Niektóre z najbardziej oszałamiających atutów konstrukcyjnych nie są budowane przez architektów ani rzeźbione przez artystów. Od Bryce Canyon po Łabskie Góry Piaskowcowe w Europie Środkowej łuki z piaskowca, wnęki i filary na całym świecie wyglądają uderzająco podobnie do tych samych elementów architektury stworzonej przez człowieka. Jak więc natura to robi?
powiązana zawartość
- Jakie są sposoby, by ziemia mogła zniknąć pod twoimi stopami?
Badanie opublikowane wczoraj w Nature Geosciences sugeruje, że za tymi naturalnymi cudami kryje się cykl zwrotny stresu i erozji.
Według zespołu naukowców z Republiki Czeskiej erozja stopniowo usuwa ziarna piasku, kładąc ciężar skały na pozostałych ziarnach i powodując ich ściślejsze zazębianie. Gdy ziarna są usuwane ze skały, ciężar przesuwa się nierównomiernie, a ziarna w obszarach o większym ciężarze lub obciążeniu grawitacyjnym są trudniejsze do erodowania - pozostawiając za sobą łuki, wnęki i filary dla ludzkich turystów.
Naukowcy po raz pierwszy zaczęli opisywać i klasyfikować te naturalne cechy architektoniczne ponad 150 lat temu, ale nawet teorie współczesnych naukowców o tym, jak tworzą się łuki i filary z piaskowca, bardzo się różnią. Na przykład niektórzy geolodzy przypisują łuki na płaskowyżu Kolorado podcięciu podstawy skały, podczas gdy inni uważają, że spowodowały je pęknięcia w skale.
Podobnie, niektórzy naukowcy twierdzą, że erozja strumieniowa rzeźbiła filary jaskini w jaskiniach wenezuelskich, podczas gdy inni wskazują, że erozja zmywa wszystko oprócz ziaren, które zlepiły się po namoczeniu w palcach płynu, który przedostał się do miękkich skał. Większość wyjaśnień opiera się na obserwacjach terenowych i badaniach próbek skał pod mikroskopem, a teorie różnią się w zależności od lokalizacji. Nikt nie wymyślił mechanizmu leżącego u podstaw każdego scenariusza.
Delikatny łuk oglądany od tyłu o zachodzie słońca, Arches National Park, Utah, USA. (Zdjęcie: Michael Atman) 
Podwójne O Arch przed burzą w Devil's Garden, Arches National Park, Utah, USA. (Zdjęcie: Michael Atman) 
Łuk Pravcicka Brana, kultowy przykład architektury piaskowcowej w Parku Narodowym Czeskiej Szwajcarii, Czechy. (Zdjęcie: Vaclav Sojka) 
Delicate Arch, Arches National Park, Utah, USA. (Zdjęcie: Jaroslav Soukup) 
Filary jaskini w systemie jaskiń Cueva Colibri systemu Charlesa Brewera w Wenezueli. (Zdjęcie: Libor Lanik) Czeski zespół chciał przyjąć inne podejście. Podczas prac w terenie w kamieniołomie Strelec w czeskim basenie kredowym zauważyli, że małe łuki i filary - najwyżej około 2 stóp wysokości - uformowały się z piaskowca w ciągu zaledwie miesięcy lub lat, a nie w skali tysiąclecia związanej z dużą architekturą geologiczną .
„Było jasne, że odpowiedzialne za nie procesy działały obecnie w kamieniołomie, a zatem procesy te można potencjalnie odizolować i wyjaśnić”, mówi Jiri Bruthans, geolog z Uniwersytetu Karola w Pradze i współautor badań.
Dlaczego nie spróbować wykonać tych form terenu w laboratorium? Bruthans i jego koledzy zaczęli od obserwacji, jak piaskowiec zachowuje się pod wpływem stresu. Wycinali kostki piaskowca z kamieniołomu Strelec, zanurzali je w wodzie i przykładali siłę pionową na szczyt sześcianu, aby symulować naprężenia, jakie odczuwają ziarna piasku w kamieniu ze skał nad nimi.
