Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Исследования управленческих задач упираются в использование электронно-вычислительных машин. Их программирование сводится к необходимости изучать начала теории управления. Таким образом, развитие теории предполагает параллельное развитие технологий. Объединение теоретических основ кибернетики и созданной благодаря им вычислительной техники облегчает дальнейшие исследования управления процессами и анализ систем.

Может возникнуть вопрос, как алгоритмирование связано с механикой. Оказывается, самым непосредственным образом. Дело в том, что кибернетика была призвана усовершенствовать работу механических, электромеханических, тепловых и прочих машин. Высокая производительность этих устройств, их возможности, оптимальный режим работы и многое другое определяется, естественно, кибернетикой. В наше время такие параметры рассчитываются исключительно на ЭВМ.

Однако расчет проводится с учетом данных классической физики, кибернетика опирается на формулы механики.

Динамика находит траекторию движения деталей и величины приложенных сил, статика находит сопротивление, податливость, пластичность и хрупкость материалов и т. д. Полученные формулы приобретают благодаря кибернетике вид универсального алгоритма для станков и прочих автоматических и полуавтоматических устройств. Следовательно, прикладная кибернетика выступает естественным продолжением и дополнением прикладной механики. Более того, вся история механических устройств представляет собой историю совершенствования способов алгоритмирования.

Слово «автомат» в переводе с греческого означает самодвижущийся. Так называется механическое или электромеханическое устройство, способное без помощи мускульной силы человека или животного выполнять действие или цикл действий, производя при этом полезную работу. Автомат не синонимичен аппарату, который представляет собой любое техническое средство, оборудование, в т. ч. и неавтоматическое. Древние греки явились создателями первых самодвижущихся приспособлений.

Наиболее ранний автомат в истории человечества — это, видимо, водяное колесо. Оно приводилось в движение речным потоком и в результате этого выполняло какую-нибудь простейшую работу. Знаменитые александрийские механики и геометры создавали более хитроумные приспособления, которые, однако, не нашли практического применения. Преимущественно это были механические игрушки, очень популярные в античности. Некоторые автоматы устанавливались в храмах, где открывали двери или приводили в движение статуи богов.

Самым прославленным создателем игрушек и прочих автоматов эпохи эллинизма был изобретатель Герон Александрийский (III в. до н. э.). После падения Рима интерес к механике надолго пропадает, только удобное водяное колесо сохранилось с античности. Оно все чаще применяется в водяных мельницах. Ветряные мельницы появляются в Европе в X–XI вв., а наибольшее их распространение приходится на время последних крестовых походов на Восток. Ветряную мельницу тоже допустимо рассматривать в качестве автомата.

Новый виток развития принесло позднее средневековье, когда в эпоху первого промышленного переворота механические приспособления получили широкое распространение. Ткацкие станки, часы, музыкальные и прочие устройства представляли собой примитивные механизмы, предназначенные для выполнения работы в автоматическом или, чаще всего, полуавтоматическом режимах. Конструирование полуавтоматических станков началось в XVI столетии. Действие этих устройств по большей части контролировалось работниками.

Обслуживающий персонал приводил станки в действие.

Шарманку по праву можно считать первым механическим устройством, работавшим по заданному алгоритму (программе).

Известно, что мелодия в шарманке извлекается благодаря вращению металлического диска с штырьками. Эти штырьки перемещались по кругу и определенным образом воздействовали на механизм шарманки. Воздействие было как бы запрограммировано, т. е. представляло собой алгоритм, осуществление которого давало звучание одной последовательности нот, а не другой.

Первоначально шарманки играли только одну мелодию — песенку «Шарман Катарина» («Милая Катарина»), отсюда и происходит их название. Музыкальные шкатулки и часы с мелодией также основаны на этом принципе. Впоследствии мастера по изготовлению шарманок догадались использовать сменные металлические диски. Меняя отыгравший диск на новый, музыкант-шарманщик менял тем самым мелодию. Дело в том, что на новом диске штырьки имели уже совершенно иное расположение, т. е. иначе воздействовали на механизм шарманки. Алгоритм менялся, что и приводило к смене режима работы.

Механические часы являются самым настоящим автоматом. За счет завода они показывали время, отбивали каждый час, играли мелодии. Наиболее удачным автоматом такого рода следует назвать маятниковые часы. Они были изобретены X. Гюйгенсом во второй половине XVII в.

Эпоха настоящей автоматики началась только после постройки паровой машины Дж. Уаттом, поскольку его устройство работало бесперебойно и почти не требовало контроля или участия человека-работника в технологическом процессе. Единственной задачей человека являлось снабжение топки углем и обеспечение поступления воды в котел.

После открытия на рубеже XVIII–XIX вв. электрической силы судьба автоматики была предрешена. Самодвижущиеся устройства с тех пор стали подлинно самодвижущимися, поскольку функции человека сводились к подключению их к генератору электротока. Все остальное машина могла выполнить самостоятельно. Пристального контроля электромеханические автоматы больше не требовали. Но чтобы устройство обрело подлинную самостоятельность, требовалось найти способы заставить его работать по программе. Выполнение задания связано с соблюдением условий алгоритма.

Конец XX столетия ознаменован рождением мехатроники. Эта наука представляет собой синтез механики и кибернетики, поскольку занимается созданием электромеханических станков с высокой точностью обработки деталей. Мехатроника использует компьютерное алгоритмирование технологических процессов, опирающееся на фундаментальные законы динамики, статики и прочих механических дисциплин. Причиной, по которой ученые создали мехатронику, явился досадный факт, что многие детали после станковой обработки приходится дорабатывать вручную.