Машина для прогнозирования приливов и отливов

10-компонентная машина для прогнозирования приливов и отливов 1872-1831 гг., Задуманная сэром Уильямом Томсоном ( лорд Кельвин ) и разработанная Томсоном и его сотрудниками в Музее науки , Южный Кенсингтон, Лондон.

Прилив-предсказание машина была специальное назначение механических аналоговый компьютером в конце 19 и начало 20 веков, построена и создана , чтобы предсказать приливы и отливы морских приливов и нерегулярных вариаций в их высотах - которые изменяются в смесях ритмов, которые никогда (в совокупности) не повторяются в точности. ^[1] Его цель состояла в том, чтобы сократить трудоемкие и подверженные ошибкам вычисления предсказания приливов и отливов. Такие машины обычно давали прогнозы, действительные от часа к часу и изо дня в день на год или более вперед.

Первая машина для предсказания приливов, спроектированная и построенная в 1872-1883 годах, а затем две более крупные машины на аналогичных принципах в 1876 и 1879 годах была задумана сэром Уильямом Томсоном (который позже стал лордом Кельвином ). Томсон представил метод гармонического анализа приливных паттернов в 1860-х годах, и первая машина была спроектирована Томсоном в сотрудничестве с Эдвардом Робертсом (помощником в британском офисе морского альманаха Его Величества ) и Александром Леге, который ее сконструировал. ^[2]

В США еще одна машина для прогнозирования приливов и отливов по другой схеме была разработана Уильямом Феррелом и построена в 1881-1881 гг. ^[3] Разработки и улучшения продолжались в Великобритании, США и Германии в течение первой половины 20 века. Машины стали широко использоваться для построения официальных прогнозов приливов и отливов для общей морской навигации. Они стали рассматриваться в качестве военного стратегического значения во время Первой мировой войны , ^[4] и снова во время Второй мировой войны , когда США № 2 Tide Предсказания машина, описанная ниже, объявления , вместе с данными , которые она производила, и используется для прогнозирования приливов и отливов для высадки десанта в Нормандии.и все высадки на острова в войне на Тихом океане . ^[5] Военный интерес к таким машинам сохранялся даже некоторое время спустя. ^[6] Они были устаревшими из-за цифровых электронных компьютеров, которые можно запрограммировать для выполнения аналогичных вычислений, но машины для прогнозирования приливов и отливов продолжали использоваться до 1960-х и 1970-х годов. ^[7]

Несколько примеров машин для предсказания приливов и отливов остаются экспонатами в качестве музейных экспонатов, иногда вводимых в эксплуатацию в демонстрационных целях, как памятники математической и механической изобретательности их создателей.

Фон [ править ]

Машина Уильяма Феррела, предсказывающая приливы и отливы 1881-28 годов, сейчас находится в Смитсоновском национальном музее американской истории.

Современное научное изучение приливов восходит к « Принципам» Исаака Ньютона 1687 года, в которых он применил теорию гравитации, чтобы сделать первое приближение воздействия Луны и Солнца на приливные воды Земли. Приближение, разработанное Ньютоном и его последователями в последующие 90 лет, известно как «теория равновесия» приливов.

Начиная с 1770-х годов, Пьер-Симон Лаплас сделал фундаментальный шаг вперед в приближении равновесия, приняв во внимание неравновесные динамические аспекты движения приливных вод, возникающих в ответ на приливные силы, создаваемые Луной и Солнцем.

Теоретические улучшения Лапласа были существенными, но они все же оставили предсказание в приблизительном состоянии. Это положение изменилось в 1860 - х годах , когда местные условия приливных явлений были более полно привели во внимание Уильяма Томсона приложения «s из анализа Фурье к приливных движений. Работа Томсона в этой области была затем развита и расширена Джорджем Дарвином , вторым сыном Чарльза Дарвина : работа Джорджа Дарвина была основана на современной в его время теории Луны . Его символы для составляющих приливной гармонии все еще используются. Дарвиновское гармоничное развитие сил, генерирующих приливы, было позже представлено А. Т. Дудсоном.были обновлены и расширены в свете новой и более точной лунной теории Э. У. Брауна, которая оставалась актуальной на протяжении большей части двадцатого века.

Состояние, к которому наука предсказания приливов пришла к 1870-м годам, можно резюмировать: астрономические теории Луны и Солнца определили частоты и силы различных компонентов силы, генерирующей приливы. Но для эффективного прогнозирования в любом данном месте требовалось измерение адекватной выборки местных приливных наблюдений, чтобы показать местный отклик приливов на этих разных частотах, по амплитуде и фазе. Затем эти наблюдения нужно было проанализировать, чтобы получить коэффициенты и фазовые углы. Затем, в целях прогнозирования, эти местные приливные константы должны были быть рекомбинированы, каждая с различным компонентом сил, генерирующих приливы, к которым он применяется, и в каждой последовательности будущих дат и времени, а затем различные элементы, наконец, собраны вместе, чтобы получить их совокупные эффекты.В эпоху, когда вычисления производились вручную и мозгом, карандашом, бумагой и таблицами, это было признано чрезвычайно трудоемким и подверженным ошибкам делом.

Томсон признал, что нужен был удобный и предпочтительно автоматизированный способ многократной оценки суммы приливных членов, таких как:

${\ displaystyle A_ {1} \ cos (\ omega _ {1} t + \ phi _ {1}) + A_ {2} \ cos (\ omega _ {2} t + \ phi _ {2}) + A_ {3 } \ cos (\ omega _ {3} t + \ phi _ {3}) + \ ldots}$

содержащий 10, 20 или даже больше тригонометрических членов, так что вычисление может быть удобно полностью повторено для каждого из очень большого числа различных выбранных значений даты / времени . Это была суть проблемы, решаемой машинами для предсказания приливов и отливов.${\ displaystyle t}$

Принцип [ править ]

Томсон задумал построить механизм, который оценивал бы эту тригонометрическую сумму физически, например, как вертикальное положение пера, которое затем могло бы нарисовать кривую на движущейся полосе бумаги.

Ему было доступно несколько механизмов для преобразования вращательного движения в синусоидальное. Один из них показан на схеме (справа). Вращающееся ведущее колесо оснащено смещенным от центра штифтом. Вал с горизонтальной прорезью может свободно перемещаться вертикально вверх и вниз. Смещенный от центра штифт колеса находится в прорези. В результате, когда штифт перемещается вместе с колесом, он может заставить вал перемещаться вверх и вниз в определенных пределах. Такое расположение показывает, что когда ведущее колесо вращается равномерно, скажем по часовой стрелке, вал движется синусоидально вверх и вниз. Вертикальное положение центра паза в любой момент может быть выражено как , где - радиальное расстояние от центра колеса до штифта, - это скорость, с которой колесо поворачивается (в${\ displaystyle t}$${\ Displaystyle А_ {1} \ соз (\ омега _ {1} т + \ фи _ {1})}$${\ displaystyle A_ {1}}$${\ displaystyle \ omega _ {1}}$радиан в единицу времени), и представляет собой начальный фазовый угол штифта, измеренный в радианах от положения на 12 часах до углового положения, в котором штифт находился в нулевой момент времени.${\ displaystyle \ phi _ {1}}$

Такое расположение представляет собой физический аналог всего одного тригонометрического члена. Томсону нужно было построить физическую сумму многих таких членов.

Сначала он склонялся к использованию шестеренок. Затем он обсудил проблему с инженером Бошамом Тауэром перед собранием Британской ассоциации в 1872 году, и Тауэр предложил использовать устройство, которое (как он помнил) когда-то использовалось Уитстоном.. Это была цепь, которая попеременно проходила над и под последовательностью шкивов на подвижных валах. Цепь закреплялась на одном конце, а другой (свободный) конец утяжелялся для удержания натяжения. По мере того, как каждый вал перемещается вверх или вниз, он поднимает или освобождает цепь соответствующей длины. Перемещения свободного (подвижного) конца цепи представляют собой сумму перемещений различных валов. Подвижный конец держали туго натянутым и снабжался ручкой и движущейся полосой бумаги, на которой перо рисовало кривую прилива. В некоторых конструкциях подвижный конец лески был соединен вместо этого с циферблатом и шкалой, по которой можно было считывать приливные высоты.

Одна из разработок Томсона для вычислительной части машины для прогнозирования приливов и отливов показана на рисунке (справа), очень похожая на третью машину 1879-81 гг. Длинный шнур с одним закрепленным концом проходил вертикально вверх и над первым верхним шкивом, затем вертикально вниз и под следующим и так далее. Все эти шкивы перемещались вверх и вниз с помощью кривошипов, и каждый шкив принимал или выпускал шнур в соответствии с направлением, в котором он двигался. Все эти кривошипы приводились в движение цепями колес, зацепляющихся в колеса, закрепленные на приводном валу. Наибольшее количество зубьев на любом колесе было 802, зацепляющимся с другим из 423. Все остальные колеса имели сравнительно небольшое количество зубцов. Маховик с большой инерцией позволял оператору быстро вращать машину, не дергая шкивы, и таким образом работать в течение года »кривая примерно через двадцать пять минут. Показанная на рисунке машина была рассчитана всего на пятнадцать компонентов.

Томсон признал, что в августе 1872 года инженер Бошам Тауэр предложил ему использование расположенной сверху и снизу гибкой линии, суммирующей компоненты движения . ^[8]

История [ править ]

Первая машина для предсказания приливов, разработанная в 1872 году и модель которой была выставлена ​​на заседании Британской ассоциации в 1873 году ^[9] (для вычисления 8 приливных компонентов), за ней в 1875-6 годах последовала машина в несколько большем масштабе (для вычисления 10 приливных компонентов), был разработан сэром Уильямом Томсоном (впоследствии ставшим лордом Кельвином ). ^[10] 10-компонентная машина и полученные на ней результаты были показаны на Парижской выставке в 1878 году. Увеличенная и улучшенная версия машины для вычисления 20 приливных компонентов была построена для правительства Индии в 1879 году, а затем модифицирована. в 1881 г., чтобы расширить его для вычисления 24 гармонических составляющих. ^[11]

В этих машинах прогноз был предоставлен в виде непрерывного графического перьевого графика зависимости высоты прилива от времени. График был отмечен часами и полуденными отметками и был сделан машиной на движущейся ленте бумаги при вращении механизма. Годовые прогнозы приливов и отливов для данного места, обычно выбранного морского порта, могли быть построены машинами 1876 и 1879 годов примерно за четыре часа (но за это время пришлось перематывать двигатели).

В 1881–1881 гг. Еще одна машина для предсказания приливов, работающая совершенно иначе, была разработана Уильямом Феррелом и построена в Вашингтоне под руководством Феррела Э. Г. Фишером (который позже сконструировал следующую машину, описанную ниже, которая использовалась в Береговой и геодезической службе США. с 1912 по 1960-е гг.). ^[12] Машина Феррела предсказывала время и высоту последовательных паводков и паводков, показываемых стрелками на циферблатах и ​​шкалах. Они были прочитаны оператором, который скопировал показания в формы для отправки на принтер таблиц приливов и отливов США.

Эти машины должны были быть настроены на местные приливные постоянные, специально предназначенные для того места, для которого должны были быть сделаны прогнозы. Такие числа выражают местную приливную реакцию на отдельные компоненты глобального потенциала приливов и отливов на разных частотах. Этот местный отклик, показанный во времени и величине приливов на разных частотах, является результатом местных и региональных особенностей побережья и морского дна. Приливные константы обычно оцениваются на основе локальных историй наблюдений с помощью датчиков приливов с помощью гармонического анализа, основанного на основных частотах, вызывающих приливы, как показано глобальной теорией приливов и лежащей в основе лунной теорией .

Томсон также был ответственен за создание метода гармонического приливного анализа и за разработку машины-анализатора гармоник, которая частично механизировала оценку констант по показаниям датчиков.

Разработка и усовершенствование на основе опыта этих первых машин продолжались в течение первой половины 20 века.

Британский Tide Predictor № 2, после первоначального использования для генерации данных для индийских портов, использовался для предсказания приливов для Британской империи за пределами Индии и передан Национальной физической лаборатории в 1903 году. Британский Tide Predictor № 3 был продан французам. Правительство в 1900 году и используется для составления французских таблиц приливов и отливов.

Машина для прогнозирования приливов № 2 («Старые латунные мозги») ^[13] была разработана в 1890-х годах, завершена и введена в эксплуатацию в 1912 году, использовалась в течение нескольких десятилетий, в том числе во время Второй мировой войны, и вышла из эксплуатации в 1960-х годах.

Машины для прогнозирования приливов и отливов были построены в Германии во время Первой мировой войны, а затем в период 1935-1935 годов. ^[14]

Три из них были построены последними:

• TPM, построенный в 1947 году для Норвежской гидрографической службы Чедберном из Ливерпуля и предназначенный для вычисления 30 составляющих приливных гармоник; до 1975 года использовалась для расчета официальных норвежских таблиц приливов и отливов, а затем была заменена цифровыми вычислениями. ^[15]
• Doodson-Lege ТРМ , построенный в 1949 году,
• Восточно-германский TPM, построенный в 1953-5 гг. ^[16]

За исключением небольших портативных машин, известно, что было построено в общей сложности 33 машины для прогнозирования приливов, из которых 2 были уничтожены, а 4 в настоящее время потеряны. ^[17]

Дисплей и демонстрация [ править ]

Их можно увидеть в Лондоне, ^[18] Вашингтоне, ^[19] Ливерпуле, ^[20] и других местах, включая Немецкий музей в Мюнхене.

Онлайн [ править ]

Доступна онлайн-демонстрация, демонстрирующая принцип работы 7-компонентной версии машины для прогнозирования приливов, в остальном подобной оригинальной конструкции Томсона (Кельвина). ^[21]Анимация показывает часть работы машины: можно увидеть движения нескольких шкивов, каждый из которых движется вверх и вниз, чтобы имитировать одну из частот приливов; и анимация также показывает, как эти синусоидальные движения были вызваны вращением колес и как они были объединены, чтобы сформировать результирующую приливную кривую. На анимации не показано, каким образом отдельные движения генерировались в машине с правильными относительными частотами, с помощью правильного передаточного числа, или как амплитуды и начальные фазовые углы для каждого движения были установлены регулируемым образом. Эти амплитуды и начальные фазовые углы представляли местные приливные постоянные, сбрасываемые отдельно и разные для каждого места, для которого должны были быть сделаны прогнозы. Кроме того, в настоящих машинах Thomson, чтобы сэкономить на движении и износе других деталей,вал и шкив с наибольшим ожидаемым движением (для компонента прилива M2 дважды за лунные сутки) были установлены ближе всего к загону, а вал и шкив, представляющие наименьший компонент, были на другом конце, ближайшем к точке фиксации гибкий шнур или цепь, чтобы свести к минимуму ненужные движения в большей части гибкого шнура.

См. Также [ править ]

• Приливные часы
• Таблица приливов и отливов
• Машина для прогнозирования приливов № 2

Примечания и ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Т Эрет (2008), «Старые латунные мозги - механическое предсказание приливов и отливов » , Бюллетень ACSM, июнь 2008 г., страницы 41–44.
• У. Феррел (1883 г.), «Машина для прогнозирования максимумов и минимумов приливов», в US Coast Survey (1883 г.), Приложение 10, страницы 253-272.
• EG Fischer (1912), «Машина для предсказания приливов и отливов при геодезической разведке № 2» , Popular Astronomy , том 20 (1912), страницы 269–285.
• Институт гражданских инженеров (Лондон), Труды тома 65 (1881), давая обсуждение после презентации приливных машин, протокольных на страницах 25-64.
• Э. Робертс (1879), «Новый предсказатель приливов», Труды Королевского общества , xxix (1879), страницы 198-201.
• Science (1884 г.) [автор не указан], «Машина для предсказания максимальных и минимальных приливов», « Наука» , том 3 (1884), выпуск 61, стр. 408–410.
• У. Томсон (1881 г.), "Приливомер, анализатор приливных гармоник и предсказатель приливов", Труды Института инженеров-строителей , том 65 (1881 г.), страницы 3–24.
• Министерство торговли США, Специальная публикация № 32 (1915 г.), «Описание машины для прогнозирования приливов и приливов для геодезических исследований побережья США № 2».
• П.Л. Вудворт (2016), «Перечень машин для предсказания приливов» , Отчет № 56 Национального центра океанографии по исследованиям и консультациям.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с машинами для прогнозирования приливов и отливов .

• Американское математическое общество (2009), Фурье-анализ океанских приливов, II.2, демонстрирующее влияние компонентов на несоизмеримых частотах .
• Американское математическое общество / Билл Кассельман (2009), анимированное моделирование JAVA на основе машины предсказания приливов Кельвина (анимация показывает вычисление 7 гармонических компонентов).
• Немецкий музей, Мюнхен, онлайн-выставка 2- й немецкой машины для предсказания приливов и отливов (описание на английском языке) .
• Немецкий морской музей ( онлайн-выставка машин для прогнозирования приливов и отливов на немецком языке ).
• Онлайн-выставка NOAA машины для прогнозирования приливов № 2 в США с дополнительными изображениями .
• Онлайн-выставка в Норвегии, посвященная истории норвежского прогнозирования приливов и использованию TPM (на английском языке) .
• Национальный центр океанографии , Ливерпуль, выставка машин для прогнозирования приливов Робертс-Леге и Дудсон-Леге .
• Музей науки, Южный Кенсингтон, Лондон: Машина для прогнозирования приливов Кельвина (для вычисления 10 гармонических составляющих) , а также более подробное изображение .
• Смитсоновский национальный музей американской истории, онлайн-выставка центра Беринга «Машина для предсказания приливов Феррела 1881-1881 гг .».