La máquina de predicción de mareas n.º 2 , también conocida como Old Brass Brains , [1] era una computadora mecánica de propósito especial que utiliza engranajes , poleas , cadenas y otros componentes mecánicos para calcular la altura y el tiempo de las mareas altas y bajas para determinados ubicaciones. La máquina puede realizar cálculos de mareas mucho más rápido de lo que podría hacer una persona con lápiz y papel. El Servicio Costero y Geodésico de los Estados Unidos puso la máquina en funcionamiento en 1910. Se utilizó hasta 1965, cuando fue reemplazada por una computadora electrónica . [2]
Esfuerzos iniciales de predicción de mareas en EE. UU.
Las mareas son la subida y bajada del nivel del mar causada por los efectos combinados de las fuerzas gravitacionales ejercidas por la Luna , el Sol y la rotación de la Tierra . En 1867, el United States Coast Survey comenzó a imprimir tablas de mareas anuales para respaldar actividades marítimas, costeras y de defensa seguras y efectivas. [2] [3] En poco tiempo, estas tablas mostraban los tiempos y alturas de las mareas altas y bajas al minuto y décimo de pie más cercanos, respectivamente. Las tablas se imprimieron durante un año y se distribuyeron antes del comienzo del año. [3] [4]
La predicción de las mareas es muy desafiante ya que depende de múltiples factores, incluida la alineación del Sol y la Luna, la forma de la costa y la batimetría cercana a la costa . Las teorías de las mareas intentan dar cuenta de estos factores, pero conducen a cálculos complejos. Originalmente, los cálculos se realizaban a mano, lo que requería mucha mano de obra y propenso a errores. [5] La carga se hizo aún mayor cuando el Coast and Geodetic Survey de los Estados Unidos (USCGS, el sucesor del Coast Survey) comenzó a utilizar el método armónico más preciso para las predicciones de las mareas en 1884. [3]
Para reducir significativamente el trabajo requerido para predecir las mareas, en 1881 William Ferrel del USCGS diseñó una máquina de predicción de mareas. Fauth & Co. Instrument Makers construyó la máquina de predicción de mareas n. ° 1 y la entregó en 1882. The Survey comenzó a usar la máquina de forma rutinaria en 1883. [6]
Historia y mecanismo
En 1895, la USCGS se preocupó porque la máquina de predicción de mareas n. ° 1 había desarrollado un desgaste considerable debido al uso casi constante durante 12 años. La oficina decidió construir una nueva máquina que fuera más rápida, más precisa y más confiable. Esto se convirtió en la máquina de predicción de mareas n. ° 2. [4]
Rolin Harris y EG Fischer de la USCGS lideraron el esfuerzo. [5] El equipo de diseño estudió las máquinas de predicción de mareas británicas y estadounidenses anteriores e incorporó sus mejores atributos en el diseño de la nueva máquina. [6] La máquina, también conocida como "Old Brass Brains", utilizó una intrincada disposición de engranajes, poleas, correderas y otros componentes. El diseño de la nueva máquina se aprobó en 1895 y la construcción comenzó en 1896. [4]
La máquina de predicción de mareas n. ° 2 fue la primera máquina de predicción de mareas que incorporó tanto un gráfico en papel de las mareas, el enfoque utilizado por las máquinas británicas anteriores, como diales y escalas que mostraban la altura de la marea y la fecha y hora correspondientes, utilizadas por Tide. -Máquina de predicción n. ° 1. Los diales y las escalas hicieron mucho más fácil para un operador determinar con precisión la altura y el tiempo de las mareas altas y bajas. El gráfico en papel, denominado curva de mareas, fue muy útil como registro del cálculo que se pudo verificar más tarde para confirmar que los cálculos se realizaron correctamente. [6]
Una manivela girada por el operador proporciona la energía para los cálculos mecánicos de la máquina. Los circuitos eléctricos alimentados por batería se utilizan para marcar el inicio de las horas y los días en el gráfico de papel y para detener la máquina cuando se alcanza la marea alta y baja para que el operador pueda anotar la altura y la hora. [6]
