Техника в ее историческом развитии

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Попытки создания вычислительных машин делались давно. К началу XIX в. было предложено довольно много изобретений вычислительных машин (В. Шиккард, Б. Паскаль, Г. Лейбниц, Ф. Ган и др.). Но это были машины, которые изготовляли всего в нескольких экземплярах. Лишь в 20-х годах XIX в. в этой области наступил известный прогресс.

Впервые производство счетных машин наладил Карл Томас в Париже. В 1818 г. он сконструировал, а в 1820 г. построил счетную машину, которую назвал арифмометром. В 1821 г. в мастерских Томаса было изготовлено 15 арифмометров, затем их выпуск был доведен до 100 штук в год. До конца века предприятием Томаса было выпущено около 2 тыс. арифмометров.

В основу арифмометра Томаса были положены ступенчатые валики Лейбница, а для умножения многозначных чисел служила подвижная каретка (также предложенная Лейбницем). Машины Томаса работали с довольно большой скоростью. Например, два восьмизначных числа можно было перемножить за 15 с, а разделить шестнадцатизначное число на восьмизначное — за 25 с. Машины Томаса существенно повлияли на все последующее счетное машиностроение.

Но арифмометр Томаса имел ряд существенных недостатков: он был довольно громоздким и тяжелым, каретка передвигалась неудобно, ручка вращалась в горизонтальной плоскости и т. д. Кроме того, арифмометр был достаточно дорог. В XIX в. многие конструкторы и ученые занимались усовершенствованием арифмометра Томаса. В дальнейшем все арифмометры, работающие на основе ступенчатых валиков, стали называться томас-ма- шинами. Различные конструкции их употребляли и в XX в.

Несмотря на использование арифмометров Томаса, ощущалась необходимость в создании достаточно простой, дешевой и удобной в работе машины.

Более чем двухвековой опыт работы на счетах в России привел к тому, что счеты стали приспосабливать к возросшим требованиям вычислительной практики. Такие попытки были предприняты Ф. М. Свободским (1828 г.) и значительно позже И. Бураковым, А. Н. Больманом, Ф. В. Езерским и др. Усовершенствование счет продолжалось и в начале XX в. (А.Талалай, Б. Н. Компанейский и др.).

В XIX в. получили некоторое распространение приборы с табличной основой. Наиболее известны из них две машины 3. Я. Слонимского (1845 г.)

Машина Слонимского для сложения и вычитания была построена на простом принципе передвижения реек (передвигались дуги окружностей). Этот прибор непосредственно повлиял на счислитель петербургского учителя Куммера (1846 г.). Счислитель оказался настолько удачным, что его выпускают до настоящего времени у нас в стране и за рубежом. Такой прибор в 1891 г. во Франции выпустил JI. Труке; широко известны счетчики «Аддиатор» и т. п.

В течение всего XIX в. остро ощущалась потребность в простом и дешевом вычислительном приборе. Мы назовем только некоторые предложенные модели: арифморель (Франция, 1849 г.); прибор Арцберга (Швеция, 1866 г); самосчеты В. Я. Буняковского (1867 г.); стержень Лейиера для сложения (Германия, 1878 г.); прибор Патетина для сложения (Франция, 1885 г.).

В 1881 г. Иоффе предложил для умножения и деления счетные бруски, которые были довольно широко распространены в России.

Счетная техника до последней четверти XIX в. развивалась главным образом в двух направлениях. Первое и основное из них—создание достаточно быстродействующих счетных машин, выполняющих четыре действия и удобных в обращении. Второе — изготовление простых и дешевых машин небольшой емкости для выполнения одного—двух действий.

Уже в первой половине XIX в. была полностью разработана автоматическая вычислительная машина с программным управлением. Ее автором был английский математик Ч. Бэббидж. Идеи Бэббиджа настолько опередили возможности своего времени, что были осуществлены только в XX в. при создании электронных вычислительных машин.

Не позже 1876 г. [80]. П. Л. Чебышев создал суммирующую машину с непрерывной передачей десятков. Во всех томас-машинах и других вычислительных приборах такая передача была дискретной: когда в низшем разряде набиралось 10 единиц, следующий высший разряд сразу перемещался на одно деление. При непрерывной передаче десятков, которая осуществляется в виде планетарной передачи, колесо высшего разряда постепенно поворачивается на одно деление, пока колесо низшего разряда совершает полный оборот. В 1881 г. Чебышев изготовил приставку к суммирующей машине, с помощью которой можно было умножать и делить.

Арифмометр Чебышева существенно повлиял на дальнейшее развитие счетной техники. Принцип непрерывной передачи после Чебышева стали применять во многих счетчиках и счетных машинах. Примерами могут служить спидометр Н. Теслы, американская вычислительная машина «Мерченд», швейцарская «Директ».

В связи с применением электроприводов возрастали скорости работы малых вычислительных машин. При дискретной передаче десятков в этом случае неизбежно появлялись толчки. При непрерывной передаче ход машины плавный, что позволяло повысить скорость работы механических вычислительных устройств.

Все изготовляемые томас-маши- ны были довольно громоздкими в первую очередь потому, что для каждого разряда необходим отдельный валик Лейбница, который не удавалось сделать очень маленьким. Для уменьшения размера ступенчатые валики изготовляли не ri виде цилиндров, а только из их половинок. Но это принципиально не решало проблемы, пока не была изобретена зубчатка с переменным числом зубцов.

 В 1872 г. Ф. Болдуин получил в США патент на такую зубчатку, но наладить производство арифмометров на ее основе ему не удалось. Арифмометры с зубчаткой с переменным числом зубцов широко распространились только после появления конструкций петербургского инженера В. Т. Однера, который начал работать над ними примерно в 1873 г. Первые патенты на арифмометр Однера были выданы в 1878 г. в Германии и в 1879 г. в России. Однако производство арифмометров по этим патентам не было налажено. Все последующие годы Однер работал над усовершенствованием своего арифмометра и в 1890 г. получил патент на новый вариант. При этом основная деталь арифмометра — зубчатка с переменным числом зубцов (колесо Однера) уже в первом варианте была выполнена настолько хорошо, что в дальнейшем не претерпела изменений.

Арифмометры Однера после 1890 г. начали триумфальное шествие, их выпускали во многих странах под разными названиями («Брунсвига», «Триумфатор» и др.). Все арифмометры, в основе которых лежит колесо ©днера, стали называть однер-машинами. В России изобретение Однера открыло путь к зарождению новой отрасли промышленности — производству счетных машин. Однер-машины еще в первой четверти XX в. были основными математическими машинами.

Как мы уже говорили, развитие и совершенствование вычислительных машин в последней четверти XIX в. шло в разных направлениях.

В 1855 г. Швейд в Швеции предложил записывающую счетную машину. Запись чеканилась на специальной свинцовой пластинке. Такой способ записи был несовершенен и в дальнейшем не применялся. В 1888 г. В. Барроуз (США) получил патент на суммирующую записывающую клавишную машину, которую он построил в 1892 г. В это время начинается переход на клавишный набор чисел. Рычажный набор, который существовал почти во всех счетных машинах, имел свои недостатки. Основной из них состоял в том, что, набирая числа, легко допустить ошибку, не поставя рычаг против нужной цифры. Значительно удобнее оказался клавишный набор. В 1896г. Е.Фельт и Р. Тарран (США) сконструировали клавишную счетную машину для четырех арифметических действий, впоследствии в нее внесли усовершенствования, и можно было получать отпечатки всех вводимых чисел, промежуточных и окончательных результатов. В скором времени клавишный набор чисел стал наиболее распространенным, его начали использовать во всех типах машин.

Наряду с полной клавиатурой (для каждого разряда 10 клавиш) начали выпускать машины и с десятиклавишной клавиатурой установочного механизма, которая оказалась удобной в суммирующих машинах. Наиболее известными из таких машин были «Дальтон», «Сендестранд» (США), «Астра» (Германия) и др.

Как отмечалось выше, клавишный набор чисел может быть приспособлен к любому типу машин. Но в 1905 г. Г. Гаманн (Германия) предложил новый принцип работы машины — принцип пропорционального рычага, который был приспособлен специально к клавишному набору чисел. Идея механизма такой машины была использована Гаманном в созданной им машине «Мерседес Евклид».

Все арифмометры, на которых можно проводить умножение, выполняли это действие заменой умножения поразрядным сложением. Но еще Лейбниц высказал мысль о том, что в машинах можно осуществить другой принцип, позволяющий умножать на однозначное число одним поворотом рукоятки. В 1889 г. такой арифмометр был создан Л. Болле (Франция).

Основной деталью прибора Болле были счетные пластинки, на которых находились вертикальные столбики разной длины, вещественно изображавшие таблицу умножения. После набора множителя при вращении рукоятки соответствующие столбики толкали на определенную величину зубчатые полосы, с которыми входили в зацепление циферблаты. Таким образом, при умножении на однозначное число требовался только один поворот рукоятки, а общее число оборотов в арифмометре Болле равнялось числу цифр мнолштеля, а не сумме его цифр, как это было у всех предыдущих арифмометров.

На приборе Болле значительно сокращалось время при выполнении умножения и отчасти деления, поэтому его часто называли множительной машиной. Но арифмометр Болле имел свои недостатки. Это его довольно сложное устройство, что вело к частым неисправностям. Он был громоздок и тяжел, устанавливался на специальном столе, дорог в изготовлении. В результате этого арифмометр Болле распространения не получил. С принципиальной же точки зрения машина Болле имела существенное значение: ее можно считать переходной к настоящей счетной машине [81]. На таком же принципе несколько позже был построен арифмометр Э. Зеллинга (Германия) и получивший некоторое распространение арифмометр О. Штейгера «Миллионер» (Германия, 1893 г.), который выпускали и в начале XX в. В 20-е годы идею Болле использовал в своей пишущей счетной машине Гопкипс (США).

В конце XIX в. были созданы пишущие счетные машины: «Урания- Вега» (Германия), «Эллис» и «Мун-Гопкинс» (США) и др.

Несмотря на разнообразие машин, развитие науки и техники требовало увеличения скорости вычислений, повышения надежности работы и облегчения работы вычислителей. Арифмометры не удовлетворяли этим возросшим требованиям. Все они обладали существенными недостатками: для их работы необходимо было вращать ручку, следовательно, работа велась с малой скоростью; наличие только одного счетчика не давало возможности проводить одновременно несколько расчетов по разным параметрам и т. д.

С развитием теории электричества, а также техники слабых токов стал актуальным вопрос о применении в счетных машинах электричества. В конце XIX в. его начали использовать только как движущую силу, которая вместо ручки счетчика приводила в движение механизм. Такой электрический (или моторный) привод стали применять во всех старых типах машин; при этом значительно увеличилась скорость работы, достигая 400—500об/мип. Наиболее распространенными машинами такого типа были «Вальтер», «Архимед», «Фацит», «Мерседес Евклид» и др.

В дальнейшем стали создавать автоматические машины, которые после установки чисел должны были работать без дальнейшего' вмешательства вычислителя.

К разработке электромеханических машин изобретателей, побуждала потребность в обработке результатов переписей населения, которые с конца XIX в. стали) проводить более или менее регулярно.

В 1888 г. Г. Голлерит (США) разработал конструкцию машины (табулятор), которая была впервые применена при обработке материалов переписи населения США в 1890 г. Ее использовали при переписи в Австрии (1890 г.), Канаде (1891 г.) и других странах. На машинах Голлерита обрабатывали результаты первой Всероссийской переписи населения в 1897 г. Табулятор Голлерита широко использовали на больших предприятиях, в статистических управлениях и других организациях в начале XX в.

Как и при ручной обработке, на каждое лицо, проходящее перепись, при работе на табуляторе, Голлерита заводили счетную карточку, разделенную на колонки, соответствующие определенным вопросам. В каждой колонке пробивалась дырочка, которая соответствовала ответу на вопрос. Первоначально было предусмотрено 10 позиций для дырочек. Отверстия пробивали специальным прибором, построенным на принципе пантографа, на котором за час можно было приготовить 80 карточек. Пробитые карточки (перфокарты) в дальнейшем позволяли вести механизирован" ный подсчет.

Машина Голлерита состояла из воспринимающего пресса, сортировального ящика, счетчика и источника энергии (электрические батареи). Работа происходила следующим образом. Перфокарты укладывали на пресс над чашечками с ртутью, число которых соответствовало возможным отверстиям в карточке. К ртутным чашечкам подводился электроток. В верхней части пресса находились металлические стержни, которые, проходя через отверстия, пробитые в карточке, замыкали цепь через чашечку с ртутью и на счетчике, соответствующем данному признаку, отсчитыва- лась единица. В тех же местах, где отверстий в карточке не было, стержни не замыкали цепь. Машина позволяла также подсчитывать сочетания различных признаков.

В машине Голлерита можно было устанавливать от 40 до 120 счетчиков. За один пропуск перфокарт на машине с 80 счетчиками можно было подсчитать, например, распределение населения по восьми признакам, каждый из которых имел до десяти вариантов ответа.

Каждая ячейка сортировального ящика была закрыта крышкой. При пропуске через пресс карточки крышка соответствующей ячейки под воздействием подключающегося магнита открывалась. Карточку снимали вручную с пресса и опускали в открытую ячейку, крышку ящика закрывали.

Один человек на машине Голлерита пропускал до 1000 карточек в час, при этом карточки можно было подсчитывать сразу по нескольким признакам. Самым трудоемким процессом в машине была пробивка перфокарт, но это компенсировалось тем, что перфокарты обычно использовали неоднократно.

Голлерит создал машину, работающую на электромеханическом принципе: счетчики в ней были механическими, а управление осуществлялось электрическими импульсами. Машина Голлерита была счетно-аналитической машиной, соединявшей принцип механического счета с возможностью некоторого автоматического сопоставления и анализа. Развитие принципов, используемых в первых машинах Голлерита, легло в основу последующих разработок перфорационных вычислительных машин.

Применение машины Голлерита, а также использование электропривода в малых вычислительных машинах стало началом нового периода в развитии вычислительных машин — электрического (часто в литературе машины такого типа называют электромеханическими).

В дальнейшем табулятор превратился в счетно-пишущий автомат, и автомат вел подсчет с записью входных данных и итогов. Усовершенствованные счетно-аналитические машины стали представлять комплект из ряда отдельных машин, выполнявших массовые, специализированные операции по обработке перфокарт.

В 1904 г. счетно-аналитические машины стали использовать в заводской бухгалтерии на одном из крупных сталелитейных заводов в США, а вскоре и в крупных бухгалтериях в Германии. После первой мировой войны Германия резко увеличила это применение.

После машины Голлерита появились другие счетно-аналитические машины. Наиболее известны из них машины Пауэрса. Некоторое распространение получили машины Лангфорда, позже — Буля. Машины Пауэр- са (так же как и Голлерита) выпускали в различных вариантах. Существовали машины клавишные и без клавиш, печатавшие и не печатавшие, с горизонтальной и вертикальной сортировкой и т. п. В более поздних выпусках перфокарты пробивали при помощи электромагнита, вычислителю необходимо было только замкнуть контакт [82].

В СССР счетно-аналитические машины были впервые применены в 1925 г. в Харькове (машина Пауэрса).

Мы пока останавливались только на цифровых вычислительных машинах (ЦВМ), но вычислительные машины развивались и в виде аналоговых устройств (устройств непрерывного действия), в которых числа представлялись в виде определенных физических величин (длин, углов, электрических напряжений и т. д.).

Теория ЦВМ до XX в. играла второстепенную роль, почти все машины отражали позиционный десятиричный принцип и правила действий с целыми числами и дробями. Только в некоторых случаях (например, в машине Слонимского) требовалась более сложная теория. Отдельно стоит изобретение Бэббиджа, оценку которого можно дать только в сравнении с электронными вычислительными машинами.

В отличие от ЦВМ аналоговые машины требовали теоретического обоснования в зависимости от того, какими физическими процессами моделировались решавшиеся задачи, а также в зависимости от характера самих задач.

Вскоре после изобретения Дж. Непером логарифмов (конец XVI в.) и опубликования первых логарифмических таблиц (1614 г.) Э. Гунтер предложил логарифмическую шкалу, которую можно было использовать для производства математических операций (при помощи циркуля).

B.        Отред предложил счетный логарифмический круг. Э. Уингейт, а затем

C.        Партридж стали употреблять две одинаковые шкалы, скользящие одна относительно другой. Уже к концу XVII в. логарифмическая линейка приняла, по существу, современный вид. Счетная линейка в самых различных модификациях и в XIX в. была одним из наиболее распространенных математических инструментов. Кроме того, идея логарифмической линейки была использована во многих вычислительных машинах, например, в счетной спирали Фюллера (Германия), цилиндре Течера (США), счетных колесах Бейерле (Германия) и Виллетора (Швейцария).

В XIX в. получили распространение планиметры — устройства, позволяющие по границе плоской фигуры определить ее площадь. Первый планиметр был создан в 1814 г. немецким ученым Германном. Точность измерения уже первых образцов достигла 0,25%. Затем последовали планиметры Гонелла (1824 г.), Оппикофера ( 1827 г.), Штарке (1849 г.), Занга (1852 г.) и др.

Из большого количества планиметров следует отметить полярные планиметры А. Амслера (Германия), которые выпускались начиная с 1854 г. в течение многих десятилетий, в том числе и в XX в. В том же году, независимо от Амслера, создал свой планиметр П. А. Зарубин.

Некоторые планиметры середины XIX в. были уже фактически интегриметрами, так^ как они позволяли получать значение интеграла при движении вдоль обводимой кривой у = / (х). Во второй половине XIX в. число таких разнообразных приборов было велико. Развитие планиметров и интегриметров привело к появлению гармонических анализаторов, служащих для определения коэффициентов ряда Фурье; моменто- метров, позволяющих определить моменты разных порядков данной площади относительно данной оси; стилтьес-планиметров для вычисления интеграла Стилтьеса и других аналоговых машин.

Первую конструкцию прибора для интегрирования дифференциальных уравнений (интеграфа) создал в 1879 г. польский ученый Б. Абданк- Абаканович, хотя такую же идею высказал еще в 1836 г. Г. Кориолис.

Интеграф Абданка-Абакановича вычерчивал с помощью обводного

штифта графики первообразной функции F (х) = ^ / (х) dx. Одной из существенных деталей этого интеграфа является колесико с острым ободком, получившее впоследствии название колесика Абданк-Абакановича. В дальнейшем этот прибор неоднократно усовершенствовался, но до сих пор во всех интеграфах в качестве интегрирующего механизма употребляется это колесико.

В конце XIX в. А. Н. Крылов разработал принципы построения интегрирующего устройства и на их основе в 1911 г. построил дифференциальный анализатор.

В развитии аналоговых вычислительных машин существенную роль сыграли работы П. JI. Чебышева по теории функций, наименее уклоняющихся от нуля.

Во второй половине XIX в. создавали машины для решения различных видов алгебраических уравнений и их систем (Мемке, Вельтман и др.). Гидроинтеграторы Петровича (Югославия, 1897 г.) предназначались для исследования самых разнообразных процессов.

