Baykuşun Uçuşu ve Hızlı Trenin Gürültüsü

[Meric]

Baykuşun Uçuşu ve Hızlı Trenin Gürültüsü


Japon mühendis ve bilim adamları "500 serisi" olarak adlandırılan hızlı trenleri tasarlarken önemli bir problemle karşılaşmışlardır: Gürültü. Çözümü kuşların mükemmel tasarımında arayan Japonlar, çok geçmeden aradıklarını bulmuş ve başarılı bir şekilde uygulamışlardır.1

Japonların ürettiği hızlı trenlerde "güvenlik" en önemli konulardan biridir. İkinci konu ise, Japonya çevre standartlarına uyumdur. Japonya dünyadaki demiryolu işletmeleri içerisinde en katı "gürültü standartları"na sahiptir. Bugün mevcut teknolojileri kullanarak daha hızlı gitmek oldukça kolaydır. Ancak bununla beraber daha sessiz gitmek nisbeten zordur. Japon Çevre Bakanlığı'nın düzenlemelerine göre, yerleşim merkezlerinde bir demiryolunun 25 metre uzağında gürültü seviyesi 75 desibel veya daha az olmalıdır. Kırmızı ışıkta duran arabaların yeşil ışık yandığında aynı anda kalktıklarında oluşan gürültü 80 desibeli geçmektedir. Bu değerlerle yapılan kıyaslama "Shinkansen" olarak adlandırılan hızlı trenin ne kadar sessiz olması gerektiğini ortaya koymaktadır.

Trenin belli bir hıza ulaşana kadar çıkardığı sesin nedeni, tekerleklerin raylar üzerindeki hareketidir. Ancak hızı 200 km/s olduğunda sesin asıl kaynağı, trenin hava içindeki hareketiyle ortaya çıkan aerodinamik gürültüdür.

Aerodinamik gürültünün oluşmasındaki bir numaralı etken ise tepedeki tellerden elektrik almak için kullanılan pantograflar veya akım toplayıcılardır. Normalde kullanılan dikdörtgen şekilli pantograflarla gürültünün azalmayacağını fark eden mühendisler, araştırmalarını hızlı ama sessiz hareket eden canlılar üzerinde yoğunlaştırmışlardır.

Baykuş, tüm kuşlar içinde en sessiz uçuşu gerçekleştirir. Baykuşların düşük sesle uçmasının ardındaki sırlardan bir tanesi, kanatlarındaki kıvrımlardır. Baykuşların kanatlarında diğer kuşlarda bulunmayan pürüzlü tüyler vardır. Bunlar gözle bile görülebilirler. "Aerodinamik ses" hava akımında oluşan girdaplardan kaynaklanır. Girdaplar büyüdükçe ses de artar. Baykuşun kanadında pek çok pürüzlü çıkıntılar olduğundan, büyük girdaplar yerine küçük girdaplar oluşur ve baykuş son derece sessiz bir uçuş gerçekleştirir.

Japon mühendis ve tasarımcılar, doldurulmuş bir baykuşu rüzgar tünelinde teste tabi tuttuklarında, bu kuşun kanat yapısındaki mükemmelliği bir kez daha görmüşlerdir. Sonunda trenin üzerindeki gürültüyü, baykuşun sahip olduğu düzensiz tüy prensibine benzeyen kanat şeklinde pantograflar kullanarak etkin biçimde azaltmayı başarmışlardır. Bu sayede Japonların doğadan esinlenerek taklit ettikleri pantograf benzeri sistem, "işini en sessiz olarak yapan" ünvanını almaya hak kazanmıştır.2



Yalı Çapkınının Suya Dalışı ve Hızlı Trenin Tünele Girişi
Hızlı trenin çalıştığı hat üzerinde tüneller vardır. Bu durum, mühendisler için çözülmesi gereken başka bir problem oluşturmuştur. Tren tünele yüksek bir hızla girdiğinde atmosferik basınç artar ve gel git dalgaları gibi dalgalara dönüşerek tünelin sonuna ses hızı ile ulaşır. Çıkışa vardıktan sonra ise dalga geri döner. Basıncın bir kısmı tünelin çıkışında serbest bırakılır ve bazen bir patlama sesi oluşur.

Dalgaların basıncı atmosferik basıncın binde birinden az olduğu için "mikro basınç dalgaları" olarak adlandırılır. Dalgaların oluşumu ise yukarıdaki resimde görüldüğü gibidir.

Basınç dalgasının etkisiyle oluşan gürültü, insanları rahatsız edecek kadar fazla olur. Tünellerin çok daha geniş yapılması ile bu gürültü azaltılabilir ancak tünellerin kesit alanlarını büyütmek hem zor hem de çok masraflıdır.

Bunun üzerine mühendisler trenin kesit alanını azaltıp burun kısmını yeterince sivri ve pürüzsüz hale getirmenin çözüm olabileceğini düşünmüşlerdir. Nitekim bir deneme treni üzerinde bu fikirlerini uygulamışlar ama yapılan denemede trenin neden olduğu mikrobasınç dalgalarını ortadan kaldıramamışlardır.

Bu sorun karşısında doğada benzer durumların olabileceğini düşünen mühendis ve tasarımcıların aklına "yalı çapkını" adlı kuş gelmiştir. Yalı çapkını da suya dalarken, tıpkı trenin tünele girdiği zaman hava direnci nedeniyle ani değişiklikler yaşamasına benzer değişiklikler yaşar. Çünkü yalı çapkını avlanmak için, direnci az olan havadan direnci çok olan suya dalar.

Bu durumda 300 km/s ile giden trenlerin de yalı çapkınının gagası gibi dalışını kolaylaştıran bir buruna ve ön yüze sahip olması gerekir.

Japon Demiryolları Teknik Araştırma Enstitüsü ve Kyushu Üniversitesi'nde yapılan araştırmalarda, tünelin mikro basıncını baskılamak için, "dönel paraboloid"in en ideal şekil olduğu ortaya çıkmıştır. Yalı çapkınının gagası yakından incelenecek olursa alt ve üst gaganın kesitinin de aynen böyle olduğu görülür. Yalı çapkınındaki bu eşsiz tasarım sadece bir örnektir. Doğadaki tüm canlılar, hayatlarını devam ettirmelerine imkan tanıyacak kusursuz tasarımlarıyla insanlara örnek olacak şekilde yaratılmıştır.