Máquina de predicción de mareas

Vea también: Marea, Teoría de las mareas y Fuerza de marea

10-componente marea-predecir máquina de 1872-3, concebido por Sir William Thomson)Lord Kelvin) y diseñado por Thomson y colaboradores, en el Museo de la cienciaSouth Kensington, Londres

A máquina de predicción de mareas era un mecánico de propósito especial ordenador analógico del tarde siglo XIX y principios del XX, construido y para predecir el flujo y reflujo de las mareas del mar y las variaciones irregulares en sus alturas – que cambian en las mezclas de ritmos, nunca (en conjunto) se repiten exactamente. Su propósito era acortar los cómputos laboriosos y propensa a errores de predicción de la marea. Tales máquinas proporcionan generalmente predicciones válidas de hora en hora y día a día por un año o más adelante.

La primera máquina de predicción de mareas, diseñado y construido en 1872-3 y seguido por dos máquinas más grandes en principios similares en 1876 y 1879, fue concebida por Sir William Thomson (quien más tarde se convirtió en Lord Kelvin). Thomson había introducido el método de análisis armónico de los patrones de las mareas en la década de 1860 y la primera máquina fue diseñados por Thomson con la colaboración de Edward Roberts (assistant en el Reino Unido HM Nautical Almanac Office) y de Alexander Légé, que lo construyó.

Máquina de William Ferrel predicción de marea de 1881-2, ahora en el Smithsonian Museo Nacional de historia americana

En los Estados Unidos, otra máquina de predicción de mareas en un patrón diferente (mostrado a la derecha) fue diseñada por William Ferrel y construido en 1881-2. Desarrollos y mejoras continuaron en UK, Estados Unidos y Alemania a través de la primera mitad del siglo XX. Las máquinas se convirtieron ampliamente utilizadas para construir predicciones mareas oficiales para la navegación marítima en general. Llegaron a ser considerados como de importancia estratégica militar durante I Guerra Mundial, y otra vez durante el segunda guerra mundial, cuando la estadounidense No.2 marea predicción de máquina, se describe a continuación, fue clasificados, junto con los datos que produjo y usados para predecir las mareas para el día d. Desembarco de Normandía y todos los desembarques de la isla en la Guerra Pacífico. Interés militar en tales máquinas continuaron incluso durante algún tiempo después. Se hicieron obsoletos por computadoras electrónicas digitales que pueden ser programados para llevar a cabo cálculos similares, pero las máquinas marea-predecir continuó en uso hasta los años sesenta y setenta.

Permanecen varios ejemplos de máquinas predicción de mareas en la pantalla como piezas de Museo, de vez en cuando pone en funcionamiento para fines de demostración, monumentos al ingenio matemático y mecánico de sus creadores.

Antecedentes del problema solucionado por las máquinas

Estudio científico moderno de mareas datan 'Principia' de Isaac Newton de 1687, en el cual él aplicó la teoría de la gravitación para hacer una primera aproximación de los efectos de la luna y el sol sobre las aguas las mareas de la tierra. La aproximación desarrollada por Newton y sus sucesores de los próximos 90 años es conocida como la 'teoría del equilibrio' de las mareas.

A partir de la década de 1770, Pierre-Simon Laplace hizo un avance fundamental relativa a la aproximación de equilibrio llevando en consideración aspectos dinámicos de no-equilibrio del movimiento de las aguas de mareas que se produce en respuesta a las fuerzas generadoras de marea debido a la luna y el sol.

Mejoras de Laplace en teoría eran considerables, pero todavía dejaron predicción en un estado aproximado. Esta situación cambiada en la década de 1860 cuando las circunstancias locales de mareas fenómenos fueron traídas más plenamente en cuenta por William Thomsonde aplicación de Análisis de Fourier a los movimientos de las mareas. Trabajo de Thomson en este campo fue entonces más desarrollado y ampliado por George Darwin:: Trabajo de Darwin se basó en la teoría lunar corriente en su tiempo. Sus símbolos para los componentes armónicos mareas todavía se utilizan. El desarrollo armónico de Darwin de las fuerzas generadoras de marea más tarde fueron traído por Un Doodson T hasta la fecha y prolongada a la luz de la teoría lunar nueva y más precisa de la E W Brown seguía siendo actual durante la mayor parte del siglo XX.

