Машина для прогнозирования приливов № 2 - Tide-Predicting Machine No. 2

Машина для прогнозирования приливов № 2
	Машина для прогнозирования приливов № 2
Дата изобретения	1895
Производитель	Береговая и геодезическая служба США
Введено	1910
Снято с производства	1965
Масса	2500 фунтов (1134 кг)
Размеры	10,8 футов (3,3 м) в длину, 6,2 фута (1,9 м) в высоту, 2 фута (0,6 м) в ширину

Машина для прогнозирования приливов № 2, также известный как Старые латунные мозги,^[1] был специализированным механический компьютер который использует шестерни, шкивы, цепи, и другие механические компоненты для расчета высоты и времени высоких и низких приливы для определенных мест. Машина может выполнять расчеты приливов намного быстрее, чем человек может делать с карандашом и бумагой. В Береговая и геодезическая служба США ввела машину в эксплуатацию в 1910 году. Она использовалась до 1965 года, когда была заменена на электронный компьютер.^[2]

Ранние усилия США по предсказанию приливов

Приливы - это подъем и падение уровня моря, вызванные комбинированным действием гравитационных сил, оказываемых Луна, солнце, и вращение Земли. В 1867 году Служба береговой службы США начала печатать годовые таблицы приливов и отливов для поддержки безопасной и эффективной морской, прибрежной и оборонной деятельности.^[2]^[3] Вскоре эти таблицы показали время и высоту приливов и отливов с точностью до ближайшей минуты и десятых долей фута соответственно. Таблицы печатались по годам и распространялись до начала года.^[3]^[4]

Предсказать приливы и отливы очень сложно, так как это зависит от множества факторов, включая расположение Солнца и Луны, форму береговой линии и прибрежную зону. батиметрия. Теории приливов пытаются учесть эти факторы, но приводят к сложным расчетам. Первоначально расчеты выполнялись вручную, что было очень трудоемко и подвержено ошибкам.^[5] Бремя стало еще больше, когда Береговая и геодезическая служба США (USCGS, преемник береговой службы) начала использовать более точные гармонический метод для предсказаний приливов и отливов в 1884 году.^[3]

Чтобы значительно сократить объем работы, необходимой для прогнозирования приливов, в 1881 г. Уильям Феррел USCGS разработал машину для прогнозирования приливов и отливов. Изготовители приборов Fauth & Co. построили машину для прогнозирования приливов и отливов № 1 и поставили ее в 1882 году. В 1883 году Survey начала регулярно использовать эту машину.^[6]

История и механизм

В 1895 году USCGS забеспокоилась, потому что Машина для прогнозирования приливов № 1 сильно изнашивалась в результате почти постоянного использования в течение 12 лет. В офисе решили сконструировать новую машину, которая была бы быстрее, точнее и надежнее. Это стало машиной для предсказания приливов № 2.^[4]

Ролин Харрис и Э. Г. Фишер из USCGS возглавили эту работу.^[5] Команда разработчиков изучила предыдущие британские и американские модели. машины для прогнозирования приливов и отливов и воплотили их лучшие качества в конструкции новой машины.^[6] В машине, также известной как «Старые латунные мозги», использовалось замысловатое расположение шестерен, шкивов, ползунов и других компонентов. Конструкция новой машины была утверждена в 1895 году, а строительство началось в 1896 году.^[4]

Машина для прогнозирования приливов № 2 была первой машиной для прогнозирования приливов, которая включала в себя как бумажный график приливов - подход, использовавшийся в более ранних британских машинах - так и циферблаты и шкалы, показывающие высоту прилива и соответствующие дату и время, используемые Tide -Прогнозирующая машина № 1. Циферблаты и шкалы значительно облегчили оператору точное определение высоты и времени приливов и отливов. Бумажный график, называемый кривой прилива, был очень полезен как запись вычислений, которую можно было проверить позже, чтобы убедиться, что расчеты были выполнены правильно.^[6]

Рука заводить повернутый оператором обеспечивает мощность для механических расчетов машины. Аккумулятор -приведенный электрические схемы используются для отметки начала часов и дней на бумажной диаграмме и для остановки машины при достижении прилива и отлива, чтобы оператор мог отметить высоту и время.^[6]

На этой фотографии показана самая большая из трех секций машины для прогнозирования приливов № 2. Шестерни слева передают мощность от рукоятки. Компоненты справа участвуют в вычислении времени приливов и отливов.