Bez naprężeń pionowych kostki stopniowo rozpadały się na pojedyncze ziarna. Natomiast pod rosnącym naprężeniem pionowym sześcian stopniowo marnował się w filar w kształcie klepsydry. Przekonaj się na wideo stworzonym przez autorów jako uzupełnienie ich pracy:
Krytycznie, piaskowiec ze Strelec nie zawiera cementujących minerałów, które pomagają wiązać ze sobą cząsteczki piasku. Zamiast tego autorzy odkryli, że naprężenie na piaskowiec powoduje, że minerały blokują się i utrzymują skałę razem.
Czeski zespół opracował mechanizm wyjaśniający powstawanie filarów, a modelowanie numeryczne potwierdziło ich podejrzenia. Zasadniczo ładunek w bloku piaskowca jest przenoszony nierównomiernie, przy czym niektóre ziarna piaskowca przenoszą większą wagę niż inne. Woda może łatwo przedostać się do porów skały - przestrzeni między ziarnami - i erozji kawałków piasku, ale ziarna, które przenoszą więcej ładunku, trudniej jest wyciągnąć.
Pomyśl o tym jak o suchej ścianie z cegły. „Łatwo jest wyciągać cegłę ze szczytu ściany, ale trudno jest wyciągać cegłę z dołu, gdy jest załadowana”, mówi Bruthans. Gdy woda zrzuca ziarenka piasku, coraz mniej ziaren przenosi większe obciążenie, a naprężenia między ziarnami rosną, wiążąc je ściślej ze sobą i czyniąc je bardziej odpornymi na erozję.
Niektóre piaskowce zawierają jednak środki cementujące. Naukowcy pobrali próbki cementowanego piaskowca z Czech, Wenezueli i Stanów Zjednoczonych. Wystawienie tych cementowanych kostek na działanie soli i mrozy spowodowało również powstanie słupów klepsydry po zważeniu, a rozładowane kostki rozpadły się czterokrotnie szybciej. Materiały cementujące rozpuszczają się w wyniku erozji, w związku z czym cementowane kostki podlegają tym samym siłom naprężenia podczas gry w kostkach niecementowanych.
Oczywiście erozja może również przybierać różne formy. Naukowcy przeprowadzili symulację opadów deszczu i płynącej wody w laboratorium, aby sprawdzić, czy może to mieć inny efekt. We wszystkich przypadkach załadowane kostki były bardziej odporne na erozję niż rozładowane, co wskazuje, że kluczowym czynnikiem było naprężenie.
Naukowcy stworzyli „łukowate okno skalne”, wiążąc piaskowiec plastikowym cylindrem i wycinając w skale sztuczne „pęknięcia”. Zanurzenie w wodzie spowodowało szybkie ukształtowanie w stosunkowo stabilny kształt pierścienia. (Zdjęcia: Michał Filppi) Poza filarami naukowcy próbowali również wykonać łuki i wnęki w laboratorium. Odkryli, że kształt, jaki tworzy skała, zależy od geometrii początkowej odsłoniętej bryły piaskowca. Kostki z małymi, środkowymi poziomymi pęknięciami wytwarzały łuki. Częściowe poziome nacięcia w kostkę tworzyły wnęki. I pionowe pęknięcia wydają się pomagać w tworzeniu pionowych kolumn lub filarów. Różne procesy erozji mogą również dać ten sam kształt, jeśli zaczynają się od podobnych skał.
Wolnostojący łuk został stworzony w laboratorium przez częściowe zanurzenie obciążonego bloku piaskowca z małym otworem w pobliżu podstawy. Z czasem otwór poszerzył się i przeniknął blok piaskowca, tworząc łuk. (Zdjęcie: Marek Janáč, Vesmir.cz) Biorąc to pod uwagę, autorzy wzywają do bardziej szczegółowego wyjaśnienia, w jaki sposób łuki i filary tworzą się z piaskowca. „Nie powinniśmy powiedzieć, że erozja lub wietrzenie wyrzeźbiło formy, ponieważ to pole naprężeń nadaje kształtom formy. Procesy erozji są jedynie narzędziami kontrolowanymi przez stres ”, wyjaśnia Bruthans.
To, że tak prosty mechanizm może tworzyć tak piękne struktury, kontrastuje z naszym ludzkim spojrzeniem na to, co dzieje się w sztuce lub architekturze, co jest przyjemne estetycznie. „Aby stworzyć idealne kształty, nie potrzebujesz inteligencji ani planowania”, mówi Bruthans. W rzeczywistości „odwrotnie jest w przypadku natury. Najdoskonalsze rzeczy powstają dzięki prostym mechanizmom. ”