В течение всего XIX в. и в начале XX в. в развитии вычислительных машин основная роль принадлежала ЦВМ, несмотря на это АВМ с успехом использовались при решении специальных задач.

В XX в. на базе электронной техники наблюдается интеграция обоих направлений: создавались гибридные системы, сочетающие свойства и аналоговых и цифровых устройств.

...ТЕХНИКА эвм. Электронная цифровая вычислительная машина ЭЦВМ

К малым машинам относятся ручные арифмометры, счетно-клавишные и фактурные машины с … Электронные вычислительные машины ЭВМ. Энциклопедический словарь юного техника.

Электронные вычислительные машины ЭВМ

Она способна заменить тысячи математиков-вычислителей. Там, где людям нужны годы, вычислительные машины управляются за часы и дни.

История вычислительных машин История создания персонального...

История вычислительных машин. Первым устройством, предназначенным для облегчения вычислений, стали счеты. … В 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр...

Использование вычислительных машин (компьютеров) для расчета...

В настоящее время в отечественной и зарубежной практике вычислительные машины все в большей мере привлекаются для проведения этих расчетов.

›Водоснабжение›

 Компьютерная информация — это информация, зафиксированная...

ЭВМ — это вычислительная машина, преобразующая информацию в ходе своего функционирования в числовую форму.

Механизация и автоматизация труда архитекторов, инженеров и...

К преимуществам вычислительной машины можно отнести: высокое быстродействие, возможность запоминать колоссальный объем информации и мгновенно извлекать из своей...

›Технология и организация

Характеристика автоматизированных систем обработки экономической...

Программа вычислительной машины — преобразованная форма алгоритма, записанного на языке конкретной машины.

Рождение ЭВМ. Изобретение первого компьютера. ИНФОРМАЦИЯ...

Широко известно, что первые ЭВМ создавались для проведения расчетов в ядерной физике, в летательной и ракетной технике. … Электронно-вычислительные машины, созданные...

Зарождение научно-технической революции. Научно-техническая...

Арифмометр Паскаля усовершенствовал испанец Перейра … вычислительные машины для выполнения сложных научно-технических расчетов.

Зрелость научно-технической революции. Технический переворот в...

применение высокопроизводительных автоматических электронно-вычислительных. машин (ЭВМ) в научном производстве и других отраслях сферы умственного.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР - типовой проект вычислительного центра

— учреждение, оснащенное электронно-вычислительными машинами, размещаемое в специальных зданиях.

Микроэлектроника

Могущество электронных вычислительных машин (ЭВМ), надежность космической техники достигаются электронными устройствами, содержащими многие тысячи деталей.

Важнейшей задачей применения современных ЭВМ. Персональные...

...и внешней памяти — ведущая машина обрабатывает основной поток исследуемой информации, поступающей из … Схема локальной вычислительной сети микро-ЭВМ АРМ предприятия.

История ЭВМ. Энигма. СОЗДАНИЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

После Второй мировой войны долгое время только военные были основными заказчиками работ по созданию вычислительных машин в силу их высокой стоимости.

Автоматизация производства

И тут на помощь человеку приходит электронная вычислительная машина (ЭВМ), которую часто называют электронным мозгом; машина анализирует информацию...

Суть маркетинга, ориентированного на вертикальную нишу рынка, в...

Когда ИБМ вышла на рынок с вычислительными машин-ами общего назначения … Посредники — сбытовики ЭВМ сами обычно бывают родом из той отрасли, на которую они работают.

...Обеспечение безопасности при работе с компьютером. Вычислительная...

2 ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина. … § группа В – творческая работа в режиме диалога с ЭВМ.

Кибернетика. Норберт Винер. Книги из серии 100 Сто Великих

Существовавшие в ту пору вычислительные машины необходимым быстродействием не обладали. Это заставило Винера сформулировать ряд требований к таким машинам.

Программирование. Практические задачи математического...

Наибольшее распространение он получил в математике и в тех производственных процессах, где используются электронные вычислительные машины.