Alcune delle imprese strutturali più sbalorditive non sono costruite da architetti o scolpite da artisti. Dal Bryce Canyon alle montagne di arenaria dell'Elba dell'Europa centrale, gli archi di arenaria, le nicchie e i pilastri di tutto il mondo sembrano sorprendentemente simili alle stesse caratteristiche dell'architettura artificiale. Quindi, come fa la natura?
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Uno studio pubblicato ieri su Nature Geosciences suggerisce che un ciclo di feedback di stress ed erosione potrebbe essere alla base di queste meraviglie naturali.
Secondo un team di ricercatori della Repubblica Ceca, l'erosione rimuove gradualmente i granelli di sabbia, posizionando il peso della roccia sul resto dei granuli e causandone un più stretto incastro. Man mano che i grani vengono strappati dalla roccia, il peso si sposta in modo non uniforme e i grani in aree che hanno più peso o stress gravitazionale sono più difficili da erodere, lasciando dietro di sé archi, nicchie e pilastri che i turisti umani possono ammirare.
Gli scienziati hanno iniziato a descrivere e classificare queste caratteristiche architettoniche naturali più di 150 anni fa, ma anche le teorie degli scienziati moderni su come gli archi e i pilastri in arenaria si differenziano un po '. Ad esempio, alcuni geologi attribuiscono archi sull'altopiano del Colorado a intaccare la base della roccia, mentre altri pensano che le fratture nella roccia le abbiano prodotte.
Allo stesso modo, alcuni scienziati sostengono che l'erosione del flusso scolpì i pilastri delle caverne nelle grotte venezuelane, mentre altri indicano l'erosione che lava via tutto, tranne i grani che si sono cementati insieme dopo essere stati immersi in dita di fluido che filtravano nelle rocce molli. La maggior parte delle spiegazioni si basano su osservazioni sul campo e studi di campioni di roccia al microscopio e le teorie variano da una località all'altra. Nessuno aveva escogitato un meccanismo sottostante che si adattava generalmente a ogni scenario.
Arco delicato osservato da dietro al tramonto, Arches National Park, Utah, USA (Foto: Michael Atman) 
Double O Arch prima di una tempesta nel Devil's Garden, Arches National Park, Utah, USA. (Foto: Michael Atman) 
Pravcicka Brana Arch, un esempio emblematico di architettura in arenaria nel Parco Nazionale della Svizzera Boema, Repubblica Ceca. (Foto: Vaclav Sojka) 
Delicate Arch, Arches National Park, Utah, USA. (Foto: Jaroslav Soukup) 
Pilastri delle caverne nella Cueva Colibri del sistema di caverne Charles Brewer in Venezuela. (Foto: Libor Lanik) Il team ceco voleva adottare un approccio diverso. Mentre svolgevano attività sul campo nella cava di Strelec nel bacino del Cretaceo Boemo, notarono che piccoli archi e pilastri - alti solo circa un metro e mezzo - si formavano dall'arenaria per soli mesi o anni, piuttosto che le scale temporali millenarie associate alla grande architettura geologica .
"Era chiaro che i processi responsabili per loro stavano funzionando attualmente nella cava e quindi i processi possono essere potenzialmente isolati e spiegati", afferma Jiri Bruthans, geologo alla Charles University di Praga e coautore dello studio.
Perché non provare a realizzare queste landform in laboratorio? Bruthans e i suoi colleghi hanno iniziato osservando come l'arenaria si comporta sotto stress. Hanno tagliato i cubi di arenaria dalla cava di Strelec, li hanno immersi in acqua e hanno applicato una forza verticale sulla parte superiore del cubo per simulare lo stress che i granelli di sabbia nella pietra avvertono dalle rocce sopra di loro.
