جهاز التنبؤ بالمد والجزر رقم 2

آلة التنبؤ بالمد والجزر رقم 2 ، والمعروفة أيضًا باسم " العقول النحاسية القديمة" ، ^{[ 1 ]} كانت عبارة عن حاسوب ميكانيكي مُصمم خصيصًا لهذا الغرض ، يستخدم التروس والبكرات والسلاسل ومكونات ميكانيكية أخرى لحساب ارتفاع ووقت المد والجزر العالي والمنخفض في مواقع محددة. تستطيع هذه الآلة إجراء حسابات المد والجزر بسرعة تفوق بكثير سرعة الإنسان عند استخدام القلم والورقة. وقد بدأت هيئة المسح الساحلي والجيوديسي الأمريكية بتشغيل هذه الآلة عام 1910، واستمر استخدامها حتى عام 1965، حين تم استبدالها بحاسوب إلكتروني . ^{[ 2 ]}

المد والجزر هما ارتفاع وانخفاض مستوى سطح البحر الناتج عن التأثيرات المشتركة لقوى الجاذبية التي يمارسها القمر والشمس ودوران الأرض . في عام 1867، بدأت هيئة المسح الساحلي الأمريكية بطباعة جداول المد والجزر السنوية لدعم الأنشطة البحرية والساحلية والدفاعية الآمنة والفعالة. ^{[ 2 ] [ 3 ]} وسرعان ما أصبحت هذه الجداول تُظهر أوقات وارتفاعات المد والجزر بدقة تصل إلى أقرب دقيقة وعُشر قدم على التوالي. وكانت الجداول تُطبع لسنة كاملة وتُوزع قبل بداية العام. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

يُعدّ التنبؤ بالمد والجزر تحديًا كبيرًا، إذ يعتمد على عوامل متعددة، منها اصطفاف الشمس والقمر، وشكل الساحل، وعمق المياه القريبة من الشاطئ . تحاول نظريات المد والجزر مراعاة هذه العوامل، لكنها تؤدي إلى حسابات معقدة. في البداية، كانت الحسابات تُجرى يدويًا، وهو ما كان يتطلب جهدًا كبيرًا وعرضة للأخطاء. ^{[ 5 ]} ازداد العبء صعوبةً عندما بدأت هيئة المسح الساحلي والجيوديسي الأمريكية (كما أُعيد تسميتها عام 1878) باستخدام الطريقة التوافقية الأكثر دقة للتنبؤ بالمد والجزر عام 1884. ^{[ 3 ]}

لتقليل الجهد المطلوب للتنبؤ بالمد والجزر بشكل كبير، قام ويليام فيريل من هيئة المسح الساحلي والجيوديسي بتصميم جهاز للتنبؤ بالمد والجزر عام 1881. وقامت شركة فاوث وشركاه لصناعة الأدوات ببناء الجهاز رقم 1 للتنبؤ بالمد والجزر وتسليمه عام 1882. وبدأت الهيئة باستخدام الجهاز بشكل روتيني عام 1883. ^{[ 6 ]}

في عام 1895، انتاب القلق هيئة المسح الساحلي والجيوديسي بسبب تآكل آلة التنبؤ بالمد والجزر رقم 1 بشكل كبير نتيجة استخدامها المتواصل على مدى 12 عامًا. فقررت الهيئة بناء آلة جديدة أسرع وأكثر دقة وموثوقية، فأصبحت آلة التنبؤ بالمد والجزر رقم 2. ^{[ 4 ]}

قاد رولين هاريس وإي جي فيشر من هيئة المسح الساحلي والجيوديسي هذا الجهد. ^{[ 5 ]} درس فريق التصميم أجهزة التنبؤ بالمد والجزر البريطانية والأمريكية السابقة ، ودمج أفضل خصائصها في تصميم الجهاز الجديد. ^{[ 6 ]} استخدم الجهاز، المعروف أيضًا باسم "العقول النحاسية القديمة"، ترتيبًا معقدًا من التروس والبكرات والمنزلقات ومكونات أخرى. تمت الموافقة على تصميم الجهاز الجديد في عام 1895، وبدأ بناؤه في عام 1896. ^{[ 4 ]}

كانت آلة التنبؤ بالمد والجزر رقم 2 أول آلة من نوعها تجمع بين رسم بياني ورقي للمد والجزر - وهو الأسلوب الذي استخدمته الآلات البريطانية السابقة - ومؤشرات ومقاييس تُظهر ارتفاع المد والتاريخ والوقت المقابلين - كما في آلة التنبؤ بالمد والجزر رقم 1. سهّلت هذه المؤشرات والمقاييس على المشغل تحديد ارتفاع ووقت المد والجزر بدقة. وكان الرسم البياني الورقي، المعروف بمنحنى المد والجزر، مفيدًا جدًا كسجل للحسابات، حيث يمكن مراجعته لاحقًا للتأكد من صحة الحسابات. ^{[ 6 ]}

