Рассмотрите внимательно ткань, из которой сшит ваш пиджак, платье, изготовлены полотенца, скатерти, ковровое дорожки, десятки и сотни других мануфактурных изделий. Вы убедитесь, что любая ткань образуется путем взаимного переплетения нитей, располагающихся перпендикулярно друг другу. Нити, проходящие вдоль длины ткани, образуют так называемую основу, поперечные нити — утóк.
Качество ткани определяется материалом нитей основы и уткá, а ее внешний вид — характером их переплетения, которое производится на ткацком станке.
Обычный ткацкий станок, история которого к моменту изобретения Жаккара насчитывала добрых 2 тысячи лет, действует примерно так. Нити основы (число их может достигать нескольких тысяч) проходят через отверстия — глазки — в так называемых ремизках, расположенных вертикально и перпендикулярно основе. Каждая из ремизок поочередно движется вверх и вниз. Поднимаясь, она увлекает за собой те из нитей основы, которые продернуты в ее глазки. При этом между поднятыми и неподнятыми нитями основы образуется промежуток, называемый зевом. В этот зев устремляется челнок, протягивая за собой нить уткá. Ремизки все время меняют положения, нити попеременно поднимаются и опускаются, а человек снует то туда, то обратно, переплетая уток с основой.
Две ремизки дают возможность получить только самое простое переплетение, узор которого напоминает расположение белых и черных клеток на шахматной доске.
Увеличивая число ремизок, можно усложнить переплетение. Обычно ткацкие станки имеют до 24 ремизок. Но этого мало. На таких станках можно вырабатывать ткань только с мелким узором, содержащим не более 24 разнопереплетенных нитей.
Дальнейшее повышение числа ремизок ведет к значительному увеличению размеров станка и связано с рядом конструктивных трудностей. А возможность увеличивать по желанию число разнопереплетающихся нитей представляется весьма заманчивой — ведь именно это необходимо для изготовления ковровых тканей, гобеленов, богато разукрашенных покрывал, скатертей, бархатов и шелков.
Что же изобрел Жаккар?
Он выбросил ремизки, которые поднимали одновременно сотни нитей. Каждая из нитей теперь может быть поднята по отдельности. Для этого служит так называемая лица — внизу она имеет глазок, наверху — крючок.
Сотни, тысячи крючков выстроились вдоль прутьев решетки, расположенной в верхней части прибора. Решетка движется вверх и вниз, а ее прутья проходят мимо крючков. Но если немного отклонить те или другие крючки, то решетка их зацепит и поднимет вверх, а вместе с ними — нити с основой.
Отклонить каждый из крючков можно, толкая связанный с ним длинный стерженек — иглу. Концы всех стерженьков торчат с одной стороны прибора, точно клавиши пишущей машинки.
С этой же стороны прибора располагается его важнейший узел — призма, укрепленная на качающемся рычаге. На призму надевается картон — непрерывная цепь связанных между собой картонных карт, число которых равно числу разнопереплетенных нитей уткá в узоре и может достигать 2–3 тысяч штук.
В картах в соответствии с вырабатываемым узором просечены отверстия. Рычаг, качнувшись, прижимает карту к иглам, некоторые из них проходят через отверстия, все остальные упираются в карту. В результате связанные с иглами крючки либо занимают вертикальное положение, либо отклоняются.
Затем движется вверх решетка. Поднимаясь, она увлекает за собой вертикально стоящие крючки, а с ними те нити основы, которым соответствуют пробивки в карте, после чего челнок прокладывает уточную нить. Затем верхняя решетка опускается, иглы возвращаются в исходное положение, призма поворачивается, подавая очередную карту, поднимаются другие нити основы. Туда и обратно снует челнок, прокладывая одну за одной утóчные нити.
С этим станком управлялся уже один ткач, и от него не требовалось того высокого искусства, какое было нужно, когда сложный узор ткался по-старому. И работал ткацкий станок с таким механизмом несравненно быстрее нескольких самых высококвалифицированных ткачей. А чтобы вырабатывать ткань с новым узором, достаточно было заменить один картон другим. Машине при этом не надо было «привыкать» к новому узору, она сразу начинала работать в максимальном темпе.
Теперь для нас не представляет труда подсчитать, сколько различных узоров можно получить, если, например, число нитей в основе равно 1000, а картон составлен из 1000 карт.
В двоичной записи это число выразится так: 21000000, или примерно 10300000.
Число такого порядка просто невозможно себе представить. Математики в шутку подсчитали, что с момента, когда люди стали разговаривать, они наговорили около 1016 слов. Английский астроном Артур Эдингтон утверждает, что вселенная состоит из 136 · 2256 (или примерно 1073) протонов и такого же числа электронов. Если даже он ошибся и в действительности это число в тысячу, в миллион, в миллиард или в сотни миллионов миллиардов раз больше, то и тогда оно останется незаметно малым по сравнению с возможным числом образцов ткани, которое можно выработать (причем совершенно не задумываясь) на станке Жаккара.
