2.1.3. Механические счетные машины

Первые идеи механизировать вычислительный процесс появились еще в XVII в. Тогда профессор математики и астрономии университета в Тюбингене (Германия) Вильгельм Шиккард описал устройство и принцип действия первой счетной машины, суммирующее устройство которой является соединением зубчатых передач. Оно имело несколько осей с десятизубыми шестернями и вспомогательными однозубыми колесами для передачи десятка в следующий разряд. Однако изобретение В. Шиккарда не было реализовано. Впрочем, как оказалось позже, машина Шиккарда была не первой. В 1967 г. в Национальной библиотеке в Мадриде были обнаружены два тома неопубликованных рукописей Леонардо да Винчи. Среди чертежей имелся эскиз тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятизубыми колесами. Такая машина была построена по эскизу и оказалась работоспособной.

Тем не менее известность получила только механическая суммирующая машина знаменитого французского ученого Блеза Паскаля, изготовленная в 1642 г., которую и следует рассматривать как первую из действующих механических вычислительных машин. Числа в счетной машине Паскаля изображались с помощью счетных колес, каждое из которых представляло собой шестеренку с десятью зубцами, равномерно расположенными по окружности. Для установки цифры в каждом разряде между соответствующими зубцами установочного колеса вставлялся штифт, после чего колесо поворачивалось до неподвижного упора. Рядом с каждым зубцом гравировалась цифра, которая после поворота колеса была видна в окошке лицевой крышки машины. Таким образом, цифры изображались углами поворота вала, которые могли принимать значения, кратные 36 (угловой мере дуги, ограниченной соседними зубцами). При установке следующего слагаемого каждое счетное колесо поворачивалось на дополнительный угол в зависимости от соответствующей цифры этого слагаемого, в результате чего в каждом разряде осуществлялось сложение. Полный оборот колеса младшего разряда вызывал поворот на один зубец колеса старшего разряда, т.е. на 1/10 полного оборота. Это достигалось с помощью специального механизма переноса, что явилось существенным отличием машины Паскаля от известных в то время счетных инструментов.

Вычитание Паскаль заменил сложением с десятичным дополнением. Пусть, например, надо из 532 вычесть 87, т.е. 532 – 87 = 532 – (100 – 13) = (532 + 13) – 100 = 445. Нужно только не забыть вычесть 100. Но на машине, имеющей определенное число разрядов, об этом можно не заботиться. Действительно, пусть на 6-разрядной машине выполняется вычитание: 532 – 87. Тогда 000532 + 999913 = 1000445. Левая 1 потеряется сама собой.

Паскаль получил королевскую привилегию (патент), которая устанавливала его приоритет в изобретении и закрепляла за ним право производить и продавать машину. Паскаль изготовил небольшое количество машин и часть продал (до наших дней сохранилось восемь экземпляров). Современники ученого, восхищаясь машиной, все же находили ее сложной, ненадежной и малопригодной для практического применения.

Первые счетные машины подвергались дальнейшим усовершенствованиям, становились более сложными, однако основные черты их конструкции можно найти в скромном «паскалевом колесе».

Использование суммирующих машин для умножения было в принципе возможно, но неудобно и затруднительно. В 1670 г. немецкий ученый Готфрид Лейбниц создал первую в мире арифметическую машину, предназначенную для выполнения всех четырех действий арифметики. Основной ее деталью был ступенчатый валик, представление о котором легко получить из рисунка. Количество зубцов в поперечных сечениях валика, выполненного в виде одной детали, различно: от 9 до 1. Устанавливая шестеренку счетного механизма на сцепление с любым сечением ступенчатого валика, можно за один оборот валика вокруг оси вызвать смещение от 1 до 9 зубцов шестеренки. Предусмотрен сдвиг множимого влево на 1 разряд при умножении на очередной разряд множителя.

1.Одна установка множимого

2. Ввод множимого в счетчик одним движением ручки

Неподв. часть: 12-разрядный счетчик, ступ. валики

Подв. часть: установ. часть (8 разр.), всп. счетчик

365 365

X x

132 132

730 365

1095 365

365 . 365

48180 365

365

Обычное умножение 365 .

48180

Умножение по Лейбницу

Арифмометр Лейбница содержал уже почти все принципы работы позднейших механических арифмометров. Но, несмотря на все остроумие его изобретателя, он не получил широкого распространения из-за большой стоимости, чрезвычайных трудностей, связанных с высокой точностью изготовления деталей, что было сложно осуществить в XVII в.

Идея Лейбница была удачно использована Карлом Томасом, получившим патент на сконструированную им счетную машину. Поэтому принцип построения счетных машин, базирующийся на применении ступенчатых валиков, иногда называют принципом Томаса. Удачливый предприниматель наладил в 1820 г. в Париже производство арифмометров (до 100 штук в год), о быстродействии которых можно судить по такому факту: умножение двух восьмизначных чисел занимало около 20 секунд. Эти арифмометры имели спрос среди бухгалтеров и коммерсантов.

Первая отечественная счетная машина была изготовлена, как свидетельствует надпись, сделанная на ней, «Евной Якобсоном, часовым мастером и механиком в городе Несвиже в Литве, Минское воеводство». Это произошло во второй половине XVIII в., не позднее 1770 г. К сожалению, биографические данные о мастере Якобсоне до нас не дошли, зато машина Якобсона, находящаяся в настоящее время в коллекции научных инструментов музея им. Ломоносова в Ленинграде, сохранилась достаточно хорошо.

Машины, подобные машине Якобсона, не получили широкого распространения в вычислительной практике. Но, несмотря на это, они оказали заметное влияние на весь дальнейший ход развития вычислительной техники.

Коренное изменение произошло в XIX в., когда рост промышленности и транспорта, а также расширение коммерческой деятельности банков обусловили создание быстродействующих и надежных счетных машин. На патентные бюро, особенно в США, обрушился шквал заявок на такие изобретения. Однако действительно удачная конструкция многоразрядной клавишной суммирующей машины была предложена лишь в 1885 г. 24-летним механиком Дорром Фельтом, назвавшим свою машину комптометром. Это была первая машина, нашедшая практическое применение в США. Ее преимущества заключаются в совмещении операций установки и счета, а также в устройстве клавишного привода для чисел. К недостаткам машины следует отнести отсутствие печатающего механизма и контроля правильности ввода исходных чисел.

С этими недостатками успешно справился американский механик Уильям С. Бэрроуз, который в 1885 г. создал первую печатающую суммирующую машину. Вначале она печатала вводимые числа, суммировала их и затем выдавала результат. При наборе числа нажатые клавиши западали, что давало возможность проверить правильность набора вводимых чисел. Для осуществления сложения необходимо было повернуть приводной рычаг. Эти машины выпускались на протяжении 60 лет, начиная с 1887 г. Последние модели были усовершенствованы; приводной рычаг был заменен электромотором.

Семейство счетных машин не ограничивается описанными выше. Их список можно было бы продолжить. Однако мы остановимся только на некоторых отечественных изобретениях, получивших широкую известность.

Большой вклад в развитие счетной техники внес известный русский математик академик П. Л. Чебышев (1821 — 1894). Среди многочисленных изобретенных им механизмов имеется арифмометр, сконструированный в 1878 г., который в то время был одной из самых оригинальных вычислительных машин.

В чем же принципиальное отличие счетной машины Чебышева от предшествующих? Во всех счетных машинах до Чебышева после счета десяти единиц младшего разряда мгновенно дискретно изменялась на единицу цифра следующего старшего разряда. В предложенной Чебышевым конструкции счетчика специальная система зубчатых передач производила передачу единицы переноса непрерывно, так что следующая цифра старшего разряда появлялась постепенно, по мере увеличения числа в предыдущем разряде. Такой арифмометр был надежен и позволял увеличивать скорость счета без механических толчков, неизбежных при дискретной передаче. Предложенный Чебышевым принцип непрерывной передачи получил настоящее признание с применением электропривода. Без опасения поломок представилась возможность значительно увеличить скорость работы механических вычислительных устройств. Другим достоинством арифмометра Чебышева был автоматический перевод каретки в следующий разряд при умножении.

Наибольшее признание из всех моделей получил арифмометр, который был изобретен петербургским чиновником Вильгодтом Однером в 1874 г. Главным его элементом было колесо Однера — зубчатка с переменным числом зубцов (см. рисунок). Для каждого числового разряда в арифмометре использовалось отдельное колесо. Если установочные рычажки трех таких колес разместить, например, против цифр 3, 9, 5 на кожухе машины, то на колесах выдвинутся соответственно 3, 9, 5 пальцев. При повороте вала, на котором были укреплены колеса, выдвинутые пальцы сцеплялись с шестеренками, передавая им движение на 3, 9 и 5 зубцов. Это перемещение можно было наблюдать на цифровых колесах, находящихся в подвижной каретке арифмометра. В зависимости от направления поворота вала с колесами на арифмометре можно выполнять сложение и умножение или вычитание и деление.

Колесо Однера состоит из диска 1, который жестко закрепляется на ведущем валу и установочной шайбы 2. Эту шайбу можно вращать за выступ 3 относительно неподвижно стоящего диска, в пазах которого могут радиально перемещаться выдвижные зубья 4, имеющие штифты 5. Штифты входят в криволинейный паз 6 установочной шайбы 2. Если повернуть шайбу при помощи выступа 3 то изгиб, имеющийся приблизительно на середине паза, давлением на штифты продвинет зубья либо наружу, либо внутрь колеса. Таким образом, в зависимости от углового положения шайбы в колесе Однера изменяется число зубьев.

В 1890 г. Однер существенно улучшил конструкцию своей машины и организовал производство арифмометров на своем механическом заводе. В первый же год существования завод выпустил примерно 500 машин. В начале девятисотых годов десятки фирм под различными марками выпускали арифмометры петербургского изобретателя. И сегодня еще можно увидеть в некоторых учреждениях арифмометры «Феликс» — прямых «потомков» арифмометров Однера.

С момента (последний год XIX в.) организации в Петербурге на Васильевском острове механического завода В. Однера по производству арифмометров зародилась в России новая отрасль промышленности — производство вычислительных машин.