Автоматы повсюду.
презентация к уроку по теме

Государственное (областное) бюджетное образовательное учреждение
начального профессионального образования  
Профессиональное училище №14 г.Грязи

«Мы говорим: -Безумец и фантаст!
Но, выйдя из зависимости грустной,
С годами мозг мыслителя искусный
Мыслителя искусственно создаст!»

Содержание.

1. Автоматы древнего мира.
2. Великие изобретатели прошлого
3. Новорожденная наука
4. «Родство» человека и машины
5. Происхождение слова «робот»

Автоматы повсюду.

На вопрос «Давно ли появились первые автоматы?» многие люди отвечают «Не очень. Тогда, когда появились машины, различная техника».

Изучая наскальные рисунки древних людей, ученые заметили рядом с изображениями животных какие-то линии. Долгое время их классифицировали как «неясные знаки», и только спустя много времени догадались, что это были ловушки для зверей.

Первобытным охотникам автоматические ловушки были нужны, как воздух. Очень уж трудно жилось древнему человеку. Заниматься земледелием, разводить домашних животных он ещё не умел. Целые дни проводил в поисках добычи.

Человек учился у природы. Случалось, что животные попадали в глубокие лесные ямы.

— Ага,—догадывался человек. — Так и я могу. Вырою яму, прикрою её ветвями, засыплю их листьями. Зверь пойдёт и провалится. Яма сама поймает мне зверя. (слайд 1)

Человек замечал, что ветки и тонкие стволы деревьев упруги, и в конце концов придумал капкан с деревянной пружиной. Постепенно люди изобрели множество самых разных ловушек для зверей и птиц. Приладит древний охотник ловушку, зарядит её, нацепит приманку и уйдёт. Ловушки-автоматы стали охотиться за человека.

Вот и ответ на вопрос: как давно появились на земле первые автоматы? Десять, а может быть, даже двадцать тысяч лет назад!

Мышеловка — тоже   пример  таких   древнейших   автоматов, доживший до наших дней.

Древние греки очень любили театр,  в котором самодвижущиеся фигурки разыгрывали целые представления. Например, в одной драме на сцене строился корабль. Механические артисты стучали молотками и топорами. Затем корабль спускался на воду. Он в море. Вокруг резвятся дельфины. Начинается шторм. Гремит гром, сверкают молнии. Корабль тонет... И все это делалось с помощью зубчатых колёс, валиков, шнурков. Такие самодвижущиеся фигурки греки называли автоматами.

Во всем мире давно используются  торговые автоматы. Их можно встретить где угодно: на улицах, в магазинах, в кафе, на вокзалах. Они всегда к услугам покупателей. Нет у них ни перерывов на обед, ни отпусков.

     Вы конечно не раз пили кофе, приготовленный автоматом, и, может быть, думаете, что изобретён он недавно. Ошибаетесь. Торговые автоматы работали уже. . .две тысячи лет назад! Правда, стояли они не на улицах, а в египетских храмах и продавали не кофе,  а «святую» воду. 

 Вообще-то вода была самая обыкновенная, из колодца, но жрецы выдавали её за особенную. Люди верили и платили за неё деньги. Казалось чудом, как это из кувшина, когда в него бросают монету, начинает вдруг течь вода. А жрецы помалкивали, что всё «чудо» заключено в нехитрой механике автомата, который был изобретен по их заказу Героном Александрийским.
Невыгодно им было раскрывать секрет.

Торговые автоматы изобрели снова более ста лет назад.  Англичанин Ивритт сделал автомат для продажи спичек. Развесил он свои ящики в лондонских магазинах. Лондонцам спичечные автоматы понравились. Тогда изобретатель резонно рассудил: «Если автоматы способны торговать спичками, то почему они не могут продавать, например, плитки шоколада?» И в самом деле, шоколадные автоматы заработали не хуже спичечных. Но тут случился конфуз.

Однажды Ивритт извлёк из автомата вместо монет целую кучу железных кружочков. Ох и проклинал же он нечестных любителей шоколада! Надо было что-то придумывать, что бы автомат мог отличать настоящую монету от фальшивой. Не сразу, но  и этому автоматы «научились».

