Když se vlak vřítí do tunelu rychlostí přes 300 km/h, vzniká pístový efekt – neviditelná, ale mocná síla, která způsobuje hlukové exploze a tlakové šoky. Japonsko teď hledá způsoby, jak tento fyzikální jev zkrotit a udržet si vedení v oblasti vysokorychlostní dopravy.
Píst ve čtyřdobém motoru je zodpovědný za pohyb vzduchu uvnitř motoru, aby ho stlačil a usnadnil hoření nebo výbuch paliva, nebo aby ho vytlačil ze spalovací komory. Jinými slovy, tlačí, aby pohyboval vzduchem nahoru nebo dolů.
Nyní si představte vlak přijíždějící do tunelu rychlostí přes 300 km/h. Najednou se vlak z vnějšího prostředí stane v tunelu hybatelem vzduchu. Tlačí ho směrem dopředu. Jeho pohyb by byl velmi podobný pohybu pístu. Vlak se pohybuje přímočaře a kolem něj by se tunel choval jako spalovací komora.
To se nezdá být problém. Tedy není, pokud si myslíte, že vzduch je jednoduše vytlačen k východu, kde se bez dalších problémů uvolní. Stejně tak to není problém, pokud vaše vysokorychlostní tratě vedou přes most dlouhý více než 100 kilometrů.
Související článek
Ale pokud jste hornatá země a udělali jste z železnice hvězdný prostředek pro přesun milionů lidí rychlostí stovek kilometrů za hodinu, pak máte problém. Ano, máte problém. Protože pístový efekt je čistá fyzika a vyřešit ho tak, abyste získali rychlost, není snadné.
Když byly nejlepší
V roce 1964 vyhrál Abebe Bikila v ulicích Tokia svůj druhý olympijský maraton. Učinil tak v botách Adidas, které si v ničem nezadaly se slavnými 42 195 metry, jež uběhl bosý v Římě a vyhrál o čtyři roky dříve.
Nevíme, zda Bikila jel oním prvním šinkansenem, který spojil města Tokio a právě Ósaku. Ten samý rok začal v Japonsku jezdit rychlovlak, jehož provoz podnítily olympijské hry v japonském hlavním městě. V té době obě města spojoval vlak, který dosahoval maximální rychlosti 210 km/h, což z něj činilo první vysokorychlostní vlak na světě.
O více než 60 let později už Japonsko není zemí s největším počtem vysokorychlostních kilometrů na světě. Dnes je to Čína. Dává to smysl, vezmeme-li v úvahu, že země je obrovská, takže pokud by se tento dopravní prostředek začal prosazovat, dříve či později by svého souseda předstihla.
Je však velmi pravděpodobné, že Japonsku více uškodilo něco jiného. Čína dělá z rychlovlaku svou vlajkovou loď. Nejnovější pokroky Číny s konvenčními vysokorychlostními vlaky CR450 dosáhly při testování rychlosti 453 km/h u jednoho vlaku a relativní rychlosti 891 km/h při míjení dvou vlaků. Vlaky Maglev, jako je Shanghai Maglev, dosahují provozní rychlosti 430 km/h.
Problémem pro Japonsko je, že Čína má spoustu peněz. A pokud budou muset postavit osm z deseti nejdelších mostů na světě, aby překonali geografické zvláštnosti, tak se do toho pustí.
Japonsko se musí vypořádat se spoustou hor a tradičnějším systémem: tunely. A to je problém, když chcete provozovat vlak velmi vysokou rychlostí.
Když vlak překročí práh tunelu, vznikne takzvaný pístový efekt, což je problém, který brání vlaku jet rychleji. Důsledky jsou stejně jednoduché jako závažné: exploze hluku, rozbití zařízení a ušní bubínky cestujících.
Při vjezdu do tunelu se vzduch stlačí a pohyb vlaku ho posune směrem k východu. Část tohoto vzduchu se však odráží zpět a vytváří tlakové změny, které mohou být pro cestující obzvláště bolestivé a mohou zasáhnout i střední ucho. Při pohybu vlaku směrem ven vzniká tlaková vlna, která postupuje rychlostí zvuku, a když vlak opouští tunel, vzniká rázová vlna a zvuková exploze, která je podle odhadů slyšet na vzdálenost 400 metrů. Tomuto jevu se říká tunelový třesk.
Japonsko se nyní potýká s problémem, který se táhne z minulosti. Jeho vlaky jsou širší než evropské, ale tunely jsou užší. Důvodem bylo snížení nákladů na infrastrukturu, ale také snížení rizika sesuvu půdy v případě zemětřesení. Zpočátku to nebyl problém, ale jak se rychlost vlaků zvyšovala, zjistili, že nebudou schopni držet krok.
V Číně vlaky používají standardní rozchod kolejí (1435 mm) stejně jako japonské šinkanseny, nově budované tunely jsou však širší, aby se minimalizoval pístový efekt, což je možné, protože nezachovávají starší konstrukce. Tím se snižuje tlaková vlna (komprese), která vzniká při vjezdu vlaku do tunelu, a zmírňují se tak problémy pro cestující. Kromě toho, protože při průjezdu vlaku vzniká menší odpor, snižují se také náklady na energii.
Řešení pro Japonce není jednoduché. Na první vysokorychlostní trati Tokaido Shinkansen (která spojuje Tokio s Ósakou) 13 % celkových délky trati prochází tunely. Na trati Sanyo Shinkansen však vlaky projíždí tunely polovinu času. A rozestavěný Hokkaido Shinkansen (tato trať je otevřena jen částečně) počítá s 80 % zastřešením trasy.
Řešení a budoucnost
Japonsko tváří v tvář této výzvě nezahálí. Pracuje na inovativních řešeních, jak zmírnit pístový efekt. Jednou ze strategií byl aerodynamický design vlaků, například použití delších a špičatějších nosů, které pomáhají snížit dopad vzduchu vnikajícího do tunelů. Kromě toho byly ve vlacích zavedeny technologie tlumení zvuku a tlaku, které mají zlepšit zážitek cestujících.
Japonsko rovněž zkoumá možnosti vývoje vlastní technologie vlaků maglev. Projekt Chuo Shinkansen, který by měl spojit Tokio s Nagojou, je plánován na dokončení kolem roku 2027, avšak čelí zpožděním a očekává se, že bude dokončen později. Projekt bude využívat tuto technologii magnetické levitace, která umožní dosáhnout rychlosti až 500 km/h. Tento systém slibuje nejen vyšší rychlost, ale mohl by také zmírnit některé problémy spojené s pístovým efektem, protože vlaky maglev nemají fyzický kontakt s kolejemi.
V mezinárodním měřítku zůstává Japonsko lídrem v oblasti železniční technologie a vyváží své zkušenosti a technologie do dalších zemí. Například projekty vysokorychlostních železnic v Indii a Thajsku využívají japonskou technologii, což dokazuje, že navzdory problémům zůstává Japonsko lídrem v železničním sektoru.
Zdá se, že budoucnost železniční dopravy v Japonsku se nachází na křižovatce mezi technologickými inovacemi a přizpůsobením se jedinečným geografickým podmínkám země. Japonsko se s těmito výzvami potýká i nadále a prokazuje svou schopnost inovovat a zaujímat vedoucí postavení v oblasti vysokorychlostní dopravy.