Кто в 1642 году изобрел механическую счетную машину
Счетная суммирующая машина Блеза Паскаля – это изобретение, удивившее современников, но так и не нашедшее свой круг клиентов. Механизм, в основе имеющий зубчатые колесики, считается одним из прародителей калькулятора.
«Паскалина»: история возникновения
Создание одной из самых ранних моделей суммирующих машин принадлежит французскому физику и математику Блезу Паскалю. Отец Паскаля был сборщиком налогов, поэтому уже в 19 лет будущий ученый видел, как производятся разные счетные операции. Уже в этот период создаются первые чертежи «Паскалины». Всего на окончательную разработку аппарата ушло 5 лет.
В теории механизм Паскаля был достаточно прост в применении, но из-за слабого развития технической стороны осуществление плана ученого стало сложной задачей, для которой пришлось преодолеть множество трудностей.
Блез хотел, чтобы его суммирующая машина упростила произведение любых сложных расчетов, как человеку образованному, так и тому, кто мало что понимал в арифметике. Паскаль затронул важную проблему, касающуюся не только его семьи, а и развития науки ХVII века.
На протяжении 10 лет исследователь создал более 50 счетных машин, однако лишь малую долю своих изобретений он смог продать. Один из первых готовых аппаратов Паскаль отдал канцлеру Сергье как благодарность за его помощь в научной деятельности молодого Блеза.
Что такое счетная машина Блеза Паскаля?
Использование оборотов колеса для процесса сложения не был новшеством в научной деятельности Паскаля, так как эту идею озвучил еще в 1623 году Вильгельм Шиккард. А действительно изобретением Блеза считается перенос остатка в следующий разряд при полном вращении шестеренки.
В первых «паскалинах» было по пять зубчатых колесиков, а уже с дальнейшей модернизацией технологии в механизме их число доходило до восьми штук, что позволяло работать с большими числами (до 9999999).
Этот механизм активно использовался в разных технических приборах до ХХ века. Его преимуществом было умение автоматического складывания многозначных чисел самим прибором.
Исследователи истории возникновения счетных механизмов считают, что Паскаль создал свою суммирующую машину практически с нуля, так как не был ознакомлен с проектом Шиккарда.
Прибор удивил современную науку, однако из-за высокой стоимости и сложности в эксплуатации так и не смог обрести свою аудиторию. Все же изобретение Паскаля внесло огромный вклад в историю развития вычислительной техники.
Суммирующая машина Паскаля
Суммирующая машина Паскаля — арифметическая машина, изобретённая французским учёным Блезом Паскалем.
История
Француз Блез Паскаль начал создавать суммирующую машину «Паскалину» в 1642 году в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и часто выполнял долгие и утомительные расчёты.
Машина Паскаля представляла собой механическое устройство в виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками. Складываемые числа вводились в машину при помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду числа, были нанесены деления от 0 до 9. При вводе числа, колесики прокручивались до соответствующей цифры. Совершив полный оборот, избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию. Первые варианты «Паскалины» имели пять зубчатых колёс, позднее их число увеличилось до шести или даже восьми, что позволяло работать с большими числами, вплоть до 9999999. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса. Вращение колёс было возможно лишь в одном направлении, исключая возможность непосредственного оперирования отрицательными числами. Тем не менее, машина Паскаля позволяла выполнять не только сложение, но и другие операции, но требовала при этом применения довольно неудобной процедуры повторных сложений. Вычитание выполнялось при помощи дополнений до девятки, которые для помощи считавшему появлялись в окошке, размещённом над выставленным оригинальным значением.
Несмотря на преимущества автоматических вычислений использование десятичной машины для финансовых расчётов в рамках действовавшей в то время во Франции денежной системы было затруднительным. Расчёты велись в ливрах, су и денье. В ливре насчитывалось 20 су, в су — 12 денье. Использование десятичной системы в не десятичных финансовых расчётах усложняло и без того нелёгкий процесс вычислений.
Тем не менее, примерно за 10 лет Паскаль построил около 50 и даже сумел продать около дюжины вариантов своей машины. Несмотря на вызываемый ею всеобщий восторг, машина не принесла богатства своему создателю. Сложность и высокая стоимость машины в сочетании с небольшими вычислительными способностями служили препятствием её широкому распространению. Тем не менее, заложенный в основу «Паскалины» принцип связанных колёс почти на три столетия стал основой для большинства создаваемых вычислительных устройств.
