Biomimétisme et transports

Le Shikansen, le « train martin-pêcheur ».

Le Shikansen, le « train martin-pêcheur »

Le Shinkansen (新幹線) est le train à grande vitesse en service au Japon.  Le premier tronçon  entre Tokyo et Osaka a été construit entre 1959 et 1964 et  inauguré pour les Jeux Olympiques de Tokyo. A l’époque c’était le train le plus rapide du monde. Grâce à des améliorations successives, sa vitesse de pointe est passée de 210 à 405 km/h. Ainsi, sa vitesse de croisière  est de 320 km/h, ce qui reste considérable.

Ce diaporama nécessite JavaScript.

Dès ses débuts le Shinkansen a rencontré de nombreux problèmes. Pour un train roulant à 300 km/h, environ 90% de la résistance au déplacement  provient de la traînée aérodynamique (force qui s’oppose au mouvement d’un corps dans un liquide ou un gaz). Le Japon étant un pays montagneux, les trains doivent souvent passer par des tunnels. Lorsqu’ils circulent à grande vitesse ils compriment et déplacent beaucoup d’ air. Normalement cet air se diffuse dans toutes les directions. Mais, lorsque les trains entrent dans un tunnel, celui-ci n’arrive pas à s’échapper et donc il est comprimé à l’avant des trains  provoquant “boom” sonore qui dérange les riverains vivant à proximité.

Eiji Nakatsu

Eiji Nakatsu

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. En effet, cet oiseau est le plus efficace sur terre pour passer entre deux milieux de densités différentes. Eiji Nakatsu eut 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 utilisant cette forme particulière ont été très satisfaisants. Les ingénieurs du Shinkansen ont ainsi observé une importante réduction du bruit du train à la sortie des tunnels et une amélioration de l’aérodynamisme. Cette forme particulière permet à l’air, à l’entrée du tunnel, de s’écouler autour de l’avant du train sans difficulté. Ainsi, celui-ci n’étant plus comprimé à l’intérieur du tunnel, le bang sonore ne se produit plus.

Cette forme également permet 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 d’un tunnel.

La forme pointue de l’avant du Shinkansen  réduit sa consommation d’énergie de 16% et d’augmente sa vitesse d’à peu près 10%.

 

Zoom sur le matin pêcheur:

Martin-pêcheur d'Europe

Martin-pêcheur d’Europe

Réparation géographique du Martin Pëcheur

Le martin-pêcheur est un oiseau de petite taille (17 cm, 40g) aux couleurs brillantes et vives : bleu turquoise (sur le dos), et orange (sous le ventre). On peut le rencontrer le long des rivières, les lacs et les étangs de basse altitude.

Les poissons constituent sa principale source de  nourriture. Le martin-pêcheur peut attendre longtemps immobile, sur un perchoir quelconque, à l’affût d’une proie. Il plonge, à la verticale, et avale les poissons dans le sens des écailles.

Pour sa survie ce  petit oiseau doit donc pénétrer dans l’eau en perdant le moins de vitesse possible  et en faisant le minimum de remous afin d’attraper efficacement sa nourriture. Il a donc développé un bec extrêmement aérodynamique lui permettant de passer de l’air à l’eau le plus efficacement possible.

En effet avec un bec plus arrondi (A) en pénétrant dans l’eau l’oiseau serait ralenti et provoquerait des remous qui feraient fuir les poisons. Alors qu’avec un bec pointu (B) le martin pêcheur peut rentrer dans l’eau sans perte de vitesse importante et sans remous ce qui lui permet de capturer ses proies plus facilement.

bec martin pecheurMatin Pecheur

Expérience 1:

Afin de montrer l’influence de la forme dans la capacité à passer entre deux milieux de densité différente nous avons réalisé une expérience mettant en évidence la nécessité d’employer une forme conique telle que celle du matin pêcheur ou du train Shinkansen pour limiter l’onde sonore ou le choc ainsi que la perte de vitesse.

Expérience 2:

Afin de montrer l’apport aérodynamique de la forme inspirée du martin-pêcheur nous avons tenté de réaliser un test d’aérodynamisme comparant le Shinkansen et un train classique.

Explication physique de aérodynamisme du martin-pêcheur/Shinkansen

Comme nous l’avons expliqué  plus haut le martin-pêcheur arrive à plonger dans l’eau avec le minimum de remous, il arrive ainsi à passer très facilement d’un milieu avec une certaine densité à un autre ayant une densité différente. La forme de son corps, particulièrement fuselé, réduit donc la traînée aérodynamique.

Traînée aérodynamique:

En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s’oppose au mouvement d’un corps dans un liquide ou un gaz.martin forces

Elle s’exprime avec la formule suivante :

              formule trainé

Avec:

  • f7f177957cf064a93e9811df8fe65ed1 la masse volumique du fluide en kg/m3
  • v la vitesse en m/s
  • s la surface du maître couple* en m²Save0040
  • Cx le coefficient de traînée

*Surface de projection orthogonale du mobile sur un plan perpendiculaire à la direction de la vitesse.


Coefficient de traînée:

Le coefficient de traînée est le coefficient le plus important et le plus dur à trouver de l’équation de la force de traînée.

L’équation pour trouver le coefficient de traînée d’un solide est:

coefcoef valeur Mais ceci pose un problème: le coefficient de traînée n’est calculable qu’avec la force de traînée et la force de traînée n’est calculable qu’avec le coefficient de traînée. Le seul autre moyen de trouver le coefficient de traînée est de faire l’expérience dans une soufflerie avec une maquette du solide. Comme nous n’avons pas accès à une véritable soufflerie nous avons décidé  d’utiliser des coefficients calculés par des professionnels.

Force de traînée en fonction du solide:

Nous allons calculer la force de traînée d’un train « classique »  (notéeFX) et du martin-pêcheur/Shinkansen (notéeFMP) s’ils étaient de même taille (‘rayon’ de 1 m soit une surface de π m²) et avançaient à 70 m/s (252 km/h) dans l’air à 20°C  dont la masse volumique est de 1,204kg/m3. Nous utiliserons  un coefficient de traînée de 0,3 pour le martin-pêcheur/Shinkansen et 1,0 pour le train « classique ».

Force de traînée de train classique:

FT2

FT 3
Force de traînée du martin-pêcheur/Shinkansen:

Fmp3

Fmp4

Comparaison des forces de traînée:

compare2

Le modèle de train « classique » roulant à 252 km/h a donc 3,333 fois plus de résistance de l’air que le Shinkansen.

Au travers de ces deux calculs nous pouvons donc conclure que la traînée aérodynamique du martin-pêcheur/Shinkansen  est nettement plus faible que celle d’un train « classique ». Cela permet donc à la fois d’augmenter leur vitesse et de diminuer les remous lors des changements de milieu.

8 réflexions sur “Biomimétisme et transports

Votre commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l’aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion /  Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l’aide de votre compte Twitter. Déconnexion /  Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l’aide de votre compte Facebook. Déconnexion /  Changer )

Connexion à %s