Ball-and-Disk 인테그레이터

볼 앤 디스크 인테그레이터는 많은 첨단 기계 컴퓨터의 주요 컴포넌트입니다.간단한 기계적 수단을 통해 입력 값을 지속적으로 통합합니다.대표적인 용도는 산업 환경, 선박의 항속거리 유지 시스템, 타코메트리 폭탄조준경에서 재료 면적 또는 부피의 측정이었다.Vannevar Bush의 토크 앰프 추가는 1930년대와 1940년대의 디퍼렌셜 분석기로 이어졌습니다.

설명 및 조작

기본 메커니즘은 2개의 입력과 1개의 출력으로 구성됩니다.첫 번째 입력은 회전 디스크로 일반적으로 전기 구동되며 일정한 속도로 회전하도록 하기 위해 일종의 가바나(gover)를 사용합니다.두 번째 입력은 입력 디스크의 반지름을 따라 베어링을 고정하는 이동식 캐리지입니다.베어링은 디스크에서 출력축으로 운동을 전달합니다.출력축의 축은 캐리지의 레일에 평행하게 배치됩니다.캐리지가 미끄러질 때 베어링은 디스크와 출력 양쪽에 접촉한 상태로 유지되어 한쪽이 다른 한쪽을 구동할 수 있습니다.

출력축의 스핀 속도는 캐리지의 변위에 의해 제어되며, 이것이 "통합"입니다.베어링을 디스크 중앙에 배치하면 순 운동이 전달되지 않고 출력축이 정지 상태를 유지합니다.캐리지가 베어링을 중심에서 벗어나 디스크의 가장자리를 향해 이동하면 베어링, 즉 출력축이 점점 더 빠르게 회전하기 시작합니다.이는 사실상 무한 가변 기어비를 갖는 2단 기어 시스템입니다. 베어링이 디스크 중앙에 가까울 때는 기어비가 낮고(또는 0), 베어링이 가장자리에 가까울 때는 ^[1]기어비가 높습니다.

출력축은 베어링 변위 방향에 따라 "전방" 또는 "후방"으로 회전할 수 있으며, 이는 인테그레이터에게 유용한 특성입니다.

수문을 통과하는 총 물의 양을 측정하는 시스템의 예를 생각해 보십시오.입력 캐리지에는 플로트가 부착되어 있어 수위에 따라 베어링이 상하로 이동한다.수위가 높아지면 베어링이 입력 디스크의 중심에서 더 멀리 밀리면서 출력의 회전 속도가 증가합니다.출력축의 총회전수(예를 들어 주행 기록계형 장치)를 계수하여 수문의 단면적을 곱함으로써 미터기를 통과하는 물의 총량을 구할 수 있다.

역사

발명 및 초기 사용

볼 앤 디스크 인테그레이터의 기본 개념은 제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨의 동생인 James Thomson에 의해 처음 설명되었습니다.윌리엄은 1886년에 이 개념을 사용하여 조화 분석기를 만들었다.이 시스템은 볼의 위치로 다이얼된 입력을 나타내는 푸리에 급수의 계수를 계산하는 데 사용되었습니다.입력은 연구 대상 포트에서 측정된 조수 높이로 설정되었다.그리고 나서 출력은 비슷한 기계인 Harmonic Synthesister에 공급되었고, Harmonic Synthesister는 태양과 달의 기여 위상을 나타내기 위해 여러 바퀴를 회전시켰다.바퀴의 상단을 따라 흐르는 와이어가 최대값을 차지했는데, 이는 주어진 시간에 ^[2]항구의 조수를 나타냅니다.Thomson은 미분 방정식을 푸는 방법으로 동일한 시스템을 사용할 가능성을 언급했지만,^[2] 적분기의 출력 토크가 너무 낮아서 포인터의 필요한 다운스트림 시스템을 구동할 수 없다는 것을 깨달았습니다.

다항식의 실재적이고 복잡한 근을 풀기 위한 여러 기계를 만든 스페인의 물리학자 레오나르도 토레스 이 케베도, 그리고 하모닉 분석기가 푸리에 분석을 수행했지만 켈빈 적분자가 아닌 80개의 스프링을 사용한 미셸슨과 스트랫튼의 유사한 시스템이 뒤따랐다.이 연구는 ^[2]불연속성에 가까운 푸리에 표현에서 오버슈트의 깁스 현상에 대한 수학적 이해를 이끌어냈다.

군용 컴퓨터

20세기가 바뀔 무렵에는 해군 함정들이 수평을 넘는 사거리를 가진 포를 장착하기 시작했다.이런 종류의 거리에서는, 타워의 스팟터는 눈으로 정확하게 범위를 추정할 수 없었고, 그 결과 훨씬 더 복잡한 거리 탐지 시스템이 도입되었다.게다가, 포수들은 더 이상 직접 자신의 샷의 낙하를 발견할 수 없었고, 이것을 하고 그들에게 이 정보를 전달하기 위해 스팟터들에게 의존했다.동시에 배의 속도가 빨라져 1906년 드레드노트가 도입될 무렵 20노트의 벽을 꾸준히 무너뜨렸다.정보 흐름과 계산을 관리하기 위해 중앙 집중식 화재 통제가 뒤따랐지만, 화재를 계산하는 것은 매우 복잡하고 오류가 발생하기 쉬운 것으로 판명되었습니다.

해답은 Dreyer 테이블이었습니다.이 테이블은 배에 대한 목표물의 움직임을 비교하고 그 범위와 속도를 계산하는 방법으로 큰 볼과 디스크 적분기를 사용했습니다.출력은 두루마리 종이입니다.첫 번째 시스템은 1912년경에 도입되었고 1914년에 설치되었다.시간이 지남에 따라, Dreyer 시스템은 바람의 영향, 겉보기 및 실제 풍속과 선박의 움직임에 기초한 방향 사이의 보정, 그리고 유사한 계산기를 점점 더 추가했습니다.1918년 이후 Mark V 시스템이 최신 선박에 설치되었을 때, 시스템은 50명까지 함께 작동했을 수 있습니다.

비슷한 장치가 곧 다른 해군이나 다른 역할에도 등장했습니다.미 해군은 Rangekeeper로 알려진 다소 단순한 장치를 사용했지만, 시간이 지남에 따라 지속적으로 수정되었고 결국 영국 버전과 같거나 더 정교한 시스템으로 변모했다.비슷한 계산기가 어뢰 데이터 컴퓨터의 기초를 형성했는데, 이것은 어뢰 발사라는 매우 긴 교전 시간 중 더 까다로운 문제를 해결했다.

잘 알려진 예로는 Norden 폭탄조준경을 들 수 있습니다.기본 설계에 약간의 변화를 사용하여 볼을 다른 디스크로 대체했습니다.이 시스템에서는 적분기를 사용하여 고도, 대기 속도 및 방향을 고려하여 지상에 있는 물체의 상대적인 움직임을 계산했습니다.계산된 출력과 지상에 있는 물체의 실제 움직임을 비교함으로써, 모든 차이는 항공기에 대한 바람의 영향 때문일 것이다.이러한 값을 설정하는 다이얼은 가시적인 드리프트를 0으로 하는 데 사용되었으며, 그 결과 이전에는 매우 어려운 문제였던 정확한 바람 측정이 이루어졌습니다.

볼 디스크 인테그레이터는 1970년대 중반까지 탄도 미사일 무기 시스템의 아날로그 유도 컴퓨터에 사용되었다.퍼싱 1 미사일 시스템은 정확한 유도 달성을 위해 벤딕스 ST-120 관성 유도 플랫폼을 기계 아날로그 컴퓨터와 결합했다.ST-120은 세 축 모두에 대한 가속도계 정보를 제공했습니다.전방 이동 가속도계가 볼 위치 방사형 암으로 위치를 전달하여 가속도가 증가함에 따라 볼 고정 장치가 디스크 중심에서 멀어지게 했습니다.디스크 자체는 시간을 나타내며 일정한 속도로 회전합니다.볼 픽스쳐가 디스크의 중심에서 멀어질수록 볼은 더 빨리 회전합니다.볼 속도는 비산물 속도를 나타내며 볼 회전 수는 이동한 거리를 나타냅니다.이러한 기계적 위치는 스테이징 이벤트, 추력 종단 및 탄두 분리를 결정하는 데 사용되었으며 탄두의 무장 사슬을 완성하는 데 사용되는 "좋은 안내" 신호도 사용되었습니다.이 일반적인 개념의 최초 사용은 Peenemünde의 Von Braun 그룹이 개발한 V-2 미사일이었다.PIGA 가속도계 참조.그것은 나중에 레드스톤 아스널에서 개량되었고 레드스톤 로켓과 그 후에 퍼싱 1호에 적용되었다.

레퍼런스

참고 문헌

• Basic Mechanisms in Fire Control Computers, Part 1 (Motion picture). United States Navy. 1953. Event occurs at 30:53.
• Girvan, Ray (May–June 2003). "The revealed grace of the mechanism: computing after Babbage". Scientific Computing World.