Una máquina de predicción de mareas era una computadora analógica mecánica de propósito especial de finales del siglo XIX y principios del XX, construida y configurada para predecir el reflujo y el flujo de las mareas marinas y las variaciones irregulares en sus alturas, que cambian en mezclas de ritmos, que nunca (en conjunto) se repiten exactamente. [1] Su propósito era acortar los cálculos laboriosos y propensos a errores de la predicción de mareas. Por lo general, estas máquinas proporcionaban predicciones válidas de hora en hora y de día a día durante un año o más.
La primera máquina de predicción de mareas, diseñada y construida en 1872-3, y seguida por dos máquinas más grandes con 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 marea en la década de 1860 y la primera máquina fue diseñada por Thomson con la colaboración de Edward Roberts (asistente en la Oficina de Almanaques Náuticos HM del Reino Unido ) y de Alexander Légé, quien la construyó. [2]
En los EE. UU., William Ferrel diseñó otra máquina de predicción de mareas con un patrón diferente y la construyó en 1881-2. [3] Los desarrollos y mejoras continuaron en el Reino Unido, Estados Unidos y Alemania durante la primera mitad del siglo XX. Las máquinas se utilizaron ampliamente para construir predicciones oficiales de mareas para la navegación marítima general. Llegaron a ser considerados de importancia estratégica militar durante la Primera Guerra Mundial , [4] y nuevamente durante la Segunda Guerra Mundial , cuando se clasificó la máquina de predicción de mareas número 2 de EE. UU . , Que se describe a continuación , junto con los datos que produjo, y se utilizó para predecir las mareas para los desembarcos de Normandía del Día D y todos los desembarcos de islas en la guerra del Pacífico . [5] El interés militar en tales máquinas continuó incluso durante algún tiempo después. [6] Fueron obsoletos por las computadoras electrónicas digitales que se pueden programar para realizar cálculos similares, pero las máquinas de predicción de mareas continuaron en uso hasta las décadas de 1960 y 1970. [7]
Varios ejemplos de máquinas de predicción de mareas permanecen en exhibición como piezas de museo, ocasionalmente puestas en funcionamiento con fines de demostración, monumentos al ingenio matemático y mecánico de sus creadores.
Fondo
El estudio científico moderno de las mareas se remonta a los Principia de Isaac Newton de 1687, en los que aplicó la teoría de la gravitación para hacer una primera aproximación de los efectos de la Luna y el Sol sobre las mareas de la Tierra. La aproximación desarrollada por Newton y sus sucesores de los próximos 90 años se conoce como la "teoría del equilibrio" de las mareas.
A partir de la década de 1770, Pierre-Simon Laplace hizo un avance fundamental en la aproximación del equilibrio al considerar los aspectos dinámicos de no equilibrio del movimiento de las mareas que ocurren en respuesta a las fuerzas generadoras de mareas debidas a la Luna y al Sol.
Las mejoras teóricas de Laplace fueron sustanciales, pero aún dejaron la predicción en un estado aproximado. Esta posición cambió en la década de 1860 cuando las circunstancias locales de los fenómenos de las mareas se tuvieron más en cuenta mediante la aplicación del análisis de Fourier por parte de William Thomson a los movimientos de las mareas. El trabajo de Thomson en este campo fue luego desarrollado y ampliado por George Darwin , el segundo hijo de Charles Darwin : el trabajo de George Darwin se basó en la teoría lunar vigente en su época. Sus símbolos para los componentes armónicos de las mareas todavía se utilizan. Los desarrollos armónicos de Darwin de las fuerzas generadoras de mareas fueron posteriormente actualizados por AT Doodson y extendidos a la luz de la nueva y más precisa teoría lunar de EW Brown que se mantuvo vigente durante la mayor parte del siglo XX.
El estado al que había llegado la ciencia de la predicción de mareas en la década de 1870 se puede resumir: las teorías astronómicas de la Luna y el Sol habían identificado las frecuencias y fortalezas de diferentes componentes de la fuerza generadora de mareas. Pero la predicción eficaz en cualquier lugar requería la medición de una muestra adecuada de observaciones de mareas locales, para mostrar la respuesta de mareas local a esas diferentes frecuencias, en amplitud y fase. A continuación, hubo que analizar esas observaciones para obtener los coeficientes y los ángulos de fase. Luego, para fines de predicción, esas constantes de marea locales tuvieron que recombinarse, cada una con un componente diferente de las fuerzas generadoras de mareas a las que se aplicaba, y en cada una de una secuencia de fechas y horas futuras, y luego los diferentes elementos finalmente. recopilados para obtener sus efectos agregados. En la época en que los cálculos se hacían a mano y con el cerebro, con lápiz, papel y tablas, esto se reconocía como una empresa inmensamente laboriosa y propensa a errores.