Машина Паскаля стала вторым реально работающим вычислительным устройством после Считающих часов Вильгельма Шикарда (нем. Wilhelm Schickard ), созданных в 1623 году.
Переход Франции в 1799 году на метрическую систему коснулся также её денежной системы, которая стала, наконец, десятичной. Однако, практически до начала 19-го столетия создание и использование считающих машин оставалось невыгодным. Лишь в 1820 году Шарль Ксавье Тома де Кольмар запатентовал первый механический калькулятор, ставший коммерчески успешным.
История появления счётных машин
С древних пор человек задумывался, как легче и быстрее выполнять различные вычисления.
Русские счёты в отличие от > и > полностью основаны на десятичной системе счиcления. Они появились как усовершенствование своеобразного абака и распространились в России с ХVI века.
Во время Отечественной войны 1812 г. русскими воинами был взят в плен французский математик Понселе (1788-1867). В плену он продолжал заниматься математикой и познакомился с русскими счётами. Они показались ему таким совершенным прибором, что после освобождения он увёз на родину один прибор. С этого времени во французских школах русские счёты стали использовать при обучении детей.
Первооткрыватели механических счётных машин.
Машины с >
Прочитав названия этих машин, мы удивились и начали исследование исторических основ создания таких машин. Это привело нас в ХVIII в. в Англию, где в результате полувекового поиска были созданы первые прядильные и ткацкие станки. Началось бурное развитие ткацкого производства, и развитие ткачества вызвало к жизни двигатель, а появление механических паровых двигателей способствовало развитию горно-добывающей промышленности. Это вызвало быстрый прогресс техники и науки. Необходимо было построить крупные здания, развить транспортные средства и создать быстродействующие механизмы. С этой целью нужно было выполнять много сложных расчётов. Стали изобретать приборы, таблицы, счётные машины. Но они были далеки от совершенства. Наука и техника требовали ускорять выполнение расчётов. Изобретатели стали учить машины считать быстрее: поставили на них моторы, усовершенствовали управляющие устройства и пр. Но жизнь требовала ещё больших скоростей, так как количество вычислений росло не по дням, а по часам. Когда мы смотрим прогноз погоды на следующие дни, мы не задумываемся, как его делают. Оказывается, при расчете погоды требуется ежедневно выполнять около 3 миллионов математических операций т.е. столько, что их не успевает выполнить коллектив в 1000 человек за рабочий день.
А при запуске ракеты в космос? Чтобы выправить отклонение ракеты в полете необходимо произвести многочисленные сложные расчеты, почти мгновенно. Вот почему потребовались счётные машины, которые могут выполнять сложные расчеты почти мгновенно.
И снова история уносит нас в далёкий 1883 г. в Англию и знакомит нас с английским математиком, естествоиспытателем, инженером и изобретателем Чарлзом Беббиджем (1791-1871).
Он приступил к разработке проекта и постройке механической быстродействующей программирующей вычислительной машины.
Она должна была по команде автоматически определять последовательность операций и работать по заранее составленной программе, которая представляла собой полосу картона с пробитыми в ней отверстиями, то есть перфокарту.
Ч.Беббидж работал по созданию изобретённой машины в течение 15 лет. Было израсходовано 20 000 фунтов стерлингов Английское правительство прекратило отпуск средств. Работа по созданию вычислительной машины была остановлена. Главная причина прекращения работ была не в средствах, а в низком уровне развития науки и техники того времени.
Лишь в 1945 г. физикам Дж. Мокли и Дж. Эккерту удалось сконструировать и построить первую в мире электронно-вычислительную машину. Её назвали >. Она могла рассчитывать только таблицы для артиллерийской стрельбы. А что происходит у нас, в стране, по созданию таких машин? В 1950 г. была создана и начала действовать малая машина ЭВМ. Коллективом инженеров и учёных под руководством академика С. А. Лебедева (1902-1974) была создана и стала работать БЭСМ-1 (большая электронная счётная машина). Она работала на электронных лампах (около 4000 шт.) и выполняла в секунду 5000 математических действий. Она была в то время лучшей в Европе, но при работе требовала очень много электроэнергии, часто останавливалась от перегрева ламп и занимала много места. Шли поиски путей совершенствования машины. В 60-е годы ХХ века были созданы ЭВМ второго поколения, на смену электронным лампам пришли транзисторы которые имеют в десятки и сотни раз меньшие размеры и массу, более высокую надёжность, потребляют меньшую электрическую мощность. Такие машины производились малыми сериями и устанавливались в крупных научно-исследовательских центрах и ведущих высших учебных заведениях.
В 1967 г. вступила в строй наиболее мощная ЭВМ второго поколения БЭСМ-6 которая могла выполнять 1 миллион операций в секунду. В ней использовалось 260 тысяч транзисторов, устройства внешней памяти на магнитных лентах, а также алфавитно-цифровые печатающие устройства для вывода результатов вычислений. Программисты использовали такие языки программирования высокого уровня, как Алгол, Бейсик и др.
Устройство Леонардо да Винчи
Машина Шиккарда
Первая механическая машина была описана в 1623 г. профессором математики Тюбингенского университета Вильгельмом Шиккардом, реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения четырех арифметических операций над 6-разрядными числами.
Машина Паскаля
Первая действующая модель счетной суммирующей машины была создана в 1642 г. знаменитым французским ученым Блезом Паскалем. Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса), так что в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов.
Машина Паскаля была практически первым суммирующим механизмом, построенным на совершенно новом принципе, при котором считают колеса. Она производила на современников огромное впечатление, о ней слагались легенды, ей посвящались поэмы. Все чаще с именем Паскаля появлялась характеристика «французский Архимед». До нашего времени дошло только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной.
Машина Бэббиджа
В 1822 г. Бэббидж приступил к осуществлению проекта так называемой разностной машины, предназначенной для расчета навигационных и астрономических таблиц. Машину эту строили десять лет, но так и не закончили. Финансовые трудности усугублялись тем, что изобретатель постоянно пересматривал конструкцию и вносил в нее бесчисленные усовершенствования.
И вот в 1833 г., приостановив работы над разностной машиной, Бэббидж начал осуществлять проект универсальной автоматической машины для любых вычислений. Это устройство, обеспечивающее автоматическое выполнение заданной программы вычислений, он назвал аналитической машиной.
Для создания памяти, где хранилась информация, Бэббидж использовал не только колесные регистры, но и большие металлические диски с отверстиями. В памяти на дисках хранились таблицы значений специальных функций, которые использовались в процессе вычислений.
Машина Лейбница
Другие машины
В о второй половине XIX века появилось целое поколение механических счетных машин. Здесь и «вычислительный снаряд» Слонимского, и оригинальные счетные машины Фельта, Берроуза, Боле, и арифмометр П. Л. Чебышёва.
Лишь много лет спустя, с применением электропривода, оригинальные идеи, заложенные в конструкции Чебышева, нашли свое признание. Непрерывная, плавная передача позволяла значительно увеличить скорость работы механических устройств с большей надежностью.
Несколько позже, в 1974 г., петербургским механиком Вильгодтом Однером была создана новая конструкция числового колеса с выдвижными зубьями. Число выдвинутых зубьев определялось углом поворота установочного рычажка до соответствующей цифры на шкале. Колесо Однера оказалось настолько совершенным, что не претерпело принципиальных изменений до наших дней. Арифмометр «Феликс», являющийся модификацией арифмометра Однера, выпускался у нас в стране вплоть до 50-х годов.
Развитие счётных машин
с древних времён
до наших дней
Можно подумать, будто счётная машина — это современное явление. Однако человечество стало изобретать устройства для счёта задолго до того, как появились первые компьютеры.
Самыми первыми человеческими помощниками в счёте были пальцы. С их помощью наши далёкие предки указывали друг другу, сколько охотников нужно, чтобы окружить и загнать зверя. Добыча тоже требовала счёта — нужно было определить, сколько мяса получат члены племени. Так что скоро пяти пальцев стало не хватать. Поэтому древние люди начали считать с помощью камешков и костей, раскладывая их на песке в неверном свете костра.
Однако со временем количество палочек росло, и скоро понадобились обозначения для десятков и сотен. Счёт был нужен, чтобы высчитывать срок появления на свет детей, вести учёт отёла скота и знать, когда взойдут посевы, чтобы предсказывать солнечные и лунные затмения. Также исследователи уверены, что важной вехой в развитии счёта стала торговля. Как объяснить, что пять шкур равны десяти корзинам мяса? Или тридцати мешкам овощей? Появилась необходимость в универсальных обозначениях, а человеческое мышление совершило восхождение к абстракции, обратившись к идее чисел как таковых.
Какие же инструменты помогали человечеству?
