Forskare vid Skolkovo Institute of Science and Technology har genom matematisk modellering fastställt att erosionsprocessen optimerar formerna på sönderfallande material.

Naturlig vind- och vattenerosion skapar ofta spektakulära landformer som naturliga valv och broar, balanserade pelare och kupoler. Nationalparkerna i Utah i USA är en sann skyltfönster för dessa vackra strukturer. Och detta fenomen kanske inte är begränsat till jordens yta; färska bevis visar att liknande landformer också kan vara vanliga på Mars. Skönheten, stabilitet och ingenjörsmässig precision av naturliga bågar har alltid inspirerat förvåning och nyfikenhet bland geologer, såväl som arkitekter — naturen tenderar att bilda så kallade "kontaktledningsbågar", den mest stabila bland möjliga fristående bågar.

Frågor om mekanismerna för bildandet av sådana strukturer har länge förblivit obesvarade. Frånvaron av övertygande förklaringar av hur slumpmässiga erosionsprocesser är kapabla att skulptera sådana icke-triviala former som kontaktledningsbågar har fått särskilt intresse i samband med geomorfologin hos Mars och andra planeter, ibland inspirerande fantasifulla spekulationer om utomjordiska civilisationers arkitektur.

Skoltech-forskare inspirerades av en nyligen genomförd studie där forskare från Charles University i Prag föreslog att mekanismen bakom bildandet av naturliga bågar är den negativa återkopplingen mellan stress och hastigheten på yterosion. Med andra ord, naturlig erosion tenderar först att ta bort obelastat material som är ineffektivt när det gäller lastöverföring. Anledningen till sådant beteende är en välkänd lag om torr friktion - ju större partikel av en sten som komprimeras mellan sina grannar, desto svårare är det att ta bort det.

"Denna enkla idé fångade vår uppmärksamhet. Vi kunde inte låta bli att notera att mycket liknande metoder för att söka efter optimala former av tekniska strukturer användes i stor utsträckning i modern industri. Dessa metoder, känd som evolutionär strukturoptimering, baseras på efterföljande avlägsnande av ineffektivt material. Den mest slående aspekten av denna likhet är det faktum att det matematiska kriteriet för materialavlägsnande som används i tekniska optimeringsmetoder nästan exakt är det som följer av erosionsprocessens fysik, " sa Skoltech-forskaren Igor Ostanin, studiens huvudförfattare.

I sitt arbete föreslog Skoltech-forskare att betrakta fenomenet erosion som en process för formoptimering. De visade att under en uppsättning rimliga villkor, erosion utför formoptimering av sönderfallande material, lokalt minimera den elastiska töjningsenergin som lagras i bergmassan. Det visades också att under processen för bildandet av en stabil och välbalanserad struktur, erosionshastigheten sjunker dramatiskt, eftersom strukturen inte innehåller något mer otippat och ineffektivt material. Därför, de strukturer som ursprungligen eroderades med hastigheter som kan observeras med blotta ögat blir stabila på geologiska tidsskalor av tusentals, och till och med miljoner, år.

Bildandet av kolumner, valv och andra exotiska morfologier illustrerades i numerisk modellering, använda programvaran för optimering av topologi, utvecklats på Skoltech tidigare. Resultaten av studien har publicerats i Naturvetenskapliga rapporter .