Thomson reconoció que lo que se necesitaba era una forma conveniente y preferiblemente automatizada de evaluar repetidamente la suma de términos de mareas como:
que contenga 10, 20 o incluso más términos trigonométricos, de modo que el cálculo pueda repetirse convenientemente en su totalidad para cada uno de un gran número de diferentes valores elegidos de la fecha / hora . Este fue el núcleo del problema resuelto por las máquinas de predicción de mareas.
Principio
Thomson concibió su objetivo como construir un mecanismo que evaluaría físicamente esta suma trigonométrica, por ejemplo, como la posición vertical de un bolígrafo que luego podría trazar una curva en una banda de papel en movimiento.
Tenía a su disposición varios mecanismos para convertir el movimiento giratorio en movimiento sinusoidal. Uno de ellos se muestra en el esquema (derecha). Una rueda motriz giratoria 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, puede hacer que el eje se mueva hacia arriba y hacia abajo dentro de los límites. Esta disposición muestra que 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 es 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.
Esta disposición hace un análogo físico de un solo término trigonométrico. Thomson necesitaba construir una suma física de muchos de esos términos.
Al principio se inclinó por usar engranajes. Luego discutió el problema con el ingeniero Beauchamp Tower antes de la reunión de la Asociación Británica en 1872, y Tower sugirió el uso de un dispositivo que (como recordaba) fue usado una vez por Wheatstone . Era una cadena que se desplazaba alternativamente por encima y por debajo de una secuencia de poleas sobre ejes móviles. La cadena se fijó en un extremo y el otro extremo (libre) se pesó para mantenerlo tenso. A medida que cada eje se movía hacia arriba o hacia abajo, tomaba o soltaba una longitud correspondiente de la cadena. Los movimientos en la posición del extremo libre (móvil) de la cadena representaron la suma de los movimientos de los diferentes ejes. El extremo móvil se mantuvo tenso y se ajustó con un bolígrafo y una banda de papel móvil en la que el bolígrafo trazó una curva de marea. En algunos diseños, el extremo móvil de la línea estaba conectado a un dial y una escala desde los que se podían leer las alturas de las mareas.
En la figura (derecha) se muestra uno de los diseños de Thomson para la parte calculadora de una máquina de predicción de mareas, muy similar a la tercera máquina de 1879-81. Una cuerda larga, con un extremo fijo, pasa verticalmente hacia arriba y sobre una primera polea superior, luego verticalmente hacia abajo y debajo de la siguiente, y así sucesivamente. Todas estas poleas se movían hacia arriba y hacia abajo mediante manivelas, y cada polea tomaba o soltaba el cable de acuerdo con la dirección en la que se movía. Todas estas manivelas se movían mediante trenes de ruedas que se encajaban en las ruedas fijadas en un eje de transmisión. El mayor número de dientes en cualquier rueda fue 802 acoplado con otro de 423. Todas las demás ruedas tenían un número comparativamente pequeño de dientes. Un volante de gran inercia permitió al operador girar la máquina rápidamente, sin sacudir las poleas, y así salirse de la curva de un año en unos veinticinco minutos. La máquina que se muestra en la figura estaba dispuesta para quince componentes en total.
