Механические вычислители, машина Бэббиджа

Механические вычислители
Под механическим вычислительным устройством понимается устройство,
построенное на механических элементах и обеспечивающее автоматическую передачу
из низшего разряда в высший. Один из первых арифмометров, точнее «суммирующая
машина», был изобретен Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci, 1452–1519) около
1500 года. Правда, о его идеях никто не знал на протяжении почти четырех столетий.
Рисунок этого устройства был обнаружен только в 1967 году, и по нему фирма IBM
воссоздала вполне работоспособную 13-разрядную суммирующую машину, в которой
использован принцип 10-зубых колес.
Десятью годами раньше в результате исторических изысканий в Германии были
обнаружены чертежи и описание арифмометра, выполненные в 1623 году
Вильгельмом Шиккардом (Wilhelm Schickard, 1592–1636), профессором математики
университета в Тюбингене. Это была весьма «продвинутая» 6-разрядная машина,
состоявшая из трех узлов: устройства сложения-вычитания, множительного
устройства и блока записи промежуточных результатов. Если сумматор был выполнен
на традиционных зубчатых колесах, имевших кулачки для передачи в соседний разряд
единицы переноса, то множитель был построен весьма изощренно. В нем немецкий
профессор применил метод «решетки», когда при помощи «насаженной» на валы
зубчатой «таблицы умножения» происходит перемножение каждой цифры первого
сомножителя на каждую цифру второго, после чего со сдвигом складываются все эти
частные произведения.
Эта модель оказалась работоспособной, что было доказано в 1957 году, когда она была
воссоздана в ФРГ. Однако неизвестно, смог ли сам Шиккард построить свой
арифмометр. Есть свидетельство, содержащееся в его переписке с астрономом
Иоганном Кеплером (Johannes Kepler, 1571–1630) относительно того, что
недостроенная модель погибла в огне во время пожара в мастерской. К тому же автор,
вскоре скончавшийся от холеры, не успел внедрить в научный обиход сведения о
своем изобретении, и о нем стало известно лишь в середине ХХ века.
Эта модель оказалась работоспособной, что было доказано в 1957 году, когда она была
воссоздана в ФРГ. Однако неизвестно, смог ли сам Шиккард построить свой
арифмометр. Есть свидетельство, содержащееся в его переписке с астрономом
Иоганном Кеплером (Johannes Kepler, 1571–1630) относительно того, что
недостроенная мо-дель погибла в огне во время пожара в мастерской. К тому же автор,
вскоре скончавшийся от холеры, не успел внедрить в научный обиход сведения о
своем изобретении, и о нем стало известно лишь в середине ХХ века.
Поэтому Блез Паскаль (Blaise Pascal, 1623–1662), который первым не только
сконструировал, но и построил работоспособный арифмометр, начинал, как говорится,
с ну-ля. Блистательный французский ученый, один из создателей теории вероятностей,
автор нескольких важных математических теорем, естествоиспытатель, открывший
атмосферное давление и определивший массу земной атмосферы, и выдающийся
мыслитель, был в повседневной жизни любящим сыном президента королевской
палаты сборов. Девятнадцатилетним юношей, в 1642 году, желая помочь отцу,
тратившему много времени и сил, составляя финансовые отчеты, он сконструировал
машину, которая могла складывать и вычитать числа.
Первый образец постоянно ломался, и через два года Паскаль сделал более
совершенную модель. Это была чисто финансовая машина: она имела шесть
десятичных раз-рядов и два дополнительных: один поделенный на 20 частей, другой
на 12, что соответствовало соотношению тогдашних денежных единиц (1 су = 1/20
ливра, 1 денье = 1/12 су). Каждому разряду соответствовало колесо с конкретным
количеством зубцов.
За свою недолгую жизнь Блез Паскаль, проживший всего 39 лет, успел сделать около
пятидесяти счетных машин из самых разнообразных материалов: из меди, из
различных пород дерева, из слоновой кости. Одну из них ученый преподнес канцлеру
Сегье (Pier Seguier, 1588–1672), какие-то модели распродал, какие-то демонстрировал
во время лекций о последних достижениях математической науки. 8 экземпляров
дошло до наших дней.
Готфрид Лейбниц (Gottfried Leibniz, 1646–1716)
Именно Паскалю принадлежит первый патент на «Паскалево колесо», выданный ему в
1649 году французским королем. В знак уважения к его заслугам в области
«вычислительной науки», один из современных языков программирования назван
Паскалем.
Классическим инструментом механического типа является арифмометр (устройство
для выполнения четырёх арифметических действий), изобретённый Готфридом
Лейбницем (Gottfried Leibniz, 1646–1716) в 1673 году. Полученная в результате
напряженного поиска 8-разрядная модель могла складывать, вычитать, умножать,
делить, возводить в степень. Результат умножения и деления имел 16 знаков. Лейбниц
применил в своем арифмометре такие конструктивные элементы, которые
использовались при проектировании новых моделей вплоть до ХХ века. В XVII-XVIII
вв. сколько-нибудь значительной практической потребности в механизации
вычислительных работ не существовало. Интерес к механизации вычислений был
вызван, в частности, общефилософскими и общенаучными установками того времени,
когда законы и принципы механики рассматривались как общие законы бытия. В XIX
в. в связи с развитием промышленной революции, возникает потребность в
механизации конторских работ.
Арифмометр
Пионером серийного изготовления счетных машин стал эльзасец Шарль-Ксавье Тома
де Кольмар (Charles-Xavier Thomas de Colmar, 1785–1870). Введя в модель Лейбница
ряд эксплуатационных усовершенствований, он в 1821 году начинает выпускать в
своей парижской мастерской 16-разрядные арифмометры, которые получают
известность как «томас-машины». На первых порах они стоили недешево — 400
франков. И выпускались в не столь уж и больших количествах — до 100 экземпляров
в год. Но к концу века появляются новые производители, возникает конкуренция,
цены понижаются, а количество покупателей возрастает.
Различные конструкторы как в Старом, так и в Новом свете патентуют свои моде-ли,
которые отличаются от классической модели Лейбница лишь введением
дополнительных удобств в эксплуатации. Появляется звонок, сигнализирующий об
ошибках типа вычитания из меньшего числа большего. Наборные рычажки
заменяются клавишами. Приделывается ручка для переноса арифмометра с места на
место. Повышаются эргономические показатели. Совершенствуется дизайн.
В конце XIX века на мировой рынок арифмометров самым решительным образом
вторглась Россия. Автором этого прорыва стал обрусевший швед Вильгодт
Теофилович Однер (1846–1905), талантливый изобретатель и удачливый бизнесмен.
До того, как заняться выпуском счетных машин, Вильгодт Теофилович
сконструировал устройство автоматизированной нумерации банкнот, применявшееся
при печатании ценных бумаг. Ему принадлежит авторство машины для набивки
папирос, автоматического ящика для голосования в Государственной Думе, а также
турникетов, применявшиеся во всех су-доходных компаниях России.
В 1875 году Однер сконструировал свой первый арифмометр, права на производство
которого передал машиностроительному заводу «Людвиг Нобель». Спустя 15 лет, став
владельцем мастерской, Вильгодт Теофилович налаживает в Петербурге выпуск новой
модели арифмометра, которая выгодно отличается от существовавших на тот момент
счетных машин компактностью, надежностью, простотой в обращении и высокой
производительностью.
Чарльз Бэббидж (Charls Babbige, 1791-1871)
Спустя три года мастерская становится мощным заводом, производящим в год более 5
тысяч арифмометров. Изделие с клеймом «Механический завод В. Т. Однер, СПетербург» начинает завоевывать мировую популярность, ему присуждаются высшие
награды промышленных выставок в Чикаго, Брюсселе, Стокгольме, Париже. В начале
ХХ века арифмометр Однера начинает доминировать на мировом рынке. Таким
образом к концу XIX в. производство арифмометров становится массовым.
Однако предшественником современных ЭВМ является аналитическая машина
Чарльза Бэббиджа. Проект аналитической машины, представляющей собой цифровую
вычислительную машину с программным управлением, был предложен Бэббиджем в
30-е годы XIX века. А в 1843 г. для этой машины была создана первая достаточно
сложная машинная программа: программа вычислений чисел Бернулли, составленная
Адой Лав-лейс. Оба эти достижения были феноменальными. Они более чем на
столетие опередили своё время. Только в 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью
работ Бэббиджа на основе техники XX века — электромеханических реле — смог
построить такую машину под названием «Марк-1».