Integrator kulek i dysków - Ball-and-disk integrator
Integrator typu „ ball-and-disk” jest kluczowym elementem wielu zaawansowanych komputerów mechanicznych . Za pomocą prostych środków mechanicznych wykonuje ciągłą integrację wartości wejściowej. Typowe zastosowania to pomiar powierzchni lub objętości materiału w warunkach przemysłowych, systemy utrzymywania odległości na statkach oraz tachometryczne celowniki bombowe . Dodanie wzmacniacza momentu przez Vannevara Busha doprowadziło do powstania analizatorów różnicowych w latach 30. i 40. XX wieku.
Opis i działanie
Podstawowy mechanizm składa się z dwóch wejść i jednego wyjścia. Pierwszym wejściem jest wirujący dysk, zwykle napędzany elektrycznie i używający pewnego rodzaju regulatora, aby zapewnić, że obraca się ze stałą prędkością. Drugie wejście to ruchomy wózek, który utrzymuje łożysko przy tarczy wejściowej wzdłuż jej promienia. Łożysko przenosi ruch z tarczy na wał wyjściowy. Oś wału wyjściowego jest zorientowana równolegle do szyn wózka. Gdy karetka się ślizga, łożysko pozostaje w kontakcie zarówno z dyskiem, jak i wyjściem, umożliwiając jedno napędzanie drugiego.
Prędkość wirowania wału wyjściowego jest regulowana przez przemieszczenie wózka; to jest „integracja”. Gdy łożysko jest umieszczone w środku tarczy, nie jest nadawany żaden ruch wypadkowy; wał wyjściowy pozostaje nieruchomy. Gdy wózek odsuwa łożysko od środka i w kierunku krawędzi tarczy, łożysko, a tym samym wał wyjściowy, zaczyna się coraz szybciej obracać. W rzeczywistości jest to system dwóch biegów z bezstopniową zmianą przełożenia ; gdy łożysko znajduje się bliżej środka dysku, przełożenie jest niskie (lub zero), a gdy łożysko znajduje się bliżej krawędzi, jest wysokie.
Wał wyjściowy może obracać się „do przodu” lub „do tyłu”, w zależności od kierunku przemieszczenia łożyska; jest to przydatna właściwość dla integratora.
Rozważmy przykładowy system, który mierzy całkowitą ilość wody przepływającej przez śluzę : Pływak jest przymocowany do wózka wejściowego, dzięki czemu łożysko porusza się w górę iw dół wraz z poziomem wody. Wraz ze wzrostem poziomu wody łożysko jest odsuwane dalej od środka dysku wejściowego, zwiększając prędkość obrotową wyjścia. Licząc całkowitą liczbę obrotów wału wyjściowego (na przykład za pomocą urządzenia typu licznik kilometrów ) i mnożąc przez pole przekroju śluzy, można określić całkowitą ilość wody przepływającej przez licznik.
Historia
Wynalazek i wczesne użycie
Podstawową koncepcję integratora kulowo-dyskowego po raz pierwszy opisał James Thomson, brat Williama Thomsona, pierwszego barona Kelvina . William wykorzystał tę koncepcję do zbudowania analizatora harmonicznych w 1886 roku. System ten został użyty do obliczenia współczynników szeregu Fouriera reprezentujących wejścia wybrane jako pozycje kulek. Wejścia zostały ustawione na zmierzone wysokości pływów z dowolnego badanego portu. Sygnał wyjściowy został następnie wprowadzony do podobnej maszyny, syntezatora harmonicznych, który obracał kilkoma kołami, reprezentując fazę wkładu słońca i księżyca. Drut biegnący wzdłuż szczytu kół przyjął maksymalną wartość, która reprezentowała przypływ w porcie w danym czasie. Thomson wspomniał o możliwości wykorzystania tego samego systemu jako sposobu rozwiązywania równań różniczkowych , ale zdał sobie sprawę, że wyjściowy moment obrotowy z integratora jest zbyt niski, aby napędzać wymagane dalsze systemy wskaźników.
Następnie pojawiło się wiele podobnych systemów, zwłaszcza tych autorstwa Leonarda Torresa y Quevedo , hiszpańskiego fizyka, który zbudował kilka maszyn do rozwiązywania rzeczywistych i złożonych pierwiastków wielomianów; oraz Michelson i Stratton, których Harmonic Analyzer wykonał analizę Fouriera, ale przy użyciu układu 80 sprężyn zamiast integratorów Kelvina. Prace te doprowadziły do matematycznego zrozumienia zjawiska Gibbsa przeregulowania w reprezentacji Fouriera w pobliżu nieciągłości.
Komputery wojskowe
Na przełomie XIX i XX wieku okręty marynarki zaczęły montować działa o zasięgu przekraczającym horyzont. Przy tego rodzaju odległościach obserwatorzy w wieżach nie mogli dokładnie oszacować zasięgu na oko, co doprowadziło do wprowadzenia coraz bardziej skomplikowanych systemów określania odległości. Ponadto strzelcy nie mogli już bezpośrednio wykryć upadku własnego strzału, polegając na obserwatorach, którzy zrobią to i przekażą im te informacje. W tym samym czasie prędkość statków rosła, konsekwentnie przełamując masowo barierę 20 węzłów mniej więcej w czasie wprowadzenia pancernika w 1906 r. Nastąpiła scentralizowana kontrola ognia, aby zarządzać przepływem informacji i obliczeniami, ale obliczanie ostrzału okazały się bardzo złożone i podatne na błędy.
Rozwiązaniem była tabela Dreyera , która wykorzystywała duży integrator kulowo-dyskowy jako sposób na porównanie ruchu celu względem statku, a tym samym obliczenie jego zasięgu i prędkości. Wyjście było na rolkę papieru. Pierwsze systemy zostały wprowadzone około 1912 roku i zainstalowane w 1914 roku. Z biegiem czasu system Dreyera dodawał coraz więcej kalkulatorów rozwiązujących wpływ wiatru, korekty między pozorną a rzeczywistą prędkością i kierunkiem wiatru na podstawie ruchu statku oraz podobne obliczenia. Zanim systemy Mark V zostały zainstalowane na późniejszych statkach po 1918 roku, system mógł obsługiwać łącznie nawet 50 osób.
Podobne urządzenia wkrótce pojawiły się w innych marynarkach wojennych i do innych ról. US Navy użył nieco prostsze urządzenie znane jako Rangekeeper , ale widziałem również ciągłe zmiany w czasie i ostatecznie przekształcił się w systemie równym lub większym stopniu wyrafinowania do wersji brytyjskich. Podobny kalkulator stanowił podstawę komputera torpedowego , który rozwiązywał bardziej wymagający problem bardzo długich czasów ostrzału torpedowego.
Dobrze znanym przykładem jest celownik bombowy Norden, w którym zastosowano niewielką zmianę podstawowej konstrukcji, zastępując kulkę innym dyskiem. W tym systemie integrator został wykorzystany do obliczenia względnego ruchu obiektów na ziemi, biorąc pod uwagę wysokość, prędkość i kurs. Porównując obliczoną moc wyjściową z rzeczywistym ruchem obiektów na ziemi, każda różnica wynikałaby z wpływu wiatru na samolot. Tarcze ustalające te wartości służyły do zerowania widocznego dryfu, co skutkowało dokładnymi pomiarami wiatru, co dawniej było bardzo trudnym problemem.
Integratory z tarczą kulkową były stosowane w analogowych komputerach naprowadzania systemów uzbrojenia pocisków balistycznych jeszcze w połowie lat 70. XX wieku. System rakietowy Pershing 1 wykorzystywał platformę naprowadzania inercyjnego Bendix ST-120 w połączeniu z mechanicznym komputerem analogowym w celu uzyskania dokładnego naprowadzania. ST-120 dostarczał informacje z akcelerometru dla wszystkich trzech osi. Akcelerometr ruchu do przodu przekazał swoje położenie na ramię promieniowe położenia kuli, powodując odsunięcie uchwytu kuli od środka dysku wraz ze wzrostem przyspieszenia. Sam dysk reprezentuje czas i obraca się ze stałą prędkością. Gdy uchwyt kulowy oddala się od środka dysku, kula obraca się szybciej. Prędkość piłki reprezentuje prędkość pocisku, liczba obrotów piłki reprezentuje przebytą odległość. Te mechaniczne pozycje zostały wykorzystane do określenia zdarzeń postojowych, zakończenia ciągu i separacji głowic, a także sygnałów „dobrego prowadzenia” używanych do zakończenia łańcucha uzbrajania głowicy. Pierwsze znane zastosowanie tej ogólnej koncepcji miało miejsce w pocisku V-2 opracowanym przez grupę Von Braun w Peenemünde . Zobacz akcelerometr PIGA . Został później dopracowany w Redstone Arsenal i zastosowany do rakiety Redstone, a następnie Pershing 1.
Bibliografia
Bibliografia
- Podstawowe mechanizmy w komputerach kierowania ogniem, część 1 (film). Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych. 1953. Zdarzenie ma miejsce o 30:53.
- Girvan, Ray (maj-czerwiec 2003). „Ujawniona łaska mechanizmu: obliczenia po Babbage” . Świat Informatyki Naukowej .