stringtranslate.com

Томас Стивенсон

Томас Стивенсон PRSE MInstCE FRSSA FSAScot (22 июля 1818 г. – 8 мая 1887 г.) был шотландским инженером-строителем , проектировщиком маяков и метеорологом , который спроектировал более тридцати маяков в Шотландии и вокруг нее, а также экран Стивенсона , используемый в метеорологии. Его проекты, признанные новаторскими, открыли новую эру создания маяков.

Он был президентом Королевского шотландского общества искусств (1859–60), президентом Королевского общества Эдинбурга (1884–86) и одним из основателей Шотландского метеорологического общества . [1]

Он был отцом писателя Роберта Льюиса Стивенсона .

Жизнь и карьера

Он родился в доме 2 на Бакстерс-Плейс [2] в Эдинбурге 22 июля 1818 года, младший сын инженера Роберта Стивенсона и его жены (и сводной сестры) Джин Смит. Он получил образование в Королевской средней школе в Эдинбурге.

Томас Стивенсон был набожным и постоянным посетителем церкви Святого Стефана в Стокбридже , в северном конце улицы Сент-Винсент в Эдинбурге.

Он жил со своей семьей на Бакстерс-Плейс, пока не женился в 1848 году. Затем он приобрел дом по адресу Говард-Плейс, 8. [3] К 1855 году он переехал в дом 1 Инверлейт-Террас. [4] По крайней мере с 1860 года он жил в доме 17 Хериот-Роу , большом таунхаусе в георгианском стиле с террасами в Новом городе Эдинбурга . [5]

В 1864 году он опубликовал «Проектирование и строительство гаваней: трактат о морской инженерии» . Книга была основана на статье, которую он изначально написал для Encyclopaedia Britannica , и охватывала принципы и практику, связанные с проектированием и строительством гаваней . В работе обсуждались геологические и физические особенности, влияющие на проектирование гаваней, генерация и воздействие волн , а также строительные материалы и типы кладки для причальных стенок . В книге также исследовалась эффективность приливов и пресной воды в поддержании водоотводов . Второе издание книги было опубликовано в 1874 году. [6]

В 1869 году в качестве успешного эксперимента по использованию недавно изобретенного электрического света для маяков Стивенсон проложил подводный кабель из восточной части гавани Грантон , а свет на конце пирса Тринити-Чейн контролировался с расстояния в полмили оператором в гавани. [7] [8] Он спроектировал экран Стивенсона как укрытие для защиты метеорологических приборов, и это решение получило широкое распространение.

Он умер в доме 17 по улице Хериот-Роу в Эдинбурге 8 мая 1887 года и похоронен в семейном склепе Стивенсонов на кладбище Нью-Калтон . Склеп находится посередине восточной стены.

Формула Стивенсона для прогнозирования высоты волн

В ходе своей работы в качестве инженера маяка и порта Стивенсон в течение ряда лет проводил наблюдения за высотой волн в различных местах Шотландии. В 1852 году он опубликовал статью, в которой предположил, что волны увеличиваются в высоту в пропорции, приблизительно равной квадратному корню их расстояния от наветренного берега. [9] Стивенсон развил это в простую формулу , в которой — высота волны в футах , а — разгон в милях . [10]

В формуле Стивенсона отсутствуют основные компоненты для прогнозирования высоты волны, в частности скорость ветра . В 1852 году математический анализ теории волн на воде и методы численной оценки таких факторов, как обмеление и нагон , находились в зачаточном состоянии. [11] [12] Анализ Стивенсона [13] , возможно, является первым количественным обсуждением высоты волны как функции (квадратного корня) разгона, а его статья [14] является одним из первых количественных исследований скорости ветра в пограничном слое планеты .

Современный анализ формулы Стивенсона показывает, что она, по-видимому, консервативно оценивает высоту волн для скорости ветра до 30 миль в час , основываясь на его наблюдениях, которые, скорее всего, были сделаны для длины волны менее 100 километров , без полностью развитых морей . Волнорез в Уике был подвержен длине волны около 500 километров и скорости ветра, намного превышающей 30 миль в час, до его окончательного разрушения. [10] [15]

В 1965 году южноафриканский инженер Бэзил Ригли Уилсон предложил метод, который можно использовать для аппроксимации значительной высоты волны H 1/3 и периода T 1/3 ветровых волн, создаваемых постоянным ветром со скоростью U, дующим на длине разгона F . [16] Единицы измерения этих величин следующие:

Формулы Уилсона применяются, когда продолжительность дующего ветра достаточно велика, так как когда ветер дует только ограниченное время, волны не могут достичь полной высоты и периода, соответствующих скорости ветра и длине разгона. [17] В условиях, когда ветер дует достаточно долго, например, во время продолжительного шторма, высоту и период волны можно рассчитать следующим образом:

В этих формулах g обозначает ускорение силы тяжести, которое составляет приблизительно 9,807 м/с 2 . Скорость ветра U измеряется на высоте 10 метров над поверхностью моря. Для условий, приближенных к условиям волнолома Уика во время шторма (длина разгона 500 км, скорость ветра около 75 миль в час), график ниже показывает, что метод Уилсона предсказывает значительную высоту волны ( H 1/3 ) примерно в 1,5 раза больше, чем у Стивенсона. [9] [16]

График, показывающий значительную высоту волны (H 1/3 ) в метрах, спрогнозированную с использованием формул Уилсона (1965) и Стивенсона (1852) для ветра со скоростью 75 миль в час (33,528 м/с)

Тем не менее, хотя формула Стивенсона весьма ограничена и не подходит для инженерного проектирования, она примечательна тем, что является ранней попыткой применить математическую теорию к проблемам гидротехники и показывает некоторое ограниченное согласие (хотя и в узком диапазоне) с более продвинутой формулой, разработанной Рамоном Ирибарреном в 1942 году. [15] [18] Основным недостатком формулы Стивенсона является отсутствие учета скорости ветра, а сравнение с формулой Уилсона при трех различных скоростях ветра (30, 50 и 75 миль в час) показывает лишь разумный уровень согласия для ветра со скоростью 50 миль в час при длине разгона до примерно 100 метров. [9] [16]

Сравнение прогноза высоты волны (H1/3) в метрах с использованием формулы Стивенсона и Уилсона для 3 различных скоростей ветра

Сам Стивенсон отметил, что формула была приближенной , [19] и активно поощрял дальнейшие исследования подобных проблем, призывая молодых инженеров удвоить усилия в развитии прибрежной инженерии во время выступления в 1885 году в Институте гражданских инженеров в Лондоне. [20] В дополнение к своей работе по росту волн он также провел исследование явления затухания волн внутри портовых бассейнов. [21]

Волнорез в Уике, Кейтнесс

Стивенсон спроектировал и руководил строительством волнолома в Уике в 1863 году, который в то время был крупнейшим промыслом сельди в Европе. Внутренняя гавань, спроектированная Томасом Телфордом , была завершена в 1811 году, за ней последовало строительство расширенной внешней гавани Джеймсом Бремнером между 1825 и 1834 годами. Однако к 1857 году потребность в увеличении пропускной способности стала очевидной, что привело к тому, что Британское рыболовное общество предложило новый волнолом. В 1862 году Стивенсон вместе со своим братом Дэвидом подготовили подробные планы, сечения и спецификации для расширения гавани. Этот проект получил поддержку сэра Джона Куда и Джона Хокшоу . Кредит в размере 62 000 фунтов стерлингов был одобрен А. М. Ренделем, инженером Комиссии по займам на общественные работы . [22]

Строительство началось в апреле 1863 года, и планировалось, что окончательная длина составит 460 метров. Проект Стивенсона включал в себя насыпь из щебня, простирающуюся на 5,5 метров выше отметки низкого уровня воды , следуя за скалами Крейн. Она была увенчана стенами из блоков и заполнена щебнем, что обеспечило надстройку шириной до 16 метров. Щебень для насыпи был получен из местных карьеров и доставлен паровозами . Затем он был уложен на насыпь волнолома с помощью передвижных порталов , которые двигались вдоль подмостков , что стало возможным первым случаем в Шотландии с использованием этой техники. [23] [22] Стена, обращенная к морю, была построена с использованием теста 6:1. Ниже ватерлинии блоки были соединены сухим способом, тогда как выше отметки высокого уровня воды изначально использовался римский , а затем портландцементный раствор. [24]

Волнорез постепенно разрушался в результате нескольких штормов , и к 1870 году он потерял треть своей длины. В конечном итоге он был заброшен в 1877 году после дальнейшего сильного повреждения штормом, несмотря на неоднократные неудачные попытки его реконструкции. [15] [22] [24] Стивенсон отметил в переписке с Институтом гражданских инженеров , что один шторм в какой-то момент удалил 1350 тонн материала с волнореза, но он не смог предоставить высоту волн во время события. [25]

Применение современных методов для расчета локальных волновых условий показывает, что волнорез в том виде, в котором он был построен, не выдержал бы без мобилизации дополнительных сдерживающих факторов или механизма для ослабления волновых сил. [24] Собственная волновая формула Стивенсона предсказала бы высоту волн в открытом море для Уика около 8–10 метров , тогда как современные наблюдения показывают, что в Северном море высота волн может быть в два–три раза больше. [26] [27] [28] [10]

Семья

Он был братом инженеров-маякников Алана и Дэвида Стивенсонов . В период с 1854 по 1886 год он спроектировал множество маяков совместно со своим братом Дэвидом, а затем с сыном Дэвида Дэвидом Аланом Стивенсоном .

