물총새에서 영감을 얻은 초고속 열차? 신칸센 KTX

오늘 소개해 드릴 자연모사의 사례는 동물의 형태에서 영감을 받아 탄생한 생체모방 기술입니다.

자연에서 영감을 받은 디자인의 훌륭한 예가 많이 있지만 이번에 소개할 사례는 아마 가장 대표적인 자연 모사 성공사례라고 생각합니다.
초고속 열차의 시초인 일본의 신칸센 열차를 아시나요?

우리나라의 KTX와 유사한 이 초고속 열차는 물총새의 형태에서 영감을 얻어 지금의 모습으로 발전해 왔답니다.

 

물총새와 신칸센 열차의 유사한 디자인

신칸센이라고 불리는 일본의 초고속 열차는 3,000km 이상의 선로를 통해 일본의 주요 도시 대부분을 연결하는 고속철도 네트워크입니다.

이 열차의 최고 운행속도는 시속 320km(음속의 25%)이지만, 시험 운행에서는 무려 시속 443km(음속의 35%)를 기록했다고 합니다.
물총새의 형태를 모방하기 전 기존의 일본 열차는 엔진 앞에 큰 총알 모양의 공이 있는 듯한 둥근 앞모습을 가지고 있었습니다.

이러한 형태는 극단적인 속도로 달리는 열차가 터널에서 나왔을 때 앞에서 마주치는 압력파를 밀게 되면서 큰 소리를 발생시켰으며 압력이 사라지면서 끔찍한 큰 소리를 발생시켰답니다.

그로 인한 문제는 지속적인 소음 공해를 일으켜 수백 미터 떨어진 주민들을 힘들게 했습니다.
따라서 일본에선 이러한 소리 문제를 해결하기 위해 엔지니어에게 명령하였는데 이때 그 엔지니어가 바로 조류 관찰자였습니다.

그는 새인 물총새가 첨벙거리지 않고 정말 빠르게 물속으로 뛰어든다는 것을 알고 있었기 때문에 물총새를 자세히 관찰하면 소음이 없는 이유를 알 수 있지 않을까 생각하였습니다.

물총새의 조용한 사냥과 신칸센의 저소음 운행

우선 가장 큰 문제인 소음의 가장 중요한 원인인 소닉 붐은 초고속 열차가 터널에 진입하면 음속으로 터널을 빠져나가는 저주파 압력파(20Hz 미만)를 발생시킴으로서 생성 됩니다.

이 소리는 기차의 속도와 터널의 기하학 결과이기 때문에 기존의 기술로는 해결하기 매우 어려운 문제였습니다.
왜냐하면 열차의 속도가 증가하면 터널 내부의 압력이 증가하는데 이 때문에 터널을 새로 짓는 것이 매우 비현실적이었기 때문입니다.

따라서 엔지니어들은 압력파가 쌓이는 것을 방지하기 위한 좀 더 현실적인 솔루션이 필요했습니다.
조류 관찰자를 포함한 엔지니어링 팀은 자연에 눈을 돌려 물총새가 야외에서 물속으로 빠른 속도로 잠수하여 물보라를 최소화한다는 점에 주목했습니다.

그들은 물총새 부리의 모양이 거의 매끄러운 전환을 가능하게 한 것이라고 추측하였으며, 초고속 열차 기술자들은 물총새의 부리가 위쪽 부리와 아래쪽 우리 모두 측면이 구부러진 삼각형 단면 형태의 회전하는 포물선이라는 사실을 발견했습니다.
그들은 열차의 앞부분, 즉 기수에 대한 이상적인 모양이 바로 회전하는 포물선 몸체이며 물총새 부리가 가장 효율적인 모양임을 발견했습니다.
따라서 기존의 둥근 총알 모습의 열차에서 물총새 부리와 매우 비슷한 기차 코가 채택되어 지금의 날카로운 앞모습을 가지는 신칸센 초고속 열차가 탄생하였습니다.
이 설계는 소닉 붐을 줄여 초고속 열차가 소음 제한을 유지하면서 더 빠른 속도로 운행할 수 있도록 했습니다.

또한 이 새로운 초고속 열차 모델은 소음 감소뿐만 아니라 공기 저항도 감소시켜 에너지 소비 감소 및 비용 절감이라는 이점도 제공했답니다. 그 결과 1997년 신칸센 열차는 엄격한 소음 기준을 충족하면서 최고 속도(당시 세계 기록이었던 300km/h)로 달릴 수 있었습니다.

 

 

자연은 물총새를 만들었고, 그런 물총새에서 영감을 받은 초고속 열차는 실제 생체모방 디자인의 가장 가까운 예가 아닐까 생각이 듭니다.
자연에 대한 심도 있는 연구를 통해 신칸센 엔지니어들은 소음을 줄이고 속도를 높이며 에너지 소비를 줄이고 비용을 절약할 수 있었습니다. 앞으로도 우리가 마주치는 기술적인 문제를 한 걸음 물러서서 대자연이 이 문제를 해결했는지 또는 여러 자연 시스템의 구성 요소를 잘 살펴본다면 인간들이 마주하는 다양한 문제들에 대한 해결책을 찾아 나갈 수 있지 않을까요?

 

 

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