Original article: http://www.xnumber.com/xnumber/mechanical1.htm

Краткая история механических вычислительных приборов

Часть I

Век эрудитов

Автор статьи

Джеймс Редин

«Если бы существовала специальная вычислительная техника, ученым бы не приходилось в поте лица сидеть часами и проводить вычисления»

Готфрид Вильгельм Вон Лейбниц – 1685

Введение

Цель данной статьи подразумевает дать краткое описание широко известных механических вычислительных приборов в историческом контексте, а также предоставить ссылки на другие источники по данной теме. Мы попытаемся провести историческую хронологию развития вычислительной техники начиная с 5 века до н.э, когда были представлены первые счеты и дойдем до 60-70-х годов 20 века, эпоха появления первых электронных калькуляторов.

Для легкости прочтения статьи, мы разделили ее на 3 части: первая часть описывает эволюцию вычислительной техники до появления Колеса Лейбница. Во второй части идет обсуждение основных вех 19 века, а в третьей части мы рассмотрим развитие офисного оборудования вплоть до 1960 года, когда на рынке появились первые электронные калькуляторы.

Счеты

Математические концепты и то, что появилось позже, так называемые арифметические расчеты, на протяжении многих тысячелетий считались чисто интеллектуальным упражнением, которые не поддавались копирования или человеческому вмешательству. Но даже счеты, которые впервые появились 2500 лет тому назад в Малой Азии до сих пор очень часто используются и считаются одними из самых эффективных вспомогательных запоминающихся приборов в отличие от целой вычислительной машины.

Счеты – это гениальный вычислительный прибор, который состоит из относительных положений двух секций костяшек движущихся по параллельным спицам. Первая секция состоит из 5 костяшек на каждой спице, что дает возможность проводить расчеты от одного до пяти, а на второй секции всего по две костяшки на спицу, которые представляют цифры 5 и 10.

Система счетов (еще называют абак) построена на основании счисления из пяти. Поскольку первые люди считали предметы на пальцах, становится понятным почему использовалось основание системы из пяти.

Антикитерский механизм

Между 100-65 лет до н.э. греческий грузовой корабль, перевозивший груз из бронзы и мраморных статуй, а также и другие артефакты из острова Родос в Рим затонул недалеко от острова Антикитера в Греции. До тех пор, когда в 1901 году местные искатели жемчуга не наткнулись на корабль, он пробыл на морском дне глубиною в 140 футов на протяжении 2 тысячелетий.

Среди уцелевших остатков корабля, которые на сегодняшний день являются достоянием национального музея в Афинах также находится древний зубчатый механизм, сейчас известный как Антикитерский калькулятор.

Это примечательное устройство, состоящие из 32 зубчатых шестеренок чем-то напоминает настенные часы 18 века. Данный прибор использовался для расчетов движения Солнца и Луны.

Палочки Непера

Еще одно удивительное изобретение это палочки Непера, умное арифметическое устройство, изобретенное шотландцем Джоном Непером (1550-1617) в 1617 году.

Палочки – это набор вертикальных прямоугольных прутиков, каждый из которых состоит из 10 квадратов. На верхнем квадрате пишется цифра, а на всех остальных содержится первые 9 кратных чисел верхнего числа. Каждое кратное число содержит свои числа разделенные диагональной линией. При расстановке палочек из стороны в сторону согласно верхним числам, то таким образом можно легко узнать кратное число, прочитав соответственный ряд кратных чисел справа налево путем складывания чисел в параллелограмме и очерченных диагональной линией. Не удивительно, что Джон Непер также является основоположником логарифмов – концепт, используемый для изменения кратных чисел при складывании.

Палочки Непера пользовались огромным успехом и широко использовались на территории Европы до середины 1960-х гг.

Логарифмы послужили фундаментом для изобретения счётной линейки Уильяма Отреда из Англии в 1633 году.

Дизайн Леонардо да Винчи

Природа наделила нас безмерным количеством примеров механических решений для практических задач, а поэтому не удивительно, что первая попытка построить вычислительное устройство была по всей видимости предпринята мастером машинных артефактов Леонардом да Винчи (1452-1519).

