129k
6 лет назад · 8 фото · 2435 просмотров · 12 комментариев
Водяные вычислительные машины. Шедевр советской инженерии — компьютер на воде (8 фото)
Совершенно потрясающее устройство – водяной компьютер. Гидравлический интегратор Лукьянова — первая в мире вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений в частных производных — на протяжении полувека был единственным средством вычислений, связанных с широким кругом задач математической физики. В 1936 году он создал вычислительную машину, все математические операции в которой выполняла текущая вода. Слышали ли вы о таком?
Первый гидроинтегратор ИГ-1 был предназначен для решения наиболее простых – одномерных задач. В 1941 году сконструирован двухмерный гидравлический интегратор в виде отдельных секций. В последствии интегратор был модифицирован для решения трехмерных задач.
После организации серийного производства интеграторы стали экспортироваться за границу: в Чехословакию, Польшу, Болгарию и Китай. Но самое большое распространение они получили в нашей стране. С их помощью провели научные исследования в поселке "Мирный", расчеты проекта Каракумского канала и Байкало-Амурской магистрали. Гидроинтеграторы успешно использовались в шахтостроении, геологии, строительной теплофизике, металлургии, ракетостроении и во многих других областях.
Появившиеся в начале 50-х годов первые цифровые электронно-вычислительные машины (ЦЭВМ) не могли составить конкуренции "водяной" машине. Основные преимущества гидроинтегратора — наглядность процесса расчета, простота конструкции и программирования. ЭВМ первого и второго поколений были дороги, имели невысокую производительность, малый объем памяти, ограниченный набор периферийного оборудования, слабо развитое программное обеспечение, требовали квалифицированного обслуживания. В частности, задачи мерзлотоведения легко и быстро решались на гидроинтеграторе, а на ЭВМ — с большими сложностями. В середине 1970-х годов гидравлические интеграторы применялись в 115 производственных, научных и учебных организациях, расположенных в 40 городах нашей страны. Только в начале 80-х годов появились малогабаритные, дешевые, с большим быстродействием и объемом памяти цифровые ЭВМ, полностью перекрывающие возможности гидроинтегратора.
После организации серийного производства интеграторы стали экспортироваться за границу: в Чехословакию, Польшу, Болгарию и Китай. Но самое большое распространение они получили в нашей стране. С их помощью провели научные исследования в поселке "Мирный", расчеты проекта Каракумского канала и Байкало-Амурской магистрали. Гидроинтеграторы успешно использовались в шахтостроении, геологии, строительной теплофизике, металлургии, ракетостроении и во многих других областях.
Появившиеся в начале 50-х годов первые цифровые электронно-вычислительные машины (ЦЭВМ) не могли составить конкуренции "водяной" машине. Основные преимущества гидроинтегратора — наглядность процесса расчета, простота конструкции и программирования. ЭВМ первого и второго поколений были дороги, имели невысокую производительность, малый объем памяти, ограниченный набор периферийного оборудования, слабо развитое программное обеспечение, требовали квалифицированного обслуживания. В частности, задачи мерзлотоведения легко и быстро решались на гидроинтеграторе, а на ЭВМ — с большими сложностями. В середине 1970-х годов гидравлические интеграторы применялись в 115 производственных, научных и учебных организациях, расположенных в 40 городах нашей страны. Только в начале 80-х годов появились малогабаритные, дешевые, с большим быстродействием и объемом памяти цифровые ЭВМ, полностью перекрывающие возможности гидроинтегратора.
И еще немного для тех, кому интересны подробности.
Создание гидроинтегратора продиктовано сложной инженерной задачей, с которой молодой специалист В. Лукьянов столкнулся в первый же год работы.
После окончания Московского института инженеров путей сообщения (МИИТ) Лукьянов был направлен на постройку железных дорог Троицк-Орск и Карталы-Магнитная (ныне Магнитогорск).
В 20-30-е годы строительство железных дорог велось медленно. Основными рабочими инструментами были лопата, кирка и тачка, а земляные работы и бетонирование производились только летом. Но качество работ все равно оставалось невысоким, появлялись трещины — бич железобетонных конструкций.