Приглядывались ли вы когда-нибудь к ткани, из которой сшита ваша одежда? Приглядитесь внимательно. Ткань – это сетка из перекрещивающихся нитей. Нити, идущие вдоль ткани, называются основой, а те, что поперек – утком.  Чем сложнее переплетение нитей, тем красивее получается узор.

Когда-то ткани с узорами изготовлялись вручную. Точнее, не совсем вручную: на ткацких станках, но руками приходилось работать — только успевай. Труд ткачей был тяжёлым, да и не каждый ткач мог выделывать узорчатые ткани.

Многие изобретатели пытались создать станок, который бы автоматически вырабатывал узорчатую ткань. Самый удачный станок изобрёл в 1801 году француз Жозеф Мари Жаккар, простой ткач из Лиона. Ему пришла в голову счастливая мысль применить для управления станком картонные карты с отверстиями. В карту упирались специальные иглы. Вернее, упирались не все, а только те, которые не попадали в отверстия, пробитые в карте.

Для получения сложного узора требовалось несколько тысяч карт, отличавшихся друг от друга расположением отверстий. Карты соединялись в цепь — «картон», навешивались на станок и, когда он начинал работать, по очереди подходили к иглам-щупам. От того, какие иглы проваливались в отверстия, а какие упирались в карту, зависел характер переплетения нитей, а значит, и вид узора. И тут от ткача уже не требовалось большого мастерства, да и скорость работы станка намного увеличилась. Стоило повесить на станок другую картонную цепь — и станок начинал ткать новый узор.

Не сразу станок Жаккара был оценён по достоинству. Лионские ткачи с подозрением следили за работой изобретателя. Они боялись, что новый станок лишит их работы, а их семьи -  куска хлеба.  Когда первые станки Жаккара появились на фабриках Лиона, ткачи вытащили их на городскую площадь, разбили вдребезги и подожгли, а самого изобретателя чуть не бросили в реку Рону. Но Жаккара не так-то легко было сломить. Он верил в полезность своих станков. И действительно, через несколько лет только во Франции работало десять тысяч его станков. А в 1840 году на площади, где горели жаккаровские станки, был поставлен изобретателю бронзовый памятник с надписью: «Жаккару — благодарный Лион».

Способ,    придуманный    Жаккаром,    оказался   настолько  удобным,  что дырчатые карты и ленты применялись до недавнего времени для управления самыми сложными машинами.

Любая машина состоит из деталей. Крохотных и огромных. Большинство из них обрабатывается на металлорежущих станках: токарных, сверлильных, фрезерных, расточных, шлифовальных.

Выточить простой валик — работа нехитрая. Любой токарь с этим справится. Но в технике встречаются часто детали крайне сложной формы. Сделать такую деталь, управляя станком вручную, чрезвычайно трудно или даже вовсе невозможно.

Более двухсот лет назад русский механик Андрей Константинович Нартов изобрёл токарно-копировальный станок,  на котором вытачивались замечательные барельефы, кубки,  различные украшения.

Делалось это так. Сперва вручную изготовляли деталь-образец. Или, как ещё говорят, копир. Устанавливали эту деталь на станке, и механический палец точка за точкой начинал ощупывать её. Станок «чувствовал» форму, все изгибы детали-образца и вытачивал похожую. По одному копиру можно было изготовить много деталей-близнецов.

Теперь на копировальных станках обрабатывают не кубки и портреты, а вещи поважнее: гребные винты для кораблей, турбинные лопатки, детали самолётов. Нередко гигантские детали. 

За два века копировальные станки сильно усовершенствовались, но главное в них осталось неизменным. Остался копир, и его надо сначала как-то изготовить. Сейчас для этого применяются специальные станки, но всё равно труда и времени затрачивается уйма.

Чем сложнее машина, чем больше в ней деталей, тем больше требуется копиров. Чтобы изготовить, например, все детали крупного самолёта, нужно ни много ни мало около двух тысяч копиров. А изменилась конструкция самолёта, старые копиры приходится выбрасывать и делать новые. Дороговато получается, но ничего лучшего до поры до времени никто не мог предложить.

