Машина для предсказания приливов и отливов № 2

Машина для предсказания приливов и отливов № 2
	Машина для предсказания приливов № 2
Дата изобретения	1895
Производитель	Береговая и геодезическая служба США
Представлено	1910
Снято с производства	1965
Масса	2500 фунтов (1134 кг)
Размеры	Длина 10,8 футов (3,3 м), высота 6,2 фута (1,9 м), ширина 2 фута (0,6 м).

Машина для предсказания приливов № 2 , также известная как « Старые латунные мозги » ^[1] специального назначения представлял собой механический компьютер , который использовал шестерни , шкивы , цепи и другие механические компоненты для расчета высоты и времени приливов и отливов в определенных местах. Машина может выполнять расчеты приливов гораздо быстрее, чем человек мог бы сделать это с помощью карандаша и бумаги. Береговая и геодезическая служба США ввела машину в эксплуатацию в 1910 году. Она использовалась до 1965 года, когда ее заменил электронный компьютер . ^[2]

Первые попытки США по прогнозированию приливов

Приливы – это подъем и понижение уровня моря, вызванные совместным воздействием гравитационных сил Луны , Солнца и вращения Земли . В 1867 году Служба береговой службы США начала печатать ежегодные таблицы приливов и приливов для обеспечения безопасной и эффективной морской, прибрежной и оборонной деятельности. ^[2]^[3] Вскоре эти таблицы показали время и высоту приливов и отливов с точностью до минуты и десятой доли фута соответственно. Таблицы печатались по годам и распространялись до начала года. ^[3]^[4]

Прогнозирование приливов является очень сложной задачей, поскольку оно зависит от множества факторов, включая расположение Солнца и Луны, форму береговой линии и прибрежную батиметрию . Теории приливов пытаются объяснить эти факторы, но приводят к сложным расчетам. Первоначально расчеты выполнялись вручную, что было очень трудоемко и приводило к ошибкам. ^[5] Бремя стало еще больше, когда Служба береговой и геодезической службы США (так Служба береговой службы США была переименована в 1878 году) начала использовать более точный гармонический метод для прогнозирования приливов и отливов в 1884 году. ^[3]

Чтобы значительно сократить работу, необходимую для прогнозирования приливов, в 1881 году Уильям Феррел из Береговой и геодезической службы разработал машину для прогнозирования приливов. Производители инструментов Fauth & Co. построили машину для прогнозирования приливов № 1 и доставили ее в 1882 году. В 1883 году Служба обзора начала регулярно использовать эту машину. ^[6]

История и механизм

В 1895 году Береговая и геодезическая служба выразила обеспокоенность тем, что машина для прогнозирования приливов № 1 значительно изношена из-за почти постоянного использования в течение 12 лет. В офисе решили построить новую машину, которая была бы быстрее, точнее и надежнее. Это стало машиной для предсказания приливов и отливов № 2. ^[4]

Ролин Харрис и Э.Г. Фишер из Береговой и геодезической службы возглавили эту работу. ^[5] Команда разработчиков изучила предыдущие британские и американские машины для прогнозирования приливов и включила их лучшие качества в конструкцию новой машины. ^[6] В машине, также известной как «Старые латунные мозги», использовалась сложная система шестерен, шкивов, направляющих и других компонентов. Проект новой машины был утвержден 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, которые показывали высоту прилива и соответствующие дату и время, используемые Tide. -Прогнозирующая машина № 1. Циферблаты и весы значительно облегчили оператору точное определение высоты и времени приливов и отливов. Бумажный график, называемый кривой прилива, был очень полезен в качестве записи вычислений, которую можно было проверить позже, чтобы подтвердить правильность выполнения вычислений. ^[6]

Ручная рукоятка, вращаемая оператором, обеспечивает мощность для механических расчетов машины. батарейным с Электрические цепи питанием используются для обозначения начала часов и дней на бумажном графике и для остановки машины при достижении прилива и отлива, чтобы оператор мог отмечать высоту и время. ^[6]

