---

0.1.Основные определения и области применения информации

Но наряду с веществом и энергией в жизни человека огромную роль играет информация - самые разнообразные сведения, сообщения, известия, знания и умения, которые он получает из окружающего мира. И с каждым веком, десятилетием и годом роль информации в жизни человека все увеличивается.

В старых словарях и энциклопедиях, например, в Малой Советской энциклопедии 1929 года информация объяснялась просто как осведомление. Однако в середине 20 века понятие информация приобрело гораздо более широкий и даже всеобъемлющий смысл, присущий не только всей живой природе - человеку, животным, растениям, но и автоматическим устройствам в технике, например, роботам. В современном "Словаре русского языка" С.И. Ожегова слово "информация" - это сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специальным устройством.

В наше время, особенно после создания и всеобщего распространения компьютеров информация превратилась в общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире, передачу наследственных признаков от клетки к клетке, от организма к организму. Информация стала основным, базовым понятием кибернетики - науки об управлении в живой природе и технике. Наряду с веществом и энергией информация стала одним из основных понятий окружающего нас мира.

Каждый человек с момента рождения, а если точнее, то даже еще в утробе матери окружен информацией, которую он воспринимает с помощью всех органов чувств - слуха, зрения, обоняния, осязания, вкуса. Для человека, животного или растения - информация представляет собой отражение окружающего их реального мира, то есть сведения, которые один реальный объект содержит о другом реальном объекте - это неотъемлемое свойство живой природы.

Понятие информация всегда связано с объектом реального мира, свойство которого она отражает. Информация не может возникнуть "из ничего". Ее можно получить, записать (или запомнить), передать, воспроизвести или стереть. Все это связывает ее с реальным миром. Но одно свойство отличает информацию от реального мира, от материи и энергии. Ведь если от одного объекта передать некоторое количество вещества или энергии другому объекту, то в первом объекте вещества или энергии станет меньше на это количество, а во втором - больше. В противоположность этому, при передаче информации от одного объекта другому, в первом ее количество не уменьшается, а во втором - увеличивается. Ведь если Вы поделитесь какой-нибудь новостью с другими людьми, они ее узнают, но она и у Вас останется.

Особенно быстро ее роль возросла после изобретения в середине XX века компьютера - машины для приема, переработки, хранения и выдачи информации. Компьютер является цифровой машиной, в которой информация представляется в виде чисел, как правило, в двоичной системе счисления. Любая информация (например, зрительная или звуковая), за исключением числовой, в компьютере кодируется, т.е. представляется в виде чисел, а затем перерабатывается в соответствии с заложенной программой.

Появление и широкое распространение компьютеров предоставило человеку совершенно новые возможности поиска, получения, накопления, передачи и, главное, обработки информации.

Компьютер был изобретен как средство для скоростных вычислений, своего рода быстродействующий арифмометр. Однако постепенно к его вычислительным возможностям добавились функции почти всех предшествовавших средств коммуникации, превратив его в главное орудие построения современного информационного общества. Сегодня уже нельзя перечислить все сферы применения компьютера. В связи с этим наиболее остроумным определением назначения компьютера можно считать следующее: "Компьютер есть средство решения тех задач, которые человек в состоянии ему поручить на данном уровне развития техники".

С появлением компьютеров сформировалась информатика - наука об общих свойствах и закономерностях информации, методах ее поиска, передачи, хранения, обработки и использования в различных сферах деятельности человека. Термину информатика предшествовал термин кибернетика, которым называли исследования, связанные с использованием информации в системах автоматического управления. Cлово кибернетика (от греческого kibernetike - искусство управления) - название книги великого математика XX века Норберта Винера - стало названием новой науки кибернетики. Но постепенно выяснилось, что кибернетика - это лишь часть более общей науки информатики. В англоязычных странах ее стали называть вычислительной наукой (Computer Science, от английского слова сompute - вычислять). Во франкоязычных странах появился аналогичный термин информатика (informatique). Этот термин в нашей стране и стал названием науки информатики. Она включает в себя теоретическую информатику (в том числе математическую логику и теорию информации), кибернетику, программирование, информационные системы, вычислительную технику, информатику в природе и обществе, проблемы создания искусственного интеллекта.

Поток информации, который получал древний человек, был довольно ограничен. Восход солнца "сообщал" древнему человеку о том, что пора пробуждаться, а заход солнца - о том, что пора спать. Рычание диких животных заставляло человека спрятаться от них, горький вкус пищи заставлял выплюнуть ее, чтобы не отравиться, палящее солнце - спрятаться в тень, а дождь или гроза - спрятаться в пещеру или хижину. Информация помогала древнему человеку выжить среди опасностей дикой природы.

Современный человек получает целую лавину информации: знания, приобретенные при общении с другими людьми, животными; содержание книг, газет, журналов; сообщения по радио и телевидению; реклама; впечатления от посещения кино, театров, музеев и концертов, прослушивания звукозаписей, туристических поездок и многое другое.

В наше время информация систематически распространяется через средства массовой информации (СМИ) - печать, радио, телевидение, кино, звукозапись, видеозапись - с целью утверждения духовных ценностей данного общества и оказания идеологического, политического, экономического или организационного воздействия на оценки, мнения и поведение людей. При этом используются реклама, агитация и пропаганда.

Реклама (франц. reclame, от лат. reclamo — выкрикиваю) - это информация о потребительских свойствах товаров и видах услуг с целью создания спроса на них; популяризация произведений литературы, искусства и др. Есть такое шутливое определение: реклама – это средство уговорить Вас купить ненужную Вам вещь за деньги, которых у Вас нет.

Агитация (от лат. agitatio — приведение в движение, побуждение к чему-либо) - это распространение идей для воздействия на сознание, настроение, общественную активность масс с помощью устных выступлений, средств массовой информации. Агитация тесно связана с пропагандой.

Пропаганда (от лат. propaganda — подлежащее распространению) - это распространение политических, философских, научных, художественных и других идей в обществе; в более узком смысле — политическая или идеологическая пропаганда с целью формирования у широких масс населения определенных взглядов.

За последние годы появилось понятие Пи-Ар (пиар) (англ. сокр. PR — public relations, букв. — общественные отношения), особый вид деятельности, направленный на формирование общественного мнения по широкому спектру вопросов (политическая акция, избирательная кампания, бизнес, производство, благотворительность, реклама и т. д.). Связь с общественностью осуществляется специалистами в области пиар (так называемыми пиарщиками) посредством рекламы, паблисити, постоянных контактов со СМИ и др.

Существующие с древних времен разведка и шпионаж своей целью имеют сбор информации о противнике или иностранном государстве, а промышленный шпионаж - добыть информацию о производственных секретах фирм-конкурентов.

Разведка - это сбор и анализ информации о действующем или вероятном противнике, о местности, а шпионаж - это похищение и передача секретной информации, содержащей государственные и военные тайны, иностранному государству.

Шпионаж начинается с поиска источника - лица, имеющего доступ к секретной информации, затем осуществляется его вербовка разведчиком. Источник становится агентом и передает секретную информацию иностранному государству, а в случае промышленного шпионажа - конкурирующей фирме. Важнейшим звеном этой цепи является источник, имеющий доступ к секретной информации. Разведчика, работающего с агентом-источником, можно заменить, а при потере источника перестает работать вся цепочка получения секретной информации.