Обрабатывать металл — дело куда более сложное, чем ткать узорчатые ковры или кружева. Точность тут нередко требуется ювелирная. Вот почему лишь после того, как развилась электроника, удалось создать станки-автоматы, которые могут обрабатывать самые фигурные детали и никаких копиров им не требуется.

Задание станку, программу его работы, «записали» отверстиями на длинной бумажной ленте. Каждое отверстие означало цифру: на сколько, на какую долю миллиметра должен станок передвинуть свой режущий инструмент — резец, сверло, фрезу. Поэтому такие станки стали называть станками с цифровым программным управлением.

Потом инженеры пришли к выводу, что вместо бумажной ленты лучше взять магнитную. Вроде той, что применяется в видеомагнитофонах. Отверстия в ленте, конечно, пробивать не стали, а нанесли на ней магнитные метки. Одним словом, задание станку выдали на «магнитном языке». Электронные устройства хорошо понимают такой «язык».

Рулон магнитной ленты—это программа для обработки  детали определённой формы. Другая лента — другая деталь.  А потом магнитные ленты заменили на лазерные диски. Они и компактнее, и информации на них больше помещается. Удобно!

С развитием техники понадобились автоматы, регулирующие давление, температуру. Такие автоматы получили название регуляторов. Они стали управлять работой паровых котлов, турбин, химических аппаратов. Они освободили людей от, необходимости   постоянно  следить   за   машинами.   А   многие машины вообще не смогли бы работать без регуляторов. Вот какие это важные автоматы!

Во времена Уатта и Ползунова регуляторы с шарами и поплавками делались «на глазок». И получалось. Машины были тихоходными, с огромными, тяжёлыми колёсами-маховиками. Управлять ими было легко. Регуляторы справлялись.

Так продолжалось лет шестьдесят—семьдесят. За это время паровые машины стали мощнее, быстроходнее. И тогда начались неприятности, которых никто не ожидал.

Всё чаще и чаще инженеры жаловались, что регуляторы Уатта работают из рук вон плохо. Вместо того чтобы плавно регулировать ход машины, они только «дёргают» её: то резко увеличат обороты вала, то резко уменьшат. Для этой «болезни» даже название придумали — «самораскачивание». Отчего она происходит и как «лечить» ее, ни один инженер не мог сказать.

Первым за разгадку непонятного явления, как это ни покажется странным, принялся астроном, англичанин Джордж Эри. Дело в том, что для управления движением телескопов тоже применялись регуляторы, похожие на уаттовские.

Однажды, рассматривая в телескоп ночное небо, Эри заметил, что труба вращается неравномерно.

«Уж не испортился ли регулятор?» — подумал он.

Нет, прибор был в порядке. В чём же тогда причина? Эри начал выяснять её математическим путем. Задача оказалась сложной. Несколько лет затратил Эри, но так и не смог решить её до конца.

Потом исследованием странного поведения регуляторов занялся английский учёный Джемс Максвелл. Увы, и он, прославленный физик, ничего полезного для инженеров сделать не сумел.

Решил задачу о регуляторах русский учёный Иван Алексеевич Вышнеградский. Почему именно он? А потому, что Вышнеградский был не только учёным-математиком. Он был также прекрасным инженером и хорошо знал технику. Он доказал, что для новых быстроходных машин делать регуляторы, как прежде, «на глазок» уже никак нельзя. Их нужно строго рассчитывать и обязательно с учётом свойств машин, которыми они управляют. Вышнеградский нашёл довольно простой, но точный, инженерный метод расчёта регуляторов. И как только инженеры стали рассчитывать их «по-Вышнеградскому», дело пошло на лад.

 С того времени и начала развиваться наука об автоматике. Теперь это большая, очень сложная математическая наука.

Во время Второй мировой войны в 1941 году группа математиков и биологов получила  задание сконструировать устройство для быстрого наведения в качестве дополнения к пушкам и зенитным орудиям. Были перечислены основные требования к новому устройству:

• система должна работать по принципу да/нет, как  нерв живого организма;
• структурной единицей должна быть электрическая лампа, которая зажигается, когда – «да», - и не зажигается, когда – «нет»;
• устройство должно работать по принципу «черного ящика»,

 когда человек задает параметры на входе и снимает данные на выходе.

Одним из разработчиков был Н. Винер (1894-1964), известный американский ученый.

Маленького Норберта считали «вундеркиндом», ребенком с исключительными способностями. К семи годам он прочёл книги знаменитых учёных. В тринадцать — уже занимался в университете. В восемнадцать — получил учёную степень доктора философии. Свободно говорил на тринадцати языках. Научные интересы Винера распространялись на области механики, биологии и т. д.

Занимаясь совершенствованием управления зенитным огнё, учёный подметил одно важное обстоятельство: управляет ли орудием человек или автомат, делают он и  это очень похоже. В сущности, оба стремятся к одному: уменьшить разницу между тем, как снаряд летит к цели, и тем, как он должен лететь, уменьшить отклонение снаряда от вражеского самолёта.

Раздумывая над своими наблюдениями, Винер всё твёрже убеждался в том, что законы управления вообще везде одинаковы, всеобщи. Не важно кто или что, кем или чем управляет, автомат ли рулём корабля или мозг нашими руками и ногами. И когда Винер понял это, он написал свою знаменитую книгу «Кибернетика или управление и связь в животном и машине». Она вышла в 1948 году. Кибернетикой Винер назвал науку о всеобщих законах управления.

       Само понятие «кибернетика» впервые упоминалось другим ученым. Известный французский ученый-физик А.-М. Ампер (1775-1836) в работе «Опыт о философии наук, или Аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний, назвал кибернетикой науку о текущем управлении государством (народом), которая помогает правительству решать встающие перед ним конкретные задачи с учетом разнообразных обстоятельств в свете общей задачи — принести стране мир и процветание. В тот период понятие не нашло своего применения и было забыто.

Вокруг новорожденной науки разгорелись жаркие споры. Мысль о «родстве» человека и машины некоторым показалась крайне обидной. Кое-кто поспешил даже назвать кибернетику ложной наукой. Конечно, это не могло остановить развитие кибернетики. А шло оно чрезвычайно стремительно. Кибернетика начала объединять далёкие, казалось раньше, науки, искусство с наукой. На общие темы вдруг заговорили инженер и врач, композитор и специалист по вычислительным машинам, биолог и математик. Споры до сих пор не утихли. Многие вопросы стоят открытыми. Каких пределов достигнут кибернетические машины? Будут ли они способны к творческой работе? Можно ли создать искусственный мозг? В науке без споров, обойтись нельзя. Особенно в такой сложной и обширной, как кибернетика.

С кибернетикой связаны имена советских ученых-академиков А.Н. Колмогорова (1903-1987), Л.В. Канторовича (1912-1986). Порой, рассказывая о западных ученых, мы несправедливо умалчиваем значение российских ученых, опыт и знания которых высоко ценятся и представителями Запада. Назовем некоторых из них: академик В.М. Глушков (1923-1982) - математик и автор ряда работ по кибернетике, теории конечных автоматов, теоретическим практическим проблемам автоматизированных систем управления; академик В.А. Котельников, разработавший ряд важнейших

проблем  теории информации; академик С.А. Лебедев (1902-1974), под руководством которого был создан ряд быстродействующих ЭВМ;

член-корреспондент АН СССР А.А.Ляпунов ( 1011-1973гг) – талантливый математик, сделавший очень много для распространения кибернетики в

 нашей стране; академик А.А. Харкевич  ((1904-1965) - выдающийся ученый в области теории информации.

«Родство» человека и машины опытным путем подтвердил Уильям Росс Эшби - английский психиатр, специалист по кибернетике, пионер в исследовании  сложных систем.

Он изобрел гомеостат,  (Гомеостат (от гомео... и греч. statós — стоящий, неподвижный), самоорганизующаяся система, моделирующая способность живых организмов поддерживать некоторые величины (например, температуры тела) в физиологически допустимых границах.

Стремление к равновесию — важнейшее свойство и живых организмов. Если организм не может восстановить внутреннее равновесие, он зачастую гибнет.

