开学第一课:高铁列车头——来自翠鸟喙的启发

地球上的生物都是大自然的完美杰作,它们独特的生存技能常给人类带来巨大的启发。

翠鸟,一种体型不大的水鸟,常栖息于溪涧、小河、湖泊。小学语文中有篇课文《翠鸟》,就描写了这种鸟的美丽:“头上的羽毛像橄榄色的头巾,绣满了翠绿色的花纹。背上的羽毛像浅绿色的外衣。腹部的羽毛像赤褐色的衬衫。”

翠鸟主要以捕鱼为生,那它到底是如何捕鱼的呢?像老鹰一样用爪子捕获猎物吗?当然不是。这种独特的鸟类完全靠它长长的嘴,也就是它的喙来捕鱼。翠鸟的喙长而尖,远看很像啄木鸟。翠鸟捕鱼并不像鹰一样声势浩大,恰恰相反,它是无声的猎手。

翠鸟常独自栖息在水边的树枝或岩石上,伺机猎食。它捕鱼的方式看起来非常简单:静静地凝视水流等待猎物,一旦有鱼出没,它便一头扎进水中。它俯冲而下,又尖又细的喙像针尖一样刺破水面,在一秒钟之内抓住小鱼,整个过程迅捷流畅,不会激起任何声响。

我们人类的科学家注意到了翠鸟的天赋,经研究后发现,翠鸟流线型的长喙是其中的关键,于是科学家从中获得了灵感,带来了技术上的突破。

20世纪60年代,日本新干线开通运营,但“隧道音爆”问题一直困扰着这条繁忙的高速铁路。“隧道音爆”,简单的说就是列车进入狭窄的隧道时,挤压隧道内的空气,使车头前面形成了一团被压缩的气体,而在隧道出口,空气压力突然变化,就像啤酒瓶的盖子被打开的那一瞬间,高压气体瞬间释放,“嘭”的一声,产生巨大的噪音,像爆炸了一样。因为最初的设计并没有考虑到这一点,于是给周围的居民带来了极大的困扰。让列车更安静,成为当时急需要解决的一个难题。

20世纪90年代末,日本铁路工程师在翠鸟从空中扎入水中的画面找到了灵感。是不是可以仿照翠鸟长喙的形状来设计高速列车呢?带着这个想法,工程师团队进行了各种测试,结果发现,理想的列车头部形状几乎和翠鸟的喙是一样的!于是他们以翠鸟的喙为原型设计了新的列车——新干线500系子弹头列车。

结果怎么样呢?

这种新设计的列车有效地降低了“隧道音爆”的噪音,而且和原来的列车相比,空气阻力降低了30%,能量消耗减少,列车行驶速度更快,创下了当时的世界纪录。

这是大自然的灵感,是仿生学带给人类的礼物。从对各种生物的模仿中,人类创造、优化了我们的产品和技术。这是仿生学应用于现实,造福人类的价值所在。

是不是很神奇?完美的喙,更经济高效的车头。因为模仿,人类创造了自己的杰作,改善了生活。让我们记住这个空中猎手——翠鸟。

参考文献:
1.Vaclav Smil. Fifty years of the shinkansen[J]. The Asia-Pacific Journal,2014,12(48).
2.https://labs.blogs.com/its_alive_in_the_lab/2012/04/biomimicry-japanese-train.html
3. 俞展猷. 日本新干线高速列车的发展历程[J]. 机车电传动, 2003(02):6-12.
4. 赵正阶. 中国鸟类志(上卷 非雀形目). 吉林:吉林科学技术出版社, 2001:713-714.
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