Gli scienziati dell'Istituto di scienza e tecnologia di Skolkovo hanno determinato attraverso modelli matematici che il processo di erosione ottimizza le forme dei materiali in disintegrazione.

L'erosione naturale del vento e dell'acqua spesso crea morfologie spettacolari come archi e ponti naturali, pilastri equilibrati e cupole. I parchi nazionali dello Utah negli Stati Uniti sono una vera vetrina di queste bellissime strutture. E questo fenomeno potrebbe non essere limitato alla superficie terrestre; prove recenti mostrano che morfologie simili potrebbero essere comuni anche su Marte. La bellezza, stabilità e precisione ingegneristica degli archi naturali hanno sempre suscitato stupore e curiosità tra i geologi, così come gli architetti:la natura tende a formare i cosiddetti archi "catenari", il più stabile tra i possibili archi indipendenti.

Le domande sui meccanismi di formazione di tali strutture sono rimaste a lungo senza risposta. L'assenza di spiegazioni convincenti su come i processi di erosione casuale siano in grado di scolpire forme non banali come gli archi di catenaria ha acquisito particolare interesse nel contesto della geomorfologia di Marte e di altri pianeti, a volte ispirando fantasiose speculazioni sull'architettura delle civiltà extraterrestri.

I ricercatori di Skoltech si sono ispirati a un recente studio in cui gli scienziati dell'Università Carlo di Praga hanno suggerito che il meccanismo alla base della formazione degli archi naturali è il feedback negativo tra lo stress e il tasso di erosione superficiale. In altre parole, l'erosione naturale tende innanzitutto a rimuovere il materiale non sollecitato che è inefficiente in termini di trasferimento del carico. La ragione di tale comportamento è una ben nota legge dell'attrito a secco:maggiore è la particella di una roccia compressa tra i suoi vicini, più è difficile rimuoverlo.

"Questa semplice idea ha catturato la nostra attenzione. Non abbiamo potuto fare a meno di notare che metodi molto simili di ricerca di forme ottimali di strutture ingegneristiche sono stati ampiamente utilizzati nell'industria moderna. Questi metodi, nota come ottimizzazione strutturale evolutiva, si basano sulla successiva rimozione di materiale inefficiente. L'aspetto più sorprendente di questa somiglianza è il fatto che il criterio matematico per la rimozione del materiale utilizzato negli approcci di ottimizzazione ingegneristica è quasi esattamente quello che segue dalla fisica del processo di erosione, " ha detto il ricercatore Skoltech Igor Ostanin, l'autore principale dello studio.

Nel loro lavoro gli scienziati di Skoltech hanno proposto di considerare il fenomeno dell'erosione come il processo di ottimizzazione della forma. Hanno dimostrato che, a una serie di condizioni ragionevoli, l'erosione esegue l'ottimizzazione della forma del materiale in disgregazione, minimizzando localmente l'energia di deformazione elastica immagazzinata nella massa rocciosa. È stato inoltre dimostrato che durante il processo di formazione di una struttura stabile ed equilibrata, il tasso di erosione diminuisce drasticamente, poiché la struttura non contiene più materiale non teso e inefficiente. Perciò, le strutture inizialmente erose a velocità osservabili ad occhio nudo diventano stabili su scale temporali geologiche di migliaia, e anche milioni, di anni.

La formazione delle colonne, archi e altre morfologie esotiche è stato illustrato nella modellazione numerica, utilizzando il software per l'ottimizzazione della topologia, sviluppato in precedenza presso Skoltech. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Rapporti scientifici sulla natura .