Шестеренные вычислительные машины: история и принцип действия

Введение

Тип механического калькулятора

Колесный калькулятор – это класс механических калькуляторов, описанный еще в 1685 году и получивший широкое распространение в 19-м и 20-м веках. Он осуществлял вычисления с помощью колес, число зубьев которых можно было регулировать. Эти колеса, также называемые зубчатыми, настраивались с помощью бокового рычага, который мог открывать от 0 до 9 зубьев, и, следовательно, при соединении со счетчиком они могли при каждом обороте добавлять к результату число от 0 до 9. Объединив эти колеса с механизмами переноса, был изобретен новый тип вычислительного устройства. Вращая колеса в одном направлении, выполнялось сложение, в другом – вычитание. В ходе модернизации арифмометра удалось на порядок уменьшить стоимость и размер механических калькуляторов, на которых можно было легко выполнять четыре основные арифметические операции (сложение, вычитание, умножение и деление). Колесные калькуляторы стали чрезвычайно популярными благодаря успеху арифмометра Томаса (производившегося в 1850-х годах) и арифмометра Однера (производившегося в 1890-х годах).

История

В своей книге «Machina arithmetica in qua non additio tantum et subtractio sed et multiplicatio nullo, diviso vero paene nullo animi labore peragantur», написанной в 1685 году, Лейбниц описал арифметическую машину, которую он изобрел, созданную путем объединения двух отдельных устройств: одного для сложения и вычитания, а другого – для умножения и деления. Калькулятор Паскаля предназначался для сложения и вычитания (он называл его «вычислительной коробкой Паскаля»), а для умножения и деления предполагалось использовать машину с колесами и подвижными зубцами. Нет свидетельств того, что Лейбниц построил эту машину с зубчатыми колесами, но его «колесо Лейбница», которое, в сочетании со скользящим счетным колесом, может взаимодействовать с переменным количеством зубцов, по-видимому, было его способом реализации конструкции с переменным числом зубцов. Джованни Полени к 1709 году построил деревянный вычислительный калькулятор, выполненный в виде часов, использующий конструкцию с зубчатыми колесами; он уничтожил его, узнав, что Антониус Браун получил 10 000 гульденов за посвящение машины с зубчатыми колесами собственной конструкции императору Карлу VI в Вене. Полени описал свою машину в своей работе Miscellanea в 1709 году, но она также была описана Якобом Леупольдом в его «Theatrum Machinarum Generale» («Общая теория машин»), опубликованной в 1727 году. Антоний Браун был родом из Швабии; его машина, которую он подарил императору в 1727 году, имела цилиндрическую форму и была изготовлена из стали, серебра и латуни; она была искусно украшена и напоминала столовые часы эпохи Возрождения. Она могла выполнять все четыре арифметических действия. Его посвящение императору, выгравированное на верхней части машины, также гласит: «чтобы облегчить невежественным людям сложение, вычитание, умножение и даже деление». Лорд Стэнхоуп из Великобритании разработал машину с зубчатыми колесами в 1775 году. Она была помещена в прямоугольный корпус с ручкой сбоку. Он также разработал машину с использованием колес Лейбница в 1777 году. Доктор Дидье Рот, французский изобретатель, запатентовал и построил машину, основанную на этой конструкции, в 1842 году. Израиль Стаффель, польский часовщик, представил свою машину с зубчатыми колесами в 1845 году на промышленной выставке в Варшаве и завоевал золотую медаль на Великой выставке в Лондоне в 1851 году. Фрэнк С. Болдуин изобрел калькулятор с зубчатыми колесами в Соединенных Штатах в 1872 году. В Санкт-Петербурге, Россия, Вильгот Теофил Однер изобрел свой арифмометр в 1874 году, а в 1890 году он стал первым калькулятором с зубчатыми колесами, запущенным в массовое производство. Промышленное производство началось в мастерской Однера: W. T. Odhner, Maschinenfabrik & Metallgiesserei, а затем в 1891 году было перенесено на завод Однера Гиля (фабрика Однера Гиля). Калькуляторы типа Однер были более популярны в Европе (особенно в Германии), чем в Соединенных Штатах. Компания Grimme, Natalis & Co. приобрела права на патенты Однера в 1892 году и вскоре после этого начала производство в Брансвике, Германия. Они продавали свои машины под торговой маркой Brunsviga (Brunsviga – латинское название города Брансвейк, как Braunschweig – его название на немецком языке); они добились большого успеха и стали первыми из длинной серии производителей клонов Однера. В 1924 году Феликс Дзержинский, глава российской ЧК, инициировал производство арифмометров. Позже они были названы «арифмометр Феликс» и служили в Советском Союзе вплоть до 1970-х годов, широко известные под названием «Железный Феликс».

In "Machina arithmetica in qua non additio tantum et subtractio sed et multiplicatio nullo, diviso vero paene nullo animi labore peragantur", written in 1685, Leibniz described an arithmetic machine he had invented that was made by linking two separate machines, one to perform additions/subtractions and one for multiplications/divisions. Pascal's calculator was to be used for additions and subtractions (he called it the calculating box of Pascal) and a machine using wheels with movable teeth was to be used for multiplications and divisions. There is no evidence that Leibniz constructed this pinwheel machine, but his Leibniz wheel, which, when coupled to a sliding counting wheel, can mesh with a variable number of teeth, seems to have been his way of implementing a variable number of teeth design. Giovanni Poleni by 1709 had built a wooden calculating clock calculator that used a pinwheel design; he destroyed it after hearing that Antonius Braun had received 10,000 Guldens for dedicating a pinwheel machine of his own design to the emperor Charles VI of Vienna. Poleni described his machine in his Miscellanea in 1709, but it was also described by Jacob Leupold in his Theatrum Machinarum Generale, ("The General Theory of Machines") which was published in 1727. Antonius Braun was a native of Swabia; his machine, which he presented to the emperor in 1727, was cylindrical in shape and was made of steel, silver and brass; it was finely decorated and looked like a renaissance table clock. It could perform all four operations. His dedication to the emperor engraved on the top of the machine also reads " to make easy to ignorant people, addition, subtraction, multiplication and even division". Lord Stanhope of the United Kingdom designed a pinwheel machine in 1775. It was set in a rectangular box with a handle on the side. He also designed a machine using Leibniz wheels in 1777. Dr. Didier Roth, a French inventor, patented and built a machine based on that design in 1842. Izrael Staffel, a polish clockmaker introduced his pinwheel machine in 1845 at an industrial exposition in Warsaw, Poland and won a gold medal in 1851 at The Great Exhibition in London. Frank S. Baldwin invented a pinwheel calculator in the United States in 1872. In St. Petersburg, Russia, Wilgott Theophil Odhner invented his arithmometer in 1874 and in 1890 it became the first pinwheel calculator to be mass manufactured. Its industrial production started in Odhner's workshop: W. T. Odhner, Maschinenfabrik & Metallgiesserei and then moved to the Odhner Gill factory (фабрика Однера Гиля) in 1891. Odhner type calculators were more popular in Europe (particularly in Germany) than in the United States. Grimme, Natalis & Co. bought the rights to Odhner's patents in 1892 and soon after started production in Brunswick, Germany. They sold their machines under the Brunsviga brand name (Brunsviga is the Latin name of the town of Brunswick, just as Braunschweig is its name in German); they became very successful on their own and were the first of a long line of Odhner clone makers. In 1924, Felix Dzerzhinsky, the head of the Russian Cheka, initiated the manufacturing of arithmometers. Later they were named arithmometer Feliks and served in the Soviet Union well into the 1970s, popularly known under the name "Iron Feliks".

Операция

Работа машин этого типа осуществлялась путем переключения рычагов или ручек для установки нужного числа. Сложение, вычитание, умножение и деление выполнялись с помощью вращающихся барабанов. Для сложения барабаны вращались в одном направлении, а для вычитания – в противоположном. Для умножения вращения повторялись в том же направлении, что и для сложения, а для деления – в том же направлении, что и для вычитания. Два набора циферблатов позволяли считывать итоги. На одном отображалось накопление итогов, а на другом – число, которое добавлялось, вычиталось, умножалось или делилось. (Руководство по офисным приборам, стр. 88)