Во второй половине XVIII века развитие науки в Англии в значительной степени зависело от покровительства «сильных мира сего», субсидировавших отдельных ученых и поддерживавших Королевское общество. Можно, однако, назвать лишь одного пэра Англии, который в конце XVIII — начале XIX века внес собственными трудами вклад в английскую науку,— Чарлза, третьего графа Стэнхоупа.
Дед его был военным и политическим деятелем, премьер-министром при короле Георге' I, отец—ученым чудаком. Получив образование в Утрехте и Женеве, Филипп, второй граф Стэнхоуп, проникся любовью к точ-. ным наукам, греческому языку и демократическим принципам. Одевался он как простолюдин, париков не носил и палату лордов посещал крайне редко. Вероятно, поэтому однажды швейцар парламента, не узнав в задумавшемся прохожем графа Стэнхоупа, задержал его у входа словами: «Честный человек! Это место не для тебя!», на что граф^ ответил: «Мне очень жаль, что в этом доме нет места честным людям...»
- Чарлз, третяй. граф Стэнхоуп, сочетал в себе энергию политика и талант ученого. ,-,
По существовавшей в семье традиции Чарлза, родившегося 3 августа 1753 года, отдают в раннем детстве в аристократический Итон. После нескольких лет обучения его наставник смог дать такую характеристику мальчику: «Он очень сообразителен, хотя, как мне кажется, не получает удовольствия от книг. У него доброе сердце и превосходный характер. Я не встречал еще столь развитого в таком юном.возрасте .чувства чести».
В 1763 году, после смерти старшего брата, Чарлз становится виконтом Мооном и наследником графского титула, а в следующем году покидает Итон и вместе
76 "
с семьей переезжает в Женеву. Женевский «дух вольности и просвещения» оказал большое влияние на формирование политических взглядов юноши.
18 лет риконт Моон получает премию шведской Академии наук за работу о колебаниях маятника и вскоре избирается членом лондонского Королевского общества. В 1774 году семья возвращается в Англию, и в конце того же года Чарлз женится на Хестер Питт—сестре будущего премьер-министра Уильяма Питта-младшего. В течение последующих 15 лет—сначала в палате представителей, а затем в палате лордов * — Стэнхоуп энергично поддерживает своего выдающегося родственника. Что же касается выступлений и биллей самого Стэнхоупа, то их отличает в первую очередь демократическая направленность: он, например, резко выступает против войны с американскими колонистами, против работорговли, выдвигает предложения по демократизации выбо-ров,*парлам.ентским реформам и т. д.
Разрыв с Питтом произошел *в 1789 году. Причиной тому послужила Великая французская рсес;!юция, которую Стэнхоуп с воодушевлением приветствсзал. Будучи председателем английского «Революционного общества», он послал от его имени в Париж поздравление по случаю взятия Бастилии. В своем имении он велел выбросить все гобелены и сорвать семейный герб с ворот, а в парламенте страстно выступал против войны с революционной Францией. Эти речи, которые высокий, очень худой и длиннолицый лорд произносил громовым голосом, послужили причиной многочисленных прозвищ, которыми награждала его пресса: «Дон-Кихот нации», «Санкюлот Стэнхоуп», «Меньшинство в один голос» и т. д. Граф был объектом насмешек и издевательств со стороны английских карикатуристов. Иногда дело не ограничивалось карикатурами — несколько раз лондонский дом Стэнхоупа поджигали, а сам он подвергался вооруженному нападению. В 1795 году Стэнхоуп ушел из парламента, но первая же речь графа по возвращению туда в- 1800 году была посвящена необходимости мира с Наполеоном (лишь один парламентарий поддержал «Дон-Кихота нации»):"
Стэнхоуп был одинок не только в парламентской борьбе, но и в личной жизни. Хестер Питт умерла 18 июля
* Чарлз Моон стал графом Стэнхоупом и членом палаты лордов Яосле смерти 7 марта 1786 года своего отца Филиппа Стэнхоупа.