Thomson reconoció que en agosto de 1872 el ingeniero Beauchamp Tower le sugirió el uso de una disposición superpuesta de la línea flexible que sumaba los componentes del movimiento . [8]
Historia
La primera máquina de predicción de mareas, diseñada en 1872 y de la cual se exhibió un modelo en la reunión de la Asociación Británica en 1873 [9] (para calcular 8 componentes de mareas), seguida en 1875-6 por una máquina a una escala ligeramente mayor (para calcular 10 componentes de marea), fue diseñado por Sir William Thomson (quien más tarde se convirtió en Lord Kelvin ). [10] La máquina de 10 componentes y los resultados obtenidos de ella se mostraron en la Exposición de París en 1878. Una versión ampliada y mejorada de la máquina, para calcular 20 componentes de mareas, fue construida para el Gobierno de la India en 1879 y luego modificada. en 1881 para ampliarlo para calcular 24 componentes armónicos. [11]
En estas máquinas, la predicción se entregó en forma de un diagrama de lápiz gráfico continuo de la altura de la marea en función del tiempo. La trama se marcó con las marcas de las horas y del mediodía, y la máquina la trazó en una banda de papel en movimiento mientras giraba el mecanismo. Las predicciones de mareas de un año para un lugar determinado, generalmente un puerto marítimo elegido, podían ser trazadas por las máquinas de 1876 y 1879 en aproximadamente cuatro horas (pero los impulsores tuvieron que rebobinarse durante ese tiempo).
En 1881-2, William Ferrel diseñó otra máquina de predicción de mareas, que operaba de manera bastante diferente, y EG Fischer (quien más tarde diseñó la máquina sucesora que se describe a continuación, que estaba en funcionamiento en el Servicio costero y geodésico de EE. UU. desde 1912 hasta la década de 1960). [12] La máquina de Ferrel entregó predicciones contando los tiempos y alturas de las sucesivas aguas altas y bajas, mostradas por lecturas de puntero en diales y escalas. Estos fueron leídos por un operador que copió las lecturas en formularios, para ser enviados a la impresora de las tablas de mareas de EE. UU.
Estas máquinas tenían que configurarse con constantes de marea locales especiales para el lugar para el que se iban a realizar las predicciones. Estos números expresan la respuesta de las mareas locales a los componentes individuales del potencial de generación de mareas global, a diferentes frecuencias. Esta respuesta local, que se muestra en el momento y la altura de las contribuciones de las mareas a diferentes frecuencias, es el resultado de las características locales y regionales de las costas y el lecho marino. Las constantes de marea generalmente se evalúan a partir de historias locales de observaciones de mareógrafos, mediante un análisis armónico basado en las principales frecuencias generadoras de mareas, como lo muestra la teoría global de las mareas y la teoría lunar subyacente .
Thomson también fue responsable de originar el método de análisis de mareas armónicas y de diseñar una máquina analizadora de armónicos, que mecanizó en parte la evaluación de las constantes a partir de las lecturas del medidor.
El desarrollo y la mejora basados en la experiencia de estas primeras máquinas continuaron durante la primera mitad del siglo XX.
El Predictor de mareas británico n.o 2, después de su uso inicial para generar datos para los puertos indios, se utilizó para la predicción de mareas para el imperio británico más allá de la India y se transfirió al Laboratorio Nacional de Física en 1903. El Predictor de Mareas Británico n.o 3 se vendió a los franceses Gobierno en 1900 y utilizado para generar tablas de mareas francesas.
US Tide Predicting Machine No. 2 ("Old Brass Brains") [13] fue diseñada en la década de 1890, completada y puesta en servicio en 1912, utilizada durante varias décadas, incluso durante la Segunda Guerra Mundial, y retirada en la década de 1960.
Las máquinas de predicción de mareas se construyeron en Alemania durante la Primera Guerra Mundial, y nuevamente en el período 1935-8. [14]
Tres de los últimos en construirse fueron:
- un TPM construido en 1947 para el Servicio Hidrográfico Noruego por Chadburn de Liverpool, y diseñado para calcular 30 constituyentes armónicos de mareas; utilizado hasta 1975 para calcular las tablas de mareas oficiales noruegas, antes de ser reemplazado por la informática digital. [15]
- el TPM Doodson-Légé construido en 1949,
- un TPM de Alemania del Este construido 1953-5. [dieciséis]
Si se excluyen las pequeñas máquinas portátiles, se sabe que se han construido un total de 33 máquinas de predicción de mareas, de las cuales 2 se han destruido y 4 se han perdido actualmente. [17]
Exhibición y demostración
Se pueden ver en Londres, [18] Washington, [19] Liverpool, [20] y en otros lugares, incluido el Deutsches Museum de Munich.
