Máquina de precedentes de maré
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Fundo
O estudo científico moderno das marés remonta ao princípio de Isaac Newton de 1687, no qual ele aplicou a teoria da gravitação para fazer uma primeira aproximação dos efeitos da lua e do sol nas águas das marés da Terra. A aproximação desenvolvida por Newton e seus sucessores dos próximos 90 anos é conhecida como a 'teoria do equilíbrio' das marés.
A partir da década de 1770, Pierre-Simon Laplace fez um avanço fundamental na aproximação de equilíbrio, levando em consideração aspectos dinâmicos não equilíbrios do movimento do movimento das águas das marés que ocorre em resposta às forças geradoras de maré devido à lua e ao sol.
As melhorias de Laplace na teoria foram substanciais, mas eles ainda deixaram a previsão em um estado aproximado. Essa posição mudou na década de 1860, quando as circunstâncias locais dos fenômenos das marés foram levadas mais detalhadamente pela aplicação de William Thomson de análise de Fourier nos movimentos das marés. O trabalho de Thomson nesse campo foi desenvolvido e estendido por George Darwin, o segundo filho de Charles Darwin: o trabalho de George Darwin foi baseado na teoria lunar atual em seu tempo. Seus símbolos para os constituintes harmônicos das marés ainda são usados. Os desenvolvimentos harmônicos de Darwin das forças geradores de maré foram posteriormente trazidos por A. T. Doodson atualizados e estendidos à luz da nova e mais precisa teoria lunar de E. W. Brown que permaneceu corrente durante a maior parte do século XX.
O estado para o qual a ciência da preção da maré chegou na década de 1870 pode ser resumida: as teorias astronômicas da lua e do sol identificaram as frequências e pontos fortes dos diferentes componentes da força de geração da maré. Mas a previsão eficaz em um determinado local exigia a medição de uma amostra adequada de observações locais de maré, para mostrar a resposta local de marés nessas diferentes frequências, em amplitude e fase. Essas observações deveriam ser analisadas, para derivar os coeficientes e ângulos de fase. Então, para fins de previsão, essas constantes locais de maré tiveram que ser recombinadas, cada uma com um componente diferente das forças geradoras de maré às quais se aplicava e em cada uma de uma sequência de datas e horários futuros, e então os diferentes elementos finalmente coletados juntos para obter seus efeitos agregados. Na idade em que os cálculos foram realizados à mão e pelo cérebro, com lápis, papel e mesas, isso foi reconhecido como um empreendimento imensamente trabalhoso e propenso a erros.
Thomson reconheceu que o que era necessário era uma maneira conveniente e de preferência automatizada de avaliar repetidamente a soma de termos de maré, como:
A 1 cos ( ω 1 t + ϕ 1 ) + A 2 cos ( ω 2 t + ϕ 2 ) + A 3 cos ( ω 3 t + ϕ 3 ) + … {\displaystyle 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 }
contendo 10, 20 termos trigonométricos ou ainda mais trigonométricos, para que o cálculo possa ser repetido convenientemente para cada um de um número muito grande de valores escolhidos diferentes da data/hora t {\ displayStyle t}. Esse era o núcleo do problema resolvido pelas máquinas de prejuízo da maré.
Princípio
Thomson concebeu seu objetivo como construir um mecanismo que avaliaria essa soma trigonométrica fisicamente, p. Como a posição vertical de uma caneta que poderia plotar uma curva em uma faixa de papel em movimento.
Havia vários mecanismos disponíveis para converter o movimento rotativo em movimento sinusoidal. Um deles é mostrado no esquema (à direita). Uma roda de acionamento rotativa é equipada com um pino fora do centro. Um eixo com uma seção de manchas horizontalmente é livre para se mover verticalmente para cima e para baixo. O pino fora do centro da roda está localizado no slot. Como resultado, quando o pino se move com a roda, ele pode fazer o eixo se mover para cima e para baixo dentro dos limites. Esse arranjo mostra que, quando a roda de transmissão gira uniformemente, diga no sentido horário, o eixo se move sinusoidalmente para cima e para baixo. A posição vertical do centro do slot, a qualquer momento t {\ displayStyle t}, pode ser expressa como 1 cos (ω 1 t + ϕ 1) {\ displayStyle a_ {1} \ cos (\ omega _ {1} t+\ phi _ {1})}, onde 1 {\ displayStyle a_ {1}} é a distância radial do centro da roda até o pino, ω 1 {\ displaystyle \ omega _ {1}} é o taxa na qual a roda gira (em radianos por unidade de tempo) e ϕ 1 {\ displaystyle \ phi _ {1}} é o ângulo de fase inicial do pino, medido em radianos da posição das 12 horas do angular Posição onde o pino era no tempo zero.