1780 года в возрасте 25 лет, а вторую жену графа—• Луизу Гренвилль — интересовали лишь светские развлечения, а отнюдь не политические и научные увлечения мужа. Семьяпостетгеннр распалась: старший сын Стэн-хоупа бежал из дому на континент, чтобы подобно деду получить образование в' одном из европейских университетов, два других против воли отца завербовались в ар-мнго. Разгневанный граф лишил сыновей наследства, но и это суровое наказание не удержало под крышей родительского дома трех дочерей. Дольше всех оставалась с отцом старшая дочь, единственный человек в семье, понимавший отца; но и отга в начале 1800 года переехала в' дом своего дяди Уильяма Питта. После его смерти в 1806 году она получила щедрую пенсию от английского правительства и поселилась в уединенном женском монастыре в Ливане.
Умер Чарлз Стэихоуп 15 декабря 1816 года. «Я прошу, чтобы меня похоронили как простого человека»,— писал он в завещании.
Если политические симпатии и взгляды Стэнхоупа на протяжении всей его жизни оставались неизменными, то его научные интересы отнюдь не ограничивались одной областью. Среди изобретений Стэихоупа — линзы для микроскопов и: методы получения стереотипных копий, способы защиты деревянных зданий от пожаров и ручной печатный пр-есс, монохорд для- настройки музыкальных инструментов и способ получения строительного раствора особой крепости, одна из первых в мире логических машин * и новые конструкции шлюзов для каналов... Вместе с замечательным американским ученым и государственным деятелем Бенджаменом Франклином ** Стэихоуп принимал участие в опытах по экспериментальному определению наилучшей формы громоотвода и опубликовал в 1779. году книгу «Принципы электричества». Будучи вице-президентом «Общества по улучшению кораблеЬтр-оения», он внес немало ценных
* Эта логическая машина, названная автором «демонстратором Стэнхоупа», предназначалась для решении не только традиционных, но и числовых силлогизмов.
** Б. Франклин был другом Филиппа Стэнхоупа. Граф ввел американского посла в высшее общество Англии и всячески способствовал его-- переговорам с английским правительством по вопросам о статусе английских колоний в Америке..В свою очередь Франклин рекомендовал отца и сына Стэнхоупов Философскому обществу Филадельфии, членами которого они были избраны в 1777 году.
предложений по совершенствованию .«конструкций судов, но, пожалуй, наиболее значительное научное достижение графа—патент на первый в мире пароход,-изобретенный им независимо от американца Роберта Фултона. Стэнхоуп построил и успешно демонстрировал пароход водоизмещением в 200 тонн, но адмиралтейство отклонило его предложение о строительстве «движимых силой пара судов» как «бесперспективное для флота Его Величества». В 1775, 1777 и 1780 годах Стэнхоуп изобретал счетные машины, которые под его руководством изготовлял известный лондонский механик Джеймс Бул-лок. Последняя машина была суммирующей и представляла собой модификацию морлэндовской машины, две Другие были арифмометрами, то есть выполняли все четыре арифметических действия.
В счетной машине 1775 года использовался модифицированный валик Лейбница, ступеньки которого разделены по длине на отдельные зубья и представляют собой, таким образом, зубчатые рейки, состоящие из 1, 2, ... ,9 зубьев (рис. 39).
v
12 подобных валиков используются в устройстве ввода. Они устанавливаются на осях параллельно друг другу в специальной каретке таким образом, что к вычислителю оказываются обращенными их торцевые части. К ним жестко крепятся цифровые колеса, прячем каждой цифре колеса соответствует рейка с таким же числом зубьев, находящаяся на диаметрально противоположной стороне валика (нулю соответствует гладкая поверхность валика).
Каретка устанавливается в -подвижной -раме. В процессе выполнения операций рама перемещается по поперечиым направляющим, расположенным в боковых стенках корпуса •машины, а зубчатые рейки на валиках входят в зацепление с зубчатыми колесами основного счетчика, находящимися яа оси, параллельной '«длине» машины. С каждым из 12 колес счетчика связан цифровой ролик, яа боковой поверхности -которого нанесены цифры от t) до 9.
Для сдвига предусмотрена возможяоеть смещения каретки по продольным направляющим. Благодаря насечкам -каретка фиксируется пружинами в определенном 'положении в процессе получения данного кратного.
На правом конце рамы находится длиидый палец, -который при каждом ее перемещении •по направлению к •вычислителю .иоворач.и-вает на 1 зуб колесо младшего разряда вспомогательного счетчика, расположенного в передней части машины.
Механизм передачи десятков довольно'сложен. С левой стороны каждого колеса основного счетчика есть длинный палец, который при переходе колеса от 9 к 0 поворачивает на 1 зуб другое •рясяюложен-ное под ним колесо. С каждым таким Колесом переноса связаяа трехлучевая звездочка, которая в свою очередь может поворачиваться пальцем, находящимся на особой оси переносов. Передача десятков происходит в два этапа: при повороте колеса младшего разряда
.79
от 9 к 0 один луч звёздочки входит между двумя зубьями колеса старшего разряда, но не поворачивает его. Это фаза подготовки переноса. Следующий" этап—фаза переноса—выполняется при смещении рамы. Кулачок, освобождающий из зацепления рейки валиков и колеса счетчика, одновременно вводит в зацепление с особой зубчатой рейкой, укрепленной под рамой, шестеренку, находящуюся на оси переносов. Во время вращения этой оси ее'палец наталкивается на другой луч звездочки и поворачивает ее, а следовательно, и колесо старшего разряда. Для того чтобы переносы 'осуществлялись не одновременно, а последовательно, пальцы на оси переносов расположены вокруг нее по спирали.
В машине 1777 года поступательное движение рабочего органа заменено на более удобное вращательное (рис.40).
На главном валу (оси) машины последовательно расположены:
приводная ручка, приводное колесо с двумя группами зубьев, каждая из которых занимает примерно 'Л его окружности, и цилиндр, Состоящий из 9 круглых шайб, которые могут поворачиваться друг относительно друга. На боковой поверхности каждой шайбы выгравированы цифры от 1 до 9; эта шкала занимает '/4 окружности. Рядом с каждой цифрой—отверстие, в которое вставляется штифт, фиксирующий положение данной шайбы. Таким образом, 9 поворотных шайб образуют устройство ввода.
На противоположной шкале части боковой поверхности каждой шайбы — 9 зубьев, которые при вращении главного вала входят в зацепление с зубьями, колеса основного счетчика. Главный вал установлен в рамках, которые позволяют ему одновременно с вращением смещаться в радиальном направлении. Это смещение управляется кулачком, расположенным на ободе приводного колеса. В течение примерно '/4 оборота цилиндр находится в своем, крайнем левом положении, остальное время — в крайнем правом. Зацепление- зубьев на шайбах с зубьями основного счетчика может произойти лишь в крайнем левом положении цилиндра. В зависимости от положения каждой шайбы в секторе зацепления оказывается различное число зубьев, и, следовательно, на счетчик переносится каждый раз различное число, установленное на шайбе.
На крайней правой шайбе находится длинный палец, который один раз за оборот зацепляется с колесом младшего разряда вспомогательного счетчика и поворачивает это колесо на 1 зуб.
На оси переносов, параллельной оси основного счетчика, расположена шестеренка с 15 зубьями; сцепленная с зубьями приводного колеса, она делает два оборота за один цикл работы машины. В остальном механизм передачи десятков не отличается от описанного выше. Так же как и в машине 1775 года, устройство ввода сдвигается относительно основного счетчика и фиксируется на валу благодаря наличию на нем особых насечек.
Значение изобретений Стэнхоупа для развития счетной техники весьма велико;Он первым разделил на два этапа самую сложную машинную операцию—передачу десятков. Такое деление в счетных машинах второй
половины XIX и в XX веке стало общепринятым (это устраняло эффект «накопления сопротивления», о котором мы говорили в предыдущей-главе). Кроме того, Стэнхоуп нашел удачное расположение элементов, выполняющих передачу, поместив длинные пальцы по спиральной линии на поверхности оси переносов. Эта идея была впоследствии использована конструкторами арифмометров с однеровским колесом, о которых речь будет идти ниже.
«ГОРДОСТЬ ВЮРТЕМБУРГА И СЛАВА ГЕРМАНИИ»
Почти одновременно с неистовым графом Стэнхоупом конструировал и изготовлял счетные машины тишайший швабский пастор Филипп Маттеус Ган. В истории вычислительной техники имена Стэнхоупа и Гана находятся по соседству, но как различны были характеры и жизненные пути этих людей!
Прирожденный оппозиционер — и смиренный подданный герцогов Вюртембургских; всесторонне образованный ученый — и самоучка-механик; богатый землевладелец — и скромный пастор, всю свою жизнь вынужденный заботиться о хлебе насущном...
Ган родился 25 ноября 1739 года в деревне Шарнхау-зен близ Штутгарта, он был одним из восьми детей викария местного прихода. В детстве проявил склонность к живописи и астрономии. Найдя в библиотеке отца несколько астрономических руководств, он самостоятельно изучил их и мог точно определить время восхода и захода солнца по положению звезд. Увлечение живописью привело Гана к тяжелому заболеванию: приготовляя краски и лаки, он отравился ядовитыми парами и долго болел.
В возрасте 17 лет Ган покинул родительский дом, чтобы изучать теологию в Тюбингенском университете. Свой студенческий досуг он посвящал изучению математики и механики. Не имея средств для приобретения книг, Ган вынужден был ночами переписывать их, а однажды, когда ему захотелось узнать устройство замысловатых часов, он на несколько месяцев обрек себя на хлеб и воду, пока не накопил сумму, необходимую для их приобретения.
Вскоре Ган влюбился «в одну молодую особу, богатую и из хорошей семьи». Желая получить ее руку, он решает стать знаменитым изобретателем. Урывая часы от сна и отдыха, он непрестанно конструирует то «инструмент для определения долготы в море», то «повозку, приводимую в движение паром», а то и... «вечный двигатель». Но все изобретения остались на бумаге из^за отсутствия средств дляих реализации. «И хотя,— как Пишет биограф Гана,— его труды не были вознаграждены успехом, на который он надеялся,^ он обязан этой страсти развитием благороднейших чувств и рождению той высокой репутации, которая соответствовала его таланту».
В начале 60-х годов Ган закончил университет и получил место викария небольшого прихода в деревушке Онстметтинген. Там несколько лет Ган работал над чертежами машины, воспроизводящей движение небесных тел. В 1764 году местный механик-самоучка изготовил по ним деревянную астрономическую машину:
движение часового механизма передавалось на диск, на • котором солнце, луна и некоторые звезды «всходили» и «заходили» в течение всего года в строго определенное время; кроме того, солнце и луна проделывали свой путь по зодиаку и можно было наблюдать различные лунные фазы.
Вскоре Ган, которому помотали .братья и несколько часовых подмастерьев, сделал более точную астрономическую машину, на этот раз металлическую, и преподнес ее в дар герцогу Вюртембуртскому.
Слава Гана—искуснейшего механика и изобретателя — разнеслась по всей Германии. Его работами восхищался Гёте, а писатель Лаватер писал О нем в своем «Физиогномическом фрагменте»: .«„.Исключительный выдающийся гений в механике, математике и астрономии. Он постоянно-изобретает, беспрестанно творит, с огромным терпением, преодолевающим все трудности, выполняет все задуманное до конца. Он создает миры и простодушно рад своей спокойной творческой силе...»
Герцог Вюртембургский, покровительствовавший Гану, предложил ему занять место профессора и библиотекаря в Людвигсбурге, но тот предпочел остаться сельским священником.
В конце 60-х годов Ган задумал новую астрономическую машину, но' внезапно прервал работу над нею
и обратился к «счетным приборам»-. Впоследствии он писал: «Когда я был занят вычислениями над колесами астрономических часов, мне пришлось иметь дело. с громаднейшими дробями... так что эта работа могла нанести ущерб моим прямым обязанностям. Тут я вспомнил, что когда-то читал о Лейбнице, что он занимался изобретением арифметической машины... но удовлетворительного результата не достиг. У меня явилась мысль также поработать в этом направлении...»
Ган не предвидел всех трудностей новой работы. «Но позднее,— писал он в дневнике,— я ... убедился, что мне все казалось слишком легким, я думал, что машина будет готова через несколько недель... Однако когда машина была готова до класса тысяч, открылись новые обстоятельства...»
В течение нескольких лет, начиная с 1770 года, Ган упорно трудился н аду совершенствованием счетного механизма. К концу 1772 года у него уже было две машины, работавших вполне сносно. Одну из них он демонстрировал в герцогской библиотеке Людвигсбурга императору Иосифу II. Однако эти машины не удовлетворили изобретателя, и он продолжал работу. «... Я должен был бы написать целую'книгу, чтобы рассказать о всех своих заботах и трудностях»,— отмечал Ган впоследствии. В мае 1773 года он показывает новую модель герцогу Вюртембургскому, но лишь 25 января 1774 года объявляет ему о действительно скором завершении счетной машины; впрочем, окончательный ее вариант он изготовил лишь в 1778 году. Уступая просьбам друзей, он описал свою машину в журнале «Deutschen Merctir» в 1779 году.
Отличительной чертой машины Гана является, во-первых, круглая форма конструкции и, во-вторых, наличие в ней ступенчатых валиков Лейбница, которые изобретатель расположил вдоль боковой стороны машины. Каждый валик оканчивается стерженьком с десятью делениями, выступающими над верхней .крышкой. Стерженьки (вместе с валиком) можно перемещать в вертикальном-направлении на любое число делений—от О до 9, устанавливая таким образом 12-разрядное слагаемое (или множимое) (рис. 41).
Ступенчатые валики зацепляются с колесами основного счетаика, которые расположены на 12 вертикальных осях. На ^а^кдой оси, до» верх крышки машины укреплена круглая эмалированная пластинка
с двумя рядами (кольцами) цифр. Внешний ряд цифр (от 0 до 9) —' черного цвета, внутренний ряд (от 9 до 0) — красного. Черные цифры используются при сложении и умножении, красные — при вычитании и делении. Пластинки располагаются по дуге, имея над собой плоскую стрелку с вырезом, через который видны считываемые цифры. За основным счетчиком размещены оси вспомогательного счетчика. Его шкалы имеют один ряд цифр. Центральную часть машины занимает неподвижный круг с ручкой, которая придает машине вид яофемолки, и .стрелкой-указателем. Поворотом ручки число переносится с устройства ввода (ступенчатых валиков) на основной счетчик. При этом вспомогательный счетчик регистрирует число оборотов ручки. Сдвиг множимого осуществляется-следуюшим образом:
освобождают защелку на наружном краю машины и поворачивают подвижное кольцо с основным и вспомогательным счетчиками до тех пор, пока стрелка-указатель не укажет нужный разряд вспомогательного счетчика; затем защелку закрывают и поворачивают ручку столько раз, сколько единиц стоит в соответствующем разряде множителя.
Круглую форму конструкции Ган, по-видимому, за. имствовал у Лейпольда, описавшего машину собственного изобретения в книге, вышедшей в 1727 году в Лейпциге (там же в самых общих чертах сообщается и о машине Лейбница). Однако совершенно неясно, знал ли Ган о ступенчатом валике или пришел к этой мысли самостоятельно. Во всяком случае, ни из книги Лейпольда, ни из других описаний -машины Лейбница он не мог почерпнуть сведений об этом элементе арифмометра.
Статья Гана в «Deutschen Mercur» побудила капитан-инженера и строителя Иоганна Гельфрайха Мюллера (1746—1830) из Дармштадта в 1783 году сконструировать свою счетную машину и заказать ее изготовление часовому мастеру в Гисене.
14-разрядную машину Мюллера (рис. 43) отличали от машины Гана некоторые усовершенствования. Так, Мюллер заменил цифровые стержни, которые перемещались вверх и вниз по окружности машины, вращающимися дисками с цифрами на боковой поверхности. Он также включил в механизм звоночек, который звенел, когда вычислитель допускал определенные ошибки. (Эту идею использовал впоследствии в своей аналитической машине Чарлз Бэббидж).
Ган снисходительно отнесся к появлению в печати описаний мюллеровской машины. «Если она .совершает то, на что способна моя, то это в достаточной степени свидетельствует о знаниях господина Мюллера в области механики, хотя у него и было лучшее руководство в
виде описания моего изобретения, чем у меня — в описании машины Лейбница».
Счетная машина 1778 года была последней работой Гана в этой области. Затем он вновь обратился к часовым механизмам и астрономическим приборам, «трудясь с привычным жаром, пока 2 мая 1790 года его не настигла смерть».
«Сегодня в Эхтердинге хоронят человека, который был гордостью Вюртембурга и славой Германии. Это Филипп Маттеус Ган, тамошний священник,— писал в своей «Хронике» поэт, органист и публицист Шубарт.— Величие его ума доказывают его изобретения в области механики, ни одно из них не было подражанием... Будь / он британцем, его имя гремело бы по всему миру. Но он был лишь смиренным швабом, и открытия его ума были спрятаны под пеленой строжайшей скромности. Он был великим механиком...»