观鸟带来的灵感
津云新闻
原标题:观鸟带来的灵感
1989年,日本新干线列车遇到了问题。新干线的车速很快,然而列车行驶时的噪音也相当大,轨道附近的居民苦不堪言。为了解决这一难题,西日本铁路公司特别请来一个工程团队对新干线列车进行设计改进,希望在保证列车运行高速快捷的前提下,尽可能地降低噪音污染,使新干线列车符合环保标准。
该团队技术开发部门的总经理中津英治是一个观鸟爱好者。令人称奇的是,他在业余时间的观鸟体验为这次新干线的升级改造带来了关键的设计灵感。
在分析新干线噪音的形成原因时,中津英治发现,最大的噪音来源是列车驶出隧道时产生的音爆效应。巨大的轰鸣声连400米外的居民都能听到。这是因为,火车在经过狭窄的隧道时,总是在不断推挤前面的空气,在火车前方形成了一堵“风墙”。这相当于在车头处强行施加了大气压波,当列车离开隧道时,便产生了声波。中津英治认为,新干线的车头形状是造成音爆的主要原因。当时的新干线列车被称为“子弹头”,前部钝圆且相对较短,从开放的空间驶入封闭的隧道时,车头周围的空气阻力会突然发生改变。于是,他开始思考能否在自然界寻求解决方案,也就是说,是否有一种生物在演化过程中完美适应了这种类似的空气阻力骤变?
以往观察鸟类的经历,让中津英治想起了翠鸟。翠鸟的捕食方式极其高效。它在池塘边的矮枝上盯着水中鱼儿的走向,一旦锁定猎物便快速俯冲入水,整个过程只有短短几秒钟。在这一短暂的过程中,翠鸟从一种流体(空气)高速冲进另一种密度为800倍的流体(水),几乎没有溅起水花。中津英治推测,正是喙的形状使翠鸟能如此干净利落地“切入”水中。翠鸟的喙呈流线状,从喙尖开始,直径逐渐增大,顺畅衔接至头骨。这种形状能将水轻松推向障碍物,而不是向前挤压,这恰恰是工程师想要在新干线上做出的改进——将空气推向障碍物,而不是向前压缩。
于是,中津英治带领团队进行了大量模拟实验,最终确定了酷似翠鸟喙的车头设计,攻克了列车降噪的技术难题。西日本铁路公司制造出了新干线500系列列车,并于1997年投入使用。实践证明,这种列车的噪音水平有了显著下降,而且车速比原有设计提升了10%,同时电力消耗降低了15%。
此次新干线的降噪改良设计不仅借鉴了翠鸟的喙,猫头鹰和企鹅对工作人员也有启发。在中津英治团队重新设计的火车中,车体连接上方电线的受电弓装置也比以前安静了许多,其改进灵感来源于猫头鹰的初级飞羽,这些曲率恰到好处且边缘如同梳齿的羽毛,能够将掠过翅膀的空气分解成无数微小的气流,让猫头鹰在夜间能悄无声息地飞行捕食;钻机支架的形态则借鉴了能让企鹅在水中畅游无阻的纺锤形身体,从而降低了钻机支架的风阻,减少了噪声。
图为翠鸟。