يُوفر ذراع تدوير يدوي يُديره المُشغل الطاقة اللازمة لإجراء الحسابات الميكانيكية للجهاز. وتُستخدم دوائر كهربائية تعمل بالبطارية لتحديد بداية الساعات والأيام على الرسم البياني الورقي، ولإيقاف الجهاز عند بلوغ المد والجزر، حتى يتمكن المُشغل من تسجيل الارتفاع والوقت. ^{[ 6 ]}

أُولي اهتمام كبير للخصائص الميكانيكية للمكونات لضمان موثوقيتها ودقتها. فعلى سبيل المثال، صُممت بعض المكونات التي يصعب استبدالها لتدوم 50 عامًا. كما تم تحريك سلاسل التجميع فوق التروس تحت ضغط لمدة عام كامل من أيام العمل قبل تركيبها في الآلة للتأكد من مرونتها الكافية وثبات طولها. ^{[ 5 ]}

أُعطيت الأولوية لأعمال أخرى في هيئة المسح الساحلي والجيوديسي على بناء الآلة الجديدة، كما حال تقليص عدد الموظفين دون استكمال العمل عليها لمدة ثلاث سنوات. ونتيجةً لذلك، لم تكن آلة التنبؤ بالمد والجزر رقم 2 جاهزة للعمل حتى عام 1910. ^{[ 6 ]} استُخدمت الآلة في البداية للتنبؤ بقيم جداول المد والجزر لعامي 1912 و1913. ثم فُككت الآلة وصُقلت وطُليت ورُصعت، وأُعيد تجميعها في الوقت المناسب لتوفير تنبؤات لجداول المد والجزر لعام 1914. ^{[ 5 ]} أظهرت مقارنات دقة التنبؤات الميكانيكية للمد والجزر مع الحسابات اليدوية لموقعين صعبين أخطاءً في الارتفاعات لا تتجاوز 1.83 سم (0.72 بوصة) . ^{[ 4 ] [ 6 ]} 

يبلغ طول "Old Brass Brains" 10.8 قدم (3.3 متر) ، وارتفاعه 6.2 قدم (1.9 متر) ، وعرضه قدمين (0.6 متر) ^{[ 5 ]} ويزن حوالي 2500 رطل (1134 كيلوغرام) . ^{[ 7 ]}    

لحساب المد والجزر لموقع ساحلي، يتعين على المشغل ضبط إعدادات الجهاز وفقًا لذلك الموقع. ويتم ذلك عن طريق تعديل الإعدادات الفيزيائية للجهاز بناءً على ما يصل إلى 37 عاملاً. تُحدد هذه العوامل تجريبيًا من خلال التحليل التوافقي لسلسلة زمنية للمد والجزر في الموقع، ^{[ 6 ]} وتمثل تأثير القمر والشمس وعمق الخليج والجزر البحرية، وما إلى ذلك. ^{[ 2 ]} بمجرد حساب هذه العوامل، يمكن تطبيقها على السنوات الماضية والمستقبلية. ^{[ 3 ]} وهي متاحة على نطاق واسع بحيث يمكن لأي شخص إجراء حسابات المد والجزر. ^{[ 6 ]}

بافتراض معرفة العوامل المؤثرة في موقع ما، فإنّ تهيئة الجهاز لحساب المد والجزر في ذلك الموقع تستغرق من ساعتين ونصف إلى أربع ساعات. ويمكن بعد ذلك إنتاج تنبؤات للمد والجزر لمدة عام في ذلك الموقع خلال 8 إلى 15 ساعة. ^{[ 6 ]} إنّ الحسابات التي يُمكن لجهاز التنبؤ بالمد والجزر رقم 2 إجراؤها في يوم واحد تتطلب من شخص 125 يومًا لإجرائها يدويًا. ^{[ 2 ]}

في حوالي عام 1915، استُخدمت الآلة لإنتاج جداول المد والجزر السنوية لـ 70 ميناءً رئيسياً حول العالم. ^{[ 4 ]} وأُضيفت موانئ أخرى في السنوات اللاحقة.

