Blockdit Logo (Mobile)
Antnumber9
•
19 ธ.ค. 2018 เวลา 14:45 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
อัศจรรย์ธรรมชาติสู่นวัตกรรม EP.1 - 1
"รู้หรือไม่ การแก้ปัญหารถไฟความเร็วสูง Shinkansen ที่เกิดเสียงรบกวน ได้รับแรงบันดาลใจในการออกแบบ มาจากเจ้านกฮูก"
ในยุคที่โลกขับเคลื่อนด้วยเทคโนโลยี ีและนวัตกรรม มีหลายเทคโนโลยี ที่เปลี่ยนแปลงไปแบบก้าวกระโดด แต่เรารู้ไหมว่าทุกๆการศึกษา การพัฒนาสิ่งเหล่านี้บางครั้งเป็นสิ่งที่ ี่ยากมากๆ นักพัฒนาต้องใช้จินตนาการ และสังเกตุเป็นอย่างมากกับสิ่งต่างๆรอบตัว หนึ่งในนั้นคื่อการสังเกตุความน่าทึ่งของ ธรรมชาติ
โดย antnumber9 จะเล่าให้ฟังถึงความมหัศจรรย์ของ ธรรมชาติ ว่ามันกลายมาเป็นนวัตกรรม ที่ทุกคนสามารถใช้งานได้ยังไรใน EP.1 - 1. นี้จะเล่าถึงแรงบันดาลใจของระบบขนส่ง ทางราง"รถไฟความเร็วสูง Shinkansen" ที่จะพูดถึงนี้เป็นส่วนด้านบนของหลังคารถไฟ (pantographs)
รถไฟความเร็วสูง Shinkansen เปิดให้บริการใช้งานสายแรกคือ โทไกโด Shinkansen (ระยะทาง 515.4 กม.) ที่วิ่งจากสถานีต้นทางโตเกียวไปยังสถานี ปลายทางโอซากาในปี ค.ศ. 1964 จากนั้นเป็นต้นมา เครือข่ายรถไฟความเร็วสูง Shinkansen ก็ได้ถูกขยายออกไปทั่วประเทศ ด้วยระยะทางรวมกว่า 2,765 กม. และวิ่งด้วยอัตราเร็ว 240–320 กม./ชั่วโมง นอกจากนี้ ยังมีสาย Mini Shinkansen สั้น ๆ ความยาว 10.3 กม. ที่วิ่งด้วยอัตราเร็ว 130 กม./ชั่วโมง
ในสมัยนั้นรถไฟความเร็วสูงขบวนแรกวิ่ง ด้วยอัตราเร็ว 240 กม./ชั่วโมง เนื่องจากความเร็วของมัน ก็เลยทำให้เกิดเสียงรบกวนขึ้น หน่วยงานด้านสิ่งแวดล้อมของญี่ปุ่นกำหนดให้มาตรฐานเสียงรบกวนมีค่าไม่เกิน 75 dB แต่ Shinkansen มีเสียงรบกวนเกินค่ามาตรฐานนั้นไปแล้ว แน่นอนว่าต้องแก้ไขมันให้ได้ งานทั้งหมดจึงตกมาอยูที่แผนกพัฒนารถไฟ
ในช่วงเวลานั้นการทำรถไฟให้เร็วขึ้นเป็นหนึ่งในเป้าหมายของเหล่าวิศวกรอยู่แล้ว พวกเขาอยากทดสอบการวิ่งที่ความเร็วสูง กว่า 350 กม./ชั่วโมง แต่ก็ไม่สามารถทำได้เพราะมีสองปัญหาเกิดขึ้น ปัญหาแรกคือปัญหาเสียงรบกวน และความปั่นป่วน (turbulence) ของอากาศพลศาสตร์ ที่เกิดจาก pantographs ที่ความเร็วสูงๆ และอีกปัญหาหนึ่งซึ่งเป็นปัญหาใหญ่นั่นคือ sonic boom (Sonic Boom หรือ ช็อคเวฟเป็นปรากฏการณ์ที่ต้นกำเนิดเสียง เคลื่อนที่ในอากาศเร็วกว่าอัตราเร็วเสียง อย่างเช่นในเครื่องบิน) หรือที่รู้จักกันดีของปัญหา “tunnel boom“ มันจะเกิดขึ้นเมื่อรถไฟวิ่งผ่านอุโมงค ์ด้วยอัตราเร็วสูงๆ ผลคือเกิดความดันที่ แตกต่างกันขนาดใหญ่ขึ้น
pantographs
ผู้คนในระแวกอุโมงค์ประหลาดอย่างมาก กับปรากฏการณ์นี้ เนื่องจากญี่ปุ่นเป็นประเทศที่มีภูเขาสูง และอุโมงค์เป็นจำนวนมาก มันเลยกลายเป็นปัญหาใหญ่
Eiji Nakatsu เป็นผู้จัดการทั่วไปของแผนก Technical Development รถไฟหัวกระสุน (bullet trains) ในญี่ปุ่นเขาได้แสดงให้เห็นถึงพลังที่แท้จริงด้านวิศกรรมของเขา โดยเขาไม่เพียงแต่เสนอทางออกของ ปัญหาเท่านั้น แต่เขายังเปลี่ยงแปลง วิธีการแก้ปัญหาที่ท้าทายทาง ด้านวิศวกรรมด้วย
ในสมัยนั้น Nakatsu ไม่มีแม้แต่เทคโนโลยีที่ทันสมัยเหมือนใน สมัยนี้ เขาถูกบังคับให้ทำตามสัญชาตญาณ