С зарождением человеческой цивилизации возникло умение сообщать информацию одним людям так, чтобы она не становилась известной другим. Пока люди использовали для передачи сообщений только голос и жесты, сделать это было нетрудно - нужно было только исключить присутствие в непосредственной близости от разговаривающих тех людей, для которых сообщаемые сведения не были предназначены. Однако часто внешние обстоятельства не позволяли им укрыться от посторонних ушей и глаз для проведения конфиденциальной беседы. Для действия в подобных обстоятельствах была создана система сообщений, кодированных речью или жестами. С возникновением письменности задача обеспечения секретности и подлинности передаваемых сообщений стала особенно актуальной. И тогда возникла криптография – тайнопись, система изменения письма с целью сделать текст непонятным для непосвященных лиц.

Криптография использовалась уже в древнем Египте, Вавилоне, Греции и Риме. До нас дошел шифр Юлия Цезаря, способ, которым он прятал свои записи от любопытных глаз.

Информация имеет ценность, когда она несет в себе какую-то неожиданность, например, об исходе президентских выборов или результате футбольного матча. Сообщение о том, что у собаки есть хвост, а у человека его нет, никакой новой информации не несет.

Чем больше случайных исходов имеет интересующее нас явление, тем больше информации оно несет. Ценность информации зависит от того, сможет ли получатель использовать ее для решения какой-нибудь задачи. Так, прогноз погоды по Москве важен для москвича. В то же время для жителя Магадана этот московский прогноз погоды практически бесполезен.

Каковы же основные виды информации? По способам восприятия она делится на оптическую или визуальную, звуковую или аудиальную, тактильную, обонятельную и вкусовую (соответствующую пяти органам чувств). По форме представления она делится на текстовую, числовую, графическую и звуковую, а по общественному значению – на массовую (обыденную, общественно-политическую, эстетическую), специальную (научную, производственную, техническую, управленческую, знания, умения, прогнозы, планы, чувства, интуицию) и личную.

Одним из видов информации является и дезинформация - распространение искаженных или заведомо ложных сведений. Цель ее - ввести в заблуждение военного противника или конкурента в промышленности, бизнесе. Часто дезинформация осуществляется в пропагандистских целях. Примером может служить пропаганда в фашистской Германии и при сталинской коммунистической диктатуре.

А каковы же основные свойства информации? Это объективность, достоверность, полнота, актуальность, ценность (или полезность) и ясность (понятность).

Информация нужна человеку для ориентирования в окружающем мире и принятия решений о своих дальнейших действиях, причем конкретно, в нужное время.

Для хранения, передачи информации и представлении ее на каком-нибудь материальном носителе (камне, бумаге, магнитной пленке) используется кодирование с помощью знаков (символов) и набора знаков – алфавита. Один из видов кодирования – это шифрование, то есть кодирование на языке, понятном только получателю сообщения.

Существует множество языков кодирования: разговорные, мимики и жестов, рисунков и чертежей, науки (математики, физики, химии), искусства (живописи, музыки, скульптуры, архитектуры) и специальные (азбука Морзе, азбука Брайля для слепых, и программирование, то есть кодирование на языке, "понятном" компьютеру).

Информация всегда связана с материальным носителем, то есть средой для записи и хранения информации. В качестве носителей информации используются материальные предметы, волны (например, радиоволны, звуковые и ультразвуковые), различные состояния вещества (например, аморфное или кристаллическое).

Сигнал – это способ передачи информации. Он представляет собой физический процесс, имеющий информационное значение. Сигнал может быть непрерывным или дискретным. Сигналы, передаваемые в электрической форме (с помощью электромагнитных волн) наиболее выгодны для передачи информации. Они не требуют движущихся механических устройств, медленных и подверженных поломкам. Скорость их передачи приближается к максимально возможной в природе – скорости света. Кроме того, электрические сигналы легко обрабатывать и преобразовывать с помощью быстродействующих электронных устройств.

Своим появлением человеческое общество обязано общественному труду и информационным процессам и технологиям, которые существуют столько тысячелетий, сколько существует человеческое общество.

Процессы получения, хранения, транспортировки (то есть передачи на расстояние), преобразования и представления информации называют информационными процессами.

Что же такое информационные технологии? Это система приемов, способов и методов осуществления информационных процессов. Часто под информационными технологиями понимают также технические и программные средства реализации информационных процессов. Потребность человека общаться с окружающими его людьми, то есть выразить и передать информацию, привела к появлению языка и речи - древнейшей информационной технологии. Дальнейшие этапы - это изобретение книгопечатания, почты, телеграфа, телефона, радио, телевидения, космической связи и, наконец, компьютеров, Интернета и электронной почты.

Информационные технологии можно делить по принципу "до" появления компьютеров и "после" их появления, так же как летоисчисление мы делим на два периода - "до нашей эры" и "нашей эры". Появление компьютеров - это новая эра информационных технологий: цифровая.

Однако не следует забывать, что эра компьютеров не могла наступить без основополагающих открытий в области электричества и прежде всего без работ Л. Гальвани, А. Вольта, А. Ампера, М. Фарадея, Д. Максвелла, Г. Герца.

Областями применения информационных технологий являются такие услуги, как связь и развлечения, системы поддержки деятельности в управленческой, производственной, научной, коммерческой и других сферах, потребительская электроника, например, аудио- и видеосистемы.

Особенность современных информационных технологий заключается в том, что в них предметом и продуктом труда является информация, а орудиями труда служат средства вычислительной техники и связи.

К информационным технологиям относятся средства записи, хранения, обработки, передачи на расстояния (средства связи - сигнализация, почта, телеграф, телефон, радио, телевидение) и воспроизведения информации.

Человек живет в пространстве и времени. В пространстве он может перемещаться, в том числе с помощью самых различных видов транспорта - от телеги до космического корабля. Но во времени он перемещаться не может - ни в прошлое, ни в будущее.

Информационные технологии дают возможность человеку получать сведения о событиях не только в данном месте и настоящем времени, но и в других местах и прошлом времени. Первое - информацию о событиях в других местах - обеспечивают средства связи. Второе - информацию о событиях в прошлом времени - физические тела - носители информации или устройства памяти (камень, бумага, книга, грампластинка, фотография, кинопленка, магнитная пленка, дискета, компакт-диск, карта флэш-памяти и др.), в которые эта информация вносится и сохраняется во времени, другими словами, запоминается с целью последующего воспроизведения. Что называется, не сходя с места человек может узнавать о событиях, происходящих в настоящее время в других местах и происходивших в прошлом.

Существуют два способа получения информации – синхронный и асинхронный.

При синхронном способе ее получатель должен присутствовать при самом событии - разговоре, показе телефильма или радиопередаче. Для ее получения он должен синхронизироваться по времени с ее передачей. Человек всегда, с момента изобретения письменности с помощью носителей информации, старался "законсервировать информацию" - о событиях, при которых он не присутствовал лично, либо о событиях, при которых он присутствовал, но хотел бы сохранить их в памяти, чтобы снова узнать о них в любое удобное для него время. Это и есть асинхронный способ получения информации, обеспечивающий свободу выбора.

Патефон, проигрыватель, магнитофон, автоответчик, видеомагнитофон и DVD-рекордер обеспечивают асинхронный способ: информацию с их помощью можно получить в любое время, а не только в момент передачи.

Областями применения информационных технологий стали практически все сферы жизни: государственное и муниципальное управление, экономика, хозяйственная деятельность, промышленность, строительство, транспорт, связь, оборона, научные исследования, образование, медицина, сфера развлечений и досуга.

Информационные технологии делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые технологии основаны на способе представления информации в виде какой-либо непрерывной (аналоговой) физической величины, например, напряжения или силы электрического тока, величина которых (сигнал) является носителем информации.