Esse arranjo faz um análogo físico de apenas um termo trigonométrico. Thomson precisava construir uma soma física de muitos desses termos.
A princípio, ele se inclinou a usar engrenagens. Em seguida, ele discutiu o problema com a engenheiro Beauchamp Tower antes da reunião da British Association em 1872, e Tower sugeriu o uso de um dispositivo que (como ele se lembrava) já foi usado pela Wheatstone. Era uma corrente funcionando alternadamente e sob uma sequência de polias em eixos móveis. A corrente foi fixada em uma extremidade e a outra extremidade (livre) foi ponderada para mantê -la esticada. À medida que cada eixo se movia para cima ou para baixo, ele pegava ou liberaria um comprimento correspondente da corrente. Os movimentos na posição da extremidade livre (móvel) da cadeia representavam a soma dos movimentos dos diferentes eixos. A extremidade móvel foi mantida esticada e equipada com uma caneta e um grupo de papel em movimento no qual a caneta plotava uma curva de maré. Em alguns designs, a extremidade móvel da linha foi conectada a um mostrador e uma escala a partir da qual as alturas das marés poderiam ser lidas.
Um dos projetos de Thomson para a parte calculista de uma máquina de previsão da maré é mostrada na figura (direita), intimamente semelhante à terceira máquina de 1879-81. Um cordão longo, com uma extremidade segurada fixa, passou verticalmente para cima e sobre uma primeira polia superior, depois verticalmente para baixo e sob a próxima, e assim por diante. Essas polias foram todas movidas para cima e para baixo por manivelas, e cada polia pegou ou soltava o cordão de acordo com a direção em que se movia. Todas essas manivelas foram movidas por trens de rodas que se enquadram nas rodas fixadas em um eixo de acionamento. O maior número de dentes em qualquer roda foi 802 envolvido com outra de 423. Todas as outras rodas tinham um número comparativamente pequeno de dentes. Um volante de grande inércia permitiu que o operador girasse a máquina rapidamente, sem sacudir as polias e, portanto, fugir de um ano em cerca de vinte e cinco minutos. A máquina mostrada na figura foi organizada para quinze constituintes em todos.
Thomson reconheceu que o uso de um arranjo excessivo da linha flexível que resumia os componentes do movimento foi sugerida a ele em agosto de 1872 pela engenheiro Beauchamp Tower.
História
A Máquina de Prevenção da Primeira Tide, projetada em 1872 e do qual um modelo foi exibido na reunião da British Association em 1873 (para calcular 8 componentes de maré), seguido em 1875-6 por uma máquina em uma escala ligeiramente maior (para calcular 10 componentes das marés ), foi projetado por Sir William Thomson (que mais tarde se tornou Lord Kelvin). A máquina de 10 componentes e os resultados obtidos foram mostrados na exposição de Paris em 1878. Uma versão ampliada e aprimorada da máquina, para calcular 20 componentes de maré, foi construída para o governo da Índia em 1879 e depois modificada em 1881 para Estenda -o para calcular 24 componentes harmônicos.
Nessas máquinas, a previsão foi entregue na forma de um gráfico gráfico contínuo da altura das marés contra o tempo. A trama foi marcada com marcas de hora e meio-dia e foi feita pela máquina em uma faixa de papel em movimento quando o mecanismo foi girado. As previsões de um ano para um determinado local, geralmente um porto marítimo escolhido, podem ser plotadas pelas máquinas de 1876 e 1879 em cerca de quatro horas (mas as unidades tiveram que ser rebobinadas durante esse período).