Большое внимание было уделено механическим характеристикам компонентов для обеспечения надежности и точности. Например, некоторые компоненты, которые было трудно заменить, были рассчитаны на 50-летний срок службы. Кроме того, суммирующие цепи перемещали через шестерни под натяжением в течение года рабочих дней перед установкой в машину, чтобы гарантировать, что они достаточно гибкие и их длина останется постоянной.^[5]

Другая работа в USCGS имела приоритет над постройкой новой машины, и сокращение штата исключило все работы на новой машине в течение трех лет. В результате машина для прогнозирования приливов № 2 не работала до 1910 года.^[6] Впервые он был применен для прогнозирования значений таблиц приливов и отливов 1912 и 1913 годов. Затем машина была разобрана, отполирована, покрыта металлическими покрытиями, покрыта лаком и собрана вовремя, чтобы обеспечить прогнозы для таблиц приливов и отливов 1914 года.^[5] Сравнение точности механических предсказаний приливов и ручных расчетов для двух сложных мест продемонстрировало ошибки в высоте 0,72 дюйма (1,83 см) или меньше.^[4]^[6]

Old Brass Brains имеет длину 10,8 футов (3,3 м), высоту 6,2 фута (1,9 м), ширину 2 фута (0,6 м).^[5] и весит приблизительно 2500 фунтов (1134 кг).^[7]

Использовать

Чтобы вычислить приливы и отливы для прибрежного местоположения, оператор должен настроить машину для этого местоположения. Это достигается путем изменения физических настроек машины с учетом до 37 факторов. Эти факторы определяются эмпирически путем гармонического анализа временного ряда приливов в данном месте.^[6] и представляют влияние луны, солнца, глубины залива, прибрежных островов и т. д.^[2] После расчета коэффициенты для местоположения можно применять к прошлым и будущим годам.^[3] и широко распространены, так что любой может выполнить расчет приливов.^[6]

Кривошип для компонента формулы приливов на машине для прогнозирования приливов № 2. Механическое устройство (вилка кривошипа с прорезями) преобразует круговое движение в вертикальное движение, которое образует синусоиду. Оператор регулирует положение пальца на кривошипе, чтобы представить компонент формулы прилива в конкретном прибрежном порту перед началом вычислений. Положение штифта влияет на амплитуду и фазу синусоиды.

Если предположить, что факторы для местоположения известны, для настройки машины на вычисление приливов и отливов для этого местоположения потребуется 2,5–4 часа. Прогнозы приливов и отливов в этом месте на год могут быть произведены за 8–15 часов.^[6] Вычисления, которые Машина для прогнозирования приливов № 2 может выполнить за 1 день, потребуют от человека 125 дней для выполнения вручную.^[2]

Примерно в 1915 году машина использовалась для составления годовых таблиц приливов и отливов для 70 крупных порты Мировой.^[4] Дополнительные порты были добавлены в более поздние годы.

В течение Вторая Мировая Война USCGS подготовила годовые таблицы приливов и отливов для крупных портов за четыре года вперед на случай, если Old Brass Brains выйдет из строя или будет саботироваться.^[8] USCGS также предоставила прогнозы приливов для ряда дополнительных мест в Тихий океан, включая потенциальные места для десантные вторжения. Получение данных наблюдений за приливами в этих местах для поддержки расчета факторов, необходимых для прогнозов, часто было серьезной проблемой.^[3]

Примерно в 1960 году Old Brass Brains был изменен, чтобы заменить ручную рукоятку на электродвигатель и добавить автоматическое считывание высоты и времени.^[3] В 1965 году USCGS сняла с эксплуатации машину для прогнозирования приливов № 2, через 55 лет после ее ввода в эксплуатацию, и начала выполнять расчеты приливов с помощью электронного компьютера.^[2]

Текущее состояние

В Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) поддерживает машину прогнозирования приливов № 2 в рабочем состоянии. Машина находится на территории NOAA в Сильвер-Спринг, Мэриленд. Публика может иногда видеть машину во время таких мероприятий, как День открытых дверей NOAA.^[9]