Цифровые технологии основаны на дискретном (от лат. discretus - разделенный, прерывистый) способе представления информации в виде чисел (обычно с использованием двоичной системы счисления), значение которых является носителем информации. Для этого в них используются физические величины, способные принимать только два устойчивых состояния (включено/выключено, есть напряжение / нет напряжения, намагничено / не намагничено). Это обеспечивает предельную простоту цифрового сигнала: есть электрический импульс - единица, нет импульса - ноль. Простота цифровых сигналов обеспечивает (по сравнению с аналоговыми сигналами) их несоизмеримо большую защищенность от помех, в том числе при передаче по каналам связи.

При цифровом представлении информации точность зависит от количества разрядов в числах. Увеличивая число этих разрядов, можно обеспечить любую наперед заданную точность вычислений. В этом состоит главное преимущество цифровых вычислительных устройств по сравнению с аналоговыми. Современные персональные компьютеры оперируют с 32-разрядными двоичными числами. В ближайшем будущем предстоит переход на 64-разрядную структуру.

В стремительном развитии радиотехники и вычислительной техники сыграли главную роль два изобретения - вакуумных электронных ламп в 1905-1907 гг. и полупроводникового транзистора в 1948 году.

В результате изобретения электронных ламп сформировалась технология приборов вакуумной электроники, появились заводы по производству таких приборов, положившие начало развитию электронной промышленности. До 1960-х гг. вакуумная электроника представляла практически всю электронику.

Изобретение полупроводникового транзистора вызвало бурный рост микроэлектроники, отказ от использования электронных ламп.

И еще два изобретения позволили создать целую серию современных портативных устройств - жидкокристаллических дисплеев и светочувствительных приборов с зарядовой связью (ПЗС) в 1970-х гг. В результате созданы цифровые наручные часы, сотовые телефоны, цифровые фото- и видеокамеры, ноутбуки, карманные компьютеры и др.

Появление компьютеров - машин для переработки информации - это новая эра информационных технологий: цифровая, открывающая целый веер новых возможностей. В связи с их появлением и стремительным внедрением практически во все стороны нашей жизни и стал применяться термин "информационные технологии", хотя они, начиная с освоения языка и речи, существовали с самого начала формирования человеческого общества. Изобретение персонального компьютера позволило отдельному пользователю обходиться без помощи программистов за счет использования заранее разработанных программ.

Стремительное развитие микроэлектроники, изобретение компьютера, создание персонального компьютера, глобальной сети Интернет, электронной почты, сотовой мобильной связи и других цифровых информационных технологий вызвало в конце XX и в начале XXI веков информационную революцию. Если раньше информационные технологии обслуживали экономику (понимаемую как совокупность общественных отношений в сфере производства, обмена и распределения продукции), то сегодня они формируют ее.

За последние десятилетия информационный сектор впервые обеспечил большую часть создаваемых в развитых странах новых рабочих мест. Информационные отрасли хозяйства, а также компании, специализировавшиеся на производстве вычислительной техники и программного обеспечения, развивались наиболее быстрыми темпами. Резко возрос спрос на программистов, менеджеров, работников сферы образования; темпы прироста численности этих категорий персонала часто превышали 10 процентов в год. В этот же период на мировой потребительский рынок хлынули товары, определившие его современный облик: персональные компьютеры, системы сотовой, спутниковой связи и т.д.

Совершенствование информационных технологий происходит в несколько раз быстрее, чем технологий использования энергии. Никогда ранее ни в одной сфере хозяйства не достигалось такого прогресса. Так, быстродействие персональных компьютеров возросло более чем в тысячу раз, а объем памяти компьютерного жесткого диска (винчестера) увеличился в несколько сотен раз. Прогресс в информационной сфере постоянно ускоряется ввиду безграничности спроса на новые технологические разработки. Каждая новая компьютерная система не только все быстрее приходит на смену предшествующей, но и обеспечивает себе успех на рынке в более короткие сроки. Это подготовило условия для создания всемирной информационной сети Интернет - самой быстрорастущей отрасли современной экономики. Бурное развитие компьютерных технологий создает в промышленно развитых странах мира не только новый технологический уклад, но и новую социальную реальность. Темпы роста доли в валовом национальном продукте отраслей, непосредственно связанных с производством и использованием знаний (еще в 1950-е годы они получили название "knowledge industries"), составляет уже более 50 процентов. В США на информационные отрасли приходится более 70 процентов общей численности занятых в народном хозяйстве. При изучении экономических процессов в качестве самостоятельного стал выделяться "информационный сектор", который в его современном понимании включает в себя передовые отрасли материального производства, обеспечивающие технологический прогресс, сферу, предлагающую услуги коммуникации и связи, производство информационных технологий и программного обеспечения, а также - во все возрастающей мере - различные области образования. В наше время основными ресурсами общества становятся не труд и капитал, а информация и знания.

Информационная революция привела к созданию информационного общества или общества знаний. Это следующая ступень развития человечества, когда главной ценностью, определяющей благосостояние как отдельных людей, так и целых государств, становятся не материальные блага, а своевременная и легкодоступная информация, точнее - знания, полученные с ее помощью. Элементы нового информационного общества уже реально существуют сегодня, и базируются они на компьютерных и телекоммуникационных технологиях.

Философу Френсису Бэкону принадлежит высказывание: "Кто владеет информацией - владеет миром". В наши дни это высказывание становится все более актуальным. Ведь сегодня объем знаний на планете удваивается каждые пять лет. Информации уже накоплено так много, что ни один человек не способен удержать ее в голове. В нынешних условиях "обладать знанием" - значит уметь быстро ориентироваться в потоке новой информации, легко отыскивая в хранилище знаний необходимые сведения. При этом важно, чтобы затраты на поиск нужной информации не превышали экономическую выгоду от ее использования. Справиться с этой задачей под силу только компьютерам. Компьютерные сети, и в особенности глобальная сеть Интернет, становятся главным средством хранения и передачи данных. Доступ к компьютерным технологиям и телекоммуникациям, а также правильное их использование - вот ключ к успеху в информационном обществе. Те, кто вовремя осознают это и овладеют новыми технологиями, окажутся в преимущественном положении перед другими представителями рода человеческого, так как получат большие возможности для своего профессионального роста и повышения благосостояния. Сегодня при поступлении на работу предпочтение отдается претендентам, которые умеют пользоваться компьютером и Интернетом. Прочие же рискуют остаться на обочине - им придется либо пополнить армию безработных, либо всю жизнь заниматься тяжелым физическим трудом. Исключение составляет интеллигенция - врачи, педагоги, художники, скульпторы, архитекторы (особенно возраста старше 50-60 и более лет), которые избегают пользования компьютером и Интернетом. Однако практически все современные писатели и журналисты уже давно пишут с помощью компьютера и освоили Интернет.

В наше время информация и знания являются основой экономического и социального прогресса, важнейшим стратегическим, принципиально новым ресурсом, к которому неприменимо традиционное понятие исчерпаемости. Запасы угля, нефти и природного газа на нашей планете ограничены, а процесс поиска, переработки информации и получения на их основе новых знаний бесконечен, неисчерпаем. Ведь природа информации и знаний такова, что каждая удовлетворенная потребность в них тут же порождает множество новых.

Предлагаемое издание учебника "История информационных технологий" охватывает всю историю их появления и развития: от речи, языка и письменности до самых современных - персонального компьютера, сотовой телефонной связи, глобальной сети Интернет и электронной почты.

0.2.Лекция 1. Язык, речь и письменность

0.2.1. 

Человек разумный (лат. Homo sapiens) (люди) — вид приматов, представитель группы гоминид рода человек, способный к речи, абстрактному мышлению, прямохождению и изготовлению орудий труда и их использованию. Существенными навыками является приготовление пищи при помощи термической обработки и использование одежды. Причинами происхождения человека от обезьяны являются переход к прямохождению, освобождение и развитие руки, мозга, органов речи и трудовая деятельность.

