Kapitel 2 : Analogrechner

Ein Analogrechner, auch Analogrechner genannt, ist eine Form von Rechenmaschine (Computer), die das zu lösende Problem modelliert, indem sie physikalische Phänomene wie elektrische, mechanische oder hydraulische Variablen verwendet, die sich in Übereinstimmung mit den besprochenen mathematischen Konzepten (analoge Signale) verhalten. Auf der anderen Seite sind digitale Computer in der Lage, eine Vielzahl von Größen symbolisch darzustellen, und zwar durch diskrete Werte sowohl der Zeit als auch der Amplitude, die als digitale Signale bezeichnet werden.

Es gibt ein sehr breites Spektrum an Komplexität, das in analogen Computern zu finden ist. Wenn es um Komplexität geht, gehören Rechenschieber und Nomogramme zu den einfachsten, während Marine-Schießkontrollcomputer und riesige hybride Digital-/Analog-Computer zu den größten Herausforderungen gehören. Um Steuerungs- und Schutzaufgaben zu erfüllen, wurden komplexe Mechanismen für die Prozesssteuerung und Schutzrelais analoge Berechnungen verwendet.

Bereits in den 1950er und 1960er Jahren begannen sie obsolet zu werden, obwohl sie weiterhin in bestimmten spezifischen Anwendungen eingesetzt wurden, wie z. B. in Flugzeugflugsimulatoren, als Flugcomputer in Flugzeugen oder für die Lehre von Steuerungssystemen an Universitäten. Analogrechner waren auch nach dem Aufkommen digitaler Computer in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen weit verbreitet. Dies lag daran, dass sie zu dieser Zeit in der Regel viel schneller waren als digitale Computer. Wenn es um analoge Computer geht, ist das vielleicht am besten anwendbare Beispiel das der mechanischen Uhren. Diese Uhren werden durch die konstante und periodische Drehung von Zahnrädern angetrieben, die miteinander verbunden sind, was wiederum die Sekunden-, Minuten- und Stundenzeiger in der Uhr antreibt. Bis weit in die 1980er Jahre hinein war das analoge Computing (und das hybride Computing) jedoch noch immer das Reich komplexerer Anwendungen. Dies lag daran, dass digitale Computer für die anstehende Aufgabe nicht ausreichend waren. Beispiele für solche Anwendungen sind Flugsimulatoren für Flugzeuge und Radar mit synthetischer Apertur.

Im Folgenden finden Sie eine Liste von Beispielen für frühe Computergeräte, die als Vorläufer der heute vorherrschenden Computer angesehen werden. Es ist möglich, dass einige von ihnen von den Medien sogar als "Computer" bezeichnet wurden, obwohl sie möglicherweise nicht den Standarddefinitionen des Begriffs entsprechen.

Derek J. Antikythera, ein britischer Physiker, Informationswissenschaftler und Wissenschaftshistoriker, bezeichnete den Antikythera-Mechanismus als einen frühen mechanischen Analogcomputer. Dieser Mechanismus ist eine Art von Gerät, das zur Erkennung der Positionen von Himmelskörpern verwendet wird und auch als Orrery bekannt ist. de Solla Preis ist der Preis. Seiner Entdeckung, die 1901 im Wrack von Antikythera stattfand, das sich vor der Küste der griechischen Insel Antikythera zwischen Kythera und Kreta befand, wurde das Datum c zugeordnet.Während der hellenistischen Zeit, etwa 150 bis 100 v. Chr. Es würde erst tausend Jahre nach seinem ersten Erscheinen mehr Geräte mit einem Grad an Raffinesse geben, der dem des Antikythera-Mechanismus entspricht.

Im Laufe der Geschichte wurden zahlreiche mechanische Hilfsmittel zur Berechnung und Messung für den Einsatz in der Astronomie und Navigation entwickelt.

Es war im zweiten Jahrhundert n. Chr., als Ptolemäus die Planisphäre als erster beschrieb. Es wird allgemein angenommen, dass Hipparchos die erste Person war, die das Astrolabium erfand, das in der hellenistischen Welt entweder im ersten oder zweiten Jahrhundert v. Chr. entwickelt wurde. Das Astrolabium war im Wesentlichen ein Analogrechner, der in der Lage war, eine Vielzahl verschiedener Arten von Problemen in der sphärischen Astronomie zu lösen. Es war eine Kombination aus der Planisphäre und der Dioptra.

Es wurde in der zweiten Hälfte des 16. Jahrhunderts entwickelt und fand Verwendung in der Schießerei, Vermessung und Navigation. Der Sektor ist ein Recheninstrument, das zum Lösen von Problemen in Proportion, Trigonometrie, Multiplikation und Division sowie für zahlreiche Funktionen wie Quadrate und Kubikwurzeln verwendet wird.

Die Berechnung der Fläche einer geschlossenen Figur war der Zweck des Planimeters, bei dem es sich um ein manuelles Werkzeug handelte, das das Nachzeichnen der Figur mit einem mechanischen Gestänge beinhaltete.

Etwa zwischen den Jahren 1620 und 1630 wurde der Rechenschieber entwickelt, genau zu der Zeit, als der Begriff des Logarithmus zum ersten Mal veröffentlicht wurde. Für die Multiplikation und Division ist es ein analoger Computer, der von Hand bedient wird. Kehrwerte, Quadrate und Quadratwurzeln, Würfel und Kubikwurzeln sowie transzendente Funktionen wie Logarithmen und Exponentiale, kreisförmige und hyperbolische Trigonometrie und andere Funktionen wurden durch die zusätzlichen Skalen angeboten, die im Laufe der Entwicklung der Rechenschieber hinzugefügt wurden. Rechenschieber sind in der Luftfahrt immer noch weit verbreitet und gehören zu den wenigen Sektoren, in denen sie noch weit verbreitet sind. Dies gilt insbesondere für die Lösung von Zeit-Entfernungs-Problemen in Leichtflugzeugen.

