Eiji Nakatsu, l’ingénieur qui dirigeait les essais du train japonais, s’est intéressé au fait que le martin-pêcheur peut plonger dans l’eau en provoquant le minimum de remous. Cet ornithologue amateur s’est demandé comment le martin-pêcheur peut passer aussi facilement du milieu aérien au milieu aquatique qui, lui, offre une plus grande résistance. La réponse à cette question permettrait de limiter les nuisances du “ TGV ” japonais. En effet, le martin-pêcheur est l’animal qui est le plus efficace sur terre pour passer entre deux milieux de densités différentes.
Eiji Nakatsu eu donc l’idée d’imiter la forme du bec du martin-pêcheur pour l’avant des trains Shinkansen, afin qu’ils puissent passer du milieu moins dense à l’extérieur du tunnel au milieu plus dense de l’intérieur du tunnel, sans émettre de bang sonore. Les résultats des expériences faites sur les premiers trains prenant cette forme furent très satisfaisants. Les ingénieurs du Shinkansen ont observé une énorme réduction du bruit du train fait à la sortie des tunnels. La forme particulière du train à permis à l’air, à l’entrée du tunnel, de s’écouler autour de l’avant du train sans difficulté. Ainsi, l’air ne se faisait plus comprimer à l’intérieur du tunnel, et le bang sonore ne se produisit plus. Une des contraintes fut donc supprimée.
La forme particulière du Shinkansen a également résolu d’autres soucis des ingénieurs. En évitant de comprimer l’air dans les tunnels, elle a également permis de réduire la douleur ressentie au niveau des oreilles des passagers, qui était due aux changements de pression brutaux à l’intérieur du train lorsque celui-ci entre ou sort dans un tunnel.
Tout en résolvant plusieurs contraintes des ingénieurs du Shinkansen, la forme pointue de l’avant du Shinkansen a également réduit sa consommation d’énergie de 16% et une augmentation de vitesse d’à peu près 10% a été observée (comparaison entre la série 0 et la série 700, la dernière étant plus efficace) . Cette augmentation de vitesse est due au fait que la forme pointue de l’avant du Shinkansen offre une plus petite résistance aérodynamique, ce qui contribue à l’avancée rapide du train.
Traînée (en N) du train en fonction de la vitesse (en km/h)
Le graphique ci-dessus affiche la trainée des différentes séries du Shinkansen en Newton en fonction de leurs vitesses de déplacement. Il est facile de constater par ce graphique que, pour chaque nouvelle série, la nouvelle forme particulière de l’avant du train permet au train de générer une plus petite trainée, et donc autorise une résistance aérodynamique moindre. Plus les trains se déplacent vite, plus la différence entre chaque série se creuse.
Il est également intéressant de constater que le martin-pêcheur n’est pas la seule espèce animale à avoir servi aux ingénieurs du Shinkansen. Pour la construction de leurs pantographes (dispositifs articulés sur le toit des trains qui reçoit le courant des câbles électriques), Eiji Nakatsu s’est également inspiré des dentelures au bord des ailes des hiboux. Ces dentelures qui séparent le flux d’air sur lequel le hibou s’appuie en plusieurs petits vortex différents, réduisent considérablement la quantité de son qu’il émet lors de son vol. Cette forme de dentelure a fait que les pantographes, qui jusque là étaient responsables d’une grande partie du son émis par le train, sont devenus plus silencieux.
Simulations
A l’aide d’un logiciel de simulation de fluides, nous avons élaboré des scénarios afin d’observer la variété des ondes de choc produites par différentes formes aérodynamiques de la locomotive. Nous avons ainsi pu observer que l’air (ici remplacé par un fluide) circule mieux autour de l’avant du train lorsque celui est pointu, et qu’une plus petite onde de choc est aperçue lorsqu’il sort du tunnel. Nous avons arrêté les simulations à 5 secondes après leur début (voir ci-dessus) et il est ainsi bien visible que lorsque l’avant du train est plat, une onde de choc plus grosse est produite. Le bec du martin-pêcheur n’est pas simplement pointu. Nous aurions obtenu une onde de choc encore plus petite si la forme illustrative de l’avant du train dans la simulation était plus proche de celle du martin-pêcheur.
TPE - Le biomimétisme dans les transports 