科学家解释侵蚀过程如何形成不寻常的形状和结构

斯科尔科沃科学技术研究所的科学家通过数学模型确定，侵蚀过程优化了崩解材料的形状。自然风和水的侵蚀往往会创造出壮观的地貌，如天然拱门和桥梁、平衡的柱子和圆顶。犹他州的国家公园是这些美丽建筑的真实展示。而且这种现象可能不仅限于地球表面;最近的证据表明，类似的地貌在火星上也很常见。自然拱门的美感、稳定性和工程精度一直激发着地质学家和建筑师的惊奇和好奇心——自然倾向于形成所谓的“悬链线”拱门，这是可能的独立拱门中最稳定的。

关于这种结构形成机制的问题长期以来一直没有答案。关于随机侵蚀过程如何能够雕刻出悬链线拱这样非平凡的形状，缺乏令人信服的解释，这在火星和其他行星的地貌背景下引起了特别的兴趣，有时会激发对外星文明建筑的幻想推测。

Skoltech 研究人员的灵感来自最近的一项研究，其中来自布拉格查尔斯大学的科学家认为，自然拱门形成背后的机制是应力与表面侵蚀速率之间的负反馈。换句话说，自然侵蚀往往首先去除在载荷传递方面效率低下的无应力材料。这种行为的原因是众所周知的干摩擦定律——在相邻岩石之间压缩的岩石颗粒越大，就越难去除它。

“这个简单的想法引起了我们的注意。我们不禁注意到，在现代工业中广泛使用了非常相似的寻找工程结构最佳形状的方法。这些被称为进化结构优化的方法是基于随后去除低效的材料。这种相似之处最引人注目的方面是工程优化方法中使用的材料去除数学标准几乎完全符合侵蚀过程的物理学，“该研究的负责人 Skoltech 研究科学家 Igor Ostanin 说。作者。

Skoltech 科学家在他们的工作中建议将侵蚀现象视为形状优化的过程。他们证明，在一组合理的条件下，侵蚀执行崩解材料的形状优化，局部最小化储存在岩石体积中的弹性应变能。还表明，在形成稳定且平衡良好的结构的过程中，侵蚀率急剧下降，因为该结构不再包含任何无应变和低效的材料。因此，最初以肉眼可见的速度侵蚀的结构在数千甚至数百万年的地质时间尺度上变得稳定。

使用早先在 Skoltech 开发的拓扑优化软件，在数值建模中说明了柱子、拱门和其他奇异形态的形成。研究结果已发表在《自然科学报告》上。

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