Luonnolliset kaaret ja sillat, pylväät, holvit ja muut eksoottiset hiekkakivimuodostelmat kiehtovat poikkeuksellisella muodollaan ja täysin käsittämättömällä vakaudellaan. Ne ovat aina olleet yllätyksen ja uteliaisuuden lähde monille tutkijoiden sukupolville, ja tavalliset ihmiset ovat joskus ottaneet nämä patsaat muinaisten sivilisaatioiden tai jopa ulkomaalaisten "tervehdyksiksi". Yleensä oli selvää, että heidän pääarkkitehdinsa olivat tuuli, vesi ja aurinko, mutta viime aikoihin asti syy heidän ei-triviaaliin muotoonsa pysyi mysteerinä.
Ensimmäisen vankan kokeellisen ja teoreettisen tutkimuksen luonnonkaarien muodostumisen taustalla olevista eroosiomekanismeista tekivät kolme vuotta sitten Prahan Kaarle-yliopiston matemaatikot. He havaitsivat, että muodot syntyvät ainutlaatuisesta hiekanjyvien itseorganisoitumisprosessista hiekkakivikerroksissa. Tutkijat olettivat, että luonnollinen eroosio poistaa pääasiassa rasittamattoman materiaalin, mikä on "tehotonta" kuormituksen jakautumisen kannalta. Syy tälle käyttäytymiselle on kuivan kitkan laissa - mitä vahvempia vierekkäiset materiaalikerrokset puristavat materiaalihiukkaset, sitä vaikeampi on erottaa niitä.
Skoltechin tutkijat kiehtoivat Prahan kollegoidensa ajatus, ja he jatkoivat tutkimusta tällaisten rakenteiden muodostumismekanismeista. He päättivät tarkastella eroosiota ilmiönä muodon optimointiprosessina (muodon optimointia käytetään nykyään laajalti modernissa teollisuudessa, kun insinöörit ja arkkitehdit parantavat pystyttämiensä rakenteiden muotoa ja rakennetta, jossa tarvitaan sekä lujuutta että alhaista painoa samanaikaisesti). Ja sitten ideansa testaamiseksi tutkijat loivat matemaattisen ohjelman, joka kuvaa tuulen eroosioprosessin, ja rakensivat sen avulla kaaren käyttämällä hiekkakivikerroksen tietokonemallia. Hiekkakivimalli koostui monista melkein toisiinsa liittymättömistä kuutioista, jotka vaikuttavat naapureihin tietyllä voimalla. Jos tämä voima ylitti tietyn arvon, tuuli ei voinut siirtää "kuutiota" paikaltaan,muuten se katosi säiliöstä tietyn ajan kuluttua, RIA Novosti kertoo.
Kokeilemalla tätä mallia venäläiset tutkijat vahvistivat tšekkiläisten kollegoidensa ajatuksen ja paljastivat useita fyysisiä periaatteita, jotka selittävät kuinka pylväät ja kaaret syntyvät. Yleisimmässä muodossaan he osoittivat, että tuulella on eräänlainen "tietokone", joka yrittää muotoilla hiekkakivikerroksen sellaiseen muotoon, että sen sisällä kerääntyy vähimmäismäärä elastista muodonmuutosenergiaa, poistamalla vähitellen ja vahingossa heikoimmat elementit rakenteesta.
Aluksi tämä prosessi etenee nopeasti, mutta useiden satojen vuosien jälkeen, kun pylvään tai kaaren muoto on jo lähestymässä ideaalia, eroosiota hidastuu jyrkästi, koska melkein kaikki "kuutiot" alkavat tarttua toisiinsa suurella voimalla. Tämän ansiosta todellisia vuoristokaaria ja pylväitä voi olla miljoonien vuosien ajan melkein koskemattomana.
Tällaiset johtopäätökset ovat tärkeitä paitsi insinööreille ja geologeille, myös ihmisille, jotka etsivät maapallon ulkopuolisen elämän jälkiä. Kuten venäläiset matemaatikot painottavat, sellaisia rakenteita, jotka voidaan esimerkiksi löytää Marsista, ei periaatteessa voida pitää maapallon ulkopuolisten sivilisaatioiden jälkeinä.