Древние люди делали зарубки на костях и камнях и носили эти палочки с собой, либо оставляли чёрточки на стенах жилищ. Одно из самых старинных устройств, которое не так уж далеко ушло от костей на полу пещеры — это, конечно, счёты. По сути они представляют собой те же кости (деревяшки, камушки), только нанизанные на спицы, которые закреплялись в раме.
Их близкий родственник — счётная доска абак, которая появилась в Вавилоне около пяти тысяч лет назад. Очевидно, что её появлению мы обязаны бурной вавилонской торговле. Если классические счёты, какими их знают в России, опираются на позиционную десятичную систему счисления, то вавилонский абак использовал шестидесятеричную. Такой оригинальный способ счёта происходит, как и большинство систем счисления, от пропорций человеческого тела — если говорить точнее, от числа фаланг пальцев на одной руке (не считая большого).
Вариации счётных досок были во всех древних культурах. В Японии они называются соробан, в Китае — суньпань. Римляне делали счёты из металла, передвигая костяшки в пазах металлической доски, а ацтеки — из кукурузных зёрен. Инки использовали для подсчёта зёрен «многоэтажное» устройство под названием юпана.
Самые первые помощники человечества в счете
Кость с зарубками, обнаруженная в Дольни-Вестонице. Её возраст — почти 30 000 лет.
Древнеримский абак. Реконструкция
Японские дети собирают соробаны на заводе. 1949 г.
Однако люди всегда стремились упростить себе жизнь, создавая всё более сложные устройства, которые бы взяли необходимость считать на себя. С ростом городов и развитием промышленности потребность в них только увеличилась. В XVII столетии появились логарифмические таблицы и линейки. Шотландский математик Джон Непер изобрёл счётный прибор, известный как палочки Непера. Снискав на время большую популярность, палочки Непера, однако, вскоре были заброшены. А вот арифмометр оказался перспективнее. Изобретённый ещё в античности, в эпоху Просвещения он был переоткрыт и получил заслуженное признание. Ранее схему похожего на арифмометр механизма изображал Леонардо да Винчи, который, как обычно, опередил своё время: тогда его идея успеха не имела.
Как развивались счётные машины?
В общем виде счётная машина представляет собой устройство, работающее на зубчатых колёсах и цилиндрах, которое производит четыре основных математических действия. Записывающие счётные машины также могут автоматически фиксировать результаты на ленте. Принцип счёта основан на поразрядном сложении и сдвиге суммы частных произведений. Свои версии арифмометра создали Блез Паскаль, спроектировавший в 1646 году суммирующую машину «паскалина», и Готфрид Вильгельм Лейбниц: в его арифмометре была ручка, вращение которой ускоряло повторяющиеся операции.
Также следует упомянуть вычислительную машину, разработанную Чарльзом Бэббиджем в XIX столетии. Она могла производить вычисления с точностью до двадцатого знака, подходила для операций с логарифмами и тригонометрическими функциями. Программа для неё была составлена Адой Лавлейс, первой женщиной-программистом, да и вообще первым программистом в мире. Именно ей принадлежат термины «цикл» и «рабочая ячейка».
Арифмометр Блеза Паскаля. 1642 г.
Арифмометр Лейбница. 1673 г.
Элемент аналитической машины Чарльза Бэббиджа. 1910 г.
Существовало множество моделей счётных машин. Например, карманный арифмометр Curta, выпущенный в 1948 году, был размером с человеческий кулак.
В конце XIX века изобретатель Уильям Берроуз запатентовал свой арифмометр и основал компанию по производству компьютерной техники Burroughs Corporation. Его сын продолжил дело, а вот внук, тоже Уильям Берроуз, интересовался литературой куда больше, чем вычислительными машинами, и стал одной из значимых фигур поколения битников.
Арифмометры выпускали марки Facit и Mercedes (не тот, что выпускает автомобили: производитель офисной техники судился с автоконцерном за название, договорившись в результате о том, что у каждой компании своя сфера деятельности). А в СССР самым популярным арифмометром был названный в честь Дзержинского «Феликс», который выпускался заводом «Счётмаш» до 1978 года.
Обладая характерной для механических устройств красотой, арифмометры всё-таки имели существенные недостатки. Порядок действий всегда задавался вручную, поэтому результат счёта сильно зависел от внимательности оператора, которому требовалось нажимать на клавишу для выполнения каждого действия. Арифмометры имели хождение вплоть до второй половины ХХ века, когда их окончательно вытеснили электронные счётные устройства.
Лихтенштейнский карманный арифмометр Curta. 1948 г.
Советский арифмометр «Феликс»
Уильям Берроуз, который любил печатные машинки гораздо больше, чем счётные. 1959 г., Париж. Loomis Dean—Time & Life Pictures/Getty Images
Электронный прорыв
Настоящий прорыв в развитии вычислительной техники случился в 60-х годах ХХ века.
В 1957 году японская компания Casio выпустила первый полностью электронный калькулятор 14-А. Событие было эпохальным, потому что открыло новую эру в мире счёта, но жизнь офисных работников и инженеров эта модель не изменила, ведь весил калькулятор целых 140 кг.
Первым компактным, а значит, массовым, калькулятором стал Anita, выпущенный английской компанией Bell в 1961 году. Он работал на газоразрядных лампах и был оснащён клавишами ввода числа и множителя. С тех пор функции калькуляторов становились всё более серьёзными, а сами калькуляторы — всё более лёгкими и умными.
Например, в 1965 году появился первый настольный электронный калькулятор со встроенной памятью Casio 001. Весил он всего 17 килограмм, что по тем временам для машины, способной запоминать операции, было вовсе не много, а два года спустя появился первый настольный программируемый калькулятор Casio AL-1000.
Однако пользователям калькуляторов было и этого мало, ведь счётное устройство куда удобнее держать в руке и носить с собой. Так появились калькуляторы Sharp и Canon, которые весили менее килограмма.
«Электроника»
Вот ещё несколько эпохальных инноваций от японской марки Casio, которые существенно изменили представления о том, на что способны калькуляторы.
Появился карманный калькулятор Casio Mini, продажи которого побили все рекорды. А через некоторое время компания выпустила миниатюрную версию, Casio Mini Card, размером с кредитную карту.
Компания выпустила калькулятор FX-7000G — первый в мире программируемый графический калькулятор, доступный широкой публике, с матричным дисплеем, имеющем разрешение 96×64 пикселя. Эта модель может отображать как встроенные графики, так и построенные пользователем. В дополнение к режиму графического отображения калькулятор имеет функцию программирования на языке Бейсик.
Пять лет спустя на прилавках появился калькулятор Casio CFX-9800G, в котором впервые появилась возможность делать графики в разных цветах. По сути, был добавлен цветной дисплей. В отличие от современных экранов, он был трёхцветным и работал на отражённом свете. Это дало возможность рисовать каждый график своим цветом, что делало графические отображения функций куда более наглядными.
Casio выпускает устройство CASIO ClassPad 300 — первый калькулятор с большим сенсорным экраном. Модель имела систему компьютерной алгебры (CAS), которая позволяет производить преобразования выражений в аналитической (символьной) форме.
появился калькулятор Casio FX-82ES с технологией Natural Display, позволяющий вводить выражения в естественном виде так, как они выглядят на бумаге. Например, вводить обыкновенные дроби, квадратные корни, экспоненты и логарифмы в виде, принятом в учебниках. В результате сокращается количество ошибок в вычислениях, время вычислений и повышается заинтересованность учеников.
Модель калькулятора Casio fx-CG20 PRIZM явилась развитием первой модели, выпущенной в 2010 году. В отличие от предшественников она имела полноцветный экран высокого разрешения. Модель, несмотря на экран с подсветкой, не потеряла в энергоэффективности и способна месяцами работать на одном комплекте батарей.
Сейчас калькуляторы не только стали компактными и лёгкими, но и освоили массу функций, которые могут быть полезны всем, кому требуются точные и сложные расчёты. Сейчас существуют научные калькуляторы, которым под силу производить вычисления с дробями, считать векторы и матрицы, совершать метрические преобразования и решать уравнения, графические калькуляторы, позволяющие создавать таблицы и строить графики по картинке, а также финансовые калькуляторы, которые справляются с расчётом облигаций и другими нуждами финансиста.
На сегодняшний день флагманская графическая модель — калькулятор Casio FX-CG50 с цветным экраном высокого разрешения, возможностью строить 3D графики, режимом программирования, а также поддержкой векторных и матричных вычислений.
Casio 001. 1965 г.
Casio Mini. 1972 г.
Дисплей калькулятора Casio fX-7000G. 1985 г.
Casio FX-CG50
Так счётное устройство прошло эволюцию от доски с костяшками до маленького мощного компьютера, сохранив, тем не менее, главное свойство — способность облегчать жизнь человеку, освобождая его разум для стратегических решений.