De ijsvogel is een van de mooiste vogels in Nederland, vindt Volkskrant-natuurredacteur Jean-Pierre Geelen. In zijn nieuwste boek beschrijft hij een wonderlijke geschiedenis: hoe de ijsvogel cruciaal was bij het ontwerp van een hogesnelheidstrein.
is wetenschapsredacteur van de Volkskrant. Hij schrijft over natuur en biodiversiteit.
Dat de ijsvogel een bijzonder beestje is, zal iedereen beamen die er weleens een over het water zag flitsen. Die toverbal die ineens oplicht vanuit het niets, met dat helblauwe ruggetje en die feloranje borst voorbijsnelt en dan weer weet op te gaan in het groene gebladerte aan de oever van een water – je stond erbij, maar al snel geloof je je ogen niet.
Naast dat hoogst particuliere genoegen heeft de ijsvogel de mens veel meer gebracht. Het bekendste voorbeeld komt uit Japan, waar ‘onze’ ijsvogel ook leeft. In 1989 reed door dat land de uiterst moderne Shinkansen-trein, nog altijd de benaming van de hogesnelheidstrein daar. De maximumsnelheid van tussen de 250 en 300 kilometer per uur die de trein wist te bereiken, was zeker voor die tijd een novum.
Er was wel een probleempje: elke keer dat het voertuig – ongeveer van ‘ons’ model ‘hondenkop’ – door een tunnel ging, produceerde dat een enorme herrie. Niet afkomstig van de motor of van de wielen die over stalen rails denderden, maar van de luchtdrukgolven die door de hoge snelheid van het gevaarte door de tunnel geperst werden. Die samengebalde, voortgestuwde lucht kwam aan het einde van tunnels vrij met knallen die tot op 400 meter afstand te horen waren.
Er werd een legertje van wetenschappers en industrieel ontwerpers losgelaten op een nieuw model, dat mogelijk nog sneller, maar in elk geval efficiënter en geluidlozer door het land zou kunnen trekken. En hier bewees zich de waarde van het vogels kijken: als teamhoofd Eiji Nakatsu geen vogelaar was geweest, was de Japanse trein misschien allang tot stilstand gekomen. Als de ingenieur in zijn vrije tijd niet ooit nauwkeurig van nabij had gezien hoe een ijsvogel op zijn prooi duikt met minimale breking van het wateroppervlak, dan had de trein er heel anders uitgezien, of was het probleem van de knallen misschien nooit opgelost.
Nakatsu maakte voor het ontwerpen van een nieuw model van de hogesnelheidstrein gebruik van de eigenschappen van drie vogelsoorten. De prominentste rol is voor de ijsvogel.
Allereerst baseerde hij de nieuwe pantograaf (de constructie op het dak van een trein, die de stroom van de leidingen geleidt naar de locomotief) op de vleugels van een uil. Die vogelsoort weet vrijwel geluidloos door de schemering of nacht te glijden, geen muis die hem hoort.
Dat vermogen dankt de uil aan de uiteinden van zijn vleugelveren: die zijn, anders dan bij veel andere vogelsoorten, aan de voorkant iets gerafeld en hebben een open structuur. De voorste vleugelrand oogt als een kam. Daardoor botst de lucht tijdens een vlucht minder abrupt tegen de vleugel, wat tot minder geluid leidt.
Nakatsu modelleerde de pantografen van zijn nieuwe trein naar de veren van uilen. En inderdaad: minder geluid. De vorm van de adeliepinguïn – een kleine zwart-witte soort met witte oogring, die leeft op de ijskappen van Antarctica – inspireerde Nakatsu bij de gestroomlijnde vorm van zijn nieuwe ontwerp.
Maar de belangrijkste wijziging in het ontwerp danken Nakatsu en de trein aan de ijsvogel. Het was de vorm van zijn snavel die hem al langer intrigeerde. Hoe was het mogelijk dat de ijsvogel op zijn prooi in het water duikt zonder vrijwel een spettertje te veroorzaken? Het geheim schuilt – niet verwonderlijk voor wie ooit langer dan tien seconden naar een ijsvogel heeft kunnen kijken – in die snavel. Die dolk, die speer, die naald die het wateroppervlak doorklieft als een verwarmd mes door een pakje koude roomboter.
