Ученые объяснили, как в процессе эрозии горных пород возникают необычные формы — Naked Science
7 минут
Сколтех

Ученые объяснили, как в процессе эрозии горных пород возникают необычные формы

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

Природная арка
Природная арка

Ученые из Центра Сколтеха по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных и Центра проектирования, производственных методов и материалов при помощи математического моделирования продемонстрировали, как эрозия оптимизирует форму и структуру разрушаемого материала. Работа исследователей проливает 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.

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.

«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.

Формирование колонн, арок и других экзотических морфологий было проиллюстрировано в численном моделировании эрозии, использовавшем разработанное в Сколтехе программное обеспечение для топологической оптимизации.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Scientific Reports.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколтех
145 статей
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Позавчера, 18:58
8 минут
Мария Азарова

На «Романцевских горах» в Тульской области нашелся еще один серебристый «монолит». Однако теперь мы знаем, кто его создал — и с какой целью.

12 часов назад
24 минуты
Ольга Иванова

Почему провидцы не предсказали пандемию коронавируса? Ответ очевиден: по той же причине, по которой они не выигрывают в лотерею. Экстрасенсы попросту не знают будущего. Впрочем, этот факт неочевиден для большинства тех, кто верит в мистику. Разберемся, почему люди не обращают внимание на такие простые противоречия и безоговорочно доверяют экстрасенсам, когда их предсказания начинают совпадать с действительностью. Спойлер: дело не в недостатке образования.

Позавчера, 13:59
4 минуты
Ольга Иванова

Финские ученые показали: чтобы привести образование глюкозы в крови к нормальным значениям, достаточно съесть после еды черную смородину. Они уточнили также размер порции этого продукта.

30 ноября
7 минут
Василий Парфенов

История с загадочным артефактом в американском штате Юта становится все запутаннее. Мало того, что, вопреки всем предосторожностям властей, «монолит» нашли любопытные граждане, так его еще украли. А недавно стало известно об аналогичной находке в Европе — на территории археологического памятника в Пятра-Нямце, Румыния.

3 декабря
2 минуты
Илья Ведмеденко

В Калифорнии нашелся новый объект, похожий на монолит из «Космической одиссеи». Ранее нечто похожее обнаружили в штате Юта и на территории Румынии.

Позавчера, 18:58
8 минут
Мария Азарова

На «Романцевских горах» в Тульской области нашелся еще один серебристый «монолит». Однако теперь мы знаем, кто его создал — и с какой целью.

14 ноября
35 минут
Василий Парфенов

На вопрос, кто проживает на дне океана, люди отвечают по-разному. Дети и некоторые взрослые скажут: Губка Боб Квадратные Штаны. Фанаты Лавкрафта благоговейно, но с огоньком в глазах пробормочут нечто вроде «Ктулху фхтагн». А подводники и океанологи задумчиво посмотрят на вопрошающего и, если повезет, расскажут много интересного. Про квакеров, «биоуток», «блуп» и еще Посейдон его знает какие аномальные явления подводного мира.

22 ноября
24 минуты
Александр Березин

Планеты вокруг нашего Солнца расположены совсем не так, как в других системах. И это имеет крайне необычные практические последствия: расчеты показывают, что вокруг нашей звезды должны вращаться две потенциально обитаемые планеты, а не одна, как сейчас. Одна из них куда-то бесследно исчезла – и это еще в лучшем случае. Рассказываем, почему так получилось и кто конкретно в этом виноват.

24 ноября
8 минут
Мария Азарова

Попадание патогена в эпителий слизистой дыхательных путей и захват вирусом бокаловидных клеток приводит к нарушению слизистого барьера. Из-за уменьшения количества муцина снижается не только обонятельная чувствительность, но и возникают неприятные ощущения в носу и рту, в том числе сухость.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: