Арифмометр Лейбница: история создания, особенности, описание, фото
Одним из величайших изобретений XVII века стало создание немецким математиком Готфридом Вильгельмом Лейбницем арифмометра (фото приводится в статье), способного совершать в десятичной системе все четыре основных математических действия. Именно этот вычислительный аппарат можно в полной мере назвать прообразом современного калькулятора.
Юный гений
Будущий изобретатель родился 1 июля 1646 года в Лейпциге и уже в возрасте 14 лет поступил в университет родного города, где изучал гуманитарные науки – историю, философию и юриспруденцию. Вспоминая об этом периоде своей жизни, ученый всегда подчеркивал, что знакомство с трудами выдающихся мыслителей прошлого развило в нем способность творчески подходить к решению сугубо технических проблем, избегая при этом повторения путей, пройденных ранее иными исследователями.
Вам будет интересно: «Каналья»: что это за слово такое
Математикой Лейбниц серьезно занялся лишь двумя годами позже, покинув Лейпциг и став студентом Йенского университета. Посещая лекции своего выдающегося современника – немецкого математика Эрхарда Вайгеля – он, тем не менее, продолжал занятия юриспруденцией и в 17-летнем возрасте опубликовал несколько собственноручно написанных трактатов.
Вам будет интересно: Римские приветствия: описание, история возникновения
На пути к изобретению
Толчком к созданию Готфридом Лейбницем арифмометра послужила его встреча с голландским астрономом Христианом Гюйгенсом, которому по роду его занятий, постоянно приходилось выполнять громоздкие и весьма сложные математические вычисления. Желая помочь своему новому знакомому, гениальный немец и задался целью изобрести некое механическое устройство, способное взять на себя этот рутинный труд.
Создавая механический арифмометр, Лейбниц имел возможность опираться на опыт своего предшественника – французского ученого Блеза Паскаля, который к тому времени уже изобрел весьма примитивную счетную машину и даже пытался, хотя и безуспешно, наладить ее коммерческое производство. Заметим попутно, что француза побудило к этому желание помочь своему отцу, занимавшемуся сбором налогов и постоянно обремененному множеством вычислений.
Презентация нового арифмометра
Во многом переработав и усовершенствовав счетный аппарат Паскаля, немецкий математик в 1673 году представил общественности Германии совершенно новую модель арифметического устройства, заявив при этом, что намерен и далее продолжать работу над ней. В отличие от своего французского коллеги, конструируя арифмометр, Лейбниц использовал в нем особое ступенчатое колесо, позволяющее упростить и во многом ускорить многократные сложения чисел, необходимые для выполнения операций, связанных с умножением и делением. Были внесены также и некоторые другие усовершенствования, позволявшие автоматически совершать этот процесс.
Завершение работы над изобретением
Не останавливаясь на достигнутом и продолжая совершенствовать свой арифмометр, Готфрид Лейбниц в середине 90-х годов представил публике его обновленную модель, которая и стала классическим образцом, вошедшим впоследствии во все справочники мира и получившим имя своего создателя.
Любопытно, что одна из созданных им счетных машин позже была привезена в Россию и попала к Петру I, являвшемуся, как известно, большим любителем и ценителем разных диковинок. Однако на берегах Невы она долго не задержалась и была передана государем в дар китайскому императору как свидетельство необычайного технического прогресса, достигнутого Европой.
Дальнейшие же работы по усовершенствованию своего изобретения ученый вел вплоть до 1710 года, после чего вынужден был прервать их из-за крайне высоких накладных расходов. Достаточно сказать, что в те времена, когда Лейбниц изобрел арифмометр, годовой оклад министра не превышал 2 тыс. талеров, тогда как математик вложил в свое детище сумму в 12 раз большую. Окончательная модель была создана им в двух экземплярах, из которых до настоящего времени сохранился лишь один, представленный в экспозиции Мюнхенского национального музея.
Особенности новой конструкции
Как упоминалось выше, кардинальным отличием созданного Лейбницем арифмометра от разработок, сделанных Паскалем, является наличие в нем ступенчатого вала − особого цилиндра, снабженного по бокам зубцами различного размера. Это приспособление избавляло от необходимости при умножении многократно набирать множимое число. Для получения ответа достаточно было лишь повернуть рукоять, приводящую цилиндр в движение, нужное количество раз. Даже если приходилось умножать большие числа и производимая операция занимала много времени, то и в этом случае преимущество перед арифмометром Паскаля не вызывало сомнения. В конструкцию были введены также и иные элементы, позволяющие упростить и ускорить вычислительный процесс.
Этапы научной деятельности
Рассказывая об арифмометре Лейбница, нельзя не упомянуть и об остальных заслугах этого гениального ученого, осуществившего на рубеже XVII и XVIII веков мощный прорыв в самых различных областях математики. Так, начав в 1667 году службу при дворе Мейнцкого курфюрста, он посвятил много времени созданию основ математического анализа, осуществлявшегося им на иных принципах, чем те, что были сформулированы Ньютоном. Тогда же Лейбницем был написан и капитальный научный труд, в котором он изложил разработанные им основы дифференциального исчисления.
Настоящей революцией в математике стала введенная Лейбницем в середине 80-х годов классификация вещественных чисел, при которых они подразделялись на трансцендентные и алгебраические. То же ему удалось проделать и при изучении кривых линий. Кроме того, в число наиболее значимых достижений ученого вошло введение им в математику такого понятия, как интеграл, которым он обозначил операцию, противоположную дифференцированию.
Параллельно с разработкой арифмометра, Лейбниц занимался и вопросами, входящими в круг линейной алгебры. Однако результаты его работ были по достоинству оценены лишь спустя полвека. Исследуя линейные системы, он ввел в науку неизвестное до той поры понятие «определителя», которое тогда прошло незамеченным в научных кругах, но со временем умножило его славу. Как бы это ни показалось удивительным, но Готфриду Лейбницу принадлежит вклад и в создание современной компьютерной техники. Именно он, оперируя значениями нуля и единицы, разработал широко используемую сегодня двоичную систему исчисления.
Роль Лейбница в истории Германии
Достижения ученого, ушедшего из жизни в 1716 году, во многом помогли Германии не только сделать значительный шаг в своем техническом развитии, но и преодолеть тот экономический и политический упадок, в котором она находилась после поражения в Тридцатилетней войне, охватившей Европу в период 1618-1648 гг.
Готфрид лейбниц вычислительная машина
Операция умножения многозначных чисел сводится к повторному сложению; именно так поступаем мы, выполняя умножение «столбиком» на бумаге (см. пример).
При реализации этого алгоритма на машине Паскаля приходится несколько раз (в нашем примере шесть) вводить одно и то же множимое, временами сдвигая его на один разряд влево, что очень утомительно.
Оригинальное решение проблемы предложил в 1673 году знаменитый немецкий математик, философ, дипломат Готфрид Лейбниц (Leibnitz, Gottfried; 1646–1716).
Он ввел в вычислительную машину два принципиальных усовершенствования.
Во-первых, для повторного ввода одного и того же числа он использовал ступенчатые валики (по одному на каждый разряд) и поворотную рукоятку. Поворачивая рукоятку на один оборот, можно, в зависимости от положения промежуточной шестеренки на валике, добиться ее поворота на заданную долю окружности.
Во-вторых, он поместил механизм ввода чисел на подвижную каретку, которая на очередном шаге умножения перемещается влево относительно сумматора на один разряд (в последующих конструкциях арифмометров оказалось удобнее неподвижным сделать механизм ввода, а на каретку поместить сумматор, поэтому сдвиг сумматора происходит вправо).
Таким образом, введя один раз множимое, можно многократно вводить его со сдвигом в счетчик, производя операцию умножения. Операция деления выполняется аналогично, путем повторного вычитания делителя из делимого, для чего рукоятку прибора следует крутить в другую сторону.
Арифметическая машина Лейбница совершенствовалась в деталях, но не в принципе, на протяжении следующего XVIII, а затем и XIX века, она получила название арифмометра и стала производиться многими фирмами. Наиболее популярной была модель французского инженера Карла Томаса, который в 1821 году организовал серийное производство арифмометров в Париже, поэтому арифмометры этой конструкции назывались томас-машинами.
Только через 200 лет, в 1873 году петербургский изобретатель В.Т. Однер, швед по происхождению, предложил более простое и компактное, чем валик Лейбница, устройство для ввода чисел в арифмометр – так называемое колесо Однера с переменным числом зубцов.
На базе своего изобретения Однер организовал широкомасштабное производство арифмометров.
В 1917 году Однер эмигрировал в Швецию, но производство арифмометров в России постоянно увеличивалось. На московском заводе имени Ф. Дзержинского арифмометры Однера выпускались под маркой «Феликс», в 1969 году их было произведено 300 000 шт.
Рисунок 32. Арифмометр «Феликс» (1960-е годы)
С помощью арифмометра были составлены фундаментальные математические таблицы, выполнены сложнейшие астрономические расчеты, так что «железный Феликс» – это почтенный и заслуженный вычислительный прибор, и в коллекции музея истории вычислительной техники он стоит на самом почетном месте.
Усовершенствование арифмометра продолжалось вплоть до 70-х годов XX века. К ручке приделали электромоторчик, неудобный рычажковый ввод заменили на клавишный – в результате появилось целое семейство электромеханических калькуляторов.
В середине 1960-х годов появились первые электронные калькуляторы. По своим функциональным возможностям они полностью копировали электромеханические вычислители, имели приблизительно те же размеры, зато работали бесшумно. За прошедшие 30 лет калькуляторы сильно «похудели» (сейчас их встраивают даже в часы и авторучки), подешевели, стали удобнее в пользовании и проч. и проч. Однако в идейном отношении современные электронные калькуляторы недалеко ушли от арифмометра Лейбница: они предназначены для выполнения одной изолированной операции. Если нужно выполнить цепочку вычислений, то приходится каждый раз записывать результат на бумажку и вновь вручную вводить исходные данные для следующей операции. И никакая электроника сама по себе ничего нового не дает, так как в калькуляторах (механических или электронных) не реализован фундаментальный принцип, который собственно и превратил калькулятор в компьютер – принцип программного управления.
Знакомьтесь: арифмометр «Феликс»
Привет! На связи Музей Яндекса.
Во время режима социальной изоляции мы, как и многие коллеги по музейному делу, скучаем по посетителям:
Знакомьтесь, «Феликс» — арифмометр, один из самых популярных экспонатов нашего музея. Мало кому удаётся пройти мимо и не попытаться разобраться, как он работает. А я — Александр Шмелёв, сотрудник Музея. Под катом покажу как устроен наш «Феликс», немного первых арифмометров и много видео!
Немного истории
Арифмометр — настольная (или портативная) механическая вычислительная машина, предназначенная для выполнения точных умножения и деления, а также сложения и вычитания. Первые механические счётные машины появились ещё в XVII веке:
— «считающие часы» Вильгельма Шиккарда, 1623 год
Механизм состоял из звёздочек и шестерёнок, напоминающих часы, отсюда и название. Работали с шестиразрядными числами и могли выполнять все 4 операции. Со звуковым оповещением: о выходе результата вычислений за пределы технических возможностей аппарата предупреждал звонок. Два изготовленных экземпляра сгорели, а чертежи были утеряны и найдены только в 1935 году.
Реплика арифмометра Шиккарда
— суммирующая машина Блеза Паскаля («Паскалина»), 1642 год
Внешне — ящик с большим количеством шестерёнок. Хотя конструкция позволяла производить все 4 операции, удобно работать было только со сложением. Широкого распространения она не получила, но принцип работы (связанные шестерёнки) стал самым популярным для счётных машин ближайших трёх столетий.