"Много сотен тысячелетий назад, в еще не поддающуюся точному определению эпоху того периода в развитии земли, который геологи называют третичным, предположительно к концу этого периода, жила где-то в жарком поясе, по всей вероятности на обширном материке, ныне находящемся на дне Индийского океана, — необычайно высокоразвитая порода человекоподобных обезьян…Первым следствием обусловленного их образом жизни обычного для них способа передвижения (лазать, карабкаться), при котором руки выполняют совсем другие функции, чем ноги, было то, что эти обезьяны постепенно перестали пользоваться руками при передвижении по поверхности земли, стали усваивать прямую походку. Этим был сделан решительный шаг для перехода от обезьяны к человеку.

Наши предки — обезьяны, как уже сказано, — были общественными животными; вполне очевидно, что нельзя выводить происхождение человека, этого наиболее общественного из всех животных, от необщественных ближайших предков. Начинавшееся вместе с развитием руки и труда господство над природой расширяло с каждым новым шагом кругозор человека. В предметах природы он постоянно открывал новые, до того не известные свойства. С другой стороны, развитие труда по необходимости способствовало более тесному сплочению членов общества, так как благодаря ему стали более часты случаи взаимной поддержки, совместной деятельности, и стала ясней польза этой совместной деятельности для каждого отдельного члена. Коротко говоря, формировавшиеся люди пришли к тому, что у них явилась потребность что-то сказать друг другу. Потребность создала себе орган: неразвитая глотка обезьяны преобразовывалась медленно, но неуклонно, путем постепенно усиливаемых модуляций, и органы рта постепенно научились произносить один членораздельный звук за другим". Ф. Энгельс. Диалектика природы.

Труд (целесообразная деятельность) создал человека, а общественный труд и информационные технологии создали человеческое общество. Ведь обеспечить себе пропитание, например, убить крупное животное, первобытные люди могли только общими усилиями. При этом они должны были общаться между собой, обмениваться информацией, например, предупреждать друг друга об опасности. Сначала это делалось с помощью мимики, жестов и возгласов, а затем возник язык - важнейшее средство человеческого общения. Он стал средством передачи информации, значительно расширил возможности хранения ее в памяти, стал одним из средств управления поведением человека. Реализуется язык в виде речи - языка в действии. Но говорить тогда можно было только с находящимся рядом собеседником или толпой людей, слушающих говорящего, так как речь исчезает в момент ее произнесения.

Понятие информация в старых словарях и энциклопедиях, например, в Малой Советской энциклопедии 1929 года объяснялось просто как осведомление. Однако в середине ХХ века понятие информация приобрело гораздо более широкий и даже всеобъемлющий смысл, присущий не только всей живой природе - человеку, животным, растениям, - но и автоматическим устройствам, например роботам.

В современном "Словаре русского языка" С.И. Ожегова слово "информация" - это "сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специальным устройством".

В наше время, особенно после создания и всеобщего распространения компьютеров, информация превратилась в общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире, передачу наследственных признаков от клетки к клетке, от организма к организму. Информация стала основным, базовым понятием кибернетики - науки об управлении в живой природе и технике. Наряду с веществом и энергией информация стала одним из основных понятий окружающего нас мира.

Каждый человек с момента рождения, а если точнее, то даже еще в утробе матери окружен информацией, которую он воспринимает с помощью всех органов чувств - слуха, зрения, обоняния, осязания, вкуса. Для человека, животного или растения информация представляет собой отражение окружающего их реального мира, то есть сведения, которые один реальный объект содержит о другом реальном объекте, - это неотъемлемое свойство живой природы. Получает человек информацию из внешнего мира с помощью своих органов чувств: зрения, слуха, осязания, обоняния и вкуса.

Но одно свойство отличает информацию от основных понятий реального мира - от материи и энергии. Ведь если от одного объекта передать некоторое количество вещества или энергии другому объекту, то в первом объекте вещества или энергии станет меньше на это количество, а во втором - больше. В противоположность этому, при передаче информации от одного объекта другому в первом ее количество не уменьшается, а во втором - увеличивается. Ведь если Вы поделитесь какой-нибудь новостью с другими людьми, они ее узнают, но она и у Вас останется.

Поток информации, который получал древний человек, был довольно ограничен. Восход солнца "сообщал" древнему человеку о том, что пора пробуждаться, а заход солнца - о том, что пора спать. Рычание диких животных заставляло человека спрятаться от них, горький вкус пищи заставлял выплюнуть ее, чтобы не отравиться, палящее солнце - спрятаться в тень, а дождь или гроза - спрятаться в пещеру или хижину. Информация помогала древнему человеку выжить среди опасностей дикой природы.

Современный человек получает целую лавину информации: знания, приобретенные при общении с другими людьми, животными; содержание книг, газет, журналов; сообщения по радио и телевидению; реклама; впечатления от посещения кино, театров, музеев и концертов, прослушивания звукозаписей, туристических поездок и многое другое.

В наше время информация систематически распространяется через средства массовой информации (СМИ) - печать, радио, телевидение, кино, звукозапись, видеозапись - с целью утверждения духовных ценностей данного общества и оказания идеологического, политического, экономического или организационного воздействия на оценки, мнения и поведение людей. При этом используются реклама, агитация и пропаганда.

Труд первобытного человека был очень тяжел, инструментов еще почти не было. Руки и глаза во время работы заняты: ведь физическую работу выполняют руками и все время смотрят на предметы труда. Для понимания мимики и жестов нужно видеть друг друга, а жестикулируют в основном руками. Звуковая речь служит для выражения и передачи мыслей. Но при этом она не отвлекает руки и глаза человека от труда. Ведь переговариваться с помощью звуков можно, не глядя друг на друга. Так возник звуковой канал передачи информации в процессах труда и общения людей между собой.

Представьте себе, что два грузчика несут по лестнице на пятый этаж пианино с помощью ремней. Одному грузчику поднять такой тяжелый груз не под силу. Во время подъема по лестнице оба грузчика не видят друг друга. Они должны действовать сообща, смотреть себе под ноги, чтобы не отдавить их и не уронить пианино. Для этого остается только координировать свои действия голосом, короткими командами друг другу, как это принято у такелажников: майна (вниз), вира (вверх), майна помалу (вниз медленно), вира помалу (вверх медленно).

Вот точно также поступали древние люди, когда сообща несли тяжелый камень на строительстве храма или жилища.

Руки и глаза у них были заняты, оставалось общаться окриками, то есть воспользоваться звуковым каналом информации. Эти окрики постепенно превратились в речь и язык. На таких соображениях построена трудовая теория возникновения речи и языка. Эта теория представляется наиболее логичной, хотя существует множество других теорий.

Чем природа снабжает каждого только что родившегося ребенка? Прежде всего, генетической информацией, полученной от его родителей. Во-вторых – органами чувств – зрения, слуха, обоняния, осязания, вкуса, ощущения гравитации. В третьих - набором врожденных реакций - инстинктов: самосохранения, пищевого и т.д. И все.

Остальное ребенок приобретает сам за время своей жизни, особенно за первые несколько лет. Мозг новорожденного малыша практически чист, мыслей у него еще нет. Он только способен воспринимать, запоминать и усваивать получаемую информацию.

Первые умения, которые ребенок приобретает за первые год – полтора жизни, это умение ходить, говорить и понимать речь окружающих его людей.

Ведь каждый новорожденный может только лежать на спине, потом он учится поворачиваться, лежать на животике, держать головку, потом вставать в кроватке и только после этого ходить. Всему этому он учится с помощью родителей, и, прежде всего, матери. И только, научившись ходить, он становится "Homo erectus", человеком прямоходящим.

