Войти
Ряд шаровых дисков интеграторы использовались в приливных калькуляторах лорда Кельвина. Хорошо видны цилиндрический выходной вал, шар и входной диск. Передаточное отношение изменяется путем перемещения шариков влево или вправо вдоль стойки, как видно вверху. Интегратор шарик-диск является ключевым компонентом многих современных механических компьютеров.. С помощью простых механических средств он выполняет непрерывное интегрирование значения ввода. Типичными применениями были измерение площади или объема материала в промышленных условиях, системы дальномера на кораблях и тахометрические бомбовые прицелы. Добавление усилителя крутящего момента от Ванневара Буша привело к созданию дифференциальных анализаторов 1930-х и 1940-х годов.
Основной механизм состоит из двух входов и одного выхода. Первый вход - это вращающийся диск, обычно с электрическим приводом и использующий своего рода регулятор, чтобы гарантировать, что он вращается с фиксированной скоростью. Второй вход - это подвижная каретка, которая удерживает подшипник напротив входного диска по его радиусу. Подшипник передает движение от диска на выходной вал. Ось выходного вала ориентирована параллельно рельсам каретки. При скольжении каретки подшипник остается в контакте как с диском, так и с выходом, позволяя одному приводить в движение другой.
Скорость вращения выходного вала определяется перемещением каретки; это «интеграция». Когда подшипник расположен в центре диска, чистое движение не передается; выходной вал остается неподвижным. Когда каретка перемещает подшипник от центра к краю диска, подшипник и, следовательно, выходной вал начинают вращаться все быстрее и быстрее. Фактически, это система из двух шестерен с бесступенчатым передаточным числом ; когда подшипник находится ближе к центру диска, передаточное отношение низкое (или нулевое), а когда подшипник приближается к краю, оно высокое.
Выходной вал может вращаться либо «вперед» или «назад», в зависимости от направления смещения подшипника; это полезное свойство для интегратора.
Рассмотрим пример системы, которая измеряет общее количество воды, протекающей через шлюз : поплавок прикреплен к входной каретке, поэтому подшипник перемещается вверх и вниз вместе с уровнем воды. Когда уровень воды поднимается, подшипник отодвигается дальше от центра входного диска, увеличивая скорость вращения выходного. Подсчитав общее количество оборотов выходного вала (например, с помощью устройства типа одометр ) и умножив его на площадь поперечного сечения шлюза, общий объем воды, протекающей мимо счетчика можно определить.
Основная концепция дискового интегратора была впервые описана Джеймсом Томсоном, братом Уильяма Томсона, 1-го Барон Кельвин. Уильям использовал эту концепцию для создания Гармонического анализатора в 1886 году. Эта система использовалась для вычисления коэффициентов ряда Фурье, представляющего входные данные, набранные как положения шариков. Входные данные были установлены на измеренные высоты прилива из любого исследуемого порта. Затем выходной сигнал поступал в аналогичную машину, синтезатор гармоник, которая вращала несколько колес, чтобы представить фазу вклада солнца и луны. Проволока, проходящая вдоль верхней части колес, принимала максимальное значение, которое представляло прилив в порту в данный момент. Томсон упомянул возможность использования той же системы в качестве способа решения дифференциальных уравнений, но понял, что выходной крутящий момент интегратора слишком мал для управления необходимыми последующими системами указателей.
Затем последовал ряд аналогичных систем, в частности, системы Леонардо Торрес и Кеведо, испанского физика, построившего несколько машин для решения действительных и комплексных корней многочленов; и Майкельсон и Страттон, чей Гармонический Анализатор выполнил анализ Фурье, но с использованием массива из 80 пружин, а не интеграторов Кельвина. Эта работа привела к математическому пониманию феномена Гиббса перерегулирования в представлении Фурье вблизи разрывов.
На рубеже 20-го века военно-морские корабли были приступаем к установке орудий с загоризонтной дальностью. На таких расстояниях наблюдатели на вышках не могли точно оценить дальность на глаз, что привело к появлению все более сложных систем определения дальности. Кроме того, артиллеристы больше не могли непосредственно заметить падение своего собственного выстрела, полагаясь на корректировщиков, которые сделают это и передадут им эту информацию. В то же время скорость кораблей увеличивалась, последовательно преодолевая 20-узловой барьер в массовом порядке примерно во время введения в действие Дредноута в 1906 году. Централизованное управление огнем применялось для управления информационным потоком и расчетов, но расчет стрельбы оказался очень сложным и подверженным ошибкам.
Решением стала таблица Дрейера, в которой использовался большой шаровой интегратор в качестве способа сравнения движения цели относительно корабля и, таким образом, вычисления ее дальности и скорость. На выходе получился рулон бумаги. Первые системы были представлены примерно в 1912 году и установлены в 1914 году. Со временем в систему Дрейера добавлялось все больше и больше калькуляторов, вычисляющих влияние ветра, корректировки между кажущейся и реальной скоростью и направлением ветра на основе движения кораблей и аналогичные вычисления. К тому времени, когда системы Mark V были установлены на более поздних кораблях после 1918 года, с системой могло одновременно работать до 50 человек.
Подобные устройства вскоре появились в других флотах и для других ролей. В ВМС США использовалось несколько более простое устройство, известное как Rangekeeper, но оно также претерпевало постоянные модификации с течением времени и в конечном итоге превратилось в систему, аналогичную или более совершенную по сравнению с версиями для Великобритании. Подобный калькулятор лег в основу Torpedo Data Computer, который решил более сложную проблему очень долгого времени действия торпедного огня.
Хорошо известным примером является бомбовый прицел Norden, в котором использовалась небольшая вариация базовой конструкции, в которой шар был заменен другим диском. В этой системе интегратор использовался для расчета относительного движения объектов на земле с учетом высоты, воздушной скорости и курса. Если сравнить рассчитанный результат с фактическим движением объектов на земле, любая разница будет связана с воздействием ветра на самолет. Дисковые регуляторы, устанавливающие эти значения, использовались для обнуления любого видимого дрейфа, что приводило к точным измерениям ветра, что ранее было очень сложной проблемой.
Шариковые дисковые интеграторы использовались в компьютерах аналогового наведения систем баллистических ракет еще в середине 1970-х годов. Ракетная система Pershing 1 использовала платформу инерционного наведения Bendix ST-120 в сочетании с механическим аналоговым компьютером для достижения точного наведения. ST-120 предоставил информацию акселерометра для всех трех осей. Акселерометр для движения вперед передавал свое положение на радиальный рычаг положения шара, заставляя шарнирное приспособление перемещаться от центра диска по мере увеличения ускорения. Сам диск представляет время и вращается с постоянной скоростью. По мере того как шарнирное приспособление перемещается дальше от центра диска, мяч вращается быстрее. Скорость шара представляет собой скорость ракеты, количество оборотов шара представляет пройденное расстояние. Эти механические положения использовались для определения этапов подготовки, прекращения тяги и отделения боеголовки, а также сигналов «хорошего наведения», используемых для завершения цепи взведения боеголовки. Первое известное использование этой общей концепции было в ракете Фау-2, разработанной группой Фон Брауна в Пенемюнде. См. акселерометр PIGA. Позже он был усовершенствован в Redstone Arsenal и применен к ракете Redstone и впоследствии Pershing 1.
