На первый взгляд кажется, что метро должно быть более чувствительно к форме поезда, чем высокоскоростная железная дорога, потому что поезд движется в замкнутом пространстве, между его кузовом и стенками тоннеля остается сравнительно небольшой зазор. Почему же все поезда метро "тупоносые"?

На самом деле проблема в физике. Когда поезд начинает движение, он вынужден перемещать практически весь объем воздуха, находящийся перед ним в условиях замкнутого пространства. Этот воздух не может мгновенно "разойтись" в стороны, как на обычной железной дороге, поскольку пространство тоннеля ограничено. Поэтому на многих станциях ощущается сильный поток воздуха еще до появления поезда. Это воздух, который поезд выталкивает перед собой за сотни метров до станции.

Если бы тоннель был лишь немного шире поезда, сопротивление резко возросло бы. Воздуху пришлось бы проходить через очень узкий кольцевой зазор между вагоном и стенками тоннеля, скорость потока в этом зазоре значительно увеличилась бы, а вместе с ней -- потери энергии и шум. Кроме того, увеличение диаметра тоннеля даже на несколько десятков сантиметров существенно удорожает строительство.

Возникает естественный вопрос: почему тогда не сделать поезд с длинным обтекаемым носом, чтобы он мягче раздвигал воздух? Ведь именно из-за тоннелей у японских скоростных поездов Синкансэн такой специфически длинный нос.

Такое решение действительно работает. Если взять два одинаковых поезда и пустить их по одному тоннелю с высокой скоростью, то поезд с длинным носом создаст менее резкий скачок давления. Воздух начнет ускоряться постепенно. Это уменьшит аэродинамическое сопротивление, снизит шум и сделает воздушную волну слабее.

Именно поэтому у высокоскоростных поездов, особенно в Японии, носовая часть достигает 15–22 метров. Однако основная причина такой длины заключается вовсе не в желании сэкономить за счёт аэродинамики. Это борьба с так называемым "тоннельным хлопком".

Когда скоростной поезд со скоростью 300-350 км/ч въезжает в тоннель, он создает мощную волну сжатия воздуха. Эта волна распространяется по тоннелю практически со скоростью звука. Когда она достигает противоположного портала, часть энергии выходит наружу в виде громкого хлопка, сопоставимого по громкости со слабым взрывом. В густонаселенной Японии это стало серьезной экологической проблемой. Длинный обтекаемый нос решает эту проблему.

В метро подобного эффекта практически нет. Скорости обычно составляют 60-90 км/ч, то есть в три-четыре раза ниже. Аэродинамические силы зависят от квадрата скорости, поэтому возникающие перепады давления оказываются на порядок слабее. Да, они ощущаются пассажирами на платформе, но не настолько, чтобы оправдать потерю нескольких метров полезной длины состава.

Кроме того, в метро существуют более эффективные способы борьбы с воздушными потоками. В тоннелях устраивают вентиляционные шахты, через которые часть воздуха выходит наружу. Между параллельными тоннелями делают перепускные проемы: когда поезд движется по одному тоннелю, часть вытесняемого воздуха переходит в соседний, где в этот момент может не быть поезда. Это снижает сопротивление и уменьшает скачки давления.

На некоторых линиях применяются специальные вентиляционные камеры большого объема, работающие как своеобразные воздушные буферы. Они принимают часть вытесняемого воздуха, сглаживая колебания давления.

Есть еще одна причина, по которой форма носа метро менее важна. Основное сопротивление создается не только передней частью состава. Поезд длиной около 150 метров движется в тоннеле почти целиком, и огромную роль играет трение воздуха вдоль боковых поверхностей и крыши вагонов. Даже если сделать идеально обтекаемый нос, боковое сопротивление останется практически тем же. Поэтому выигрыш оказывается относительно небольшим.

Кроме того, удлинение носа в условиях ограниченной протяженности платформы сократит "полезный объём" поезда. Иными словами, придётся пожертвовать местами для пассажиров.

По этой причине проектировщики метрополитенов обычно получают гораздо больший эффект, инвестируя средства в оптимальный диаметр тоннеля, вентиляцию, перепускные камеры и современные системы управления воздушными потоками, чем в создание длинной аэродинамической носовой части. Для скоростей метро это оказывается значительно более рациональным инженерным решением.

Моделирование расположения ударных волн на поверхности сверхзвукового самолета. На скриншоте журнала "AmericaAerospace" моделирование аэродинамики опытного самолета NASA X-59, профиль которого создан для минимизации шума от ударных волн на транс- и сверхзвуковых скоростях. Моделирование было опубликовано в 2022 году, а первый тестовый полет состоялся только в 2025.

Суть всего проекта заключалась в разработке такой аэродинамической формы фюзеляжа, позволяющей снизить шумность машины после достижения звукового барьера.

Ссылка на блог в шапке профиля. Больше интересного в магазине ГидроПрепода.