Carte d'identité du Shinkansen
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Date de création: 1964
Nombre de passagers: 4,2 milliards en 40 ans Prix de production: environ 40 millions la rame Longueur: 8 à 16 voitures Créateur: Eiji Nakatsu Lieu: Japon Coût de la traversée: environ 1332€ euros pour traverser sur toute la ligne, près de 2400km Le terme Shinkansen désigne le système de TGV (train à grande vitesse) en service au Japon. Ce nom (littéralement appelé « nouvelle grande ligne ») désigne aussi bien les trains que la société qui les a achetés : il s'agit de l'équivalent français de la SNCF. Les Shinkansen sont des TGV disposant de leur rails personnels, ce qui évite tout retard. De plus les techniques employées (confort, ...) ont fait du Shinkansen un précurseur et du Japon la plus grande puissance ferroviaire des trains à grande vitesse lors de sa mise en service en 1964 dominant la France avec qui ils ont toujours été en compétition. |
Carte des lignes de Shinkansen
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Protocole
Problème identifié
Japon, Asie de l'Est, Océan Pacifique,
Le Japon est un pays particulièrement montagneux et très allongé.Le train est donc la meilleure option pour voyager à travers ce pays.
Or, il serait trop dangereux pour les usagers de faire circuler un train en milieu montagneux car celui-ci déraillerait. En effet, un train ne peut monter et descendre en raison de son poids qui entrainerait sa chute. Ainsi, de nombreux tunnels furent construits pour permettre le passage des trains.
Mais un problème récurrent apparaissait à chaque passage de tunnel : la perte de vitesse y était considérable et lors de la sortie du train, une détonation incroyable était produite.
En effet, les anciens trains des lignes Shinkansen avait un profil qui offrait énormément de résistance à l'air ( Cx (coefficient de pénétration) =1), ainsi, il comprimait l'air dans le tunnel et à sa sortie, une incroyable onde de choc se libérait et provoquait un bruit immense. Usagers et citadins n'étaient donc pas satisfaits.
Le Japon est un pays particulièrement montagneux et très allongé.Le train est donc la meilleure option pour voyager à travers ce pays.
Or, il serait trop dangereux pour les usagers de faire circuler un train en milieu montagneux car celui-ci déraillerait. En effet, un train ne peut monter et descendre en raison de son poids qui entrainerait sa chute. Ainsi, de nombreux tunnels furent construits pour permettre le passage des trains.
Mais un problème récurrent apparaissait à chaque passage de tunnel : la perte de vitesse y était considérable et lors de la sortie du train, une détonation incroyable était produite.
En effet, les anciens trains des lignes Shinkansen avait un profil qui offrait énormément de résistance à l'air ( Cx (coefficient de pénétration) =1), ainsi, il comprimait l'air dans le tunnel et à sa sortie, une incroyable onde de choc se libérait et provoquait un bruit immense. Usagers et citadins n'étaient donc pas satisfaits.
Les Alpes japonaises
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Train entrant dans un tunnel
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Cette vidéo est une modélisation numérique d'un train ayant un très faible profil aérodynamique. On voit ici que l'onde de choc, ici due à la compression de l'air dans le tunnel, est très importante lors de la sortie du train. C'est la raison pour laquelle l'onde de choc et la perte de vitesse sont très importantes.
Transposition et observation du phénomène au niveau naturel
Eiji Nakatsu, l'ingénieur chef, et son équipe d'ingénieurs, s'intéressèrent alors aux caractéristiques du Martin-pêcheur, un oiseau très présent au Japon. Et pourtant, c'est bien chez ce petit animal que les scientifiques trouvèrent la solution à leur problème.
En effet, avant la conception de ce train, Eiji Nakatsu, l'ingénieur chef, se demanda qui, dans la nature, éprouvait la nécessité de passer d'un milieu léger à un milieu dense.
Il pensa alors au martin-pêcheur, qui comme l'indique son nom, est un pêcheur exceptionnel. Cet oiseau a l'habitude de patienter longtemps sur un perchoir à 3 m de hauteur avant de plonger en piqué vers la rivière ou la mer dont il crève la surface pour attraper sa proie : un poisson, qui constitue son principal garde-mangé. Il peut ainsi plonger jusqu'à 1 mètre de profondeur (car il freine sa plongée avec ses ailes), à une vitesse de 80 Km/h sans provoquer d'éclaboussures, ni même mouiller son plumage parfaitement imperméable.
Les chercheurs ont donc été séduits par cette technique de chasse car un train roulant à 300 km.s-1 à l'entrée d'un tunnel se présente dans une situation comparable.
En effet, avant la conception de ce train, Eiji Nakatsu, l'ingénieur chef, se demanda qui, dans la nature, éprouvait la nécessité de passer d'un milieu léger à un milieu dense.
