Буквально только сейчас узнал о совершенно потрясающем устройстве
водяном компьютере. 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.
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).
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.
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.
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.
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.
[источник]