خلال الحرب العالمية الثانية، أصدرت هيئة المسح الساحلي والجيوديسي جداول المد والجزر السنوية للموانئ الرئيسية قبل أربع سنوات تحسبًا لتعطل نظام الملاحة البحرية (Old Brass Brains) أو تعرضه للتخريب. ^{[ 8 ]} كما قدمت الهيئة تنبؤات بالمد والجزر لعدد من المواقع الإضافية في المحيط الهادئ ، بما في ذلك المواقع المحتملة لعمليات الإنزال البرمائي . وكان الحصول على بيانات رصد المد والجزر لتلك المواقع، لدعم حساب العوامل اللازمة للتنبؤات، يمثل تحديًا كبيرًا في كثير من الأحيان. ^{[ 3 ]}

في حوالي عام 1960، تم تعديل جهاز "أولد براس برينز" (Old Brass Brains) ليحل محل ذراع التدوير اليدوي محرك كهربائي ، ولإضافة قراءة تلقائية للارتفاعات والأوقات. ^{[ 3 ]} وفي عام 1965، أوقفت هيئة المسح الساحلي والجيوديسي تشغيل جهاز التنبؤ بالمد والجزر رقم 2، بعد 55 عامًا من دخوله الخدمة، وبدأت بإجراء حسابات المد والجزر باستخدام حاسوب إلكتروني. ^{[ 2 ]}

تتولى الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) صيانة جهاز التنبؤ بالمد والجزر رقم 2 والحفاظ عليه في حالة تشغيل جيدة. يقع الجهاز في منشأة NOAA في سيلفر سبرينغ، بولاية ماريلاند . ويمكن للجمهور مشاهدة الجهاز بين الحين والآخر خلال فعاليات مثل يوم NOAA المفتوح. ^{[ 9 ]}

تعتمد آلة التنبؤ بالمد والجزر رقم 2 على أول منهج رياضي دقيق للتنبؤ بالمد والجزر، والذي طوره السير ويليام طومسون (الذي أصبح فيما بعد اللورد كلفن) حوالي عام 1867، ثم قام السير جورج داروين بتحسينه لاحقًا . يُعرف هذا المنهج باسم "التحليل التوافقي"، وهو يُقارب ارتفاعات المد والجزر بمجموع حدود جيب التمام، لكل منها تردد مختلف . وتُمثل صيغة ارتفاع سطح البحر كما يلي:

${\displaystyle H_{0}+A_{1}\cos(\omega _{1}t+\varphi _{1})+A_{2}\cos(\omega _{2}t+\varphi _{2})+A_{3}\cos(\omega _{3}t+\varphi _{3})+\cdots }$

تحتوي على 10 أو 20 أو حتى أكثر من الحدود المثلثية .${\displaystyle H_{0}}$يمثل ارتفاع مستوى سطح البحر المتوسط. لكل مصطلح${\displaystyle i=1,\ldots ,n}$،${\displaystyle A_{i}}$يمثل مدى مساهمة هذا المصطلح في ارتفاع المد فوق مستوى سطح البحر المتوسط،${\displaystyle \omega _{i}}$يحدد تكرار المصطلح،${\displaystyle t}$هذا هو الوقت، و${\displaystyle \phi _{i}}$يمثل الطور النسبي للمصطلح. هذه هي المعادلة التي تحسبها معظم أجهزة التنبؤ بالمد والجزر، بما في ذلك جهاز Old Brass Brains الذي يتعامل مع 37 مصطلحًا من هذا القبيل. ^{[ 6 ]}

الترددات${\displaystyle \omega _{i}}$تُحدد هذه المعاملات بناءً على اعتبارات فلكية ، وضعها طومسون وداروين، وقد استُخدمت على نطاق واسع. فعلى سبيل المثال، تمثل إحدى السرعات سرعة قمر نظري يدور بسرعة منتظمة في مدار دائري في المستوى الاستوائي . أما المكونات الأخرى، بسرعاتها الخاصة، فتُصحح الفروقات بين مدار ذلك القمر النظري ومدار القمر الحقيقي . ^{[ 5 ]} المعاملات${\displaystyle A_{i}}$و${\displaystyle \phi _{i}}$يتم تحديدها عن طريق تحليل فورييه لسلسلة زمنية لارتفاعات المد والجزر. يمكن إجراء هذا التحليل باستخدام سجل قصير يصل إلى أسبوعين، ولكن العينة القياسية هي 369 يومًا. ^{[ 10 ]} تقلل العينة الأطول من الأخطاء الناتجة عن العواصف والفيضانات وغيرها من التأثيرات غير المنتظمة. ^{[ 6 ]}

لحساب هذه الحدود، اعتمد مصممو هيئة المسح الساحلي والجيوديسي نفس أسلوب " الذراع ذي الفتحة " لحساب جيب التمام ميكانيكيًا، كما استخدمه طومسون، والموضح في الرسم التخطيطي (على اليمين). تُزود عجلة قيادة دوارة ("ذراع") بمسمار غير مركزي. يتحرك عمود ذو مقطع أفقي مشقوق بحرية لأعلى ولأسفل. يقع المسمار غير المركزي للعجلة داخل الفتحة. ونتيجة لذلك، عندما يتحرك المسمار مع العجلة، فإنه يُحرك العمود لأعلى ولأسفل ضمن حدود معينة. ونتيجة لهذا الترتيب، عندما تدور عجلة القيادة بشكل منتظم، ولنقل في اتجاه عقارب الساعة، يتحرك العمود بشكل جيبي لأعلى ولأسفل. يُحدد الموضع الرأسي لمركز الفتحة في أي وقت${\displaystyle t}$ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:${\displaystyle A_{1}\cos(\omega _{1}t+\phi _{1})}$، أين${\displaystyle A_{1}}$هي المسافة الشعاعية من مركز العجلة إلى الوتد،${\displaystyle \omega _{1}}$هي معدل دوران العجلة ( بالراديان لكل وحدة زمنية) ويتم تحديدها بواسطة التروس، و${\displaystyle \phi _{1}}$هي زاوية الطور الابتدائية للوتد، مقاسة بالراديان من موضع الساعة 12 إلى الموضع الزاوي الذي كان عليه الوتد عند الزمن صفر. قام المشغل بضبط موضع كل وتد بناءً على المعايير المحسوبة تجريبيًا لمدّ وجزر الميناء. يُحاكي هذا الترتيب فيزيائيًا حدًا واحدًا فقط في معادلة المدّ والجزر. يحسب برنامج Old Brass Brains سبعة وثلاثين حدًا من هذا القبيل.

اعتمد مصممو هيئة المسح الساحلي والجيوديسي من الآلات البريطانية السابقة أسلوب جمع الحدود بتمرير سلسلة فوق وتحت بكرات متصلة بأذرع متأرجحة رأسياً. تشير كمية السلسلة المتبقية بعد المرور فوق وتحت البكرات إلى مجموع الحدود. على سبيل المثال، تؤدي القيمة الكبيرة لإحدى الحدود إلى تحريك بكرتها بعيداً عن الوضع المحايد، مما يؤدي إلى انحراف السلسلة، وتقليل كمية السلسلة الزائدة المتبقية في النظام. ^{[ 5 ]}

يُستخدم أحد جانبي جهاز "أولد براس برينز" لحساب ارتفاع المد. ويمثل ترتيب مماثل للمكونات على الجانب الآخر، ولكن مع وجود ذراعين متعاكسين في الطور بمقدار 90 درجة، مشتق معادلة ارتفاع المد بالنسبة للوقت. عندما يكون المشتق صفرًا، يكون وقت المد العالي أو المنخفض قد تم الوصول إليه. تكتشف دائرة كهربائية هذه الحالة وتوقف الجهاز حتى يتمكن المشغل من تسجيل التاريخ والوقت وارتفاع المد. ^{[ 6 ]}

• 
  تتحرك البكرات لأعلى ولأسفل بحركة جيبية، تمثل مكونات معادلة المد والجزر. وتجمع سلسلة التجميع التي تمر فوق البكرات وتحتها تأثيراتها.
• 
  يقرأ المشغل ارتفاع ووقت المد والجزر العالي والمنخفض من هذه الأقراص والمقاييس.
• 
  تُظهر هذه الصورة الجزء العلوي وأحد جوانب جهاز التنبؤ بالمد والجزر رقم 2. تعتمد معادلة التنبؤ بالمد والجزر التي يستخدمها الجهاز على جمع سلسلة من حدود جيب التمام. تُشكل القطع المعدنية المثلثة جزءًا من أذرع التدوير ذات الفتحات، والتي تُحوّل الحركة الدائرية إلى حركة رأسية تتبع شكلًا جيبيًا. يرتبط كل ذراع تدوير ذي فتحات ببكرة عبر عمود، مما يجعل البكرة تتبع الحركة الجيبية. تقوم سلسلة تمر فوق وتحت البكرات بجمع انحرافاتها لحساب المد والجزر. على طول الجزء العلوي من الصورة، تُحرّك أعمدة التوصيل أذرع التدوير ذات الفتحات على جانبي الجهاز. يحسب أحد جانبي الجهاز ارتفاع المد والجزر، بينما يُحدد الجانب الآخر أوقات المد والجزر العالي والمنخفض.
• 
  المكونات الداخلية: تستخدم الآلة ترتيبًا معقدًا من التروس والبكرات والسلاسل والمنزلقات والمكونات الميكانيكية الأخرى لإجراء العمليات الحسابية.

• الجمعية الرياضية الأمريكية/توني فيليبس، تحليل فورييه لحركة المد والجزر في المحيطات الجزء الأول .
• الجمعية الرياضية الأمريكية / بيل كاسلمان (2009)، تحليل فورييه لمد وجزر المحيط III .
• مشغل جهاز التنبؤ بالمد والجزر رقم 2 .
• باركر، بروس (2011). "توقعات المد والجزر ليوم النصر" . مجلة الفيزياء اليوم . 64 (9): 35-40 . رمز Bibcode : 2011PhT....64i..35P . doi : 10.1063/PT.3.1257 . ISSN 0031-9228 .