Потому что важна не скорость, а то, насколько быстро растёт площадь поперечного сечения поезда. И носитель решения нашёлся на пруду.
Выстрел из туннеля
Когда поезд на скорости около трёхсот километров в час влетает в туннель, он работает как поршень в трубе. Перед ним возникает волна сжатия, которая бежит по туннелю со скоростью звука, по дороге становится всё круче — и на выходе выплёскивается наружу низкочастотным хлопком.
Звук этот слышен за четыреста метров от портала, и сопровождается ощутимой вибрацией. В Японии, где скоростные поезда проходят через плотно заселённые районы, для жилой застройки установлен предел в 70 децибел, и туннельный хлопок в него не укладывался.
Обратите внимание, что произошло с задачей. Ограничение скорости пришло не от техники и не от физики движения: поезд может двигаться быстрее. Ограничение пришло из надсистемы — от людей, живущих рядом с выходом из туннеля, и от нормы, которую они установили. Разработчики прямо отказались от испытаний на скоростях выше 350 км/ч именно по этой причине.
Что именно порождает хлопок
Разберём механизм.
Волна сжатия возникает потому, что поезд, входя в туннель, вытесняет воздух. Но сила этой волны зависит не от скорости самой по себе, а от того, как быстро нарастает площадь поперечного сечения поезда в сечении туннеля. Тупой нос перекрывает туннель почти мгновенно — воздух получает резкий удар. Длинный и плавный нос увеличивает сечение постепенно — то же количество воздуха вытесняется, но растянуто во времени, и фронт волны не успевает стать крутым.
Отсюда точная постановка: уменьшить надо не воздействие, а его производную. Импульс нельзя убрать — воздух всё равно придётся вытеснить, — но его можно размазать во времени.
Исследования показали, что идеальным был бы нос в виде клина или тела вращения с параболической образующей — такого, у которого площадь сечения меняется с постоянным темпом.
Инженер, который наблюдал за птицами
Эйдзи Накацу, руководивший испытаниями новой серии поездов в компании JR West, был членом Общества охраны диких птиц Японии.
Толчок мысли дал разговор: молодой инженер сказал, что при въезде в туннель ему кажется, будто поезд сжимается. Накацу подумал, что дело в резком изменении сопротивления среды. И сформулировал вопрос так, как его стоит формулировать всегда:
существует ли живое существо, которое умеет переходить из среды с одним сопротивлением в среду с другим, не создавая удара?
Ответ он знал по своему увлечению: зимородок. Птица падает с воздуха в воду за добычей — то есть пересекает границу сред, различающихся плотностью в восемьсот раз, — и почти не поднимает брызг.
Клюв зимородка круглый в сечении и, если описывать его инженерным языком, представляет собой тело вращения с параболической образующей. То самое, которое требовалось.
Что именно скопировали
Накацу не «увидел птицу и скопировал клюв». Команда провела опыты: тела разной формы выстреливали в трубу и мерили возникающие волны давления. Форма, повторяющая клюв, победила остальные с заметным отрывом. Затем последовали расчёты на суперкомпьютере, продувки и полноразмерные испытания.
То есть заимствован был не профиль, а принцип: постепенное нарастание сечения по определённому закону. Конкретная форма получена измерениями и расчётом, а птица подсказала, где искать и что вообще такая форма существует.
Результат: нос поезда 500-й серии длиной 15 метров против шести метров у предшественника. Сопротивление воздуха ниже примерно на 30%, потребление электроэнергии — на 15%, при том что скорость выросла на 10%. И предел 70 децибел была выдержан.
Ещё два животных
Тем же методом Накацу решил и другие задачи проекта, и это важнее, чем сама история с зимородком: метод оказался воспроизводимым.
Сова. Самым шумным элементом поезда был токоприёмник — рама, скользящая по контактному проводу. Шум вихревой. Сова летает бесшумно, и на передней кромке её маховых перьев есть гребёнка мелких зубцов, разбивающая сходящий поток на мелкие вихри. Зубчатая кромка на токоприёмнике сняла проблему.
Пингвин. Опоры токоприёмника создавали лишнее сопротивление; их обтекатель сделали по образцу тела пингвина, гладко проходящего сквозь плотную среду.