El estado al que había llegado la ciencia de la predicción de la marea por la década de 1870 se puede resumir: teorías astronómicas de la luna y el sol habían identificado las frecuencias y las fortalezas de diferentes componentes de la fuerza generadora de marea. Pero la predicción eficaz en cualquier lugar llamado para la medición de una muestra adecuada de observaciones las mareas locales, para mostrar la respuesta local de las mareas en las distintas frecuencias, en amplitud y fase. Esas observaciones tenían entonces debe ser analizado, para obtener los coeficientes y ángulos de fase. Entonces, con fines de predicción, esas constantes mareas locales tuvieron que ser recombinado, cada una con un componente de la marea-generar diferente fuerzas que se aplicó y en cada uno de una secuencia de futuras fechas y horas y luego los diferentes elementos finalmente reunidos para obtener sus efectos agregados. En la edad cuando los cálculos se hacían a mano y el cerebro, con lápiz y papel y mesas, esto fue reconocida como una empresa enormemente laboriosa y error-prone.

Thomson reconoció que lo que se necesitaba era una manera conveniente y preferiblemente automatizada para evaluar varias veces la suma de las mareas términos tales como:

$A_1 \cos(\omega_1 t+\phi_1)+A_2 \cos(\omega_2 t+\phi_2)+A_3 \cos(\omega_3 t+\phi_3)+\ldots$

conteniendo 10, 20 o incluso más trigonométricas términos, para que el cómputo convenientemente se podría repetir en su totalidad para cada uno de un gran número de diferentes valores elegidos de la fecha/hora $t$. Este fue el núcleo del problema solucionado por las máquinas de predicción de la marea.

¿Cómo trabajaron para predecir las mareas

Thomson concibió su objetivo en cuanto a construir un mecanismo que se evaluaría esta suma trigonométricas físicamente, por ejemplo como la posición vertical de un lápiz que luego podría trazar una curva en una banda móvil de papel.

mecanismo para generar componente movimiento sinusoidal

Hubo varios mecanismos a su disposición para convertir el movimiento rotatorio en movimiento sinusoidal. Uno de ellos se muestra en el diagrama esquemático (derecha). Un disco-disco giratorio está equipado con una clavija en el centro. Un eje con una sección horizontal-ranurado es libre de mover verticalmente hacia arriba y abajo. Peg en el centro de la rueda se encuentra en la ranura. Como resultado, cuando la paridad se mueve con la rueda, puede hacer que el eje mover arriba y abajo dentro de los límites. Este acuerdo demuestra que cuando el volante gira de modo uniforme, dicen las agujas del reloj, el eje se mueve sinusoidal arriba y abajo. La posición vertical del centro de la ranura, en cualquier momento $t$, entonces se puede expresar como $A_1 \cos(\omega_1 t+\phi_1)$, donde $A_1$ es la distancia radial del centro de la rueda en la clavija, $\omega_1$ es la tasa a la cual la rueda gira (en radianes por unidad de tiempo), y $\phi_1$ es el ángulo de fase inicial de la clavija, medido en radianes desde la posición 12 a la posición angular donde estaba la clavija al tiempo cero.

Este arreglo hace un examen físico análogo a un término trigonométricas. Thomson necesarios para construir una suma de muchos términos física.

Al principio él inclinado a usar engranajes. Entonces él discutió el problema con el ingeniero Torre Beauchamp antes de la asociación británica de reunión en 1872 y Torre sugirieron el uso de un dispositivo (como recordaba) una vez utilizada por Wheatstone. Fue una cadena de funcionamiento alternativamente sobre y debajo de una secuencia de poleas en los ejes móviles. La cadena fue fijada en un extremo y el otro extremo (libre) fue ponderado para mantenerlo tenso. Como cada eje movido hacia arriba o abajo podría tomar o liberar una correspondiente longitud de la cadena. Los movimientos en la posición del extremo libre (móvil) de la cadena representan la suma de los movimientos de los diferentes ejes. Parte movible se mantuvo tensa y equipada con una pluma y una banda móvil de papel en el cual la pluma traza una curva de mareas. En algunos diseños, al final de la línea móvil estaba conectado en su lugar un dial y escala desde que las alturas de las mareas podrían leerse.

