آلة لورد كلفن للتنبؤ بالمد والجزر – IEEE Spectrum

في عام 1870، وليام طومسون، حدادًا على وفاة زوجته وتدفق الأموال من براءات الاختراع المختلفة المتعلقة بوضع أول كابل تلغراف عبر المحيط الأطلسيقررت شراء يخت. مركبته الشراعية لالا روك, أصبح منزل طومسون الصيفي وقاعدته لاستضافة الحفلات العلمية. كما منحه ذلك خبرة مباشرة في مواجهة التحدي المتمثل في التنبؤ بدقة بالمد والجزر.

لقد كان البحارة دائمًا على دراية بالمد والجزر خشية أن يجدوا أنفسهم على الشاطئ في المياه الضحلة المنخفضة. قام أميرالات البحرية بحراسة مخططات المد والجزر معلومات سرية للغاية. أدركت الحضارات وجود علاقة بين المد والجزر والقمر في وقت مبكر، ولكن لم يتم ذلك حتى عام 1687. وأوضح إسحاق نيوتن وكيف تسببت بها قوى جاذبية الشمس والقمر. وبعد تسعة عقود، عالم الفلك والرياضيات الفرنسي بيير سيمون لابلاس اقترح أن المد والجزر يمكن تمثيلها على أنها تذبذبات توافقية. وبعد قرن من ذلك، استخدم طومسون هذا المفهوم لتصميم أول آلة للتنبؤ بها.

المد الصاعد للورد كلفن

ولد ويليام طومسون في 26 يونيو 1824مما يعني أن هذا الشهر يصادف عيد ميلاده الـ 200 وهو الوقت المثالي للتأمل في عبقريته الشاملة. كان طومسون عالم رياضيات وفيزياء ومهندسًا وأستاذًا للفلسفة الطبيعية. منحته الملكة فيكتوريا لقب فارس في عام 1866 لعمله في مجال الكابل عبر المحيط الأطلسي، ثم رفعته إلى رتبة بارون في عام 1892 لمساهماته في الديناميكا الحرارية، ولذلك غالبًا ما يُذكر باسم اللورد كلفن. لقد حدد القيمة الصحيحة للصفر المطلق، والتي تم تكريمها بوحدة درجة الحرارة في النظام الدولي للوحدات (SI)—كلفن. لقد شارك في كهرباء الغلاف الجوي، وكان من أنصار نظرية دوامة الذرة، وفي غياب أي معرفة بالنشاط الإشعاعي، قام بتقدير ضعيف إلى حد ما لعمر الأرض، والذي قدمه في مكان ما بين 24 مليون و400 مليون سنة.

اشتهر ويليام طومسون، المعروف أيضًا باسم اللورد كلفن، بتأسيسه قيمة الصفر المطلق. كان يؤمن بالتطبيق العملي للمعرفة العلمية، واخترع مجموعة واسعة من الأجهزة المفيدة والجميلة. الصحافة المصورة / علمي

طومسون آلة التنبؤ بالمد والجزر قام بحساب نمط المد والجزر لموقع معين بناءً على 10 مكونات دورية مرتبطة بالحركات الدورية للأرض والشمس والقمر. (هناك في الواقع مئات من الحركات الدورية المرتبطة بهذه الأشياء، ولكن تحليل المد والجزر الحديث يستخدم فقط 37 منها لها التأثيرات الأكثر أهمية.) وأبرزها هو القمر شبه النهاري، والذي يمكن ملاحظته في المناطق التي بها مد وجزر مرتفعان ومد وجزر منخفضان كل يوم، وذلك بسبب تأثيرات القمر. وتبلغ فترة نصف النهار القمري 12 ساعة و25 دقيقة، أي نصف يوم قمري يستمر 24 ساعة و50 دقيقة.

كما اقترح لابلاس في عام 1775، يمكن تمثيل كل مكون من مكونات المد والجزر على شكل منحنى جيب التمام المتكرر، ولكن هذه المنحنيات خاصة بموقع ما ولا يمكن حسابها إلا من خلال جمع بيانات المد والجزر. ولحسن حظ طومسون، ظلت العديد من الموانئ تسجل موجات المد والجزر لعقود من الزمن. بالنسبة للأماكن التي لم يكن لديها سجلات كاملة، صمم طومسون مقياسًا محسنًا للمد والجزر ومحللًا توافقيًا للمد والجزر.

في آلة طومسون للتنبؤ بالمد والجزر، كان كل مكون من المكونات العشرة مرتبطًا بمكون معين للمد والجزر، وكان له تروس خاصة به لضبط السعة. تم توجيه المكونات معًا بحيث تتناسب فتراتها مع فترات مكونات المد والجزر. يقوم ذراع واحد بإدارة جميع التروس في وقت واحد، مما يؤدي إلى جمع كل من منحنيات جيب التمام. وعندما أدار المستخدم ذراع التدوير، قام قلم حبر بتتبع المنحنى المعقد الناتج على لفة ورق متحركة. قام الجهاز بتمييز كل ساعة بعلامة أفقية صغيرة، مما يؤدي إلى إحداث درجة أعمق كل يوم عند الظهر. أتاح تدوير العجلة بسرعة للمستخدم إمكانية تشغيل قراءات المد والجزر لمدة عام في حوالي 4 ساعات.

على الرغم من أن طومسون له الفضل في تصميم الآلة، إلا أنه في ورقته البحثية “مقياس المد والجزر، ومحلل التوافقيات المد والجزر، وأداة التنبؤ بالمد والجزر” (المنشورة في عام 2010) محضر وقائع معهد المهندسين المدنيين)، ويعترف بعدد من الأشخاص الذين ساعدوه في حل مشاكل محددة. قام الحرفي ألكسندر ليجيه بوضع خطة للتروس اللولبية لحركات الأعمدة وقام ببناء النموذج الأولي للآلة والنماذج اللاحقة. أكمل إدوارد روبرتس من مكتب التقويم البحري العملية الحسابية للتعبير عن نسبة سرعات العمود. الأخ الأكبر طومسون، جوامعقام، أستاذ الهندسة المدنية في كلية كوينز بلفاست، بتصميم جهاز تكامل القرص والأسطوانة الذي تم استخدامه في محلل المد والجزر التوافقي. تعتبر شكر طومسون السخية بمثابة تذكير بأن عمل المهندسين هو دائمًا جهد جماعي.

وكما هو الحال مع آلة طومسون للتنبؤ بالمد والجزر، فقد قام هذان الجهازان، اللذان تم تطويرهما في هيئة المسح الجيولوجي والساحل الأمريكي، بدراسة التذبذبات التوافقية للمد والجزر. آلة ويليام فيريل [left] استخدمت 19 مكونًا للمد والجزر، في حين أن الآلة الأحدث من تصميم رولين أ. هاريس وإي جي فيشر [right]، واعتمد على 37 ناخبا. ساحل الولايات المتحدة والمسح الجيوديسي / NOAA

كما هو الحال مع العديد من الاختراعات، تم تطوير جهاز التنبؤ بالمد والجزر بشكل متزامن ومستقل في مكان آخر واستمر في تحسينه من قبل الآخرين، كما فعل علم التنبؤ بالمد والجزر. في عام 1874 في الولايات المتحدة، قام ويليام فيريل، عالم الرياضيات في هيئة المسح الساحلي والجيوديسي، بتطوير تحليل وتنبؤ توافقي مماثل جهاز التي تستخدم 19 مكونات توافقية. جورج داروينقام، الابن الثاني لعالم الطبيعة الشهير، بتعديل وتحسين التحليل التوافقي ونشر العديد من المؤلفات مقالات عن المد والجزر طوال ثمانينيات القرن التاسع عشر. كتب عالم المحيطات رولين أ. هاريس عدة إصدارات من كتاب دليل المد والجزرللساحل والمسح الجيوديسي من عام 1897 إلى عام 1907، وفي عام 1910 قام بتطوير مع إي جي فيشر، آلة التنبؤ بالمد والجزر التي استخدمت 37 مكونات. في عشرينيات القرن العشرين، آرثر دودسون من معهد المد والجزر بجامعة ليفربول في إنجلترا بول شورمان قامت هيئة المسح الساحلي والمسح الجيوديسي بتحسين تقنيات التحليل التوافقي والتنبؤ التي خدمت لعقود من الزمن. ونظرًا لتعقيد الرياضيات، ظلت العديد من هذه الآلات النحاسية القديمة قيد الاستخدام حتى الخمسينيات من القرن الماضي، عندما تولت أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية أخيرًا مهمة التنبؤ بالمد والجزر.