Благодаря зрению ребенок видит окружающий его мир, окружающих его людей, а благодаря слуху – их речь, которую он постепенно усваивает. Разумеется, это родная речь его родных, в первую очередь, речь его матери, отца, братьев и сестер. У русско-говорящих родителей он усваивает русскую речь, у англо-говорящих – английскую речь, у китайских – китайскую, у японских – японскую речь и так для людей любых национальностей.

При этом людьми в качестве звукового канала передачи информации используется воздух, окружающий нас. Ведь воздух – это газ, а точнее, смесь нескольких газов.

Каждый родившийся младенец проходит "обучение" родному языку по звуковому каналу передачи информации, слушая речь своих матери, отца, братьев и сестер. Только, научившись понимать окружающих, он начинает говорить и мыслить сам.

С помощью звукового канала передачи информации люди могут разговаривать, общаться друг с другом, обучаться, слушать музыку, радио- и телепередачи.

Сначала ребенок медленно говорит простые слова, чаще всего, "мама", "папа", повторяя их вслед за матерью или отцом. Постепенно он начинает произносить отдельные предложения, увеличивая темп своей речи. И затем, в течение нескольких лет, он осваивает понимание слитной речи, в которой практически нет перерывов между отдельными словами.

Речь участвует не только в передаче сведений от одного человека собеседникам, но и во всех сознательных процессах самого человека. Каждый из нас мыслит с помощью речи, словами, только не произносит их вслух. Даже когда мы молчим, мы говорим сами с собой, мыслим не только образами, но и словами. Воспринимаемые нами предметы в своем сознании мы называем словами-понятиями: стол, стул, небо, земля, утро, день, вечер, ночь. Считаем в уме мы тоже с помощью слов, обозначающих числа и вычисления: один, два, три, четыре, сложить, вычесть, умножить, разделить. Например: девять умножить на три равно двадцати семи, говорим мы "в уме".

Параллельно с овладением речи у ребенка образуются понятия об отдельных предметах и явлениях. Он начинает мыслить этими понятиями. Речь является первой внешней информационной технологией для общения с окружающими людьми, и, в то же время, первой внутренней информационной технологией, с помощью которой он начинает мыслить не только с помощью образов, но и с помощью слов и понятий.

Речь превращает человека в Homo sapiens (человека разумного).

Чем раньше ребенок начинает говорить, тем раньше у него сохраняются воспоминания о детстве.

А дальше ребенок усваивает другие информационные технологии, начиная со счета. Раньше он начинал считать в первом классе школы, теперь современные дети осваивают счет и чтение еще задолго до школы. Затем он учится читать и писать.

Он начинает читать книги, газеты, журналы, слушать музыку, смотреть телевизионные передачи, театральные постановки, посещать концерты, учится пользоваться компьютером, Интернетом и электронной почтой, сотовым телефоном и т.д., овладевать иностранными языками. Разумеется, овладение ими дается намного сложнее, чем родным языком в раннем детстве…В течение всей дальнейшей жизни человек может овладевать все более новыми технологиями, и, в первую очередь, информационными.

Формирование речи объяснил в физиологии И.П. Павлов (рис. 1.1), который разработал учение о сигнальных системах.

Рис. 1.1.  И.П. Павлов (1840-1936)

Сигнальные системы условно-рефлекторных связей формируются в коре больших полушарий головного мозга животных и человека при поступлении импульсов от внешних и внутренних раздражителей.

Первая сигнальная система формируется при воздействии конкретных раздражителей - света, звука, боли, запаха и др. Она является формой непосредственного отражения действительности в виде ощущений и восприятия.

Вторая сигнальная система, присущая только человеку, формируется при воздействии речевых сигналов, то есть не непосредственных раздражителей, а их словесного обозначения. Вторая сигнальная система образуется на базе первой сигнальной системы в процессе общения между людьми и, первоначально, между ребенком и его родителями и близкими.

Понятие о второй сигнальной системе И.П. Павлов ввел в 1932 году.

Другое мнение высказал выдающийся физиолог Н.А. Бернштейн: "Слова как сигналы не образуют никакой особой системы и в роли пусковых фонем (звуковых единиц языка - Прим. авт.) полностью доступны многим животным, еще чрезвычайно далеким от функции речи. Слова и речь как отражение внешнего мира в его статике (имена) и динамике действий и взаимодействий с субъектом (глаголы, суждения) действительно образуют систему, доступную и свойственную только человеку".

Критикуя предложенное И.П. Павловым понятие второй сигнальной системы, он уточнил понятие мышления как высшей ступени познания, присущее только человеку и отличающее его от животного мира. Действительно, животные, не обладающие речью и мышлением, понимают звуковые словесные команды-сигналы и хорошо дрессируются с их помощью.

А как передать мысли, сообщения, свой опыт людям, находящимся далеко от тебя, а тем более потомкам? Речь закреплялась сначала в памяти человека и передавалась устно из поколения в поколение, а затем возникла письменность - знаковая система фиксации речи. Она позволила закреплять мысли во времени и передавать их на расстояние с помощью графических элементов - письмен.

С возникновением письменности стало возможным передавать информацию не только устно или жестами. Умение читать и выражать свои мысли в письменной форме стало признаком грамотности людей. Она дала возможность не только передавать сведения и сообщения, но и накапливать человеческие знания в форме рукописей и рукописных книг и тем самым передавать произведения человеческой мысли от одного поколения к другому. Изобретение печатных станков в XV веке открыло возможность издания и широкого распространения книг. Массовое издание книг и учебников, открытие публичных библиотек создали условия для достижения всеобщей грамотности и развития культуры.

Письмена - это графические знаки, придуманные людьми для того, чтобы запечатлеть и передать свои мысли. Зачатки письма - зарубки и метки, бирки, узелки на веревках, бусы, раковины.

Древнейший способ письма - это пиктография: фиксация и передача мыслей с помощью картинок, изображения предметов. Следующий по времени способ - идеография: передача мыслей с помощью условных знаков. Однако таких знаков слишком много. Так, в китайской письменности насчитывается до 40000 иероглифов.

Наиболее удобным стало алфавитное письмо, в котором знаками - буквами передаются не сами предметы мысли, а слова, обозначающие мысли. При этом буквами могут обозначаться как слоги речи, так и ее отдельные звуки. Алфавитное письмо возникло позднее других письмен.

Иероглифы (рис. 1.2) - древние рисуночные знаки египетского письма - были смешанными. В них некоторые знаки, идеограммы, обозначали понятия, а другие были алфавитными. Клинопись (рис. 1.3) - это письменность в древнем Шумере (государстве в междуречье Тигра и Евфрата), знаки которой состояли из групп клинообразных черточек, выдавленных на глиняных табличках. Она была сначала идеографическим письмом, а затем превратилась в словесно-слоговое письмо.

Рис. 1.2.  Иероглифы

Рис. 1.3.  Ассиро-вавилонская клинопись

Алфавит - это система письменных знаков - букв - для передачи звуков речи на данном языке. Назван по первым двум буквам греческого алфавита - "альфа" и "бета".

Древнейшим считается алфавит финикийских надписей (около 1200 лет до н. э.). Алфавит стал значительным упрощением письма, которого требовали нужды развивавшейся торговли. Этим и объясняется его первое появление у торговых народов Финикии и Крита. Финикийский алфавит дал начало семитическим алфавитам - арамейскому, затем еврейскому и аравийскому, армянскому, грузинскому и индийскому. Вместе с исламом аравийский алфавит был воспринят большинством мусульманских народов. Древние греки также позаимствовали алфавит у финикиян, а от греческого алфавита ведут свое происхождение латинский алфавит и церковно-славянские глаголица и кириллица, ставшие основой современного русского алфавита из 33 букв.

