История технических открытий и изобретений с первого взгляда кажется цепью случайных озарений, результатом усилий гениальных одиночек, творящих по внутреннему побуждению. Но это только с первого взгляда. Кроме внутреннего побуждения талантливых изобретателей, есть еще потребности общественного развития. Они-то и определяют в конечном счете судьбу технического изобретения. Нужны материальные предпосылки и соответствующие социально-экономические условия, чтобы техническая новинка получила «права гражданства». Для суммирующих машин таких предпосылок, по сути дела, не было ни в XVII, ни в XVIII, ни даже в первой половине XIX века. В эти века вполне обходились существовавшими тогда средствами и методами счета.

Не было тогда и соответствующих материально-технических условий для полной реализации идеи механизации счета. Отсюда серьезные конструктивные недостатки машин. Ввод чисел и выполнение операций в старых машинах были медленными процессами, которым трудно было конкурировать с устным счетом «профессиональных вычислителей» вроде бухгалтеров, продавцов, кассиров и т. п. Правильность установки (ввода) последующих слагаемых, как правило, нельзя было проконтролировать. Наконец, механизмы передачи десятков у всех суммирующих машин страдали серьезным недостатком, суть которого можно пояснить следующим примером.

Пусть требуется выполнить на машине с межразрядным переносом сложение 19997 + 6. Установив первое слагаемое, повернем колесо единиц на 6 делений. Пока мы будем проходить положения, соответствующие цифрам 8 и 9, поворот осуществляется при определенном усилии. При переходе же от 9 к 0 вычислителю придется поворачивать не одно колесо, а сразу 5! При этом происходит повышение сопротивления механизма и приходится увеличивать усилие. После окончания переноса сопротивление вновь падает. При таких скачках сопротивления работа механизма получается неравномерной. Это усугубляет нежелательное явление, известное в технике под названием «мертвый ход», или «люфт»: зубчатое колесо разряда единиц должно повернуться на некоторый угол прежде, чем его вращение будет передано колесу десятков.

«Мертвый ход» в счетном механизме был следствием не только износа зубьев под действием переменных усилий, но и низкой точности изготовления колес. Здесь мы сталкиваемся еще с одной важной причиной ограниченного распространения счетных машин – отсутствием технологической базы для развития счетной техники.

Норберт Винер в книге «Кибернетика и общество», говоря о Паскале как о создателе арифмометра, подчеркивал, что «техника, воплощенная в автоматах его времени, была техникой часовых механизмов». Что же это была за техника?

Механические часы впервые были описаны в средневековом трактате «Libros dis Saber Astronomia», составленном в 1276–1277 годах испанскими учеными для короля Кастилии Альфонса Мудрого. Уже в «Божественной комедии» Данте, написанной между 1307 и 1321 годами, мы встречаем такие строки:

И как в часах, колеса с их прибором
Так движутся, что чуть ползет одно,
Другое же летает перед взором...

В первых механических часах широко применялись корончатые и цевочные колеса, известные еще в древности. Корончатое колесо представляет собой плоскую круговую полоску, на которой на одинаковом угловом расстоянии друг от друга закреплены небольшие штыри; цевочное колесо состоит из цилиндров, укрепленных между двумя плоскими дисками.
В часах XV и особенно XVI века, кроме корончатых и цевочных колес, все чаще встречаются шестерни, зубчатые рейки с треугольной, прямоугольной и трапециевидной формой зубьев. Тогда же возникает задача выбора такой формы зуба, которая обеспечила бы непрерывный контакт колес и их долговечность при минимальном трении. Это было особенно важно для конструкций машин, в которых зубчатые колеса использовались для передачи мощности (например, в мельницах), и устройств, где точность и стабильность зацепления были условиями надежной работы (например, в счетных механизмах).

Распространение получили две формы зубьев – эпициклоидальная и эвольвентная. Эпициклоидой называется кривая, образованная точкой на окружности, перекатывающейся по внешней стороне неподвижного круга. Ее открыл в 1525 году великий художник и математик Альбрехт Дюрер. Спустя 125 лет появились первые зубчатые колеса с эпициклоидальным профилем зуба, предложенные и изготовленные французским математиком и инженером Жюлем Дезаргом (1593–1661), а в 1694 году выполнен первый математический анализ эпициклоидального зацепления. Однако лишь в первой четверти XIX столетия точные методы расчета таких зацеплений стали достоянием инженеров-практиков.

История эвольвентного зацепления еще короче. Эвольвента – частный случай эпициклоиды, при которой образующая окружность перекатывается по кругу бесконечно большого радиуса, то есть по прямой линии. Зацепление это было предложено в 1754 году великим математиком и механиком Леонардом Эйлером.