«Паскалина» в Музее искусств и ремёсел в Париже
— арифмометр Готфрида Вильгельма Лейбница, 1673 год
Лейбниц придумал использовать шаговый барабан — колесо Лейбница. Позднее оно вошло в конструкцию популярного карманного арифмометра Curta («математическая граната»), выпускавшегося с 1948 по 1970 год. Как это выглядело:
Реплика арифмометра Лейбница
Модель колеса Лейбница
Прямым предком «Феликса» можно считать арифмометр, придуманный Вильгодтом Теофилом Однером, шведско-русским механиком и изобретателем. Он выпускался промышленно в Санкт-Петербурге с 1890 по 1918 год и известен под фамилией автора.
Арифмометр Однера
Самым важным новшеством в конструкции стало колесо Однера — подвижный диск с рычажками и штырьками. При перемещении рычажков штырьки выходят из своих гнезд, причём количество выдвинутых штырьков определяется положением рычажка. Арифмометр позволял выполнять 4 операции: сложение, вычитание, умножение и деление.
Колесо Однера
После Октябрьской революции 1917 года, наследники Однера вернулись в Швецию и стали производить вычислитель под маркой «Original-Odhner». В 1924 году петербургский завод был перевезён в Москву, и арифмометр стал «Феликсом».
Принцип работы на видео (осторожно, английский!):
«Феликс» — в честь Феликса Дзержинского
Под этим именем с 1929 по 1978 год было выпущено несколько миллионов экземпляров. Производством «Феликсов» занимались заводы счётных машин в Курске («Счётмаш»), Пензе (Пензенский завод вычислительной техники) и Москве (Завод счётно-аналитических машин имени В. Д. Калмыкова (САМ)). Кстати, «САМ» также занимался производством электронных вычислительных машин, таких как Урал-1, Стрела и БЭСМ-6.
В 70-ые годы «Феликс» стоил примерно 10–15 рублей, и за счёт достаточно низкой цены пользовался определённой популярностью: электрические калькуляторы в это же время стоили в несколько раз дороже. Арифмометрами учили пользоваться даже в школах. Почувствовать себя в роли оператора арифмометра можно тут: ссылка ведёт на инструкцию по эксплуатации.
«Феликс» на YaTalks 2019
На фото — экземпляр из коллекции Виктора Боева на YaTalks 2019. Если вы были в нашем музее до февраля текущего года, то видели именно этот арифмометр. Всем хотелось его потрогать (думаем, всё дело в его нечеловеческом обаянии), и мы решили обзавестись своим:
Органы управления арифмометром:
1 — барашек сброса счётчика оборотов ручки;
2 — счетчик оборотов основной рукоятки 10;
3 — рукоятка сдвига каретки;
4 и 7 — стрелки-запятые, не связаны с механизмом арифмометра;
5 — задвижка для сброса в 0 положений рычажков 8;
6 — счетчик результата;
8 — рычажки барабана, с помощью которых выставляется значение операнда;
9 — барашек сброса счётчика результата;
10 — основная рукоятка. На корпусе справа от рычажков 8 есть подсказка по нужному направлению вращения основной рукоятки 10 при разных арифметических операциях.
Что внутри?
Наш «Феликс» серого цвета выпущен заводом Счётмаш в городе Курск — на корпусе выбит соответствующий логотип — заглавная «С» в рамке. Сделан в 70-ые, последние годы выпуска — указан ГОСТ 16346-70. Габариты: 320х155х135 мм. Масса: 3,5 кг.
Мне удалось приобрести его в хорошем состоянии: рукоятки вращались нормально, рычажки двигались чётко, счётчики не заедали. Единственная возникшая проблема — тугая каретка. Значит, разбирать и смотреть. Поделюсь опытом: вдруг вам тоже посчастливится препарировать что-нибудь подобное.
Для обслуживания арифмометра я приготовил:
— набор шлицевых отверток;
— бумажные салфетки;
— салфетки из нетканого материала;
— машинное масло;
— ватные палочки;
— баллон со сжатым воздухом;
— бензин «Калоша».
Чтобы снять заднюю крышку, откручиваем 4 винта:
Снимаем крышки каретки:
Переворачиваем арифмометр и откручиваем ещё 6 винтов:
Отсоединяем часть с колесами Однера и основной рукояткой:
1 — система зубчатых колес Однера; 2 — счётчик результата; 3 — счётчик оборотов основной рукоятки; 4 — звонок переполнения или отрицательного числа в счётчике результата.
Откручиваем фиксаторы каретки и отсоединяем её:
На этом этапе будет много пыли и других возможностей запачкаться — не забудьте подготовиться! Продуваем и протираем внутренности. Смазываем машинным маслом трущиеся поверхности каретки и можно собирать всё в обратной последовательности.
«Феликс» позволяет работать с числами до 9 знаков. Есть и другие технические ограничения: результаты сложения, вычитания и умножения не должны превышать 13 знаков, деления — 8. При переполнении счётчика результата или получении отрицательного числа звучит звонок: требуется отменить предыдущую операцию.
Для подготовки к работе:
Так работает колесо Однера нашего «Феликса»:
Счетная машина Лейбница: принцип работы, год создания и фото
Вам будет интересно: Что такое переменные? Переменная величина в математике
Колесо Лейбница
Колесо или ступенчатый барабан представляет собой цилиндр с набором зубцов инкрементных длин, которые при соединении со счетным колесом могут использоваться в вычислительном двигателе класса механических калькуляторов. Изобретенный Лейбницем в 1673 году, он использовался в течение трех столетий до появления электронного калькулятора в середине 1970-х годов.
Лейбниц построил машину, названную ступенчатым реконером (или машиной Лейбница), на основе конструкции ступенчатого барабана в 1694-м. Он был широко прославлен Томасом де Кольмаром, когда он использовал его спустя полтора века в своем арифмометре, первой серийной вычислительной машине. Он также использовался в калькуляторе Курта, очень популярном портативном калькуляторе, представленном во второй половине 20-го века.
Вам будет интересно: Плотность осмия: характеристика, значение, физические и химические свойства, получение и применение
Если соединить колесо Лейбница со счетным колесом, свободным для перемещения вверх и вниз по его длине, счетное колесо может зацепляться с любым количеством зубов. Фото машины Лейбница вы можете увидеть в этой статье. Многие энтузиасты пытаются воссоздать это чудо 17-го века в домашних условиях, используя подручные материалы.
Машина Лейбница: принцип работы
Этот примитивный калькулятор обладал девятью зубцами, соединенными с красным счетным колесом.
В вычислительном устройстве арифмометра имеется набор связанных колес, соединенных с рукояткой кривошипа. Каждый поворот рукоятки кривошипа поворачивает все колеса на один полный оборот. Входные ползунки перемещают подсчетные колеса вверх и вниз по колесам, которые сами связаны механизмом переноса.
Вам будет интересно: Российская таможенная академия в Москве: описание, адрес, факультеты.
Начиная с конца девятнадцатого века барабаны Лейбница, извлеченные из этого механизма и используемые во всех прото-калькуляторах, были частично вытеснены штифтами, которые по своей функции похожи, но обладали более компактным видом. Ступенчатые барабаны оставались основной технологией для электромеханических калькуляторов до разработки чисто электронных аналогов в прошлом веке.
Счетная машина была создана на базе механизма, который изобрел Лейбниц и который теперь называется машиной Лейбница. Неясно, сколько было сделано разных экземпляров этого первого в мире калькулятора. Некоторые источники утверждают, что их было 12. В этом статье описывается сохранившийся 16-значный прототип, хранящийся в Ганновере.
Описание
Машина имеет длину около 67 см (26 дюймов), выполнена из полированной латуни и стали, смонтирована в дубовом корпусе. Она состоит из двух прикрепленных параллельных частей. Секция аккумулятора находилась сзади, клавиатура вмещала 16 десятичных цифр и 8-разрядную секцию ввода спереди.
Секция ввода имеет 8 наборов с кнопками для установки номера операнда, телефонный диск справа, чтобы установить цифру множителя, и кривошип на передней панели для выполнения расчета. Результат исчисления появлялся в 16-значном окошке задней части аккумулятора.
