Войти
10-компонентная машина для прогнозирования приливов и отливов 1872-1818 годов, задуманная сэром Уильямом Томсоном (лорд Кельвин ) и разработанная Томсоном и его сотрудниками в Музее науки, Южный Кенсингтон., Лондон A машина для предсказания приливов была специальным механическим аналоговым компьютером конца 19-го и начала 20-го веков, сконструированным и настроенным для предсказания приливов и отливов морских приливов и отливов. нерегулярные колебания их высоты - которые меняются в виде смеси ритмов, которые никогда (в совокупности) не повторяются в точности. Его цель состояла в том, чтобы сократить трудоемкие и подверженные ошибкам вычисления предсказания приливов. Такие машины обычно давали предсказания, действительные от часа к часу и изо дня в день на год или более вперед.
Первая машина для прогнозирования приливов, спроектированная и построенная в 1872-1831 гг., За которой последовали две более крупные машины на аналогичных принципах в 1876 и 1879 гг., Была задумана сэром Уильямом Томсоном (который позже стал лордом Кельвином ). Томсон представил метод гармонического анализа приливных паттернов в 1860-х годах, и первая машина была разработана Томсоном в сотрудничестве с Эдвардом Робертсом (помощник в UK HM Nautical Almanac Office ) и Александра Леге, который его сконструировал.
В США еще одна машина для предсказания приливов по другой схеме была разработана Уильямом Феррелом и построена в 1881-28 гг. Разработки и улучшения продолжались в Великобритании, США и Германии в течение первой половины 20 века. Машины стали широко использоваться для построения официальных прогнозов приливов и отливов для общей морской навигации. Они стали считаться имеющими военно-стратегическое значение во время Первой мировой войны, а затем во время Второй мировой войны, когда американская машина прогнозирования приливов № 2, описанная ниже, была классифицировал вместе с данными, которые он произвел, и использовал для предсказания приливов для высадки в Нормандии в день «Д» и всех высадок на островах во время Тихоокеанской войны. Военный интерес к таким машинам сохранялся еще некоторое время спустя. Они были устаревшими из-за цифровых электронных компьютеров, которые можно запрограммировать для выполнения аналогичных вычислений, но машины для прогнозирования приливов продолжали использоваться до 1960-х и 1970-х годов.
Остается несколько примеров машин для прогнозирования приливов экспонируются как музейные экспонаты, время от времени используются в демонстрационных целях, как памятники математической и механической изобретательности их создателей.
Машина Уильяма Феррела для предсказания приливов, созданная в 1881-28 гг., Сейчас находится в Смитсоновском национальном музее американской истории Современное научное изучение приливов восходит к «Начала Исаака Ньютона 1687 года, в котором он применил теорию гравитации, чтобы сделать первое приближение воздействия Луны и Солнца на приливные воды Земли. Приближение, разработанное Ньютоном и его последователями в последующие 90 лет, известно как «теория равновесия» приливов.
Начиная с 1770-х гг. Пьер-Симон Лаплас сделал фундаментальный шаг вперед в приближении равновесия, приняв во внимание неравновесные динамические аспекты движения приливных вод, возникающих в ответ на приливообразующие силы из-за Луны и Солнца.
Теоретические улучшения Лапласа были существенными, но они все же оставили предсказание в приблизительном состоянии. Это положение изменилось в 1860-х годах, когда местные обстоятельства приливных явлений были более полно учтены применением Уильяма Томсона анализа Фурье приливных движений. Работа Томсона в этой области была затем развита и расширена Джорджем Дарвином, вторым сыном Чарльза Дарвина : работа Джорджа Дарвина была основана на лунной теории текущего в свое время. Его символы для составляющих приливных гармоник все еще используются. Гармоничное развитие сил, генерирующих приливы, было позже принесено Дарвином А. Т. Дудсон обновлен и расширен в свете новой и более точной теории Луны Э. W. Brown, который оставался актуальным на протяжении большей части двадцатого века.
