Shinkansen là hệ thống đường sắt cao tốc nổi tiếng toàn cầu của Nhật Bản, được biết đến không chỉ với vận tốc ấn tượng mà còn ở độ an toàn và hiệu quả vận hành. Đây được coi là biểu tượng đỉnh cao về công nghệ của Nhật Bản mà đến nay ít quốc gia sánh bằng.
Tuy nhiên, không phải thành tựu nào ra mắt cũng đều suôn sẻ. Các dòng Shinkansen ban đầu, với thiết kế mũi tàu tròn và tương đối ngắn, gặp phải một hiện tượng khí động học đặc biệt khó giải quyết khi di chuyển xuyên qua địa hình đồi núi của Nhật Bản với mật độ đường hầm dày đặc.
Hiện tượng này, được gọi là "sóng vi áp suất" (Micro-Pressure Wave - MPW), phát sinh do sự nén khí đột ngột khi đầu tàu lao vào một đường hầm hẹp. Không khí bị nén nhanh chóng tạo ra một sóng nén lan truyền bên trong đường hầm với vận tốc âm thanh.
Khi sóng nén này tích tụ năng lượng và thoát ra khỏi cửa hầm, nó giãn nở đột ngột, gây ra một âm thanh lớn và chói tai, thường được mô tả là "tiếng nổ đường hầm". Tiếng nổ này không chỉ gây khó chịu cho hành khách mà còn gây ra rung động cấu trúc và tiếng ồn lớn, ảnh hưởng tiêu cực đến cư dân sinh sống cách đường ray tới 400 mét.
Để giải quyết vấn đề kỹ thuật nói trên, các kỹ sư Nhật Bản đã tìm đến một giải pháp sáng tạo ngoài khuôn khổ kỹ thuật vận tải truyền thống: Thiết kế đầu tàu mô phỏng chim bói cá.
Vì sao có tiếng nổ đường hầm?
Vấn đề sóng vi áp suất xuất phát từ sự khác biệt về môi trường di chuyển. Khi tàu cao tốc di chuyển trong không khí tự do, không khí có thể dễ dàng thoát ra xung quanh thân tàu. Tuy nhiên, khi tàu lao vào đường hầm, đường hầm đóng vai trò như một ống dẫn giới hạn, buộc không khí phía trước tàu phải di chuyển theo một cách khác.
Đối với các thiết kế mũi tàu tròn trước đó, không khí bị "đẩy" và nén lại thành một khối đột ngột. Áp lực dồn nén này tạo ra một sóng xung kích đầu tàu. Tốc độ của tàu càng cao, cường độ của sóng nén càng mạnh.
Sóng nén khí được tạo ra khi tàu vào hầm sẽ lan truyền dọc theo chiều dài đường hầm. Những sóng áp suất khí quyển này dần dần lớn lên giống như sóng thủy triều. Khi đạt đến cửa hầm đối diện, sóng này giải phóng năng lượng đột ngột do môi trường bên ngoài không còn bị giới hạn, tạo ra tiếng nổ lớn. Tiếng ồn này không chỉ gây khó chịu cho hành khách mà còn vượt quá giới hạn tiếng ồn cho phép.
Các quy định pháp luật của Nhật Bản đặt ra tiêu chuẩn tiếng ồn rất nghiêm ngặt, thường yêu cầu mức tiếng ồn không vượt quá 70-75 dB(A) tại các khu dân cư gần đường ray. Sự phát sinh tiếng nổ đường hầm và tiếng ồn khí động học ở mức cao đã khiến cho Shinkansen đời đầu không thể vận hành ở tốc độ tối đa một cách bền vững mà không nhận khiếu nại từ cộng đồng.
Vì vậy, thiết kế khí động học mũi thuôn nhọn không chỉ là một cải tiến hiệu suất, mà là một điều kiện bắt buộc để Shinkansen duy trì vận tốc cao một cách hợp pháp và bền vững trong khu vực đông dân cư. Nếu không thể giải quyết triệt để tiếng ồn, tốc độ tối đa của tàu sẽ bị giới hạn, làm mất đi lợi thế cạnh tranh của đường sắt cao tốc.
Kỹ sư Eiji Nakatsu và phương pháp đổi mới
Người chịu trách nhiệm chính cho dự án đổi mới mang tính cách mạng này là kỹ sư Eiji Nakatsu, tổng giám đốc bộ phận phát triển kỹ thuật tại JR West. Nakatsu là một kỹ sư giàu kinh nghiệm, đồng thời cũng là thành viên tích cực của Hội Chim Hoang Dã Nhật Bản. Sự kết hợp độc đáo giữa kiến thức kỹ thuật và niềm đam mê nghiên cứu sinh học đã mở ra cánh cửa cho giải pháp nói trên.
Năm 1990, sau khi tham dự một bài giảng về khí động học của chim, Nakatsu nhận ra các vấn đề kỹ thuật phức tạp có thể được giải quyết bằng cách quan sát các chiến lược sinh tồn và thích nghi của các loài động vật trong tự nhiên.
Tâm điểm của giải pháp là chim bói cá. Loài chim này nổi tiếng với khả năng săn mồi bằng cách lao từ không khí (mật độ thấp) xuống nước (mật độ cao) với tốc độ cao mà không làm bắn tóe nước, một hiện tượng cho thấy sự tối ưu hóa khí động lực học và thủy động lực học tự nhiên.
