Los matemáticos de Skoltech han revelado el secreto de la formación de las estructuras naturales más inusuales: elegantes columnas, arcos y otros elementos arquitectónicos que a menudo se pueden encontrar en las montañas, y han publicado sus hallazgos en Scientific Reports.
La apariencia de la Tierra cambia casi cada segundo debido al movimiento de los continentes, la circulación de rocas en sus profundidades y diversas formas de erosión. Los principales “escultores” del rostro del planeta no son las personas, sino el viento, los ríos, las lluvias, los glaciares y otras fuerzas y fenómenos. Durante los últimos siglos, los científicos han descubierto varios cientos de accidentes geográficos erosivos, en cuya formación están involucrados decenas de procesos y factores diferentes.
Los más llamativos e inusuales son los arcos gigantes de piedra, puentes, columnas y otras estructuras complejas que se pueden ver en las montañas, hechas de arenisca y otras rocas blandas. La historia de su formación fue uno de los misterios más interesantes para la humanidad, y muchas personas ignorantes asumieron seriamente que fueron esculpidas por representantes de civilizaciones antiguas o incluso "invitados" del espacio.
Hace tres años, matemáticos de la Universidad Charles de Praga (República Checa) descubrieron que su "escultor" era el viento, y no extraterrestres o arquitectos antiguos. Descubrieron que estas columnas y arcos son el resultado de un proceso inusual de autoorganización de los granos de arena dentro de los estratos de arenisca que son erosionados por el viento, lo que hace que se adhieran más entre sí a medida que “nace” el arco o la columna.
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Igor Ostanin, un investigador de Skoltech, y sus colegas se interesaron por el descubrimiento de sus colegas checos cuando notaron que el fenómeno que describían era muy similar a cómo los ingenieros y arquitectos más "avanzados" de hoy optimizan la forma y estructura de columnas, arcos y otras estructuras artificiales, donde se requieren tanto alta resistencia como bajo peso.
“No pudimos dejar de notar que métodos similares para encontrar formas óptimas de estructuras se utilizan ampliamente en la industria moderna. Estos métodos, optimización estructural evolutiva, se basan en la eliminación gradual de material ineficaz. El aspecto más sorprendente de esta similitud es que el criterio matemático por el cual se elimina el material durante la optimización es casi exactamente el mismo que el criterio que se deriva de la física del proceso de erosión”, dice Igor Ostanin, investigador de Skoltech.
Guiados por esta suposición, Ostanin y sus colegas crearon un conjunto de fórmulas matemáticas que describen el proceso de erosión eólica y trataron de "construir" un arco con él utilizando un modelo informático de la formación de arenisca.
Era extremadamente simple: la piedra arenisca, de hecho, consistía en muchos cubos casi sin relación que presionaban a los vecinos con cierta fuerza. Si esta fuerza excedía un cierto valor, entonces el viento no podría mover este "cubo" de su lugar y, de lo contrario, desapareció de la capa después de un cierto período de tiempo.
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Experimentando con este modelo, los científicos rusos confirmaron los hallazgos de sus homólogos checos y revelaron varios principios físicos que explican cómo nacen estas columnas y arcos. En su forma más general, pudieron demostrar que el viento desempeña el papel de una especie de "computadora" que intenta moldear la capa de arenisca de tal manera que se acumule en su interior la mínima cantidad de energía de deformación elástica, retirando de forma muy gradual y accidental los elementos más débiles de la estructura.
Inicialmente, este proceso avanza muy rápido, pero después de varios cientos de años, cuando la forma de una columna o arco ya se acerca a la ideal, la erosión se ralentiza drásticamente, ya que casi todos los "cubos" comienzan a adherirse entre sí con gran fuerza. Gracias a esto, los arcos y columnas de montaña reales pueden existir durante millones de años en una forma casi intacta.
Tales conclusiones, como señala Ostanin, son importantes no solo para los ingenieros y geólogos, sino también para las personas que buscan rastros de vida extraterrestre. Ahora, como enfatizan los matemáticos rusos, tales estructuras, que, por ejemplo, se pueden descubrir en Marte, en principio, no pueden considerarse rastros de civilizaciones extraterrestres.