Senza stress verticale, i cubi si sono gradualmente disintegrati in singoli grani. Al contrario, sotto un crescente stress verticale, il cubo si è progressivamente sprecato in un pilastro a forma di clessidra. Guarda tu stesso nel video creato dagli autori per integrare il loro articolo:
Criticamente, l'arenaria di Strelec non contiene minerali cementizi che aiutano a legare insieme le particelle di sabbia. Invece, gli autori hanno scoperto che lo stress esercitato sull'arenaria fa sì che i minerali si incastrino e mantengano insieme la roccia.
La squadra ceca ha escogitato un meccanismo per spiegare la formazione del pilastro e la modellazione numerica ha confermato i suoi sospetti. Fondamentalmente, il carico all'interno del blocco di arenaria viene trasportato in modo non uniforme, con alcuni grani di arenaria che trasportano più peso di altri. L'acqua può penetrare facilmente nei pori della roccia - lo spazio tra i grani - ed erodere frammenti di sabbia, ma i grani che trasportano più carico sono più difficili da estrarre.
Pensalo come un muro di mattoni a secco. "È facile estrarre il mattone dalla cima del muro ma è difficile estrarre il mattone dal basso, poiché viene caricato", afferma Bruthans. Mentre l'acqua estrae granelli di sabbia, sempre meno granelli trasportano più carico e lo stress tra i granelli aumenta, legandoli più strettamente insieme e rendendoli più resistenti all'erosione.
Parte dell'arenaria contiene agenti cementanti. Quindi, i ricercatori hanno prelevato campioni di arenaria cementata dalla Repubblica Ceca, dal Venezuela e dagli Stati Uniti. L'esposizione di questi cubi cementati agli agenti atmosferici del sale e del gelo produceva anche pilastri a clessidra quando pesati e cubi scaricati scaricati si disintegravano quattro volte più velocemente. I materiali di cementazione si dissolvono con l'erosione e quindi i cubi cementati sono soggetti alle stesse forze di sollecitazione in gioco nei cubi non cementati.
Ovviamente, l'erosione può presentarsi anche in forme diverse. Quindi, i ricercatori hanno simulato la pioggia e l'acqua corrente in laboratorio per vedere se potrebbe avere un effetto diverso. In tutti i casi, i cubi caricati erano più resistenti all'erosione rispetto ai cubi scaricati, dimostrando che lo stress era il fattore chiave.
I ricercatori hanno creato una "finestra di roccia ad arco", legando l'arenaria con un cilindro di plastica e tagliando "fratture" artificiali nella roccia. L'immersione in acqua ha provocato una rapida modellatura in una forma ad anello relativamente stabile. (Foto: Michal Filppi) Oltre ai pilastri, i ricercatori hanno anche cercato di realizzare archi e nicchie in laboratorio. Hanno scoperto che la forma che la roccia forma dipende dalla geometria del pezzo iniziale di arenaria esposto. I cubi con piccole fessure orizzontali centrali producevano archi. I tagli orizzontali parziali nei cubi producevano nicchie. E le crepe verticali sembrano aiutare a creare colonne o pilastri verticali. Inoltre, diversi processi di erosione possono produrre la stessa forma, se iniziano con rocce simili.
Nel laboratorio è stato creato un arco autoportante per immersione parziale del blocco di arenaria caricato con una piccola apertura vicino alla base. Nel tempo, l'apertura si è allargata e ha penetrato il blocco di arenaria, creando un arco. (Foto: Marek Janáč, Vesmir.cz) Detto questo, gli autori chiedono una spiegazione più sfumata su come si formano archi e pilastri in arenaria. “Non dovremmo dire che l'erosione o gli agenti atmosferici hanno scolpito le forme, poiché è stato il campo di stress a dare forma alle forme. I processi di erosione sono semplici strumenti controllati dallo stress ", spiega Bruthans.
Il fatto che un meccanismo così semplice possa creare strutture così belle contrasta con la nostra visione umana di ciò che va nell'arte o nell'architettura che è esteticamente piacevole. "Per creare forme perfette non hai bisogno di intelligenza o pianificazione", afferma Bruthans. In effetti, “è vero il contrario per la natura. Le cose più perfette sono fatte da semplici meccanismi. "