Нормальная температура нашего тела — тридцать шесть градусов. Отклонись она вверх или вниз на один градус — уже плохо. А если поднимется за сорок два градуса или упадёт ниже тридцати пяти, и это будет продолжаться долго, человек наверняка умрёт. Организм всеми силами стремится привести температуру тела к нормальной. Если она высокая, человек начинает потеть, кровеносные сосуды под кожей у него расширяются, дыхание учащается. Всё для того, чтобы больше отдать тепла наружу, охладить организм. А если человеку холодно, он дрожит — мышцы стараются выработать больше тепла, кровеносные сосуды, наоборот, сужаются, и какой уж тут пот. Но постоянная температура тела — далеко не всё. В организме должно содержаться постоянное количество крови. Состав её тоже должен быть постоянным. Кровяное давление и частота ударов сердца—нормальными. И живой организм всегда начеку,  непрерывно борется за то, чтобы всё в нём находилось в равновесии, Врачи называют это свойство организма грёческим словом «гомеостазис», что означает «сохранять постоянство». Поэтому и свой аппарат Эшби назвал гомео-статом.

Сердце, печень, почки, лёгкие работают не сами по себе, они связаны друг с другом. Заболеет один орган, и это сразу же повлияет на работу других. Они вместе ополчаются против болезни, стремятся снова вернуть организм к равновесию, сделать его здоровым.

Так и гомеостат. Его коробки соединены друг с другом электрическими проводами. Поворачивают ручки на одной коробке, а приходят в движение стрелки на всех четырёх. Все «органы» гомеостата начинают «волноваться», начинают искать равновесие для своего кибернетического организма. И они не успокоятся до тех пор, пока не добьются цели. Этим гомеостат удивительно напоминает живое существо.

Лет восемьсот назад были придуманы часы с гирей. Тяжёлая гиря привязанная  к верёвке, опускалась и  вращала шестерни часов. Триста лет спустя один немецкий мастер изобрёл часы с пружиной, с упругой стальной полоской, закрученной в спираль. Эти часы можно было носить в кармане, и они уже немного походили на современные. Постепенно часовые мастера научились делать поразительные вещи. К примеру, серьги-часы. В золотых серёжках, которые богатые модницы цепляли к ушам, тикали маленькие часики. Тикали, показывали время. Представляете, какие крохотные колесики нужно было изготовить для таких часов. И всё это делалось вручную!

Особенно славилась своими часами швейцарская деревушка Шо де Фон. Изготовлением часов занимались почти все её жители от мала до велика, но самым умелым среди них был Пьер Дро. Много лет Пьер делал обычные часы. Потом ему это наскучило, и он смастерил часы особенные, с «сюрпризом». Часы украшали бронзовые пастушок с флейтой и собачка. Как только стрелка подходила, допустим, к трём часам, пастушок поднимал флейту и мелодично «сигналил» ровно три раза. Собачка лежала у ног пастушка, охраняла корзинку с маленькими яблоками. Стоило взять яблоко, как собачка принималась громко лаять, притом настолько правдоподобно, что откликались живые собаки.

На этом Пьер Дро не остановился. Он задумал сделать совсем уж необычный автомат — механического «человека».

Около двух лет отняла эта работа. Наконец весной 1770 года новый автомат был готов.

Вообразите темноволосого курчавого мальчика лет пяти. Он сидит на мягком табурете за маленьким столиком и держит в руках гусиное перо (в то время стальных перьев ещё не изобрели). Мальчик макает перо в чернильницу и старательно красивым почерком выводит слова. Те, кому удавалось видеть механического писца без одежды, убеждались, какой это сложный автомат. Сколько там разных колесиков, рычагов, рычажков. Приводился он в движение пружиной, как часы. Да и весь механизм напоминал часовой.  Вслед за писцом Пьер Дро сделал автоматического рисовалыцика.   Тут ему уже помогал сын Анри, тоже талантливый мастер. Затем на свет появилась механическая музыкантша.

