- La computadora de control de tiro de la Marina de EE. UU. recibe información del propio buque, del blanco, de balística y del clima, con hasta 25 factores posibles, y calcula continuamente las órdenes de giro y elevación para los cañones
- La precisión del cálculo depende no solo del equipo en sí, sino también en gran medida de la destreza de los operadores, que envían la distancia y la marcación del blanco desde el director e introducen los demás valores
- La primera parte trata cómo los ejes, engranajes, cremallera y piñón, levas y diferenciales que se repiten dentro del sistema se encargan de la transmisión numérica, multiplicación por constantes, cálculo de funciones y suma algebraica
- Las levas convierten una entrada rotatoria en una salida lineal o en un valor de función, y se usan levas reciprocal, square, tangent, time-of-flight y barrel para cálculos balísticos y trigonométricos
- El diferencial produce de forma continua la suma algebraica incluso cuando dos entradas cambian rápidamente, por lo que se vuelve un componente clave en los cálculos de control de tiro para buques y blancos en movimiento
Cálculos que resuelve la computadora de control de tiro
- La computadora de control de tiro recibe simultáneamente múltiples valores de entrada, resuelve el problema de control de tiro y envía el resultado a los cañones como órdenes de giro (train) y elevación (elevation)
- Entre las entradas están el rumbo y la velocidad del propio buque, la distancia y marcación del blanco, el rumbo y la velocidad del blanco, la velocidad y dirección del viento, la velocidad inicial del proyectil y otros factores, hasta un máximo posible de 25
- Como muchos factores ocurren al mismo tiempo y cambian continuamente, la computadora debe resolver el problema de forma continua e inmediata
- La computadora no puede ser precisa sin personas
- El operador del director envía a la computadora la distancia y la marcación del blanco
- Otras personas en la posición de la computadora introducen la información restante
- La precisión del cálculo depende de la calidad de la información que recibe la computadora, y esa calidad depende de la pericia y comprensión de los operadores
Ejes, cremallera y piñón, y engranajes
- Dentro de la computadora hay muchos mecanismos básicos, y algunos se repiten varias veces en una sola máquina
- El eje (shaft) se usa con frecuencia para transmitir valores dentro de la computadora
- A una vuelta completa del eje se le asigna un valor numérico específico
- La rotación en una dirección puede definirse como positiva y en la dirección opuesta como negativa
- El sistema de cremallera y piñón muestra cómo se interpreta numéricamente el valor de un eje
- Si una vuelta completa se calibra como +10, una vuelta y media será +15 y dos vueltas serán +20
- Un giro de 1/5 de vuelta en la dirección opuesta produce el efecto de sumar -2, y sumar -2 a +20 da +18
- Dos vueltas en la dirección negativa producen el efecto de restar 20
- En un dispositivo real, la cremallera y piñón pueden usarse para convertir el valor de un eje en el movimiento lineal correspondiente o, a la inversa, para que la cremallera transmita un valor al eje
- Los engranajes transmiten el valor de un eje a otro
- Con una relación de engranajes 1:1, el valor numérico se conserva, pero el sentido de rotación se invierte
- Engranajes de distinto tamaño pueden multiplicar o dividir el valor del eje por una constante
- Con una relación 2:1, una vuelta del eje impulsor puede producir dos vueltas del eje conducido
Crear valores de función con levas
- Una leva (cam) puede usarse como mecanismo de cálculo y, por lo general, convierte un movimiento simple como la rotación en un movimiento irregular o intermitente
- Todas las levas tienen una superficie de trabajo y un follower
- La superficie de trabajo puede ser el contorno exterior o la pared de una ranura
- El follower puede ser un rodillo, una bola, un perno u otro dispositivo que se deslice o ruede sobre la superficie de trabajo
- La superficie de trabajo se diseña según la relación entrada-salida deseada
- Por ejemplo, si a una vuelta del eje se le asigna el valor 10, puede hacerse que el follower se desplace 1, 2 y 3 veces cierta distancia para valores de entrada 1, 2 y 3 respectivamente
- Esta relación se aplica no solo a enteros, sino también a todos los valores intermedios
- Las levas que usan el contorno exterior como superficie de trabajo normalmente quedan limitadas a una sola vuelta
- Para manejar rotaciones adicionales, la superficie de trabajo debe extenderse, y en ese caso adopta la forma de una ranura (groove)
- La constant lead cam es un ejemplo en el que un perno se mueve a lo largo de la ranura
- En la computadora de control de tiro, la entrada rotatoria de la velocidad del buque se transmite como movimiento lineal del follower
