La máquina de predicción de mareas n.º 2 , también conocida como Old Brass Brains , [1] era una computadora mecánica de propósito especial que utiliza engranajes , poleas , cadenas y otros componentes mecánicos para calcular la altura y la hora de las mareas altas y bajas para ubicaciones específicas. La máquina puede realizar cálculos de mareas mucho más rápido de lo que una persona podría hacer con lápiz y papel. El Servicio Geodésico y Costero de los Estados Unidos puso la máquina en funcionamiento en 1910. Se utilizó hasta 1965, cuando fue reemplazada por una computadora electrónica . [2]
Las mareas son el ascenso y descenso del nivel del mar causado por los efectos combinados de las fuerzas gravitacionales ejercidas por la Luna , el Sol y la rotación de la Tierra . En 1867, el Servicio Costero de los Estados Unidos comenzó a imprimir tablas de mareas anuales para apoyar actividades marítimas, costeras y de defensa seguras y efectivas. [2] [3] En poco tiempo, estas tablas mostraban los tiempos y las alturas de las mareas altas y bajas con una precisión de un minuto y una décima de pie, respectivamente. Las tablas se imprimían durante un año y se distribuían antes del comienzo del año. [3] [4]
La predicción de las mareas es un gran desafío, ya que depende de múltiples factores, entre ellos la alineación del Sol y la Luna, la forma de la costa y la batimetría cercana a la costa . Las teorías de mareas intentan tener en cuenta estos factores, pero dan lugar a cálculos complejos. Originalmente, los cálculos se realizaban a mano, lo que exigía mucho trabajo y era propenso a errores. [5] La carga se hizo aún mayor cuando el Servicio Geodésico y Costero de los Estados Unidos (como se rebautizó el Servicio Costero de los Estados Unidos en 1878) comenzó a utilizar el método armónico, más preciso , para las predicciones de mareas en 1884. [3]
Para reducir significativamente el trabajo necesario para predecir las mareas, en 1881 William Ferrel, del Coast and Geodetic Survey, diseñó una máquina de predicción de mareas. Fauth & Co. Instrument Makers construyó la máquina de predicción de mareas n.° 1 y la entregó en 1882. El Survey comenzó a utilizar la máquina de forma rutinaria en 1883. [6]
En 1895, el Servicio Geodésico y Costero se preocupó porque la máquina de predicción de mareas n.° 1 se había desgastado considerablemente debido al uso casi constante durante 12 años. La oficina decidió construir una nueva máquina que fuera más rápida, más precisa y más confiable. Esta se convirtió en la máquina de predicción de mareas n.° 2. [4]
Rolin Harris y EG Fischer, del Coast and Geodetic Survey, lideraron el proyecto. [5] El equipo de diseño estudió las máquinas de predicción de mareas británicas y estadounidenses anteriores e incorporó sus mejores atributos en el diseño de la nueva máquina. [6] La máquina, también conocida como “Old Brass Brains”, utilizaba una compleja disposición de engranajes, poleas, correderas y otros componentes. El diseño de la nueva máquina fue aprobado en 1895 y la construcción comenzó en 1896. [4]
La máquina de predicción de mareas n.° 2 fue la primera máquina de predicción de mareas que incorporaba tanto un gráfico de papel de las mareas (el método utilizado por las máquinas británicas anteriores) como diales y escalas que mostraban la altura de la marea y la fecha y hora correspondientes (utilizados por la máquina de predicción de mareas n.° 1). Los diales y las escalas facilitaban mucho al operador determinar con precisión la altura y la hora de las mareas altas y bajas. El gráfico de papel, conocido como curva de mareas, era muy útil como registro del cálculo que se podía comprobar más tarde para confirmar que los cálculos se habían realizado correctamente. [6]
Una manivela accionada por el operador proporciona la energía para los cálculos mecánicos de la máquina. Se utilizan circuitos eléctricos alimentados por batería para marcar el comienzo de las horas y los días en el gráfico de papel y para detener la máquina cuando se alcanzan mareas altas y bajas para que el operador pueda anotar la altura y la hora. [6]
Se ha prestado mucha atención a las características mecánicas de los componentes para garantizar la fiabilidad y la precisión. Por ejemplo, algunos componentes que eran difíciles de sustituir se diseñaron con una vida útil de 50 años. Además, las cadenas de suma se movieron a través de engranajes bajo tensión durante un año de días de trabajo antes de instalarlas en la máquina para garantizar que fueran lo suficientemente flexibles y que su longitud se mantuviera constante. [5]
Otros trabajos del Coast and Geodetic Survey tuvieron prioridad sobre la construcción de la nueva máquina, y una reducción en los niveles de personal impidió todo trabajo en la nueva máquina durante tres años. Como resultado, la máquina de predicción de mareas n.° 2 no estuvo en funcionamiento hasta 1910. [6] Primero se aplicó para predecir valores para las tablas de mareas de 1912 y 1913. Luego, la máquina se desarmó, se pulió, se enchapó, se lacó y se volvió a ensamblar a tiempo para proporcionar predicciones para las tablas de mareas de 1914. [5] Las comparaciones de la precisión de las predicciones mecánicas de mareas en comparación con los cálculos manuales para dos ubicaciones difíciles demostraron errores en alturas de 0,72 pulgadas (1,83 cm) o menos. [4] [6]
Old Brass Brains mide 10,8 pies (3,3 m) de largo, 6,2 pies (1,9 m) de alto, 2 pies (0,6 m) de ancho [5] y pesa aproximadamente 2500 libras (1134 kg). [7]
Para calcular las mareas de una ubicación costera, el operador debe configurar la máquina para esa ubicación. Esto se hace ajustando la configuración física de la máquina en función de hasta 37 factores. Esos factores se determinan empíricamente mediante el análisis armónico de una serie temporal de mareas en la ubicación [6] y representan la influencia de la luna, el sol, la profundidad de la bahía, las islas cercanas a la costa, etc. [2] Una vez calculados, los factores para una ubicación se pueden aplicar a años pasados y futuros [3] y se comparten ampliamente para que cualquiera pueda realizar cálculos de mareas [6] .
Suponiendo que se conocen los factores de una ubicación, configurar la máquina para calcular las mareas de esa ubicación requiere de 2,5 a 4 horas. Las predicciones de las mareas de un año en esa ubicación se pueden realizar en 8 a 15 horas. [6] Los cálculos que la máquina de predicción de mareas n.° 2 puede realizar en un día requerirían 125 días para que una persona los realice a mano. [2]
Alrededor de 1915, la máquina se utilizó para producir tablas de mareas anuales para 70 puertos importantes en todo el mundo. [4] Se agregaron puertos adicionales en años posteriores.
Durante la Segunda Guerra Mundial, el Coast and Geodetic Survey produjo tablas de mareas anuales para los principales puertos con cuatro años de anticipación en caso de que Old Brass Brains se averiara o fuera saboteado. [8] El Coast and Geodetic Survey también proporcionó predicciones de mareas para una serie de ubicaciones adicionales en el Pacífico , incluidas posibles ubicaciones para invasiones anfibias . Obtener observaciones de mareas para esas ubicaciones para respaldar el cálculo de los factores necesarios para las predicciones fue a menudo un desafío significativo. [3]
Alrededor de 1960, Old Brass Brains fue modificado para reemplazar la manivela con un motor eléctrico y agregar una lectura automática de alturas y tiempos. [3] En 1965, el Coast and Geodetic Survey retiró la máquina de predicción de mareas No. 2, 55 años después de su entrada en servicio, y comenzó a realizar sus cálculos de mareas con una computadora electrónica. [2]
La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) mantiene en funcionamiento la máquina de predicción de mareas n.° 2. La máquina se encuentra en las instalaciones de la NOAA en Silver Spring, Maryland . El público puede verla ocasionalmente durante eventos como la jornada de puertas abiertas de la NOAA. [9]
La máquina de predicción de mareas n.° 2 se basa en el primer método matemático preciso para predecir las mareas, desarrollado alrededor de 1867 por Sir William Thomson (que luego se convirtió en Lord Kelvin) y luego refinado por Sir George Darwin . Este método, llamado "análisis armónico", aproxima las alturas de las mareas mediante una suma de términos coseno, cada uno de los cuales tiene una frecuencia diferente . La fórmula para la altura del mar se representa como
que contiene 10, 20 o incluso más términos trigonométricos . es la altura del nivel medio del mar. Para cada término , es la amplitud de la contribución del término a la altura de la marea sobre el nivel medio del mar, determina la frecuencia del término, es el tiempo y es la fase relativa del término. Esta es la ecuación calculada por la mayoría de las máquinas de predicción de mareas, incluida Old Brass Brains, que maneja 37 términos de este tipo. [6]
Las frecuencias se determinan a partir de consideraciones astronómicas , que fueron determinadas por Thomson y Darwin y se han utilizado casi universalmente. Por ejemplo, una velocidad representa la velocidad de una luna teórica con una velocidad uniforme en una órbita circular en el plano ecuatorial . Otros componentes con sus propias velocidades corrigen las diferencias entre la órbita de esa luna teórica y la Luna real . [5] Los coeficientes y se determinan mediante el análisis de Fourier de una serie temporal de alturas de marea. Este análisis se puede realizar con un registro tan corto como dos semanas, pero una muestra de 369 días es estándar. [10] La muestra más larga minimiza los errores introducidos por tormentas de viento, crecidas y otras influencias no regulares. [6]
Para calcular esos términos, los diseñadores de Coast and Geodetic Survey incorporaron el mismo método de " manivela ranurada " para calcular mecánicamente los cosenos que utilizó Thomson, que se muestra en el esquema (derecha). Una rueda motriz giratoria ("manivela") está equipada con una clavija descentrada. Un eje con una sección ranurada horizontalmente es libre de 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, hace que el eje se mueva hacia arriba y hacia abajo dentro de ciertos límites. Como resultado de esta disposición, 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 , puede entonces expresarse como , donde 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 está determinada por engranajes, 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 momento cero. Un operador ajustó la ubicación de cada clavija en función de los parámetros calculados empíricamente para las mareas de un puerto. Esta disposición hace un análogo físico de solo un término en la ecuación de mareas. Old Brass Brains calcula 37 de esos términos.
Los diseñadores del Coast and Geodetic Survey también adoptaron de las máquinas británicas anteriores el método de sumar términos pasando una cadena por encima y por debajo de poleas unidas a los yugos que oscilaban verticalmente. La cantidad de cadena restante después de pasar por encima y por debajo de las poleas indicaba la suma de los términos. Por ejemplo, un valor elevado para un término movería su polea más lejos de una posición neutra, desviando la cadena y reduciendo la cantidad de cadena sobrante que queda en el sistema. [5]
Un lado del Old Brass Brains se utiliza para calcular la altura de la marea. Una disposición similar de componentes en el otro lado, pero con manivelas desfasadas 90 grados, representa la derivada con respecto al tiempo de la fórmula de la altura de la marea. Cuando la derivada es cero, se ha alcanzado el momento de la marea alta o baja. Un circuito eléctrico detecta esta condición y detiene la máquina para que el operador pueda registrar la fecha, la hora y la altura de la marea. [6]
