La velocidad, el ruido y las aves

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Que relación pueden tener el vuelo de búhos y martín pescador con un tren de alta velocidad?. Conectar cosas y casos lejanos no solamente es un buen ejercicio mental de creatividad sino la base de la biomimesis, la bioinspiración y el diseño bioinspirado, lo que mi buen amigo Norbert Hoeller denomina B3D.

La línea ferroviaria Tokaido del Shinkansen se extiende a lo largo de 515 kilómetros y es la línea de alta velocidad con mayor tráfico del mundo, pues desde su inauguración en 1964 para los Juegos Olímpicos en Tokio hasta 2010 ha transportado a cerca de 5.000 millones de pasajeros. En Japón 64 millones de personas se desplazan diariamente en trenes de todo tipo representando el 40% del tráfico ferroviario mundial. Diariamente mas de 800.000 de estos pasajeros recorren los 2.388 kms que comprende la red Shinkansen. Mover a tantos pasajeros al día requiere de velocidad, y la línea japonesa competía en rapidez con el TGV francés, alcanzando los 300km/h. Sin embargo estos trenes tenían un problema, el ruido a pesar de que los estándares sonoros en Japón, eran de los más estrictos del mundo.

Eiji Nakatsu, Gerente General del Departamento de Desarrollo Técnico de Japan Railway West y su equipo iban a desarrollar un nuevo tren, el WIN 350 que podía alcanzar velocidades más altas, pero cuanto más rápido más ruido generaba. El estruendo sonoro era causado por tres factores principales: 1) vibración del suelo a lo largo del tren y de las estructuras de soporte al piso; 2) el cuerpo de los vagones y el pantógrafo ferroviario que conectaba al tren con el cable de la catenaria causaban ruido aerodinámico (vórtices o remolinos) que se convertía en dominante a velocidades altas y 3) se relacionaba con una explosión sónica cada vez que el tren entraba en un túnel  (de la totalidad del trayecto más de 225 km eran túneles!).

El fenómeno físico de los tres problemas era considerablemente diferente, siendo el último el más complejo. En el caso del ruido del pantógrafo, el aire que corría sobre las barras de separación y las articulaciones del mecanismo formaba el llamado vórtice de Karman, y era la causante de casi todo el ruido manifestandose cuando un único cuerpo no fuselado separa el flujo de un fluido.

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trayecto de la línea y fuentes del ruido

El equipo de JR West había contemplado varias opciones y exploró tres caminos básicos: disminuir el número de pantógrafos, ponerles protectores para el viento, y diseñar una forma totalmente nueva que ayudara a eliminar los minivórtices sonoros. Pero el enfoque ingenieril tradicional parecía estar causando mas problemas que soluciones, y se necesitaba una nueva perspectiva.

Coincidió que por esas fechas se celebraba una conferencia ornitologica a la que acudió Nakatsu y tuvo la oportunidad de compartir con Seichi Yajima, ingeniero en aviación, sobre cómo la fisiología y la anatomía de las aves habían influido en el diseño de aviones. Las cosas cambiaron. Nakatsu quedó intrigado por la capacidad del vuelo silencioso del búho. Esta rapaz nocturna cuenta con unas formas en sus plumas que le ayudan a mitigar el ruido. Las mas importantes son las fimbrias o ribetes que poseen un borde dentado tipo peine en la parte anterior de las plumas principales de las alas. Estas estructuras rompen el aire formando microturbulencias amortiguando el sonido y el ave cazadora nocturna le sirve para ser eficaz y no ser oído mediante esta adaptación brillante. ¿Sería posible aplicarlo para el problema del ruido en este caso?.

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vórtices de Karman en laboratorio de fluidos y en las nubes

Entonces no contaban con superordenadores o con simuladores como en la actualidad y por tanto hicieron pruebas con animales disecados en el túnel de viento con el objeto de diseñar un pequeño generador de vórtice que fuera parte integral de la forma del pantógrafo, y así reducir la resistencia al aire y el ruido. Se realizaron muchas otros tests importantes  para evitar la formación de turbulencias mayores. Una aplicación similar podía verse ya en el Boeing 737, donde fijaron unas franjas escalonadas a lo largo de la parte alta del ala con la finalidad de formar remolinos pequeños y manejables (eficientes). A diferencia del ala de un avión, la base del pantógrafo del tren tenía una orientación vertical y era obtusa en el corte transversal. Lo que el equipo de JR West descubrió en la prueba del flujo de aire fue una línea vertical de turbulencia encima de la curva del cilindro base, donde el suave flujo laminar, inducido por el borde aerodinámico, comenzaba a romperse. Era ahí donde situarían su generador de vórtice (VG), una forma de fimbria o franja hecha por el ser humano, con inspiración en el búho y sus plumas.

