Ko še ni bilo elektronike

Davno preden sta zavladali elektrika in elektronika, je bil svet odvisen od praviloma preprostih in okornih mehanskih naprav.

Viri energije so bili različni mlini, ki sta jih poganjala bodisi voda ali veter bodisi so bili na živalski ali človeški pogon. Energija se je prenašala prek dolgih gredi ali sistemov vzvodov in škripčevja, ki so bili prav tako orjaški.

Mehanizem z Antikitere in njegov rentgenski posnetek

Mehanizem z Antikitere

Prve avtomate – naprave, ki vnaprej določena opravila izvedejo samodejno – so izdelovali antični Grki. Najznamenitejši med še danes znanimi je Ktezibij iz Aleksandrije, ki je bil oče pnevmatike in hidravlike, kasneje pa prvi ravnatelj slovite knjižnice. Oblikoval je številne avtomate – od vodnih ur do avtomatskih vrat. Najslavnejši avtomat antične dobe pa je mehanizem z Antikitere, ki je bil že pravi analogni računalnik in je rabil za izračunavanje lege nebesnih teles ter tudi napovedi sončevih in luninih mrkov. Mehanizem je bil verjetno izdelan nekje v drugi polovici drugega stoletja pred našim štetjem. V morju ob otoku Antikitere so ga odkrili leta 1900 in sprva ni zbujal pozornosti. Šele nekaj let kasneje so arheologi začeli ugotavljati, da je dodobra korodiran baker skrival zobniški mehanizem. Prve rentgenske raziskave so bile opravljene šele v sedemdesetih letih, leta 2005 pa so uporabili še natančnejšo napravo, ki je pokazala kompleksnost notranje zgradbe. Po izdelavi antičnega mehanizma je vedenje o preciznih mehanskih napravah za tisočletje in pol izginilo z obličja zemlje.

S koncem srednjega veka se je obudilo zanimanje za mehanske naprave, tudi takšne, ki bi posnemale živali in človeka. Med glavnimi predstavniki je bil nemški filozof in matematik Gottfried Leibniz, ki ga sodobne srednješolske generacije krivijo tudi za (so)izum integralov. A napredek ni bil hipen, take naprave so doživljale preporod najprej kot veliki cerkveni urni mehanizmi, ki so sčasoma postajali vedno kompleksnejši. Lep zgled slednjega je slovita astronomska ura v Pragi iz zgodnjega 15. stoletja, ki poleg časa v vseh oblikah kaže tudi položaj Sonca in Lune ter lunine mene in celo letne čase. Z avtomati se je ukvarjal tudi Leonardo da Vinci. Izdelal naj bi hodečega mehaničnega leva, a za njim ni ostalo prav veliko. Naredil je tudi načrte za samohodni voz, ki bi ga poganjala velika vzmet, in preprostega mehaničnega viteza.

Pogonski mehanizmi takih naprav so se v kasnejših stoletjih še zmanjševali. Pri tem so bili razumljivo najdejavnejši urarji, ki so potrebovali manjše in predvsem natančnejše dele za svoje ure. V 17. stoletju je Galileo Galilei izumil uro na nihalo, nekaj leti za njim pa sta nizozemski astronom Christiaan Huygens in naš stari znanec Robert Hooke izumila nemirko s spiralno vzmetjo. V boju za prevlado nad svetovnimi morji, kjer je bilo zelo pomembno poznati pravi čas in s tem povezano vedeti, kje sploh si, je sredi 18. stoletja zmagala Velika Britanija, kjer je John Harrison izumi mornariški kronometer – natančno uro.

Avtomati Pierra Jaquet-Droza

Vzpon avtomatov si je podajal roko z večjim zanimanjem za znanost ob začetkih industrijske revolucije. Tako so se spremenili pogledi na človeško telo in mnogi so ga dojemali kot stroj, napravo, ki ji duša vdihne življenje. Številni urarji so med seboj tekmovali v spretnosti in izdelovali takšne ali drugačne kompleksne mehanizme. Nemara najslavnejši predstavnik tega je Švicar Pierre Jaquet-Droz, ki je ustvarjal v drugi polovici osemnajstega stoletja. Animirane lutke je začel izdelovati kot reklamo za uspešnejšo prodajo drugih izdelkov svoje finomehanske delavnice – še danes slovitih ur in glasbenih skrinjic. Španskemu kralju Ferdinandu VI. je podaril avtomat z jabolkom in psom čuvajem. Slednji je, ko je kralj hotel prijeti jabolko, stekel in začel grozeče lajati. Večina dvorjanov je bila zaradi očitno čarovniške demonstracije prestrašena in, ker je bila španska inkvizicija še vedno v solidnem zaletu, Jaquet-Drozu ni preostalo drugega, kot da razkrije mehansko notranjost avtomata. Kralj je Jaquet-Drozovo drznost nagradil in slednji je denar uporabil za nadaljnji razvoj obrtne delavnice.

