Введение

Механический калькулятор XIX века, запатентованный французским изобретателем Томасом де Колмаром.

Арифмометр был первым цифровым механическим калькулятором, достаточно мощным и надежным для ежедневного использования в офисных условиях. Этот калькулятор мог непосредственно складывать и вычитать два числа, а также эффективно выполнять длительное умножение и деление, используя подвижный аккумулятор для хранения результата. Запатентованный Томасом де Кольмаром во Франции в 1820 году и производившийся с 1851 по 1915 год, он стал первым коммерчески успешным механическим калькулятором. Его прочная конструкция обеспечила ему репутацию надежности и точности и сделала его ключевым фактором в переходе от ручных вычислений к вычислительным машинам, произошедшем во второй половине XIX века. С момента начала производства в 1851 году арифмометр оставался единственным типом механического калькулятора, выпускавшегося в коммерческих масштабах, и продавался по всему миру. В более поздний период две компании начали производить клоны арифмометра: Burkhardt из Германии, с 1878 года, и Layton из Великобритании, с 1883 года. В конечном итоге около двадцати европейских компаний производили клоны арифмометра до начала Первой мировой войны.

В поисках решения: 18201851

Арифмометры этого периода были машинами, выполняющими четыре арифметических действия; множимое, заданное на входных ползунках, можно было умножить на однозначный множитель, просто потянув за ленту (которая вскоре была заменена ручкой коленчатого механизма). Конструкция была сложной, и было построено очень мало машин. Кроме того, в период с 1822 по 1844 год ни одной машины построено не было. Этот 22-летний перерыв почти полностью совпадает с периодом, в течение которого британское правительство финансировало разработку дифференциальной машины Чарльза Бэббиджа, которая в теории была намного сложнее арифмометра, но к тому времени не была завершена. В 1844 году Томас вновь представил свою машину на выставке «Exposition des Produits de l'Industrie Française» в недавно созданной категории «Разные измерительные инструменты, счетчики и вычислительные машины», но получил лишь похвальную грамоту. Он возобновил разработку машины в 1848 году. В 1850 году, в рамках маркетинговой кампании, Томас изготовил несколько машин в изысканных коробках, инкрустированных маркетри Буль, которые он подарил европейским монархам. Он подал два патента и два дополнительных патента в период с 1849 по 1851 год, а в 1851 году началось серийное производство. Постоянное использование некоторых машин выявило незначительные конструктивные недостатки, такие как слабый механизм переноса, который был устранен в 1856 году, и чрезмерное вращение цилиндров Лейбница при слишком быстром вращении рукоятки коленчатого механизма, что было исправлено добавлением мальтийского креста. Патент, охватывающий все эти усовершенствования, был подан в 1865 году, но не был внедрен в серийные модели.

Золотой век: 18871915

Под руководством Луи Пайена, а затем его вдовы, было внедрено множество усовершенствований, таких как наклонный механизм, съёмная верхняя панель, более удобные для чтения курсоры и окна отображения результатов, а также более быстрый механизм возврата к нулю. В этот период появилось множество производителей-копировальщиков, в основном в Германии и Великобритании. В конечном итоге двадцать независимых компаний стали производить клоны арифмометра. Все эти компании базировались в Европе, но продавали свои машины по всему миру. Фундаментальная конструкция оставалась неизменной, и после 50 лет лидерства арифмометр утратил своё превосходство в индустрии механических калькуляторов. Если в 1890 году арифмометр был самым массовым механическим калькулятором в мире, то десять лет спустя, к 1900 году, его по объёму производства превзошли четыре машины: комптометр и суммирующая машина Burroughs в США, арифмометр Однера в России и Brunsviga в Германии. Производство арифмометра было остановлено в 1915 году, во время Первой мировой войны.

Альфонс Даррас, выкупивший предприятие в 1915 году, не смог возобновить производство после войны из-за дефицита материалов и нехватки квалифицированных рабочих.

Наследие

Поскольку это был первый калькулятор, поступивший в массовую продажу, и первый широко копируемый калькулятор, его конструкция знаменует собой начало индустрии механических калькуляторов, которая затем эволюционировала в индустрию электронных калькуляторов. И благодаря случайной разработке первого коммерчески доступного микропроцессора, Intel 4004, для одного из калькуляторов Busicom в 1971 году, это привело к созданию первого коммерчески доступного персонального компьютера Altair в 1975 году. Его пользовательский интерфейс использовался в течение всех 120 лет существования индустрии механических калькуляторов. Сначала в его клонах, а затем в арифмометре Однера и его клонах, который представлял собой переработку арифмометра с системой зубчатых колес, но с абсолютно тем же пользовательским интерфейсом. На протяжении многих лет термин «арифмометр» или его части использовались для обозначения различных машин, таких как арифмометр Однера, Arithmaurel или Comptometer, а также некоторых портативных карманных вычислительных машин 1940-х годов. Корпорация Burroughs начала свою деятельность как American Arithmometer Company в 1886 году. К 1920-м годам это название стало общеупотребимым для любой машины, основанной на его конструкции, и около двадцати независимых компаний производили клоны Томаса, такие как Burkhardt, Layton, Saxonia, Gräber, Peerless, Mercedes Euklid, XxX, Archimedes и другие.

Дизайн

Томас начал работу над своей машиной в 1818 году, находясь на службе во французской армии, где ему требовалось выполнять большое количество расчетов. Он использовал принципы, заложенные в более ранних механических калькуляторах, такие как ступенчатый счетный механизм Лейбница и машина Паскаля. Он запатентовал ее 18 ноября 1820 года. Единственный сохранившийся прототип того времени – машина 1822 года, экспонирующаяся в Смитсоновском институте в Вашингтоне, округ Колумбия.

Цены

В 1853 году 12-значный арифмометр стоил 300 франков, что в 30 раз превышало цену книги логарифмов и в 1500 раз стоимость почтовой марки первого класса (20 французских сантимов). Однако, в отличие от книги логарифмов, он был достаточно прост в использовании, чтобы оператор мог работать с ним часами, не имея специальной подготовки. Реклама из журнала 1855 года показывает, что 10-значный аппарат продавался за 250 франков, а 16-значный – за 500 франков.

Затраты на разработку

В 1856 году Томас де Колмар оценил, что за тридцать лет, потраченных на совершенствование своего изобретения, он израсходовал 300 000 франков собственных средств.

Физический дизайн

Арифмометр – это латунный инструмент, помещенный в деревянную коробку, часто изготовленную из дуба или красного дерева, а для самых старых – из эбенового дерева (массив или шпон). Сам инструмент разделен на две части.

Вход управление выполнение

Нижняя часть состоит из набора ползунков, используемых для ввода значений операндов. Слева от них находится управляющий рычаг, позволяющий выбрать текущую операцию: сложение/умножение или вычитание/деление. Кривошип, расположенный справа от ползунков, служит для выполнения операции, выбранной управляющим рычагом.

Выход аккумулятор

Верхняя часть представляет собой подвижный вагон, состоящий из двух регистров отображения и двух кнопок сброса. Верхний регистр отображения хранит результат предыдущей операции и служит аккумулятором для текущей операции. Каждая команда прибавляет или вычитает число, установленное на ползунках, к той части аккумулятора, что находится непосредственно над ним. Нижний регистр отображения подсчитывает количество выполненных операций для каждого индекса, поэтому в конце умножения он отображает множитель, а в конце деления – частное. Каждое число в аккумуляторе можно установить индивидуально с помощью ручки, расположенной прямо под ним. Эта функция необязательна для регистра счетчика операций. Аккумулятор и счетчик результатов расположены между двумя кнопками, предназначенными для одновременного сброса их содержимого. Левая кнопка сбрасывает аккумулятор, правая – счетчик операций. Эти же кнопки используются в качестве ручек для подъема и перемещения вагона.

Колесо Лейбница арифмометра

Анимация показывает девятизубое колесо Лейбница, соединенное с красным счетным колесом. Счетное колесо расположено таким образом, чтобы при каждом обороте оно зацеплялось с тремя зубьями, и, следовательно, при каждом обороте прибавляло или вычитало 3 от счетчика. Вычислительный механизм арифмометра состоит из набора связанных колес Лейбница, соединенных с кривошипом. Каждый поворот кривошипа вращает все колеса Лейбница на один полный оборот. Входные ползунки перемещают счетные колеса вверх и вниз вдоль колес Лейбница, которые, в свою очередь, связаны механизмом переноса. В арифмометре колеса Лейбница всегда вращаются в одном направлении. Различие между сложением и вычитанием достигается с помощью реверсора, управляемого исполнительным рычагом и расположенного в подвижном корпусе индикатора.

Сдвигаю верхний вагон

Сначала поднимите каретку с помощью кнопок сброса, расположенных на ее концах, а затем сдвиньте ее. Каретка может двигаться только вправо изначально. Отпустите ее, когда она окажется над нужным индексом (единицы, десятки, сотни).

Сброс дисплеев

Сначала поднимите каретку с помощью кнопок сброса, расположенных на её концах, затем поверните их для сброса регистров дисплея. Левая кнопка сбрасывает аккумулятор, правая – счётчик операций.

Добавление

Настройте рычаг управления в положение "Сложение/Умножение" и обнулите регистры дисплея. Каждый поворот рычага исполнения прибавляет значение с ползунков к аккумулятору. Введите первое число и поверните рычаг один раз (это прибавит его к нулю), затем введите второе число и поверните рычаг еще раз.

Умножение

Настройте рычаг управления на "Сложение/Умножение" и обнулите регистры отображения. Чтобы умножить 921 на 328, сначала введите 921 на входных ползунках, а затем поверните рычаг выполнения 8 раз. Аккумулятор показывает , а счетчик операций показывает 8. Теперь сдвиньте каретку вправо один раз и поверните рычаг 2 раза, аккумулятор показывает , а счетчик операций показывает 28. Сдвиньте каретку вправо последний раз и поверните рычаг 3 раза, на аккумуляторе появится произведение , а счетчик операций покажет множитель 328.

Вычитание

Установите рычаг управления в положение "Вычитание/Деление". Поднимите каретку, затем обнулите регистры дисплея и введите уменьшаемое, выровненное по правому краю, в аккумулятор с помощью соответствующих ручек. Опустите каретку в исходное положение, затем установите вычитаемое на входные ползунки и один раз поверните рычаг запуска.

Деление целым числом

Настройте рычаг управления в положение "Вычитание/Деление" и установите делитель на входные ползунки. Удерживая каретку поднятой, обнулите регистры дисплея, установите делимое, выровняв его по правому краю с помощью соответствующих ручек, и переместите каретку так, чтобы старшая цифра делимого соответствовала старшей цифре делителя. Опустите каретку, затем поворачивайте рычаг выполнения столько раз, сколько необходимо, пока число над делителем не станет меньше делителя. После этого сдвиньте каретку один раз влево и повторите эту операцию, пока каретка не вернется в исходное положение, а число в аккумуляторе не станет меньше делителя. Тогда частное будет в счетчике операций, а остаток – то, что останется в аккумуляторе.

Децимальное деление

Для повышения точности деления десятичных чисел добавьте справа от делимого столько нулей, сколько необходимо, но вводите его по-прежнему с выравниванием по правому краю, а затем выполняйте деление как для целых чисел. Важно знать положение десятичной запятой при чтении частного (с машиной обычно продавались специальные маркеры, сначала из слоновой кости, а затем из металла, для этой цели).

Варианты

В 1885 году Джозеф Эдмондсон из Галифакса, Великобритания, запатентовал свой "Круговой калькулятор" – по сути, 20-значный арифмометр с круговой каретой (слайды расположены радиально вокруг неё) вместо прямой скользящей кареты. Одним из преимуществ было то, что карета всегда оставалась в пределах габаритов машины (если использовать современный термин), а не выступала за корпус при работе с более высокими десятичными разрядами. Другим преимуществом было то, что можно было выполнить вычисление до десяти знаков, используя половину окружности кареты, а затем повернуть карету на 180°; результат вычисления фиксировался латунными штырями, закрепленными на раме, и его можно было оставить там, выполняя совершенно новое вычисление с использованием нового набора индикаторных окон, теперь совмещенных со слайдерами. Таким образом, можно сказать, что машина обладала элементарной памятью. Подробности и изображения можно найти на сайте Rechenmaschinen Illustrated (внешние ссылки ниже).