Natürliche Bögen und Brücken, Säulen, Gewölbe und andere exotische Sandsteinformationen faszinieren durch ihre außergewöhnliche Form und absolut unverständliche Stabilität. Sie waren für viele Generationen von Wissenschaftlern immer eine Quelle der Überraschung und Neugier, und gewöhnliche Menschen nahmen diese Statuen manchmal als "Grüße" von alten Zivilisationen oder sogar Außerirdischen. Im Allgemeinen war klar, dass ihre Hauptarchitekten Wind, Wasser und Sonne waren, aber bis vor kurzem blieb der Grund für ihre nicht trivialen Formen ein Rätsel.
Die erste solide experimentelle und theoretische Untersuchung der Erosionsmechanismen, die der Bildung natürlicher Bögen zugrunde liegen, wurde vor drei Jahren von Mathematikern der Karlsuniversität in Prag durchgeführt. Sie fanden heraus, dass Formen aus der einzigartigen Selbstorganisation von Sandkörnern in Sandsteinschichten entstehen. Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass durch natürliche Erosion hauptsächlich nicht belastetes Material entfernt wird, was hinsichtlich der Lastverteilung "unwirksam" ist. Der Grund für dieses Verhalten liegt im Gesetz der Trockenreibung - je stärker die Materialpartikel durch benachbarte Materialschichten zusammengedrückt werden, desto schwieriger ist es, sie zu trennen.
Skoltech-Forscher waren fasziniert von der Idee ihrer Prager Kollegen und untersuchten weiterhin die Frage nach den Mechanismen der Bildung solcher Strukturen. Sie beschlossen, das Phänomen der Erosion als einen Prozess der Formoptimierung zu betrachten (die Formoptimierung wird heute in der modernen Industrie häufig eingesetzt, wenn Ingenieure und Architekten die Form und Struktur der von ihnen errichteten Strukturen verbessern, wobei sowohl Festigkeit als auch geringes Gewicht gleichzeitig benötigt werden). Um ihre Idee zu testen, erstellten die Wissenschaftler ein mathematisches Programm, das den Prozess der Winderosion beschreibt, und bauten mit seiner Hilfe einen Bogen unter Verwendung eines Computermodells einer Sandsteinschicht. Das Sandsteinmodell bestand aus vielen fast unabhängigen Würfeln, die mit einer bestimmten Kraft auf Nachbarn einwirkten. Wenn diese Kraft einen bestimmten Wert überschreitet, kann der Wind den "Würfel" nicht von seinem Platz bewegen. Andernfalls verschwand es nach einer gewissen Zeit aus dem Reservoir, berichtet RIA Novosti.
Beim Experimentieren mit diesem Modell bestätigten russische Wissenschaftler die Idee ihrer tschechischen Kollegen und enthüllten verschiedene physikalische Prinzipien, die erklären, wie Säulen und Bögen entstehen. In ihrer allgemeinsten Form zeigten sie, 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 allmählich und versehentlich aus der Struktur entfernt.
Anfangs geht dieser Prozess schnell voran, 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 Millionen von Jahren in nahezu unberührter Form existieren.
Solche Schlussfolgerungen sind nicht nur für Ingenieure und Geologen wichtig, sondern auch für Menschen, die nach Spuren außerirdischen Lebens suchen. Wie russische Mathematiker betonen, können solche Strukturen, die beispielsweise auf dem Mars entdeckt werden können, im Prinzip nicht als Spuren außerirdischer Zivilisationen betrachtet werden.