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Una vez suavizado el flujo del aire se instaló el nuevo “alágrafo” en el tren de prueba y en la línea principal se colocaron micrófonos a intervalos para su evaluación. Fue todo un éxito. A 320 km/h el ruido fue tolerable con 73 dB con beneficios adicionales como fue un pequeño incremento en la eficiencia en el uso del combustible, y mayor comodidad para los pasajeros dentro del tren. Cuando el ruido del tren disminuyó las quejas del público se redujeron significativamente.

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El equipo de JR West abordó el problema del ruido aerodinámico mediante una combinación de enfoques de ingeniería e innovación bioinspirada (reducir el número de pantógrafos, nueva forma a las cubiertas del mismo, , incorporar nuevas estructuras disipadoras, …). Pero el problema de la explosión sónica era mucho más complejo que el del ruido del pantógrafo. Cada vez que el tren entraba en un túnel a gran velocidad, generaba ondas de presión atmosférica que llegaban a la salida del túnel a la velocidad del sonido. El tren expulsaba el aire por el otro lado del túnel un fenómeno se le llamó Onda de Micropresión del Túnel. El aire salía en ondas de baja frecuencia (por debajo de los 20 Hz) que producían vibraciones aerodinámicas y una enorme explosión. Había quejas de vecinos que vivían cerca. El problema era particularmente difícil porque se relacionaba tanto con la geometría del túnel como con la velocidad del tren.

La clave estaba en evitar que creciera la onda de presión reduciendo el área de corte transversal del tren, rediseñando por tanto el morro. Nakatsu volvió a buscar la respuesta en la Naturaleza. Habían observado que el tren de prueba parecía “encogerse” al entrar al túnel y pensaron en el martín pescador, un pájaro que se zambulle a gran velocidad de un fluido (aire) a otro (agua) que es 800 veces más denso y sin salpicar (esto afectaría su eficiencia de caza). Tal métood de caza permite al ave no errar en sus capturas para alimentarse. Pensó que valía la pena estudiar más de cerca a este animal, y supuso que era la forma de su pico lo que le permitía entrar tan limpiamente al agua (+fotos y minivideo).

El tren tenía un morro con forma de cuña y el pico del martín pescador se puede describir como un cuerpo parabólico rotatorio,  la misma figura que se formaría en el intersticio de cuatro círculos juntos. Con estos parámetros, se realizaron innumerables pruebas que confirmaron lo que se podía observar en la vida real: la forma del pico del martín pescador era, sin duda, la más eficiente de todas las probadas, mejorando todas las alternativas por un margen amplio.

Nakatsu se convenció de que la Naturaleza tenía mucho que enseñar acerca de formas eficientes. El diseño de la nueva Serie 500 comprendía un morro alargado de 15 metros (comparado con los 6 metros de la Serie 300) y un cuerpo más redondeado. El diseño redujo el efecto de explosión sónica y permitió al tren ser muy veloz sin sobrepasar el estándar de nivel de ruido. También generó otros beneficios de inmediato pues era no solamente más rápido, silencioso y potente, sino que además con un 30% menos de resistencia al aire que su predecesor. El consumo de energía se redujo un 13% con respecto al modelo de la Serie 300.

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Serie 500 y modificaciones realizadas.

En marzo de 1997, JR West puso al tren eléctrico Shinkansen Serie 500 en operación comercial. El tren podía alcanzar una velocidad máxima de 300 km/hr, un record mundial de velocidad en ese momento, y cumplir con los rigurosos estándares de ruido. Tal como la empresa se lo había propuesto, la duración del recorrido entre Shin-Osaka y Hakata se había acortado en mas de 15 minutos pudiendo ampliar con tres viajes ida/vuelta al día, que se incrementaron a siete tres años después. El más rápido de estos trenes pudo recorrer los 1.069 km de distancia en 4 horas y 49 minutos.

Para Nakatsu la asistencia a la conferencia ornitológica supuso el inicio de una fascinación hacia la Naturaleza que nunca le alejo de ella. Este maravilloso relato es inspirador para todos nosotros y en el que ademas todos ganamos.

nota del autor: T.McKeag en su biomimicry column puedes encontrar mas info

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