Skoltech-wiskundigen hebben het geheim onthuld van de vorming van de meest ongebruikelijke natuurlijke structuren - sierlijke zuilen, bogen en andere architectonische elementen die vaak in de bergen te vinden zijn, en hebben hun bevindingen gepubliceerd in Scientific Reports.
Het uiterlijk van de aarde verandert bijna elke seconde als gevolg van de beweging van continenten, de circulatie van rotsen in de diepten en verschillende vormen van erosie. De belangrijkste "beeldhouwers" van het gezicht van de planeet zijn geen mensen, maar wind, rivieren, regens, gletsjers en andere krachten en verschijnselen. In de afgelopen eeuwen hebben wetenschappers honderden erosie-landvormen ontdekt, bij de vorming waarvan tientallen verschillende processen en factoren een rol spelen.
De meest opvallende en ongebruikelijke hiervan zijn de gigantische stenen bogen, bruggen, kolommen en andere complexe structuren die in de bergen te zien zijn, gemaakt van zandsteen en andere zachte rotsen. De geschiedenis van hun vorming was een van de meest interessante mysteries voor de mensheid, en veel onwetende mensen gingen er serieus van uit dat ze gebeeldhouwd waren door vertegenwoordigers van oude beschavingen of zelfs "gasten" uit de ruimte.
Drie jaar geleden ontdekten wiskundigen van de Karelsuniversiteit in Praag (Tsjechië) dat hun "beeldhouwer" de wind was en niet buitenaardse wezens of oude architecten. Ze ontdekten dat deze kolommen en bogen het resultaat zijn van een ongebruikelijk proces van zelforganisatie van zandkorrels in zandsteenlagen die door de wind worden geërodeerd, waardoor ze dichter aan elkaar blijven kleven wanneer de boog of kolom wordt 'geboren'.
Igor Ostanin, een Skoltech-onderzoeker, en zijn collega's raakten geïnteresseerd in de ontdekking van hun Tsjechische collega's toen ze merkten dat het fenomeen dat ze beschreven sterk leek op hoe de meest 'geavanceerde' ingenieurs en architecten tegenwoordig de vorm en structuur optimaliseren van door mensen gemaakte kolommen, bogen en andere constructies, waar zowel een hoge sterkte als een laag gewicht zijn vereist.
“We konden niet anders dan opmerken dat vergelijkbare methoden om optimale vormen van structuren te vinden veel worden gebruikt in de moderne industrie. Deze methoden, evolutionaire structurele optimalisatie, zijn gebaseerd op de geleidelijke verwijdering van ineffectief materiaal. Het meest opvallende aspect van deze gelijkenis is dat het wiskundige criterium waarmee materiaal wordt verwijderd tijdens optimalisatie vrijwel exact hetzelfde is als het criterium dat volgt uit de fysica van het erosieproces”, zegt Igor Ostanin, een onderzoeker bij Skoltech.
Geleid door deze gok, creëerden Ostanin en zijn collega's een reeks wiskundige formules die het proces van winderosie beschrijven, en probeerden ze een boog te "bouwen" met behulp van een computermodel van de zandsteenformatie.
Het was buitengewoon eenvoudig - zandsteen bestond in feite uit veel bijna niet-verwante kubussen die met een bepaalde kracht op buren drukten. Als deze kracht een bepaalde waarde overschreed, kon de wind deze "kubus" niet van zijn plaats verplaatsen, en anders verdween hij na een bepaalde tijd uit de laag.
Promotie video:
Door met dit model te experimenteren, bevestigden Russische wetenschappers de bevindingen van hun Tsjechische tegenhangers en onthulden verschillende fysische principes die verklaren hoe deze kolommen en bogen ontstaan. In zijn meest algemene vorm konden ze aantonen dat de wind de rol speelt van een soort 'computer' die de zandsteenlaag zo probeert vorm te geven dat de minimale hoeveelheid elastische vervormingsenergie zich erin ophoopt, heel geleidelijk en per ongeluk de zwakste elementen uit de constructie verwijderen.
Aanvankelijk verloopt dit proces erg snel, maar na enkele honderden jaren, wanneer de vorm van een kolom of boog het ideaal al nadert, vertraagt de erosie sterk, aangezien bijna alle "kubussen" met grote kracht aan elkaar beginnen te kleven. Hierdoor kunnen echte bergbogen en -kolommen miljoenen jaren in een bijna intacte vorm bestaan.
Dergelijke conclusies, zoals Ostanin opmerkt, zijn niet alleen belangrijk voor ingenieurs en geologen, maar ook voor mensen die op zoek zijn naar sporen van buitenaards leven. Zoals Russische wiskundigen benadrukken, kunnen dergelijke structuren, die bijvoorbeeld op Mars ontdekt kunnen worden, in principe niet worden beschouwd als sporen van buitenaardse beschavingen.
