Een lange neus naar de tunnelknal


Foto: Adri de Groot

(Extra materiaal behorende bij de QR code uit de krant na de columntekst)

De Japanse hogesnelheidstrein Shinkansen behoort met een vaart van 320 kilometer per uur tot de snelste treinen ter wereld. De 0-serie werd in 1964 in bedrijf genomen en kreeg de bijnaam bullet train. Dit vanwege de op een kogel lijkende snelheid én stompe voorkant. Het spoorwegnet in Japan was echter niet geschikt voor deze snelheidsduivel. Het bestaat uit smalspoor en slingert behoorlijk door het bergachtige land. Niet alleen had de Shinkansen een breder spoor nodig, een door de bochten scheurende trein zou passagiers ook misselijk maken.

Speciaal voor de Shinkansen is daarom naast het bestaande spoornet een geheel nieuwe baan aangelegd met brede rails in zo recht mogelijke lijnen. Dat betekent ook dat het spoor niet om bergen heen, maar er dwars doorheen gaat. Vanwege de vele bergen bestaan sommige trajecten voor de helft uit tunnels en dat leverde een onverwacht en onwelkom verschijnsel op: de tunnelknal of tunnel boom.

Elke trein creëert een drukgolf voor zich uit, vergelijkbaar met de boeggolf van een schip. Hoe sneller de trein, hoe meer hij de lucht in elkaar drukt. Zolang dat in open terrein gebeurt, is er niets aan de hand. Maar komt de trein in een tunnel dan kan de samengeperste lucht bijna nergens heen. Ze raast voor de trein uit, bereikt de geluidsnelheid en knalt letterlijk de tunnel uit. Omwonenden horen de trein dus voordat ze hem zien. Het geluid is vergelijkbaar met de knal die een straaljager veroorzaakt wanneer hij door de geluidsbarrière breekt.

De Shinkansen-ingenieurs deden verwoede pogingen om het luidruchtige probleem op te lossen, maar kwamen er niet goed uit. Natuurkundig gezien is het verschijnsel te beschrijven als de overgang van een voorwerp (de trein) in een omgeving met lage weerstand (gewone lucht) naar een omgeving met hoge weerstand (samengeperste lucht). Eén van de ingenieurs was een fervent vogelaar en dacht op een gegeven moment: heb ik dat niet al eens eerder gezien? Na enig graven in zijn geheugen kwam hij met de ijsvogel op de proppen. Deze vogel heeft een vergelijkbaar probleem als hij vanuit de lucht (lage weerstand) het water (hoge weerstand) in duikt om een visje te verschalken. In tegenstelling tot veel andere dieren doet de ijsvogel dit heel vloeiend en zonder opspattend water.

De ingenieur maakte het team enthousiast om dit natuurlijke voorbeeld nader te beschouwen. Eén van de conclusies was dat de stompe vorm van de trein de lucht opdrukt, terwijl de lange gestroomlijnde snavel van de ijsvogel als het ware door lucht en water heen snijdt. Alles glijdt langs de bek in plaats van vooruit geduwd te worden. Ook experimenten en computersimulaties toonden aan dat de vorm van de ijsvogelsnavel een goede oplossing biedt.

De stompe ‘kogelneus’ is vervangen door een ‘ijsvogelneus’ van maar liefst 15 meter lang. En daarmee is niet alleen de tunnelknal opgelost. Als gratis neveneffect zorgt de nieuwe aerodynamische voorkant ook nog eens voor 10 procent meer snelheid en 15 procent minder energieverbruik. Bovendien beoordelen de passagiers de treinreis als veel comfortabeler. De voorheen duidelijk voelbare drukverschillen bij het inrijden van een tunnel zijn met het stukje ‘plastische chirurgie’ aanzienlijk gereduceerd.

Ook leuk om te weten naar aanleiding van de column:

De naam Shinkansen betekent letterlijk ‘nieuwe (stam)lijn’ en slaat op de spoorlijn en niet op de trein zelf. Die heet officieel Super Express. De spoorwegdienst staat er om bekend erg punctueel te zijn. Eventuele vertragingstijden wordt niet zoals bij menig buitenlands collega-bedrijf in minuten of uren gerekend, maar slechts in seconden.

Niet alleen de trein veroorzaakte veel geluidsoverlast, ook de pantograaf was een bron van lawaai. Dit op het dak van de trein gemonteerd apparaat verzorgt de verbinding met de bovenleidingen om stroom af te tappen. Ook voor deze uitdaging werd de kunst afgekeken van een vogel, in dit geval de uil. Deze roofvogel staat bekend om zijn stille nachtelijke vlucht waarmee hij zijn prooidieren verrast die hem niet horen aankomen.

Naast zijn soepele duik in het water heeft de ijsvogel nog meer trucs om visjes te verschalken. Net als wij wordt de ijsvogel verblind door de reflectie van zonlicht op het water. De ogen van de vogel bevatten rode oliedruppeltjes die de schittering verminderen. IJsvogels hebben als het ware een ingebouwde polaroid zonnebril.

Ogen die volledig aangepast zijn aan het functioneren in lucht zoals de onze, kunnen slecht onder water zien. Om dit probleem op te lossen hebben de ogen van de ijsvogel twee ‘modes’ waarin ze kunnen werken: in lucht en in water. Onder water ziet de vogel niet heel scherp, maar kan dan wel goed de afstand tot zijn prooi inschatten en daar gaat het om.


Foto: RSA

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 23 januari 2016

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84