Em 1881–2, outra máquina de previsão de maré, operando de maneira bastante diferente, foi projetada por William Ferrel e construída em Washington sob a direção de Ferrel por E. G. Fischer (que mais tarde projetou a máquina sucessora descrita abaixo, que estava em operação na Costa dos EUA e Geodetic Survey de 1912 até a década de 1960). A máquina de Ferrel entregou previsões contando os tempos e as alturas de sucessivas águas altas e baixas, mostradas pelas leituras de ponteiros em mostradores e escalas. Eles foram lidos por um operador que copiava as leituras para as formas, a serem enviadas para a impressora das mesas de maré dos EUA.
Essas máquinas tinham que ser definidas com constantes de marés locais especiais para o local para o qual as previsões deveriam ser feitas. Tais números expressam a resposta local de marés aos componentes individuais do potencial global de geração de marés, em diferentes frequências. Essa resposta local, mostrada no tempo e na altura das contribuições das marés em diferentes frequências, é resultado de características locais e regionais das costas e do leito marinho. As constantes das marés são geralmente avaliadas a partir de histórias locais de observações de bitola de maré, por análise harmônica com base nas principais frequências geradoras de maré, como mostrado pela teoria global das marés e pela teoria lunar subjacente.
Thomson também foi responsável por originar o método de análise de marés harmônicas e por elaborar uma máquina de analisador harmônica, que mecanizou parcialmente a avaliação das constantes das leituras do medidor.
Desenvolvimento e melhoria com base na experiência dessas máquinas primitivas continuaram até a primeira metade do século XX.
O preditor britânico da maré nº 2, após o uso inicial para gerar dados para portos indianos, foi usado para previsão de maré para o Império Britânico além da Índia e transferido para o Laboratório Písseis Nacional em 1903. O preditor de maré britânico nº 3 foi vendido para os franceses Governo em 1900 e usado para gerar mesas de maré francesa.
A Máquina de Prevendo Tide dos EUA nº 2 ("cérebros de latão antiga") foi projetada na década de 1890, concluída e levada a serviço em 1912, usada por várias décadas, inclusive durante a Segunda Guerra Mundial e se aposentou na década de 1960.
As máquinas de precedentes de maré foram construídas na Alemanha durante a Primeira Guerra Mundial e novamente no período de 1935-8.
Três dos últimos a serem construídos foram:
a TPM built in 1947 for the Norwegian Hydrographic Service by Chadburn of Liverpool, and designed to compute 30 tidal harmonic constituents; used until 1975 to compute official Norwegian Tide Tables, before being superseded by digital computing.the Doodson-Légé TPM built in 1949,an East German TPM built 1953-5.Excluindo pequenas máquinas portáteis, sabe-se que foram construídas 33 máquinas de previsão da maré, das quais 2 foram destruídas e 4 estão atualmente perdidas.
Exibição e demonstração
Eles podem ser vistos em Londres, Washington, Liverpool e outros lugares, incluindo o Museu Deutsches em Munique.
Conectados
Uma demonstração on-line está disponível para mostrar o princípio da operação de uma versão de 7 componentes de uma máquina de previsão da maré, de outra forma como o design original de Thomson (Kelvin). A animação mostra parte da operação da máquina: os movimentos de várias polias podem ser vistos, cada um movendo -se para cima e para baixo para simular uma das frequências das marés; E a animação também mostra como esses movimentos sinusoidais foram gerados por rotações das rodas e como elas foram combinadas para formar a curva maré resultante. Não mostrado na animação é a maneira pela qual os movimentos individuais foram gerados na máquina nas frequências relativas corretas, engrenagens nas proporções corretas ou como as amplitudes e os ângulos de fase inicial para cada movimento foram definidos de maneira ajustável. Essas amplitudes e ângulos de fase inicial representavam as constantes de marés locais, redefinidas separadamente e diferentes para cada local para as quais as previsões deveriam ser feitas. Além disso, nas verdadeiras máquinas Thomson, para economizar em movimento e desgaste das outras partes, o eixo e a polia com o maior movimento esperado (para o componente da maré M2 com duas vezes por dia lunar) foi montado mais próximo da caneta e o eixo e a polia representando o menor componente estava na outra extremidade, mais próxima do ponto de fixação do cordão ou corrente flexível, para minimizar o movimento desnecessário na maior parte do cordão flexível.