Одновременно с развитием теории совершенствовалась практика изготовления зубчатых колес, и в XIX столетии соединение теории и практики зубонарезания привело к созданию Джеймсом Уайтом, Джеймсом Фоксом и Джозефом Уайтвортом первых зубонарезных станков.

Краткий экскурс в историю зубчатых колес позволяет сделать вывод о том, что в течение почти 250­летнего периода конструкторы счетных машин не имели технологической базы, которая могла бы обеспечить с необходимой точностью изготовление деталей счетных машин.

К середине XIX столетия необходимая база была создана. Кроме того, общественно-экономическая обстановка, бурный рост промышленности, развитие банков и железных дорог требовали создания надежных и быстродействующих счетных машин. Для этого необходимо было в первую очередь изменить «медленную» установку чисел с помощью ведущего штифта. Приближенно эту задачу решило изобретение клавишного ввода. Приближенно потому, что принципиальное решение проблемы пришло, когда появилась электронная база вычислительной техники. Тем не менее благодаря клавишному механическому вводу в середине 80­х годов XIX столетия удалось организовать промышленный выпуск суммирующих машин. В создание клавишных машин внесли свой вклад изобретатели многих стран, но основные конструкции принадлежат американцам Юджину Дорру Фельту и Уильяму Бэрроузу, с именами которых связан последний этап в истории механических суммирующих машин.

Первая в мире клавишная машина описана в патенте США № 7074 от 5 февраля 1850 года, выданном на имя некоего Д. Пармели. Его изобретение представляло собой одноразрядную суммирующую машину, с помощью которой можно было последовательно складывать цифры, стоящие в разряде единиц, затем – в разряде десятков, сотен и т. д.

Преимущества одноразрядных машин – простота конструкции, отсутствие механизма передачи десятков; недостатки – небольшая «емкость» машины и неудобство выполнения вычислений, поскольку надо было подсчитывать, запоминать (записывать) одноразрядные суммы и переносить их в старшие разряды. По указанным причинам эти машины распространения не получили, и на смену им пришли многоразрядные.

Первая попытка создания подобной машины принадлежит американцу Томасу Хиллу и относится к 1857 году. Его двухразрядная машина имела некоторый успех и была даже выставлена в Национальном музее в Вашингтоне, однако серьезные конструктивные недостатки, не говоря уже о малой разрядности, помешали ее дальнейшему распространению.

По-настоящему более или менее пригодная многоразрядная машина была создана в середине 80-х годов прошлого столетия. В 1884 году 24-летний металлист Юджин Дорр Фельт, наблюдая за работой привода строгального станка, выполненного в виде храпового механизма, пришел к мысли о создании счетной машины, в которой аналогичный механизм играл бы главную роль. Позже Фельт вспоминал:

«Накануне Дня Благодарения 1884 года я решил использовать выходной для изготовления деревянной модели машины. Отправился к бакалейщику и выбрал ящик, который, как мне казалось, вполне подходил для корпуса машины. Это был ящик из-под макарон. Для клавишей я раздобыл у мясника, чья лавка располагалась за углом, несколько шампуров, а у скобянщика достал скобы, которые должны были сыграть роль направляющих для клавишных стержней; в качестве пружин я намеревался использовать эластичные ленты.

В День Благодарения я встал пораньше и принялся за работу. У меня были кое-какие инструменты, но в основном я пользовался ножом. Вскоре, однако, убедился, что для изготовления некоторых деталей мои инструменты не подходят. Наступила ночь, и я увидел, что моя модель еще далека до завершения. Но в конце концов я изготовил недостающие детали из металла и в первые дни нового 1885 года закончил модель».

С конца 1886 и по сентябрь 1887 года он за свой счет изготовил 8 машин. Пытаясь найти им коммерческий сбыт, Фельт демонстрирует их в Вашингтоне в министерстве финансов и в бюро погоды Нью-Йорка. Видимо, эти демонстрации имели успех, поскольку 8 ноября 1887 года Фельт вместе с чикагским бизнесменом Робертом Таррантом организует компанию по производству счетной клавишной машины, получившей торговую марку «Комптометр».

В машине Фельта (рис. 1) над верхней крышкой размещались несколько вертикальных рядов клавиш, укрепленных на длинных стержнях, которые проходили через крышку внутрь конструкции. Нажимая на клавишу, вычислитель заставлял ее стержень повернуть рычаг L, связанный с рейкой P, которая, в свою очередь, находилась в постоянном зацеплении с шестеренкой M. Всего рычагов в машине было столько, сколько в вертикальных рядах клавиш, и все девять клавиш одного разряда действовали на рычаг L. Рейка P в исходном положении располагалась вверху, так как рычаг L оттягивался пружиной B. При нажатии на клавишу зубчатая рейка поворачивала на соответствующее число зубьев шестеренку M.