 Дро ездили по разным странам и показывали свои автоматы. А кому не любопытно было посмотреть на механических «людей»? Особенно нравилась публике музыкантша, одетая в красивое кружевное платье. Она сидела перед фисгармонией. Пальцы её нажимали на клавиши. Играла она хорошо, легко. Закончив игру, автоматическая музыкантша кланялась публике.

Автоматы отца и сына Дро прославились на весь мир. Нашлись подражатели. Во Франции, например, был создан автомат — флейтист ростом со взрослого человека. Он умел исполнять одиннадцать музыкальных пьес. В Германии сделали механического трубача. Кто-то назвал эти автоматы андроидами, это значит человекоподобные.

Но слово «андроид» не прижилось. Зато родилось другое, всем теперь хорошо знакомое слово «робот». Когда и как оно появилось? Это целая история.

Весной 1920 года чешский писатель Карел Чапек написал самую знаменитую и самую необыкновенную свою пьесу. О том, как на далёком острове Россума была построена удивительная фабрика. На этой фабрике изготовляли... искусственных людей.

Впрочем, нет. Это были машины, бесчувственные, но достаточно сообразительные, чтобы выполнять любую работу. Внешне они напоминали людей, имели даже имена: Марий, Дамон, Прим, Сулла. Одеты были в полотняные блузы. На груди у каждого висела латунная бляха с номером.

Их  создал  учёный  Россум — чудак  и мечтатель.  На своём  острове  он   изучал  обитателей  моря,   и   неожиданно крыл   вещество,   из   которого   можно   было   сделать   живой организм.

И Россум начал соревноваться с природой. Сначала он попробовал создать искусственную собаку. Вышло. После этого  он решил сделать человека. Но тут появляется его племянник, инженер, и решает, что из «теста», открытого дядей, нужно лепить не собак и людей, а рабочие машины, наделённые разумом.  Через несколько лет фабрика,  построенная Россумом-младшим, выпускала тысячи разумных машин. Их собирали на конвейере,   как  автомобили,   а  потом  продавали  на  заводы, шахты, плантации.

Замысел пьесы уже сложился в голове Чапека. Оставалось неясным: как назвать эти человекоподобные машины. Однажды  Чапек зешел к своему брату Йозефу, художнику. Тот стоял у мольберта и, размахивая кистью, грунтовал холст. 

— Эй, Иозеф, — сказал Чапек, — кажется, у меня возникла идея пьесы.

— Какой, — не оставляя холст, пробормотал Иозеф..

Чапек коротко рассказал брату о пьесе.

— Ну так и пиши, — рассеянно ответил тот.

— Но я не знаю, — продолжал Чапек, — как назвать эти искусственные существа.

— Назови их роботами, — сквозь   зубы   бросил   Иозеф. Чапек так и поступил. С тех пор слово «робот» употребляется везде, и просто не верится: неужели когда-то его  нужно было придумывать?

С легкой руки писателя название "робот" прочно закрепилось теперь за всевозможными автономно работающими техническими системами. Сегодняшние промышленные роботы не похожи на человекоподобные устройства, описанные К. Чапеком. Это сложные машины и агрегаты, созданные на основе новейших достижений науки и техники, способные без непосредственного участия человека выполнять технологические операции на производстве с быстротой и точностью, недоступными людям. Промышленный робот не только сильнее человека, он может быть более эффективным, экономичным и выгодным в опасных, вредных или недоступных для человека условиях: под водой, в космосе, в условиях очень низких или высоких температур, давлений, повышенной радиоактивности.

Однако понятие "робот" имеет и более узкий смысл — электротехническое устройство, имеющее внешнее сходство с человеком и подражающее некоторым чертам его поведения. Такое понимание этого слова также стало использоваться с момента появления упомянутой книги К. Чапека. Немало изобретателей и инженеров потрудились над изготовлением игрушек в рост человека, нарочито причудливого вида, способных вставать, ходить, садиться, поворачивать голову, произносить фразы и т. п.

Используемые материалы

1. Путешествие в страну роботов.  Геннадий Черненко. «Дет. лит.» 1977г. 96 стр.
2. Хочу все знать. «Ридерс Дайджест», 2001г.
3. http://robotom.ru