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 перед установкой в машину перемещались по шестерням под натяжением в течение года рабочих дней, чтобы обеспечить их достаточную гибкость и постоянство их длины. ^[5]

Другие работы в Берегово-геодезической службе преобладали над строительством новой машины, а сокращение штата исключило все работы над новой машиной на три года. В результате Машина для предсказания приливов № 2 не работала до 1910 года. ^[6] Впервые он был применен для прогнозирования значений таблиц приливов и отливов 1912 и 1913 годов. Затем машину разобрали, отполировали, покрыли металлом, покрыли лаком и снова собрали, чтобы подготовить прогнозы для таблиц приливов и отливов 1914 года. ^[5] Сравнение точности механических прогнозов приливов и ручных расчетов для двух сложных мест показало 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 примерно 2500 фунтов (1134 кг). ^[7]

Использовать

Чтобы рассчитать приливы для прибрежной зоны, оператор должен настроить машину для этой местности. Это делается путем регулировки физических настроек машины на основе 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 применить к прошлым и будущим годам. ^[3] и широко используются, поэтому каждый может выполнять расчеты приливов. ^[6]

Предполагая, что факторы для местоположения известны, настройка машины для расчета приливов для этого местоположения требует 2,5–4 часа. Прогнозы годовых приливов в этом месте можно будет сделать за 8–15 часов. ^[6] Расчеты, которые машина для прогнозирования приливов № 2 может выполнить за 1 день, потребуют от человека 125 дней, чтобы выполнить их вручную. ^[2]

Примерно в 1915 году машина использовалась для составления ежегодных таблиц приливов и приливов для 70 крупнейших портов мира. ^[4] Дополнительные порты были добавлены в последующие годы.

Во время Второй мировой войны Береговая и геодезическая служба составляла ежегодные таблицы приливов и приливов для крупных портов на четыре года вперед на случай, если Old Brass Brains выйдет из строя или подвергнется саботажу. ^[8] Береговая и геодезическая служба также предоставила прогнозы приливов для ряда дополнительных мест в Тихом океане , включая потенциальные места вторжений амфибий . Получение данных о приливах в этих местах для поддержки расчета факторов, необходимых для прогнозов, часто было серьезной проблемой. ^[3]

Примерно в 1960 году Old Brass Brains был модифицирован, чтобы заменить рукоятку электродвигателем и добавить автоматическое считывание высоты и времени. ^[3] В 1965 году Береговая и геодезическая служба вывела из эксплуатации машину для прогнозирования приливов № 2, через 55 лет после ее ввода в эксплуатацию, и начала выполнять расчеты приливов с помощью электронного компьютера. ^[2]

Текущий статус

Национальное управление океанических и атмосферных исследований (НОАА) поддерживает машину для прогнозирования приливов № 2 в рабочем состоянии. Машина находится на предприятии NOAA в Силвер-Спринг, штат Мэриленд . Публика может время от времени видеть машину во время таких мероприятий, как День открытых дверей NOAA. ^[9]

Математическая основа

Машина для предсказания приливов № 2 основана на первом точном математическом подходе к предсказанию приливов, который был разработан примерно в 1867 году сэром Уильямом Томсоном (который позже стал лордом Кельвином) и позднее усовершенствован сэром Джорджем Дарвином . Этот подход, называемый «гармоническим анализом», аппроксимирует высоту прилива путем суммирования косинусоидальных членов, каждый из которых имеет разную частоту . Формула высоты моря представляется как

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 и более тригонометрических членов. $H_{0}$ – высота среднего уровня моря. За каждый срок $i=1,\ldots ,n$ , $A_{i}$ - амплитуда вклада термина в высоту прилива над средним уровнем моря, $\omega _{i}$ определяет частоту термина, $t$ это время, и $\phi _{i}$ это относительная фаза термина. Это уравнение вычисляется большинством машин по прогнозированию приливов, включая Old Brass Brains, которое обрабатывает 37 таких членов. ^[6]

Частоты $\omega _{i}$ определяются на основе астрономических соображений, которые были определены Томсоном и Дарвином и использовались почти повсеместно. Например, одна скорость представляет собой скорость теоретической луны с постоянной скоростью на круговой орбите в экваториальной плоскости . Другие компоненты со своими собственными скоростями корректируют различия между орбитой теоретической и реальной Луны . ^[5] Коэффициенты $A_{i}$ и $\phi _{i}$ определяются с помощью Фурье-анализа временного ряда высот приливов. Этот анализ может быть выполнен с записью всего за две недели, но стандартной является выборка продолжительностью 369 дней. ^[10] Более длинная выборка сводит к минимуму ошибки, вносимые ураганами, паводками и другими нерегулярными воздействиями. ^[6]

механизм генерации синусоидальной составляющей движения

Чтобы вычислить эти члены, разработчики Береговой и Геодезической службы использовали тот же подход « кривошипа с прорезями » для механического расчета косинусов, который использовал Томсон, как показано на схеме (справа). Вращающееся ведущее колесо («кривошип») оснащено смещенным от центра штифтом. Вал с горизонтальной прорезной частью может свободно перемещаться вертикально вверх и вниз. Смещенный от центра штифт колеса расположен в пазу. В результате, когда штифт перемещается вместе с колесом, он заставляет вал перемещаться вверх и вниз в определенных пределах. В результате такого расположения, когда ведущее колесо вращается равномерно, скажем, по часовой стрелке, вал движется синусоидально вверх и вниз. Вертикальное положение центра слота в любой момент $t$ , тогда можно выразить как $A_{1}\cos(\omega _{1}t+\phi _{1})$ , где $A_{1}$ - радиальное расстояние от центра колеса до колышка, $\omega _{1}$ - скорость вращения колеса (в радианах в единицу времени), определяемая шестернями, и $\phi _{1}$ - начальный фазовый угол привязки, измеренный в радианах от положения на 12 часов до углового положения, в котором привязка находилась в нулевой момент времени. Оператор корректировал расположение каждого штифта на основе эмпирически рассчитанных параметров приливов и отливов в порту. Такое расположение представляет собой физический аналог всего лишь одного члена в уравнении прилива. Old Brass Brains вычисляет 37 таких терминов.

Разработчики Береговой и Геодезической службы также переняли у более ранних британских машин подход суммирования членов путем пропускания цепи над и под шкивами, прикрепленными к вертикально колеблющимся ярмам. Количество цепи, оставшейся после прохождения над и под шкивами, обозначало сумму слагаемых. Например, большое значение термина приведет к смещению его шкива дальше от нейтрального положения, отклоняя цепь и уменьшая количество лишней цепи, остающейся в системе. ^[5]

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

Галерея

Шкивы движутся вверх и вниз синусоидально, представляя собой компоненты уравнения прилива. Цепочка суммирования, проходящая над и под шкивами, суммирует их влияния.
Оператор считывает высоту и время приливов и отливов с этих циферблатов и шкал.
На этой фотографии показаны верхняя и одна сторона машины для прогнозирования приливов № 2. Формула прогнозирования приливов, реализуемая машиной, включает добавление ряда косинусных членов. Треугольные металлические детали являются частью кривошипов с прорезями, которые преобразуют круговое движение в вертикальное движение, описывающее синусоиду. Каждый кривошип с прорезями соединен валом со шкивом, что заставляет шкив совершать синусоидальное движение. Цепь, проходящая над и под шкивами, суммирует каждое их отклонение для расчета прилива. Вверху фотографии соединительные валы приводят в движение кривошипы с прорезями на обеих сторонах машины. Одна сторона машины вычисляет высоту приливов, а другая определяет время приливов и отливов.
Внутреннее устройство: машина использует сложную систему шестерен, шкивов, цепей, направляющих и других механических компонентов для выполнения вычислений.

Ссылки

^ «Падение «Старых медных мозгов» ». Разработка продукта . 41 (1–6): 98. 1970.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «Старые латунные мозги» (PDF) . Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Февраль 1989 года . Проверено 1 мая 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Хикс, Стейси (1967). «Столетие береговой и геодезической службы США по предсказанию приливов» . Международное гидрографическое обозрение . XLIV : 121–131 . Проверено 1 мая 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Клауди, CH (7 марта 1914 г.). «Великий медный мозг: уникальный двигатель, от точности работы которого зависят миллионы долларов и тысячи жизней» . Научный американец . 110 : 197–198. doi : 10.1038/scientificamerican03071914-197 . Проверено 1 мая 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Описание береговой и геодезической машины для прогнозирования приливов и приливов, выпуск 2 . Береговая и геодезическая служба США. 1915.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л Фишер, Э.Г. (май 1912 г.). «Береговая и геодезическая машина для прогнозирования приливов и приливов № 2» . Популярная астрономия . 20 (5): 269–285. Бибкод : 1912PA.....20..269F . Проверено 1 мая 2016 г.
^ «Машины для прогнозирования приливов — приливы и течения NOAA» . www.co-ops.nos.noaa.gov . Проверено 1 мая 2016 г.
^ Паркер, Брюс (2012). Сила моря: цунами, штормовые нагоны, волны-убийцы и наши попытки предсказать катастрофы . Макмиллан. п. 39. ИСБН 978-0-230-12074-7 .
^ «День открытых дверей НОАА» . Проверено 1 мая 2016 г.
^ Филлипс, Тони. «Фурье-анализ океанских приливов II» . Тематическая колонка: Ежемесячные эссе на математические темы . Американское математическое общество . Проверено 8 мая 2016 г.

Внешние ссылки

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 и отливов № 2 .
Паркер, Брюс (2011). «Прогноз прилива на день Д» . Физика сегодня . 64 (9): 35–40. Бибкод : 2011ФТ....64и..35П . дои : 10.1063/PT.3.1257 . ISSN 0031-9228 .

[1] «Падение «Старых медных мозгов» ». Разработка продукта . 41 (1–6): 98. 1970.

[:0-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «Старые латунные мозги» (PDF) . Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Февраль 1989 года . Проверено 1 мая 2016 г.

[:1-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Хикс, Стейси (1967). «Столетие береговой и геодезической службы США по предсказанию приливов» . Международное гидрографическое обозрение . XLIV : 121–131 . Проверено 1 мая 2016 г.

[:2-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Клауди, CH (7 марта 1914 г.). «Великий медный мозг: уникальный двигатель, от точности работы которого зависят миллионы долларов и тысячи жизней» . Научный американец . 110 : 197–198. doi : 10.1038/scientificamerican03071914-197 . Проверено 1 мая 2016 г.

[:3-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Описание береговой и геодезической машины для прогнозирования приливов и приливов, выпуск 2 . Береговая и геодезическая служба США. 1915.

[:4-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л Фишер, Э.Г. (май 1912 г.). «Береговая и геодезическая машина для прогнозирования приливов и приливов № 2» . Популярная астрономия . 20 (5): 269–285. Бибкод : 1912PA.....20..269F . Проверено 1 мая 2016 г.

[7] «Машины для прогнозирования приливов — приливы и течения NOAA» . www.co-ops.nos.noaa.gov . Проверено 1 мая 2016 г.

[8] Паркер, Брюс (2012). Сила моря: цунами, штормовые нагоны, волны-убийцы и наши попытки предсказать катастрофы . Макмиллан. п. 39. ИСБН 978-0-230-12074-7 .

[9] «День открытых дверей НОАА» . Проверено 1 мая 2016 г.

[10] Филлипс, Тони. «Фурье-анализ океанских приливов II» . Тематическая колонка: Ежемесячные эссе на математические темы . Американское математическое общество . Проверено 8 мая 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]