V naslednjih letih je skupaj s sinom Henri-Louisom in Jeanom-Frédéricom Leschotom izdelal številne avtomate, med njimi so najslavnejši do danes ohranjeni risar (sestavljen iz 2000 delov), glasbenica (2500 delcev) in pisar (6000 delcev). Risar je bil od vseh najpreprostejši, a je znal izrisati štiri različne slike. Poleg premikanja pisala je mehanični deček tu in tam odpihnil prah z lista ali pa si svojo umetnino ponesel pred oči. Glasbenica je dober meter visoka figurica, ki je igrala na orgle. Glasba ni bila vnaprej posneta, na primer na luknjasto ploščo kot pri glasbenih skrinjicah, temveč jo je figurica izvabljala tako, da je čisto zares pritiskala tipke glasbila. Pri tem ni premikala le vseh desetih prstov, temveč tudi roke, obenem pa opazno dihala ter premikala glavo in oči. Najkompleksnejši pa je bil pisatelj – dobrih 70 cm visok mehanični fant, ki je s pravim gosjim peresom pisal po papirju. Tudi njegovi gibi so bili zelo izpopolnjeni, saj je gosje pero kdaj pa kdaj pomočil v črnilo. Temu je sledil švrk z zapestjem, s katerim so pisarji v tistih časih otresli odvečno črnilo, da se ni razlilo po papirju. Lutka je spreminjala tudi pritisk peresa na papir, zato je bila pisava videti zelo naravna. Gibanju peresa sta sledila tudi glava in oči. Natančnost izdelave in premikov je neverjetna še za današnje čase. Ocenjujejo, da je deček pisal z natančnostjo desetinke milimetra. Ker pa so bili ročični prenosi približno v razmerju 40 : 1, je bila potrebna natančnost obdelave nekaj mikrometrov, in to v času, ko ni bilo sodobnih obdelovalnih strojev. Za računalniške navdušence pa je najzanimivejše to, da je bilo mogoče besedilo, ki je obsegalo do 40 znakov, tudi do dva preloma, enostavno zamenjati z obračanjem vijakov na kovinskem disku. Zaradi tega mehanskega bralnega pomnilnika bi lahko Jaquet-Drozeve naprave šteli za zglede pravega mehanskega računalnika.

Jaquet-Drozev pisar z vidnim pomnilniškim res trdim diskom

Jaquet-Drozevo delo so nadaljevali tudi drugi. Med zanimivejšimi je omembe vreden še en Švicar – Henri Maillardet, ki je v drugi polovici 19. stoletja deloval v Londonu. Tudi on se je ukvarjal z avtomati, pri čemer je najbolj znan njegov risar-pisar, ki je obvladal pisanje pesmi v več jezikih in risanje kar sedmih različnih motivov. Podobno kot Jaquet-Drozevi izdelki je imel tudi Maillardetov avtomat mehanski bralni pomnilnik v obliki diskov s spremenljivim obodom. Nihanje oboda se je prek odmičnih gredi spreminjalo v pisanje oziroma risanje. Ocenjujejo, da je 7 slik zahtevalo pomnilnik v velikosti 300 kB, kar je bilo v elektronski obliki dosegljivo šele čez dobro stoletje.

Mehanični Turek

Mehanski avtomati so bili seveda zabavni, toda počasi je dozorevalo spoznanje, da bi lahko te mehanske gmote uporabili za kaj inteligentnejšega, kot je pisanje in risanje venomer enakih pesmi in risbic. Leta 1770 je evropske dvore presenetil madžarski baron Wolfgang von Kempelen, ki je predstavil mehaničnega šahista, najprej seveda pred Marijo Terezijo. Mehanični Turek, kot se je naprava imenovala, je bila zajetna lesena škatla s številnimi zobniki. Na vrhu je bilo šahovsko polje in lutka nekoliko strašljivega Turka, ki je samostojno premikal šahovske figure. Seveda je bilo vse skupaj le zabavna čarovniška ukana, roko mehanske lutke je vodil šahist, ki se je skril v skrivni predal, čeprav je von Kempelen pred partijo razkazal drobovje naprave. Večina zobniških kolesc in vzvodov je bila tako le za vtis. Zanimivo, da so Turka krmilili nekateri najbolj znani šahisti tiste dobe in igrali proti znamenitim vladarjem, na primer proti Napoleonu in Benjaminu Franklinu – oba je Turek premagal, zgodovina pa ne pomni, kako se je odrezala naša cesarica Marija Terezija. Leta 1820 se je z njim pomeril takrat še mladi nadobudni britanski matematik in filozof Charles Babbage. Verjetno je srečanje z napravo nanj naredilo precejšen vtis, da se je kasneje lotil sestavljanja čisto pravih mehanskih računalnikov.

Do resničnega šahovskega avtomata je moralo miniti skoraj poldrugo stoletje. Leta 1912 je španski inženir in matematik Leonardo Torres y Quevedo sestavil avtomat El Ajedrecista (šahist, po špansko). Avtomat je figure premikal z mehansko roko, podobno kot Turek, kasneje pa ga je Leonardo skupaj s sinom Gonzalom predelal, da so figure premikali pod mizo nameščeni elektromagneti. A tudi El Ajedrecista je bil omejen in je znal odigrati le končnico, pri kateri na polju ostanejo le tri figure – poleg obeh kraljev še ena trdnjava. Mehanski algoritem ni bil ravno optimiziran, zato je El Ajedrecista za konec lahko porabil veliko potez, a je bil vsaj učinkovit, saj je prav vsakič zmagal, opazil pa je tudi morebitno goljufanje nasprotnika.

Avtomatski bombniški merek

Na prelomu v dvajseto stoletje so mehanski analogni računalniki rasli kot gobe po dežju, predvsem pa so postajali uporabni. Sir William Thomson (kasneje je postal lord Kelvin) je izumil kalkulator plime, s katerimi so lahko natančno napovedali plimo za določeno pristanišče. Njegov brat, James Thomson, je kasneje izumil diferencialni analizator – kalkulator, ki je lahko reševal diferenčne enačbe. Takšne naprave je z veseljem pograbila vojska za izračune merjenja velikih ladijskih topov, saj je bilo treba za natančne zadetke poleg hitrosti tako izstrelka kot tudi obeh ladij upoštevati tudi veter in celo Coriolisovo silo. Na bojnih ladjah velikost in teža naprav ni igrala pomembne vloge, toda razvoj vojaškega letalstva je zahteval podobne mehanske računalnike tudi na letalih. Prvi preprostejši modeli so bili izumljeni že med prvo svetovno vojno, a so bili seveda zelo osnovni.

Nordnov bombniški merek v naravnem okolju

Pri razvoju najslavnejšega bombniškega merka je igral poglavitno vlogo Carl Norden, nizozemski inženir, ki se je šolal v Švici, kasneje pa emigriral v ZDA. Med raziskavami je izdelal več različic avtomatskega bombniškega merka, ki je sam beležil podatke o letu. Različica XI se ni ravno izkazala, saj je bila na preizkusu celo slabša od tedanjih rešitev. Toda Norden je počasi dodajal napredne funkcije, ki so upoštevale višino in hitrost letala ter hitrost vetra. Različica XV je bila zato precej natančnejša – z višine 1200 metrov je 50 % bomb zadelo krog s premerom 11 metrov. Ameriški vojski so bili rezultati všeč, zato se je tako lotila drugega najdražjega razvojnega projekta druge svetovne vojne (prvi je bil projekt Manhattan – izdelava atomske bombe), to pa jo je na koncu stal takratno milijardo in pol dolarjev. A rezultati v praksi niso potrdili sijajne preizkusne natančnosti. Bombniški merki so se zaradi kompleksnosti radi kvarili, povojne analize so ugotovile, da je pri bombardiranju približno 3 km2 velikih objektov kar 90 % bomb zgrešilo cilj, kar je razumljivo, saj je bombardiranje praviloma potekalo ob slabši vidljivosti in pod neprestanim protiletalskim ognjem. Hiter razvoj elektronskih in digitalnih naprav po vojni pa je mehanske računalnike naglo pokopal.