Природные арки и мосты, колонны, своды и другие экзотические образования из песчаника завораживают необыкновенной формой и абсолютно непонятной устойчивостью. Они всегда были источником удивления и любопытства для многих поколений учёных, а обыватели порой принимали эти изваяния за «приветы» от древних цивилизаций или даже инопланетян. В общем-то было ясно, что их главными архитекторами являются ветер, вода и солнце, но до недавнего времени причина их нетривиальных форм оставалась загадкой.

Первое основательное экспериментальное и теоретическое исследование механизмов эрозии, лежащих в основе образования природных арок, провели три года назад математики из Карлова университета в Праге. Они обнаружили, что формы возникают в результате уникального процесса самоорганизации зерен песка внутри пластов песчаника. Учёные предположили, что естественная эрозия удаляет в первую очередь ненапряженный материал, являющийся «неэффективным» с точки зрения распределения нагрузки. Причина такого поведения кроется в законе сухого трения – чем сильнее частицы материала сжаты соседними слоями материала, тем труднее их отделить.

Исследователей из Сколтеха увлекла идея пражских коллег и они продолжили изучать вопрос о механизмах формирования подобных структур. Они решили взглянуть на явление эрозии как на процесс оптимизации формы (оптимизация формы ныне широко используется в современной индустрии, когда инженеры и архитекторы совершенствуют форму и структуру возводимых ими сооружений, где одновременно необходима и прочность, и малый вес ). И тогда, чтобы проверить свою идею, учёные создали математическую программу, описывающую процесс ветровой эрозии, и с её помощью построили арку, используя компьютерную модель пласта песчаника. Модель песчаника состояла из множества почти не связанных друг с другом кубиков, воздействующих на соседей с определенной силой. Если эта сила превышала определенное значение, то ветер не мог сдвинуть «кубик» с места, а в противном случае он исчезал из пласта через определенный промежуток времени, сообщает РИА Новости.

Экспериментируя с этой моделью, российские учёные подтвердили идею чешских коллег и раскрыли несколько физических принципов, объясняющих то, как рождаются колонны и арки. В самом общем виде они показали, что ветер исполняет роль своеобразного «компьютера», пытающегося придать пласту из песчаника такую форму, при которой внутри него накапливается минимальное количество энергии упругой деформации, постепенно и случайно удаляя самые слабые элементы из конструкции.

Изначально этот процесс протекает быстро, однако через несколько сотен лет, когда форма колонны или арки уже подходит к идеальной, эрозия резко замедляется, так как почти все «кубики» начинают цепляться друг за друга с очень большой силой. Благодаря этому реальные горные арки и колонны могут существовать миллионы лет в почти нетронутом виде.

Подобные выводы важны не только для инженеров и геологов, но и для людей, занятых поисками следов внеземной жизни. Теперь, как подчеркивают российские математики, подобные структуры, которые, к примеру, могут быть открыты на Марсе, в принципе нельзя считать следами внеземных цивилизаций.