Japonya’nın ünlü yüksek hızlı treni Shinkansen, saatte 240 ila 320 kilometre hızla ilerleyerek her yıl milyonlarca yolcu taşır. Eğer hâlâ görmediyseniz, bu trenler adeta gelecekten çıkmış izlenimi veren etkileyici araçlardır
Ancak ilk üretildiklerinde çözülmesi gereken birçok sorun vardı. Öncelikli hedef, elbette trenin daha da hızlandırılmasıydı. Normalde Shin-Osaka’dan Fukuoka’daki Hakata İstasyonu’na yapılan yolculuk, durak sayısına bağlı olarak dört ila beş saat sürüyordu. Yeni trenin bu süreyi 2 saat 20 dakikanın altına indirmesi gerekiyordu. Bunu gerçekleştirmek için trenin saatte yaklaşık 300 kilometre hızın üzerine çıkması şarttı.
Bu noktada yalnızca daha büyük ve güçlü bir motorun yeterli olacağını düşünmek mümkün. Ancak sorun sadece güçle sınırlı değildi. Yüksek hızla hareket eden trenler, tünellerden çıktıklarında çok yüksek bir patlama sesi çıkarıyordu. Bu ses, hem çevredeki hayvanları hem de trenin içindeki yolcuları rahatsız ediyor; hatta yakındaki evlerde uyuyan insanları bile uykusundan uyandırıyordu.
Mühendisler, bu sorunu çözmek için gece gündüz çalıştı. Sorunun temelinde aerodinamik yatıyordu. Tren tünele girdiğinde önünde büyük bir hava basıncı birikiyor, çıkışta ise bu sıkışmış hava aniden dışarı yayılıyor ve bu da patlama sesine yol açıyordu.
Bu kadar yüksek hızda seyreden bir trenin aynı zamanda sessiz olması büyük bir mühendislik zorluğuydu. Üstelik sıkışan hava, görünmez bir fren etkisi oluşturarak trenin hızını da düşürüyordu.
Araştırma ekibi bu iki sorunu çözebilirse, trenler hem daha hızlı hem de daha sessiz olacaktı. Bunun için hava direncini daha verimli şekilde kesebilen bir tren tasarımına ihtiyaç vardı. İşte tam bu noktada, yalıçapkını devreye girdi.
Yalıçapkını Shinkansen Tasarımına Nasıl İlham Verdi?
Yalıçapkınları, uzun, sivri ve keskin gagalarıyla tanınır. Büyük kafaları, kısa bacakları ve küt kuyruklarıyla dikkat çekerler. Balıkla beslenen türler bu konuda son derece yetkindir.
Bu yetkinlik, gelişmiş görme duyuları ve suya dalmak için evrimleşmiş özel gagaları sayesinde mümkündür. Uzun, ince ve son derece aerodinamik olan gagaları, uçtan köke doğru kademeli olarak genişler. Bu özgün yapı, kuşun suya yaklaşık 40 km/s hızla çarptığında oluşan darbeyi büyük ölçüde azaltmasını sağlar.
Yalıçapkını suya neredeyse sürtünmesiz bir şekilde girer; su, gagaya doğrudan çarpmaz, onun çevresinden akarak geçer. Böylece bir sorun çözülmüş gibiydi. Ancak mesele burada bitmedi. Karşılarında ikinci bir problem daha vardı ve bu da başka bir hayvan türünden ilham almayı gerektiriyordu.
Yalıçapkınlarını çok iyi tanıyan biri de Eiji Nakatsu’ydu. Kendisi hem kuş gözlemcisi hem de mühendisti. Ayrıca Shinkansen’in tasarımında önemli bir rol oynamıştı. Nakatsu, trenin tasarımıyla ilgili sorunlar üzerinde düşünürken Japonya Yaban Kuşları Derneği’nin düzenlediği bir seminere katıldı. Seminerde bir havacılık mühendisi, kuşların havacılık mühendislerinin en karmaşık tasarım problemlerine çözüm bulmalarına nasıl yardımcı olduğunu anlatıyordu.
Bu bilgi Nakatsu’nun zihninde şu soruyu doğurdu: Eğer trenin burnu bir yalıçapkınının gagasına benzer şekilde tasarlanırsa, aerodinamik performansı geliştirilebilir miydi? Hava trenin etrafında daha kolay akabilir ve önünde biriken basınç azaltılabilir miydi? Eğer bu başarıya ulaşılırsa, sonunda o rahatsız edici patlama sesi de ortadan kalkacaktı.
Eiji ve ekibi hemen çalışmalara başladı ve yalıçapkınını detaylı biçimde incelediler. Üst ve alt gaga kesitlerinin ilk bakışta göründüğünden çok daha karmaşık bir yapıya sahip olduğunu fark ettiler.