Diseño de Thomson para la tercera máquina de predicción de mareas, 1879-81

Uno de los diseños de Thomson para el cálculo parte de una máquina de predicción de marea se muestra en la figura (derecha), muy similar a la tercera máquina de 1879-81. Una cuerda larga, con un extremo fijo, sostenido pasa verticalmente hacia arriba y sobre una polea superior primera, y luego verticalmente hacia abajo y bajo el siguiente y así sucesivamente. Estas poleas eran todos movidas hacia arriba y hacia abajo por las manivelas y cada polea acogió o saca cable según la dirección en que se movió. Todas estas bielas fueron trasladados por trenes de ruedas de engranajes para las ruedas fijadas en un eje de transmisión. El mayor número de dientes de una rueda fue 802 relacionarse con otro de 423. Todas las ruedas tenían un número comparativamente pequeño de dientes. Un volante de inercia gran habilita al operador para encender la máquina rápida, sin sacudidas las poleas y así a la curva de un año en veinticinco minutos. La máquina que se muestra en la figura fue arreglada para quince electores en todos.

Thomson reconoció que el uso de un arreglo sobre y debajo de la línea flexible que suma los componentes del movimiento fue sugerido a él en agosto de 1872 por el ingeniero Torre Beauchamp.

Demostración en línea del mecanismo

Una demostración en línea está disponible para mostrar lo contrario el principio de funcionamiento de una versión 7-componente de una máquina de predecir la marea como el diseño original de Thomson (Kelvin). La animación muestra parte de la operación de la máquina: los movimientos de varias poleas pueden verse, cada uno moviéndose arriba y abajo simular una de las frecuencias de las mareas; y la animación también muestra cómo estos movimientos sinusoidales fueron generados por la rotación de la rueda y cómo ellos se combinaron para formar la curva resultante de las mareas. No se muestra en la animación es la manera en que los movimientos individuales fueron generados en la máquina en las frecuencias relativas correctas, por engranajes en las proporciones correctas, o cómo las amplitudes y los ángulos de fase partida para cada movimiento se establecieron de forma ajustable. Estas amplitudes y ángulos de fase de partida representan las constantes mareas locales, reajuste por separado y diferentes para cada lugar para que las predicciones eran hacerse. Además, en las máquinas reales de Thomson, para ahorrar en movimiento y el desgaste de las otras partes, el eje y la polea con el mayor esperan movimiento (para el componente marea M2 en dos veces al día lunar) se montó más cercano a la pluma y el eje y la polea que representa que el componente más pequeño estaba en el otro extremo, más cercano al punto de fijación del cable flexible o cadena, para minimizar el movimiento innecesario en la mayor parte de la cuerda flexible.

Historia de su construcción y uso

La primera predicción de marea máquinas 1872-1883

La primera marea predecir la máquina, diseñada en el año 1872 y de que un modelo se expuso en la reunión de la asociación británica de 1873 (para 8 mareas componentes computing), seguido en 1875-6 por una máquina en una escala un poco más grande (para computación 10 componentes mareas), fue diseñado por Sir William Thomson (quien más tarde se convirtió en Lord Kelvin). La máquina de 10 componentes y resultados obtenidos desde se muestran en la exposición de París en 1878. Una versión ampliada y mejorada de la máquina, para la informática 20 componentes de mareas, fue construida por el gobierno de la India en 1879 y luego modificada en 1881 para extenderlo a computar 24 componentes armónicos.

En estas máquinas, la predicción fue entregada en la forma de una pluma-trama gráfica continua de altura marea contra el tiempo. La trama fue marcada con - y al mediodía-marcas de hora y fue hecha por la máquina en una banda móvil de papel cuando se activaba el mecanismo. Las predicciones de marea de un año para un lugar determinado, generalmente un puerto elegido, podrían representarse gráficamente por las máquinas de 1876 y 1879 en unas cuatro horas (pero las unidades debían ser rebobinada durante ese tiempo).

En 1881-2, otra marea máquina predicción, operando de manera muy diferente, fue diseñada por William Ferrel y construido en Washington bajo la dirección de Ferrel por E G Fischer (quien más tarde diseñó la máquina sucesor se describe a continuación, que estaba en operación en la costa de los Estados y geodésico desde 1912 hasta la década de 1960). Máquina de Ferrel entregada predicciones contando las horas y alturas de sucesivas altas y bajas de las aguas, se muestra por puntero-lecturas de diales y escalas. Estos fueron leídos por un operador que copiaban las lecturas a las formas, para ser enviados a la impresora de las marea-tablas de Estados Unidos.

