История автоматических вычислителей: механические вычислители на шестеренках

Лекция курса "Языки и методы программирования"
История автоматических вычислителей: механические вычислители на шестеренках

- Абак (ручные счеты)
- История шестеренок
- Арифмометры - механические вычислители на шестеренках

20 сентября 2023 (ранние версии: осень 2021, 2022)

Transcript

1. История автоматических
   вычислителей:
   механические вычислители на
   шестеренках
   

   View Slide

2. Программы и языки, т. е. идеи, мы
   уже начали обсуждать на
   прошлых занятиях
   Теперь поговорим о воплощениях,
   т.е. об исполнительных
   механизмах
   

   View Slide

3. Начнем издалека
   

   View Slide

4. I endeavor to give you an idea that the adding machine
   art is not quite as new as one might think. We are apt
   to think that adding machines are something very new.
   D. E. FELT, President FELT & TARRANT MFG. CO.,
   Chicago Manufacturers of the Comptometer
   1916
   

   View Slide

5. ●
   Президент успешной компании по производству
   вычислительной техники решил написать монографию по
   истории вычислительных машин
   ●
   и обращается с её страниц к своим читателям:
   «Мы привыкли думать, что вычислительные машины — это
   нечто новое. Я постараюсь донести до вас мысль, что они
   появились несколько раньше, чем мы привыкли думать.»
   ●
   …
   ●
   На дворе 1916-й год
   ●
   Компания автора монографии (D.E.Felt) производит
   механические калькуляторы
   

   View Slide

6. ●
   Потребность в воплощении вычислений существует столько
   же, сколько сама математика, т е. с древних времен.
   ●
   Практический смысл — строительство (геометрия),
   навигация (астрономия) и т. п..
   ●
   Но воплощение любых идей ограничено материальным
   базисом. В частности, элементной базой.
   ●
   С другой стороны, развитие идей открывает потребность в
   такого рода устройствах, побуждает людей их изобретать
   ●
   Развитие науки, техники, экономики обеспечивает новый
   базис для очередного поколения вычислителей
   

   View Slide

7. Материалы
   ●
   Computing before computers, под редакцией
   William Aspray, 1990
   ●
   От абака до компьютера, Р. С. Гутер
   Ю.Л.Полунов, 1981
   ●
   Mechanical arithmetic, or The history of the counting
   machine, By D. E. FELT, President FELT &
   TARRANT MFG. CO., Chicago Manufacturers of the
   Comptometer, 1916
   

   View Slide

8. Материалы
   ●
   Gears. Volume 3: A Concise History, Vincenzo Vullo,
   2020
   ●
   An Overview of the Development of Gears, Jože
   Hlebanja and Gorazd Hlebanja, публикация в
   журнале Mechanisms and Machine Science 13, 2013
   ●
   A History of Mechanical Inventions, Revised Edition,
   Abbott Payson Usher, 1954
   

   View Slide

9. Ресурсы
   ●
   Archive.org
   ●
   Library Genesis (LibGen): libgen.is, libgen.lc
   (через VPN, любое зеркало)
   ●
   Скайхаб sci-hub.ru
   ●
   Google Books books.google.com
   ●
   Остальной интернет
   

   View Slide

10. Once humans had developed the ability to count, it
    must have become necessary to have a method of
    recording numbers
    William Aspray, Computing Before Computers
    

    View Slide

11. Ручные счеты
    (абак)
    

    View Slide

12. ●
    Актуальны от времен древнего мира до нашего
    времени
    ●
    Аба́к (др.-греч. ἄβαξ, ἀβάκιον, лат. abacus) — семейство
    счётных досок, применявшихся для арифметических
    вычислений в древних культурах — Древней Греции,
    Древнем Риме и Древнем Китае и ряде других.
    ●
    Соробан — японские счеты
    ●
    Русские счеты
    ru.wikipedia.org/wiki/Абак
    

    View Slide

13. View Slide

14. Calculus
    ●
    Происхождение слова calculate
    (калькулятор, калькулировать): от римского
    calculi - название камешков для счета
    ●
    the Romans used small limestone pebbles, called
    calculi, for their abacus counters
    

    View Slide

15. View Slide

16. View Slide

17. View Slide

18. View Slide

19. View Slide

20. View Slide

21. View Slide

22. View Slide

23. View Slide

24. View Slide

25. View Slide

26. View Slide

27. View Slide

28. View Slide

29. View Slide

30. View Slide

31. View Slide

32. View Slide

33. Абак — операции — арифметика
    ●
    Сложение
    ●
    Вычитание — аналогично
    ●
    Умножение: многократное сложение или
    специальный алгоритм
    ●
    Деление: не вполне тривиальный алгоритм,
    требующий тренированной кратковременной
    памяти
    

    View Slide

34. ●
    By the thirteeth century the counters had
    changed from the simple pebbles used in
    earlier days into specially minted coinlike
    objects. They first appeared about 1200 in Italy.
    

