Блез паскаль создал первую механическую счетную машину. Арифмометр и суммирующие машины: Исторический обзор. «Паскалина»: история возникновения

Машина Паскаля со снятой крышкой

Механизация и машинизация вычислительных операция – одно из основополагающих технических достижений второй трети 20 века. Подобно тому, как появление первых прядильных машин послужило началом великого промышленного переворота 18-19 веков, создание электронной вычислительной машины стало предвестником грандиозной научно-технической и информационной революции второй половины 20-го. Этому важному событию предшествовала длинная предыстория. Первые попытки собрать счетную машину были еще в 17 веке, а простейшие вычислительные приспособления, типа абака и счет, появились еще раньше – в древности и средневековье.

Хотя автоматическое вычислительное устройство относится к роду машин, его нельзя поставить в один ряд с промышленными машинами, скажем, с токарным или ткацким станком, ведь в отличие от них оно оперирует не с физическим материалом (нитями или деревянными заготовками), а с идеальными, несуществующими в природе числами. Поэтому перед создателем любой вычислительной машины (будь то простейший арифмометр или новейший суперкомпьютер) стоят специфические проблемы, не возникающие у изобретателей в других областях техники. Их можно сформулировать следующим образом: 1) как физически (предметно) представить числа в машине? 2) как осуществить ввод исходных числовых данных? 3) каким образом смоделировать выполнение арифметических операций? 4) как представить вычислителю введенные исходные данные и результаты вычислений?

Одним из первых эти проблемы преодолел знаменитый французский ученый и мыслитель Блез Паскаль. Ему было 18 лет, когда он начал работать над созданием особой машины, с помощью которой человек, даже не знакомый с правилами арифметики, мог бы производить четыре основных действия. Сестра Паскаля, бывшая свидетельницей его работы, писала позже: «Эта работа утомляла брата, но не из-за напряжения умственной деятельности, и не из-за механизмов, изобретение которых не вызывало у него особых усилий, а из-за того, что рабочие с трудом понимали его». И это не удивительно. Точная механика только рождалась, и качество, которого требовал Паскаль, превышало возможности его мастеров. Поэтому изобретателю самому нередко приходилось браться за напильник и молоток или ломать голову над тем, как изменить в соответствии с квалификацией мастера интересную, но сложную конструкцию. Первая работающая модель машины была готова в 1642 г. Паскаля она не удовлетворила, и он сразу же начал конструировать новую. «Я не экономил, - писал он впоследствии о своей машине, - ни времени, ни труда, ни средств, чтобы довести ее до состояния быть полезной… Я имел терпение сделать до 50 различных моделей…» Наконец в 1645 г. усилия его увенчались полным успехом – Паскаль собрал машину, которая удовлетворяла его во всех отношениях.

Что же представляла из себя эта первая в истории вычислительная машина и каким образом были разрешены перечисленные выше задачи? Механизм машины был заключен в легкий латунный ящичек. На верхней его крышке имелось 8 круглых отверстий, вокруг каждого из которых была нанесена круговая шкала. Шкала крайнего правого отверстия делилась на 12 равных частей, шкала соседнего с ним отверстия на 20 частей, остальные шесть отверстий имели десятичное деление. Такая градуировка соответствовала делению ливра – основной французской денежной единицы того времени: 1 су = 1/20 ливра и 1 денье = 1/12 су. В отверстиях были видны зубчатые установочное колеса, находившиеся ниже плоскости верхней крышки. Число зубьев каждого колеса было равно числу делений шкалы соответствующего отверстия.

Француз Блез Паскаль был сыном сборщика налогов. Наблюдая за бесконечными утомительными расчетами отца, он задумал создать вычислительное устройство. В возрасте 19 лет Блез начал работу над постройкой суммирующей машины. Через двадцать лет Паскаля не стало, но человечество запомнило его как выдающегося математика, философа, писателя и физика. Недаром именем Паскаля назван один из наиболее распространенных языков программирования.

Суммирующее устройство Паскаля представляло собой ящик со множеством шестеренок. Только за одно десятилетие ученому удалось построить более пятидесяти разных вариантов машины. Во время работы на “паскалине” суммируемые числа вводились путем определенного поворота наборных колес. На каждое были нанесены деления от нуля до девяти, что соответствовало 1-му десятичному разряду числа. Превышение над девяткой колесо “переносило”, при этом совершая полный круг и двигая левое “старшее” колесо на единицу вперед.

Несмотря на всеобщее признание, устройство не сделало ученого богатым. Однако сам принцип связанных колес лег в основу большинства вычислительных машин в течение следующих трех веков. За свое изобретение Паскаль получил королевский Патент, согласно которому за ним сохранялись авторские права на производство и продажу машин. Однако одаренный изобретатель на этом не остановился.

В 1648 году Паскаль довел до конца “опыты, касающиеся пустоты”. Он доказал отсутствие в природе “страха пустоты”. Ученый анализировал равновесие жидкостей под воздействием атмосферного давления. Результаты открытий легли в основу изобретения гидравлического пресса, который значительно опередил технологии того времени.

Но в один прекрасный момент научная стезя опротивела известному ученому. Храм науки оказался тесен, и Паскалю захотелось порадоваться “прелестям” жизни. Свет принял его тут же, и на несколько лет изобретатель погрузился в атмосферу аристократических салонов. Все эти годы младшая сестра Паскаля, монахиня из Пор Рояль, неустанно молилась за спасение заблудшей души своего брата.

В один из ноябрьских вечеров 1654 года Паскаля посетило мистическое озарение. Когда он пришел в себя, то немедленно записал откровение на кусочке пергамента и зашил его в подкладку платья. Эта реликвия была с ученым до самого последнего дня.

В день смерти Паскаля его друзья и обнаружили пергамент. Событие стало поворотным пунктом в жизни изобретателя, оставившего научную практику и опыты. Отныне его писательский талант был направлен на защиту христианства. Ученый публикует несколько художественных эссе под названием “Письма к провинциалу”.

Последний год своей жизни Паскаль посвятил паломничеству по церквям Парижа. Его преследовали жуткие головные боли, и врачи запретили умственные нагрузки. Однако больной умудрялся записывать мысли, которые приходили ему в голову, на любом подвернувшемся материале. 19 августа 1662 года мучительная продолжительная болезнь взяла верх, и Блез Паскаль скончался.

После его смерти друзья обнаружили множество пачек с записками, которые были перевязаны бечевкой. Позже их расшифровали, а затем издали отдельной книгой. Современному читателю она известна под названием “Мысли”.

В честь Паскаля назвали язык программирования. Его отцом считается Никлаус Вирт. Работа над языком Паскаль велась на протяжении 1968-1969 года. Годом рождения языка Паскаль считается 1970. Компьютерная общественность нашла в нем эффективный инструмент для структурного программирования и обучения правильному программированию.

На этой странице приведены важнейшие события истории развития арифмометров. Следует заметить, что упор сделан не на многочисленные экспериментальные модели, не получившие практического распространения, а на конструкции, производившиеся серийно. Примерно V - VI век до н.э. Появление абака (Египет, Вавилон)

Примерно VI век н.э. Появляются китайские счёты.

1846 г. Счислитель Куммера (Российская империя, Польша). Он сходен с машиной Слонимского (1842, Российская Империя), но компактнее. Был широко распространён во всём мире вплоть до 1970-х годов в качестве дешёвого карманного аналога счёт.

1950-е гг. Расцвет вычислительных автоматов и полуавтоматических арифмометров. Именно в это время выпущена большая часть моделей электрических вычислительных машин.

1962 - 1964 гг. Появление первых электронных калькуляторов (1962 - опытная серия ANITA MK VII (Англия), к концу 1964 электронные калькуляторы выпускаются многими развитыми странами, в т.ч. в СССР (ВЕГА КЗСМ)). Начинается жестокая конкурентная борьба между электронными калькуляторами и мощнейшими вычислительными автоматами. Но на производстве маленьких и дешёвых арифмометров (в основном - неавтоматических и с ручным приводом) появление калькуляторов почти не сказалось.

1968 г. Начато производство Contex-55 - вероятно, самой поздней модели арифмометров с высокой степенью автоматизации.

1969 г. Пик производства арифмометров в СССР. Выпущено около 300 тысяч "Феликсов" и ВК-1.

1978 г. Примерно в это время прекращён выпуск арифмометров "Феликс-М". Возможно, это был последний в мире выпускавшийся тип арифмометров.

1988 г. Последняя достоверно известная дата выпуска механической вычислительной машины - кассового аппарата "Ока".

1995-2002 Механические кассовые аппараты (ККМ) "Ока" (модели 4400, 4401, 4600) исключены из государственного реестра РФ. Видимо, исчезла последняя область применения сложных механических вычислительных машин на территории России.

2008 В некоторых магазинах Москвы всё ещё встречаются счёты...

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.

История развития суммирующих приборов началась еще в ХVII веке. «Паскалина» - это изобретение французского ученого Блеза Паскаля, которое относят к одному из этапов становления вычислительной техники. Паскаль уже в 19-летнем возрасте начал заниматься разработкой своей счетной машины, о которой сейчас можно прочитать на страницах учебников. Это изобретение считается одним из прообразов 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?

«Паскалина» - это небольшой ящичек, в котором находится множество соединенных между собой зубчатых колесиков (шестеренок). На каждом колесике были разметки от нуля до девяти. Для того, чтобы произвести операцию сложения необходимо было набрать суммирующиеся числа с помощью нужного количества оборотов шестеренок. Колесики двигались до того момента, пока не появилось нужное число. При полном обороте появившейся остаток (больше 9) шестеренка перекидывала на другой разряд, передвигая соседнее колесо на одно деление.

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.

В 1640 г. попытку создать механическую вычислительную машину предпринял Блез Паскаль (1623-1662).

Существует мнение, что «на идею счетной машины Блеза Паскаля натолкнуло, по всей вероятности, учение Декарта, который утверждал, что мозгу животных, в том числе и человека, присущ автоматизм, поэтому ряд умственных процессов ничем по существу своему не отличается от механических». Косвенным подтверждением этого мнения служит то, что Паскаль поставил перед собой цель создать такую машину. В 18 лет он начинает работать над созданием машины, с помощью которой даже незнакомый с правилами арифметики мог производить различные действия.

Первая работающая модель машины была готова уже в 1642 году. Паскаля она не удовлетворила, и он сразу же начал конструировать новую модель. «Я не экономил,- писал он впоследствии, обращаясь к «другу-читателю»,- ни времени, ни труда, ни средств, чтобы довести ее до состояния быть тебе полезной... Я имел терпение сделать до 50 различных моделей: одни деревянные, другие из слоновой кости, из эбенового дерева, из меди...»

Паскаль экспериментировал не только с материалом, но и с формой деталей машины: модели были сделаны - «одни из прямых стержней или пластинок, другие из кривых, иные с помощью цепей; одни с концентрическими зубчатыми колесами, другие с эксцентриками; одни - движущиеся по прямой линии, другие- круговым образом; одни в форме конусов, другие - в форме цилиндров...»

Наконец в 1645 году арифметическая машина, как назвал ее Паскаль, или Паскалево колесо, как называли ее те, кто был знаком с изобретением молодого ученого, была готова.

Она представляла собой легкий латунный ящичек размером 350X25X75 мм (Рисунок 11.7). На верхней крышке - 8 круглых отверстий, вокруг каждого нанесена круговая шкала.

Рисунок 11.7 - Машина Паскаля со снятой крышкой

Шкала крайнего правого отверстия разделена на 12 равных частей, шкала соседнего с ним отверстия - на 20 частей, шкалы остальных 6 отверстий имеют десятичное деление. Такая градуировка соответствует делению ливра-основной денежной единицы того времени - на более мелкие: 1 су = 1/20 ливра и 1 денье - 1/12 су.

В отверстиях видны зубчатые колеса, находящиеся ниже плоскости верхней крышки. Число зубьев каждого колеса равно числу делений шкалы соответствующего отверстия (например, у крайнего правого колеса 12 зубьев). Каждое колесо может вращаться независимо от другого на собственной оси. Поворот колеса осуществляется от руки с помощью ведущего штифта, который вставляется между двумя смежными зубьями. Штифт поворачивает колесо до тех пор, пока не наталкивается на неподвижный упор, закрепленный в нижней части крышки и выступающий внутрь отверстия левее цифры 1 круговой шкалы. Если, например, вставить штифт между зубьями, расположенными против цифр 3 и 4, и повернуть колесо до упора, то оно повернется на 3/10 полного поворота.

Поворот колеса передается посредством внутреннего механизма машины цилиндрическому барабану, ось которого расположена горизонтально. На боковой поверхности барабана нанесены два ряда цифр; цифры нижнего ряда расположены в порядке возрастания- 0, ..., 9, цифры верхнего ряда - в порядке убывания-9, 8, ..., 1,0. Они видны в прямоугольных окнах крышки. Планка, которая помещается на крышке машины, может передвигаться вверх или вниз вдоль окон, открывая либо верхний, либо нижний ряд чисел в зависимости от того, какое математическое действие нужно произвести.

В отличие от известных счетных инструментов типа абака в арифметической машине вместо предметного представления чисел использовалось их представление в виде углового положения оси (вала) или колеса, которое несет эта ось. Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение камешков, жетонов и т. д. в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса), так что в его машине сложению чисел соответствует сложение пропорциональных им углов.

Колесо, с помощью которого осуществляется ввод чисел (так называемое установочное колесо), в принципе не обязательно должно быть зубчатым - этим колесом может быть, например, плоский диск, по периферии которого через 36° просверлены отверстия, в которые вставляется ведущий штифт.

Нам осталось познакомиться с тем, как Паскаль решил самый, пожалуй, трудный вопрос,- о механизме переноса десятков. Наличие такого механизма, позволяющего вычислителю не тратить внимания на запоминание переноса из младшего разряда в старший,- это наиболее разительное отличие машины Паскаля от известных счетных инструментов.

На Рисунок 11.8 изображены элементы машины, относящиеся к одному разряду: установочное колесо N, цифровой барабан I, счетчик, состоящий из 4 корончатых колес В, одного зубчатого колеса К и механизма передачи десятков. Заметим, что колеса В1 В4 и К не имеют принципиального значения для работы машины и используются лишь для передачи движения установочного колеса N цифровому барабану I. Зато колеса В2 и В3 - неотъемлемые элементы счетчика и в соответствии со «счетно-машинной» терминологией именуются счетными колесами. На

показаны счетные колеса двух соседних разрядов, жестко насаженные на оси А 1 и A 2 , и механизм передачи десятков, который Паскаль назвал «перевязь» (sautoir). Этот механизм имеет следующее устройство.

Рисунок 11.8 - Элементы машины Паскаля, относящиеся к одному разряду числа

Рисунок 11.9 - Механизм передачи десятков в машине Паскаля

На счетном колесе В 1 младшего разряда имеются стержни d, которые при вращении оси A 1 входят в зацепление с зубьями вилки М, расположенной на конце двухколенного рычага D 1 . Этот рычаг свободно вращается на оси А 2 старшего разряда, вилка же несет на себе подпружиненную собачку. Когда при вращении оси А 1 колесо В 1 достигнет позиции, соответствующей цифре б, стержни С1 войдут в зацепление с зубьями вилки, а в тот момент, когда оно перейдет от 9 к 0, вилка выскользнет из зацепления и под действием собственного веса упадет вниз, увлекая за собой собачку. Собачка и протолкнет счетное колесо В 2 старшего разряда на один шаг вперед (то есть повернет его вместе с осью A 2 на 36°). Рычаг Н, оканчивающийся зубом в виде топорика, играет роль защелки, препятствующей вращению колеса В 1 в обратную сторону при поднимании вилки.

Механизм переноса действует только при одном направлении вращения счетных колес и не допускает выполнения операции вычитания вращением колес в обратную сторону. Поэтому Паскаль заменил эту операцию операцией сложения с десятичным дополнением.

Пусть, например, необходимо из 532 вычесть 87. Метод дополнения приводит к действиям:

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. Но самая левая единица потеряется сама собой, так как переносу из 6-го разряда некуда, деться. В машине Паскаля десятичные дополнения написаны в верхнем ряду цифрового барабана. Для выполнения операции вычитания достаточно передвинуть планку, закрывающую прямоугольные окна, в нижнее положение, сохранив при этом направление вращения установочных колес.

С изобретения Паскаля начинается отсчет времени развития вычислительной техники. В XVII-XVIII вв. один изобретатель за другим предлагают новые варианты конструкций суммирующих устройств и арифмометров, пока, наконец, в XIX в. неуклонно растущий объем вычислительных работ не создал устойчивого спроса на механические счетные устройства и не позволил наладить их серийный выпуск.