Машина для прогнозирования приливов была специализированным механическим аналоговым компьютером конца 19-го и начала 20-го веков, сконструированным и настроенным для прогнозирования приливов и отливов и нерегулярных изменений их высоты, которые изменяются в смесях ритмов, которые никогда (в совокупности) не повторяются в точности. [1] Ее целью было сократить трудоемкие и подверженные ошибкам вычисления прогнозирования приливов. Такие машины обычно предоставляли прогнозы, действительные от часа к часу и изо дня в день на год или больше вперед.
Первая машина для прогнозирования приливов, спроектированная и построенная в 1872–73 годах, а затем две более крупные машины на схожих принципах в 1876 и 1879 годах, была задумана сэром Уильямом Томсоном . Томсон представил метод гармонического анализа приливных моделей в 1860-х годах, и первая машина была разработана Томсоном в сотрудничестве с Эдвардом Робертсом (1845–1933, помощник в UK HM Nautical Almanac Office ) и Александром Леже, который ее построил. [2]
В США еще одна машина для прогнозирования приливов по другой схеме была разработана Уильямом Феррелем и построена в 1881–1882 годах. [3] Разработки и усовершенствования продолжались в Великобритании, США и Германии в течение первой половины 20-го века. Машины стали широко использоваться для построения официальных прогнозов приливов для общей морской навигации. Они стали рассматриваться как имеющие военно-стратегическое значение во время Первой мировой войны , [4] и снова во время Второй мировой войны , когда машина для прогнозирования приливов № 2 США, описанная ниже, была засекречена , вместе с данными, которые она производила, и использовалась для прогнозирования приливов для высадки в Нормандии в день Д и всех высадок на островах в Тихоокеанской войне . [5] Военный интерес к таким машинам продолжался даже некоторое время спустя. [6] Они были сделаны устаревшими цифровыми электронными компьютерами, которые можно было запрограммировать для выполнения аналогичных вычислений, но машины для прогнозирования приливов продолжали использоваться до 1960-х и 1970-х годов. [7]
Несколько образцов машин для прогнозирования приливов и отливов по-прежнему экспонируются в качестве музейных экспонатов, время от времени приводимых в действие в демонстрационных целях, являя собой памятники математической и механической изобретательности их создателей.
Современное научное изучение приливов восходит к «Началам » 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 течение следующих 90 лет, известно как «теория равновесия» приливов. [8]
Начиная с 1776 года, Пьер-Симон Лаплас сделал фундаментальный шаг вперед в приближении равновесия, впервые описав динамические реакции океанических приливных вод на силы, создающие приливы и отливы, вызванные Луной и Солнцем . [8] [9]
Усовершенствования Лапласа в теории были существенными, но они все еще оставляли предсказания в приблизительном состоянии. Это положение изменилось в 1860-х годах, когда локальные обстоятельства приливных явлений были более полно учтены применением анализа Фурье Уильямом Томсоном к приливным движениям. [8] Работа Томсона в этой области была затем дополнительно развита и расширена Джорджем Дарвином , вторым сыном Чарльза Дарвина : работа Джорджа Дарвина была основана на лунной теории, распространенной в его время. Его символы для приливных гармонических составляющих используются до сих пор. Гармонические разработки Дарвина приливообразующих сил были позже обновлены А. Т. Дудсоном 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 прогнозирования приливов пришла к 1870-м годам, можно резюмировать: астрономические теории Луны и Солнца определили частоты и силы различных компонентов силы, порождающей приливы. Но эффективное прогнозирование в любом заданном месте требовало измерения адекватной выборки местных приливных наблюдений, чтобы показать местный приливной отклик на этих различных частотах, по амплитуде и фазе. Затем эти наблюдения нужно было проанализировать, чтобы вывести коэффициенты и фазовые углы. Затем, для целей прогнозирования, эти местные приливные константы нужно было рекомбинировать, каждую с различным компонентом силы, порождающей приливы, к которой она применялась, и в каждой из последовательности будущих дат и времени, а затем различные элементы, наконец, собрать вместе, чтобы получить их совокупные эффекты. В эпоху, когда вычисления выполнялись вручную и умом, с карандашом, бумагой и таблицами, это считалось чрезвычайно трудоемким и подверженным ошибкам занятием.
Томсон понял, что необходим удобный и желательно автоматизированный способ многократной оценки суммы приливных членов, таких как:
содержащие 10, 20 или даже больше тригонометрических членов, так что вычисление можно было бы удобно повторить полностью для каждого из очень большого числа различных выбранных значений даты/времени . Это было ядром проблемы, решенной машинами для прогнозирования приливов.
Томсон поставил перед собой цель построить механизм, который мог бы физически оценить эту тригонометрическую сумму, например, как вертикальное положение ручки, которая затем могла бы начертить 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 снабжено нецентральным штифтом. Вал с горизонтально прорезанной секцией может свободно перемещаться вертикально вверх и вниз. Нецентральный штифт колеса расположен в пазу. В результате, когда штифт движется вместе с колесом, он может заставить вал двигаться 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 времени можно выразить как , где - радиальное расстояние от центра колеса до штифта, - скорость, с которой колесо вращается (в радианах за единицу времени), а - начальный фазовый угол штифта, измеряемый в радианах от положения 12 часов до углового положения, в котором штифт находился в нулевой момент времени.
Такое расположение создает физический аналог всего одного тригонометрического члена. Томсону нужно было построить физическую сумму многих таких членов.
Сначала он склонялся к использованию шестерен. 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 использовал Уитстон . Это была цепь, попеременно бегущая над и под последовательностью шкивов на подвижных валах. Цепь была закреплена на одном конце, а другой (свободный) конец был утяжелен, чтобы поддерживать ее натянутой. Когда каждый вал двигался вверх или вниз, он набирал или отпускал соответствующую длину цепи. Движения в положении свободного (подвижного) конца цепи представляли собой сумму движений различных валов. Подвижный конец поддерживался натянутым и был снабжен ручкой и движущейся полосой бумаги, на которой ручка чертила приливную кривую. В некоторых конструкциях подвижный конец линии был соединен вместо этого с циферблатом и шкалой, с которых можно было считывать приливные высоты.
Одна из конструкций Томсона для вычислительной части машины для прогнозирования приливов показана на рисунке (справа), очень похожая на третью машину 1879-1881 годов. Длинный шнур, один конец которого был закреплен, проходил вертикально вверх и над первым верхним шкивом, затем вертикально вниз и под следующим и т. д. Все эти шкивы перемещались вверх и вниз с помощью кривошипов, и каждый шкив вбирал или выпускал шнур в соответствии с направлением, в котором он двигался. Все эти кривошипы перемещались с помощью передач колес, зацепляющихся с колесами, закрепленными на приводном валу. Наибольшее количество зубьев на любом колесе составляло 802, зацепляющихся с другим из 423. Все остальные колеса имели сравнительно небольшое количество зубьев. Маховик с большой инерцией позволял оператору быстро вращать машину, не дергая шкивы, и таким образом проходить годичную кривую примерно за двадцать пять минут. Машина, показанная на рисунке, была рассчитана всего на пятнадцать компонентов.
Томсон признал, что использование расположения гибкой линии сверху и снизу, суммирующей компоненты движения, было предложено ему в августе 1872 года инженером Бошамом Тауэром . [10]
Первая машина для прогнозирования приливов (TPM) была построена в 1872 году компанией Légé Engineering Company. [11] Ее модель была представлена на заседании Британской ассоциации в 1873 году [12] (для вычисления 8 приливных компонентов), за которой в 1875-76 годах последовала машина немного большего масштаба (для вычисления 10 приливных компонентов), разработанная сэром Уильямом Томсоном (впоследствии ставшим лордом Кельвином ). [13] 10-компонентная машина и полученные с ее помощью результаты были показаны на Парижской выставке в 1878 году.
Томсон также был ответственным за создание метода гармонического приливного анализа и за разработку машины для гармонического анализа, которая частично механизировала оценку констант по показаниям манометра.
Увеличенная и улучшенная версия машины для вычисления 20 приливных компонентов была построена для правительства Индии в 1879 году, а затем модифицирована в 1881 году для расширения ее для вычисления 24 гармонических компонентов. [14] British Tide Predictor No.2, после первоначального использования для генерации данных для индийских портов, использовался для прогнозирования приливов для Британской империи за пределами Индии и был передан Национальной физической лаборатории в 1903 году. British Tide Predictor No.3 был продан французскому правительству в 1900 году и использовался для создания французских таблиц приливов.
В этих машинах прогноз выдавался в виде непрерывного графического графика приливной высоты в зависимости от времени. График был отмечен часовыми и полуденными отметками и создавался машиной на движущейся полосе бумаги по мере поворота механизма. Годовые прогнозы приливов для заданного места, обычно выбранного морского порта, могли быть построены машинами 1876 и 1879 годов примерно за четыре часа (но в течение этого времени приводы приходилось перематывать).
В 1881–82 годах еще одна машина для прогнозирования приливов, работающая совершенно иначе, была разработана Уильямом Феррелем и построена в Вашингтоне под руководством Ферреля Э. Г. Фишером (который позже спроектировал следующую машину, описанную ниже, которая использовалась в Береговой и геодезической службе США с 1912 по 1960-е годы). [15] Машина Ферреля выдавала прогнозы, сообщая время и высоту последовательных приливов и отливов, показанных с помощью показаний указателей на циферблатах и шкалах. Они считывались оператором, который копировал показания на бланки для отправки в типографию таблиц приливов и отливов США.
Эти машины должны были быть настроены с местными приливными константами, специально для места, для которого должны были быть сделаны прогнозы. Такие числа выражают местный приливной отклик на отдельные компоненты глобального приливообразующего потенциала на разных частотах. Этот локальный отклик, показанный во времени и высоте приливных вкладов на разных частотах, является результатом местных и региональных особенностей побережий и морского дна. Приливные константы обычно оцениваются по локальным историям наблюдений мареографов с помощью гармонического анализа на основе основных приливообразующих частот, как показано глобальной теорией приливов и лежащей в ее основе лунной теорией .
Развитие и усовершенствование, основанные на опыте этих ранних машин, продолжались в течение всей первой половины 20-го века.
.jpg/1280px-Tide_Predicting_Machine_No._2_(%22Old_Brass_Brains%22).jpg)
Машина для прогнозирования приливов и отливов США № 2 («Старые латунные мозги») [16] была разработана в 1890-х годах Роллином Харрисом, построена в Береговой и геодезической службе США , достроена и введена в эксплуатацию в 1912 году, использовалась в течение нескольких десятилетий, включая период Второй мировой войны, и выведена из эксплуатации в 1965 году. [17] [18]
Машины для прогнозирования приливов и отливов строились в Германии во время Первой мировой войны, а затем в период 1935-1938 гг. [19]
Машины Brass, созданные на основе оригинальной машины Томсона для определения приливов, считаются наиболее точными в ходе подготовки к высадке союзников в Нормандии в 1944 году во время Второй мировой войны . [20]
Три из последних построенных:
За исключением небольших переносных машин, известно о создании в общей сложности 33 машин для прогнозирования приливов и отливов, из которых 2 были уничтожены, а 4 в настоящее время утеряны. [23]
Их можно увидеть в Лондоне, [24] Вашингтоне, [25] Ливерпуле [26] и других местах, в том числе в Немецком музее в Мюнхене.
Онлайн-демонстрация доступна для демонстрации принципа работы 7-компонентной версии машины для прогнозирования приливов, в остальном похожей на оригинальную конструкцию Томсона (Кельвина). [27] Анимация показывает часть работы машины: можно увидеть движения нескольких шкивов, каждый из которых движется вверх и вниз, чтобы имитировать одну из приливных частот; анимация также показывает, как эти синусоидальные движения были созданы вращением колеса и как они были объединены, чтобы сформировать результирующую приливную кривую. В анимации не показано, каким образом отдельные движения были созданы в машине на правильных относительных частотах, путем передачи в правильных соотношениях или как амплитуды и начальные фазовые углы для каждого движения были установлены регулируемым образом. Эти амплитуды и начальные фазовые углы представляли собой локальные приливные константы, отдельно сбрасываемые и разные для каждого места, для которого должны были быть сделаны прогнозы. Кроме того, в настоящих машинах Томсона, чтобы сэкономить на движении и износе других частей, вал и шкив с наибольшим ожидаемым движением (для приливной составляющей M2 дважды за лунные сутки) устанавливались ближе всего к ручке, а вал и шкив, представляющие наименьший компонент, находились на другом конце, ближе всего к точке крепления гибкого шнура или цепи, чтобы свести к минимуму ненужное движение в большей части гибкого шнура.