Ekip, trenin burnunu yalıçapkını gagasına benzer şekilde yeniden tasarladı. Ortaya çıkan yeni burun, önceki modellere göre alışılmadık görünüyordu. Ayrıca, önceki 6 metrelik burunlara kıyasla 15 metrelik uzunluğuyla iki kattan daha fazlaydı.
Ancak tünel testlerinde en iyi performansı sergileyen model, yalıçapkınından esinlenen bu tasarım oldu. Yeni burun, daha hızlı, daha sessiz ve daha güçlüydü. Üstelik hava direnci, önceki modellere kıyasla %30 oranında azalmıştı.
Shinkansen Tasarımında Başka Kuşlar da Rol Oynadı
Trenler, üzerlerindeki elektrik kablolarından güç alır ve bu enerji, akım toplama kolları aracılığıyla sağlanır. İlk bakışta önemsiz gibi görünseler de, tren yüksek hızla ilerlediğinde bu yapılar hava akışını kesintiye uğratarak küçük ama gürültülü türbülanslara neden olur.
Ekip, bu sorunu çözmek için birçok yöntem denedi. Ancak Eiji Nakatsu, bir kez daha çözümü doğada buldu. Bu kez ilham kaynağı, sessiz uçuşlarıyla bilinen baykuşlardı.
Eiji, baykuşların tüy yapısını inceledi. Bazı tüylerin tarak benzeri kenarları vardı ve bu yapı, kuşların uçarken ses çıkarmasını engelliyordu. Bu gözlemler doğrultusunda ekip, trenin tasarımını yeniden ele aldı. Aşağıya doğru kıvrılmış kanatlara benzeyen küçük çıkıntılara sahip bir yapı geliştirdiler. Bu çıkıntılar, baykuş tüylerindeki diş benzeri yapıların işlevini taklit ederek hava akımını böldü ve türbülansı önemli ölçüde azalttı.
Eiji artık hedefe neredeyse ulaşmıştı, ancak son bir engel daha vardı: destek çubuğu. Bu parça da ses çıkarıyor, bu nedenle daha aerodinamik bir yapıya kavuşturulması gerekiyordu. Bu kez ilham, uçamayan ancak suda son derece çevik hareket eden bir kuştan geldi: Adélie pengueni.
Adélie pengueni, suyun içinde neredeyse hiç dirençle karşılaşmadan hareket edebilir. Birkaç denemenin ardından, pantografın destek çubuğu bu penguenin gövdesine benzeyecek şekilde yeniden tasarlandı. Sonuç etkileyiciydi: hem hava direnci hem de gürültü seviyesi daha da azaltıldı.
22 Mart 1997’de, yeni 500 Serisi Shinkansen elektrikli tren ticari hizmete başladı. Hatırlarsanız, hedef; Shin-Osaka’dan Fukuoka’daki Hakata İstasyonu’na 2 saat 20 dakikadan kısa sürede ve 75 desibelin altında bir ses seviyesiyle ulaşmaktı. Tren bu hedefi başarıyla gerçekleştirdi: yolculuk 2 saat 17 dakika sürdü ve ses seviyesi 75 desibeli geçmedi. O dönem için bu, dünyadaki en hızlı trenler arasında yeni bir dünya rekoruydu.
Sonuç Olarak
O zamandan beri, Japonya genelindeki hızlı trenler sessizce yol alıyor. Ne insanları ne de hayvanları rahatsız ediyor, buna karşın Japon ekonomisini güçlü biçimde desteklemeye devam ediyorlar.
Bu, doğadan ilham alma yaklaşımının bir örneğidir. Biomimikri olarak adlandırılan bu yöntem, doğanın uzun zaman içinde sınanmış desenlerini ve stratejilerini taklit ederek, insanlığın karşılaştığı sorunlara sürdürülebilir çözümler üretmeyi amaçlar.
Doğada sayısız çözüm zaten mevcuttur — ve biz, her geçen gün bunlardan daha fazlasını keşfetmeye devam ediyoruz.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- Abbasli, Ujal & Arslan Selçuk, Semra. (2016). Biomimetic Design Principles As An Inspirational Model: Case Study On Urban Furniture.
- Nakatsu’s Kingfisher; or how biomimicry beat the boom. Kaynak site: Medium. Yayınlanma tarihi: 21 Ocak 2018. Bağlantı: Nakatsu’s Kingfisher; or how biomimicry beat the boom
- Blok, Vincent & Gremmen, Bart. (2016). Ecological Innovation: Biomimicry as a New Way of Thinking and Acting Ecologically. Journal of Agricultural and Environmental Ethics. 29. 203–217. 10.1007/s10806-015-9596-1.
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