Состояние, к которому наука предсказания приливов пришла к 1870-м годам, можно резюмировать: астрономические теории Луны и Солнца определили частоты и силу различных компонентов силы, генерирующей приливы. Но эффективное предсказание в любом данном месте требует измерения адекватной выборки местных приливных наблюдений, чтобы показать местный отклик приливов на этих разных частотах, по амплитуде и фазе. Затем эти наблюдения нужно было проанализировать, чтобы получить коэффициенты и фазовые углы. Затем, для целей прогнозирования, эти местные приливные константы должны были быть рекомбинированы, каждая с различным компонентом сил, генерирующих приливы, к которым он применяется, и в каждой последовательности будущих дат и времени, а затем различные элементы, наконец, собраны вместе, чтобы получить их совокупные эффекты. В эпоху, когда вычисления производились вручную и мозгом, карандашом, бумагой и таблицами, это было признано чрезвычайно трудоемким и подверженным ошибкам делом.
Томсон признал, что нужен был удобный и предпочтительно автоматизированный способ многократного вычисления суммы приливных членов, таких как:
, содержащий 10, 20 или даже более тригонометрических членов, так что вычисление может быть удобно полностью повторено для каждого из очень большого числа различных выбранных значений даты / времени 
Томсон задумал создать механизм, который физически оценивал бы эту тригонометрическую сумму, например как вертикальное положение пера, которое затем может нарисовать кривую на движущейся полосе бумаги.
механизм для создания компонента синусоидального движения Ему было доступно несколько механизмов для преобразования вращательного движения в синусоидальное движение. Один из них показан на схеме (справа). Вращающееся ведущее колесо оснащено смещенным от центра штифтом. Вал с горизонтальной прорезью может свободно перемещаться вертикально вверх и вниз. Смещенный от центра штифт колеса находится в прорези. В результате, когда штифт перемещается вместе с колесом, он может заставить вал перемещаться 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 прорези в любой момент 
Такое расположение является физическим аналогом всего одного тригонометрического члена. Томсону нужно было построить физическую сумму многих таких членов.
Сначала он склонялся к использованию шестеренок. Затем он обсудил проблему с инженером Бошамп Тауэр перед собранием Британской ассоциации в 1872 году, и Тауэр предложил использовать устройство, которое (как он помнил) когда-то использовалось Уитстоном. Это была цепь, которая попеременно проходила над и под последовательностью шкивов на подвижных валах. Цепь закреплялась на одном конце, а другой (свободный) конец утяжелялся для удержания натяжения. По мере того, как каждый вал перемещается вверх или вниз, он поднимает или освобождает цепь соответствующей длины. Перемещения свободного (подвижного) конца цепи представляют собой сумму перемещений различных валов. Подвижный конец держали туго натянутым и снабжался ручкой и движущейся лентой бумаги, на которой ручка рисовала кривую прилива. В некоторых конструкциях подвижный конец линии был соединен вместо этого с циферблатом и шкалой, по которой можно было считывать приливные высоты.
Конструкция Томсона для третьей машины для прогнозирования приливов, 1879-81 гг. Одна из конструкций Томсона для вычислительной части машины для прогнозирования приливов, показанная на рисунке (справа), очень похожа на третью машину 1879 г. -81. Длинный шнур с закрепленным одним концом проходил вертикально вверх и через первый верхний шкив, затем вертикально вниз и под следующим и так далее. Все эти шкивы перемещались вверх и вниз с помощью кривошипов, и каждый шкив принимал или выпускал шнур в зависимости от направления, в котором он двигался. Все эти кривошипы приводились в движение цепями колес, зацепляющихся в колеса, закрепленные на приводном валу. Наибольшее количество зубьев на любом колесе было 802, зацепляющимся с другим из 423. Все остальные колеса имели сравнительно небольшое количество зубцов. Маховик с большой инерцией позволял оператору быстро вращать машину, не дергая шкивы, и таким образом съезжать с годовой кривой примерно за двадцать пять минут. Показанная на рисунке машина была рассчитана всего на пятнадцать компонентов.
Томсон признал, что в августе 1872 года инженером Башня Бошампа.
В этих машинах прогноз предоставлялся в виде непрерывного графического перьевого графика зависимости высоты прилива от времени. График был отмечен часами и полуденными отметками и был сделан машиной на движущейся ленте бумаги при вращении механизма. Годовые прогнозы приливов и отливов для данного места, обычно выбранного морского порта, могли быть построены машинами 1876 и 1879 годов примерно за четыре часа (но в это время приходилось перематывать двигатели).