Se prestó mucha atención a las características mecánicas de los componentes para asegurar confiabilidad y precisión. Por ejemplo, algunos componentes que eran difíciles de reemplazar se diseñaron con una vida útil de 50 años. Además, las cadenas de suma se movieron a través de engranajes bajo tensión durante un año de días de trabajo antes de instalarse en la máquina para garantizar que fueran lo suficientemente flexibles y que su longitud se mantuviera constante. [5]
Otros trabajos en el USCGS tuvieron prioridad sobre la construcción de la nueva máquina, y una reducción en los niveles de personal impidió todo trabajo en la nueva máquina durante tres años. Como resultado, la Máquina de predicción de mareas No. 2 no fue funcional hasta 1910. [6] Se aplicó por primera vez para predecir valores para las tablas de mareas de 1912 y 1913. Luego, la máquina fue desmontada, pulida, plateada, lacada y reensamblada a tiempo para proporcionar predicciones para las tablas de mareas de 1914. [5] Las comparaciones de la precisión de las predicciones mecánicas de las mareas en comparación con los cálculos manuales para dos ubicaciones desafiantes demostraron errores en alturas de 0,72 pulgadas (1,83 cm) o menos. [4] [6]
Old Brass Brains mide 10,8 pies (3,3 m) de largo, 6,2 pies (1,9 m) de alto, 2 pies (0,6 m) de ancho [5] y pesa aproximadamente 2.500 libras (1.134 kg). [7]
Usar
Para calcular las mareas de una ubicación costera, el operador debe configurar la máquina para esa ubicación. Esto se hace ajustando la configuración física de la máquina en función de hasta 37 factores. Esos factores se determinan empíricamente mediante el análisis armónico de una serie temporal de mareas en la ubicación, [6] y representan la influencia de la luna, el sol, la profundidad de la bahía, las islas cercanas a la costa, etc. [2] Una vez calculados los factores para una ubicación se puede aplicar a años pasados y futuros. [3] y se comparten ampliamente para que cualquiera pueda realizar cálculos de mareas. [6]
Suponiendo que se conocen los factores de una ubicación, la configuración de la máquina para calcular las mareas de la ubicación requiere de 2,5 a 4 horas. Las predicciones para las mareas de un año en ese lugar se pueden producir en 8 a 15 horas. [6] Los cálculos que la máquina de predicción de mareas No. 2 puede realizar en 1 día requeriría que una persona los realizara a mano durante 125 días. [2]
Alrededor de 1915, la máquina se utilizó para producir tablas de mareas anuales para 70 puertos importantes en todo el mundo. [4] Se agregaron puertos adicionales en años posteriores.
Durante la Segunda Guerra Mundial, el USCGS produjo tablas de mareas anuales para los principales puertos con cuatro años de anticipación en caso de que Old Brass Brains se averiara o fuera saboteado. [8] El USCGS también proporcionó predicciones de mareas para una serie de ubicaciones adicionales en el Pacífico , incluidas ubicaciones potenciales para invasiones anfibias . La obtención de observaciones de mareas para esas ubicaciones para respaldar el cálculo de los factores necesarios para las predicciones fue a menudo un desafío importante. [3]
Alrededor de 1960, Old Brass Brains se modificó para reemplazar la manivela con un motor eléctrico y agregar una lectura automática de alturas y tiempos. [3] En 1965, el USCGS retiró la máquina de predicción de mareas No. 2, 55 años después de que entró en servicio, y comenzó a realizar sus cálculos de mareas con una computadora electrónica. [2]
Estado actual
La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) mantiene la máquina de predicción de mareas n. ° 2 en condiciones de funcionamiento. La máquina se encuentra en las instalaciones de NOAA en Silver Spring, Maryland . El público puede ocasionalmente ver la máquina durante eventos como la jornada de puertas abiertas de la NOAA. [9]
Base matematica
La máquina de predicción de mareas n. ° 2 se basa en el primer enfoque matemático preciso para predecir las mareas, que fue desarrollado alrededor de 1867 por Sir William Thomson (quien más tarde se convirtió en Lord Kelvin) y más tarde refinado por Sir George Darwin . Este enfoque, llamado "análisis armónico", se aproxima a las alturas de las mareas mediante una suma de términos de coseno, cada uno de los cuales tiene una frecuencia diferente . La fórmula para la altura del mar se representa como