Все гениальные идеи Леонардо да Винчи берут свои истоки из бдительного наблюдения того, как механические процессы внедряются в движение всех живых существ. Интересно отметить, что природа сама по себе не внедрила колесо для решения задачи; это решение было предпринято благодаря человеческому уму. Важно сказать, что колесо использовалось как основание для большинства механических устройств, которые использовались для репликации мыслительного процесса в арифметических расчетах. Как сказал Джордж Чейс, «История механической вычислительной техники по сути является историей числового колеса и устройств, которые направляют на регистрацию числа».

Механический калькулятор Шиккарда

Первые вычислительные приборы, которые были изобретены одаренными математиками, привели к необычайному желанию упростить повторяющиеся системы арифметических расчетов.

Первая в мире счётная машина была разработана Вильгельмом Шиккардом (1592-1635). В 1623 году полимат-ученый Шиккард, а в дальнейшем профессор Тюбингенского университета в Вюртемберге (сейчас относится к Германии) разработал и построил механический прибор, который он назвал Вычислительные часы. Данный прибор мог складывать и отнимать вплоть до 6-значных чисел; артефакт основывался на движении шести зубчатых колес, которые проводились через искорёженное колесо и с каждым полным оборотом позволял колесу справа прокрутиться 1/10-ю от полного оборота. При переполненном механизме звенел уведомляющий звонок. Принцип складывания была вспомогательным прибором для выполнения мультипликации с набором цилиндров Непера, которые располагались на верхней половине устройства. В его записях говорится о тот, что прототип этой машины сожгли на огне. По всей видимости существовал еще один прототип в то время, но его так и не смогли пока отыскать.

В 1623 и 1624 годах Шиккард посылал несколько писем своему другу астроному, Иоганну Кеплеру (1571-1630), в которых кратко описывал свое изобретение. Шиккард и его семья не выжили после бубонной чумы и поэтому его детальные записи не были известны ученым, пока историк Франц Хаммер не нашел их в 1935 и 1956 годах. В 1960 году математик Бруно Вон Фрейтаг из Тюбингенского университета воспользовался ими с тем, чтобы реконструировать машину. Один экземпляр машины находится в немецком музее в Мюнхене.

Паскалина

Блезу Паскалю (1623-1662) было всего лишь 18 лет, когда он сконструировал суммирующую машину в 1642. Одаренный французский математик и философ, будучи 12-летним мальчиком Паскаль обнаружил, что сумма углов в треугольнике всегда находится под 180 градусами. Позже, он заложил основание теории вероятности и внес значительный вклад в науку о гидравлике. Возможно, что паскалина, которая была построена в 1643 году стала единственным механическим суммирующим прибором, который применялся на практике. Паскаль сконструировал машину для того, чтобы помочь своему отцу, сборщику налогов, вести расчеты суммирования и отнимания больших чисел. Прибор был сложным в использовании и по всей видимости не приносил много пользы, поскольку валютная система Франции не была построена на базе 10 цифр. В одном ливре было 20 золей а в золе 12 динариев.

Паскаль не знал о машине Шиккарда и его решение не было уж столь элегантным и эффективным. Как сказал Пол Дюн «вот если бы идеи Шиккарда были известны большему количеству людей, машину Паскаля можно было вообще не создавать».

Его суммирующая машина была построена на латунном прямоугольном блоке, на котором находилась зубчатая шкала двигающая внутренние колеса таким образом, что полный оборот колеса давал левому продвинуться на одну десятую вперед. Хотя первый прототип машины имел всего лишь 5 колес, позже приборы строились с 6 и 8 колесами. Для продвижения шкалы использовали стержень. В отличие машине Шиккарда, колеса могли двигаться только по часовой стрелке и были разработаны только для суммирования чисел. Вычитание происходило путем применения трудоёмкой техники на базе суммирования девятого дополнения.

Хотя паскалина в свое время привлекала большое внимание людей, она не была всемирно принятая из-за высокой стоимости, а также не была столь надежной и тяжелая в использовании. К 1652 было построено 50 таких единиц и только около 15 из них были проданы. Паскаль настолько увлекся своим изобретением, что даже получил «привилегированную защиту» (средневековой эквивалент того, что у нас называется патентом) за его идею в 1649 году, но его интерес к науке и погоней за «материализмом» закончились, когда он подался в янсенизм в 1655 и целиком погрузился в философию. Умер в 1662 году.