Levas usadas en control de tiro
- La reciprocal cam está diseñada para que la salida sea el recíproco de la entrada, es decir, 1/input
- La superficie de trabajo se construye marcando puntos sobre radios
- La distancia correspondiente a 1, el recíproco de 2 que es 1/2, el recíproco de 3 que es 1/3 y así sucesivamente forman una curva
- Si esa curva se corta como ranura en una leva de disco y se añade el follower, la salida será el recíproco de la entrada
- La leva generalmente tiene tramos de run out en ambos extremos de la curva trazada, que no se usan en el cálculo
- La square cam entrega como salida el cuadrado de la entrada
- La entrada puede ser positiva o negativa
- La tangent cam es un ejemplo de leva trigonométrica
- La entrada puede ser un ángulo entre 40 y 70 grados
- La salida es la tangente de ese ángulo
- La time-of-flight cam es un ejemplo de leva balística plana
- La superficie de trabajo es el contorno exterior de la pieza
- La entrada es el alcance y la salida es el tiempo de vuelo
- Un follower de tipo sector, mantenido en contacto con la leva por un resorte, hace girar el engranaje de salida
- La barrel cam o leva tridimensional calcula una sola salida a partir de dos entradas
- El dispositivo de ejemplo calcula la superelevation
- La elevación del cañón es la suma de la superelevation y la advance elevation del blanco
- La superelevation aumenta cuando aumenta la advance range, pero no de forma proporcional
- La superelevation disminuye cuando aumenta la advance elevation, pero tampoco de forma proporcional
- Por lo tanto, la superelevation queda determinada por dos entradas: advance range y advance elevation
- La barrel cam puede verse como una extensión de una leva que considera una sola elevación
- Para una elevación dada, son posibles varios alcances y cada uno requiere una superelevation distinta
- Para manejar todas las elevaciones, el barrel adopta una forma equivalente a contener infinitas levas de ese tipo
- Cualquier sección transversal funciona como una leva para una advance elevation específica
- La entrada de elevación selecciona la sección necesaria, y la entrada de alcance posiciona el barrel según el alcance requerido
Diferenciales y suma algebraica
- El diferencial (differential) se usa en la computadora para obtener de forma continua la suma algebraica de dos magnitudes
- Cuando cambian las dos entradas, el diferencial entrega la respuesta al mismo tiempo, sin importar la rapidez con que cambien esas entradas
- Un ejemplo usado con frecuencia en la computadora de control de tiro es el diferencial de engranajes cónicos
- Dos ejes están acoplados rígidamente, y esos ejes junto con los engranajes forman el spider assembly
- Incluye spider gear, spider shaft y end gear
- Los cuatro engranajes no están fijados a sus ejes respectivos, sino montados libremente sobre cojinetes
- La conexión con otros mecanismos se realiza mediante spur gear fijados a cada end gear y al spider shaft
- Matemáticamente solo se necesita un spider gear, pero se añade un segundo spider gear para mantener el equilibrio
- El principio de funcionamiento se entiende más fácilmente con un modelo de cremallera y piñón
- Puede imaginarse como dos cremalleras con un piñón entre ellas
- Rack A, rack B o el piñón pueden ser la salida, y los otros dos actúan como entradas
- En el ejemplo, las cremalleras se usan como entrada y el piñón como salida
- El desplazamiento del centro del piñón siempre es la mitad de la suma algebraica de los desplazamientos de las dos cremalleras
- Si A se mueve +4 pulgadas y B +2 pulgadas, la suma es +6 pulgadas y el centro del piñón se desplaza +3 pulgadas
- Si A es +1 y B es +3, la suma es +4 y el centro del piñón queda en +2
- Si A es -4 y B es +2, la suma algebraica es -2 y el centro del piñón se desplaza a -1
- Si a las cremalleras se les asigna la escala del valor deseado y al piñón una escala del doble de sensibilidad, el piñón puede representar la suma algebraica de los valores de las cremalleras
- El diferencial de tipo engranajes cónicos no es esencialmente distinto del diferencial de cremallera y piñón
- La cremallera de longitud limitada se sustituye por un end gear, y ese end gear actúa como una cremallera sin fin
- El piñón se sustituye por el spider gear
- El movimiento sobre la trayectoria circular del centro del spider gear se transmite como rotación del spider shaft
- La salida puede ser uno de los dos end gear o el spider shaft, mientras que los otros dos actúan como entradas
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
En 1989 trabajaba como técnico de sistemas de datos en un destructor que estaba en mantenimiento en el astillero de Pascagoula, Mississippi, y justo al lado estaba amarrado el acorazado Wisconsin.
Era una enorme reliquia de la Segunda Guerra Mundial, pero todavía lo estaban modernizando, y a varios de nosotros, del área de sistemas de combate, nos invitaron a recorrer el sistema de control de tiro.
Todo era una computadora mecánica que calculaba la solución de tiro de los cañones principales de 16 pulgadas, y las personas que nos guiaban tenían una edad muy por encima de la jubilación militar normal.
Resultó que los conocimientos prácticos sobre esa computadora mecánica habían desaparecido de la Marina, así que todos ellos habían sido llamados de nuevo al servicio; fue un día realmente genial.
Los cálculos pesados los hacía la computadora de tiro del buque, y los valores configurados los usaba una computadora simple del torpedo, que tenía un dispositivo de guiado inercial.
Es difícil imaginar cómo la gente diseñó algo así usando solo lápiz y regla de cálculo.
Estaba en un grupo que reacondicionaba computadoras de control de tiro para submarinos; se parecían un poco a las máquinas de videojuegos verticales que pronto se pusieron de moda en las salas recreativas, pero el gabinete era de aluminio macizo.
Por dentro eran computadoras analógicas llenas de engranajes y resolvers, todos los indicadores también eran analógicos, y estaban reemplazando todo con engranajes y resolvers nuevos.
Recuerdo que otro grupo cercano estaba experimentando con microcomputadoras en cajas S-100, como las IMSAI 8080.
Es algo realmente inimaginable, y si estás cerca de Norfolk, vale la pena visitar el acorazado Wisconsin.
Cuando dijo que usaba una “computadora mecánica”, tuve que quedarme mirando al vacío un momento para entender qué quería decir.
Los viejos materiales de capacitación de la Marina de EE. UU. son excelentes para aprender muchas tecnologías.
Una obra maestra entre ellos es “Basic Hand Tools”, un manual que explica en inglés sencillo cómo usar prácticamente todas las herramientas manuales que se han inventado.
Incluso sobre el martillo dice: “La persona a la que se le ocurrió la idea de romper nueces con una piedra inventó una herramienta sin saberlo. Cuando un genio posterior ató un palo a esa piedra, se inventó el primer martillo. Desde esos humildes comienzos ha habido muchas mejoras”.
La versión moderna, “Tools and Their Uses”, también cubre máquinas herramienta, pero es menos entretenida.
Mi ejemplo favorito es este video que explica el diferencial de un vehículo: https://m.youtube.com/watch?v=yYAw79386WI
Chicos de 18 a 20 años lanzan y recuperan aviones en un portaaviones mientras al mismo tiempo realizan reabastecimiento en alta mar, y eso se vuelve simplemente un día normal.
Es literalmente una guía full-stack de electrónica, que empieza desde los fundamentos de la materia.
Recomiendo mucho Between Human and Machine: Feedback, Control, and Computing before Cybernetics, de David A. Mindell.
Es un buen material introductorio para entender un aspecto de la Marina y la “tecnología”.
Una parte considerable de la computación temprana está conectada con la Marina, y no es casualidad que Grace Hopper fuera almirante de la Marina y no general del Ejército.
En los primeros trabajos de Cray también aparece mucho la “Navy”, incluida su trayectoria de Europa al Pacífico.
Es una historia interesante de la Segunda Guerra Mundial y la posguerra que vale la pena explorar.
Dicho eso, tampoco hay que subestimar la importancia de la artillería terrestre, la topografía militar y la cartografía.
Las computadoras mecánicas para tiro naval de largo alcance, que incorporaban factores como rumbo, velocidad y balanceo, se construyeron sobre los métodos iniciales de artillería terrestre estática que usaban tablas y nomogramas generados mediante cálculos complejos.
Parte del trabajo de Babbage en la máquina diferencial también estuvo relacionado con el cálculo de tablas de artillería.
Por así decirlo, algo como el GPS original.
“Esta investigación fue apoyada en parte por la subvención XXX-YYY-ZZZZZZZZZZ del Naval Research Laboratory”.
También suelen verse avisos similares con otras agencias de financiamiento, como DARPA o NSF.
Si quieres sentir de primera mano cómo era trabajar con este tipo de “computadoras”, mira el juego UBOAT en Steam.
Es un sucesor espiritual de la serie Silent Hunter, y hace relativamente poco añadió una computadora de datos de torpedos usada en los submarinos alemanes Type VII.
https://store.steampowered.com/news/app/494840/view/3712713813599539942
La interfaz de usuario es sorprendentemente intuitiva incluso según los estándares actuales de UX.
El video es excelente
Su forma simple y directa de explicar transmite muy bien los conceptos, y las diversas aplicaciones de las levas impresionan cada vez que se ven
Los principios básicos de las computadoras mecánicas son mucho más antiguos: se remontan bien entrado el siglo XIX, quizá incluso antes, y en gran medida tienen sus raíces en los mecanismos de relojería
Como alguien que siempre tuvo dificultades con el álgebra tradicional y con la educación matemática más avanzada, al presentarlo de forma física me pareció mucho más accesible
Me pregunto si alguien ha intentado enseñar álgebra o conceptos de matemáticas avanzadas de esta manera
Tal vez mi vida habría sido distinta si en las clases de matemáticas de la secundaria y la universidad hubiera habido máquinas de engranajes que pudiera tocar con las manos y accionar con una manivela para ver “las matemáticas funcionando”
Después de quedarme atrás en los fundamentos de álgebra en la secundaria, no pude ponerme al día en la universidad y básicamente la abandoné; en una clase universitaria de BASIC 101 descubrí que me gustaban las computadoras, pero después, para seguir usándolas, tenía que cambiarme al departamento de matemáticas y, como era a principios de los 80, no pude aprobar las materias prerrequisito y me rendí
Aun así, enseguida compré una computadora de 8 bits con 4 KB de RAM y me convertí en programador totalmente autodidacta; al final me fue muy bien, pero me queda ese “qué habría pasado si...”
En mi canon mental, la respuesta después de la Yihad Butleriana en el universo de Dune fue desarrollar computadoras mecánicas mejores
Especialmente mediante la miniaturización hasta llegar a escala nanométrica
No encaja perfectamente con todo —por ejemplo, quedan dudas sobre si los escudos Holtzmann son completamente analógicos—, pero parece suficiente para corresponder a controladores analógicos prácticos hechos con computadoras analógicas de escala nanométrica en la mayoría de los objetos
Dejando de lado el fanfic de Brian Herbert, también es posible que la computación dominante de esa época fuera mecánica
En cualquier caso, esa diferencia no habría importado
En las películas de entrenamiento militar o los noticieros cinematográficos no puede faltar la música de introducción con ritmo de marcha
Básicamente te dice: “siéntate quieto y escucha con atención. ¡Sí, tú!”
Las gaitas cumplen la misma función y, hoy en día, si no hay gaitas al principio o al final, no parece un acto oficial
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Mechanical Computer – Basic Mechanisms in Fire Control Computers (1953) [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=29471331 - diciembre de 2021, 12 comentarios
Basic Mechanisms In Fire Control Computers (1953) [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=7831923 - junio de 2014, 6 comentarios
“Por supuesto, la precisión de una computadora depende de la calidad de la información que recibe”
Es absolutamente cierto
Me pregunto si la incluyeron como una referencia intencional
“En dos ocasiones me han preguntado: ‘Señor Babbage, si se introducen cifras incorrectas en la máquina, ¿saldrán las respuestas correctas?’ En una ocasión fue un miembro de la Cámara Alta, y en la otra un miembro de la Cámara Baja, quien hizo esa pregunta. No soy capaz de comprender correctamente la confusión de ideas que podría provocar tal pregunta”
— Charles Babbage, Passages from the Life of a Philosopher (1864)