[설명환의 IT읽기] 쉿! 물총새, 고속 열차 소음을 해결하다

최영무 2017-01-02  
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시속 600km.

카메라에 잡혔다. 순식간에 사라질 정도의 속도다.

일본이 9조300억 엔(약 93조 원)을 들여 2045년 개통 목표로 시속 600km, 비행기 속도를 내는 고속열차를 건설한다. 이 속도면 서울에서 부산까지 40분 만에 주파할 수 있다.

현재, 시속 300km/h 이상의 속도를 자랑하는 고속열차 신칸센은 탄환 열차라고도 불리며 일본의 과학기술을 상징한다.

신칸센은 시리즈별로 디자인이 조금씩 다르다. 1996년에 선보인 500시리즈는 여러 신칸센 모델 중에서도 가장 빠른 속도를 자랑하면서 지금도 관광객들에게 큰 인기를 끌며 신칸센의 대표 모델로 손꼽힌다.

(사진설명: 신칸센 500시리즈 모델. 출처=userdisk.webry.biglobe.ne.jp)

500시리즈가 사랑을 받고 있는 이유는 마치 새의 부리처럼 뾰족하게 튀어 나온 앞머리와 항공기를 연상시키는 날렵한 모양새 때문이다.

일본의 JR사는 초기 신칸센 모델이 안고 있던 문제를 해결하기 위해 이러한 모양새를 채택했다.

신칸센 초기 모델이 처음 개통했을 당시엔 소음이 너무 심해서 시운전 자체가 불가능할 정도였다. 속도가 워낙 빠르다 보니 열차의 몸체와 지붕에 있는 집전장치에 바람이 부딪치면서 생기는 저항을 피할 수가 없었다.

열차가 좁은 터널에 빠른 속도로 진입하면 터널 내 공기가 갑작스럽게 압축되면서 압력이 높아진다. 특히 열차가 터널에 깊이 들어가면 갈수록 올수록 압축은 점점 더 심해져서 음속에 가까운 압력파가 발생하게 된다. 이 파동이 터널 출구를 통해 빠져나가면서 강력한 저주파 파장을 발생시켜 커다란 굉음과 함께 공기 역학적인 강한 진동이 발생한다.

그 때문에 터널에서 400m 떨어진 곳에 사는 주민들이 민원들의 소음에 시달려야 했다.

고심하던 JR사의 고속열차 엔지니어들은 고민을 거듭하다가 물총새(Common kingfisher, Alcedo atthis)의 물총새의 사냥 장면을 보고 해결책을 찾았다.

(사진설명: 물총새가 빠른 속도로 물속으로 다이빙하며 먹잇감을 사냥하고 있다. 출처=kr.pinterest.com)

물총새는 수면 위 1.5m 정도 높이에서 물속으로 빠르게 다이빙하며 먹잇감을 잡는다. 저항이 작은 공기 중에 있다가 저항이 큰 물속에 엄청난 속도로 뛰어들어도 물이 거의 튀지 않는다.

물총새만의 조용한 사냥 비법은 길쭉한 부리와 날렵한 머리에 있다. 부리가 완벽하게 대칭에 가까운 쐐기 모양이기 때문이고 부리 끝 한 점에서 시작해 머리쪽으로 갈수록 정확한 비율로 반경이 늘어난다. 날개를 접고 다이빙할 때의 물총새는 앞쪽이 가늘고 길게 튀어나온 탄환 모양이 되며, 덕분에 수면에 진입할 때 파동을 최소화할 수 있다.

물총새에서 영감을 얻어 신칸센 열차의 앞부분을 길고 뾰족하게 바꾼 결과 열차로 인해 발생하는 공기압이 30% 줄어들어 소음을 해결했을 뿐만 아니라 속도는 10% 증가했고, 에너지 소비량은 15% 감소했다.

(사진설명: 신칸센 500시리즈 모델. 출처=www.u-acg.com)

고속열차뿐만 아니라 공기저항을 줄이기 위해 태생적으로 공기역학을 고려할 수밖에 없는 미사일과 전투기가 새의 부리처럼 유선형을 유지하면서 폭이 좁고 길게 만드는 이유도 이 때문이다.

자연은 단순 모방을 넘어 산업에서 디자인을 새로 만들 때 훌륭한 교본 역할까지 수행하고 있다.

인류가 직면한 문제의 해답을 찾고 새로운 가치를 발견하는 노력의 중심에 자연중심 기술이 있다.

 

* 설명환 칼럼니스트

설명환 칼럼니스트는 반도체, IoT, 플랫폼 등 IT 분야에 대한 폭넓은 지식의 IT(정보기술) 전문가다. 현재 세계 5위권 메모리카드 전문 제조기업의 커뮤니케이션팀장으로 재직하고 있다. 2010년부터 문화체육관광부 KOREPA 전문위원과 서울특별시교육청 자문위원으로 활동하며 청소년 진로교육에 대한 종합적인 조언과 강의를 해오고 있다. 이메일 pr1st@naver.com

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