В 1870 году Уильям Томсон пребывал в трауре в связи со смертью своей супруги и, располагая приличной суммой денег, вырученных за патенты, связанные с прокладыванием первого трансатлантического кабеля, решил купить яхту. Приобретённая им шхуна, Лалла Рук, стала для Томсона летним домом и местом проведения светских встреч учёных. В процессе её эксплуатации Уильям также непосредственно столкнулся с проблемой точного прогнозирования приливов.
Мореплаватели всегда старались учитывать приливы и отливы, чтобы не оказаться внезапно выброшенными на мель, а адмиралы хранили графики приливов как сверхсекретную информацию. Различные цивилизации издревле осознавали связь между приливами и лунными циклами, но только в 1687 году Исаак Ньютон объяснил, как конкретно на приливную активность влияют гравитационные силы Солнца и Луны. Спустя девяносто лет, французский астроном и математик Пьер-Симон Лаплас предположил, что приливы можно выразить как гармонические колебания. А ещё через столетие Томсон на основе этой идеи разработал первое устройство для их прогнозирования.
▍ История лорда Кельвина
Уильям Томсон родился 26 июня 1824 года. И поскольку в текущем месяце будет ровно 200 лет с момента его рождения, считаю это отличным поводом порассуждать о его всесторонней гениальности. Томсон был математиком, физиком, инженером и профессором натурфилософии. В 1866 году королева Виктория даровала ему рыцарский титул за важную роль в проекте по прокладыванию трансатлантического кабеля. В последствии за привнесённый Томсоном значительный вклад в развитие термодинамики она присвоила ему уже титул лорда Кельвина Ларгского.
Ещё одной видной заслугой учёного стало определение точного значения абсолютного нуля, за что его именем назвали международную единицу измерения термодинамической температуры — кельвин. Томсон увлекался изучением атмосферного электричества, был сторонником вихревой модели атома, и в эпоху отсутствия каких бы то ни было знаний о радиоактивности дал довольно размытую и неточную оценку возраста Земли, назвав диапазон от 24 до 400 миллионов лет.
Уильям Томсон, также известный как лорд Кельвин, главным образом прославился тем, что определил точное значение абсолютного нуля. Он верил в практическое применение научного знания и изобрёл множество полезных устройств
Изобретённая Томсоном машина для предсказания приливов и отливов просчитывала их график для заданной области с учётом циклического движения Земли, Солнца и Луны. (По факту с этими объектами связаны сотни циклических движений, но в современном анализе приливов используется только 37 наиболее значимых). Самыми заметными являются полусуточные колебания, наблюдаемые в областях, где ежедневно под влиянием Луны происходит два прилива и отлива. Продолжительность полусуточного цикла составляет 12 часов 25 минут, то есть половину лунных суток, равных 24 часам и 50 минутам…
Как предположил Лаплас в 1775 году, каждую составляющую прилива можно представить в виде повторяющейся косинусоиды, но эти кривые будут характерны для определенной местности и могут быть вычислены только с помощью набора данных о приливах и отливах. К счастью для Томсона, многие морские порты в течение десятилетий вели журналы приливов. Для тех же мест, где журналы оказывались неполными или отсутствовали, Томсон разработал мареограф и гармонический анализатор приливов.
В созданной Томсоном машине для прогнозирования использовалось 10 компонентов, каждый из которых был связан с конкретной составляющей прилива и был оснащён собственной зубчатой передачей для установки правильной величины. Все эти компоненты были связаны таким образом, чтобы их движение соответствовало циклам изменения составляющих прилива. В машине использовался основной рычаг, который одновременно поворачивал все 10 шестерней, приводя к суммированию их косинусоид. При повороте этого рычага чернильный стержень прорисовывал сложную кривую на разворачивающемся рулоне бумаги. В добавок к этому, устройство дополняло график временны́ми метками, нанося небольшие засечки каждый час и более крупные каждый полдень. Быстрое вращение механизма позволяло начертить годовой прогноз приливов и отливов примерно за 4 часа.
Несмотря на то что разработку этого устройства приписывают Томсону, в своей работе «The Tide Gauge, Tidal Harmonic Analyser, and Tide Predicter», опубликованной в журнале «Minutes of the Proceedings of the Institution of Civil Engineers», он называет ряд людей, которые помогли ему разобраться с некоторыми сложностями.
К примеру, ремесленник Александр Леже нарисовал схему винтовой передачи для реализации движения приводных валов, а также собрал первый прототип машины и последующие её модификации. Эдвард Робертс из редакции Морского астрономического ежегодника помог вычислить соотношение скоростей смещения валов. Старший брат Томсона — Джеймс — занимавший должность профессора строительного дела в Королевском колледже Белфаста, спроектировал первый механический интегратор, который состоял из диска, шара и цилиндра. Это устройство легло в основу гармонического анализатора приливов.
Упоминание Уильямом Томсоном других причастных к разработке машины людей лишний раз напоминает нам, что инженерные открытия и достижения практически всегда являются плодом коллективных усилий.
Как и машина Томсона, эти два устройства, разработанные Гидрографическим управлением США, опирались на гармонические приливные колебания. В машине Уильяма Феррела (слева) использовалось 19 составляющих прилива, а в машине Роллина А. Харриса и Э. Дж. Фишера (справа) — 37 составляющих
Как это часто бывает с различными изобретениями, машину для прогнозирования приливов в одно и то же время независимо разрабатывали и другие учёные. При этом развивалась и сама наука, изучавшая цикличность приливов.
В 1874 году Уильям Феррел — математик из Гидрографического управления США — разработал аналогичное устройство для анализа и прогнозирования, использовав в нём уже 19 гармонических составляющих. Джордж Дарвин — второй сын известного натуралиста — модифицировал и улучшил механизм гармонического анализа, опубликовав в 1880-е годы несколько статей, посвящённых изучению приливов. Океанограф Роллин А. Харрис в период с 1897 по 1907 годы составил несколько редакций "Manual of Tides" для Гидрографического управления США, а в 1910 году совместно с Э. Дж. Фишером разработал машину для прогнозирования приливов на основе 37 составляющих.
В 1920 году Артур Дудсон из Института изучения приливов при Ливерпульском университете совместно с Полом Шуреманом из Гидрографического управления США доработали техники гармонического анализа и прогнозирования, которые на тот момент применялись уже не один десяток лет. Ввиду сложности своей математической модели многие из этих старых латунных машин продолжали использоваться вплоть до 1950-х годов, когда на их смену, наконец, пришли электронные компьютеры.
▍ Что ещё изобрёл лорд Кельвин?
Как знают многие постоянные читатели этого раздела, я всегда сначала нахожу некий музейный экспонат из истории компьютеров или электротехники, после чего выстраиваю вокруг него повествование. Когда я начала перебирать музейные коллекции в поиске подходящего артефакта за авторством Томсона, то была ошеломлена огромным числом вариантов.
Сперва у меня была мысль осветить передатчик, который Томсон разработал для ускорения передачи сигналов по трансатлантическому кабелю, запущенному в эксплуатацию в 1858 году. За год до этого Томсон в составе экипажа британского военного корабля «Агамемнон» участвовал в первой экспедиции по прокладыванию этого кабеля. Тогда экспедиция завершилась провалом из-за обрыва кабеля при его укладке. Когда же в ходе уже третьей экспедиции он всё-таки был успешно проложен, возникли сложности с передачей по нему сигналов, и именно предложенная Томсоном технология позволила решить эту проблему.
Томсон изобрёл специальный передатчик для ускорения передачи сигналов по трансатлантическим кабелям
Я также думала рассказать об изобретённых им квадрантных электрометрах, использовавшихся для измерения электрического заряда. В действительности Томсон разработал несколько инструментов для измерения электричества. Одним из оставленных им значимых наследий стала работа по уточнению спецификаций электротехнических величин.
Но в итоге я всё же решила остановиться на машине для прогнозирования приливов и отливов. На то было несколько причин. Во-первых, Томсон всю свою жизнь любил мореходство и привнёс в развитие судовых технологий много значимых вкладов, которые порой затмеваются другими его работами. Во-вторых, эта машина Томсона является примером одного из первых аналоговых компьютеров, который оказался намного полезнее разностной машины Бэббиджа, но при этом не получил широкой известности. В-третьих, это просто красивое устройство. По правде говоря, Томсон отличался способностью создавать поразительно эффектные приборы. (Машина для прогнозирования приливов и многие другие изобретения Томсона находятся в коллекции Музея науки в Лондоне.
Томсон изобрёл квадрантный электрометр для измерения электрического заряда
За Томсоном числятся и другие разработки в сфере мореходства. К примеру, он запатентовал компас, астрономические часы, глубиномер и нактоуз (ящик для судового компаса и других навигационных инструментов). Томсон также много размышлял и писал на тему природы волн. Он математически объяснил формирование v-образного кильватерного следа, возникающего позади движущегося по водной глади корабля или водоплавающей птицы. Он также описал явление, которое сегодня известно как волны Кельвина. Это такой тип волн, которые сохраняют свою форму при движении вдоль берега вследствие уравновешивания вращения Земли и их смещения относительно топографической границы, в частности береговой линии.
Учитывая столь значительный вклад Томсона в сферу мореходства, удивительно, что эти его изобретения стали менее известными, чем ряд других. Думаю, если вы любознательны, хорошо разбираетесь в математике и физике, а также любите экспериментировать с различными механизмами и применять свои знания для решения практических задач, то у вас тоже есть всё необходимое для новых великих открытий. Никогда не повредит наличие прекрасной яхты, где можно будет приятно проводить летние деньки.
Автор: Дмитрий Брайт