En línea
Se encuentra disponible una demostración en línea para mostrar el principio de funcionamiento de una versión de 7 componentes de una máquina de predicción de mareas similar al diseño original de Thomson (Kelvin). [21] La animación muestra parte del funcionamiento de la máquina: se pueden ver los movimientos de varias poleas, cada una moviéndose hacia arriba y hacia abajo para simular una de las frecuencias de marea; y la animación también muestra cómo estos movimientos sinusoidales fueron generados por las rotaciones de las ruedas y cómo se combinaron para formar la curva de marea resultante. En la animación no se muestra la forma en que se generaron los movimientos individuales en la máquina en las frecuencias relativas correctas, mediante el engranaje en las relaciones correctas, o cómo se establecieron de forma ajustable las amplitudes y los ángulos de fase inicial para cada movimiento. Estas amplitudes y ángulos de fase inicial representaban las constantes de marea locales, reajustadas por separado y diferentes para cada lugar para el que se iban a hacer predicciones. Además, en las máquinas Thomson reales, para ahorrar en movimiento y desgaste de las otras partes, el eje y la polea con el mayor movimiento esperado (para el componente de marea M2 dos veces por día lunar) se montaron más cerca de la pluma y el eje y la polea que representa el componente más pequeño estaba en el otro extremo, más cercano al punto de fijación del cordón flexible o cadena, para minimizar el movimiento innecesario en la mayor parte del cordón flexible.
Ver también
- Reloj de mareas
- Tabla de mareas
- Máquina de predicción de mareas n. ° 2
notas y referencias
- ^ Ver American Mathematical Society (2009) II.2 , que muestra cómo las combinaciones de ondas en frecuencias no conmensurables no pueden repetir exactamente sus patrones resultantes.
- ↑ Las Actas del Inst.CE (1881) contienen actas de una discusión un tanto disputada que tuvo lugar en 1881 sobre quién había contribuido con qué detalles. Thomson reconoció el trabajo anterior de la década de 1840 relacionado con la solución mecánica general de ecuaciones, además de una sugerencia específica que tuvo de Beauchamp Tower de usar un dispositivo de poleas y una cadena que alguna vez usó Wheatstone ; Thomson también le dio crédito a Roberts por calcular las proporciones astronómicas incorporadas en la máquina, ya Légé por el diseño de los detalles del engranaje impulsor; Roberts reclamó más crédito por seleccionar otras partes del diseño mecánico.
- ↑ Ferrel (1883) .
- ^ Durante la Primera Guerra Mundial, Alemania construyó su primera máquina de predicción de mareas en 1915-16 cuando ya no podía obtener datos hidrográficos británicos (ver la exhibición del Deutsches Museum, en línea ), y cuando necesitaba especialmente datos de mareas precisos y de fuentes independientes para realizar la campaña de submarinos (véase la exposición del Museo Marítimo Alemán, en línea ).
- ^ Véase Ehret (2008) en la página 44).
- ↑ Durante la ' guerra fría ', Alemania Oriental construyó su propia máquina de predicción de mareas en 1953-5 "a un costo increíble", ver Museo Marítimo Alemán (exhibición en línea) .
- ^ La máquina número 2 de EE. UU. Se retiró en la década de 1960, consulte Ehret (2008) ; la máquina utilizada en Noruega continuó en uso hasta la década de 1970 (ver la exhibición en línea de Noruega ).
- ↑ Beauchamp Tower fue inicialmente referido en los reconocimientos de Thomson solo como 'Mr Tower', pero fue más identificado en la discusión entre Thomson y E Roberts en la Institución de Ingenieros Civiles (reportado en las actas de ICE en Proceedings , 1881 ).
- ^ Ver Actas del Inst.CE (1881) , en la página 31.
- ^ ver W Thomson (1881) , un artículo de Thomson presentado a la Institución de Ingenieros Civiles en enero de 1881. La discusión posterior en la misma reunión de la Institución de Ingenieros Civiles cubrió cuestiones de historia y prioridad sobre aspectos del diseño desde 1872, ver Actas de enero de 1881, especialmente páginas 30-31. El diseño se describió en la Reunión de la Asociación Británica de 1872 y se mostró un modelo para un prototipo de 8 componentes en la reunión de la Asociación Británica de 1873.
- ↑ El instrumento de 20 componentes fue descrito por E Roberts (1879) .
- ↑ W Ferrel (1883) ; también EG Fischer (1912) , páginas 273-275; también Science (1884) .
- ^ Ver Ehret, 2008 para su historia posterior, y para su construcción EG Fischer , y (1915) Descripción de la máquina de predicción de mareas de EE. UU. No 2 , ver también NOAA .