    View Slide

35. Другие наборы-приспособления с
    ручным переносом разрядов
    

    View Slide

36. View Slide

37. View Slide

38. View Slide

39. View Slide

40. ●
    Абак (и аналоги) облегчает процесс вычислений
    ●
    Но труд по вычислениям (манипулирование
    разрядами) производит человек
    ●
    Кости только помогают зафиксировать результат
    движения мысли
    ●
    (аналогичным образом можно считать, записывая
    промежуточный результат на листке бумаги)
    

    View Slide

41. ●
    Чтобы не только фиксировать результат
    движения мысли, но и осуществлять его
    вместо человека,
    ●
    требуется некий механизм, который будет
    осуществлять движение в мире материи
    ●
    (хороший каламбур, аналогия движение —
    мысли и движение материи)
    

    View Slide

42. ●
    Чтобы понять, как мог появиться вычислительный
    механизм, нужно посмотреть, как вообще человек
    начал строить любой движущийся механизм
    ●
    Для этого нам нужно познакомиться с
    универсальным строительным блоком почти любого
    движущегося механизма, созданного человеком, —
    зубчатым колесом, т. е. шестеренкой
    

    View Slide

43. Шестеренки
    

    View Slide

44. Эпохи развития шестеренок
    ●
    Доисторические времена: от человека изобретательного до античности. Период "без
    науки". Истоия про Аристотеля и еще один миф про китайцев в этой части
    ●
    Первый научный период: от начала эллинизма, Архимед, до сообщества ученых при
    Музее Александрии (это Библиотека Александрии? Фильм Агора сюда?). Шестеренки
    появились уже почти в современном виде
    ●
    Второй период "без науки": от Александрии до Возрождения. Стагнация. Научный метод
    утерян, шестеренки не развиваются. Но появились часовщики. Возрождение. Леонардо да
    Винчи (автор его любит, очевидно, как итальянца?)
    ●
    Второй научный век: от Галиллео до современности. Становление механики как
    королевы наук. Но шестеренки первое время - пару веков продолжают стагнировать. Но
    наука постепенно развивалась и начала приходить в область шестеренок. Всякие новые
    теории, полезные для новых направлений в области шестеренок. Например, теории
    механики твердых тел. Далее про современность. Какие теории и направления основные
    вообще и актуальные сейчас. Далее в конце список важнейших трудов начиная с 1900
    года за исключением одной знаковой работы 19-го века.
    

    View Slide

45. ●
    Появление ранних прародителей зубчатых
    колес теряется во времени в веках до н.э.
    ●
    Возможно, сразу после изобретения
    гончарного круга
    ●
    Деревянные колеса для подъема воды —
    например, для орошения полей
    ●
    На водной тяге (noria) или на тяге мускульной
    силы животных или людей (sakia)
    

    View Slide

46. View Slide

47. View Slide

48. View Slide

49. View Slide

50. View Slide

51. Античность, Древняя Греция,
    Древний Рим,
    золотой век науки
    (~ начиная со второй половины
    4-го века до н.э.)
    

    View Slide

52. Архимед
    ●
    Множество приспособлений с рычагами,
    винтами, передачами, в т.ч. зубчатыми
    колесами
    ●
    Поднятие грузов («дайте мне точку
    опоры...»)
    

    View Slide

53. View Slide

54. View Slide

55. View Slide

56. View Slide

57. Водяные часы
    

    View Slide

58. View Slide

59. View Slide

60. View Slide

61. View Slide

62. Аристотель (на самом деле нет)
    ●
    На самом деле не писал о шестеренках
    ●
    Труд, на который при этом обычно ссылаются,
    принадлежит не Аристотелю
    ●
    Но и там речь скорее всего не о зубчатых
    колесах, а об обычных колесах, которые
    вращают друг друга не зубчатой сцепкой, а
    простым трением (но это не точно)
    

    View Slide

63. Temple Atomata
    ●
    («Умный Дворец»)
    ●
    todo
    

    View Slide

64. Китайская колесница
    ●
    Фигура наверху всегда указывает на юг
    ●
    Привод от колес колесницы
    ●
    Начальное положение задаётся вручную перед началом
    путешествия
    ●
    Древних образцов нет
    ●
    Но есть много текстов
    ●
    (в интернетах датируют чуть не 2700-м годом до н.э., но
    подтверждений такой датировке нет)
    ●
    Первое упоминание: 3-й век н.э.
    ●
    За 800 лет до появления магнитного компаса
    

    View Slide

65. View Slide

66. Антикитерский механизм
    

    View Slide

67. ●
    Поднят со дна в 1901-м году с останков потерпевшего
    крушение античного торгового судна
    ●
    Датировка: II век до нашей эры
    ●
    Содержал детали — бронзовые зубчатые колеса
    миниатюрных размеров с высоким качеством
    исполнения
    ●
    Интерес представляют как механические детали, так и
    надписи, которые сохранились как на самих деталях,
    так и в виде отпечатков на налипших отложениях
    

