• Фото: Shutterstock
    Наука
    Четверг, 28 декабря 2017

    Ученые объяснили, как возникают арки в горных породах

    При помощи математического моделирования продемонстрирован процесс того, как эрозия оптимизирует форму и структуру разрушаемого материала.

     

    Ученые из Центра Сколтеха по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных и Центра проектирования, производственных методов и материалов пролили свет на одно из самых загадочных явлений природы.

    Естественная водная и ветровая эрозия геоматериалов нередко приводит к появлению удивительных форм, таких как естественные арки и мосты, сбалансированные колонны и своды. Подлинными музеями подобных структур являются национальные парки Юты, недавно появились первые свидетельства того, что подобные формы могут встречаться и на Марсе. Красота естественных арок, их устойчивость и инженерная точность (природа нередко формирует так называемые «катенарные» арки, обладающие максимально возможной устойчивостью) всегда вызывали изумление и любопытство геологов, а также вдохновляли архитекторов, построивших такие сооружения, как знаменитый монумент «Ворота Запада» в Миссури.

    Экспресс-инфо по стране

    Земля находится на третьем месте по удаленности от Солнца и на пятом среди всех планет Солнечной системы по размеру.

    World_map_2004_CIA_large_2m (1)

    Возраст – 4,54 млрд лет

    Средний радиус – 6 378,2 км

    Средняя окружность – 40 030,2 км

    Площадь – 510 072 млн км² (29,1% суши и 70,9% воды)

    Количество материков – 6: Евразия, Африка, Северная Америка, Южная Америка, Австралия и Антарктида

    Количество океанов – 4: Атлантический, Тихий, Индийский, Северный Ледовитый

    Население – 7,3 млрд чел. (50,4% мужчин и 49,6% женщин)

    Самые густо населенные государства: Монако (18 678 чел./км2), Сингапур (7607 чел./км2) и Ватикан (1914 чел./км2)

    Количество стран: всего 252, независимых 195

    Количество языков в мире – около 6 000

    Количество официальных языков – 95; самые распространенные: английский (56 стран), французский (29 стран) и арабский (24 страны)

    Количество национальностей – около 2 000

    Климатические пояса: экваториальный, тропический, умеренный и арктический (основные) + субэкваториальный, субтропический и субарктический (переходные)

    Фото: Shutterstock

    Вопрос о механизмах формирования подобных структур долгое время оставался без ответа. Отсутствие убедительного объяснения того, как случайный по своей природе процесс эрозии может стать «скульптором» таких сложных инженерных конструкций, как катенарные арки, приобретает особую пикантность в вопросах изучения морфологии поверхности Марса и других планет, нередко порождая необоснованные спекуляции об «инженерных сооружениях инопланетных цивилизаций».

    Исследователей из Сколтеха вдохновила работа ученых из Карлова университета в Праге, где они высказали идею о том, что причина формирования естественных арок, по всей видимости, лежит в отрицательной обратной связи между напряжением и скоростью поверхностной эрозии. Другими словами, естественная эрозия удаляет в первую очередь ненапряженный материал, являющийся «неэффективным» с точки зрения распределения нагрузки. Причина такого поведения кроется в известном всем из школьного курса физики законе сухого трения – чем сильнее частицы материала сжаты его соседними слоями, тем труднее их отделить.

    Фото: Shutterstock

    «Эта идея привлекла наше внимание. Мы не могли не отметить, что весьма близкие методы поиска оптимальных форм инженерных сооружений широко используются в современной индустрии. Эти методы, известные как «эволюционная структурная оптимизация» основаны на постепенном удалении неэффективного материала. Наиболее поразительным аспектом этого сходства является то, что математический критерий, по которому удаляется материал при инженерной оптимизации, практически точно совпадает с критерием, следующим из физики процесса эрозии», – рассказывает научный сотрудник Сколтеха, первый автор исследования Игорь Останин.

    В своей статье ученые предложили взглянуть на явление эрозии как на процесс оптимизации формы. Им удалось показать, что при некоторых естественных предположениях эрозия оптимизирует форму разрушаемого материала, осуществляя локальную минимизацию энергии упругой деформации, запасенной в материале. Было также показано, что по мере формирования устойчивой и сбалансированной структуры скорость эрозии стремительно снижается, поскольку в структуре не остается ненапряженного, легко эродируемого материала, что приводит к тому, что структуры, эродируемые на начальных этапах со скоростью, заметной невооруженному взгляду, становятся со временем стабильны на масштабах тысяч и миллионов лет.

    По материалам Naked-science

    Читайте также:

    Где на Закарпатье найти Мраморные горы с фантастическими пейзажами

    На Мальте обрушилась всемирно известная арка «Лазурное окно»