Кириллица - это одна из двух (вместе с глаголицей) первых славянских азбук. Названа по имени славянского просветителя Кирилла. Создана на основе греческого алфавита в конце IX - начале X веков с добавлением нескольких букв. Была распространена у южных, восточных и, вероятно, западных славян. В 1708 г. в России при Петре Первом реформирована и превращена в гражданский шрифт. Легла в основу русского алфавита, существующего в современном виде с 1918 года.

Глаголица, одна из двух славянских азбук, от кириллицы отличается формой букв. Предположительно создана Кириллом и Мефодием в IX веке. Была распространена в X-XI веках в Болгарии и Моравии, в Хорватии существовала до конца XVIII века.

Кирилл (около 829-869 гг.) и Мефодий (около 815-885 гг.) - братья из Солуни (Салоники), христианские миссионеры у славян, славянские просветители, создатели славянской азбуки, первых памятников славянской письменности и старославянского литературного языка. Перевели с греческого на старославянский язык основные богослужебные книги.

В буквенно-звуковом письме применяются алфавит - набор букв, передающих все звуки речи на данном языке, орфография - правила написания отдельных слов и пунктуация - знаки препинания и правила их применения.

К письменности относится и современная стенография со своим своеобразным алфавитом - системой знаков и приемов быстрой записи устной речи. Быстрота записи в ней достигается благодаря простоте знаков, их связности и обилию сокращений.

Человек не может жить без общения с современниками, предками и потомками. От предков он заимствует опыт их жизни. С современниками он общается, обмениваясь с ними информацией. Потомкам передает свой жизненный опыт, результаты своих трудов. В этом сказывается его желание преодолеть конечность своей жизни, победить время, в какой-то мере обессмертить себя. С окружающими его людьми возможен прямой контакт, зрительный и речевой. А как быть с предками, потомками и людьми, находящимися далеко от него? Как записать и передать информацию? Только с помощью носителей информации и средств связи.

Самым древним носителем информации был, несомненно, самый долговечный материал - камень. Именно с его помощью до нас дошли наскальные рисунки древних людей, их статуи и статуэтки, древние письмена (рис. 1.4).

Рис. 1.4.  Наскальный рисунок

По библейскому преданию Бог вручил Моисею каменные доски с 10 заповедями - "скрижали".

В 1901-1902 гг. французские археологи при раскопках древнего города Сузы обнаружили столб из черного базальта с рельефными мужскими фигурами и клинообразными знаками. При их расшифровке оказалось, что на столбе записаны законы вавилонского царя Хаммурапи, правившего с 1792 по 1750 гг. до нашей эры (рис. 1.5).

Рис. 1.5.  Каменный столб с законами Хаммурапи

В качестве носителей информации использовались самые различные материалы - бронза, глиняные таблички, береста (рис. 1.6), папирус, выделанная кожа - пергамент (или пергамен, от названия города Пергам, где он впервые был изготовлен) и, наконец, бумага.

Рис. 1.6.  Берестяная грамота

Берестяные грамоты - это древнерусские письма и документы XI-XV веков, процарапанные на березовой коре (бересте). Первые такие грамоты были найдены во время археологических раскопок в Великом Новгороде в 1951 году. К настоящему времени в Новгороде, Смоленске, Старой Руссе, Пскове, Витебске, Твери, Москве найдено около 20000 берестяных грамот.

Первым листовым материалом стал папирус, который в древнем Египте делали из тростника. Он хорошо воспринимает краску, тонок, но ломок. Сгибать его нельзя, поэтому куски папируса склеивали между собой и сворачивали в свиток. Это одна из древнейших форм книги - узкая полоса папируса, пергамента или бумаги, свернутая в трубку.

При чтении нужно все время разворачивать один конец свитка и сворачивать другой. Для того чтобы при чтении вернуться к какому-нибудь месту свитка, его нужно снова перематывать. К тому же писали только на одной стороне свитка, а другая его сторона при этом не использовалась. Свитки папируса просуществовали около трех тысячелетий, и только во втором веке до нашей эры появились книги, состоящие из скрепленных между собой листов пергамента - кодексы. Главное их достоинство по сравнению со свитками состоит в том, что их можно сразу открыть на любой странице и листать, а писать можно на обеих сторонах каждого листа.

Еще в древнем Риме были изобретены восковые книжечки - кодексы, состоявшие из табличек-дощечек с заполненной воском выемкой. Писали на них, а вернее, царапали с помощью стальной палочки - стиля. Один конец стиля был заостренным, а другой - закругленным. Острым концом писали, а закругленным концом сглаживали ранее написанное. Таким образом, на каждой восковой табличке можно было писать на одном месте много раз, например, письма, расписки, черновики. Поэтому они были дешевле пергамента, а потом и бумаги. Восковые книжечки-таблички просуществовали до начала XIX века. До наших дней сохранилось очень мало римских табличек. Большую их часть нашли при раскопках Помпеи (рис. 1.7).

Рис. 1.7.  Восковая книжечка-кодекс

Но свитки наряду с книгами просуществовали на протяжении многих столетий. Например, Тора - древнееврейские списки Пятикнижия Моисея - и в наши дни имеет вид свитка (рис. 1.8).

Рис. 1.8.  Свиток Торы

2000 лет назад, когда греки и римляне еще писали на свитках египетского папируса, китайцы уже научились делать бумагу из волокон бамбука и старого тряпья.

Письмена наносились на глиняные дощечки в виде клинописи, на папирус - в виде иероглифов, на пергамент и бумагу - в виде букв и цифр, а в Китае, Японии и Корее - и до нашего времени в виде иероглифов. Именно бумага дошла до нашего времени в качестве носителя информации - в виде книг, газет и журналов (рис. 1.9, 1.10).

Рис. 1.9.  Часовник Марии Стюарт, XV век

Рис. 1.10.  Книга, газета, журнал

Какими же инструментами писали на различных материалах для письма? На сырых глиняных плитках писец писал, а вернее, чертил трехгранной заостренной палочкой, вдавливая ее в глину. После этого плитку обжигали для прочности и долговечности. Эти глиняные таблички с клинописью и дошли до нашего времени (рис. 1.11).

Рис. 1.11.  Глиняная табличка с клинописью

На папирусе писали чернилами - разведенной в воде сажей, к которой добавляли клей гуммиарабик. Пишущим инструментом служило тростниковое перо, заостренное и расщепленное на конце. По этому каналу-расщеплению чернила стекали тонкой струйкой на лист папируса. На пергаменте, а затем и на бумаге писали уже с помощью птичьих перьев (гусиных или вороньих) чернилами из сока чернильных орешков, железного купороса и гуммиарабика. Эти чернила впитывались в кожу и не смывались, их можно было только соскоблить. На бумаге также писали гусиными перьями, которые нужно было предварительно срезать наискось, заострять и расщеплять с помощью перочинного ножа.

Первое стальное перо появилось в Германии в 1748 году, но оно еще не имело прорези, и от него летели брызги чернил. В 1792 году англичанин Д. Перри сделал продольную прорезь в острие пера. Это значительно улучшило качество письма и долговечность пера. В 1826 году Мазон разработал станок для штамповки стальных перьев, что способствовало их массовому распространению. После этого они вытеснили гусиные перья, просуществовавшие около тысячи лет. Еще в 1930-1940-е годы в школах писали 86-м стальным пером, позволявшим писать красивым почерком "с нажимом".

