고속 열차와 물총새, 펭귄과 올빼미.

항상 인간은 자연에서 영감을 얻어 자신의 발명품을 만들어 왔습니다. 당신은 신칸센의 콘 모양이 자연에서 영감을 받았다는 것을 알고 계셨나요? 이 글에서는 왜 고속열차가 콘 모양을 가지게 되었는지, 그리고 그 이유에 대해 알아보겠습니다.

일본의 첫 고속열차는 평균 시속 200km에 달하는 속도를 자랑했습니다. 일본의 연구자들은 항상 고속열차의 속도를 높이기 위해 노력했지만, 큰 문제에 부딪혔습니다. 고속열차가 내는 소리가 너무 컸고, 터널을 빠져나올 때 음속 폭발(소닉 붐)이 일어나 400m 떨어진 곳까지 진동이 전달되었습니다. 소리 때문에 근처에 사는 사람들이 잠을 깼고, 야생 동물의 생태계까지 파괴되고 있었습니다.

이 문제의 해결책은 나카츠 에이지(中津英治)라는 엔지니어이자 조류 관찰자에 의해 발견되었습니다. 물총새가 먹이를 먹는 모습을 관찰하면서, 그는 이 새가 물을 튀기지 않고 높은 속도로 잠수할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그는 물총새가 공기의 낮은 저항에서 물의 높은 저항으로 어떻게 이렇게 빠르게 적응할 수 있는지 자문했습니다. 그의 영어 이름 KingFisher는 문자 그대로 ‘물고기 왕’으로 번역될 수 있습니다.

물총새의 콘 모양

해당 열차는 1989년과 1995년 사이에 기획되고 구상되었습니다. 목표는 승객이 오사카에서 하카타까지 약 2시간 30분 만에 이동할 수 있도록 하는 것이었으며, 이는 평균 시속 350km/h의 속도를 요구했습니다. 문제는 소음, 진동, 그리고 압력파였습니다.

물총새의 머리 형태는 공중을 미끄러지듯 날아가 물고기를 잡기 위해 물속으로 잠수할 수 있게 해줍니다. 이 새는 낮은 압력에서 높은 압력으로 전환하는 데 있어 가장 효율적인 동물입니다. 그래서 나카츠 에이지는 물총새를 본떠 고속열차의 콘 모양을 재설계하고 소음을 제거했습니다.

물총새 덕분에 열차가 발생시키는 공기압은 30% 감소했고, 더 조용하게 주행하며 10% 더 빨라졌고, 전기 사용량은 15% 줄었습니다. 덕분에 신칸센이 터널을 통과할 때 큰 소음이 발생하지 않습니다.

고속열차를 위한 다른 자연의 영감

물총새가 고속열차의 부품에 영감을 준 유일한 동물은 아닙니다. 열차에 전력을 공급하는 팬터그래프도 예전에는 소음을 냈습니다. 일본 연구자들은 부엉이(올빼미)의 오목한 얼굴과 톱니 모양의 날개를 이용해 팬터그래프를 재설계하여 이 소음을 흡수했습니다.

팬터그래프의 형상에 영향을 준 또 다른 동물은 펭귄입니다. 펭귄은 물고기를 잡기 위해 물속을 쉽게 움직일 수 있는 형태를 가지고 있습니다. 팬터그래프의 지지 축은 펭귄의 몸처럼 재설계되어 바람의 저항을 줄이고 공기역학적 소음을 줄였습니다.

이러한 자연의 영감 덕분에 일본의 고속열차는 점점 더 빠르고 조용해졌습니다. 덕분에 6400만 명 이상의 사람들이 안전하고 평화롭게, 세계에서 가장 잘 설계되고 안전한 발명품 중 하나를 이용할 수 있게 되었습니다. 일본인들은 자신의 설계에 너무나도 확신을 가지고 있어서 고속열차에는 안전벨트조차 없습니다. 철도 교통은 가장 적은 양의 온실 가스를 배출하며, 더 빠르고 더 안전합니다. 신칸센 덕분에 일본에서는 2000명 이상의 교통 사망자가 줄어들었습니다.

고속열차뿐만 아니라, 수많은 다른 인간의 발명품들도 자연에서 영감을 얻었습니다. 여기서 우리가 배울 수 있는 교훈은 무엇일까요? 개인적으로, 이런 것들이 우연히 생겨났다고 생각하기는 어렵습니다.