Nakatsu had zijn ijsvogel goed bekeken toen die op een visje dook. Kijken is ook een kunst, want Nakatsu had iets opmerkelijks gezien: pas wanneer de vleugels van de ijsvogel het water raken, ontstaat er iets van rimpeling. En dus niet al zodra de snavel het water raakt. Er moest dus iets bijzonders aan die snavel zijn. Maar wat? Dat ging hij uitzoeken.
Het team van Nakatsu nam het ‘ontwerp’ van de ijsvogelsnavel mee naar de tekentafel, en fabriceerde enkele kogels met verschillende vormen. Een van die vormen was gemodelleerd naar de snavel van de ijsvogel. De kogels werden afgeschoten in smalle buizen en in water, om onder beide omstandigheden de weerstand te meten. Het model met de ‘ijsvogelsnavel’ bleek het minste geluid te produceren en dus de minste weerstand op te leveren.
Op basis van deze bevindingen kon Nakatsu een nieuw model voor de hogesnelheidstrein ontwerpen, de ‘Hayabusa’ uit de E5-serie die in 1997 in Japan werd geïntroduceerd. De nieuwe trein bleek niet alleen 10 procent sneller te kunnen rijden en 15 procent minder elektriciteit te verbruiken, ook bleef het geluid van het voertuig onder de grens van 70 decibel – qua belasting te vergelijken met het rumoer in een druk restaurant. Dat laatste kan nog altijd hinderlijk zijn, maar het valt in het niet bij de explosies waarmee de Japanse trein eerder hele woonwijken deed opschrikken.
Deze manier van producten ontwerpen komt vaker voor. Het specialisme draagt de verzamelnaam ‘biomimicry’, oftewel de wetenschap en techniek waarmee ideeën en verschijnselen uit de natuur worden geïmiteerd voor menselijke toepassingen, om uitvindingen te verbeteren of te verduurzamen. Afgaande op de spectaculaire winst die werd geboekt voor de Japanse snelle trein, is de ijsvogel een van de vaandeldragers van deze relatief nieuwe ontwikkeling in de wereld van wetenschap en design.
Omdat wetenschap nooit ophoudt vragen te stellen, onderzochten drie medewerkers van de School of Environmental and Natural Sciences, onderdeel van de Bangor University (in Wales) of er geen andere (ijs)vogelsoorten bestaan met nog aerodynamischer eigenschappen.
Zij onderzochten welke van de 114 duikende vogelsoorten de meest hydrodynamische snavelvorm heeft, en dus de minste weerstand oplevert bij een duik in het water.
Vanzelfsprekend speelden ijsvogels (uit de hele wereld) de grootste rol in hun onderzoek.
In het tijdschrift Journal of The Royal Society Interface beschreven de wetenschappers hoe ze de snavels van vogelsoorten precies nabootsten met behulp van een 3D-printer. In het laboratorium lieten de onderzoekers vervolgens hun snavelmodellen steeds vanaf dezelfde hoogte in bakken met water vallen, om tijdens die ‘duik’ te meten hoe de snelheid afnam vanaf het moment dat de snavels het wateroppervlak raakten.
Wat bleek, misschien niet heel verwonderlijk: hoe langer en smaller de vorm van de snavel, hoe ‘beter’ of efficiënter de duik. De top 3 bestond uit drie soorten ijsvogels. De beste en dus snelste duiker bleek de groen-bruine ijsvogel (Chloroceryle inda), die leeft in de Amazonegebieden van Brazilië en Venezuela. Goede tweede was de Amazone-ijsvogel (Chloroceryle amazona), die voorkomt in grotere delen van Midden- en Zuid-Amerika. Het brons was voor de strandijsvogel, ook wel hagedisijsvogel (Todiramphus saurophagus) genoemd, die alleen voorkomt in Papoea-Nieuw-Guinea en Indonesië. ‘Onze’ Europese ijsvogel belandde op de zesde plaats, nog altijd respectabel.
Dat Nakatsu de Europese ijsvogel koos voor zijn treinontwerp, berustte louter op zijn eigen observaties als vogelaar. Bij elke spoorwegovergang weten Japanners nu: wacht tot het rode licht gedoofd is, er kan nog een ijsvogel komen.
Dit is een bewerkt fragment uit het boek ‘De ijsvogel’ van Jean-Pierre Geelen en Saskia van Loenen, dat deze week verscheen bij uitgeverij AtlasContact.
Luister hieronder naar onze wetenschapspodcast Ondertussen in de kosmos. Kijk voor al onze podcasts op volkskrant.nl/podcasts.
Alles over wetenschap vindt u hier.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant