Maszyna do przewidywania pływów - Tide-predicting machine

10-komponentowa maszyna do przewidywania pływów z lat 1872-3, zaprojektowana przez Sir Williama Thomsona ( Lord Kelvin ) i zaprojektowana przez Thomsona i współpracowników w Science Museum w South Kensington w Londynie

Maszyna fala-przewidywania była celowa mechaniczny analogowy komputer z końca 19 i początku 20 wieku, zbudowany i skonfigurowany do przewidzenia przypływy i odpływy przypływy morza i nieregularnymi zmianami w ich wysokości - w tym zmiana mieszaniny rytmów, które nigdy (w sumie) nie powtarzają się dokładnie. Jego celem było skrócenie żmudnych i podatnych na błędy obliczeń przewidywania pływów. Takie maszyny zwykle podawały prognozy ważne z godziny na godzinę i z dnia na dzień na rok lub więcej do przodu.

Pierwszą maszynę przewidywania pływów, zaprojektowaną i zbudowaną w latach 1872-3, a następnie dwie większe maszyny na podobnych zasadach w latach 1876 i 1879, stworzył Sir William Thomson (późniejszy Lord Kelvin ). Thomson wprowadził metodę analizy harmonicznej wzorców pływów w latach 60. XIX wieku, a pierwsza maszyna została zaprojektowana przez Thomsona przy współpracy Edwarda Robertsa (asystenta w UK HM Nautical Almanac Office ) i Alexandra Légé, który ją skonstruował.

W USA kolejna maszyna do przewidywania pływów według innego wzoru została zaprojektowana przez Williama Ferrela i zbudowana w latach 1881-2. Rozwój i ulepszenia kontynuowano w Wielkiej Brytanii, Stanach Zjednoczonych i Niemczech przez pierwszą połowę XX wieku. Maszyny stały się szeroko stosowane do konstruowania oficjalnych prognoz pływów dla ogólnej nawigacji morskiej. Zaczęto uważać je za strategiczne w czasie I wojny światowej i ponownie podczas II wojny światowej , kiedy opisana poniżej maszyna do przewidywania pływów USA nr 2 została sklasyfikowana wraz z danymi, które wytworzyła i wykorzystała do przewidzieć pływy dla lądowań w Normandii w D-Day i wszystkich lądowań na wyspach podczas wojny na Pacyfiku . Zainteresowanie wojska takimi maszynami trwało jeszcze przez jakiś czas. Zostały one przestarzałe dzięki cyfrowym komputerom elektronicznym, które można zaprogramować do wykonywania podobnych obliczeń, ale maszyny do przewidywania pływów były używane do lat 60. i 70. XX wieku.

Kilka przykładów maszyn do przewidywania pływów jest nadal eksponowanych jako eksponaty muzealne, od czasu do czasu uruchamiane w celach demonstracyjnych, pomniki matematycznej i mechanicznej pomysłowości ich twórców.

tło

Maszyna przewidywania pływów Williama Ferrela z lat 1881-2, obecnie w Smithsonian National Museum of American History

Nowoczesne badania naukowe przypływów sięga Isaac Newton „s Principia z 1687 roku, w którym zastosował teorię grawitacji, aby pierwsze przybliżenie wpływu Księżyca i Słońca na wodach pływowych Ziemi. Przybliżenie opracowane przez Newtona i jego następców na następne 90 lat znane jest jako „teoria równowagi” pływów.

Począwszy od lat siedemdziesiątych XVIII wieku Pierre-Simon Laplace dokonał fundamentalnego postępu w przybliżaniu równowagi, biorąc pod uwagę nierównowagowe dynamiczne aspekty ruchu wód pływowych, które występują w odpowiedzi na siły pływowe wywołane przez Księżyc i Słońce.

Teoretyczne ulepszenia Laplace'a były znaczne, ale nadal pozostawiały przewidywania w stanie przybliżonym. Stanowisko to zmieniło się w latach sześćdziesiątych XIX wieku, kiedy lokalne okoliczności zjawisk pływowych zostały w pełni uwzględnione przez zastosowanie analizy Fouriera przez Williama Thomsona do ruchów pływowych. Praca Thomsona w tej dziedzinie została następnie rozwinięta i rozszerzona przez George'a Darwina , drugiego syna Karola Darwina : praca George'a Darwina opierała się na nurcie teorii księżycowej w jego czasach. Jego symbole pływowych składników harmonicznych są nadal używane. Harmoniczne osiągnięcia Darwina w zakresie sił generujących pływy zostały później uaktualnione przez AT Doodsona i rozszerzone w świetle nowej i dokładniejszej teorii księżycowej EW Browna, która pozostawała aktualna przez większą część XX wieku.

Stan, do którego nauka przewidywania pływów dotarła w latach 70. XIX wieku, można podsumować: Astronomiczne teorie Księżyca i Słońca określiły częstotliwości i siły różnych składników siły generującej pływy. Jednak skuteczna prognoza w dowolnym miejscu wymagała pomiaru odpowiedniej próbki lokalnych obserwacji pływów, aby pokazać lokalną reakcję pływów przy tych różnych częstotliwościach, w amplitudzie i fazie. Obserwacje te należało następnie przeanalizować, aby wyprowadzić współczynniki i kąty fazowe. Następnie, dla celów przewidywania, te lokalne stałe pływów musiały zostać ponownie połączone, każda z innym składnikiem sił generujących pływy, do których się odnosiła, i w każdej sekwencji przyszłych dat i godzin, a następnie różne elementy ostatecznie zebrane razem w celu uzyskania ich zagregowanych efektów. W czasach, gdy obliczenia wykonywano ręcznie i mózgowo, ołówkiem, papierem i tabelami, uznano to za niezwykle pracochłonne i podatne na błędy przedsięwzięcie.

Thomson uznał, że potrzebny jest wygodny i najlepiej zautomatyzowany sposób wielokrotnego oceniania sumy warunków pływowych, takich jak:

{\ 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 }

zawierające 10, 20 lub nawet więcej terminów trygonometrycznych, aby można było wygodnie powtórzyć obliczenia dla każdej z bardzo dużej liczby różnych wybranych wartości daty/czasu . To był sedno problemu rozwiązanego przez maszyny przewidywania pływów. $t$

Zasada

Thomson postawił sobie za cel skonstruowanie mechanizmu, który mógłby fizycznie ocenić tę sumę trygonometryczną, np. jako pionowe położenie długopisu, który mógłby następnie wykreślić krzywą na poruszającym się pasku papieru.

mechanizm generowania sinusoidalnej składowej ruchu

Dostępnych było dla niego kilka mechanizmów przekształcania ruchu obrotowego w ruch sinusoidalny. Jeden z nich pokazano na schemacie (po prawej). Obrotowe koło napędowe jest wyposażone w kołek mimośrodowy. Wał o przekroju poziomym może swobodnie poruszać się w pionie w górę iw dół. Niecentryczny kołek koła znajduje się w gnieździe. W rezultacie, gdy kołek porusza się wraz z kołem, może sprawić, że wałek porusza się w górę iw dół w określonych granicach. Ten układ pokazuje, że gdy koło napędowe obraca się jednostajnie, powiedzmy zgodnie z ruchem wskazówek zegara, wał porusza się sinusoidalnie w górę iw dół. Pionowe położenie środka szczeliny, w dowolnym momencie , można następnie wyrazić jako , gdzie jest promieniową odległością od środka koła do kołka, to prędkość, z jaką obraca się koło (w radianach na jednostkę czasu), i jest początkowym kątem fazowym kołka, mierzonym w radianach od pozycji na godzinie 12 do pozycji kątowej, w której kołek był w czasie zero. $t$ ${\ Displaystyle A_ {1} \ cos (\ omega _ {1} t + \ phi _ {1})}$ $A_{1}$ ${\ Displaystyle \ omega _ {1}}$ $\phi _{1}$

Ten układ stanowi fizyczny odpowiednik tylko jednego terminu trygonometrycznego. Thomson musiał skonstruować fizyczną sumę wielu takich terminów.

Początkowo miał skłonność do używania kół zębatych. Następnie omówił problem z inżynierem Beauchamp Tower przed spotkaniem Brytyjskiego Stowarzyszenia w 1872 roku, a Tower zasugerował użycie urządzenia, które (jak pamiętał) było kiedyś używane przez Wheatstone'a . Był to łańcuch biegnący naprzemiennie nad i pod sekwencją krążków na ruchomych wałach. Łańcuch był przymocowany na jednym końcu, a drugi (wolny) koniec był obciążony, aby utrzymać go napiętym. Gdy każdy wał poruszał się w górę lub w dół, zabierał lub zwalniał odpowiednią długość łańcucha. Ruchy w położeniu wolnego (ruchomego) końca łańcucha reprezentowały sumę ruchów różnych wałów. Ruchomy koniec był napięty i wyposażony w pióro i ruchomą taśmę papieru, na której pióro wykreślało krzywą pływową. W niektórych projektach ruchomy koniec linii był połączony z tarczą i skalą, z której można było odczytać wysokość pływów.

Projekt Thomsona dotyczący trzeciej maszyny przewidywania pływów, 1879-81

Jeden z projektów Thomsona dotyczący części obliczeniowej maszyny przewidywania pływów jest pokazany na rysunku (po prawej), bardzo podobny do trzeciej maszyny z lat 1879-81. Długa linka, z jednym końcem unieruchomionym, przechodziła pionowo w górę i nad pierwszym górnym krążkiem, a następnie pionowo w dół i pod następnym, i tak dalej. Wszystkie te bloczki były poruszane w górę iw dół za pomocą korb, a każdy bloczek wciągał lub wypuszczał linkę w zależności od kierunku, w którym się poruszał. Wszystkie te korby były poruszane przez ciągi kół zazębionych w kołach zamocowanych na wale napędowym. Największą liczbą zębów na każdym kole było 802 sprzęgające się z innym z 423. Wszystkie pozostałe koła miały stosunkowo małą liczbę zębów. Koło zamachowe o dużej bezwładności umożliwiało operatorowi szybkie obracanie maszyny bez szarpania kół pasowych, a tym samym zjechanie z rocznego zakrętu w około dwadzieścia pięć minut. Maszyna pokazana na rysunku została zaprojektowana dla łącznie piętnastu elementów.

Thomson przyznał, że w sierpniu 1872 r. inżynier Beauchamp Tower zasugerował mu zastosowanie układu nad-i-pod elastycznej linii, która sumowała elementy ruchu .

Historia

Pierwsza maszyna do przewidywania pływów, zaprojektowana w 1872 r., której model został wystawiony na spotkaniu Brytyjskiego Stowarzyszenia w 1873 r. (do obliczania 8 składowych pływów), a następnie w latach 1875–18 maszyna na nieco większą skalę (do obliczania 10 składowych pływów). ), został zaprojektowany przez Sir Williama Thomsona (późniejszego Lorda Kelvina ). 10-komponentowa maszyna i jej wyniki zostały pokazane na wystawie w Paryżu w 1878 roku. Powiększona i ulepszona wersja maszyny, do obliczania 20 elementów pływowych, została zbudowana dla rządu Indii w 1879, a następnie zmodyfikowana w 1881 do rozszerz go, aby obliczyć 24 składowe harmoniczne.

W tych maszynach prognoza była dostarczana w postaci ciągłego wykresu graficznego wysokości pływów w czasie. Działka była oznaczona znakami godzin i południa i została wykonana przez maszynę na ruchomej taśmie papieru podczas obracania mechanizmu. Roczne prognozy pływów dla danego miejsca, zwykle wybranego portu morskiego, maszyny z lat 1876 i 1879 mogły wykreślić w około cztery godziny (ale w tym czasie napędy trzeba było przewijać).

W latach 1881-182 inną maszynę do przewidywania pływów zaprojektował William Ferrel, a zbudował w Waszyngtonie pod kierunkiem Ferrela EG Fischer (który później zaprojektował następną maszynę opisaną poniżej, działającą w US Coast and Geodetic Survey od 1912 do 1960). Maszyna Ferrela dostarczała prognozy, podając czasy i wysokości kolejnych wysokich i niskich wód, wskazywane przez odczyty wskaźników na tarczach i skalach. Były one odczytywane przez operatora, który kopiował odczyty do formularzy, aby przesłać je do drukarki tabel pływów w USA.

Maszyny te musiały być ustawione z lokalnymi stałymi pływów specjalnie dla miejsca, dla którego miały być wykonane prognozy. Takie liczby wyrażają lokalną odpowiedź pływową na poszczególne składowe globalnego potencjału pływowego o różnych częstotliwościach. Ta lokalna reakcja, pokazana w czasie i wysokości pływów o różnych częstotliwościach, jest wynikiem lokalnych i regionalnych cech wybrzeży i dna morskiego. Stałe pływów są zwykle oceniane na podstawie lokalnych historii obserwacji pływów, poprzez analizę harmoniczną opartą na głównych częstotliwościach generujących pływy, jak pokazuje globalna teoria pływów i leżąca u jej podstaw teoria księżyca .

Thomson był również odpowiedzialny za opracowanie metody analizy pływów harmonicznych oraz za opracowanie analizatora harmonicznych, który częściowo zmechanizował ocenę stałych z odczytów miernika.

Rozwój i doskonalenie oparte na doświadczeniach tych wczesnych maszyn trwało przez pierwszą połowę XX wieku.

British Tide Predictor No.2, po pierwszym użyciu do generowania danych dla portów indyjskich, został wykorzystany do prognozowania pływów dla imperium brytyjskiego poza Indiami i przeniesiony do National Physical Laboratory w 1903 roku. British Tide Predictor No.3 został sprzedany Francuzom Rząd w 1900 roku i używany do tworzenia francuskich tablic pływów.

Maszyna do przewidywania pływów nr 2 („Stare mosiężne mózgi”). Operator napędzał maszynę obracając korbą w lewo. Maszyna zatrzymała się, gdy symulacja osiągnęła przypływ i odpływ, w którym to czasie operator zarejestrował wysokość przypływu oraz dzień i godzinę z tarcz na tarczy maszyny. Krzywa pływów narysowana na papierze nad tarczami została zachowana na wypadek, gdyby później pojawiły się pytania dotyczące obliczeń.

Amerykańska maszyna do przewidywania pływów nr 2 („Old Brass Brains”) została zaprojektowana w latach 90-tych XIX wieku, ukończona i wprowadzona do użytku w 1912 roku, używana przez kilkadziesiąt lat, w tym podczas II wojny światowej, i wycofana w latach 60-tych.

Maszyny do przewidywania pływów zostały zbudowane w Niemczech podczas I wojny światowej i ponownie w latach 1935-8.

Trzy z ostatnich do zbudowania to:

TPM zbudowany w 1947 roku dla norweskiej służby hydrograficznej przez Chadburna z Liverpoolu i zaprojektowany do obliczania 30 składowych harmonicznych pływów; używany do 1975 r. do obliczania oficjalnych norweskich tablic pływów, zanim został zastąpiony przez komputery cyfrowe.
Doodson-lege TPM zbudowany w 1949 roku,
wschodnioniemiecki TPM zbudowany w latach 1953-5.

Wyłączając małe przenośne maszyny, wiadomo, że zbudowano w sumie 33 maszyny do przewidywania pływów, z których 2 zostały zniszczone, a 4 obecnie zaginęły.

Wyświetlacz i demonstracja

Można je zobaczyć w Londynie, Waszyngtonie, Liverpoolu i innych miejscach, w tym w Deutsches Museum w Monachium.

online

Dostępna jest demonstracja online, aby pokazać zasadę działania 7-komponentowej wersji maszyny przewidywania pływów, podobnie jak oryginalny projekt Thomsona (Kelvina). Animacja przedstawia część działania maszyny: można zobaczyć ruchy kilku kół pasowych, z których każdy porusza się w górę iw dół, symulując jedną z częstotliwości pływów; animacja pokazuje również, w jaki sposób te ruchy sinusoidalne zostały wygenerowane przez obrót koła i jak zostały połączone, aby utworzyć wynikową krzywą pływową. Na animacji nie pokazano, w jaki sposób poszczególne ruchy były generowane w maszynie z odpowiednimi częstotliwościami względnymi, poprzez przekładnie w odpowiednich przełożeniach, ani jak amplitudy i początkowe kąty fazowe dla każdego ruchu zostały ustawione w regulowany sposób. Te amplitudy i początkowe kąty fazowe reprezentowały lokalne stałe pływów, zerowane oddzielnie i różne dla każdego miejsca, dla którego miały być wykonane prognozy. Ponadto, w prawdziwych maszynach Thomsona, aby zaoszczędzić na ruchu i zużyciu innych części, wał i koło pasowe o największym spodziewanym ruchu (dla elementu pływów M2 dwa razy na dzień księżycowy) zostały zamontowane najbliżej pióra, a wał a koło pasowe reprezentujące najmniejszy element znajdowało się na drugim końcu, najbliżej punktu mocowania elastycznej linki lub łańcucha, aby zminimalizować niepotrzebny ruch w większej części elastycznej linki.

Zobacz też

Uwagi i referencje

Bibliografia

T Ehret (2008), "Old Brass Brains - Mechanical Prediction of Tides" , ACSM Bulletin, czerwiec 2008, strony 41-44.
W Ferrel (1883), „Maksymalna i minimalna maszyna do przewidywania pływów”, w US Coast Survey (1883), dodatek 10, strony 253-272.
EG Fischer (1912), „The Coast and Geodetic Survey Tide Predicting Machine No. 2” , Popular Astronomy , vol. 20 (1912), strony 269-285.
Institution of Civil Engineers (Londyn), Proceedings tom 65 (1881), omówienie po prezentacji maszyn pływowych, protokół na stronach 25–64.
E Roberts (1879), „Nowy przewidywania pływów”, Proceedings of the Royal Society , xxix (1879), strony 198-201.
Science (1884) [brak cytowanego autora], „The Maxima and Minima Tide-Predicting Machine”, Science , Vol.3 (1884), Issue 61, s. 408–410.
W Thomson (1881), „Wskaźnik pływów, analizator harmonicznych pływów i przewidywanie pływów”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers , vol.65 (1881), strony 3-24.
Departament Handlu Stanów Zjednoczonych, publikacja specjalna nr 32 (1915), „Opis US Coast and Geodetic Survey Tide-Predicting Machine No.2”.
PL Woodworth (2016), „Inwentaryzacja maszyn do przewidywania pływów” , Raport Narodowego Centrum Oceanografii nr 56.

Linki zewnętrzne

American Mathematical Society (2009), Fourier Analysis of Ocean Tides, II.2, pokazujący wpływ składników przy niewspółmiernych częstotliwościach .
American Mathematical Society/Bill Casselman (2009), animowana symulacja JAVA oparta na maszynie do przewidywania pływów Kelvina (animacja przedstawia obliczanie 7 składowych harmonicznych).
Deutsches Museum, Monachium, internetowa wystawa drugiej niemieckiej maszyny przewidywania pływów (opisana w języku angielskim) .
Niemieckie Muzeum Morskie ( internetowa wystawa maszyn do przewidywania pływów i pływów, w języku niemieckim ).
Wystawa internetowa NOAA amerykańskiej maszyny do przewidywania pływów nr 2 z dodatkowymi zdjęciami .
Norweska wystawa internetowa poświęcona norweskiej historii przewidywania pływów i wykorzystaniu TPM (w języku angielskim) .
National Oceanography Center , Liverpool, wystawa Roberts-Légé i Doodson-Légé Tide Predicting Machines .
Science Museum, South Kensington, Londyn: Kelvin Tide Predicting Machine (do obliczania 10 składowych harmonicznych) wraz z bliższym spojrzeniem .
Smithsonian National Museum of American History w Behring Center wystawia online maszynę do przewidywania pływów Ferrel z lat 1881-2 .

Languages

In other projects