Im Jahr 1870 William ThomsonEr trauert um den Tod seiner Frau und spendet Geld aus verschiedenen Patenten im Zusammenhang mit der Installation des erstes transatlantisches Telegraphenkabel, beschloss, eine Yacht zu kaufen. Sein Schoner, der Lalla Rookh, wurde Thomsons Sommerhaus und Ausgangspunkt für die Ausrichtung wissenschaftlicher Partys. Dadurch konnte er auch aus erster Hand erfahren, wie schwierig es ist, die Gezeiten genau vorherzusagen.
Aus Angst, auf Untiefen stranden zu müssen, haben Seeleute schon immer auf die Gezeiten geachtet. Admirale der Marine führten Gezeitenkarten streng geheime Informationen. Zivilisationen erkannten schon sehr früh einen Zusammenhang zwischen Gezeiten und Mond, doch erst 1687 Isaac Newton wie die Gravitationskräfte von Sonne und Mond sie verursachten. Neun Jahrzehnte später wurde der französische Astronom und Mathematiker Pierre Simon Laplace schlug vor, dass Gezeiten als harmonische Schwingungen dargestellt werden könnten. Und ein Jahrhundert später nutzte Thomson dieses Konzept, um die erste Maschine zu entwickeln, die sie vorhersagte.
Lord Kelvins steigende Flut
William Thomson wurde am geboren 26. Juni 1824, was bedeutet, dass dieser Monat seinen 200. Geburtstag markiert und der perfekte Zeitpunkt ist, über sein vielseitiges Genie nachzudenken. Thomson war Mathematiker, Physiker, Ingenieur und Professor für Naturphilosophie. Königin Victoria erhob ihn 1866 für seine Arbeit am Transatlantikkabel zum Ritter und erhob ihn 1892 für seine Beiträge zur Thermodynamik in den Rang eines Barons. Daher wird er oft als Lord Kelvin bezeichnet. Er hat den korrekten Wert des absoluten Nullpunkts bestimmt, wofür er durch die SI-Einheit der Temperatur geehrt wird:das Kelvin. Er vertiefte sich in atmosphärische Elektrizitätwar ein Unterstützer von Wirbeltheorie des Atomsund da er keinerlei Kenntnisse über Radioaktivität hatte, schätzte er das Alter der Erde eher dürftig ein und gab es als irgendwo dazwischen an 24 Millionen und 400 Millionen Jahre.
William Thomson, auch bekannt als Lord Kelvin, ist vor allem für die Bestimmung des absoluten Nullpunkts bekannt. Er glaubte an die praktische Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse und erfand eine Vielzahl nützlicher und schöner Geräte. Bildpresse/Alamy
von Thomson Gezeitenvorhersagemaschine berechnete das Gezeitenregime für einen bestimmten Ort auf der Grundlage von 10 zyklischen Bestandteilen, die mit den periodischen Bewegungen von Erde, Sonne und Mond verbunden sind. (Es gibt tatsächlich Hunderte von periodischen Bewegungen, die mit diesen Objekten verbunden sind, aber moderne Gezeitenanalyse verwendet nur die 37 von ihnen, die die größten Auswirkungen haben.) Am bemerkenswertesten ist der Mondhalbtag, der in Gebieten beobachtet werden kann, in denen es aufgrund der Auswirkungen des Mondes täglich zwei Fluten und zwei Ebbe gibt. Der Zeitraum eines Mondhalbtags beträgt 12 Stunden und 25 Minuten, bzw. der halbe Mondtag, der 24 Stunden und 50 Minuten dauert.
Wie Laplace 1775 vorgeschlagen hatte, kann jeder Bestandteil der Gezeiten als sich wiederholende Kosinuskurve dargestellt werden. Diese Kurven sind jedoch ortsspezifisch und können nur durch das Sammeln von Gezeitendaten berechnet werden. Zum Glück für Thomson hatten viele Häfen jahrzehntelang Gezeiten aufgezeichnet. Für Orte, an denen es keine vollständigen Protokolle gab, entwickelte Thomson sowohl einen verbesserten Gezeitenmesser als auch einen Gezeitenharmonikanalysator.