Секция ввода монтируется на рельсах и может перемещаться вдоль аккумуляторной секции с помощью кривошипа на левом конце, который вращает червячную шестерню, чтобы изменить выравнивание цифр операндов с помощью цифр аккумулятора.
Существует также индикатор переноса с десятками и элемент управления для установки нолей при расчетах.
Сложение и вычитание
Сложение или вычитание выполняется за один шаг с поворотом рукоятки. Умножение и деление выполняются с помощью клавиш умножителя или делителя в процедуре, эквивалентной знакомым методам длительного умножения и длительного разделения, которые преподаются в школе. Последовательности этих операций могут выполняться по числу в аккумуляторе: например, он может вычислять корни с помощью серии разделов и дополнений. Для своего времени счетная машина Лейбница была очень прогрессивным механизмом. Ее компоненты, как уже писалось выше, использовались в механических калькуляторах на протяжении целых 300 лет, что кажется совершенно невероятным.
История
Лейбниц разработал идею вычислительной машины в 1672 году в Париже благодаря шагомеру. Позже он узнал о машине Блеза Паскаля, когда прочитал его трактат Pensees. Он сосредоточился на расширении механизма Паскаля, чтобы он мог умножать и делить. 1 февраля 1673 года он представил деревянную модель Лондонскому королевскому обществу и получил большую поддержку. В письме от 26 марта 1673 года Иоганну Фридриху, где он упомянул о представлении в Лондоне, Лейбниц описал цель «арифметической машины» как составление расчетов leicht, geschwind, gewiß, то есть легко, быстро и точно. Лейбниц также добавил, что теоретически рассчитанные числа могут быть еще большими, если бы размер машины был как следует скорректирован. Первая предварительная латунная машина Готфрида Лейбница была построена между 1674 и 1685 годами. Его так называемая старая машина была построена между 1686 и 1694 гг. «Более молодая машина», сохранившаяся до наших времен и выставленная в Ганновере, была построена с 1690 по 1720 год.
В 1775 году «младшая машина» была отправлена в Геттингенский университет для ремонта и забыта. В 1876 году рабочие нашли ее в мансарде университетского здания в Геттингене. Она была возвращена в Ганновер в 1880 году. С 1894 по 1896 год Артур Буркхардт, основатель крупной немецкой калькуляторной компании, восстановил ее.
Функционал
Машина выполняет умножение путем повторного добавления и деление путем повторного вычитания. Основная выполняемая операция заключается в том, чтобы добавить (или вычесть) номер операнда в регистр накопителя столько раз, сколько требуется (чтобы вычесть, рабочий кривошип поворачивается в противоположном направлении). Количество дополнений (или вычитаний) контролируется множителем. Он работает, как телефонный диск, с десятью отверстиями по окружности с номерами от 0 до 9. Чтобы умножить на одну цифру, в соответствующее отверстие на циферблате вставлен стилус в форме ручки, а кривошип повернут. Циферблат мультипликатора поворачивается по часовой стрелке, машина выполняет одно добавление для каждого отверстия, пока стилус не остановится в верхней части циферблата. Результат появляется в окнах накопителя.
Повторные вычитания выполняются аналогично, за исключением того, что множительный циферблат поворачивается в противоположном направлении, поэтому используется второй набор цифр, выделенный красным цветом. Чтобы выполнить одно сложение или вычитание, множитель просто устанавливается на единицу. Как можно понять, вычислительная машина Лейбница была крайне удобной для своего времени.
Сложное умножение
Деление
Операция деления на машине Лейбница проводится несколько иным способом:
Калькулятор Паскаля
Калькулятор Паскаля был особенно успешным в части механизма переноса, который добавляет от 1 до 9 на одном циферблате, а когда он меняется от 9 до 0, переносит 1 в следующую таблицу, находящуюся рядом. Паскаль был первым ученым, который переработал и адаптировал для своей цели фонарный механизм, используемый в башенных часах и водяных колесах. Арифметическая машина Лейбница в известной степени стала продолжением идеи Паскаля, и его опыт был изучен и использован немецким ученым для создания собственного механического шедевра.