В 1848 году он женился на Маргарет Изабелле «Мэгги» Балфур, дочери преподобного Льюиса Балфура. Их сыном был писатель Роберт Льюис Стивенсон , который поначалу доставил ему много разочарований, не сумев следовать инженерным интересам своей семьи.

Младший брат его жены, Джеймс Мелвилл Бальфур (т. е. его зять), обучался у Д. и Т. Стивенсона, а затем эмигрировал в Новую Зеландию, где сначала был морским инженером провинции Отаго , а затем был назначен колониальным морским инженером. [29] [30]

Маяки, спроектированные Томасом Стивенсоном

Галерея

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Уотерстон, Чарльз Д.; Макмиллан Ширер, А. (июль 2006 г.). Бывшие члены Королевского общества Эдинбурга 1783-2002: Биографический указатель (PDF) . Том II. Эдинбург: Королевское общество Эдинбурга . ISBN 978-0-902198-84-5. Архивировано из оригинала (PDF) 4 октября 2006 г. . Получено 31 декабря 2010 г. .
  2. ^ Эдинбургский почтовый справочник 1818 г.
  3. ^ Эдинбургский почтовый справочник 1850 г.
  4. ^ Справочник почтового отделения Эдинбурга 1855 г.
  5. ^ Эдинбургский почтовый справочник 1860 г.
  6. ^ Стивенсон, Т. (1874). Проектирование и строительство гаваней: Трактат о морской технике (2-е изд.). Эдинбург: Адам и Чарльз Блэк . doi :10.1017/cbo9780511997020. ISBN 978-1-108-02967-4. Получено 12 января 2024 г. .
  7. ↑ Морской журнал и военно-морская хроника за 1869 год . Коллекция Кембриджской библиотеки. 28 марта 2013 г. С. 614–615.
  8. ↑ Стивенсон, Томас (9 апреля 2009 г.). Строительство и освещение маяков . BiblioBazaar. С. 165–166. ISBN 978-1103900954.
  9. ^ abc Стивенсон, Т. (1852). «Наблюдения над соотношением между высотой волн и их расстоянием от наветренного берега». Edinburgh New (Jameson's) Philosophical Journal . 53 : 358–359.
  10. ^ abc Stevenson, T.; Townson, J.; Wilson, W. (1981). «Формула Стивенсона для прогнозирования высоты волны: Техническое примечание». Труды Института инженеров-строителей . 71 (3): 907–909. doi :10.1680/iicep.1981.1826. ISSN  1753-7789 . Получено 28 июля 2023 г.
  11. ^ Года, Ю. (1999). 「波動問題」の歴史的変遷 [ Об историческом развитии математической теории водных волн ] (PDF) (на японском языке). Токио: Японское общество инженеров-строителей . Проверено 12 января 2024 г.
  12. ^ Года, Й. (1999). «Об историческом развитии математической теории водных волн». Сборник лекций 35-го летнего учебного курса, Комитет по прибрежной инженерии Японского общества инженеров-строителей . Перевод: МакПарланд, Д. Получено 12 января 2024 г. – через репозиторий Делфтского технического университета.
  13. ^ Стивенсон, Т. Проектирование и строительство гаваней: Трактат о морской технике, при поддержке Адама и Чарльза Блэка, Эдинбург
  14. ^ Стивенсон, Т. (1880) Отчет об одновременных наблюдениях силы ветра на разных высотах над землей, Журнал Шотландского метеорологического общества, LI-LIV, стр. 103–107
  15. ^ abc Таунсон, Дж. М.; Уилсон, Б. В. (1982). «Обсуждение: Формула Стивенсона для прогнозирования высоты волны». Труды Института инженеров-строителей . 73 (2): 485–487. doi : 10.1680/iicep.1982.1716. ISSN  1753-7789 . Получено 28 июля 2023 г.
  16. ^ abc Wilson, BW (1965). «Численное предсказание океанских волн в Северной Атлантике на декабрь 1959 года». Deutsche Hydrographische Zeitschrift . 18 (3): 114–130. Bibcode : 1965DeHyZ..18..114W. doi : 10.1007/BF02333333. ISSN  0012-0308 . Получено 29 июля 2023 г.
