Skoltech-Mathematiker haben das Geheimnis der Bildung der ungewöhnlichsten natürlichen Strukturen enthüllt - anmutige Säulen, Bögen und andere architektonische Elemente, die häufig in den Bergen zu finden sind, und ihre Ergebnisse in wissenschaftlichen Berichten veröffentlicht.
Das Erscheinungsbild der Erde ändert sich fast jede Sekunde aufgrund der Bewegung der Kontinente, der Zirkulation von Gesteinen in ihren Tiefen und verschiedener Formen der Erosion. Die wichtigsten „Bildhauer“des Planeten sind nicht Menschen, sondern Wind, Flüsse, Regen, Gletscher und andere Kräfte und Phänomene. In den letzten Jahrhunderten haben Wissenschaftler mehrere hundert Erosionslandformen entdeckt, an deren Entstehung Dutzende verschiedener Prozesse und Faktoren beteiligt sind.
Am auffälligsten und ungewöhnlichsten sind die riesigen Steinbögen, Brücken, Säulen und anderen komplexen Strukturen, die in den Bergen aus Sandstein und anderen weichen Steinen zu sehen sind. Die Geschichte ihrer Entstehung war eines der interessantesten Geheimnisse für die Menschheit, und viele Unwissende nahmen ernsthaft an, dass sie von Vertretern antiker Zivilisationen oder sogar "Gästen" aus dem Weltraum geformt wurden.
Vor drei Jahren fanden Mathematiker der Karlsuniversität in Prag (Tschechische Republik) heraus, dass ihr "Bildhauer" der Wind war und keine Außerirdischen oder alten Architekten. Sie fanden heraus, dass diese Säulen und Bögen aus einem ungewöhnlichen Prozess der Selbstorganisation von Sandkörnern in Sandsteinschichten resultieren, die vom Wind erodiert werden, wodurch sie fester aneinander haften, wenn der Bogen oder die Säule „geboren“wird.
Igor Ostanin, ein Skoltech-Forscher, und seine Kollegen interessierten sich für die Entdeckung ihrer tschechischen Kollegen, als sie bemerkten, dass das von ihnen beschriebene Phänomen dem sehr ähnlich war, wie die "fortschrittlichsten" Ingenieure und Architekten heute die Form und Struktur von künstlichen Säulen, Bögen und anderen Strukturen optimieren Es sind sowohl hohe Festigkeit als auch geringes Gewicht erforderlich.
„Wir konnten nicht anders, als zu bemerken, dass ähnliche Methoden zur Suche nach optimalen Formen von Strukturen in der modernen Industrie weit verbreitet sind. Diese Methoden, die evolutionäre Strukturoptimierung, basieren auf der schrittweisen Entfernung von ineffektivem Material. Der auffälligste Aspekt dieser Ähnlichkeit ist, dass das mathematische Kriterium, nach dem Material während der Optimierung entfernt wird, fast genau das gleiche ist wie das Kriterium, das sich aus der Physik des Erosionsprozesses ergibt “, sagt Igor Ostanin, Forscher bei Skoltech.
Ausgehend von dieser Vermutung erstellten Ostanin und seine Kollegen eine Reihe mathematischer Formeln, die den Prozess der Winderosion beschreiben, und versuchten, damit einen Bogen mithilfe eines Computermodells der Sandsteinformation zu "bauen".
Es war extrem einfach - Sandstein bestand tatsächlich aus vielen fast unabhängigen Würfeln, die mit einer bestimmten Kraft auf die Nachbarn drückten. Wenn diese Kraft einen bestimmten Wert überschritt, konnte der Wind diesen "Würfel" nicht von seinem Platz bewegen, und ansonsten verschwand er nach einer bestimmten Zeit von der Schicht.
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Beim Experimentieren mit diesem Modell bestätigten russische Wissenschaftler die Ergebnisse ihrer tschechischen Kollegen und deckten mehrere physikalische Prinzipien auf, die erklären, wie diese Säulen und Bögen entstehen. In ihrer allgemeinsten Form konnten sie zeigen, dass der Wind die Rolle einer Art "Computer" spielt, der versucht, die Sandsteinschicht so zu formen, dass sich ein Minimum an elastischer Verformungsenergie darin ansammelt und die schwächsten Elemente sehr allmählich und versehentlich aus der Struktur entfernt.
Anfangs verläuft dieser Prozess sehr schnell, aber nach einigen hundert Jahren, wenn sich die Form einer Säule oder eines Bogens bereits dem Ideal nähert, verlangsamt sich die Erosion stark, da fast alle "Würfel" mit großer Kraft aneinander haften. Dank dessen können echte Bergbögen und Säulen in nahezu intakter Form über Millionen von Jahren existieren.
Solche Schlussfolgerungen sind, wie Ostanin bemerkt, nicht nur für Ingenieure und Geologen wichtig, sondern auch für Menschen, die nach Spuren außerirdischen Lebens suchen. Nun, wie russische Mathematiker betonen, können solche Strukturen, die zum Beispiel auf dem Mars entdeckt werden können, im Prinzip nicht als Spuren außerirdischer Zivilisationen betrachtet werden.
