###

 

Trenurile de mare viteză din Japonia (Shinkansen) aveau o problemă majoră la început: când ieșeau din tuneluri la 300 km/h, împingeau aerul cu o forță atât de mare încât produceau un „boom” sonic asurzitor, care deranja enorm de mult localnicii. Inginerul șef, Eiji Nakatsu, care era pasionat de păsări, a găsit soluția în natură. El a observat că pescărușul albastru se scufundă în apă după pește fără să facă niciun strop, datorită ciocului său lung și ascuțit. A reproiectat botul trenului copiind exact forma ciocului acestei păsări. Rezultatul a fost uluitor: trenul nu doar că a devenit silențios la ieșirea din tunel, dar a devenit și cu 10% mai rapid și cu 15% mai eficient energetic, un triumf al biomimetismului.

Fenomenul fizic care cauza zgomotul inițial este cunoscut sub numele de „efect de piston”. Când un tren cu botul bont intră într-un tunel la viteză mare, el comprimă aerul din fața sa, creând unde de presiune care se deplasează cu viteza sunetului spre ieșirea din tunel. Când trenul ajunge la capăt, aerul comprimat este eliberat brusc în atmosferă, generând o undă de șoc sonoră puternică, similară cu explozia unui dop de șampanie uriaș, care putea fi auzită pe o rază de câteva sute de metri.

Legislația japoneză privind poluarea fonică este extrem de strictă, interzicând zgomotele care depășesc 70 de decibeli în zonele rezidențiale. Deoarece rețeaua feroviară trece prin cartiere dens populate, reducerea vitezei nu era o opțiune viabilă economic, așa că inginerii trebuiau să schimbe fizica trenului. Nakatsu și echipa sa au înțeles că problema era tranziția bruscă a trenului dintr-un mediu cu rezistență mică (aer liber) într-un mediu cu rezistență mare (tunelul îngust), o problemă de dinamică a fluidelor.

Inspirația a venit din observarea pescărușului albastru (Kingfisher), o pasăre care trebuie să treacă dintr-un mediu cu rezistență mică (aer) într-unul cu rezistență mare (apă) fără a alerta prada prin stropi. Ciocul păsării are o formă de diamant în secțiune transversală și este foarte alungit, ceea ce îi permite să despice apa treptat, nu brusc. Aplicând această geometrie la tren, inginerii au creat un bot lung de 15 metri, care penetrează aerul din tunel progresiv, eliminând acumularea masivă de presiune din fața locomotivei.

Aceasta nu a fost singura inovație inspirată de păsări în designul seriei 500 Shinkansen. O altă sursă majoră de zgomot era pantograful, dispozitivul de pe acoperiș care colectează electricitatea de la firele de contact. La viteze mari, vântul care lovea pantograful crea turbulențe zgomotoase (vârtejuri aeroacustice). Pentru a rezolva acest lucru, Nakatsu s-a inspirat din penele bufnițelor, care zboară silențios noaptea. El a observat că penele lor au margini zimțate (serrații) care sparg turbulențele mari în micro-turbulențe mai mici și mai silențioase.

Aplicând principiul penelor de bufniță, inginerii au adăugat striații similare pe structura pantografului. Această modificare aparent minoră a redus semnificativ zgomotul aerodinamic generat de frecarea cu aerul. Astfel, trenul putea să mențină viteza maximă fără a încălca normele de poluare fonică impuse de guvern, demonstrând că soluțiile naturii sunt adesea superioare designului industrial clasic bazat pe linii drepte și suprafețe netede.

Mai mult, baza pantografului a fost modelată după forma corpului pinguinului Adélie. Pinguinii au o formă hidrodinamică perfectă care le permite să înoate cu o rezistență minimă la înaintare. Copiind curburile corpului pinguinului pentru pilonul de susținere al pantografului, echipa a reușit să reducă și mai mult rezistența la aer a trenului, contribuind la acea creștere de eficiență energetică de 15% menționată în rapoartele oficiale ale companiei feroviare West Japan Railway.

Trenul rezultat, Seria 500, a intrat în serviciu comercial în 1997 și a devenit imediat o icoană a tehnologiei moderne. Cu o viteză maximă de operare de 300 km/h (și recorduri de testare mult mai mari), a fost primul tren din lume care a depășit bariera vitezei comerciale terestre la acea vreme, oferind în același timp o călătorie lină și liniștită. Pasagerii abia simțeau intrarea în tuneluri, iar locuitorii din apropierea liniilor ferate nu mai erau deranjați de bubuiturile sonice.

Succesul acestui proiect a validat biomimetismul ca o disciplină esențială în inginerie. Până la acel moment, biologia și ingineria mecanică erau considerate domenii separate, dar munca lui Nakatsu a arătat că evoluția naturală a rezolvat deja probleme de aerodinamică și eficiență pe parcursul a milioane de ani de „cercetare și dezvoltare”. Astăzi, principiile biomimetice sunt folosite peste tot, de la palele turbinelor eoliene inspirate de aripioarele balenelor, până la vopseaua care respinge murdăria inspirată de frunza de lotus.

Deși Seria 500 a fost retrasă treptat de pe liniile principale în favoarea unor modele mai noi (precum N700), moștenirea sa rămâne intactă. Generațiile actuale de Shinkansen păstrează forma alungită a botului („duck-bill” sau cioc de rață) pentru a gestiona presiunea aerului, o dovadă clară că lecția învățată de la pescărușul albastru este încă standardul de aur în transportul feroviar de mare viteză.