При отпускании клавиши рычаг под действием пружины возвращался в исходное положение, а вместе с ним возвращались рейка и шестеренка. На шестеренке была укреплена собачка храпового механизма, зубчатое колесо которого жестко соединялось с цифровым роликом, насаженным на ту же ось, что и шестерня. С поворотом шестеренки собачка поворачивала колесо вместе с роликом, и в окне перед вычислителем проходили соответствующие цифры. Когда шестеренка совершала возвратное движение, собачка проскальзывала по зубьям храпового колеса, и цифровой ролик оставался неподвижным.

Операция вычитания выполнялась как сложение с дополнительным к вычитаемому числом, для этого нажимались клавиши с маленькими цифрами во всех разрядах, начиная с левого и до первой значащей цифры вычитаемого, за этими нулями на малых цифрах устанавливалось число, у которого в последнем разряде было на единицу меньше, чем в данном вычитаемом.

Операции умножения и деления выполнялись как последовательные сложения и вычитания соответственно.

Механизм передачи десятков «Комптометра» состоял из рычага с собачкой, свободно вращающейся на его свободном конце, и пружины, игравшей роль аккумулятора энергии. Собачка взаимодействовала со штырьками, укрепленными по периметру боковой стороны цифрового ролика старшего разряда и образовывавшими корончатое колесо. С левой стороны каждого ролика, кроме ролика самого старшего разряда, крепился эвольвентный кулачок, по которому при вращении несущей оси перекатывалось плечо «рычага переноса», все сильнее натягивая пружину. Повороту ролика от 9 к 0 соответствовал переход рычага через наивысшую точку профиля кулачка, при этом рычаг падал, собачка освобождалась и, упираясь в один из штырей, проталкивала цифровой ролик старшего разряда на один шаг вперед.

Чтобы избежать ошибочного поворота цифрового ролика при сильном ударе по клавише, Фельт снабдил каждый ролик механизмом, который связывал во время работы клавишу с ее клавишным рычагом L. Этот механизм состоял из подпружиненного стопорного рычага I, свободный конец которого оканчивался зубом в виде топорика, и рычага G, находившегося ниже клавишных стержней и связанного с первым системой тяг. Рычаг G располагался так, что после поворота цифрового ролика на угол, определенный «ценой» клавиши, ее стержень наталкивался на рычаг, и тяги заставляли топорик стопорного рычага упасть между двумя соседними штырями на боковой стороне ролика: счетный механизм данного разряда останавливался. Таким образом, клавишный рычаг L никогда не мог под воздействием сил инерции «перегнать» соответствующий ролик и внести ошибку в вычисления.

Эта машина имела ряд недостатков, в частности, нельзя было проконтролировать правильность ввода, у нее отсутствовал печатающий механизм. Правда, Фельт пытался исправить погрешности и в конце 80-х годов создал несколько счетно-печатающих машин, но популярностью они не пользовались.

Уильям Бэрроуз начал работать над своим изобретением в 1884 году, он шел другим путем и успеха добился позднее. Бэрроуз родился 28 января 1857 года в городке Рочестер (штат Нью-Йорк). Его отец, неудачливый механик, в поисках заработка скитался с семьей по всей Америке, пока, наконец, не осел в другом маленьком городишке того же штата — Оберне. Здесь Уильям некоторое время посещал начальную школу, а затем был отдан учеником бухгалтера в местный банк. Душные банковские клетушки и пятилетнее корпение над колонками цифр расшатали его здоровье. Он заболел туберкулезом и, оставив по совету врача бухгалтерскую работу, переехал в 1882 году в Сен­Луис, где устроился механиком ремонтной мастерской.

Бэрроуз отлично понимал перспективность машин, облегчавших однообразные утомительные вычисления. После переезда в Сен-Луис он начинает размышлять над машиной, которая позволила бы печатать исходные числа, суммировать (или вычитать) их и печатать результат вычисления, допуская контроль ввода исходных данных. Бэрроузу удалось заинтересовать будущими барышами хозяина мастерской Джозефа Бойера и Томаса Меткалфа, местного фабриканта. Сообща они собрали 700 долларов, и Бэрроуз начал работу. Однако денег хватило ненадолго: материалы и инструменты стоили дороже, чем полагал изобретатель, да к тому же первая модель машины оказалась неудачной. Меценаты заметно охладели, и деньги на новую модель ему пришлось выпрашивать у нового покровителя – предпринимателя Р. Скраггса. Однако и вторая модель оказалась неудачной. Бэрроуз изготовляет третью модель и, поскольку она кажется ему окончательным вариантом, делает сразу несколько экземпляров машины. Но и здесь его постигло разочарование: попытки обучить других работе на машине терпели неудачу – слишком сильный или слишком слабый удар по клавишам нарушал ее нормальное функционирование.

