Skoltechští matematici odhalili tajemství utváření nejneobvyklejších přírodních struktur - půvabné sloupy, oblouky a další architektonické prvky, které se v horách často nacházejí, a zveřejnili svá zjištění ve vědeckých zprávách.
Vzhled Země se mění téměř každou sekundu kvůli pohybu kontinentů, oběhu hornin v jeho hloubkách a různým formám eroze. Hlavními „sochaři“tváře planety nejsou lidé, ale vítr, řeky, deště, ledovce a další síly a jevy. Během několika minulých století vědci objevili několik stovek erozních reliéfů, na jejichž tvorbě se podílejí desítky různých procesů a faktorů.
Nejvýraznější a neobvyklé z nich jsou obří kamenné oblouky, mosty, sloupy a další složité struktury, které lze v horách vidět z pískovce a jiných měkkých hornin. Historie jejich formace byla pro lidstvo jednou z nejzajímavějších záhad a mnoho nevědomých lidí vážně předpokládalo, že byli vytesáni představiteli starověkých civilizací nebo dokonce „hosty“z vesmíru.
Před třemi lety matematici z Univerzity Karlovy v Praze (Česká republika) zjistili, že jejich „sochařem“byl vítr, nikoli cizinci ani starověcí architekti. Zjistili, že tyto sloupy a oblouky jsou výsledkem neobvyklého procesu samoorganizace zrn písku ve vrstvách pískovcových písků, které jsou erodovány větrem, což způsobuje, že se přilnou k sobě, jakmile se oblouk nebo sloupec „zrodí“.
Igor Ostanin, badatel společnosti Skoltech, a jeho kolegové se začali zajímat o objev českých kolegů, když si všimli, že jev, který popsali, je velmi podobný tomu, jak nejpokročilejší inženýři a architekti dnes optimalizují tvar a strukturu umělých sloupů, oblouků a dalších struktur, kde je vyžadována jak vysoká pevnost, tak nízká hmotnost.
„Nemohli jsme si pomoci, ale všimli jsme si, že podobné metody hledání optimálních forem struktur jsou v moderním průmyslu široce využívány. Tyto metody, evoluční strukturální optimalizace, jsou založeny na postupném odstraňování neúčinného materiálu. Nejvýraznějším aspektem této podobnosti je to, že matematické kritérium, podle kterého je materiál během optimalizace odstraněn, je téměř úplně stejné jako kritérium, které vyplývá z fyziky procesu eroze, “říká Igor Ostanin, výzkumník společnosti Skoltech.
Na základě tohoto odhadu vytvořil Ostanin a jeho kolegové řadu matematických vzorců popisujících proces větrné eroze a pokusili se „postavit“oblouk pomocí tohoto počítačového modelu pískovcové formace.
Bylo to velmi jednoduché - pískovec ve skutečnosti sestával z mnoha téměř nesouvisejících kostek, které přitlačovaly na sousedy určitou silou. Pokud tato síla překročila určitou hodnotu, vítr nemohl tuto „kostku“posunout ze svého místa a jinak po určité době zmizel z vrstvy.
Propagační video:
Experimentování s tímto modelem ruské vědce potvrdilo nálezy svých českých protějšků a odhalilo několik fyzikálních principů, které vysvětlují, jak se tyto sloupy a oblouky rodí. Ve své nejobecnější podobě dokázali ukázat, že vítr hraje roli jakési „počítače“, který se snaží tvarovat pískovcovou vrstvu do minimálního množství elastické deformační energie a velmi postupně a náhodně odstranit nejslabší prvky ze struktury.
Zpočátku tento proces probíhá velmi rychle, ale po několika stovkách let, kdy se tvar sloupu nebo oblouku již blíží ideálu, eroze prudce zpomaluje, protože téměř všechny „kostky“se začnou lpět na sobě velkou silou. Díky tomu mohou existovat skutečné horské oblouky a sloupy po miliony let v téměř nedotčené podobě.
Tyto závěry, jak poznamenává Ostanin, jsou důležité nejen pro inženýry a geology, ale také pro lidi, kteří hledají stopy mimozemského života. Nyní, jak zdůrazňují ruští matematici, takové struktury, které mohou být například objeveny na Marsu, nelze v zásadě považovat za stopy mimozemských civilizací.