Estas máquinas tuvieron que ser fijado con constantes mareas locales especial para el lugar para que las predicciones eran hacerse. Tales números expresan la marea respuesta local a los componentes individuales del potencial global de generación de marea, en distintas frecuencias. Esta respuesta local, que se muestra en el momento y la altura de las mareas contribuciones en diferentes frecuencias, es el resultado de las características locales y regionales de las costas y fondos marinos. Las constantes de las mareas son evaluadas generalmente de historias locales de mareógrafo observaciones, por análisis armónico basado en las frecuencias principales generadoras de marea como se muestra por el global teoría de las mareas y el subyacente teoría lunar.

Thomson también era responsable originario el método de análisis armónico de las mareas y para idear una máquina analizador armónico, que en parte había mecanizada la evaluación de las constantes de las lecturas del medidor.

Desarrollo y mejora basada en la experiencia de estas primeras máquinas continuaron a través de la primera mitad del siglo XX.

Británico No.2 de Predictor de la marea, después de su uso inicial para generar datos para los puertos indios, fue utilizado para la predicción de mareas para el imperio británico más allá de la India y trasladado al laboratorio nacional de física en 1903. Británicos No.3 Predictor de la marea fue vendido al gobierno francés en el año 1900 y utilizado para generar las tablas de marea francés.

Estados Unidos marea predecir máquina No.2 ("cerebros latón viejo") fue diseñado en la década de 1890, completado y puesto en servicio en 1912, utilizado desde hace varias décadas, incluso durante la segunda guerra mundial y se retiró en la década de 1960.

Predicción de marea máquinas fueron construidas en Alemania durante la I Guerra Mundial y nuevamente en el período 1935-8.

Dos de los últimos en ser construidos fueron:

• un TPM construido en 1947 por el servicio hidrográfico noruego por Chadburn de Liverpool y diseñado para calcular a 30 componentes armónicos mareas; utiliza hasta 1975 para calcular tablas de marea noruego oficial, antes de ser reemplazado por computación digital.
• el Doodson-Légé TPM construido en 1949,
• un alemán oriental TPM había construido 1953-5.

Predicción de máquinas en pantalla la marea

Pueden ser vistos en Londres, Washington, Liverpool, y en otros lugares, incluyendo el Deutsches Museum de Munich.

Bibliografía

• T Ehret (2008), "Cerebros de latón viejo - mecánica predicción de mareas"Boletín ACSM, junio de 2008, páginas 41-44.
• W Ferrel (1883), "A máximos y mínimos marea-predecir la máquina", en U S Coast Survey (1883), apéndice 10, págs. 253-272.
• E G Fischer (1912), "La costa y geodésico marea predecir la máquina Nº 2", Astronomía popular, vol.20 (1912), páginas 269-285.
• Institución de ingenieros civiles (Londres), Procedimientos volumen 65 (1881), dando la discusión después de la presentación de las máquinas de marea, Acta en las páginas 25-64.
• E Roberts (1879), "Una nueva marea-predicter", Proceedings of the Royal Society, xxix (1879), páginas 198-201.
• Ciencia (1884) [Sin autor citado], "La Maxima y Minima marea-predecir máquina" CienciaVol.3 (1884), número 61, págs. 408-410.
• W Thomson (1881), "El mareógrafo, analizador armónico marea y marea predicter", Procedimientos de la institución de ingenieros civiles, vol.65 (1881), páginas 3-24.
• Departamento de comercio, publicación especial No.32 (1915), "Descripción de la costa de Estados Unidos y geodésico marea-predecir máquina No.2".

Enlaces externos

• Sociedad matemática americana (2009), Análisis de Fourier de océano mareas, II.2, mostrando el efecto de los componentes a frecuencias inconmensurables.
• Sociedad matemática americana/Bill Casselman (2009), animación simulación JAVA basado en máquina de predecir de marea de Kelvin (la animación muestra informática 7 componentes armónicos).
• Exposición en línea Deutsches Museum, Munich, de 2 º máquina marea-predecir alemán (descrita en inglés).
• (Museo Marítimo alemánexposición en línea de la marea de predicción y máquinas de predicción de la marea, en alemán).
• Exposición en línea de NOAA de Estados Unidos No 2 marea predecir la máquina con imágenes adicionales.
• Exposición en línea Noruega Historia de marea-predecir Noruega y uso de TPM (en inglés).
• Laboratorio Oceanográfico ProudmanExposición en línea Liverpool, Marea Doodson-Légé predecir la máquina.
• Museo de las ciencias, South Kensington, Londres: Kelvin marea prediciendo la máquina (para computación 10 componentes armónicos), junto con una vista más cercana.
• Las exhibiciones del Smithsonian National Museum of American History La marea de Ferrel predecir máquina de 1881-2.

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