Nakatsu và đội ngũ kỹ sư nhận thấy rằng mỏ chim bói cá được thiết kế để di chuyển từ môi trường mật độ thấp (không khí) sang môi trường mật độ cao (nước) một cách mượt mà. Mỏ của chúng dài, nhọn, và thuôn dần, giúp nó xẻ nước thay vì đẩy nước. Điều này giảm thiểu lực cản khi chuyển đổi môi trường.
Kỹ sư Nakatsu nhận định rằng, nếu mỏ chim bói cá có thể "khớp trở kháng" giữa không khí và nước, thì một thiết kế mũi tàu tương tự có thể giúp "khớp trở kháng" giữa không khí tự do và không khí bị nén bên trong đường hầm. Mục tiêu là tạo ra một hình dạng có khả năng điều chỉnh áp suất không khí một cách suôn sẻ, phân tán sóng nén dần dần dọc theo chiều dài mũi tàu, thay vì tạo ra sóng xung kích đột ngột.
Sau khi xác định được nguồn cảm hứng, đội ngũ kỹ thuật của Nakatsu đã tiến hành các thử nghiệm nghiêm ngặt. Họ đã bắn các vật thể có hình dạng khác nhau, mô phỏng đầu tàu, vào một ống dẫn (giả lập đường hầm) để đo lường sóng áp suất được tạo ra.
Các dữ liệu thực nghiệm đã xác nhận một cách khoa học rằng hình dạng tối ưu để giảm sóng áp suất khí động học thực sự gần như giống hệt với hình dạng mỏ chim bói cá: dài, nhọn, và có hình nêm.
Kết quả là sự ra đời của dòng tàu Shinkansen Series 500, được đưa vào vận hành thương mại vào tháng 3 năm 1997. Điểm nổi bật nhất của dòng tàu này là thiết kế mũi tàu thuôn nhọn và cực kỳ dài, chiếm một phần đáng kể trong tổng chiều dài toa đầu tàu. Các dòng tàu kế thừa sau này (như E5/H5) thậm chí còn có mũi tàu dài tới 15 mét, hay dòng E10' có thể dài tới 22 mét, nhằm tăng cường khả năng giảm sóng vi áp suất.
Hình dạng này hoạt động bằng cách thay đổi nguyên tắc tương tác với không khí. Thay vì đẩy không khí như một vật thể tù, mũi tàu dài và sắc nét dần dần "xẻ" không khí, cho phép khối lượng không khí này chảy qua hai bên thay vì bị nén lại thành một khối đột ngột trước khi vào đường hầm.
Thành công trên nhiều khía cạnh
Việc áp dụng nguyên tắc khí động học từ chim bói cá đã mang lại những cải tiến định lượng và chiến lược vượt trội cho dòng Shinkansen Series 500, củng cố vị thế dẫn đầu của đường sắt cao tốc Nhật Bản.
Thiết kế mô phỏng sinh học đã mang lại những lợi ích kinh tế và vận hành rõ rệt:
Series 500 có khả năng vận hành ở tốc độ tối đa 300 km/h trên tuyến Sanyō Shinkansen, một kỷ lục tốc độ thế giới tại thời điểm đó, và nhanh hơn khoảng 10% so với tốc độ vận hành của dòng 300 Series.
Mức tiêu thụ điện năng được giảm đáng kể, từ 13% đến 15% so với dòng tiền nhiệm. Sự tiết kiệm năng lượng này mang ý nghĩa kinh tế và môi trường lớn, giúp giảm chi phí vận hành trên toàn mạng lưới.
Nhờ khả năng duy trì tốc độ cao khi qua hầm, thiết kế này đã giúp rút ngắn hành trình giữa Shin-Osaka và Hakata khoảng 15 phút (từ 2 giờ 32 phút xuống 2 giờ 17 phút), tăng cường hiệu quả vận hành thương mại.
Thành công lớn nhất về mặt xã hội của thiết kế mũi thuôn nhọn là việc loại bỏ hoàn toàn vấn đề tiếng nổ đường hầm, cho phép tàu duy trì tốc độ cao mà vẫn đảm bảo mức tiếng ồn nghiêm ngặt, thường xuyên đạt dưới 75 dB(A) và thậm chí dưới 70 dB(A) ở một số đoạn đường có rào chắn âm thanh.
Câu chuyện Shinkansen Series 500 khẳng định rằng các giải pháp tối ưu cho những thách thức về hiệu suất, tiếng ồn, và năng lượng thường đã tồn tại sẵn trong tự nhiên.
Việc các kỹ sư vận dụng kinh nghiệm của một loài chim để cải tiến một phương tiện giao thông tốc độ cao đã khuyến khích các nhà thiết kế nhìn ra ngoài giới hạn kỹ thuật truyền thống, tìm kiếm nguồn cảm hứng từ quá trình tiến hóa của tự nhiên để đạt được hiệu suất vượt trội, sạch hơn và yên tĩnh hơn.
Thiết kế này đã trở thành khuôn mẫu cho các dòng tàu cao tốc hiện đại sau này của Nhật Bản (như E5, E6, N700) và các quốc gia khác, định hình lại tương lai của ngành đường sắt cao tốc toàn cầu.
