Рельсовые «зимородки»: зачем японским скоростным поездам такие длинные носы
История сверхскоростных поездов в Японии началась раньше, чем в Китае или Европе. Ранним утром 1 октября 1964 года бело-голубой состав пронесся по улицам Токио, связав столицу с более южным городом Осакой. Два пунта соединила железнодорожная линия Синкансэн, длина которой составила 515 километров. Проект был закончен в преддверии Олимпийских игр и позволил стране реабилитироваться на международной арене после Второй мировой войны: Япония первой открыла эру сверхскоростного железнодорожного транспорта. Тогда экспериментальный поезд «Синкансэн серия 0» преодолел нужный участок со скоростью 220 км/ч. Но это было 60 лет назад: сегодня же на маршрутах линии тестируются рельсовые поезда, называемые ALFA-X: они передвигаются еще быстрее, со скоростью 360 км/ч.
Технология, вдохновленная природой: длинные носы японских поездов
Только представьте: до появления Синкансэна поездка из Токио в Осаку и обратно на скоростном поезде занимала больше 6 часов, а с открытием нового пути это время сократилось до 4 часов. Однако развитие сети быстрых поездов в стране осложнялось не только особенностями рельефа местности, повышенной сейсмической активностью и переменчивым климатом в разных регионах — от крепких морозов на севере до повышенной влажности на юге, — но и ранее спроектированными узкими тоннелями.
И если к погоде и особенностям территории можно было приспособиться, то вопрос маленького поперечного сечения тоннелей со временем встал ребром. В первую очередь, проблемой это стало для местных жителей, которые больше не могли выносить оглушительный шум от растущих линий Синкансэн, да и устали менять окна, которые частенько вылетали из-за ударных волн, исходящих от скоростных поездов.
Почему поезда были такими шумными?
Когда поезд на высокой скорости влетает в длинный узкоколейный тоннель, воздух перед ним сжимается и не успевает пройти вдоль корпуса. В какой-то момент он ускоряется, словно пуля, и резко высвобождается, вызывая удраную волну. По сути, вытесненные воздушные массы под сильным давлением выходят из другого конца тоннеля, что сопровождается громким хлопком. Этот процесс принято называть «поршневым эффектом». Его также можно ощущать в метро, когда потоки теплого сухого ветра «гуляют» на станциях: только там он ощущается в разы тише, так как сами поезда едут медленнее, а поперечное сечение подземных тоннелей в разы шире. Но если задуматься, то на высоких скоростях последствия от этого эффекта могут быть весьма печальными.
Когда японские инженеры осознали, что расширить линию тоннелей не представляется возможным (это очень дорого и сложно), они решили сфокусироваться на оптимизации конструкции поездов. Правильная форма могла бы невелировать звуковые удары. Поэтому было решено делать поезда с длинными, «утиным», как говорили в народе, носами. Первым подобным проектом стал электропоезд «Синкансэн 500-серии», его дизайн был вдохновлен маленькой разноцветной птичкой — зимородком. Причем именно ее заостренный и длинный клюв с клиновидным изгибом лег в основу усовершенствованного кузова. Дело в том, что зимородок питается в основном мелкой рыбой, лягушками и водными насекомыми. Чтобы поймать добычу, птица на большой скорости прямо с воздуха пикирует в воду, не создавая при этом брызг, а значит не испытывая сопротивления.
Будущие модели поездов пошли еще дальше. В 1997 году длина носовой части электропоезда серии N700 уже достигала 10,7 метра. А тестовые составы серии ALFA-X, представленные в 2019 году, могли похвастаться 16-метровыми и 22-метровыми носами. Кроме того, при проектировании таких поездов была испытана улучшенная технология амортизации — для гашения вибраций, а также снижения вероятности схода с рельс при сильных землетрясениях. Результат превзошел все ожидания: в итоге шум от транспорта не превышал установленные законом ограничения в 70 дБ. Старые тоннели, к слову, тоже были модернизированы: стенки перфорировали для смягчения ударной волны.