Wetenschappers van het Skolkovo Institute of Science and Technology hebben door middel van wiskundige modellering vastgesteld dat het erosieproces de vormen van uiteenvallende materialen optimaliseert.

Natuurlijke wind- en watererosie zorgt vaak voor spectaculaire landvormen zoals natuurlijke bogen en bruggen, evenwichtige pilaren en koepels. De nationale parken van Utah in de Verenigde Staten zijn een ware showcase van deze prachtige bouwwerken. En dit fenomeen is misschien niet beperkt tot het aardoppervlak; recent bewijs toont aan dat vergelijkbare landvormen ook veel voorkomen op Mars. De schoonheid, stabiliteit en technische precisie van natuurlijke bogen hebben altijd tot verbazing en nieuwsgierigheid geleid bij geologen, evenals architecten - de natuur heeft de neiging om zogenaamde "bovenleiding" -bogen te vormen, de meest stabiele onder de mogelijke vrijstaande bogen.

Vragen over de mechanismen van vorming van dergelijke structuren zijn lang onbeantwoord gebleven. Het ontbreken van overtuigende verklaringen over hoe willekeurige erosieprocessen in staat zijn om niet-triviale vormen als kettingbogen te vormen, heeft bijzondere belangstelling gekregen in de context van de geomorfologie van Mars en andere planeten, soms inspirerende fantasievolle speculaties over de architectuur van buitenaardse beschavingen.

Skoltech-onderzoekers lieten zich inspireren door een recent onderzoek waarin wetenschappers van de Charles Universiteit in Praag suggereerden dat het mechanisme achter de vorming van natuurlijke bogen de negatieve terugkoppeling is tussen stress en de snelheid van oppervlakte-erosie. Met andere woorden, natuurlijke erosie heeft de neiging om eerst onbelast materiaal te verwijderen dat inefficiënt is in termen van belastingoverdracht. De reden voor dergelijk gedrag is een bekende wet van droge wrijving:hoe groter het deeltje van een gesteente dat wordt samengedrukt tussen zijn buren, hoe moeilijker het is om het te verwijderen.

"Dit eenvoudige idee trok onze aandacht. We konden niet anders dan opmerken dat zeer vergelijkbare methoden voor het zoeken naar optimale vormen van technische constructies op grote schaal werden gebruikt in de moderne industrie. Deze methoden, bekend als evolutionaire structurele optimalisatie, zijn gebaseerd op de daaropvolgende verwijdering van inefficiënt materiaal. Het meest opvallende aspect van deze overeenkomst is het feit dat het wiskundige criterium voor materiaalverwijdering dat wordt gebruikt in technische optimalisatiebenaderingen bijna precies het criterium is dat volgt uit de fysica van het erosieproces, " zei Skoltech-onderzoeker Igor Ostanin, hoofdauteur van de studie.

In hun werk stelden Skoltech-wetenschappers voor om het fenomeen erosie te beschouwen als het proces van vormoptimalisatie. Ze toonden aan dat, onder een aantal redelijke voorwaarden, erosie voert de vormoptimalisatie van desintegrerend materiaal uit, lokaal minimaliseren van de elastische rekenergie opgeslagen in de rotsmassa. Er werd ook aangetoond dat tijdens het proces van de vorming van een stabiele en evenwichtige structuur, de snelheid van erosie daalt dramatisch, omdat de structuur geen ongespannen en inefficiënt materiaal meer bevat. Daarom, de structuren die aanvankelijk waren geërodeerd met snelheden die waarneembaar waren met het blote oog, worden stabiel op geologische tijdschalen van duizenden, en zelfs miljoenen, van jaren.

De vorming van kolommen, bogen en andere exotische morfologieën werd geïllustreerd in numerieke modellering, de software gebruiken voor de optimalisatie van de topologie, eerder bij Skoltech ontwikkeld. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurwetenschappelijke rapporten .