Il pensa alors au martin-pêcheur, qui comme l'indique son nom, est un pêcheur exceptionnel. Cet oiseau a l'habitude de patienter longtemps sur un perchoir à 3 m de hauteur avant de plonger en piqué vers la rivière ou la mer dont il crève la surface pour attraper sa proie : un poisson, qui constitue son principal garde-mangé. Il peut ainsi plonger jusqu'à 1 mètre de profondeur (car il freine sa plongée avec ses ailes), à une vitesse de 80 Km/h sans provoquer d'éclaboussures, ni même mouiller son plumage parfaitement imperméable.
Les chercheurs ont donc été séduits par cette technique de chasse car un train roulant à 300 km.s-1 à l'entrée d'un tunnel se présente dans une situation comparable.
Un Martin-pêcheur en pleine chasse
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Martin-pêcheur venant d'attraper sa proie
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Compréhension du phénomène
Pourquoi le Martin-pêcheur peut se déplacer si rapidement dans l'eau?
Comme nous l'avons expliqué précédemment, le Martin-pêcheur peut plonger dans l'eau sans faire trop d'éclaboussures et sans grosse perte de vitesse grâce à deux facultés.
La première est que son plumage est très imperméable et super-hydrophobe, l'eau ne peut donc pas le mouiller durant le petit laps de temps de sa plongée et l'eau n'ayant aucune accroche sur lui, les forces de frottements que l'eau occasionnent habituellement sur un corps solide sont ici négligeables.
Toutefois, cela ne suffit pas à expliquer ce phénomène : un objet peut être super-hydrophobe et pourtant être stoppé par l'eau en raison d'un profil aérodynamique médiocre qui offre une grande résistance à son avancement (tel une demi-sphère retournée).
Or, le Martin-pêcheur a également la caractéristique d'avoir un profil presque idéal, de forme "ovoïde" qui lui permet d'avoir un coefficient de pénétration très faible. En effet, la forme de son bec est faite de telle sorte que les écoulements de fluides se fassent de façon laminaires autour de sa tête.
Ainsi, le corps du Martin-pêcheur est complètement conditionné pour la plongée et la pêche!
Ces deux caractéristiques lui permettent également de ne pas dépenser trop d'énergie et de ne pas se fatiguer. (phénomène que l'on retrouvera également chez le nouveau Shinkansen).
Comme nous l'avons expliqué précédemment, le Martin-pêcheur peut plonger dans l'eau sans faire trop d'éclaboussures et sans grosse perte de vitesse grâce à deux facultés.
La première est que son plumage est très imperméable et super-hydrophobe, l'eau ne peut donc pas le mouiller durant le petit laps de temps de sa plongée et l'eau n'ayant aucune accroche sur lui, les forces de frottements que l'eau occasionnent habituellement sur un corps solide sont ici négligeables.
Toutefois, cela ne suffit pas à expliquer ce phénomène : un objet peut être super-hydrophobe et pourtant être stoppé par l'eau en raison d'un profil aérodynamique médiocre qui offre une grande résistance à son avancement (tel une demi-sphère retournée).
Or, le Martin-pêcheur a également la caractéristique d'avoir un profil presque idéal, de forme "ovoïde" qui lui permet d'avoir un coefficient de pénétration très faible. En effet, la forme de son bec est faite de telle sorte que les écoulements de fluides se fassent de façon laminaires autour de sa tête.
Ainsi, le corps du Martin-pêcheur est complètement conditionné pour la plongée et la pêche!
Ces deux caractéristiques lui permettent également de ne pas dépenser trop d'énergie et de ne pas se fatiguer. (phénomène que l'on retrouvera également chez le nouveau Shinkansen).
La forme ovoïde par excellence
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Son profil ovoïde et sa super-hydrophobie offre au Martin-pêcheur une grande aérodynamique.
Noter ici les écoulements de fluide autour du Martin-pêcheur, de nature laminaire.
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S'approprier la solution et résoudre le problème
Ainsi, la société Shinkansen a lancé la production de ces trains à environ 40 millions d'euros l'unité sous la direction d' Eiji Nakatsu, entouré par son équipe d'ingénieurs et d'ouvriers.
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Les ingénieurs et designers ont donc imité la forme du bec et de la tête du martin-pêcheur pour dessiner l'avant de leur TGV. Ainsi, ils ont obtenu une baisse de la consommation électrique et énergétique de -15 %, et un gain de vitesse de 10 %, tout en limitant la formation des ondes de choc : ce profilage permet donc d'éviter la pollution sonore lors de l'entrée du train dans un tunnel. |
Un shinkansen
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Il est donc ici observable que les performances du nouveau Shinkansen sont bien supérieures à celle de l'ancien train, même si son prix est très élevé car ces trains sont très rentables car ils bénéficient de leur propre ligne et ont déjà transporté plus de 4,2 milliards de voyageurs en 40 ans.
Un Shinkansen en arrêt dont le coût de production avoisine les 40 Millions d'euros
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Deux Shinkansen à l'arrêt en gare de Tokyo au japon
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Ici, il s'agit de la modélisation numérique d'un train de forme conique entrant dans un tunnel. Même si l'onde de choc reste assez importante car le cône n'est pas non plus la forme idéale, on peut toutefois remarquer que l'onde de choc est moins "éclatée", moindre, que celle de la première vidéo.