Карандаш появился в конце XVIII века. Чешский изобретатель Йозеф Гартмут первым смешал графит с глиной. Независимо от него француз Ж. Конте в 1790 году сделал карандаш в виде тонкой палочки из смеси графитового порошка и глины, уложенной между двумя дощечками. Уже во второй половине XX века нашли широкое применение автоматические ручки, сначала с баллончиком чернил, а затем шариковые со сменным стержнем, который содержит пасту и пишущий узел с шариком на конце. Позднее появились и самые различные фломастеры и маркеры с пористым пишущим стержнем, пропитанным красящей жидкостью на спиртовой или нитрооснове.

0.3.Лекция 2. Книгопечатание

0.3.1. 

В средние века развитие торговли вызвало спрос на книги. Однако рукописные книги были слишком редки и дороги и не могли удовлетворить этот спрос. Нужда в книгах, которые можно было бы изготовлять целыми тиражами, привела к изобретению книгопечатания.

Книгопечатание - это комплекс производственных процессов, необходимых для изготовления печатной книги, журнала, газеты или листовки. Термин "книгопечатание" используется при описании книжного дела прошлых столетий. В наше время этот термин заменили другие - полиграфия, полиграфическое производство, полиграфическая промышленность. Сущность полиграфического процесса состоит в формировании красочного слоя на печатной форме, аналогичного какому-либо тексту или рисунку, и его передаче на бумагу. Исходными материалами для этого процесса служат краска и листы бумаги.

До недавнего времени в основе техники печатания всегда лежал принцип давления, с помощью которого получали многочисленные одинаковые оттиски с одной печатной формы.

Принцип давления в книгопечатании был позаимствован с тиснения (с помощью печатей-штампов) оттисков на расплавленном сургуче, чеканки монет - металлических денег и тиснения на кожаных книжных переплетах.

Сначала печатали книги с целых деревянных досок, на которых вырезался рельефный текст. Первая такая ксилографическая книга появилась в Корее в IX веке. Опыты книгопечатания в Китае предпринял Би Шэн в 1041-1048 годах. Но деревянные доски для всех страниц любой новой книги приходилось делать заново.

В 1438 году Иоганн Гутенберг (рис. 2.1) сделал первые оттиски с наборных литер.

Рис. 2.1.  Иоганн Гутенберг

По существу, Гутенберг пошел по пути создателей алфавитов: ведь набор букв-литер позволяет зафиксировать на бумаге все звуки речи на данном языке, причем не один раз, а многократно.

До Гутенберга все книги были рукописными. Это были либо Библии, либо комментарии к ним. Переписывали их монахи, которые на изготовление только одного текста затрачивали несколько лет. Принадлежали книги в основном духовенству.

Гутенберг на подготовку первого печатного набора Библии потратил около двух лет. Но зато после этого он смог сразу напечатать целый ее тираж.

Ее 1300-страничный оригинал назван "42-строчной" Библией потому, что размер ее страниц - 42 строки. Гутенберг отлил 290 различных литер. Позднее художник-иллюстратор добавил цветные буквицы и иллюстрации (рис. 2.2). С помощью изобретенного им печатного пресса Гутенберг за три года напечатал 180 экземпляров своей Библии. Помогали ему 20 подмастерьев. Писцам в монастырях требовалось больше времени, чтобы переписать вручную всего один экземпляр.

Рис. 2.2.  Первая страница Библии Гутенберга, 1464 г.

Тем самым Гутенберг значительно ускорил и удешевил изготовление книг. Профессия переписчиков рукописных книг с этого времени постепенно исчезла.

Появление доступных печатных книг сделало грамотность насущной потребностью множества людей. Это вызвало целую революцию в образовании. До Гутенберга в Европе было всего около 30.000 рукописных Библий, а к началу XVI века появилось более 9 000 000 печатных книг не только на религиозные, но и на самые разнообразные темы науки, литературы, искусства, политики. В результате к книгам и другой печатной информации получило доступ все общество, а не только служители церкви.

Печатная книга стала первым в истории средством массовой информации, позволившим передавать знания и опыт из поколения в поколение, причем в доступном, долговечном и достаточно компактном виде.

Сначала литеры были деревянными и выдерживали малое количество оттисков. Позднее Гутенберг изобрел пуансоны - стальные бруски с выгравированным рельефным изображением буквы или знака. С их помощью он выдавливал в меди матрицы - формы для отливки металлических литер. Он же изобрел и гарт - сплав свинца, олова и сурьмы, из которого эти металлические литеры отливались. Этот процесс горячего набора просуществовал до середины XX века.

Готовые литеры с выпуклыми изображениями букв располагались в систематическом порядке в ячейках наборной кассы. Из этих литер с помощью линейки с бортами (верстатки) набирали строка за строкой любой текст. Металлические литеры быстро набирались и разбирались и могли многократно использоваться для печатания разных книг.

Каждый оттиск Гутенберг делал с помощью винтового печатного пресса (рис. 2.3). Такой ручной станок был достаточно примитивным и медленно работающим. Листы небольшого формата печатались на нем с одной стороны тиражом не более 300 оттисков в день. С небольшими усовершенствованиями он просуществовал до начала XIX века.

Рис. 2.3.  Винтовой печатный пресс

В изданиях И. Гутенберга иллюстрации в каждом экземпляре исполнены от руки. Типографское воспроизведение орнамента в книге, отпечатанной с набора, было выполнено немецким печатником П. Шёффером в 1457 году на страницах Майнцской псалтыри. В 1461 году в Бамберге типограф А. Пфистер выпустил первые книги с гравированными на дереве иллюстрациями. Однако текст и иллюстрации были напечатаны отдельно друг от друга: текст - с наборной формы, а иллюстрации - с гравированных досок. При этом иллюстрации были вынесены на отдельные листы. Но в следующем издании 1461 года иллюстрации уже были введены в текст. Так появилась новая производственная операция в процессе изготовления печатной формы, получившая позднее название верстки. Она позволила сочетать на одной странице текст и иллюстрации.

Нотопечатание, то есть воспроизведение музыкальных текстов с помощью нотных знаков, начали воспроизводить с помощью гравюры на дереве в 1476 году. В середине XVIII века нотные тексты начали печатать типографским способом с наборных форм.

Наряду с гравюрами на дереве для иллюстраций в книге уже в последней четверти XV века начали использовать углубленную гравюру на меди, сделанную гравером с помощью резца. В печатных книгах ее впервые применил английский первопечатник Уильям Кэкстон.

Для получения оттиска иллюстрации с медной формы глубокой печати требуется значительно большее усилие, чем в высокой печати. И тогда был изобретен стан, в котором давление на бумагу передавалось по линии с помощью стального вала, а не по всей плоскости, как в типографском стане высокой печати.

Изготовление гравюры по металлу с помощью резца требует от гравера больших физических усилий. Значительно облегчить работу гравера позволил офорт, изобретенный оружейным мастером Даниелем Хопфером в начале XV века. При создании офорта медную (а в наше время цинковую) пластину покрывают специальным лаком, защищающим ее поверхность от действия кислоты. По слою лака гравер острой иглой процарапывает рисунок. В местах, где игла процарапала слой лака, обнажается поверхность металлической пластины. При обработке поверхности кислотой обнаженные участки пластины будут протравлены. В них образуются углубленные печатающие элементы, которые можно заполнить краской и получить оттиск на бумаге.

Книгопечатание быстро распространилось в Европе. В Москве оно появилось в середине XVI века. Первая так называемая анонимная типография в Москве возникла в 1553 году, а в 1563 году в ней открылась первая государственная типография, в которой работали Иван Федоров и Петр Мстиславец. В марте 1564 года они отпечатали первую русскую печатную книгу - "Апостол". В дальнейшем Федоров и Мстиславец уехали сначала в Великое княжество Литовское, а затем Федоров работал на Украине, во Львове и Остроге, а Мстиславец - в Вильне. В Москве продолжали печатное дело их ученики.

