Los científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo han determinado mediante modelos matemáticos que el proceso de erosión optimiza las formas de los materiales que se desintegran.

La erosión natural del viento y del agua a menudo crea accidentes geográficos espectaculares, como arcos y puentes naturales, pilares y cúpulas equilibradas. Los parques nacionales de Utah en los Estados Unidos son un verdadero escaparate de estas hermosas estructuras. Y este fenómeno puede no limitarse a la superficie de la Tierra; La evidencia reciente muestra que accidentes geográficos similares también podrían ser comunes en Marte. La belleza, La estabilidad y la precisión de ingeniería de los arcos naturales siempre han inspirado asombro y curiosidad entre los geólogos. así como arquitectos:la naturaleza tiende a formar los llamados arcos "catenarios", el más estable entre los posibles arcos autoportantes.

Las preguntas sobre los mecanismos de formación de tales estructuras han quedado sin respuesta durante mucho tiempo. La ausencia de explicaciones convincentes de cómo los procesos de erosión aleatorios son capaces de esculpir formas tan no triviales como los arcos catenarios ha ganado un interés particular en el contexto de la geomorfología de Marte y otros planetas. a veces inspirando fantasiosas especulaciones sobre la arquitectura de civilizaciones extraterrestres.

Los investigadores de Skoltech se inspiraron en un estudio reciente en el que científicos de la Universidad Charles de Praga sugirieron que el mecanismo detrás de la formación de arcos naturales es la retroalimentación negativa entre el estrés y la tasa de erosión de la superficie. En otras palabras, La erosión natural tiende primero a eliminar el material no estresado que es ineficiente en términos de transferencia de carga. La razón de tal comportamiento es una conocida ley de fricción seca:cuanto mayor es la partícula de una roca que se comprime entre sus vecinas, más difícil es quitarlo.

"Esta simple idea captó nuestra atención. No pudimos dejar de notar que métodos muy similares de búsqueda de formas óptimas de estructuras de ingeniería se usaban ampliamente en la industria moderna. Estos métodos, conocida como optimización estructural evolutiva, se basan en la posterior eliminación de material ineficaz. El aspecto más sorprendente de esta semejanza es el hecho de que el criterio matemático para la eliminación de material utilizado en los enfoques de optimización de ingeniería es casi exactamente el que se deriva de la física del proceso de erosión. "dijo el científico investigador de Skoltech Igor Ostanin, el autor principal del estudio.

En su trabajo, los científicos de Skoltech propusieron considerar el fenómeno de la erosión como el proceso de optimización de la forma. Demostraron que, bajo un conjunto de condiciones razonables, la erosión realiza la optimización de la forma del material en desintegración, minimizando localmente la energía de deformación elástica almacenada en la masa de roca. También se demostró que durante el proceso de formación de una estructura estable y bien equilibrada, la tasa de erosión cae drásticamente, ya que la estructura no contiene más material ineficaz y sin esfuerzo. Por lo tanto, las estructuras que inicialmente se erosionaron a tasas observables a simple vista se vuelven estables en escalas de tiempo geológico de miles, e incluso millones, de años.

La formación de columnas, arcos y otras morfologías exóticas se ilustró en modelado numérico, utilizando el software para la optimización de la topología, desarrollado en Skoltech anteriormente. Los resultados del estudio se han publicado en Informes científicos de la naturaleza .