Bei der Gezeitenvorhersagemaschine von Thomson war jede der zehn Komponenten einem bestimmten Gezeitenbestandteil zugeordnet und verfügte über ein eigenes Zahnrad zur Anpassung der Amplitude. Die Komponenten wurden so angeordnet, dass ihre Perioden proportional zu den Perioden der Gezeitenbestandteile waren. Eine einzelne Kurbel drehte alle Zahnräder gleichzeitig, wodurch jede der Kosinuskurven addiert wurde. Während der Benutzer die Kurbel drehte, zeichnete ein Tintenstift die resultierende komplexe Kurve auf eine sich bewegende Papierrolle. Das Gerät markierte jede Stunde mit einer kleinen horizontalen Markierung und machte jeden Tag zur Mittagszeit eine tiefere Kerbe. Durch schnelles Drehen des Rades konnte der Benutzer die Gezeitenaufzeichnungen eines Jahres in etwa 4 Stunden vervollständigen.
Obwohl Thomson das Design der Maschine zugeschrieben wird, wird in seinem Artikel „The Tide Gauge, Tidal Harmonic Analyzer, and Tide Predicter“ (veröffentlicht in Protokoll der Arbeit der Institution of Civil Engineers) würdigt er eine Reihe von Menschen, die ihm bei der Lösung spezifischer Probleme geholfen haben. Der Handwerker Alexander Légé entwarf den Plan für das Schneckengetriebe für die Wellenbewegungen und baute den ersten Maschinenprototypen und Folgemodelle. Edward Roberts vom Nautical Almanac Office vervollständigte die Arithmetik, um das Verhältnis der Wellengeschwindigkeiten auszudrücken. Thomsons älterer Bruder, James, Professor für Bauingenieurwesen am Queen’s College in Belfast, entwarf den Scheiben-Globus-Zylinder-Integrator für den Gezeitenharmonischenanalysator. Der großzügige Dank von Thomson erinnert uns daran, dass die Arbeit von Ingenieuren fast immer eine Teamleistung ist.
Wie die Gezeitenvorhersagemaschine von Thomson untersuchten auch diese beiden Geräte, die am US Coast and Geodetic Survey entwickelt wurden, harmonische Gezeitenschwingungen. William Ferrels Maschine [left] verwendete 19 Gezeitenbestandteile, während die spätere Maschine von Rollin A. Harris und E.G [right]stützte sich auf 37 Wähler. US/NOAA-Küsten- und geodätische Vermessungen
Wie bei vielen Erfindungen wurde der Gezeitenvorhersager gleichzeitig und unabhängig an anderer Stelle entwickelt und von anderen weiter verbessert, ebenso wie die Wissenschaft der Gezeitenvorhersage. Im Jahr 1874 entwickelte William Ferrel, ein Mathematiker des Coast and Geodetic Survey, in den Vereinigten Staaten eine ähnliche harmonische Analyse und Vorhersage. Gerät welches 19 harmonische Bestandteile verwendete. George Darwinzweiter Sohn des berühmten Naturforschers, modifizierte und perfektionierte die harmonische Analyse und veröffentlichte mehrere Artikel zum Thema Gezeiten In den 1880er Jahren schrieb der Ozeanograph Rollin A. Harris mehrere Ausgaben des Gezeitenhandbuchfür die Küsten- und geodätische Vermessung von 1897 bis 1907, und 1910 entwickelte er zusammen mit EG Fischer ein Gezeitenvorhersagemaschine die 37 Bestandteile verwendete. In den 1920er Jahren Arthur Doodson vom Tidal Institute an der University of Liverpool, England, und Paul Schureman of the Coast and Geodetic Survey hat die harmonischen Analyse- und Vorhersagetechniken perfektioniert, die seit Jahrzehnten eingesetzt werden. Aufgrund der Komplexität der Berechnungen blieben viele dieser alten Messingmaschinen bis in die 1950er Jahre im Einsatz, als schließlich elektronische Computer die Aufgabe der Gezeitenvorhersage übernahmen.
Was hat Lord Kelvin sonst noch erfunden?