Лукьянов заинтересовался причинами образования трещин в бетоне. Его предположение об их температурном происхождении сталкивается со скептическим отношением специалистов. Молодой инженер начинает исследования температурных режимов в бетонных кладках в зависимости от состава бетона, используемого цемента, технологии проведения работ и внешних условий. Распределение тепловых потоков описывается сложными соотношениями между температурой и меняющимися со временем свойствами бетона. Эти соотношения выражаются так называемыми уравнениями в частных производных. Однако существовавшие в то время (1928 год) методы расчетов не смогли дать быстрого и точного их решения.
В поисках путей решения проблемы Лукьянов обращается к трудам математиков и инженеров. Верное направление он находит в трудах выдающихся российских ученых — академиков А. Н. Крылова, Н. Н. Павловского и М. В. Кирпичева.
Инженер-кораблестроитель, механик, физик и математик академик Алексей Николаевич Крылов (1863-1945) в конце 1910 года построил уникальную механическую аналоговую вычислительную машину — дифференциальный интегратор для решения обыкновенных дифференциальных уравнений 4-го порядка.
Академик Николай Николаевич Павловский (1884-1937) занимался вопросами гидравлики. В 1918 году доказал возможность замены одного физического процесса другим, если они описываются одним и тем же уравнением (принцип аналогии при моделировании).
Создание гидроинтегратора продиктовано сложной инженерной задачей, с которой молодой специалист В. Лукьянов столкнулся в первый же год работы.
После окончания Московского института инженеров путей сообщения (МИИТ) Лукьянов был направлен на постройку железных дорог Троицк-Орск и Карталы-Магнитная (ныне Магнитогорск).
В 20-30-е годы строительство железных дорог велось медленно. Основными рабочими инструментами были лопата, кирка и тачка, а земляные работы и бетонирование производились только летом. Но качество работ все равно оставалось невысоким, появлялись трещины — бич железобетонных конструкций.
Лукьянов заинтересовался причинами образования трещин в бетоне. Его предположение об их температурном происхождении сталкивается со скептическим отношением специалистов. Молодой инженер начинает исследования температурных режимов в бетонных кладках в зависимости от состава бетона, используемого цемента, технологии проведения работ и внешних условий. Распределение тепловых потоков описывается сложными соотношениями между температурой и меняющимися со временем свойствами бетона. Эти соотношения выражаются так называемыми уравнениями в частных производных. Однако существовавшие в то время (1928 год) методы расчетов не смогли дать быстрого и точного их решения.
В поисках путей решения проблемы Лукьянов обращается к трудам математиков и инженеров. Верное направление он находит в трудах выдающихся российских ученых — академиков А. Н. Крылова, Н. Н. Павловского и М. В. Кирпичева.
Инженер-кораблестроитель, механик, физик и математик академик Алексей Николаевич Крылов (1863-1945) в конце 1910 года построил уникальную механическую аналоговую вычислительную машину — дифференциальный интегратор для решения обыкновенных дифференциальных уравнений 4-го порядка.
Академик Николай Николаевич Павловский (1884-1937) занимался вопросами гидравлики. В 1918 году доказал возможность замены одного физического процесса другим, если они описываются одним и тем же уравнением (принцип аналогии при моделировании).
Академик Михаил Викторович Кирпичев (1879-1955) — специалист в области теплотехники, разработал теорию моделирования процессов в промышленных установках — метод локального теплового моделирования. Метод позволял в лабораторных условиях воспроизводить явления, наблюдаемые на больших промышленных объектах.
Лукьянов сумел обобщить идеи великих ученых: модель — вот высшая степень наглядности математической истины. Проведя исследования и убедившись, что законы течения воды и распространения тепла во многом сходны, он сделал вывод — вода может выступать в роли модели теплового процесса. В 1934 году Лукьянов предложил принципиально новый способ механизации расчетов неустановившихся процессов — метод гидравлических аналогий и спустя год создал тепловую гидромодель для демонстрации метода. Это примитивное устройство, сделанное из кровельного железа, жести и стеклянных трубок, успешно разрешило задачу исследования температурных режимов бетона.
Главным его узлом стали вертикальные основные сосуды определенной емкости, соединенные между собой трубками с изменяемыми гидравлическими сопротивлениями и подключенные к подвижным сосудам. Поднимая и опуская их, меняли напор воды в основных сосудах. Пуск или остановка процесса расчета производились кранами с общим управлением.
В 1936 году заработала первая в мире вычислительная машина для решения уравнений в частных производных — гидравлический интегратор Лукьянова.
Для решения задачи на гидроинтеграторе необходимо было:
1) составить расчетную схему исследуемого процесса;
2) на основании этой схемы произвести соединение сосудов, определить и подобрать величины гидравлических сопротивлений трубок;
3) рассчитать начальные значения искомой величины;
4) начертить график изменения внешних условий моделируемого процесса.
Лукьянов сумел обобщить идеи великих ученых: модель — вот высшая степень наглядности математической истины. Проведя исследования и убедившись, что законы течения воды и распространения тепла во многом сходны, он сделал вывод — вода может выступать в роли модели теплового процесса. В 1934 году Лукьянов предложил принципиально новый способ механизации расчетов неустановившихся процессов — метод гидравлических аналогий и спустя год создал тепловую гидромодель для демонстрации метода. Это примитивное устройство, сделанное из кровельного железа, жести и стеклянных трубок, успешно разрешило задачу исследования температурных режимов бетона.
Главным его узлом стали вертикальные основные сосуды определенной емкости, соединенные между собой трубками с изменяемыми гидравлическими сопротивлениями и подключенные к подвижным сосудам. Поднимая и опуская их, меняли напор воды в основных сосудах. Пуск или остановка процесса расчета производились кранами с общим управлением.
В 1936 году заработала первая в мире вычислительная машина для решения уравнений в частных производных — гидравлический интегратор Лукьянова.
Для решения задачи на гидроинтеграторе необходимо было:
1) составить расчетную схему исследуемого процесса;
2) на основании этой схемы произвести соединение сосудов, определить и подобрать величины гидравлических сопротивлений трубок;
3) рассчитать начальные значения искомой величины;
4) начертить график изменения внешних условий моделируемого процесса.
После этого задавали начальные значения: основные и подвижные сосуды при закрытых кранах наполняли водой до рассчитанных уровней и отмечали их на миллиметровой бумаге, прикрепленной за пьезометрами (измерительными трубками) — получалась своеобразная кривая. Затем все краны одновременно открывали, и исследователь менял высоту подвижных сосудов в соответствии с графиком изменения внешних условий моделируемого процесса. При этом напор воды в основных сосудах менялся по тому же закону, что и температура. Уровни жидкости в пьезометрах менялись, в нужные моменты времени краны закрывали, останавливая процесс, и на миллиметровой бумаге отмечали новые положения уровней. По этим отметкам строили график, который и был решением задачи.
Возможности гидроинтегратора оказались необычайно широки и перспективны. В 1938 году В. С. Лукьяновым была основана лаборатория гидравлических аналогий, которая вскоре превратилась в базовую организацию для внедрения метода в народное хозяйство страны. Руководителем этой лаборатории он оставался в течение сорока лет.
Главным условием широкого распространения метода гидравлической аналогии стало совершенствование гидроинтегратора. Создание конструкции, удобной в практическом применении, позволило решать задачи различных типов — одномерные, двухмерные и трехмерные. Например, течение воды в прямолинейных границах — одномерный поток. Двумерное движение наблюдается в районах крупных излучин рек, вблизи островов и полуостровов, а грунтовые воды растекаются в трех измерениях.
Первый гидроинтегратор ИГ-1 был предназначен для решения наиболее простых — одномерных — задач. В 1941 году сконструирован двухмерный гидравлический интегратор в виде отдельных секций.
В 1949 году постановлением Совета Министров СССР в Москве создан специальный институт "НИИСЧЕТМАШ", которому были получены отбор и подготовка к серийному производству новых образцов вычислительной техники. Одной из первых таких машин стал гидроинтегратор. За шесть лет в институте разработана новая его конструкция из стандартных унифицированных блоков, и на Рязанском заводе счетно-аналитических машин начался их серийный выпуск с заводской маркой ИГЛ (интегратор гидравлический системы Лукьянова). Ранее единичные гидравлические интеграторы строились на Московском заводе счетно-аналитических машин (САМ). В процессе производства секции были модифицированы для решения трехмерных задач.
Возможности гидроинтегратора оказались необычайно широки и перспективны. В 1938 году В. С. Лукьяновым была основана лаборатория гидравлических аналогий, которая вскоре превратилась в базовую организацию для внедрения метода в народное хозяйство страны. Руководителем этой лаборатории он оставался в течение сорока лет.
Главным условием широкого распространения метода гидравлической аналогии стало совершенствование гидроинтегратора. Создание конструкции, удобной в практическом применении, позволило решать задачи различных типов — одномерные, двухмерные и трехмерные. Например, течение воды в прямолинейных границах — одномерный поток. Двумерное движение наблюдается в районах крупных излучин рек, вблизи островов и полуостровов, а грунтовые воды растекаются в трех измерениях.
Первый гидроинтегратор ИГ-1 был предназначен для решения наиболее простых — одномерных — задач. В 1941 году сконструирован двухмерный гидравлический интегратор в виде отдельных секций.
В 1949 году постановлением Совета Министров СССР в Москве создан специальный институт "НИИСЧЕТМАШ", которому были получены отбор и подготовка к серийному производству новых образцов вычислительной техники. Одной из первых таких машин стал гидроинтегратор. За шесть лет в институте разработана новая его конструкция из стандартных унифицированных блоков, и на Рязанском заводе счетно-аналитических машин начался их серийный выпуск с заводской маркой ИГЛ (интегратор гидравлический системы Лукьянова). Ранее единичные гидравлические интеграторы строились на Московском заводе счетно-аналитических машин (САМ). В процессе производства секции были модифицированы для решения трехмерных задач.
В 1951 году за создание семейства гидроинтеграторов В. С. Лукьянову присуждена Государственная премия.
После организации серийного производства интеграторы стали экспортироваться за границу: в Чехословакию, Польшу, Болгарию и Китай. Но самое большое распространение они получили в нашей стране. С их помощью провели научные исследования в поселке "Мирный", расчеты проекта Каракумского канала и Байкало-Амурской магистрали. Гидроинтеграторы успешно использовались в шахтостроении, геологии, строительной теплофизике, металлургии, ракетостроении и во многих других областях.
Особенно наглядно проявилась эффективность метода гидравлических аналогий при изготовлении железобетонных блоков первой в мире гидроэлектростанции из сборного железобетона — Саратовской ГЭС им. Ленинского комсомола (1956-1970). Требовалось разработать технологию изготовления около трех тысяч огромных блоков весом до 200 тонн. Блоки должны были быстро вызревать без трещин на поточной линии во все времена года и сразу устанавливаться на место. Очень сложные расчеты температурного режима с учетом непрерывного изменения свойств твердеющего бетона и условий электропрогрева произвели своевременно и в нужном объеме только благодаря гидроинтеграторам Лукьянова. Теоретические расчеты в сочетании с испытаниями на опытном полигоне и на производстве позволили отработать технологию изготовления блоков безукоризненного качества.
После организации серийного производства интеграторы стали экспортироваться за границу: в Чехословакию, Польшу, Болгарию и Китай. Но самое большое распространение они получили в нашей стране. С их помощью провели научные исследования в поселке "Мирный", расчеты проекта Каракумского канала и Байкало-Амурской магистрали. Гидроинтеграторы успешно использовались в шахтостроении, геологии, строительной теплофизике, металлургии, ракетостроении и во многих других областях.
Особенно наглядно проявилась эффективность метода гидравлических аналогий при изготовлении железобетонных блоков первой в мире гидроэлектростанции из сборного железобетона — Саратовской ГЭС им. Ленинского комсомола (1956-1970). Требовалось разработать технологию изготовления около трех тысяч огромных блоков весом до 200 тонн. Блоки должны были быстро вызревать без трещин на поточной линии во все времена года и сразу устанавливаться на место. Очень сложные расчеты температурного режима с учетом непрерывного изменения свойств твердеющего бетона и условий электропрогрева произвели своевременно и в нужном объеме только благодаря гидроинтеграторам Лукьянова. Теоретические расчеты в сочетании с испытаниями на опытном полигоне и на производстве позволили отработать технологию изготовления блоков безукоризненного качества.
Появившиеся в начале 50-х годов первые цифровые электронно-вычислительные машины (ЦЭВМ) не могли составить конкуренции "водяной" машине. Основные преимущества гидроинтегратора — наглядность процесса расчета, простота конструкции и программирования. ЭВМ первого и второго поколений были дороги, имели невысокую производительность, малый объем памяти, ограниченный набор периферийного оборудования, слабо развитое программное обеспечение, требовали квалифицированного обслуживания. В частности, задачи мерзлотоведения легко и быстро решались на гидроинтеграторе, а на ЭВМ — с большими сложностями. Более того, предварительное применение метода гидравлических аналогий помогало поставить задачу, подсказать путь программирования ЭВМ и даже проконтролировать ее во избежание грубых ошибок. В середине 1970-х годов гидравлические интеграторы применялись в 115 производственных, научных и учебных организациях, расположенных в 40 городах нашей страны. Только в начале 80-х годов появились малогабаритные, дешевые, с большим быстродействием и объемом памяти цифровые ЭВМ, полностью перекрывающие возможности гидроинтегратора.
Два гидроинтегратора Лукьянова представлены в коллекции аналоговых машин Политехнического музея в Москве. Это редкие экспонаты, имеющие большую историческую ценность, памятники науки и техники. Оригинальные вычислительные устройства вызывают неизменный интерес посетителей и входят в число самых ценных экспонатов отдела вычислительной техники.
Два гидроинтегратора Лукьянова представлены в коллекции аналоговых машин Политехнического музея в Москве. Это редкие экспонаты, имеющие большую историческую ценность, памятники науки и техники. Оригинальные вычислительные устройства вызывают неизменный интерес посетителей и входят в число самых ценных экспонатов отдела вычислительной техники.
1-ИГЛ-1-3.
Интегратор гидравлический.
Завод счётно-аналитических машин.
"САМ", Рязань, 1974
Интегратор гидравлический.
Завод счётно-аналитических машин.
"САМ", Рязань, 1974
Не знал про это, очень интересно!
Стим-панк нашего времени
В любой коробке автомате подобное стоит.
Да, создать АЛУ (Арифметико-логическое устройство) можно с помощью Воды, зубчатых колёс. Химических процессов, электронных полу-проводников, Света и Зеркал(призм) и много чего прочего.
Это, минимум, красиво. Но действительно ли он так хорош?
Конечно нет, ни зубчатые счётные машины, ни на гидравлике и близко не могут сравниться с потенциалом электронных микросхем. Это стало понятно почти сразу же. Да, по началу казалось, что стоимость даже пару килобайт ферритовой ОЗУ - это гвоздь в крышку гроба ЭВМ.
Но такой вывод могли сделать исключительно люди, далёкие от учёных мужей. Им сразу стало понятно, скорость. Скорость и малые затраты на перемещение ед. заряда. Если у гидравлической системы, на смачивание поверхностей даже супер-классного материала уйдут микро-милли литры, то для транзисторов, чтобы переместить заряд, уйдёт несколько микро-милли(на тот момент) Кулона.
Далее, при совершенствовании, вполне можно добиться(и добились!) затрачивать ничтожно малую энергию, на выполнении внутрипроцессорных операций.
В итоге, даже самая совершенная механическая счётная машина. С супер-смазкой из Рога Единорога будет иметь КПД куда более низкий, чем ЭВМ.
Даже самая совершенная Гидравлическая счётная машина, с трубками из Нано волокна, вытянутого из усов космической Тихоходки? будет иметь КПД смешной. Ввиду смачивания, задержки во времени (давление возрастает не мгновенно. И даже не быстро. У эл-ства скорость сопоставимо со скоростью света, в зависимости от среды передачи)
И это мы ещё не подошли ко второй проблематике. Чтоб сделать АЛУ на 32 Регистра, соорудив из нано-трубочек. Размер трубочек (их наружных диаметр?) сделать, хотя-бы, 100 нанометров - задача не из лёгких. Нет ни материала, ни инструментов. Палочку сделать можем, а вот дырочку в палочке нет.
Вот и имеем, АЛУ ЭВМ умещается на головке спички, Алу из Гидравлики - Ящик? Алу из Зубчатых колёс -пол Ящика для стола? Алу из призм и источников света - пол стола?
Это было понятно сразу же, когда от ламповых Диодов перешли к полупроводникам. И не прогадали.
P.S. Что же делать? Как быть? Всё, на что мы способны - это полупроводники?
Ну... Не всё так однозначно. Мы только-только начали копать в сторону сверх малых частиц и составляющих в Физике... Да, речь о квантовой физике. Хоть о ней известно около 100 лет, только последние 25-40 лет у нас стали появляться хоть какой-то инструментарий, чтобы ещё вменяемо изучать. Всё ещё впереди
Второй вариант : Сложнейшие Алу и Вычислительные Машины, основанные на биологических процессах. Работа основывается на биологических процессах внутри клеток и между ними.
И не только Клеток, но и Вирусов, Грибков.
К примеру, есть чёткая схема, как вирус к примеру реплицирует своё РНК\ДНК, в теле клетки-носителя. Это можно использовать.
Чёткая схема рецепторов, с помощью которых клетки взаимодействуют друг-с другом, и чужеродными телами, окружающей средой. Это можно использовать.
К слову, я не биохимик, могу не верно подбирать слова... Но смысл в том, что биологические процессы настолько разнообразны, что можно делать отличнейшие АЛУ, использовав их потенциал. Особенно хорошо поддаются паралелизму, ведь половина процессов могут проходить почти одинаково (на начальной стадии) и только под конец различаться. Это очень сильно поможет в будущем вычислительных машин.
И нет, они не будут выигрывать в "скорости" при выполнении простейших вычислений. Но они могут дать фору там, где сложнейшие вычисления требуют "разбивки" на составляющие. К слову, современные ЭВМ не умеют, по сути, ничего кроме операции сложения. АЛУ состоит из сумматоров и полу-сумматоров. Вычитать они не умеют. Это люди, разрабатывая ЭВМ, с помощью математики, сделать результат вычитания - процессом суммирования. Кого заинтересовало, лучше об этом почитать (погуглить)
А биохимия может вычитать. Может замещать. Биопроцессы, происходящие в клетках - поистине сложнейшая математика.
Ну и квантовый компуктар. Но он будет ооочень не скоро. Не понятно как поддерживать температуру около абсолютного нуля, когда у тебя электронная установка, выделяющая тепло.
Так что нет, никакой Гидравлики, никаких зубчатых колёс.
Играйте в Игры)
Самые совершенные, оригинальные, уникальные, офигенные, но... счеты. Машины на дровах, компьютеры на воде. Почему мы не развивались параллельно, а еще лучше совместно с мировой наукой, а шли своим путем? Куда то в бок...
Русские постоянно развивают мировую науку вперёд, и, кстати "в бок" - так же необходимое направление для этой самой науки, ибо неизвестно, что, когда и где может пригодиться. Считать, что российская наука имеет "свой путь" - либеральная чушь.
Ну отчего же сразу "вбок"? Пневматическая и гидравлическая автоматика (примитивные ВС) до сих пор(!) используются в некоторых видах производства - в основном нефтянка и определенные виды химпрома. Причем используются не где-то в Зимбабве, а вполне себе в США и Канаде.
А 50 лет назад ВС подобного типа использовались вообще повсеместно в данных областях, т.к. их электронные собратья были довольно пожароопасные.
Так что вполне себе годное изобретение для своего времени, причем в мировых масштабах.
Да перестаньте вы. "В некоторых", "иногда", "кое где", "где то"... Не революционное изобретение, надо признать. Давайте будем честными.
Повторюсь - изобретение сродни паровозу, в *свое время* использовалось повсеместно, и оказывало весомое влияние на производство.
Как и паровоз, было вытеснено более новыми образцами техники, но при этом оставшись в своей узкой нише.
Точно так же, как ламповые и механические ЭВМ в свое время заменили абак, а затем были вытеснены транзисторной техникой.
Были ли ламповые/релейные компьютеры "революционным изобретением"? Для своего времени - безусловно.
Причем ламповые ЭВМ сейчас не используются вообще нигде, а гидропневматика работает до сих пор, пусть и "кое-где" и "иногда".
Вот откуда пошло - бульбулятор!
Это реально интересно.
Так вот откуда пошла поговорка, что если в кране нет воды - значит...