоначално този процес протича много бързо, но след няколкостотин години, когато формата на колона или арка вече се доближава до идеала, ерозията се забавя рязко, тъй като почти всички „кубчета“започват да се прилепват един към друг с голяма сила. Благодарение на това истинските планински арки и колони могат да съществуват милиони години в почти непокътната форма.
Такива изводи, както отбелязва Останин, са важни не само за инженерите и геолозите, но и за хората, които търсят следи от извънземен живот. Както подчертават руските математици, такива структури, които например могат да бъдат открити на Марс, по принцип не могат да се считат за следи от извънземни цивилизации.
