Stel je voor dat er een paar keer per dag een straaljager boven je hoofd voorbij raast. Je zou er mesjokke van worden. Iets soortgelijks gebeurde in Japan, waar de Shinkansen Bullet Train, een van de snelste treinen ter wereld, dagelijks voor geluidsoverlast zorgde. De trein dankt zijn naam aan zijn legendarische snelheid en zijn oorspronkelijk stompe neus. Telkens als hij een tunnel uit reed hoorde je zo’n harde knal dat de omwonende al snel een oorverdovend protest lieten horen.
Van lage druk naar hoge druk
Wat veroorzaakte dit lawaai? Tijdens het rijden duwt een trein de lucht die ervoor zit aan de kant. Bij een boemeltreintje is dat appeltje-eitje. Maar bij een trein die met zo’n 290 kilometer per uur door het landschap sjeest betekent het dat de lucht razendsnel weggeduwd moet kunnen worden.
Buiten, waar de lucht gemakkelijk weg kan, was dat voor de hogesnelheidstrein geen probleem. Maar in een tunnel kon de lucht bijna alleen naar voren en werd die zó snel samengeperst dat er een drukgolf ontstond.
De trein komt dus van een gebied met lage luchtdruk – waar de lucht makkelijk weg kan – plotseling in een gebied met hoge luchtdruk – daar waar de lucht wordt samengeperst. Pas als de trein het eind van de tunnel bereikte, kwam de samengeperste lucht naar buiten. En dat gebeurde met een enorme knal.
Lawaaikuif
En dat was nog niet alles. Ook de pantograaf – de ‘kuif’ waarmee de trein stroom uit de bovenleiding haalt –zorgde voor geluidsoverlast. Niet alleen in tunnels, maar ook gewoon in de buitenlucht. Het lawaai werd veroorzaakt door de grote luchtwervelingen die achter de pantograaf ontstonden. Hoe groter de luchtwervelingen zijn, des te harder is het geluid en daarmee de overlast voor de omwoners.
Duiken zonder spetters
Een ingenieur die de geluidsoverlast wilde tackelen was in zijn vrije tijd vogelaar. Op een dag zag hij een ijsvogel in het water duiken om een nietsvermoedende vis op te pikken. Hé, dacht hij, deze ijsvogel gaat ook van een gebied met lage druk – lucht – naar een gebied met hoge druk – water. En dat doet ie zonder oorverdovende knal. Sterker nog, hij krijgt het geruisloos en zonder spetters voor elkaar, zodat vissen zijn komst pas opmerken als het te laat is en ze in zijn snavel zijn beland.
Voor zijn verrassingsaanval gooit de ijsvogel de specifieke, spitse vorm van zijn snavel en schedel in de strijd. Die leiden het water naar de zijkant in plaats van naar voren. Doordat de snavel relatief lang is, heeft het water daar net wat meer tijd voor dan bij een korte snavel het geval zou zijn. En zo voorkomt hij spetters. Als die spitse snavel voor de ijsvogel werkt, dacht de ingenieur, dan zou die voor de trein ook wel eens de oplossing kunnen zijn!
De kunst van het geruisloos vliegen
De oplossing voor de luidruchtige ‘kuif’ werd eveneens bij een vogel gevonden. En wel bij de kerkuil. Voor we deze geruisloze vlieger onder de loep nemen bekijken we eerst hoe geluid nou precies ontstaat tijdens het vliegen.
De vlucht van een vogel kun je een beetje vergelijken met hoe wij zwemmen en ons met onze armen en benen afzetten tegen het water. Door met hun vleugels te slaan doen vogels eigenlijk hetzelfde, maar dan in de lucht. Hiermee verplaatsen ze lucht in de richting van hun vlucht – en dat veroorzaakt turbulentie. Dit kun je zien als een soort luchtwervelingen, die ontstaan aan de voorste en achterste rand van de vleugel. Hoe groter de luchtwerveling, des te harder het geluid is dat je hoort.
De kerkuil is er een meester in om die grote luchtwervelingen weg te werken, en voorkomt zo het geluid van fladderende vleugels. Zijn stille vlucht is zijn troefkaart om zijn prooi te overrompelen. Het geheim zit hem in de vorm van zijn veren en vleugels. Daarmee deelt hij de luchtwervelingen op in steeds kleinere stromingen. De vraag is nu: hoe krijgt hij dat voor elkaar?
De sleutel tot stilte
Aan de voorste kant van zijn vleugels zijn de veren van de kerkuil voorzien van kleine haakjes en boogjes. Die zorgen ervoor dat er niet één grote luchtwerveling ontstaat, maar meerdere kleine wervelingen die verder over de vleugel rollen. Daar worden ze deels opgenomen door het fluweelachtige oppervlak van de veren.
Vervolgens komen de luchtwervelingen aan bij de achterste rand van de vleugel, waar de veren kleine inkepingen hebben, een soort franjes. Die zorgen ervoor dat er geen nieuwe turbulentie ontstaat. Daarnaast delen ze de kleine luchtwervelingen die vanaf de voorkant over de vleugels komen rollen verder op – waardoor ze nog kleiner worden en het geluid verder afneemt. De wervelingen die er dán nog zijn worden opgenomen door fluweelachtige donsveertjes van zijn staart en poten. Voilá!
IJsvogel + kerkuil = stillere trein
Geïnspireerd op de snavel- en schedelvorm van de ijsvogel ontwikkelden ingenieurs een nieuwe, spitsvormige neus voor de trein. Met het verdwijnen van de stompe neus behoorden ook de hogedrukgolf en het bijbehorende lawaai tot de verleden tijd. De slimme truc van de kerkuil werd vertaald naar aanpassingen voor de pantograaf, waardoor ook daar het geluid minder werd.
Sneller, stiller en schoner vooruit
Na deze aanpassingen bleek het geluidsoverlast met 85% te zijn afgenomen. Daarnaast rijdt de Shinkansen Bullet Train nu 10% sneller en verbruikt hij ook nog eens 15% minder elektriciteit. Cadeautje! En dat alleen maar door goed te kijken hoe vogels het water in duiken en vrijwel geluidloos door de lucht glijden.
Meer over de ijsvogel en innovaties die we dankzij onder gevleugelde vrienden hebben gedaan, lees je in mijn boek De bionische vogel dat begin 2023 uitkomt.