В течение 30 лет после изобретения Паскаля, несколько человек занимались конструированием вычислительных машин основываясь на его конструкцию. Самая популярная из них была суммирующая машина Сэра Самуэля Морланда (1625-1695) из Англии. Машина, которая была изобретена в 1666 году имела двенадцатеричную шкалу и основывалась на английской валютной системе и требовала человеческого вмешательства для того, чтобы ввести значение, которое показывается на вспомогательной шкале.

Интересно, что даже в начале 20-го века, несколько компаний представили модели, основанные непосредственно на конструкции Паскаля. Одним из примеров является портативный калькулятор представлен публике в 1908 году компанией Lightning Adding Machine Co в Лос-Анжелесе. Другим примером может служить аддометер, разработанный в 1920 году Reliable Typewriter and Adding Machine Co. в Чикаго. Ни один из них не достиг коммерческого успеха.

Колесо Лейбница

В 1672 году известный немецкий эрудит, математик и философ, Лейбниц (1646-1716), соавтор дифференциального исчисления, решил построить машину, способную выполнять четыре основных арифметических операции. Он был вдохновлен шаго-счетным устройством (шагомер), которое он увидел во время дипломатической миссии в Париже.

Как и Паскаль, Лейбниц оказался вундеркиндом. К 8 годам он изучил латынь и получил свою вторую докторскую диссертацию в возрасте 19 лет. Как только он узнал о конструкции Паскаля, он впитал в себя все его детали и улучшил конструкцию таким образом, чтобы обеспечить умножение и деление. К 1674 году его проект был завершен, и он заказал строительство прототипа у ремесленника из Парижа по имени Оливье.

Арифмометр Лейбница, так он назвал свою машину, использовал специальный тип передач, так называемый пошаговый барабан или колесо Лейбница, который представлял собой цилиндр с девятью стержнеобразных зубцов приращенной длины параллельно оси цилиндра. Когда барабан вращался при помощи рукоятки, регулярные десять зубцов колеса, неподвижно зафиксированные по скользящей оси, поворачивались от нуля до девяти позиций в зависимости от ее положения относительно барабана. Как и в устройстве Паскаля, в этой машине есть один набор колес для каждой цифры. Это позволяет пользователю сдвигать подвижные оси, так что, когда барабан вращается он генерирует пропорциональное движения их относительной позиции в обычных колесах. Это движение затем преобразуется устройством в умножение или деление в зависимости от того, в каком направлении вращается ступенчатый барабан.

Бытует мнение, что за все время было сделано всего лишь два прототипа этой машины. Несмотря на то, что Лейбниц был одним из самых выдающихся ученых своего времени, он умер в нищете так и не получив премии. Его машина осталась валяться на чердаке в Геттингенском университете, пока работник не нашел её в 1879 году при установлении утечки в крыше. В настоящее время его устройство находится в Государственном музее Ганновера; еще один находится в немецком музее в Мюнхене.

Вычислительные приборы 18-го века

Конструкции Паскаля и Лейбница послужили основой для большинства механических калькуляторов, построенных в 18-м веке. Джованни Полени создал калькулятор в 1709 году, Лепин в 1725 году, Антониус Браун в 1725 году, Джейкоб Леуполд в 1727, Хиллерин де Боистишандау в 1730 году, Герстен в 1735 году, Иаков Исаак Перейре в 1750 году, Филипп Матэус Ганом в Германии в 1773 году, Чарльз, третий граф Стэнхоуп Англии в 1775 году; Иоганн Мюллер в 1783 году, Яков Оч в 1790 году и Рейнхольд в 1792 году.

Особое внимание заслуживает Парсон Филипп Матэус Ганом (1730-1790), который в 1773 году разработал первый функциональный калькулятор, основанный на ступенчатом барабане Лейбница. Калькулятор Ганома имел набор из 12 барабанов, расположенных по кругу, приводимые в действие кривошипом, который располагался сзади по оси расположения. Ганом не успел завершить работу над машинами до своей смерти в 1790 году, однако, два его сына и его сводный брат, Иоганн Кристофер Шустер, продолжили производство скорей всего еще в 1820 году.

К концу 18-го века, счетные машины все еще считались неформатом и использовались чисто в целях отображения, а не для реального использования. Ограничения, выдвинутые технологией, сделали невозможным удовлетворить мечту Паскаля сделать практическое устройство вычисления.

Ссылки на другие источники

Интернет ресурсы



Most popular articles:


  • Photo-news blog

  • Clipart Library

  • Keywords base