ของเขาในการตระหนักถึงปัญหา “tunnel boom” ว่ามันเกิดจากอากาศพลศาสตร์ ขณะผ่านอุโมงค์ เขาจึงตัดสินใจใช้ไอเดีย เกี่ยวกับเรื่องของนก
Nakatsu คิด"อืม แน่นอนนกก็น่าจะมีปัญหาคล้ายๆกันนะ" หลังจากที่เขาเห็นบทความในหน้า หนังสือพิมพ์ Nakatsu ก็ตัดสินใจไปที่ Wild Bird Society ในโอซากา ซึ่งเขาไปเยี่ยมเพื่อนร่วมงานของเขา Seichi Yajimi ที่เป็นวิศวกรการบิน ซึ่งเขาประหลาดใจมากกว่าเทคโนโลยี การบิน นั่นก็คือพื้นฐานของเทคโนโลยี มาจากการศึกษาโครงสร้าง ร่างกายของนก
กลับมาที่ปัญหาของเรา ที่ความเร็วมากกว่า 200 กม./ชั่วโมง ของ pantograph บนหลังคา Shinkansen กว่า 500 ซีรี่ส์ก่อให้เกิดความปั่นป่วน (turbulence) ด้านอากาศพลศาสตร์และเสียงรบกวน โดยความปั่นป่วน (turbulence) มีสาเหตุมาจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Kármán vortex street คือกระแสการไหลวนของของไหล ที่สลับไปมา มันจะสอดคล้องกับ การแยกของไหลด้วยตัวของวัตถุนั้นๆ ตัวอย่างของปรากฏการณ์นี้เช่น เสาอากาศของรถยนต์ที่แกว่งไปมา สายไฟฟ้า และอื่นๆ มันจะเกิดจากปรากฏการณ์นี้
karman vertex stress - กระแสไหลวนของของไหล
กระแสวนดังกล่าวก็เกิดจากที่อากาศไหล ผ่าน pantograph ทำให้ Nakatsu มองออกว่าหัวใจของปัญหานี้อยู่ที่รูปทรง ของ pantograph เขาถามตัวเองว่า"อืม นกมันจะมีวิธีรับมือกับความปั่นป่วน (turbulence) ระหว่างบินได้อย่างไรนะ"
เขาก็ค้นหาคำตอบ จนเขาได้พบกับนกตัวดังกล่าวนั่นคือ นกฮูกหรือนกเค้าแมว ซึ่งเป็นหนึ่งในนักล่าตัวฉกาจที่สามารถโจมตีเหยื่อได้เงียบที่สุด โครงสร้างพิเศษของปีกที่ทำให้มันบิน ได้อย่างไร้เสียง และเคลื่อนไหวผ่านอากาศได ้โดยที่ไม่ทำให้เกิดกระแสลม
โครงสร้างที่ซับซ้อนของปีกในการทำให้อากาศไหลผ่านอย่างนุ่มนวลและช่วยกระจายเสียง เพื่อไม่ให้เหยื่อได้ยินเสียงจาก การโจมตีนั้น เกี่ยวข้องกับลักษณะสำคัญ ได้แก่ ความยืดหยุ่นของขนแข็งที่มีลักษณะ เป็นซี่หวีบริเวณขอบหน้าและขอบหลัง ของปีกและขนอ่อนนุ่มที่ปกคลุมบริเวณ ด้านบนจะช่วยทำลายกระแสวนดังกล่าว และด้วยลักษณะข้างต้นของคุณสมบัตินี้ ทำให้เกิดความเข้าใจของแรงทางอากาศ พลศาสตร์และการลดลง ของเสียงรบกวนได้
ปีกนกฮูกที่ขอบเป็นซี่คล้ายหวี
จากแรงบันดาลใจของนกฮูกทำให้ Nakatsu ออกแบบดัดแปลง pantograph ขึ้นมาและหลังจากนั้นทดสอบหลายครั้ง ภายในอุโมงค์ มันช่วยลดความปั่นป่วน (turbulence) ลงไปได้อย่างน่าทึ่ง และทำให้เกิดเสียงรบกวนลดลงไปอย่าง มากด้วย ซึ่งระหว่างทดสอบในอุโมงค์นี้ พวกเขาได้นำนกฮูกมาร่วมทำการทดสอบ จริงจากสวนสัตว์โอซากาด้วย
wing-graph เป็น pantograph ที่ปรับปรุงใหม่
ต่อมาเขาก็ปรับปรุงรูปร่างของ pantograph อีกครั้งจากเพนกวิน Adélie ช่วยให้ pantograph ลดแรงต้านอากาศลงไปได้
การติดตั้ง pantograph ใหม่เกิดขึ้นในปี 1994 รถไฟความเร็วสูง Shinkansen สามารถเดินทางด้วยอัตราเร็ว 320 กม./ชั่วโมงพร้อมกับเสียงรบกวนที่ต่ำกว่า ค่ามาตรฐาน 75 dB
1
นี่ถือว่าสำเร็จไปแล้วครึ่งหนึ่งเหลืออีกหนึ่ง ปัญหาใหญ่ที่เขาจะใช้เทคนิคดูนกของเขา หรือจะใช้เทคนิคอื่นมาแก้ปัญหา "โซนิคบูม" ที่เกิดจากการลอดผ่านอุโมงได้หรือไม่ โปรดติดตาม EP1 - 2
ติดตามเรื่องราวดีๆของวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และนวัตกรรมได้ที่ antnumber9
โฆษณา