Такая цепь неудач могла остановить кого угодно, но только не Бэрроуза. Бедствуя, а иногда и голодая, он тем не менее не терял уверенности в конечном успехе своего предприятия. В конце 1885 года Бэрроуз заканчивает работу над машиной, и 21 января 1886 года Т. Меткалф, Р. Скраггс, У. Бэрроуз и X. Пай (местный предприниматель) создают Американскую компанию арифмометров – первую в мире фирму по производству счетных машин.

Дела у них пошли так успешно, что вскоре Бэрроуз из бедняка превратился в состоятельного бизнесмена. Но богатство и слава пришли слишком поздно – 14 сентября 1898 года в возрасте 41 года Уильям Бэрроуз умер. Надпись на его надгробном памятнике гласит: «Здесь покоится человек, который был благородным в бедности, скромным в богатстве и великим в своих делах на благо человечества». В отличие от «Комптометра» машина Бэрроуза (рис. 2) была двухтактной: в первом такте осуществлялась установка числа клавишами, во втором движением приводного рычага число переносилось на счетчик. Таким образом, клавиши здесь не имели отношения к действию машины и оставались в опущенном положении с момента установки числа. Поэтому можно было непосредственно произвести контроль ввода и в случае необходимости исправить ошибку.

Ввод числа приводил к изменению в положении элементов машины. Нажатием клавиши поворачивался один из двуплечих рычажков a (см. рис. 2). К другому плечу рычажка была прикреплена проволочная тяга b, которая своим свободным концом c, загнутым под прямым углом к плоскости чертежа, входила в зубья неподвижного «направляющего» сектора d. В момент нажатия клавиши загнутый конец тяги глубже входил в промежуток между зубьями d и становился на пути следования выступающего хвоста k на подвижном зубчатом секторе g. Одновременно с этим двуплечий рычажок a отодвигал планку r ; эта планка своим загнутым концом освобождала защелку f, в силу чего сектор g, который защелка ранее удерживала в верхнем положении, получал возможность вращаться вокруг оси h.

После установки числа приводной рычаг n отпускали, и пружина возвращала его в исходное положение. При движении рычага «вперед» падала вниз поперечная планка r, которая ранее лежала непосредственно под секторами g и удерживала их в верхнем положении. При этом начинали опускаться вниз те сектора, у которых защелка f была отодвинута действием клавиш; однако зубчатые колеса с цифровыми роликами i еще не входили в зацепления с этими секторами. Поэтому они двигались вниз свободно до тех пор, пока хвост сектора g не ударялся о загнутые концы проволочных тяг b. Следовательно, сектор g поворачивался на угол, пропорциональный «цене» прижатой клавиши в данном разряде. Очевидно, на такой же угол должен был повернуться и жестко скрепленный с ним сектор g1, на внешней поверхности которого был закреплен цифропечатающий шрифт I, и соответствующая цифра должна была встать «на линии печати» против красящей ленты и валика с бумагой m.

Аналогичным образом действовали механизмы и других разрядов, каждому из которых соответствовали свои сектора g–g1, расположенные один возле другого на оси h.

Когда процесс завершался, молоточки O освобождались от удерживающих их пружин; они ударяли по шрифтам, находящимся на линии печати, и прижимали их к бумаге, фиксируя на ней вводимое число. Кроме того, зубчатые колеса с роликами i, совершавшие качательные движения вокруг оси p, входили в зацепление с зубчатыми секторами g.

При отпускании рычага n планка r возвращалась под действием пружин в свое первоначальное положение, поднимая при этом все опустившиеся сектора. Очевидно, что каждый из них поднимался при этом на столько зубьев, на сколько он перед этим опустился, и на соответствующий угол поворачивался цифровой ролик i. Таким образом вводимое число переносилось на счетчик.

К концу обратного движения рычага клавиши снова освобождались и возвращались пружинами в нормальное положение. Точно так же производился ввод второго слагаемого, и на цифровых роликах появлялся результат суммирования, который тоже печатался на бумажной ленте. В основе выполнения других арифметических операций лежала операция суммирования, поэтому мы не будем их рассматривать.

В дальнейшем машина Бэрроуза неоднократно подвергалась модификации и усовершенствованию. Расширился, например, «ассортимент» выполняемых на машине операций, в частности, появились операции «Печатание без сложения», «Сложение без печати», «Поперечное сложение», «Печатание списков и таблиц» и т. д. Впоследствии приводной рычаг был заменен электрическим двигателем.

И «Комптометр», и машина Бэрроуза – наиболее яркие представители суммирующих машин, получивших особенно широкое распространение в первой половине нашего столетия. Начиная с 50-х годов в клавишных машинах стали использовать электропривод, а затем и электронику.

Ю.Л.Полунов