Cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo determinaram por meio de modelagem matemática que o processo de erosão otimiza as formas dos materiais em desintegração.

A erosão natural do vento e da água costuma criar formas de relevo espetaculares, como arcos naturais e pontes, pilares e cúpulas equilibrados. Os parques nacionais de Utah, nos Estados Unidos, são uma verdadeira vitrine dessas belas estruturas. E este fenômeno pode não estar limitado à superfície da Terra; evidências recentes mostram que formas de relevo semelhantes também podem ser comuns em Marte. A beleza, a estabilidade e a precisão da engenharia de arcos naturais sempre inspiraram espanto e curiosidade entre os geólogos, bem como arquitetos - a natureza tende a formar os chamados arcos "catenários", o mais estável entre os arcos independentes possíveis.

Questões sobre os mecanismos de formação de tais estruturas há muito permanecem sem resposta. A ausência de explicações convincentes de como os processos de erosão aleatórios são capazes de esculpir formas não triviais como arcos catenários ganhou particular interesse no contexto da geomorfologia de Marte e outros planetas, às vezes inspirando especulações fantasiosas sobre a arquitetura de civilizações extraterrestres.

Os pesquisadores da Skoltech foram inspirados por um estudo recente no qual cientistas da Charles University em Praga sugeriram que o mecanismo por trás da formação de arcos naturais é o feedback negativo entre o estresse e a taxa de erosão da superfície. Em outras palavras, a erosão natural tende primeiro a remover material não estressado que é ineficiente em termos de transferência de carga. A razão para tal comportamento é uma conhecida lei do atrito seco - quanto maior a partícula de uma rocha que é comprimida entre seus vizinhos, mais difícil é removê-lo.

"Essa ideia simples chamou nossa atenção. Não pudemos deixar de notar que métodos muito semelhantes de busca de formas ótimas de estruturas de engenharia foram amplamente utilizados na indústria moderna. Esses métodos, conhecido como otimização estrutural evolutiva, baseiam-se na remoção subsequente de material ineficiente. O aspecto mais marcante dessa semelhança é o fato de que o critério matemático para remoção de material usado em abordagens de otimização de engenharia é quase exatamente aquele que segue da física do processo de erosão, "disse o cientista pesquisador da Skoltech Igor Ostanin, o principal autor do estudo.

Em seu trabalho, os cientistas da Skoltech propuseram considerar o fenômeno da erosão como o processo de otimização da forma. Eles demonstraram que, sob um conjunto de condições razoáveis, erosão realiza a otimização da forma do material em desintegração, minimizando localmente a energia de deformação elástica armazenada no volume da rocha. Também foi demonstrado que durante o processo de formação de uma estrutura estável e bem equilibrada, a taxa de erosão cai drasticamente, uma vez que a estrutura não contém mais nenhum material não tensionado e ineficiente. Portanto, as estruturas que foram inicialmente erodidas a taxas observáveis ​​a olho nu tornam-se estáveis ​​em escalas de tempo geológicas de milhares, e até milhões, de anos.

A formação de colunas, arcos e outras morfologias exóticas foram ilustradas na modelagem numérica, usando o software para a otimização da topologia, desenvolvido na Skoltech anteriormente. Os resultados do estudo foram publicados em Nature Scientific Reports .