Als regelmäßige Leser von diese Kolumne Wissen Sie, ich präsentiere immer ein Museumsobjekt aus der Geschichte der Informatik oder Elektrotechnik und erzähle dann eine Geschichte. Als ich begann, Museumssammlungen auf der Suche nach einem geeigneten Thomson-Artefakt zu durchsuchen, war ich angesichts der Fülle an Auswahlmöglichkeiten fast wie gelähmt.
Ich dachte an Thomson’s Doppelter Bürgersteigsender, konzipiert für die Verwendung mit dem Transatlantikkabel von 1858, um Telegrafensignale zu beschleunigen. Thomson war auf der HMS gesegelt Agamemnon im Jahr 1857 während seiner gescheiterten Mission, ein Transatlantikkabel zu verlegen, und war maßgeblich an dem Team beteiligt, das letztendlich Erfolg hatte.
Thomson erfand den Double-Sidewalk-Sender, um Signale in Transatlantikkabeln zu beschleunigen.Wissenschaftsmuseumsgruppe
Ich habe auch daran gedacht, einen von ihm vorzustellen Quadrantenelektrometer, das die elektrische Ladung maß. Tatsächlich führte Thomson eine Reihe von Instrumenten zur Messung von Elektrizität ein, und ein Großteil seines Vermächtnisses beruht auf seiner Arbeit an den genauen Spezifikationen elektrischer Einheiten.
Aber ich habe mich aus mehreren Gründen dafür entschieden, Thomsons Gezeitenvorhersagemaschine hervorzuheben: Thomson hatte schon immer eine Leidenschaft für die Navigation und leistete viele Beiträge zur Meerestechnologie, die manchmal von seinen anderen Arbeiten überschattet werden. Und die Gezeitenvorhersagemaschine ist ein Beispiel für frühe analoge Computer, die viel nützlicher waren als Babbages Differenz-Engine aber nicht so bekannt. Außerdem ist es einfach eine schöne Maschine. Tatsächlich scheint Thomson ein Händchen für die Entwicklung unglaublich schöner Geräte gehabt zu haben. (Die Gezeitenvorhersagemaschine oben und viele andere Kelvin-Erfindungen sind in der Sammlung von Wissenschaftsmuseumin London.)
Thomson entwickelte das Quadrantenelektrometer zur Messung elektrischer Ladung. Wissenschaftsmuseumsgruppe
Die Gezeitenvorhersagemaschine ist nicht Thomsons einziger Beitrag zur maritimen Technologie. Er patentierte auch a Kompasseine astronomische Uhr, eine Sondenmaschine und ein Passagierabteil (eine Basis, die nautische Instrumente beherbergt). In Bezug auf die Meereswissenschaften dachte und schrieb Thomson ausführlich über die Natur der Wellen. Er erklärte mathematisch die V-förmigen Kielwassermuster, die Schiffe und Wasservögel erzeugen, wenn sie sich über ein Gewässer bewegen, das treffend „Wake“ genannt wird. Kelvin-Wake-Modell. Er beschrieb auch das, was man heute a nennt KelvinwelleEine Art Welle, die aufgrund des Gleichgewichts der Erdrotation relativ zu einer topografischen Grenze, beispielsweise einer Küstenlinie, ihre Form beibehält, während sie sich entlang der Küste bewegt.
Wenn man Thomsons Beitrag zum Thema Navigation bedenkt, ist es überraschend, dass dies einige von ihm sind geringer Bekannte Erfolge. Ich denke, wenn Sie eine unstillbare Neugier, ein ausgeprägtes Verständnis für Mathematik und Physik und den starken Wunsch haben, an Maschinen herumzubasteln und Ihr wissenschaftliches Wissen zur Lösung praktischer Probleme zum Nutzen der Menschheit anzuwenden, verfügen Sie auch über die Mittel, um wichtige Schlussfolgerungen daraus zu ziehen natürliche Welt. Es kann nicht schaden, eine schöne Yacht zu haben, auf der man den Sommer verbringen kann.
Teil eines fortlaufende SerieBlick auf historische Artefakte, die das grenzenlose Potenzial der Technologie ausschöpfen.
Eine gekürzte Fassung dieses Artikels erscheint in der Printausgabe vom Juni 2024 unter dem Titel „Brass for Brains“.
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