- ^ Vea la exhibición en línea del Museo Marítimo Alemán y la exhibición en línea del Deutsches Museum .
- ^ Servicio Hidrográfico Noruego - historia .
- ^ Ver Museo Marítimo Alemán (exposición en línea) .
- ^ Ver PL Woodworth (2016) : Un inventario de máquinas de predicción de mareas. Informe de investigación y consultoría del Centro Nacional de Oceanografía No. 56.
- ↑ La primera máquina completa de predicción de mareas, de 1872-3, de Thomson con contribuciones de Tower, Roberts y Légé, se encuentra en el Museo de Ciencias de South Kensington, Londres.
- ^ La primera máquina de predicción de mareas de Estados Unidos de Ferrel, 1881-2, se exhibe en el Museo Nacional Smithsonian de Historia Estadounidense ; y la segunda máquina de predicción de mareas de EE. UU., que ganó el apodo de "Old Brass Brains" (ver Ehret, 2008 ), se exhibe en lasoficinas dela NOAA en Silver Spring, MD (NOAA es la Administración Nacional Oceanográfica y Atmosférica).
- ^ Las máquinas Roberts-Légé y Doodson-Légé se exhiben en laexposición Tide and Time en el Laboratorio Oceanográfico Proudman , Liverpool, Reino Unido.
- ^ Véase American Mathematical Society / Bill Casselman (2009), simulación JAVA animada basada en la máquina de predicción de mareas de Kelvin (la animación muestra la computación de 7 componentes armónicos).
Bibliografía
- T Ehret (2008), "Old Brass Brains - Mechanical Prediction of Tides" , ACSM Bulletin, junio de 2008, páginas 41–44.
- W Ferrel (1883), "Una máquina de predicción de mareas máximas y mínimas", en US Coast Survey (1883), Apéndice 10, páginas 253-272.
- EG Fischer (1912), "The Coast and Geodetic Survey Tide Predicting Machine No. 2" , Popular Astronomy , vol. 20 (1912), páginas 269-285.
- Institution of Civil Engineers (Londres), Proceedings volume 65 (1881), donde se da discusión tras presentación de las máquinas de mareas, acta en las páginas 25–64.
- E Roberts (1879), "Un nuevo predictor de mareas", Actas de la Royal Society , xxix (1879), páginas 198-201.
- Science (1884) [sin autor citado], "La máquina predictora de mareas máximas y mínimas", Science , Vol.3 (1884), Número 61, págs. 408–410.
- W Thomson (1881), "El mareógrafo, analizador de armónicos de mareas y predictor de mareas", Actas de la Institución de Ingenieros Civiles , vol.65 (1881), páginas 3–24.
- Departamento de Comercio de EE. UU., Publicación especial n.º 32 (1915), "Descripción de la máquina de predicción de mareas n.º 2 para estudios geodésicos y costeros de EE. UU.".
- PL Woodworth (2016), "Un inventario de máquinas de predicción de mareas" , Informe de consultoría e investigación del Centro Nacional de Oceanografía No. 56.
enlaces externos
- American Mathematical Society (2009), Análisis de Fourier de las mareas oceánicas, II.2, que muestra el efecto de los componentes a frecuencias inconmensurables .
- American Mathematical Society / Bill Casselman (2009), simulación JAVA animada basada en la máquina de predicción de mareas de Kelvin (la animación muestra la computación de 7 componentes armónicos).
- Deutsches Museum, Munich, exposición en línea de la segunda máquina alemana de predicción de mareas (descrita en inglés) .
- Museo Marítimo Alemán ( exposición en línea de predicción de mareas y máquinas de predicción de mareas, en alemán ).
- Exposición en línea de NOAA de los Estados Unidos n ° 2 Tide La predicción de la máquina con imágenes adicionales .
- Exposición en línea de Noruega del historial de predicción de mareas de Noruega y el uso de TPM (en inglés) .
- Centro Nacional de Oceanografía , Liverpool, exposición de máquinas de predicción de mareas Roberts-Légé y Doodson-Légé .
- Science Museum, South Kensington, Londres: Kelvin Tide Predicting Machine (para calcular 10 componentes armónicos) , junto con una vista más cercana .
- Museo Nacional Smithsonian de Historia Estadounidense, exposición en línea del Centro Behring La máquina de predicción de mareas Ferrel de 1881-2 .