que contiene 10, 20 o incluso más términos trigonométricos .es la altura del nivel medio del mar. Para cada término, es la amplitud de la contribución del término a la altura de la marea sobre el nivel medio del mar, determina la frecuencia del término, es el momento, y es la fase relativa del término. Esta es la ecuación calculada por la mayoría de las máquinas de predicción de mareas, incluido Old Brass Brains, que maneja 37 de esos términos. [6]
Las frecuencias se determinan a partir de consideraciones astronómicas , que fueron determinadas por Thomson y Darwin y han sido utilizadas casi universalmente. Por ejemplo, una velocidad representa la velocidad de una luna teórica con una velocidad uniforme en una órbita circular en el plano ecuatorial . Otros componentes con sus propias velocidades corrigen las diferencias entre la órbita de esa luna teórica y la Luna real . [5] Los coeficientes y se determinan mediante el análisis de Fourier de una serie temporal de alturas de marea. Este análisis se puede realizar con un registro de tan solo dos semanas, pero una muestra de 369 días es estándar. [10] La muestra más larga minimiza los errores introducidos por tormentas de viento, corrientes de aire y otras influencias no regulares. [6]
Para calcular esos términos, los diseñadores de USCGS incorporaron el mismo enfoque de " manivela de yugo ranurado " para calcular mecánicamente los cosenos que utilizó Thomson, que se muestra en el esquema (derecha). Una rueda motriz giratoria ("manivela") está equipada con una clavija descentrada. Un eje con una sección ranurada horizontalmente puede moverse verticalmente hacia arriba y hacia abajo. La clavija descentrada de la rueda está ubicada en la ranura. Como resultado, cuando la clavija se mueve con la rueda, hace que el eje se mueva hacia arriba y hacia abajo dentro de los límites. Como resultado de esta disposición, cuando la rueda motriz gira uniformemente, digamos en el sentido de las agujas del reloj, el eje se mueve sinusoidalmente hacia arriba y hacia abajo. La posición vertical del centro de la ranura, en cualquier momento, se puede expresar como , dónde es la distancia radial desde el centro de la rueda hasta la clavija, es la velocidad a la que gira la rueda (en radianes por unidad de tiempo) y está determinada por engranajes, yes el ángulo de fase inicial de la clavija, medido en radianes desde la posición de las 12 en punto hasta la posición angular donde estaba la clavija en el tiempo cero. Un operador ajustó la ubicación de cada pin basándose en los parámetros calculados empíricamente para las mareas de un puerto. Esta disposición hace un análogo físico de un solo término en la ecuación de mareas. Old Brass Brains calcula 37 términos de este tipo.
Los diseñadores de USCGS también adoptaron de las máquinas británicas anteriores el enfoque de sumar términos pasando una cadena por encima y por debajo de las poleas unidas a los yugos que oscilan verticalmente. La cantidad de cadena que queda después de pasar por encima y por debajo de las poleas indica la suma de los términos. Por ejemplo, un valor grande para un término movería su polea más lejos de una posición neutral, desviando la cadena y reduciendo la cantidad de exceso de cadena que queda en el sistema. [5]
Un lado de Old Brass Brains se usa para calcular la altura de la marea. Una disposición similar de componentes en el otro lado, pero con manivelas 90 grados fuera de fase, representa la derivada con respecto al tiempo de la fórmula de la altura de la marea. Cuando la derivada es cero, se ha alcanzado el tiempo de marea alta o baja. Un circuito eléctrico detecta esta condición y detiene la máquina para que el operador pueda registrar la fecha, la hora y la altura de la marea. [6]
Galería
Las poleas se mueven hacia arriba y hacia abajo en un movimiento sinusoidal, representando los componentes de la ecuación de la marea. La cadena de suma que pasa por encima y por debajo de las poleas suma sus influencias.
