Машина шиккарда принцип работы
Вычисляющие часы Шиккарда
Вычисляющие часы Шиккарда известны как одно из изобретений в области счетных механизмов. Этот аппарат стал первым механическим калькулятором, который с легкостью мог производить четыре арифметические операции. Устройство было отнесено к часам, так как в его основе лежал схожий принцип работы: на шестеренках и звездочках. Счетные часы стали новым этапом в развитии вычислительных механизмов.
История создания вычисляющих часов Шиккарда
До 50-х годов ХХ столетия считалось, что изобретение первой механической вычислительной машины принадлежит французскому ученому Блезу Паскалю. Однако Франц Гаммер, директор научного цента имени Кеплера, смог доказать, что первый вычислительный прибор был создан за 2 десятилетия до открытия Паскаля.
В городской библиотеке города Штутгарт Франц увидел копию изображения счетного аппарата, который ранее не был никому известен. Позже оказалось, что фотокопия является потерянной частью переписки Вильгельма Шиккарда с Иоганом Кеплером, датированной 1624 годом. Шиккард писал о своем новом изобретении, которое он называл часами для счета. А в более раннем письме Вильгельм рассказывал об изобретении аппарата, который состоял из одиннадцати десятизубчатых и шести однозубчатых колесиков, и мог выполнять арифметические операции без помощи человека.
Шиккард считал, что ему удалось механизировать то, что Кеплер вычислял с помощью алгебры вручную. Он говорил, что его собеседника удивит умение его изобретения переносить десятки при суммировании и занимать их из более высоких разрядов при операции вычитания.
Часы для счета Вильгельма Шиккарада не сохранились до нашего времени. В той же переписке между Шиккардом и Кеплером ученый говорил, что у него был только один экземпляр его изобретения, который полностью сгорел во время пожара. Однако Франц Гаммер сумел найти другое изображение устройства, а также несколько записей, сделанных Шиккардом для Пфистера, который участвовал при создании аппарата. Исходя из этих заметок, с помощью профессора барона Фрейтага-Леринга-Хофа механизм Шиккарда был восстановлен.
Вычисляющие часы Шиккарда – что это?
Счетная машина Шиккарда выполняла четыре операции с числами с шестью разрядами и представляла собой три отдельных механизма: суммирующий, множительный и механизм для записи чисел.
Суммирующий механизм состоял из двух рядов осей с десятизубчатыми шестеренками, надетыми на них. Верхний ряд содержал шесть осей, на которых находились однозубчатые колесики, диски для набора цифр и барабаны с цифрами в форме цилиндров. В нижнем ряду было всего пять осей, где размещались только десятизубчатые колесики.
Чтобы произвести операцию сложения, нужно было последовательно набрать слагаемые, используя специальные диски, а для процесса вычитания – ввести уменьшаемое и вычитаемое. При сложении и вычитании отличие было в том, что диски для набора делали обороты в разные стороны.
Суммирующий аппарат подходил и для деления : с помощью поочередного вычитания двух составляющих операции деления и записи количества произведенных расчетов можно было получить итоговый результат.
Для умножения в счетном аппарате Шиккарда использовалась решетчатая система, которая уже была базой для палочек Непера.
А третий раздел аппарата предназначался для записи чисел, которые должны были быть не больше шестого разряда. Это можно было сделать с помощью оборотов цилиндров, где следовало установить нужные цифры.
Вычисляющие часы Шиккарда заложили фундамент в развитии счетных механизмов. Практическое применение это устройство нашло в научной деятельности астронома и математика Иоаганна Кеплера. В городе Вайле, на родине ученого, в доме-музее сохранилась копия вычисляющих часов Шиккарда.
Машина Шиккарда. Первое вычислительное устройство.
Самое первое вычислительное устройство было изобретено еще в середине 1623 года и называлось оно ‘Машиной Шикарда’.
1957 год, Германия.
Директор Кеплеровского научного центра Франц Гаммер выступая с докладом на семинаре по истории математики, сделал сенсационное известие о том, что проект первой вычеслительной машины появился на несколько десятилетий до знаменитых «колесиков» Паскаля.
Открытие этого факта Франц Гаммер сделал случайно еще когда работал в Штутгартской библиотеке, там он наткнулся на очень загадочную фотокопию рисунка какого-то устройства.
Сильно заинтересовавшись неизвестным наброском Гаммер установил, что найденный эскиз — это отсутствующее приложение к письму профессора Тюбингенского университета Вильгельма Шиккарда, адресованное его коллеге математику Иоганну Кеплеру.
В своем письме Вильгельм Шиккард подробно описывал счетную машину, ссылаясь на чертеж и сообщал, что сконструировал машину, которая автоматически выполняла сложение, вычитание, умножение и деление.
Считается что Шиккард первый изобрел и разработал модель шестиразрядного механического вычислительного устройства, выполняющего простые математические функции, такие как — складывать и вычитать числа. Не даром его называли «часами для счета».
Как работала машина Шиккарда.
Машина Шиккарда содержала суммирующее и множительное устройства, а также механизм для записи промежуточных результатов.
Первый блок машины Шикарда в виде шестиразрядной суммирующей машины представлял собой соединение зубчатых передач. На каждой оси располагалось по шестерне с десятью зубцами и вспомогательным однозубым колесом — пальцем. Палец служил для того, чтобы передавать единицу в следующий разряд, то есть поворачивать шестеренку на десятую часть полного оборота, после того как шестеренка предыдущего разряда сделает такой оборот. При вычитании шестеренки требовалось вращать в обратную сторону.
Контролировать ход вычислений можно было с помощью специальных окошек, где появлялись цифры. Для перемножения использовалось устройство, главную часть которой составляли шесть осей с «навернутыми» на них таблицами умножения.
Вычитание выполнялось вращением установочных колес в обратном направлении, так как механизм передачи десятков был реверсивным.
На самом деле в работе машина Шиккарда была довольно простой. К примеру, чтобы узнать чему равно произведение 296 х 73, нужно установить цилиндр в положении, которое позволит вывести в верхнем ряду окошек первый множитель: 000296. Произведение 296 х 3 получится, если открыть окошки третьего ряда и просуммировать увиденные цифры, как в способе решетки. Далее точно также открываются окошки седьмого ряда, дающие произведение 296 х 7 к которому слава приписывается 0. И останется лишь сложить найденные числа на суммирующем устройстве. Все, результат готов.
Долгое время машина Шиккарда оставалась известной лишь узкому кругу доверенных лиц. И данное изобретение не смогло оказать влияние на последующее развитие механизации счета.
Нерешенным остается вопрос — была ли собрана реально действующая модель машины при жизни ученого? На этот счет данных очень мало.
В письмах Шиккарда все к тому же Кеплеру идет речь о «практически готовом» экземпляре устройства, который сгорел во время пожара. Он находился в разработке у механика Вильгельма Пфистера.
Была ли собрана вторая модель машины — доподлинно неизвестно. Скорее всего, никто кроме Шиккарда и Пфистера не видели готовое и действующее устройство. Во всяком случае свидетельств работоспособности не сохранилось.
Краткая биография изобретателя
Вильгельм Шиккард родился 22 апреля 1592 года в городе Херренберг (Германия). Он был чрезвычайно талантлив и уже в 17 лет получил в Тюбингенском университете степень магистра, а через два года стал бакалавром наук. Он приобрел всемирную известность благодаря своим достижениям в науках: астрономии, математике и востоковедстве.
С 1617 года Шиккард начал преподавать восточные языки в Тюбингенском университете. Там он и познакомился с Кеплером, который по достоинству оценил незаурядные способности молодого ученого и порекомендовал ему заняться математикой. Шиккард послушался совета и на новом поприще достиг значительных успеха. В 1631 году он стал профессором математики и астрономии Тюбингенского университета.
Шиккард был первопроходцем и в других сферах. Как например — в астрономии. Ученый постоянно развивался, вел переписку со многими немецкими, французскими, итальянскими и голландскими учеными по вопросам, касающимся астрономии. Он создал первый механический планетарий, который наглядно демонстрировал положение Солнца, Земли и Луны согласно системе Коперника. Кроме этого, наблюдал метеоры из разных пунктов для определения их траектории.
Широта интересов Шиккарда действительно заслуживает уважения. Он был опытным механиком, картографом, гравером по дереву и металлу, проводил астрономические наблюдения, писал трактаты о семитских языках, астрономии, математике, оптике и метеорологии. Ученый добился выдающихся научных успехов и был по истине гениальным изобретателем. Но оказался бессильным перед эпидемией холеры. Эта беспощадная болезнь XVII века в 1635 году забрала жизнь Шиккарда и его семьи. Труды ученого на время были забыты из-за Тридцатилетней войны.
ЭВМ: ЧТО? ГДЕ? КОГДА? | Машина Шиккарда
В 1957 году директор Кеплеровского научного центра Франц Гаммер выступил с докладом на семинаре по истории математики, проходившем в Германии. Он сделал сенсационное известие о том, что проект первой счетной машины появился на несколько десятилетий до знаменитых «колесиков» Паскаля. Первое счетное устройство было изобретено еще в середине 1623 года и называлось машиной Шиккарда.
Вильгельм Шиккард (нем. Wilhelm Schickard ; 22 апреля 1592, Херренберг — 23 октября 1635, Тюбинген) — немецкий учёный, астроном, математик и востоковед, создатель первого, после антикитерского механизма, арифмометра, профессор кафедры восточных языков в университете Тюбингена.
Франц Гаммер почти случайно сделал своё открытие. Когда он работал в штутгардской библиотеке, то наткнулся на загадочную фотокопию эскиза какого-то счетного устройства. И поскольку раньше ничего подобного не видел, очень заинтересовался неизвестным наброском. Проведя ряд исследований Гаммер установил, что найденный эскиз — это отсутствующее приложение к письму профессора Тюбингенского университета Вильгельма Шиккарда, адресованное его коллеге математику Иоганну Кеплеру. В своем письме Шиккард подробно описывал счетную машину и ссылался на чертеж.
В одном из писем Кеплеру (от 20 сентября 1623 года) сообщалось, что Шиккард осуществил механически все то, что Кеплер делал алгебраически, а именно — сконструировал машину, которая автоматически выполняла сложение, вычитание, умножение и деление. Шиккард писал, что Кеплер приятно удивился, если бы увидел как устройство само накапливает и переносит влево десяток или сотню цифр и как отнимает то, что держала в памяти при вычитании.
Изобретение, которое стало первой счетной машиной, было создано в 1623 году. Шиккард изобрел и разработал модель шестиразрядного механического вычислительного устройства, выполняющего простые математические функции, такие как — складывать и вычитать числа. Не даром его называли «часами для счета». Машина Шиккарда содержала суммирующее и множительное устройства, а также механизм для записи промежуточных результатов.
… ааа — это верхние торцы вертикальных цилиндров, на их боковых поверхностях нанесены таблицы умножения; при необходимости цифры этих таблиц могут наблюдаться в окнах bbb скользящих планок. К дискам ddd крепятся изнутри машины колеса с десятью зубьями, каждое из которых находится в таком зацеплении с себе подобным, что если любое правое колесо повернется десять раз, то находящееся слева от него колесо сделает один поворот, или если первое из упомянутых колес сделает 100 оборотов, третье слева колесо повернется один раз. Для того чтобы зубчатые колеса вращались в одном и том же направлении, необходимо иметь промежуточные колеса…
Иоганн Кеплер (1571-1630)
Более подробное описание помогает составить представление об изобретении. Первый блок в виде шестиразрядной суммирующей машины представлял собой соединение зубчатых передач. На каждой оси располагалось по шестерне с десятью зубцами и вспомогательным однозубым колесом — пальцем. Палец служил для того, чтобы передавать единицу в следующий разряд, то есть поворачивать шестеренку на десятую часть полного оборота, после того как шестеренка предыдущего разряда сделает такой оборот. При вычитании шестеренки требовалось вращать в обратную сторону. Контролировать ход вычислений можно было с помощью специальных окошек, где появлялись цифры. Для перемножения использовалось устройство, главную часть которой составляли шесть осей с «навернутыми» на них таблицами умножения. Вычитание выполнялось вращением установочных колес в обратном направлении, так как механизм передачи десятков был реверсивным.
На самом деле в работе машина Шиккарда была довольно простой. К примеру, чтобы узнать чему равно произведение 296 х 73, нужно установить цилиндр в положении, которое позволит вывести в верхнем ряду окошек первый множитель: 000296. Произведение 296 х 3 получится, если открыть окошки третьего ряда и просуммировать увиденные цифры, как в способе решетки. Далее точно также открываются окошки седьмого ряда, дающие произведение 296 х 7 к которому слава приписывается 0. И останется лишь сложить найденные числа на суммирующем устройстве. Все, результат готов.
Нерешенным остается вопрос — была ли собрана реально действующая модель машины при жизни ученого? На этот счет данных очень мало. В письмах Шиккарда все к тому же Кеплеру идет речь о «практически готовом» экземпляре устройства, который сгорел во время пожара. Он находился в разработке у механика Вильгельма Пфистера. Была ли собрана вторая модель машины — доподлинно неизвестно. Скорее всего, никто кроме Шиккарда и Пфистера не видели готовое и действующее устройство. Во всяком случае свидетельств работоспособности не сохранилось.
Но что точно — долгое время машина Шиккарда оставалась известной лишь узкому кругу доверенных лиц. И данное изобретение не смогло оказать влияние на последующее развитие механизации счета. Кто знает, может быть с помощью этого проекта прогресс вычислительных устройств мог бы ускориться. Но так или иначе, имя немецкого ученого Вильгельма Шиккарда находится в одном ряду с великими умами, изобретателями счетных устройств XVII—XIX столетий. Такими, как Блез Паскаль, Готфрид Вильгельм Лейбниц, Чарльз Бэббидж, Пафнутий Львович Чебышев, Герман Холлерит и другими.
Основываясь на материалах, найденных Гаммером, сотрудники Тюбингенского университета в начале 1960-х годов создали действующую модель машины Шиккарда. Операции сложения и вычитания осуществлялись в ней механически, а умножения и деления — с элементами механизации. Прообраз изобретения находится в собственности университета.
Эволюция в области вычислительных технологий — процесс довольно неравномерный, который происходит скачками от периодов спада до периодов падения. Достигнутые результаты используются на практике и каждый новый шаг выводит процесс вычислительной эволюции на новую, более высокую ступень.
Вычисляющие часы
Вычисляющие часы – первое механическая счетная машина, позволяющая складывать, вычитать, делить и умножать числа. Однако, она была известна довольно узкому кругу лиц, и поэтому долгое время (почти 300 лет со дня ее изобретения) первой счетной машиной считалось изобретение Блеза Паскаля (Пасклин).
История «вычисляющих часов» трагична. Два изготовленных экземпляра машины, один из которых предназначался Кеплеру, сгорели во время пожара. О самом проекте забыли на долгие годы, и чертежи устройства были утеряны из-за бушующей в тот период Тридцатилетней войны (1618-1648 гг), и только в 1935 году они были найдены. Найдены только для того, чтобы быть потерянными снова по причине второй мировой войны (1941-1945 гг).
И только спустя 21 год, в 1956 году в городской библиотеке Штутгарта была найдена фотокопия эскиза «вычисляющих часов», и в 1960 группа энтузиастов, на основе этой фотокопии и писем Шиккарда, сумели построить действующую модель «вычисляющих часов».
Суммирующее устройство состояло из шести осей, на каждую из которых крепился барабан, на боковую сторону которого наносились числа от нуля до девяти, шестеренка с десятью зубьями и вспомогательная однозубая шестеренка. Однозубая шестеренка использовалась для передачи переполнения в старший разряд (для поворота десятизубой шестеренки старшего разряда на 1/10 оборота после того, как предыдущая десятизубая шестеренка совершит полный оборот).
Для того, чтобы при переносе разряда переполнения все десятизубые шестеренки вращались в одном направлении, использовалась вспомогательная десятизубая шестеренка.
Всего в суммирующем устройстве использовалось 11 десятизубых шестеренок и шесть однозубых.
Для ввода слагаемых использовалось шесть тумблеров, результаты ввода отображались в окошках над этими тумблерами.
Вычисление суммы состояло в последовательном вводе слагаемых с помощью тумблеров и считывания результата. Для вычитания сначала вводили уменьшаемое, а затем обратным вращением тумблеров вводилось вычитаемое. Деление заменялось повторным вычитанием делителя из делимого.
Поворотом цилиндров с помощью специальных ручек, располагающихся сверху «Вычисляющих часов», устанавливалось множимое. В результате в окошках устройства отображалась таблица для умножения по технологии «палочек Непера». Для удобства использования полученной таблицы применялась панель с девятью рейками с окошками (на каждой рейке было 6 окошек). На рейках были нанесены числа от 1 до 9. Рейка с цифрой 1 располагалась сверху на панели, за ней шла рейка с цифрой 2 и так далее до 9.
Сдвигая рейки, соответствующие разрядам множителя, открывались строки таблицы, используемые при умножении. Остальные строки (ненужные для умножения) оставались скрытыми и не отвлекали от вычислений.
Рассмотрим пример работы устройства при умножении 564 на 37 (564х37=20868):
1. Вводим множимое (564) с помощью тумблеров, располагаемых в верхней части «Вычисляющих часов».
2. Выдвигаем планку с цифрой 3, открывая строку с результатом умножения 564 на 3.
4. Водим полученный результат (16920) в суммирующее устройство вычисляющих часов.
5. Задвигаем планку с цифрой 3 и выдвигаем планку с цифрой 7, открывая строку с результатом умножения 564 на 7.
7. Вводим полученный результат (3948) в суммирующее устройство вычисляющих часов.
8. Считываем из окошек результата сложения искомое произведение: 20868
Третья часть вычисляющих часов Шиккарда предназначалась для хранения промежуточных результатов вычислений, и состояла из шести осей с нанесенными на них цифрами от 0 до 9, шести тумблеров для ввода чисел и шести окошек, в которых отображалось сохраненное число.
В доме-музее Иоганна Кеплера, на его родине в городе Вайле, хранится действующая модель «Вычисляющих часов», изготовленная по чертежам, найденным в письмах Шикарда.
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.