Ученые Центра Сколтеха по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных совместно со специалистами Центра проектирования, производственных методов и материалов продемонстрировали математическое моделирование эрозии. Исследование раскрывает, как разрушительный процесс формирует оптимальные формы геоматериалов, объясняя одно из удивительных природных явлений.
Речные потоки и ветра создают поразительные геологические объекты: естественные мосты, арки, идеально сбалансированные колонны и своды. Уникальные примеры таких форм встречаются в парках Юты, а недавние данные указывают на их возможное присутствие на Марсе. Эстетика и феноменальная устойчивость природных арок "катенарного" типа, обладающих максимальной прочностью, десятилетиями очаровывали исследователей. Эти естественные шедевры вдохновили человеческие сооружения, включая монумент "Ворота Запада" в Миссури.
Механизм создания подобных структур долго оставался научной загадкой. Необъяснимая способность хаотичной эрозии формировать сложнейшие стойкие конструкции порождала фантастические теории, включая предположения об инженерных сооружениях внеземных цивилизаций при изучении Марса и иных планет.
Исследовательскую группу Сколтеха вдохновили разработки Карлова университета. Чешские ученые предположили: ключ к образованию арок — отрицательная связь между напряжением материала и скоростью его эрозии. Природное разрушение преимущественно воздействует на "неэффективный", ненапряженный материал, не участвующий в распределении нагрузки. Этот принцип основан на законе сухого трения: чем сильнее сжаты частицы породы, тем сложнее их отделить.
Установлено поразительное сходство: методы поиска оптимальных форм в современных инженерных системах почти идентичны природному алгоритму эрозии. Оба процесса следуют принципам эволюционной структурной оптимизации, целенаправленно удаляя малонагруженные элементы.
Сколтеховский подход трактует эрозию как процесс оптимизации формы. Моделирование показало: эрозия минимизирует энергию упругой деформации в материале. Формирование сбалансированной конструкции резко замедляет разрушение, так как устраняются легко эродируемые участки. Это объясняет, почему образовавшиеся арки сохраняют стабильность миллионы лет.
Программное обеспечение для топологической оптимизации, разработанное в Сколтехе, визуализировало процесс создания колонн, арок и других редких геоморфологий в ходе численного эксперимента.
Источник: scientificrussia.ru
