28.12.2017
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.
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.
Вчера, 09:23
Сергей Васильев

Биологи обнаружили, что обширные скопления пластика позволяют прибрежным животным осваивать открытое море, прежде для них недоступное, и распространяться по всем уголкам океана.

Позавчера, 20:00
Василий Парфенов

Пару недель назад Международная космическая станция разменяла 23-й год своего существования на орбите. И хотя далеко не все ее модули насчитывают и десяти лет эксплуатации, конструкция в целом давно вызывает опасения в надежности. В числе прочего американскую сторону особо волнуют недавние неполадки в российском сегменте. Их считают предвестником серьезного препятствия человеческой экспансии в космос — когда мы лишимся важнейшего форпоста на орбите Земли, а замены ему еще не появится.

Вчера, 12:49
Алиса Гаджиева

У погибшего почти 70 миллионов лет назад хищника была трудная жизнь: помимо обычного набора проблем, таких как схватки с сородичами, он страдал от зубной боли.

1 декабря
Мария Азарова

Более низкие уровни интерлейкина-6 — маркера системного воспаления — выявили у людей, которые считали, что готовы предоставлять больше поддержки окружающим, чем получать взамен.

Позавчера, 20:00
Василий Парфенов

Пару недель назад Международная космическая станция разменяла 23-й год своего существования на орбите. И хотя далеко не все ее модули насчитывают и десяти лет эксплуатации, конструкция в целом давно вызывает опасения в надежности. В числе прочего американскую сторону особо волнуют недавние неполадки в российском сегменте. Их считают предвестником серьезного препятствия человеческой экспансии в космос — когда мы лишимся важнейшего форпоста на орбите Земли, а замены ему еще не появится.

Вчера, 09:23
Сергей Васильев

Биологи обнаружили, что обширные скопления пластика позволяют прибрежным животным осваивать открытое море, прежде для них недоступное, и распространяться по всем уголкам океана.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

18 ноября
Ольга Иванова

Группа исследователей из Китая и США выявила дополнительный фактор, который мог способствовать самому крупному вымиранию на планете.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: