Analogové výpočetnictví: Edmund (část II.)

Víme už, jak analogový počítač Edmund postavit, jaké je zapojení, z jakých součástek.
Víme už, jak se používá.
Nahlédneme teď na několik příkladů, které nám jeho schopnosti a možnosti dovolují vyřešit.


Nezapomeňte, že příklady pocházejí z roku 1960 a jejich řešení snadnějším způsobem, než pomocí tabulek a logaritmického pravítka, nebo drahých mechanických komptometrů, které zvládaly operace kupeckých počtů, nebylo pro běžného inženýra (pokud se nemohl obrátit přímo na výpočetní středisko) dostupné.
I rychlost zpracování na Edmundovi musela tehdy běžnému smrtelníkovi připadat neuvěřitelně fascinující!

Geometrie

Zjistěte plochu pravoúhelníku 9,5 x 41.
Nastavte A na 0.95, B na .41, nulujte C. Výsledek je .39, a odhadem (10×40=400) můřeme určit správné řády, tedy 390. (Vycházíme z S=a x b)

Zjistěte plochu trojúhelníku se základnou 4.2 a výškou 8,7.
Vycházíme z S=1/2 a x b. Nastavte A na .42, B an .87 a nulujte C. Výsledek z C nastavte na lineární stupnici A a anstavte B na .5. Nulujte znovu C. Výsledek je .183, ve správných řádech 18.3.

Kruh má průměr 9, zjistěte obvod.
Vycházíme z o=2 Pi r=Pi d.
Nastavte A na .314 (Pi/10), B na .9, nulujte C. Výsldek je .283, ve správných řádech 28.3.

Zjistěte plochu kruhu s poloměrem 9.7.
S=Pi (r na druhou). Nastavte A a B na .97 a nulujte C, vyjde ((r na druhou) / 100).
Nastavte tuto hodnotu (.94) na B, na A nastavte .314. Nulujte C, výsledek .294 je ve správném řádu 294.

I další geometrické výpočty zrealizujete na Edmundu s pomocí známých vztahů:
plocha pravoúhelníku = a x b
plocha rovnoběžníku = základna x výška
plocha trojúhelníku = 1/2 základna x výška
plocha lichoběžníku = 1/2 výšky + součet rovnoběžných stěn
plocha kruhu = Pi (r na druhou)
plocha elipsy = Pi/4 x větší osa x menší osa
plocha válce = 3/4 Pi (výška na druhou) (mimochodem v originální příručce je v této rovnici chyba – pokud se k ní dostanete, rovnici si opravte)
plocha paraboly = 2/3 délky osy x šíře ústí
objem kvádru = a x b x c
objem kužele = Pi/3 (poloměr na druhou) x výška
objem válce = Pi (poloměr na druhou) x výška
objem jehlanu = plocha základny x výška
objem koule = 4/3 Pi (r na třetí)
plocha koule = Pi (r na druhou)
obvod kruhu = Pi r

Trigonometrie

Mějme pravoúhlý trojúhelník (se stranami x, y, z, kde z je přepona, a úhly A, B, C, kde C je pravý úhel).
sin A = y/z
cos A = x/z
tan A = y/x
cosec A = 1/sin A = z/y
sec A = 1/cos A = z/x
cot A = 1/tan A = x/y
Ačkoli na předtištěných stupnicích kitu Edmund není stupnice sekantová a kosekantová, lze si je snadno připravit.

Zjistěte cosec 50
Castavte C na .1, B na sinové stupnici na 50, nulujte A. Výsledek A násobte 10 (protože .1 na C má reprezentovat jedničku). Výsledek je 1,3.
Stejným postupem, s nastavením B na kosinové stupnici získáme na A sekant.

Odvěsna pravoúhlého trojúhelníku je 4,1.Úhel mezi odvěsnou a přeponou je 56 stupňů. Zjistěte délku přepony a výšku.
V pravoúhlém trojúhelníku představuje přepona (z) známou odvěsnu, a jednotlivé odvěsny přeponu (x) a výšku (y). Známe úhel mezi z a x. definice sinu a kosinu úhlu A obsahují z. Proto použijeme funkce
x = z cos A
y =z sin A

Letadlo letí v azimutu 62 stupňů severovýchodně. Radarem změřená severojižní komponenta jeho rychlosti je 78 mil za hodinu. Jaká je rychlost letadla?y je 78 mil za hodinu, úhel A je 62 stupňů a z je rychlost letadla.
z = y/sin 62

Sinus úhlu je 0.91. Jaký je jeho kosinus?
Se stupnicemi není potřeba žádných výpočtů.
Nastavte ukazatel na kterékoli lineární stupnici na .91, na sinusové stupnici odečtete 65,4. Nastavte na kosinové stupnici 65,4 a přečtěte na lineární stupnici převrácenou hodnotu (0,415).

Podobně s logaritmy:

Najděte logaritmus 320 000.
Nastavte jakýkoli ukazatel na 3,2 na logaritmické stupnici.
Mantisu odečtěte na lineární stupnici (0,505). Desítkový exponent, kterým je nutno násobit, aby z 3,2 bylo 32000, je 10 na pátou. Celý logaritmus je tedy 5,505.

Logaritmus čísla je 3,78. A číslo je?
Nastavte ukazatel na .78 na lineární stupnici. Odečtěte na logaritmické stupnici. Získané číslo 6.03 je třeba vynásobit 10 na třetí (exponent je 3). Tedy antilog 3,78 je 6030.

Edmunda je tedy možné používat rovnou jako náhradu trigonometrických a logaritmických tabulek. Využití Edmunda se tak zvyšuje o všechny oblasti, kde se vyskytují rovnice s trigonometrickými funkcemi a logaritmy.

Fyzika

Mechanika, elektřina, teplo, světlo, optika, zvuk, elektronika, mechanika kapalin, einsteinovská fyzika, to všechno patří do širokého pole záběru fyziky. Takže je možné ukázat si jen malý zlomek příkladů použití Edmunda ve fyzice.

Mechanika – přímočarý pohyb

průměrná rychlost: v=s/t, s=vt
zrychlení: a=(v2-v1)/t, v2=v1+at, s=v1t+ 1/2 a (t na druhou), s=(v2 na druhou – v1 na druhou)/2a, v2=odmocnina (v1 na druhou + 2as)

Mechanika – kruhový pohyb

A(n)=v(t na druhou) /r
Úhel pohybu (rad), úhlová rychlost (rad/s) a úhlové zrychlení (rad/s/s) odpovídají s, v, a t v rovnicích pro přímočarý pohyb.
Pokud je úhlová rychlost konstantní, n počet oběhů a r poloměr, pak
úhel pohybu = 2 Pi n
úhlová rychlost = úhel pohybu / t = 2 Pi n t
úhel pohybu = tangenciální dráha /r
úhlová rychlost = tangenciální rychlost / r

Mechanika – balistika

Projektil startuje rychlostí v1, složka rychlosti v ose x je vx=V1 cos úhlu odpalu.
Složka rychlosti v ose x se během trajektorie nemění, složka rychlosti v ose y je vy=v1 sin úhel odpalu – gt (g je gravitační zrychlení).
Vzdálenost v ose x za čas t je x=vx t.
Vzdálenost v ose y za čas t je y=v1t sin úhel odpalu – 1/2 g(t na druhou).
Vzdálenost na ose x do dopadu je (v1 na druhou x sin (2 x úhel odpalu) )/g.
Tyto vztahy zanedbávají odpor vzduchu a předpokládají rovný terén s dopadem ve výšce odpalu.

Mechanika – kinetika

hmotnost m = setrvačná hmotnost w / gravitační zrychlení a
F = ma = (w/g)a
Když W je práce, s vzdálenost, W=Fs.
Výkon P = W/t = Fs/t.
Energie má stejné jednotky jako práce, potenciální energie polohy Wp=w h, kde h je výška.
Kinetická energie Wk=m(v na druhou)/2.
To vše lze převést na výpočty na Edmundu dobře zvládnutelné.

Mechanika – kyvadlo

Doba kyvu t kyvadla délky L je Pi x odmocnina (L/g).
Délka kyvadla s dobou kyvu 1 sekundy = g/(Pi na druhou).
(Kulturní vložka – traduje se, že na Kremlu časně po Revoluci spravovali hodiny a pořád jim šly šejdrem, seřizovali je posouváním závaží na kyvadle od oka a pořád to nevycházelo. I šel dole pod věží Lenin, ptal se, co je za problém, a z hlavy soudruhům správnou délku kyvadla spočítal. Z toho plyne ponaučení, že Lenin l=t g/(Pi na druhou) znal.)
Pi na druhou je častá konstanta, na Edmundu stačí zadat jako 9,9.
K vypočtení délky kyvadla s jedničkovou periodou nastavte na A a B Pi, nulujte C (získáte 9,9). Výsledek nastavte na B, na C nastavte g (ve zvolených jednotkách – klidně jako 32 stop za sekundu na druhou) a nulujte A, Výsledek je na lineární stupnici A.
(Kulturní vložka – co by Lenin dal v tu chvíli za Edmunda! – Správnou délku kyvadla si můžete po výpočtu experimentálně zkontrolovat.)

Konverze jednotek

1 ft = 12 in, 1 in = 2.54 cm
Výsledkem je jednoduché násobení, které na Edmundu zvládnete snadno.

Statika

Mějme zeď s podepřeným závažím visícím na drátu, tvořící pravoúhlý trojúhelník (kulturní vložka – jak jsmte asi poznali u balistiky, nechce se mi překreslovat obrázky, tak je popisuju slovy). Váha 100 je podepřena v bodě A, podpěra dílky 3,2 tlačí proti zdi (odvěsna x), (zeď je odvěsna y), délka drátu 4,5, visí ze zdi z bodu B.
Jaká je síla působící v bodě C (pravý úhel)?

F1 je napětí drátu (přepony) z, F2 síla proti zdi.
F1 = 100/cos A
cos A = x/z =3.2/4.5
F2=F1 sin A = 100 tan A
Postavte si Edmunda a výsledek si spočítejte sami.

Elektřina  a magnetismus

F=m1 m2 /(d na druhou), kde m1 a m2 jsou síly pólů vzdálených d centimetrů, F je v dynech. Magnetická intenzita H v oerstedech v d centimetrech od pólu síly m je m/(d na druhou). Magnetický tok denzity B tvořený polem intenzity H v médiu permeability M je MH.

Elektřina a proud

U je napětí ve voltech, I je proud v ampérech, Q náboj v coulombech, R odpor v ohmech, P výkon ve wattech, t čas v sekundách.
Základní vztahy jsou U=IR, I=U/R, R=U/I, P=UI, P=(I na druhou)R, P=(U na druhou)/R, I=Q/t.

Pokud je více odporů (správně česky odporníků) v obvodu zapojeno v sérii, každým protéká stejný proud I, celkový odpor je součtem jednotlivých odporů a napětí na zdroji je rovno součtu úbytků na jednotlivých rezistorech (česky se tomu prý fakt říká odporník).
Pokud jsou zapojeny paralelně (ať už se jim říká jakkoli), napětí na každém je stejné jako napětí zdroje, celkový proud poskytovaný zdrojem je stejný jako součet proudů  přes jednotlivé odporníky, celkový odpor z pohledu zdroje je U/I, kde I je celkový proud.

Elektřina – střídavý proud

Induktivní reaktance XL=2 Pi Fl, kde f je frekvence a L induktance v henri. Tan fázového úhlu =X/R, kde X je reaktance a R rezistance.
Z=R/cos fázového úhlu = X/sin fázového úhlu.
Výrazy pro kapacitní reaktanci a rezonanční frekvenci ať si zjistí uživatel sám (to opravdu říká originální návod k Edmundu).

Vlastnosti materiálů

Napětí S = F/A, kde A je plocha řezu. Protažení (elongace) nebo smrštění (deflekce) d na jednotku délky l je deformace. Youngův modul Y=Sl/d.
I pokud se podíváte na stlačitelnost nebo modul pružnosti ve smyku, zjistíte, že jde stále o výpočty zvládnutelné na Edmundovi.

Hydrostatika

Hustota d=m/v, kde m je hmotnost a v objem. Tlak p=F/A, kde A je plocha.
Vhodnou oblastí pro výpočty na Edmundu jsou i vlastnosti plynů a povrchové napětí.

V podstatě se dá říci, že i pro tak jednoduché zařízení, které tři potenciometry a jeden měřák představují, je pole aplikací prakticky neomezené.

Optimistickou větou “uvidíte, že váš analogový počítač najde uplatnění v každé oblasti” se originální manuál z roku 1960 s uživatelem loučí.