Kako su tvorci Shinkansenovog brzog vlaka pronašli rješenja svojih problema u izgledu ptica

U doba kada su se vlakovi počeli mijenjati s autima i zrakoplovima, na tržište se 1964. pojavljuju Shinkansenovi brzi vlakovi. Iznimno ambiciozan projekt nekad opisan kao smiješan, “vrhunac ludosti” i „japanski kineski zid“ je zadivio cijeli svijet, jer su auti u vožnji pored njega izgledali kao da stoje na mjestu, a u prve tri godine je prevezao preko 100 milijuna putnika. Kombinacija brzine i čestog voznog reda je prvu brzu željeznicu učinila iznimno profitabilnom.

Ako vjerujemo stereotipovima onda znamo da su Japanci praktičan narod. Uz promjene koje su napravili u prometu; produžili, adaptirali i povećali broj željeznica, pronašli prikladniji materijal za izgradnju željezničkih pruga kako bi smanjili buku i vibracije, eliminirali prelaze preko tračnica gradnjom mostove i ugradili automatsku kontrolu vlaka s kojim je vlak primao upute za potrebnu brzinu kretanja prema poziciji vlaka; napravili su promjene i u početnom dizajnu vlaka.

Raniji modeli vlaka bili su okrugliji, s kockastijim prednjim dijelom i glasniji… puno glasniji. Ukratko imali su nekoliko problema koji su se trebali riješiti. Rješenja svih problema je pronašao Eiji Nakatsu u aerodinamičnim značajkama triju vrsta ptica – nazubljenim krilima sove, zaobljenim trbuhom adelijskog pingvina i šiljastim kljunom riječnog vodomara. Vlak s novim dizajnom je nazvan serija 500.

Eiji Nakatsu bio je inženjer i direktor odjela za razvoj brzih vlakova. Shvatio je da rješenje tehničkih problema vlaka može riješiti proučavanjem leta ptica nakon prisustvovanja predavanju o pticama avijatičarskog inženjera.

Pantograf inspiriran krilima sove

Prvi problem je bila buka koju je stvarao pantograf vlaka. Pantograf je uređaj smješten na krovu elektromotornog vozila i služi za priključak na zračni električni vod. Zrak koji je strujio nosačem u mehanizmu formirao se u takozvanu Karmanovu vrtložnu stazu, a ta je turbulencija uzrokovala veliku buku. Karmanova vrtložna staza nastaje u određenom rasponu brzina strujanja zraka kada poprečno na dugačko cilindrično tijelo struji zrak, te u njegovoj zavjetrini nastaju vrtlozi.

Nakatsua su zaintrigirala pera krila sove čiji oblik prigušuju buku. Zakrivljena pera krila sove stvaraju češljasti niz rezova u zraku prednjim rubom perja unutarnjeg dijela krila. Pera na taj način razbijaju zrak koji struji preko površine krila u mikro-turbulencije, i time prigušuje zvuk koji se tipično javlja u krilima bez ove značajke. Novi pantograf inspiriran krilom sove zamijenio je stari pantograf čime se brzina vlaka povećala do 320 km/h i buka smanjila na manje od 70 dBa.

Potporna osovina pantografa inspirirana trbuhom pingvina

Potporna osovina pantografa je redizajnirana kako bi pružila manji otpor vjetru. Nova potporna osovina je inspirirana adelijskim pingvinom, čije zaobljeno, glatko tijelo mu dopušta da pliva i klizi bez truda.

Problem zvučnog udara riješen kljunom riječnog vodomara

Problem zvučnog udara bio je mnogo složeniji od buke pantografa. Zvučni udar je nastajao svaki put kada je vlak izlazio iz tunela. Prilikom ulaska vlaka u tunel stvarali su se valovi atmosferskog tlaka koji su brzinom zvuka dopirali do izlaza tunela. Zrak je izlazio u valovima niske frekvencije (ispod 20 Hz) koji su stvarali glasni prasak i aerodinamičke vibracije. Ovaj je problem bio posebno problematičan jer je bio povezan a geometrijom tunela, brzinom i oblikom vlaka. Ključ je bio u sprječavanju nakupljanja valnog tlaka smanjenjem površine prednjeg dijela vlaka i redizajniranjem nosa. Junior inženjer je primijetio da se zidovi vlaka sužavaju dok prolazi kroz tunel i pretpostavio da to treba biti zbog iznenadne promjene otpora zraka. Nakatsu se sjetio riječnog vodomara, ptice koja pri velikoj brzini zaranja iz zraka u vodu bez većeg prskanja. Zaključio je da je oblik njegovog kljuna omogućio ptici da se tako čisto ulijeće u vodu. Novi dizajn sličan obliku metka je smanjenjem površine prednjeg dijela smanjio zvuk zvučnog udara, omogućio kretanje u većim brzinama i stanjio potrošnju električne energije.

Biomimikrija

Način ovakvog dizajnirana se zove biomimikrija, te moguće ju je primijeniti na dizajn više manje svega. Biomimikrija je nova grana znanosti koja se bavi proučavanjem prirodnih rješenja za određene probleme. To može biti dizajn u prirodi, oblici, materijali, čak i postupci koji se onda oponašaju i koriste u rješavanju različitih problema u drugim granama znanosti.

Ova priča nam je lekcija da smo svi novaci kada je funkcioniranje svijeta u pitanju. Nužno je da promijenimo svoj pogled na prirodu i dizajn tražimo u prirodi u svrhu stvaranja efikasnijeg i estetski prihvatljivijeg svijeta. Možda bi trebali početi uključivati biologe i druge stručnjake u gradnju građevina i omogućiti im da rješavaju probleme imitirajući prirodu. Mogućnosti su beskonačne i ne postoji problem koji priroda nije riješila milijunima godina ranije. Niže prilažemo zanimljiv znanstveni rad upravo o ovoj temi.