Giovanni Plana, Mathematiker und Ingenieur, entwickelte zwischen 1831 und 1835 eine Maschine mit ewigem Kalender. Diese Maschine, die aus einem System von Riemenscheiben und Zylindern bestand, war in der Lage, den ewigen Kalender für jedes Jahr vom Jahr 0 (d. h. 1 v. Chr.) bis zum Jahr 4000 n. Chr. genau vorherzusagen, während sie sich immer noch der Schaltjahre und der unterschiedlichen Längen der Tage bewusst war.

Der Gezeitenvorhersagemechanismus, den Sir William Thomson 1872 bauen konnte, erwies sich als enormer Nutzen für die Navigation in eher flachen Gewässern. Ein System bestehend aus Flaschenzügen und Seilen wurde verwendet, um eine automatische Berechnung der projizierten Gezeitenstände für einen bestimmten Zeitraum an einem bestimmten Ort durchzuführen.

Rad-und-Scheiben-Mechanismen wurden verwendet, um den Integrationsprozess durch den Differentialanalysator durchzuführen, bei dem es sich um einen mechanischen Analogrechner handelte, der dazu gedacht war, Differentialgleichungen durch den Integrationsprozess zu lösen. Im Jahre 1876 hatte James Thomson bereits die Möglichkeit untersucht, solche Taschenrechner zu konstruieren; Er war jedoch nicht in der Lage, seine Pläne umzusetzen, da das Abtriebsdrehmoment der Kugel-Scheiben-Integratoren begrenzt war. Es gab eine Reihe von nachfolgenden Systemen, von denen die bemerkenswertesten die des spanischen Ingenieurs Leonardo Torres Quevedo waren, der eine Vielzahl von analogen Maschinen konstruierte, um reelle und komplexe Wurzeln von Polynomen zu lösen; und Michelson und Stratton, deren Harmonischer Analysator eine Fourier-Analyse durchführte, dabei aber ein Array von achtzig Federn anstelle von Kelvin-Integratoren verwendete. Das mathematische Verständnis der Gibbs-Phänomene des Überschwingens in der Fourier-Darstellung in der Nähe von Diskontinuitäten wurde als Ergebnis dieser Arbeit ermöglicht. Der Ausgang eines Integrators in einem Differenzialanalysator wurde verwendet, um den Eingang des nachfolgenden Integrators zu steuern, was als grafischer Ausgang bezeichnet werden kann. Damit diese Maschinen funktionierten, war der Fortschritt, der dies ermöglichte, der Drehmomentverstärker. Vannevar Bush und eine Reihe anderer Personen begannen in den 1920er Jahren mit der Entwicklung mechanischer Differenzialanalysatoren.

Es war um das Jahr 1902, als Lieutenant John Dumaresq, der in der Royal Navy diente, die Idee für den Dumaresq, ein mechanisches Rechengerät, hatte. Konkret handelte es sich um einen Analogrechner, der die Bewegung des eigenen Schiffes mit der eines Zielschiffes verband und so eine Verbindung zwischen den wichtigen Variablen des Feuerleitproblems herstellte. Darüber hinaus wurde sie häufig in Verbindung mit anderen Geräten, wie z. B. einer Vickers-Reichweitenuhr, verwendet, um Reichweiten- und Ablenkungsdaten zu generieren, um das Visier des Schiffes kontinuierlich einzustellen. Im Laufe seiner Entwicklung durchlief der Dumaresq eine Reihe von Iterationen, die nach und nach komplizierter wurden als die vorherige.

Im Jahr 1912 baute Arthur Pollen einen mechanischen Analogrechner, der elektrisch angetrieben wurde und für Feuerleitsysteme eingesetzt wurde. Dieser Rechner war auf den Differentialanalysator angewiesen. Während des Ersten Weltkriegs wurde sie von der Kaiserlich Russischen Marine durchgeführt.

AC-Netzwerkanalysatoren wurden 1929 mit dem Ziel eingeführt, Rechenschwierigkeiten im Zusammenhang mit elektrischen Stromnetzen zu lösen. Diese Probleme waren zu dieser Zeit zu groß, um mit numerischen Methoden gelöst zu werden, daher wurden AC-Netzwerkanalysatoren entwickelt, um sie zu lösen. Dabei handelte es sich zu einem großen Teil um maßstabsgetreue Nachbildungen der elektrischen Eigenschaften, die im operationellen System vorhanden waren. Die Fähigkeit von Netzwerkanalysatoren, Probleme zu lösen, die für analytische Methoden oder Handcomputer zu groß waren, führte zu ihrer Anwendung bei der Konstruktion von Strukturen sowie im Bereich der Kernphysik, wo sie zur Lösung von Problemen eingesetzt wurden. Als die 1950er Jahre zu Ende gingen, waren mehr als fünfzig massive Netzwerkanalysatoren gebaut worden.

Mechanische Analogrechner wurden während der gesamten Zeit des Zweiten Weltkriegs für die Zwecke von Waffenregisseuren, Waffendatencomputern und Bombenzielfernrohren eingesetzt. Im Heeresforschungszentrum Peenemünde konstruierte Helmut Holzer 1942 einen vollelektronischen Analogrechner als eingebettetes...