El operador lee la altura y la hora de las mareas altas y bajas de estos diales y escalas.
Esta foto muestra la parte superior y un lado de la máquina de predicción de mareas nº 2. La fórmula de predicción de mareas implementada por la máquina incluye la adición de una serie de términos de coseno. Las piezas de metal triangulares son parte de manivelas de yugo ranurado que convierten el movimiento circular en un movimiento vertical que traza una sinusoide. Cada manivela de yugo ranurado está conectada por un eje a una polea, lo que hace que la polea siga el movimiento sinusoidal. Una cadena que pasa por encima y por debajo de las poleas suma cada una de sus deflexiones para calcular la marea. A lo largo de la parte superior de la foto, los ejes de conexión impulsan las manivelas del yugo ranurado en ambos lados de la máquina. Un lado de la máquina calcula la altura de las mareas mientras que el otro determina los tiempos de mareas altas y bajas.
Internos: la máquina utiliza una intrincada disposición de engranajes, poleas, cadenas, guías y otros componentes mecánicos para realizar los cálculos.
Referencias
- ^ "La caída de 'Old Brass Brains ' ". Ingeniería de producto . 41 (1–6): 98. 1970.
- ^ a b c d e "Cerebros de latón antiguo" (PDF) . Administración Nacional Oceánica y Atmosférica . Febrero de 1989 . Consultado el 1 de mayo de 2016 .
- ^ a b c d e f Hicks, Steacy (1967). "El centenario de la predicción de mareas de la costa de Estados Unidos y la encuesta geodésica" . Revista Hidrográfica Internacional . XLIV : 121-131 . Consultado el 1 de mayo de 2016 .
- ^ a b c d e Claudy, CH (7 de marzo de 1914). "Un gran cerebro de latón: un motor único, de cuya precisión dependen millones de dólares y miles de vidas" . Scientific American . 110 : 197-198. doi : 10.1038 / scientificamerican03071914-197 . Consultado el 1 de mayo de 2016 .
- ^ a b c d e f g Descripción de la máquina de predicción de mareas para estudios geodésicos y costeros de EE. UU . , Edición 2 . Encuesta geodésica y costera de EE. UU. 1915.
- ^ a b c d e f g h yo j k l Fischer, EG (mayo de 1912). "La máquina de predicción de mareas número 2 de la encuesta geodésica y costera" . Astronomía popular . 20 (5): 269-285. Código Bibliográfico : 1912PA ..... 20..269F . Consultado el 1 de mayo de 2016 .
- ^ "Máquinas de predicción de mareas - mareas y corrientes de NOAA" . www.co-ops.nos.noaa.gov . Consultado el 1 de mayo de 2016 .
- ^ Parker, Bruce (2012). El poder del mar: tsunamis, marejadas ciclónicas, olas rebeldes y nuestra búsqueda para predecir desastres . Macmillan. pag. 39. ISBN 978-0-230-12074-7.
- ^ "Casa Abierta NOAA" . Consultado el 1 de mayo de 2016 .
- ^ Phillips, Tony. "Análisis de Fourier de las mareas oceánicas II" . Columna de características: Ensayos mensuales sobre temas matemáticos . Sociedad Matemática Estadounidense . Consultado el 8 de mayo de 2016 .
enlaces externos
- Sociedad Americana de Matemáticas / Tony Phillips, Análisis de Fourier de las mareas del océano I .
- Sociedad Americana de Matemáticas / Bill Casselman (2009), Análisis de Fourier de las mareas oceánicas III .
- Operador con la máquina de predicción de mareas n . ° 2 .