    View Slide

68. ●
    Первая попытка реконструкции на основе рентгеновских
    снимков — середина 20-го века, во многом неточная
    (содержала дифференциал, которого там в реальности не
    было)
    ●
    Очередной всплеск интереса — начало 21-го века
    ●
    Еще одно исследование — на основе «просветки»
    томографов
    ●
    Множество новых открытий — новые детали, новые
    элементы надписей и т. п.
    ●
    Основное предположительное назначение механизма —
    модель космоса, движение планет
    

    View Slide

69. View Slide

70. View Slide

71. View Slide

72. View Slide

73. View Slide

74. View Slide

75. View Slide

76. View Slide

77. View Slide

78. View Slide

79. View Slide

80. View Slide

81. View Slide

82. View Slide

83. ●
    Механизм датируют ~II век н.э.
    ●
    Сам факт наличия зубчатых колес в это время не является
    новостью
    ●
    Новостью является беспрецедентное качество исполнения
    колес, миниатюрный размер, сложность механизма
    ●
    Предполагалось, что такого уровня мастерства люди
    достигли через несколько сотен лет — уже после Средних
    Веков
    ●
    Для 19-го века такое устройство — норма, для 18-го века —
    хайтек, для более ранних периодов — невозможные
    технологии будущего
    

    View Slide

84. Средние века
    

    View Slide

85. ●
    Известные механизмы с зубчатыми
    колесами использовались, но наука особо не
    развилась
    ●
    Колеса и механизмы изготовляли «на
    глазок» без каких либо расчетов
    

    View Slide

86. Шахты
    ●
    Поздние средние века, начиная с 13-го века
    ●
    Механические устройства для: проветривания,
    вентиляции, перекачки воды, подъема грузов
    ●
    Узлы: рычаги и блоки, водяные колеса
    ●
    Передача движения: в т.ч. через зубчатые
    колеса
    ●
    Энергия: водяные колеса, мускульная сила
    людей и лошадей
    

    View Slide

87. View Slide

88. View Slide

89. View Slide

90. View Slide

91. View Slide

92. Технология изготовления шестеренок
    ●
    Способные мастера-самоучки вручную
    вырезали деревянные шестеренки
    ●
    С развитием металлургии начали делать
    литые шестеренки из железа
    

    View Slide

93. ●
    В целом, технологии были известны уже в Древнем
    Риме
    ●
    Но благодаря развитию горного дела,
    распространение получили и технологии,
    ●
    в т.ч. шестеренки (чтобы иметь возможность
    использовать станки, их нужно, как минимум,
    произвести)
    ●
    Механизмы так же использовали в сельском
    хозяйстве — например, в мельницах и для молотьбы
    

    View Slide

94. Механические часы
    ●
    Механические часы в Европе — 13-й век
    ●
    Первые версии без стрелок, только звонок
    ●
    Чтобы извещать людей о времени посещения некоего
    места
    ●
    В церкви или монастыре нужно было знать точное время
    для выполнения обязанностей.
    ●
    Поэтому механические часы появились в монастырях,
    разработали монахи
    

    View Slide

95. View Slide

96. Механические часы
    ●
    Шестеренки делали из железа
    ●
    Ковали и формировали вручную опытные
    мастера
    

    View Slide

97. Al-Jazarī
    ●
    1206
    ●
    Creates the First Recorded Designs of a
    Programmable Automaton
    ●
    (todo: про programmable automation еще
    поговорить отдельно)
    ●
    Elephant clock
    

    View Slide

98. View Slide

99. Храповик
    

    View Slide

100. View Slide

101. View Slide

102. View Slide

103. View Slide

104. Леонардо да Винчи (1452-1519)
     ●
     Идеи в чертежах опережали свое время
     ●
     Но не были ни произведены, ни
     использованы при его жизни
     ●
     Некоторые идеи были воплощены только
     через несколько столетий
     

     View Slide

105. View Slide

106. Второй «научный» период,
     от Эпохи Возрождения
     до наших дней
     (но сначала до парового двигателя)
     

     View Slide

107. Галилео Галилей (1564–1642)
     ●
     Ввод в оборот (перезапуск) научных знаний
     античных времен
     ●
     Становление механики как «царицы наук»
     ●
     (труд а начале двух новых наук)
     ●
     Возродил научный метод
     

     View Slide

108. ●
     Строил установки для экспериментов — научные
     приборы (использовал шестеренки)
     ●
     Маятниковые часы (прибор для измерения времени,
     управлялся не только весом, но и маятником, который
     «делит время на части»)
     ●
     Появление маятниковых часов - большой шаг в
     истории производства шестеренок
     ●
     Часы устанавливали в публичных зданиях: примерно
     после 1673
     ●
     Прототип Галилео — 1649
     

     View Slide

109. View Slide

110. ●
     После появления и распространения
     фундаментальных трудов, определивших
     лицо современной механики
     ●
     Первые попытки применить эти знания
     конкретно в области зубчатых колес
     ●
     Были проведены исследования и расчеты
     оптимальной формы зуба для колеса,
     используя методы математического анализа
     

     View Slide

111. ●
     Однако, долгое время (примерно 200 лет) научные труды
     носили чисто умозрительный характер и не внедрялись в
     практику
     ●
     Не в последнюю очередь потому, что мастера от
     производства не обладали достаточными знаниями, чтобы
     понять смысл этих научных трудов, тем более применить их
     на практике
     ●
     Но и ученые со своей стороны «добавляли жару»: например,
     некоторые важные труды были опубликованы на латыни
     

     View Slide

112. Часовая пружина
     ●
     Механическая «батарейка»
     ●
     Начало 16-го века
     ●
     Появление сначала портативных настольных часов
     ●
     Появление карманных часов
     ●
     Миниатюризация механизмов, в т.ч. шестеренок,
     ●
     Совершенствование технологий производства шестеренок,
     еще большее их распространение в качестве типового
     строительного блока
     

     View Slide

113. View Slide

114. View Slide

115. View Slide

116. View Slide

117. Карманные часы
     ●
     Появились благодаря применению пружин, которые обеспечивают
     движение для небольшого механизма, умещающегося в кармане
     ●
     Изобретение приписывают Питеру Хенлейну (Peter Henlein) —
     часовщику из Нюрнберга (Германия)
     ●
     (ссылка на его работу — 1511 год)
     ●
     Его достижение — создание механизма, движимого пружиной,
     который может уместиться в кармане
     ●
     Но известно минимум две версии часов на пружине,
     предшествовавших работе Хенлейна (возможно, не карманных?)
     ●
     300 лет (1500-1800) производство часов — обычных и карманных —
     важное направление в развитии механики (в т.ч. шестеренок)
     

     View Slide

118. View Slide

119. ●
     Измерительные приборы
     ●
     Научные приборы
     ●
     Карманные часы
     ●
     Хронометры для морской навигации
     (повышенные требования к точности и
     надежности)
     

     View Slide

120. View Slide

121. View Slide

122. Механические вычислители
     

     View Slide

123. Вильгельм Шиккард
     ●
     1592 — 1635
     ●
     Германия
     ●
     Ученый, астроном,
     математик, востоковед
     ●
     ru.wikipedia.org/wiki/Ши
     ккард,_Вильгельм
     

     View Slide

124. ●
     20 сентября 1623 Вильгельм Шиккард написал Иоганну
     Кеплеру (оригинал — на латыни):
     «То, что ты сделал путём логики, я только что
     попробовал сделать при помощи механики. Я
     сконструировал машину, которая состоит из одиннадцати
     полных и шести неполных зубчатых колес; она ведет
     мгновенный и автоматический счёт с заданными
     числами, она складывает, вычитает, умножает и делит.
     Ты бы разразился хохотом, наблюдая за тем, как машина
     копит и внезапно переносит десятки или сотни налево или,
     наоборот, делает противоположное при вычитании...»
     

     View Slide

125. ●
     On September 20, 1623, Schickard wrote to Kepler saying
     that:
     «what you have done in a logistical way (i.e., by
     calculation), I have just tried to do by mechanics. I have
     constructed a machine consisting of eleven complete and six
     incomplete (actually "mutilated") sprocket wheels which
     can calculate. You would burst out laughing if you were
     present to see how it carries by itself from one column of
     tens to the next or borrows from them during subtraction.»
     

     View Slide

126. View Slide

127. View Slide

128. View Slide

129. View Slide

130. View Slide

131. ●
     Статья Бруно Барона фон Фрейтага Лорингоффа с текстом письма и
     эскизами устройства:
     doi.org/10.1002/phbl.19580140804
     onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/phbl.19580140804
     pdf: onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/phbl.19580140804
     ●
     Wilhelm Schickard (биография и подробности)
     mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Schickard/
     ●
     Die "Rechen-Uhr" (вычислительный метр или вычислительные часы; фотки и
     ссылки — на немецком)
     uni-tuebingen.de/fakultaeten/mathematisch-naturwissenschaftliche-
     fakultaet/fachbereiche/informatik/fachbereich/geschichtliches/schickards-
     rechenmaschine/
     ●
     Как выглядел первый в мире калькулятор? Машина Шиккарда
     habr.com/ru/articles/736758/
     

     View Slide

132. ●
     Большое впечатление на Кеплера произвело открытие
     Джоном Непером логарифмов. Кеплер даже написал
     Вильгельму Шиккарду: "какой-то шотландский дворянин
     придумал способ превратить все умножения и деления в
     сложения и вычитания", но позже заметил, что
     сомневается, что это будет работать должным образом.
     Примерно через год он перечитал материал и стал пришел
     в такой восторг, что написал Неперу письмо (впрочем, тот
     уже был мертв). Именно результаты работ Непера
     использовались в машине Шиккарда
     ●
     Умножение производится с помощью т.н. "палочек Непера"
     

     View Slide

133. Блез Паскаль
     ●
     1623 — 1662
     ●
     Франция
     ●
     математик, механик, физик,
     литератор, философ и теолог
     ●
     один из основателей
     математического анализа,
     теории вероятностей и
     проективной геометрии
     ●
     ru.wikipedia.org/wiki/Паскаль
     %2C_Блез
     

     View Slide

134. ●
     Происходил из знатной семьи
     ●
     В 19 лет спроектировал свою первую вычислительную
     машину
     ●
     Отдал чертежи рабочим на производство
     ●
     Но они не справились
     ●
     Пришлось самому учиться механике, в т.ч. кузнечному
     делу для производства металлических деталей
     ●
     Экспериментировал с шестеренками
     ●
     Делал из слоновой кости, дерева, меди и других
     материалов
     

     View Slide

135. View Slide

136. View Slide

137. View Slide

138. View Slide

139. View Slide

140. ●
     Получил патент на эксклюзивное производство и
     продажу устройства во Франции
     ●
     Коммерческие не преуспел (todo: выяснить
     подробности)
     ●
     Но в процессе разработал множество узлов,
     которые применяются и по сей день
     ●
     Те образцы машин, что сохранились, работают
     плохо и скорее всего работали так же плохо уже в
     те времена — слишком нежный и капризный
     механизм для технологий того времени
     

     View Slide

141. Готтфред Вильгельм
     Лейбниц
     ●
     1646 — 1716
     ●
     Германия
     ●
     Важнейшая роль в становлении
     механики, математики, физики,
     вообще современной науки
     ●
     Интегральное и
     дифференциальные исчисления
     (вместе с Ньютоном)
     ●
     И т. д. и т. п.
     

     View Slide

142. ●
     Роль в становлении науки и техники оказала
     непосредственное влияние на развитие в т.ч.
     зубчатых колес и механизмов вообще
     ●
     Но кроме фундаментальных вещей обратим
     внимание на отдельное частное изобретение —
     непосредственно автоматический вычислитель
     ●
     (один из первых в истории вообще)
     ●
     Механический калькулятор Лейбница
     ●
     Главный компонент калькулятора: Колесо Лейбница
     

     View Slide

143. View Slide

144. View Slide

145. ●
     Начал с того, что старался приделать к машинке
     Паскаля приставку для умножения
     ●
     В конечном итоге сделал свой умножитель
     ●
     Встретил те же проблемы, что и Паскаль: плохие
     материалы, плохие мастера
     ●
     Но в конечном итоге нашел хорошего французского
     часовщика (Оливье)
     ●
     Объяснил задачи, производством занялся мастер
     ●
     Машина собрана летом 1674
     ●
     Сейчас хранится в музее в Ганновере
     

     View Slide

146. Колесо Лейбница
     ●
     Главная часть калькулятора Лейбница
     ●
     Механика сложения внутри одного разряда
     ●
     Колесо Лейбница
     www.youtube.com/watch?v=H1nz7kMfkMU
     

     View Slide

147. View Slide

148. View Slide

149. View Slide

150. View Slide

151. View Slide

152. View Slide

153. View Slide

154. View Slide

155. View Slide

156. View Slide

157. View Slide

158. View Slide

159. View Slide

160. View Slide

161. View Slide

162. View Slide

163. View Slide

164. View Slide

165. View Slide

166. View Slide

167. View Slide

168. View Slide

169. View Slide

170. Сложить два числа:
     ●
     Циферблат для ввода перемещает колесо с зубами
     переменной длины по горизонтальной оси под
     соответствующую введенной цифре позицию
     передаточной шестеренки
     ●
     Исходная позиция: на табло «0»
     ●
     Выставить слагаемое-1 на циферблате, провернуть ручку:
     число появится на табло
     ●
     Выставить слагаемое-2 на циферблате, провернуть ручку:
     сумма слагаемое-1 + слагаемое-2 появится на табло
     

     View Slide

171. Операции с многоразрядными
     числами
     ●
     Ряд колес — по колесу на десятичный разряд
     ●
     Перенос разряда после полного проворота с
     младшего колеса на старшее колесо
     ●
     (от младшего колеса к старшему колесу
     сцепление идет через один зуб)
     

     View Slide

172. ●
     Сложение: в сущности — повторение операции
     переноса «костей» внутри разряда, которую при
     использовании абака вручную осуществляет человек
     (здесь вариативность достигается при помощи
     специального зубчатого колеса с зубами переменной
     длины)
     ●
     Вычитание: провернуть колесо в противоположную
     сторону
     ●
     Умножение: выставить множитель-1 на табло,
     провернуть колесо несколько раз (количество
     проворотов — множитель-2)
     

     View Slide

173. View Slide

174. View Slide

175. View Slide

176. Развитие элементной базы
     

     View Slide

177. ●
     Ранние вычислители не производились массово,
     ●
     в большей степени были любопытными
     экспериментами, чем средствами реальной
     автоматизации
     ●
     Не в последнюю очередь потому, что их
     изготовление на базе имеющихся технологий
     требовало большого количества ручного труда, при
     том, что детали требовали высокой точности
     ●
     Устройства работали не очень надежно, могли
     заедать в процессе
     

     View Slide

178. ●
     Ситуация стала меняться с развитием технологий
     ●
     Например, производство миниатюрных
     карманных часов повышало искусство
     производства миниатюрных и точных шестеренок
     ●
     Но долгое время этого было всё равно не
     достаточно
     

     View Slide

179. Джеймс Ватт (1736–1819)
     ●
     Изобрел паровой двигатель
     ●
     Мощность в Ваттах измеряют в честь него
     ●
     (он же предложил измерять в лошадиных силах)
     ●
     Для начала использовали для подъема воды из
     шахт
     ●
     (понятно, что вместе с шестереночным
     механизмом)
     

     View Slide

180. ●
     1784: мукомольная компания Абион (Abion)
     купила паровую машину Ватта
     ●
     машина крутила 20 жерновов
     ●
     построили за 4 года
     ●
     в 1788 году церемония запуска
     

     View Slide

181. Это успех
     ●
     Промышленная революция
     ●
     Прядильные станки, ткацкие станки с паровым приводом
     ●
     Поезда, пароходы, паровые турбины высокого давления
     ●
     (ближе к 20-му веку: электрический двигатель, двигатель
     внутреннего сгорания и т.д.)
     ●
     Повышенные требования к шестеренкам по качеству и
     нагрузке
     ●
     Наука применяется к практике
     

     View Slide

182. View Slide

183. Промышленная революция
     ●
     Станки для автоматического вырезания шестерней разных
     форм
     ●
     Технологии изготовления недорогих и качественных зубчатых
     колес становятся доступны для изобретателей и бизнесменов
     ●
     Зубчатое колесо — стандартный строительных блок для
     всевозможных изобретательских конструкций
     ●
     (как сейчас микроконтроллер, стимпанк)
     ●
     Появляются механические вычислители, нацеленные на
     массовый коммерческий рынок
     

     View Slide

184. Шарль Ксавье Тома де Кольмар
     (1785 — 1870)
     ru.wikipedia.org/wiki/Кольмар,_Шарль_Ксавье_Тома_де
     history-computer.com/thomas-colmar-complete-biography
     ●
     Сотрудник французской страховой компании
     ●
     В 1820-м году создал свою модель арифмометра
     ●
     Принципы работы основаны на принципах работы
     калькулятора Лейбница с рядом улучшений
     ●
     Первая модель арифмометра, производившаяся массово и
     имевшая коммерческий успех.
     ●
     Коммерциализация: ~1852 год
     

     View Slide

185. View Slide

186. ●
     Although it had been available to the general public from
     the early 1820s, the early versions were not all that popular.
     ●
     The expense of the machine, combined with a lack of
     advertising, resulted in few sales until the machine was
     exhibited in the Paris Exposition of 1867.
     ●
     It was so far superior to the one other calculator exhibited
     that it won praise from the judges and finally became quite
     popular for both business and scientific calculations.
     

     View Slide

187. ●
     После первого коммерческого успеха стали
     появляться в большом количестве
     аналогичные устройства — клоны, вариации,
     улучшения
     

     View Slide

188. Frank S. Baldwin
     ●
     The true variable-toothed gear appeared in both Europe
     and America at about the same time.
     ●
     In America Frank S . Baldwin managed in 1873 to construct
     a model of a calculating machine, based on his invention of
     a variable-toothed gear.
     ●
     He immediately applied for a patent on the idea that, when
     granted in 1875 , resulted in the device becoming known as
     "Baldwin's 1875 machine" (Figure 1 .29) .
     

     View Slide

189. View Slide

190. ●
     Ранние калькуляторы хорошо подходили для научных
     вычислений, но не очень хорошо подходили для
     коммерческого применения, в котором часто
     требовалось складывать числа из больших списков
     ●
     С коммерческим внедрением сразу зашла речь о
     сокращении времени на ввод данных, сэкономленных
     секундах на операцию
     ●
     Т.е. о повышении производительности труда при
     использовании калькуляторов «на потоке»
     ●
     Появление аппаратов с кнопочным вводом данных
     

     View Slide

191. ●
     Dorr E. Felt managed to invent several different mechanical
     arrangements that he thought might solve most of the problems
     inherent in a key-driven adding machine. Unable to afford to have his
     ideas properly constructed from metal, he built his first prototype from
     rubber bands , meat skewers, staples, bits of wire, and an old
     macaroni box for the casing (Figure 1.32).
     ●
     Felt set up a partnership with a man named Robert Tarrant in 1887
     and the pair of them started producing commercial quantities of
     "Comptometers. " The success of their key-driven model (Figure
     1.33) was so spectacular that no other key-driven adding machine
     was able to compete with it until after 1912
     

     View Slide

192. View Slide

193. «Приставки» с умножением и делением
     ●
     One of the next major advances in the production of calculating mac
     hines was the incorporation of special devices to automate the
     operations of multiplication and division.
     ●
     These developments actually took place simultaneously with the
     Baldwin and Odhner inventions , but they were generally incorporated
     into machines based on the older Thomas de Colmar design.
     ●
     In all earlier machines it was necessary to perform multiplication by a
     series of repeated addition operations.
     ●
     This usually required the operator to tum the machine's crank as many
     times as was represented by the sum of the digits of the multiplier.
     

     View Slide

194. ●
     Typical, and perhaps most popular, of these automatically
     multiplying machines was the "Millionaire" ( Figure 1.34)
     invented by Otto Steiger of Munich in the early 1890s.
     ●
     Steiger started manufacturing the Millionaire in Zurich and,
     because of its speed and reliability, it was soon being sold to
     scientific establishments throughout Europe and America. Its
     popularity lasted until 1914, when the First World War
     interrupted the organization of sales and support.
     

     View Slide

195. View Slide

196. Арифмометр Чебышева (1821-1894)
     ●
     Первая версия — 1850-е
     годы
     ●
     Сложение
     ●
     Вычитание
     ●
     Множительная и
     делительная приставки
     www.tcheb.ru
     

     View Slide

197. ●
     Во времена Пафнутия Львовича Чебышева счётные машины с прерывным
     изменением цифр обладали ещё значительными конструктивными
     недостатками (арифмометр Однера появился позднее), и это побудило
     Чебышева к созданию арифмометра непрерывного действия. Если в
     машинах с прерывным изменением цифр суммы колесо высшего разряда
     продвигается сразу на одно деление, когда колесо низшего разряда
     переходит с 9 на 0, то при непрерывной передаче колесо высшего разряда
     постепенно поворачивается на одно деление, пока младшее совершает
     полный оборот.
     ●
     Было изготовлено две модели арифмометра, выполняющего сложения и
     вычитания. Первая хранится в Музее истории Санкт-Петербурга (в 2010
     году экспонировалась в комендантском доме Петропавловской крепости),
     вторая, доработанная, хранится в Musée des arts et métiers du
     Conservatoire national des arts et métiers (Париж, Франция). Ко второй
     модели уже после её создания Чебышев конструирует дополнительный
     механизм, позволяющий выполнять умножение и деление.
     ●
     tcheb.ru/arithmometer-first-model/
     

     View Slide

198. ●
     Арифмометр Чебышева не получил широкого распространения, т.к. учёный
     имел в виду продемонстрировать принцип работы, а не создать удобный к
     использованию аппарат. После изобретения колеса Однера появились
     великолепные арифмометры, известные многим жившим в СССР под
     названием «Феликс». Однако при переходе к электрическим счётным
     устройствам и, соответственно, увеличении скорости счёта прерывистое
     движение влекло сильные толчки. на этом этапе, в середине XX века, и
     понадобились идеи, которые заложил Пафнутий Львович в свой
     арифмометр почти за век до этого.
     ●
     Устройство арифмометра основано на планетарной передаче. При движении
     любого барабана на одно деление цифровой круг этого же разряда
     поворачивается на единицу. При этом все более правые цифровые круги
     остаются на месте. Цифровой круг разряда, расположенного левее
     поворачиваемого, смещается на 1/10, следующий слева круг — на 1/100 и
     так далее. Хорошее описание парижского арифмометра и его принципа
     работы дано в статье В.Г. Бооля.
     ●
     Читать полностью: tcheb.ru/arithmometer-first-model/
     

     View Slide

199. Вильгодт Теофил Однер
     ●
     1845 — 1905
     ●
     Русский механик шведского происхождения
     ●
     Родился в Швеции, в 1868 приехал в Россию
     ●
     Устроился техником на завод Нобеля
     ●
     ru.wikipedia.org/wiki/Однер,_Вильгодт_Теофил
     ●
     ru.wikipedia.org/wiki/Арифмометр_Однера
     

     View Slide

200. Арифмометр Однера
     ●
     В 1871 году на заводе Нобеля Однеру
     поступает задание на ремонт арифмометра
     Тома де Кольмара
     ●
     Отремонтировал, разобрался, придумал
     собственную конструкцию
     ●
     В 1877 году на заводе Нобеля выпущен
     первый арифмометр Однера
     

     View Slide

201. View Slide

202. View Slide

203. ●
     В 1878—1890 годах Однер совершенствовал и
     запатентовал свою машину в нескольких странах
     ●
     В 1890 году было открыто производство в России
     ●
     В 1891 году — производство в Германии
     ●
     В 1892 году германское производство было продано
     и впоследствии выпускало клоны арифмометров
     Однера под торговой маркой Brunsviga (город
     Брауншвейг)
     

     View Slide

204. ●
     После Октябрьской революции 1917 года предприятие
     Однера было национализировано
     ●
     наследники Однера репатриировались в Швецию и
     создали новое производство, продавая арифмометры под
     торговой маркой Original-Odhner («подлинный Однер»).
     ●
     В 1924 году петербургский завод Однера был перенесен в
     Москву и продолжил выпуск клона арифмометра Однера
     под торговой маркой «Феликс».
     

     View Slide

205. XX век
     

     View Slide

206. ●
     С развитием торговли и производства появился
     запрос на счётные механизмы
     ●
     Компания Брунсвига (Brunsviga) начала
     производить арифмометры в 1892 и произвела
     свой 20-тысячный калькулятор в 1912
     

     View Slide

207. Кассовые аппараты
     ●
     Автоматически суммировали пробитые за день
     покупки
     ●
     Общую выбитую сумму в конце дня можно было
     сравнить с количеством наличности в кассе
     ●
     Понравился налоговой службе, позднее вышел закон,
     обязывающий использовать кассовые аппараты в
     магазинах
     ●
     Смешанное управление: от электричества и от
     механической ручки
     

     View Slide

208. View Slide

209. View Slide

210. View Slide

211. Арифмометр «Феликс»
     ●
     Cамый распространённый в СССР арифмометр
     ●
     Модификация арифмометра Однера
     ●
     Изменения в сторону упрощения и удешевления
     ●
     Выпускался с 1929 по 1978 годы
     ●
     Общий тираж несколько миллионов
     ●
     Множество модификаций
     ●
     Заводы в Москве, Курске, Пензе
     ●
     ru.wikipedia.org/wiki/Феликс_(арифмометр)
     

     View Slide

212. View Slide

213. View Slide

214. Преемственность
     ●
     Паскаль (1642, на публике — 1645) →
     ●
     Лейблиц (1673) →
     ●
     де Кольмар (1820, коммерциализация — 1852) →
     ●
     Однер (1877) →
     ●
     «Феликс» (1929 — … )
     

     View Slide

215. ●
     Перечисленные вехи — не просто
     последовательность проектов, отсортированная
     по дате, чтобы отдать должное историческим
     деятелям, кто что изобрел раньше кого.
     ●
     В цепочке Паскаль => Лейбниц => Кольмар =>
     Однер => «Феликс» каждое последующее звено
     является прямым и подтвержденным развитием
     предыдущего.
     ●
     Цепочка из 5 звеньев по времени растянулась
     на 300 лет.
     

     View Slide

216. ●
     Проблема ранних проектов была в том, что для массового
     серийного производства еще не было созревшей элементной
     базы.
     ●
     Не было технологий, позволявших надежно, точно и дешево
     изготовлять миниатюрные шестеренки (речь не только о
     серийном производстве — дошедшие до современности живые
     образцы счетных машин довольно ненадежны в процессе
     применения).
     ●
     Но на уровне общих идей и конкретных конструкционных
     решений они пережили своё время — основные принципы
     работы и отдельные узлы применялись в доработанном виде или
     как есть без изменений в коммерческих проектах 19-20-го веков,
     когда дозрел технологический и экономический базис
     производства.
     

     View Slide

217. Curta
     ●
     ru.wikipedia.org/wiki/Curta
     ●
     Карманный арифмометр,
     ●
     выпущен в 1948 году.
     ●
     Создатель — австрийский инженер Курт Херцштарк.
     ●
     Curta представляла собой небольшой цилиндр,
     помещающийся в руке.
     ●
     Могла производить операции сложения, вычитания,
     умножения, деления.
     

     View Slide

218. View Slide

219. View Slide

220. Curta
     ●
     ru.wikipedia.org/wiki/Curta
     ●
     Машина выпускалась с 1948 по 1970 год в Лихтенштейне фирмой Contina AG,
     произведено порядка 140 тыс. единиц.
     ●
     Широко использовалась как портативное вычислительное устройство. «Курта»
     работала долго и надёжно, но при поломке её было практически невозможно
     собрать без заводской оснастки; из 3% арифмометров, вернувшихся на завод,
     немалая доля приходила в разобранном виде.
     ●
     Машина Curta 1 имела 8 разрядов слагаемого, 6 разрядов на счётчике оборотов,
     11 разрядов результата и весила 230 г. Curta 2 — 11 разрядов слагаемого, 8
     разрядов на счётчике оборотов, 15 разрядов результата, 373 г.
     ●
     Механический ручной калькулятор, изобретённый узником концлагеря
     habr.com/ru/post/683542/
     

     View Slide

221. Итого
     

     View Slide

222. ●
     Феликс и другие механические и аналоговые
     вычислители (логарифмическая линейка)
     ●
     Были распространены еще не очень давно
     ●
     Ими пользовались, когда электронные
     вычислители уже появились, но всё еще были
     слишком дороги
     ●
     Механические вычислители стали вытеснять
     дешевые массовые калькуляторы
     ●
     Потом персональные компьютеры, т. е.
     электронные вычислительные машины
     

     View Slide

223. ●
     Механические вычислители прошли путь от
     единичных экземпляров (научных «игрушек»)
     до массового коммерческого продукта
     ●
     Технологический фундамент здесь — зубчатое
     колесо, которое развивалось самостоятельно
     под действием других обстоятельств
     ●
     Успех вычислителей на тот момент —
     побочный продукт от успеха шестеренок
     

     View Slide

224. ●
     Механические калькуляторы автоматизировали
     вычисления, но очень малую часть
     ●
     Процесс подразумевает вовлечённость человека
     ●
     Арифметические операции: сложение, вычитание,
     умножение, деление
     ●
     Логические автоматы [здесь не рассматривали] —
     пока просто любопытные курьезы без действительной
     практической пользы, в лучшем случае —
     развлечение
     

     View Slide

225. Далее:
     разделение программы и
     исполнительного механизма,
     автоматизация вычислений
     

     View Slide