В 1881/1881 г. еще одна машина для предсказания приливов, работающая совершенно иначе, была разработана Уильямом Феррелом и построена в Вашингтоне под руководством Феррела Э.Г. Фишером (который позже разработал машину-преемницу, описанную ниже., который действовал в Берегогеодезической службе США с 1912 по 1960-е годы). Машина Феррела предсказывала время и высоту последовательных паводков и паводков, показываемых стрелками на циферблатах и шкалах. Они были прочитаны оператором, который скопировал показания в формы для отправки на принтер таблиц приливов и отливов США.
Эти машины должны были быть настроены на местные приливные постоянные, специально предназначенные для места, для которого должны были быть сделаны прогнозы. Такие числа выражают местную приливную реакцию на отдельные компоненты глобального приливно-генерирующего потенциала на разных частотах. Этот местный отклик, показанный во времени и величине приливных воздействий на разных частотах, является результатом местных и региональных особенностей побережья и морского дна. Приливные константы обычно оцениваются на основе локальных историй наблюдений мареометров с помощью гармонического анализа, основанного на основных частотах, генерирующих приливы, как показано в глобальной теории приливов и лежащей в основе теории Луны.
Томсон также был ответственен за создание метода гармонического анализа приливов и отливов и за разработку устройства для анализа гармонических колебаний, который частично механизировал оценку констант по показаниям датчиков.
Разработка и усовершенствование на основе опыта этих первых машин продолжались в течение первой половины 20 века.
Британский предсказатель приливов № 2 после первоначального использования для получения данных для индийских портов был использован для прогнозирования приливов в Британской империи за пределами Индии и передан в Национальную физическую лабораторию в 1903 году. Британский предсказатель приливов № 3 был продан французскому правительству в 1900 году и использовался для составления французских таблиц приливов и отливов.
Машина для предсказания приливов № 2 («Старые латунные мозги»). Оператор приводил машину в действие, поворачивая рукоятку слева. Машина остановилась, когда имитация достигла уровня прилива и отлива, и в это время оператор записал высоту прилива, а также день и время по циферблатам на лицевой стороне машины. Кривая прилива, нарисованная на бумаге над циферблатами, была сохранена на тот случай, если позже возникнут вопросы о расчетах. Машина для прогнозирования приливов США № 2 («Старые латунные мозги») была разработана в 1890-х годах, завершена и принят на вооружение в 1912 году, использовался в течение нескольких десятилетий, в том числе во время Второй мировой войны, и списан в 1960-х годах.
Машины для предсказания приливов и отливов были построены в Германии во время Первой мировой войны, а затем в период 1935-1935 годов.
Три из последних, которые были построены, были:
За исключением небольших портативных машин, всего известно, что было построено 33 машины для прогнозирования приливов, из которых 2 были разрушены, а 4 в настоящее время потеряны.
Их можно увидеть в Лондоне, Вашингтоне, Ливерпуле и других местах, включая Немецкий музей в Мюнхене.
Доступна онлайн-демонстрация, демонстрирующая принцип работы 7-компонентной версии машины для прогнозирования приливов, в остальном подобной оригинальной конструкции Томсона (Кельвина). Анимация показывает часть работы машины: можно увидеть движения нескольких шкивов, каждый из которых движется вверх и вниз для имитации одной из приливных частот; и анимация также показывает, как эти синусоидальные движения были созданы вращением колеса и как они были объединены, чтобы сформировать результирующую приливную кривую. На анимации не показано, каким образом отдельные движения генерировались в машине с правильными относительными частотами, с помощью правильного передаточного числа, или как амплитуды и начальные фазовые углы для каждого движения были установлены регулируемым образом. Эти амплитуды и начальные фазовые углы представляют собой местные приливные постоянные, сброшенные отдельно и разные для каждого места, для которого должны были быть сделаны прогнозы. Кроме того, в настоящих машинах Thomson, чтобы сэкономить на движении и износе других деталей, вал и шкив с наибольшим ожидаемым движением (для компонента прилива M2 дважды за лунные сутки) были установлены ближе всего к загону, а вал и шкив, представляющий самый маленький компонент, находился на другом конце, ближайшем к точке крепления гибкого шнура или цепи, чтобы минимизировать ненужное движение в большей части гибкого шнура.
 | Wikimedia Commons содержит материалы, относящиеся к машинам, предсказывающим приливы,. |