Математическая основа

Машина для прогнозирования приливов № 2 основана на первом точном математическом подходе для прогнозирования приливов, который был разработан около 1867 г. Сэр Уильям Томсон (который позже стал лордом Кельвином), а затем усовершенствован Сэр Джордж Дарвин. Этот подход, называемый «гармоническим анализом», аппроксимирует высоту прилива путем суммирования косинусных членов, каждый из которых имеет разные частота. В формула для высоты моря представляется как

{ displaystyle H_ {0} + A_ {1} cos ( omega _ {1} t + varphi _ {1}) + A_ {2} cos ( omega _ {2} t + varphi _ {2} ) + A_ {3} cos ( omega _ {3} t + varphi _ {3}) + cdots}

содержащие 10, 20 или даже больше тригонометрический термины. ${ displaystyle H_ {0}}$ - высота среднего уровня моря. Для каждого семестра ${ Displaystyle я = 1, ldots, п}$ , ${ displaystyle A_ {i}}$ это амплитуда вклада этого термина в высоту прилива над средним уровнем моря, ${ displaystyle omega _ {я}}$ определяет периодичность срока, ${ displaystyle t}$ время, и ${ displaystyle phi _ {я}}$ относительная фаза термина. Это уравнение вычисляется большинством машин для предсказания приливов, включая Old Brass Brains, которая обрабатывает 37 таких терминов.^[6]

Частоты ${ displaystyle omega _ {я}}$ определяются из астрономический соображения, которые были определены Томсоном и Дарвином и использовались почти повсеместно. Например, одна скорость представляет собой скорость теоретической луны с постоянной скоростью по круговой орбита в экваториальная плоскость. Другие компоненты с их собственными скоростями корректируют разницу между орбитой этой теоретической луны и реальной Луна.^[5] Коэффициенты ${ displaystyle A_ {i}}$ и ${ displaystyle phi _ {я}}$ определяются Анализ Фурье из Временные ряды высоты прилива. Этот анализ может быть выполнен с записью всего за две недели, но 369-дневная выборка является стандартной.^[10] Более длинный образец сводит к минимуму ошибки, вызванные ураганами, ветрами и другими нерегулярными воздействиями.^[6]

механизм генерации синусоидальной составляющей движения

Чтобы вычислить эти термины, разработчики USCGS включили то же самое "кривошип с прорезью вилки "подход к механическому вычислению косинусов, который использовал Томсон, показан на схеме (справа). Вращающееся ведущее колесо (" кривошип ") оснащено смещенным от центра штифтом. Вал с секцией с горизонтальными пазами может свободно перемещаться вертикально вверх и вниз. Смещенный от центра штифт колеса расположен в прорези. В результате, когда штифт перемещается вместе с колесом, он заставляет вал перемещаться вверх и вниз в определенных пределах. В результате такого расположения, когда привод колесо вращается равномерно, скажем по часовой стрелке, вал движется синусоидально вверх и вниз. Вертикальное положение центра паза в любое время ${ displaystyle t}$ , тогда можно выразить как ${ displaystyle A_ {1} cos ( omega _ {1} t + phi _ {1})}$ , куда ${ displaystyle A_ {1}}$ радиальное расстояние от центра колеса до штифта, ${ displaystyle omega _ {1}}$ - скорость вращения колеса (в радианы в единицу времени) и определяется шестернями, а ${ displaystyle phi _ {1}}$ - начальный фазовый угол штифта, измеренный в радианах от положения «12 часов» до углового положения, в котором штифт находился в нулевой момент времени. Оператор скорректировал расположение каждой булавки на основе эмпирически вычисленных параметров приливов и отливов в порту. Такое расположение представляет собой физический аналог всего одного члена в уравнении приливов и отливов. Old Brass Brains насчитывает 37 таких терминов.

Кривошипы вилки с прорезями вверху и внизу (с треугольными частями) движутся вертикально по синусоидальной схеме. Расположение штифтов определяет их амплитуды и фазы, представляя факторы в уравнении прилива. Шкивы по центру перемещаются с прикрепленными шатунами. Суммирующая цепочка над и под шкивами суммирует их влияния.

