Tàu cao tốc với cảm hứng từ chim bói cá

Câu chuyện về tàu cao tốc Shinkansen của Nhật Bản lấy cảm hứng từ chim bói cá là một trong những ví dụ kinh điển và kỳ diệu nhất về phỏng sinh học (biomimicry) – mô phỏng các giải pháp của tự nhiên để giải quyết vấn đề của con người.

---

Vấn Đề Nhức Nhối: “Tiếng Nổ Đường Hầm”

Vào những năm 1990, các kỹ sư Nhật Bản đối mặt với một bài toán đau đầu. Khi tàu cao tốc Shinkansen lao vào một đường hầm hẹp với tốc độ gần 300 km/h, nó nén không khí ở phía trước, tạo ra một sóng áp suất (pressure wave) di chuyển trong đường hầm.

Khi sóng áp suất này thoát ra ở đầu kia của đường hầm, nó tạo ra một tiếng nổ lớn, giống như tiếng sấm – gọi là “tiếng nổ đường hầm” (tunnel boom). Tiếng nổ này không chỉ gây ô nhiễm tiếng ồn nghiêm trọng cho các khu dân cư gần đó (cách xa 400 mét vẫn nghe thấy) mà còn tạo ra rung động ảnh hưởng đến cấu trúc hầm.

---

Nguồn Cảm Hứng Bất Ngờ Từ Chim Bói Cá 🐦

Eiji Nakatsu, một trong những kỹ sư trưởng của dự án và cũng là một người đam mê quan sát chim, đã tìm ra lời giải đáp từ một nguồn không ai ngờ tới: chim bói cá.

Ông quan sát thấy rằng chim bói cá có thể lao từ không khí (môi trường có điện trở thấp) xuống nước (môi trường có điện trở cao) với tốc độ cao mà gần như không tạo ra một gợn sóng hay tiếng động nào. Đây chính là chìa khóa.

Sự tương đồng vật lý:

• Chim bói cá: Lao từ không khí (mật độ thấp) vào nước (mật độ cao).
• Tàu cao tốc: Lao từ không gian mở (áp suất thấp) vào đường hầm (không khí bị nén, áp suất cao).

Cả hai đều đối mặt với sự thay đổi đột ngột về sức cản của môi trường. Bí quyết của chim bói cá nằm ở hình dạng chiếc mỏ của nó – thon dài, nhọn và có tiết diện tròn, giúp nó rẽ nước một cách trơn tru thay vì đẩy nước sang hai bên.

---

Áp Dụng Vào Thiết Kế: Sự Ra Đời Của Shinkansen 500 Series

Dựa trên nguyên lý này, Eiji Nakatsu và đội của ông đã thiết kế lại hoàn toàn phần mũi của tàu cao tốc.

Họ đã tạo ra phần mũi của tàu Shinkansen 500 Series mô phỏng chính xác hình dạng chiếc mỏ của chim bói cá, với chiều dài 15 mét.

[Image showing a side-by-side comparison of a kingfisher’s beak and the nose of the Shinkansen 500 Series train]

Kết Quả Vượt Trội

Thiết kế mới đã mang lại thành công ngoài sức tưởng tượng:

1. Giải quyết triệt để tiếng ồn: “Tiếng nổ đường hầm” đã được loại bỏ hoàn toàn, đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về tiếng ồn.
2. Tăng tốc độ: Mũi tàu mới có tính khí động học tốt hơn, giúp giảm 30% sức cản của không khí. Điều này cho phép con tàu chạy nhanh hơn 10%.
3. Tiết kiệm năng lượng: Vì ít lực cản hơn, con tàu tiết kiệm được 15% điện năng tiêu thụ.

Câu chuyện về tàu Shinkansen và chim bói cá đã trở thành một biểu tượng cho thấy thiên nhiên, qua hàng triệu năm tiến hóa, đã tìm ra những giải pháp thiết kế tối ưu mà các kỹ sư hiện đại có thể học hỏi để tạo ra những công nghệ đột phá.