97889 64456 72312 47532 85224 72311 99738 05314 18822 88877 83701 91188 72106 98803 83485 70762 67561 00923 55229 06479 57972 59061 74949 93171 14807 03728 86417 14924 55271 76483 09709 80826 48003 69756 41326 33857 90179 16007 50123 74390 32549 30315 44217 63317 75601 80709 41762 62320 18455 61834 28274 17965 11564 40730 97515 38882 00045 18375 34435 87730 65633 86354 42635 03181 37624 00288 29224 98754 64198 42645 13159 80277 57942 84214 09885 11406 37363 27238 16160 82824 82750 03902 45252 98749 86602 85405 74120 11069 70749 63642 54482 33973 81058 25338 11638 53184 38067 75862 58160 05931 81160 94118 63131 11678 37627 13358 15577 41533 20376 02073 54475 97260 40548 91470 84971 47067 00960 20371 54295 32383 70544 08125 72446 96640 07075 16165 30869 08344 20223 85830 11652 84248 58240 18720 83640 74865 63798 26432 11368 91553 98930 40390 63732 07578 52004 83379 91665 87295 27594 70342 33614 00445 56766 74846 32119 67664 51801 34739 44392 32414 80290 43295 50949 32938 59188 82226 64963 12065 07486 96473 17151 41690 05059 80565 72757 89563 68610 87113 78719 74762 26213 13426 23716 54025 70952 73308 30338 98371 80443 39662 15506 33308 53719 47268 57523 71539 98084 43052 68615 92226 35372 86296 82533 08533 12606 77475 19780 50069 42332 94775 84463 97795 86712 89454 36026 27730 87899 25252 69813 38682 Lord Kelvins Gezeitenvorhersagemaschine – IEEE Spectrum – MJRBJC

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.

Altes Foto eines älteren Mannes mit weißem Bart, der ein Molekülmodell in der Hand hält.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.

Fotos von zwei Maschinen.  Auf der linken Seite ist eine Maschine mit einem Zifferblatt und vier kleineren Zifferblättern zu sehen.  Rechts ist eine große Maschine mit mehreren Metallzahnrädern, die auf einem langen Gestell montiert sind.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.

Foto eines rechteckigen wissenschaftlichen Instruments aus Holz und Messing. 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.)

Foto eines wissenschaftlichen Messinginstruments mit einer dreieckigen Basis, die einen sechsseitigen Zylinder trägt.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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By rb8jg

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