  17. ^ Года, И. (2003). «Пересмотр формул Вильсона для упрощенного прогнозирования ветровых волн». Журнал Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering . 129 (2): 93–95. doi :10.1061/(ASCE)0733-950X(2003)129:2(93). ISSN  0733-950X . Получено 30 июля 2023 г.
  18. ^ Ирибаррен, Р. (октябрь 1942 г.). «Воздействие волн в отношении работ по защите гавани». Журнал Управления доков и гаваней .
  19. ^ Стивенсон, Т. (1885). Теория и практика гидромеханики. Лондон: Thomas Telford Publishing. doi :10.1680/tapoh.45217.0005. ISBN 978-0-7277-4521-7. Получено 28 июля 2023 г. .
  20. ^ «Некролог: Томас Стивенсон (1818-1887)». Протоколы заседаний Института гражданских инженеров . 91 (1888): 424–426. 1888. doi : 10.1680/imotp.1888.20990 . ISSN  1753-7843.
  21. ^ Ортт, Флорида (1895). Een veilige buitenduinsche Haven voor Scheveningen [ Безопасная гавань Схевенингена за пределами дюн] (на голландском языке). М. Нейхофф . Проверено 11 августа 2023 г.
  22. ^ abc Paxton, R. (2010). «Море против волнолома Уика 1863-77 — поучительная катастрофа». В Allsop, W. (ред.). Море против волнолома Уика 1863-77: поучительная катастрофа, в Coasts, marine structures and breakwaters: Adapting to change: Proceedings of the 9th international conference, organized by the Institution of Civil Engineers and performed in the Edinburgh on 16 to 18 September 2009. London: Thomas Telford Ltd. pp. 31–42. doi :10.1680/cmsb.41301.0003. ISBN 978-0-7277-4159-2. Получено 28 июля 2023 г. .{{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )
  23. ^ Paxton, R.; Shipway, J., ред. (2007). Гражданское инженерное наследие Шотландии – Хайлендс и острова. Thomas Telford Publishing. стр. 31–42. doi :10.1680/cehs.34884.0004. ISBN 978-0-7277-3729-8. Получено 13 января 2024 г. .
  24. ^ abc Allsop, NWH; Bruce, T. (2019). «Анализ отказов исторических вертикальных волнорезов, часть 1: Wick». Труды Института инженеров-строителей — судебная инженерия . 172 (2): 43–53. doi : 10.1680/jfoen.20.00002. ISSN  2043-9903. S2CID  226861229. Получено 28 июля 2023 г.
  25. ^ Cay, WD; Corthell, EL; Eliot, W.; Heenan, RHH; Jarrad, FW; Neate, C.; Olive, WT; Siccama, HTH; Waldron, FW; Methven, CW (1906). «Переписка о гаванях Южной Африки с особым упором на причины и лечение песчаных отмелей». Протоколы заседаний Института инженеров-строителей . 166 (1906): 69. doi :10.1680/imotp.1906.16709. ISSN  1753-7843 . Получено 29 июля 2023 г.
  26. ^ Стэнтон, BR (1984). «Высота возвратной волны у Южного Уиста, оцененная по данным за семь лет» (PDF) . Институт океанографических наук, отчет № 164 . 164 . Получено 13 января 2024 г. – через NERC Open Research Archive .
  27. ^ Neill, SP; Vögler, A.; Goward-Brown, AJ; Baston, S.; Lewis, MJ; Gillibrand, PA; Waldman, S.; Woolf, DK (2017). «Волновые и приливные ресурсы Шотландии». Возобновляемая энергия . 114 : 3–17. doi : 10.1016/j.renene.2017.03.027 .
  28. ^ Huthnance, J. (1991). "Физическая океанография Северного моря". Ocean and Shoreline Management . 16 (3–4): 199–231. Bibcode :1991OSM....16..199H. doi :10.1016/0951-8312(91)90005-M . Получено 28 июля 2023 г. .
  29. ^ "The Late Mr Balfour". The Star . № 503. 29 декабря 1869 г. стр. 3. Получено 4 января 2015 г.
  30. ^ Beaglehole, Helen (9 июля 2013 г.). «Маяки — национальная система». Te Ara: Энциклопедия Новой Зеландии . Получено 4 января 2015 г.

Внешние ссылки