Конструкторы USCGS также переняли от более ранних британских машин подход суммирования членов, проводя цепь над и под шкивами, прикрепленными к вертикально колеблющимся ярмам. Количество цепи, оставшейся после прохождения через шкивы и под шкивами, указывает сумму условий. Например, большое значение для члена приведет к перемещению его шкива дальше от нейтрального положения, отклонению цепи и уменьшению количества избыточной цепи, остающейся в системе.^[5]

Одна сторона Old Brass Brains используется для вычисления высоты прилива. Подобное расположение компонентов на другой стороне, но с кривошипами, сдвинутыми по фазе на 90 градусов, представляет собой производную по времени формулы высоты прилива. Когда производная равна нулю, наступило время прилива или отлива. Электрическая цепь определяет это состояние и останавливает машину, чтобы оператор мог записать дату, время и высоту прилива.^[6]

Галерея

Шкивы движутся вверх и вниз в синусоидальном движении, представляя компоненты уравнения прилива. Суммирующая цепочка, проходящая над и под шкивами, суммирует их влияния.
Оператор считывает высоту и время приливов и отливов по этим циферблатам и шкалам.
На этой фотографии показаны верхняя и одна сторона машины для прогнозирования приливов №2. Формула прогнозирования приливов, реализованная этим устройством, включает добавление ряда косинусных членов. Треугольные металлические детали являются частью кривошипов вилки с прорезями, которые преобразуют круговое движение в вертикальное движение по синусоиде. Каждый кривошип с прорезью вилки соединен валом со шкивом, что заставляет шкив следовать синусоидальному движению. Цепь, проходящая над шкивами и под ними, суммирует каждое из их отклонений для расчета прилива. На фото вверху соединительные валы приводят в движение кривошипы с пазами вилки с обеих сторон машины. Одна сторона машины вычисляет высоту приливов, а другая определяет время приливов и отливов.
Внутреннее устройство: в машине используется сложное расположение шестерен, шкивов, цепей, ползунов и других механических компонентов для выполнения вычислений.

Смотрите также

Машина для прогнозирования приливов и отливов

внешняя ссылка

Американское математическое общество / Тони Филлипс, Фурье-анализ океанских приливов I.
Американское математическое общество / Билл Кассельман (2009), Фурье-анализ океанских приливов III.
Оператор с машиной для прогнозирования приливов № 2.

[1] "Падение старых медных мозгов"'". Разработка продукта. 41 (1–6): 98. 1970.

[:0-2] а ^б ^c ^d ^е "Старые латунные мозги" (PDF). Национальное управление океанических и атмосферных исследований. Февраль 1989 г.. Получено 1 мая, 2016.

[:1-3] а ^б ^c ^d ^е ^ж Хикс, Стейси (1967). "Столетие предсказания приливов и отливов в прибрежной геодезической службе США". Международный гидрографический обзор. XLIV: 121–131. Получено 1 мая, 2016.

[:2-4] а ^б ^c ^d ^е Клоди, К. Х. (7 марта 1914 г.). «Великий латунный мозг: уникальный двигатель, от точности которого зависят миллионы долларов и тысячи жизней». Scientific American. 110: 197–198. Дои:10.1038 / scientificamerican03071914-197. Получено 1 мая, 2016.

[:3-5] а ^б ^c ^d ^е ^ж ^грамм Описание машины для прогнозирования приливов и приливов для геодезической съемки США, Выпуск 2. Береговая и геодезическая служба США. 1915 г.

[:4-6] а ^б ^c ^d ^е ^ж ^грамм ^час ^я ^j ^k ^л Фишер, Э. Г. (май 1912 г.). «Береговая и геодезическая машина для прогнозирования приливов № 2». Популярная астрономия. 20 (5): 269–285. Bibcode:1912PA ..... 20..269F. Получено 1 мая, 2016.

[7] "Машины для предсказания приливов - приливы и течения NOAA". www.co-ops.nos.noaa.gov. Получено 2016-05-01.

[8] Паркер, Брюс (2012). Сила моря: цунами, штормовые нагоны, бродячие волны и наши поиски предсказания бедствий. Макмиллан. п. 39. ISBN 978-0-230-12074-7.

[9] "День открытых дверей NOAA". Получено 1 мая, 2016.

[10] Филлипс, Тони. "Фурье-анализ океанских приливов II". Рубрика: Ежемесячные эссе по математическим темам. Американское математическое общество. Получено 8 мая, 2016.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]