Integrátor koulí a disků- Ball-and-disk integrator

Na přílivových kalkulačkách Lorda Kelvina byla použita řada integrátorů typu koule a disk . Válcový výstupní hřídel, koule a vstupní disk jsou dobře viditelné. Poměr se mění pohybem koulí doleva nebo doprava podél stojanu, jak je vidět nahoře.

Ball-and-disk integrátor je klíčovou součástí mnoha pokročilými mechanických počítačů . Prostřednictvím jednoduchých mechanických prostředků provádí kontinuální integraci hodnoty vstupu. Typickým použitím bylo měření plochy nebo objemu materiálu v průmyslových podmínkách, systémy udržující dolet na lodích a tachometrické zaměřovače . Přidání zesilovače točivého momentu od Vannevara Bushe vedlo k diferenciálním analyzátorům 30. a 40. let minulého století.

Popis a provoz

Základní mechanismus se skládá ze dvou vstupů a jednoho výstupu. Prvním vstupem je rotující disk, obvykle elektricky poháněný, a využívající nějaký druh regulátoru, který zajišťuje, že se otáčí pevnou rychlostí. Druhým vstupem je pohyblivý vozík, který drží poloměr proti vstupnímu disku. Ložisko přenáší pohyb z disku na výstupní hřídel. Osa výstupního hřídele je orientována rovnoběžně s kolejnicemi vozíku. Při posouvání vozíku zůstává ložisko v kontaktu jak s diskem, tak s výstupem, což umožňuje jednomu pohánět druhé.

Rychlost otáčení výstupního hřídele je řízena posunem vozíku; toto je „integrace“. Když je ložisko umístěno ve středu disku, není přenášen žádný pohyb sítě; výstupní hřídel zůstává nehybný. Když vozík pohybuje ložiskem od středu směrem k okraji disku, ložisko, a tím i výstupní hřídel, se začínají otáčet rychleji a rychleji. Účinně se jedná o systém dvou rychlostních stupňů s nekonečně proměnným převodovým poměrem ; když je ložisko blíže ke středu disku, je poměr nízký (nebo nulový) a když je ložisko blíže k okraji, je vysoké.

Výstupní hřídel se může otáčet buď „dopředu“ nebo „dozadu“, v závislosti na směru posunutí ložiska; to je užitečná vlastnost pro integrátora.

Zvažte příklad systému, který měří celkové množství vody protékající stavidlem : Ke vstupnímu vozíku je připevněn plovák, takže ložisko se pohybuje nahoru a dolů s hladinou vody. Když hladina vody stoupá, ložisko je tlačeno dále od středu vstupního disku, což zvyšuje rychlost otáčení výstupu. Počítáním celkového počtu otáček výstupní hřídele (například pomocí zařízení typu počítadla ujetých kilometrů ) a vynásobením plochou průřezu stavidla lze určit celkové množství vody protékající kolem měřiče.

Dějiny

Vynález a rané použití

Základní koncept integrátoru koule a disku poprvé popsal James Thomson, bratr Williama Thomsona, 1. barona Kelvina . William použil koncept k sestavení harmonického analyzátoru v roce 1886. Tento systém byl použit k výpočtu koeficientů Fourierovy řady představujících vstupy vytočené jako polohy koulí. Vstupy byly nastaveny tak, aby měřily výšky přílivu z jakéhokoli studovaného přístavu. Výstup byl poté přiveden do podobného stroje, Harmonic Synthesizer, který roztočil několik kol, aby představoval fázi příspěvku slunce a měsíce. Drát procházející podél horní části kol získal maximální hodnotu, která představovala příliv v přístavu v daném čase. Thomson zmínil možnost použít stejný systém jako způsob řešení diferenciálních rovnic , ale uvědomil si, že výstupní točivý moment z integrátoru je příliš nízký na to, aby poháněl požadované navazující systémy ukazatelů.

Následovala řada podobných systémů, zejména systémů Leonarda Torres y Quevedo , španělského fyzika, který sestrojil několik strojů pro řešení skutečných a složitých kořenů polynomů; a Michelson a Stratton, jejichž harmonický analyzátor provedl Fourierovu analýzu, ale použil řadu 80 pružin místo Kelvinových integrátorů. Tato práce vedla k matematickému pochopení Gibbsova fenoménu překročení v Fourierově reprezentaci blízko diskontinuit.

Vojenské počítače

Na přelomu 20. století začaly námořní lodě montovat zbraně s dostřelem nad horizontem. Při těchto druzích vzdáleností nemohli pozorovatelé ve věžích přesně odhadovat vzdálenost od oka, což vedlo k zavedení stále složitějších systémů pro vyhledávání vzdáleností. Navíc střelci již nemohli přímo zaznamenat pád vlastní střely, spoléhali se na to, že to udělají pozorovatelé a předají jim tyto informace. Současně se zvyšovala rychlost lodí a důsledně masivně prolamovala 20 uzlovou bariéru v době zavedení Dreadnoughtu v roce 1906. Následovalo centralizované řízení palby za účelem řízení toku informací a výpočtů, ale výpočet střelby Ukázalo se, že je velmi složitý a náchylný k chybám.

Řešením byl Dreyerův stůl , který používal velký integrátor koulí a disků jako způsob, jak porovnat pohyb cíle vzhledem k lodi, a tím vypočítat jeho dosah a rychlost. Výstup byl na roli papíru. První systémy byly zavedeny kolem roku 1912 a instalovány v roce 1914. Postupem času systém Dreyer přidával další a další kalkulačky, řešení účinků větru, korekce mezi zjevnou a skutečnou rychlostí a směrem větru na základě pohybu lodí a podobné výpočty. V době, kdy byly systémy Mark V instalovány na pozdější lodě po roce 1918, mohl mít systém shodně až 50 lidí.

Podobná zařízení se brzy objevila i v jiných námořnictvech a pro jiné role. Americké námořnictvo používá poněkud jednodušší zařízení známé jako Rangekeeper , ale také viděl neustálé změny v průběhu času a nakonec se proměnila v systému stejné nebo vyšší náročnost na provedení ve Spojeném království. Podobná kalkulačka tvořila základ datového počítače Torpedo , který vyřešil náročnější problém velmi dlouhých dob záběru torpédové palby.

Známým příkladem je zaměřovač Norden, který použil malou odchylku v základním provedení a nahradil míč jiným diskem. V tomto systému byl integrátor použit k výpočtu relativního pohybu objektů na zemi s ohledem na nadmořskou výšku, rychlost letu a směr. Porovnáním vypočítaného výkonu se skutečným pohybem objektů na zemi by byl jakýkoli rozdíl způsoben účinky větru na letadlo. Číselníky nastavující tyto hodnoty byly použity k vynulování viditelného driftu, což mělo za následek přesné měření větru, dříve velmi obtížný problém.

Integrátory kuličkových disků byly použity v analogových naváděcích počítačích zbraňových systémů balistických raket až v polovině 70. let minulého století. Pershing 1 raketový systém využil Bendix ST-120 inerciální naváděcí platformu, v kombinaci s mechanickým analogovým počítačem, aby bylo dosaženo přesného vedení. ST-120 poskytoval informace o akcelerometru pro všechny tři osy. Akcelerometr pro pohyb vpřed přenesl svou polohu na radiální rameno polohy míče, což způsobilo, že se držák míče vzdaloval od středu disku, jak se zrychlování zvyšovalo. Samotný disk představuje čas a otáčí se konstantní rychlostí. Jak se držák míče pohybuje dále ven ze středu disku, míč se točí rychleji. Rychlost míče představuje rychlost střely, počet otáček míče představuje ujetou vzdálenost. Tyto mechanické polohy byly použity k určení fázových událostí, ukončení tahu a oddělení hlavice, jakož i signálů „dobrého vedení“ použitých k dokončení řetězu vyzbrojení hlavice. První známé použití tohoto obecného konceptu bylo v raketě V-2 vyvinuté skupinou Von Braun v Peenemünde . Viz akcelerometr PIGA . Později byl vylepšen v Redstone Arsenalu a aplikován na raketu Redstone a následně Pershing 1.

Reference

Bibliografie

  • Základní mechanismy v počítačích s řízením palby, část 1 (film). Námořnictvo Spojených států. 1953. Událost nastává v 30:53.
  • Girvan, Ray (květen – červen 2003). „Odhalená milost mechanismu: výpočet po Babbageovi“ . Vědecký výpočetní svět .