Три задачи — три разных животных. Общего между ними ничего, кроме способа поиска: сформулировать функцию абстрактно и искать носителя этой функции, не ограничиваясь своей отраслью.
Два ответа на один вопрос
У туннельного хлопка есть и другое решение, о котором вспоминают гораздо реже.
Можно изменить не поезд, а туннель: пристроить к порталу удлинённый козырёк с отверстиями. Тогда сечение перекрывается постепенно уже за счёт геометрии входа, и волна нарастает так же плавно. Такие козырьки на японских линиях стоят.
Два решения работают на одном принципе и различаются только тем, на чьей стороне сделано изменение — на стороне объекта или на стороне надсистемы. Выбор здесь чисто экономический и решается тиражом: поездов много, и каждый ездит по многим туннелям; туннелей тоже много, и через каждый ходят все поезда. В итоге в Японии сделали и то и другое.
Полезное правило: обнаружив решение на стороне объекта, всегда проверьте зеркальное — на стороне надсистемы. Часто оно дешевле, а иногда, как здесь, оба нужны вместе.
Тот же параметр на сверхзвуке
Полезно проверить, насколько далеко тянется найденное правило. Оказывается, очень далеко.
Звуковой удар сверхзвукового самолёта — явление той же природы. Он тоже определяется не столько скоростью, сколько распределением площади поперечного сечения вдоль корпуса: скачки уплотнения рождаются там, где сечение меняется резко, а затем сливаются в один мощный фронт, который и слышен на земле как двойной хлопок.
Отсюда знаменитое правило площадей, сформулированное Ричардом Уиткомбом в начале 1950-х: сопротивление вблизи скорости звука определяется тем, как плавно меняется суммарная площадь сечения всего самолёта вместе с крылом. Практический вывод оказался неожиданным для глаза — фюзеляж стали делать с «талией» в том месте, где к нему пристыковано крыло, чтобы суммарная площадь росла ровно. Самолёты стали выглядеть странно и летать заметно лучше.
Современное продолжение той же линии — попытки сделать сверхзвуковой пассажирский самолёт, который не гремит: корпус проектируют так, чтобы скачки уплотнения не сливались, а приходили на землю по отдельности и слабыми. Ради проверки этой идеи строят специальные экспериментальные машины.
Поезд, входящий в туннель, и самолёт, идущий над городом, решают одну задачу: не дать импульсу собраться в крутой фронт. И управляющий параметр у них один и тот же — закон изменения площади сечения.
Честный счёт
Нос съедает вагон. Пятнадцать метров головной части — это места, за которые не платят пассажиры. Плата за аэродинамику берётся прямо из выручки.
Круглое сечение тесно. Ради аэродинамики кузов сделали почти круглым, и салон у окон получился заметно ниже. Пассажиры это заметили.
Дорого и мало. Составов 500-й серии построили всего девять. Позже их сняли с самых престижных маршрутов и укоротили для менее скоростных.
Победил не самый обтекаемый. На смену пришла 700-я серия с носом другой формы, прозванным «утконосом»: он хуже по чистой аэродинамике, но дешевле, вместительнее и достаточно хорош по шуму. Инженерно более изящное решение проиграло по совокупности требований.
История упрощается при пересказе. Разговоры о «поезде, скопированном с птицы» скрывают месяцы измерений, без которых никакого поезда не было бы.
Последний пункт стоит держать в голове всякий раз, когда природная аналогия выглядит слишком гладко.
Что здесь сработало
Верное определение параметра. Уменьшали не воздействие, а скорость его нарастания.
Растягивание импульса во времени. Тот же вытесненный воздух, но без крутого фронта.
Абстрактная формулировка функции. «Переход между средами разного сопротивления без удара» — а не «сделать нос обтекаемым».
Поиск носителя функции вне отрасли. Птица вместо каталога аэродинамических профилей.
Проверка прототипа экспериментом. Стрельба телами разной формы в трубу, а не доверие аналогии.
Зеркальное решение в надсистеме. Козырьки на порталах туннелей.
Итог
Зимородку не нужно проходить через туннель, а поезду не нужно ловить рыбу. Общая у них ровно одна вещь: обоим надо войти в среду, не ударив по ней.
А суть умещается в одну фразу:
Природа подсказывает не форму, а функцию, которую стоит искать. Форму всё равно придётся считать.