Недавно английский ученый Уильям Эшби предложил называть целые положительные числа в пределах от 10 до 1010 практическими — в том смысле, что мы можем осуществлять над ними реальные операции.
Числа в пределах от 1010 до 10100 он предложил назвать астрономическими.
В дополнение к этой классификации советский математик А. И. Колмогоров предложил называть числа третьего класса, превышающие 10100, комбинаторными.
А инженеры и техники, не искушенные в математических тонкостях, называют разнообразие узоров, которое может дать способ Жаккара, бесконечным.
Ткацкий станок, оснащенный прибором Жаккара, представляет собой, если пользоваться современной терминологией, первую рабочую машину с программным управлением.
Следует сказать, что в процессе зевообразования вместе с верхней решеткой поднимаются сотни крючков, лиц, нитей, специальных грузиков. В результате вес движущихся частей составляет несколько десятков килограммов. Вряд ли механизм зевообразования мог надежно работать, если бы такие усилия пришлось передавать через иглы и перфокарты. Жаккар нашел выход из этого положения. Механизм зевообразования приводится в движение массивной рычажной передачей. Необходимая для этого энергия поступает из нерегулируемого постоянного источника (сначала им служила паровая машина, теперь же — электродвигатель). И только ничтожная доля ее затрачивается на управление перемещением игл с крючками.
Значит, в этой машине уже был использован принцип серводействия, сущность которого сводится к тому, чтобы с помощью слабого сигнала управлять большой мощностью. А ведь принцип серводействия, как мы знаем, составляет основу большинства современных систем автоматическою управления.
Но станок Жаккара интересен не только потому, что он был головным в ряду машин с программным управлением и уже в первых конструкциях содержал в себе элементы современных автоматов. Он представляет интерес еще и как пример удивительного долголетия идеи решения важной технической задачи. Ведь со дня изобретения Жаккара прошло уже более полутора веков, однако до сих пор не найдено лучшего способа выработки тканей, украшенных сложным узором.
Не следует думать, что промежуток между обычным ткацким станком и станком Жаккара ничем не заполнен, что Жаккару принадлежит идея закодировать узор в виде отверстий, что он изобрел перфокарту и иглы с крючками. Нет, дело обстоит далеко не так!
Еще за семьдесят пять лет до выставки в Париже французский механик Базиль Бошон пытался приспособить для той же цели ленту с отверстиями. Затем он вместе с ткацким мастером Фальконом заменил этого «предка» перфоленты набором узких полос картона с отверстиями. Над созданием механизма из крючков и иголок много работал тот самый Жак Викансон, который мастерил механических «людей».
Если бы можно было более точно проследить историю этого изобретения, то, наверное, стали бы известны еще и другие имена.
Работы Жаккара подвели итоги семидесятипятилетней истории. Он многое взял у предшественников: был знаком с незаконченным станком Вокансона, ему помогали способные механики. И наверное, поэтому довольно долго обсуждался вопрос о приоритете Жаккара. Про него говорили, что «немногие люди удостоились подобных почестей, сделав так мало».
И тем не менее именно Жаккар, объединив разрозненные идеи, усовершенствовав еще совсем сырые разработки, внеся много нового, создал первое работоспособное устройство, принцип действия которого до сих пор представляет основу любого ткацкого автомата. И по справедливости именно ему поставили памятник.
А теперь познакомимся с другим предшественником современных автоматов с программным управлением — с пианолой («механический пианист»), имевшей широкое распространение в конце прошлого века.
Пианола — это знакомое всем пианино (или его близкий «предок» — фортепьяно), оснащенное устройствами, предназначенными для механического воспроизведения музыки.
Мелодия «записывалась» в форме отверстий на плотной бумажной ленте. Ширина ленты была такой, что на ней могло разместиться 88 отверстий: по числу клавишей в клавиатуре пианолы. Но, конечно, в каждой из строк, следующих одна за другой по длине ленты, пробивались не все отверстия, а лишь соответствующие тем клавишам, которые должны издавать звук. И когда в соответствии с записываемой мелодией ту или иную клавишу следовало нажать, в ленте пробивалось отверстие. Лента перематывалась, и строка за строкой на нее наносилась мелодия.
Готовый валик можно было установить в приемное устройство пианолы и с помощью ножного привода привести в движение. При этом лента, перематываясь с одного ролика на другой, огибала специальный распределитель, в котором просверлено 88 отверстий. И как только то или иное из отверстий на бумаге совпадало с отверстием на распределителе, так соответствующая клавиша опускалась, нажатая невидимым пианистом.