В 1798 году Алоиз Зенефельд изобрел литографию - способ плоской печати, при котором печатной формой служит поверхность камня (известняка). Изображение на литографский камень наносят жирной литографской тушью или литографским карандашом. Литография, допускающая широкое тиражирование, в XIX веке получила распространение в графике. В ХХ веке литография вытесняется из полиграфии офсетом, но сохранила значение для выполнения художественных гравюр - эстампов.

В 1810-1812 годах Фридрих Кенинг (1774-1833) (рис. 2.4) изобрел скоропечатную машину с металлическим цилиндром, давящим на плоскую наборную форму, которая совершала возвратно-поступательные движения (рис. 2.5).

Рис. 2.4.  Фридрих Кенинг

Рис. 2.5.  Скоропечатная машина Кенинга

На такой плоскопечатной машине можно было печатать до 1000 оттисков в час с обеих сторон листа. При этом формат листа можно было увеличить и расположить на нем сразу 6 или 12 страниц. Наборная форма смазывалась типографской краской, затем на нее помещали чистый лист бумаги, по которому прокатывали металлический цилиндр, оттискивавший на ней отпечаток. При этом цилиндр соприкасался с листом бумаги только по образующей поверхности, представляющей собой прямую линию. Это позволило значительно уменьшить усилие давления на бумагу, в отличие от винтового пресса, в котором давление приходилось осуществлять сразу по всей площади бумажного листа. Во всех последующих печатных машинах давление на бумагу осуществляется только с помощью цилиндра.

Промышленная революция в книгопечатании связана с созданием скоропечатной печатной машины Ф. Кёнига. 29 ноября 1814 г. на этой машине впервые был отпечатан номер газеты "Таймс" (Лондон).

В 1865 году была изобретена ротационная печатная машина, в которой печатная форма размещается на непрерывно вращающемся цилиндре (рис. 2.6). Ротация во много раз ускоряет процесс печати. Бумага подается в ротационную машину либо последовательно отдельными листами (в так называемых листовых ротациях), либо непрерывно с катушки - роля (в так называемых ролевых ротациях).

Рис. 2.6.  Ротационная печатная машина

Со времени изобретения книгопечатания до конца XX века его основные процессы оставались неизменными. Для получения оттисков необходимо было иметь печатную форму, материал для печатания (чаще всего бумагу) и печатную краску. Без печатной формы невозможно было напечатать целый тираж книг, журналов или газет.

Печатные формы бывают трех видов: с выпуклыми или углубленными печатающими элементами, а также с ровной плоской поверхностью. По этим трем типам печатной формы различают три основных вида печати: высокую, глубокую и плоскую (рис. 2.7).

Рис. 2.7.  Виды печати. А. Высокая печать; Б. Глубокая печать; В. Плоская (офсетная) печать

Высокая печать, при которой оттиск получается с формы, имеющей выступающие (печатающие) и углубленные (пробельные) элементы (рисунок), была единственной формой печати со времен Гутенберга до конца ХIХ века. Она употребляется для печатания текстовых изданий (брошюры, книги, газеты и пр.).

Глубокая ракельная печать, при которой печатающие элементы углублены, была изобретена К. Кличем в 1890 г. Краска снимается с пробельных участков стальной линейкой-ракелем и остается в печатных ячейках разной глубины. Глубокая печать хорошо передает полутона. Обычно применяется для печатания иллюстрированных журналов, фотоальбомов, портретов. Уже в ХХ веке она стала одним из основных видов печати многотиражных иллюстрированных журналов.

Плоская печать - один из основных видов печати, при котором печатающие и пробельные элементы формы находятся в одной плоскости. В результате специальной химической обработки на печатающие элементы формы наносится краска (жир), а увлажненные пробельные элементы не принимают ее.

Наиболее распространенной и прогрессивной разновидностью плоской печати является офсетная печать, в которой краска, нанесенная на печатную форму, передается сначала на резиновый валик, а с него на бумагу. Первые офсетные печатные машины создали А.У. Рубел (США) и К. Герман (Германия) в 1905-1907 гг.

Традиционный полиграфический процесс имеет много стадий. Сначала нужно провести редакционную подготовку текста и иллюстраций; затем изготовить печатные формы - текстовые (наборные), иллюстрационные и смешанные (когда на одной печатной форме располагают и текст, и иллюстрации); после этого нужно получить оттиски с печатных форм; в заключение следуют отделочные (или брошюровочно-переплетные) процессы, завершающие изготовление печатной продукции. Ведь полученные оттиски сначала нужно сфальцевать - то есть сложить в тетради, затем подобрать все книжные тетради книги по порядку на листоподборочной машине, скрепить между собой (сшить или склеить), обрезать по трем сторонам и уложить в твердый или мягкий переплет.

Совершенствование иллюстрационных процессов в XIX в. шло по пути создания фотомеханических способов репродуцирования - фототипии, цинкографии, автотипии, растровой глубокой печати. При этом использовались достижения в химии, электротехнике, фотографии.

Малопроизводительный и дорогой ручной набор просуществовал почти до конца ХIХ века. В 1886 году О. Мергенталер (рис. 2.8) изобрел наборную машину-линотип, дававшую набор в виде отдельных отлитых строк (рис. 2.9). А в 1892 году Т. Ланстон (рис. 2.10) изобрел монотип, на котором набирается отдельно каждая буква-литера (рис.2.11). Обе эти машины были машинами горячего набора. Лишь к концу XX века горячий набор был вытеснен сначала так называемым фотонабором, а затем и электронным набором.

Рис. 2.8.  О. Мергенталер

Рис. 2.9.  Линотип

Рис. 2.10.  Т. Ланстон

Рис. 2.11.  Клавиатурный (наборный) аппарат монотипа

Идея фотографического набора выдвинута в 1894 г. венгерским изобретателем Е. Порцельтом. Первую фотонаборную машину построил в 1895 г. В. А. Гассиев.

В конце XIX в. начинается разработка и внедрение в полиграфическое производство наборных и брошюровочно-переплетных машин - бумагорезальных, листоподборочных, фальцевальных, ниткошвейных, крышкоделательных и др.

XX век стал в книгопечатании периодом перехода от машин, механизирующих отдельные производственные операции, к автоматизированным поточным линиям. В начале века полиграфические машины переводятся на электрический привод. В 30-40-х гг. появляются электрические контрольно-блокирующие и измерительные устройства. В 50-60-х гг. в книгопечатании начинает применяться электроника. Электронные счетно-решающие устройства произвели настоящую революцию в наборной технике. Фотоэлектроника рационализировала процессы изготовления иллюстрационных форм, цветокорректуру и цветоделение. Появились электрические способы формирования изображения. Развиваются бесконтактные электрические способы переноса красочного изображения. Широкое применение находят синтетические материалы - от фотополимерных печатных форм до пластмассовых переплетных крышек.

Успехи современной электроники, электрофотографии и цифровой вычислительной техники позволили коренным образом усовершенствовать все процессы полиграфического производства.

Раньше редакционный процесс состоял из множества последовательных стадий. Сначала автор от руки писал и правил свою рукопись на бумаге. Затем он отдавал ее машинистке для печати на пишущей машинке. В лучшем случае автор самостоятельно печатал на машинке свою рукопись. Затем он отдавал отпечатанную рукопись в редакцию. Там редактор правил рукопись и согласовывал свою правку с автором, а редакционные машинистки многократно ее перепечатывали. Отредактированную рукопись отдавали в набор и с него печатали гранки - длинные пробные полосы. Отдельно готовили иллюстрации и верстали их с текстом. Гранки давали читать и править автору, после которого они попадали в руки корректора. На всех этих подготовительных этапах тратилось огромное количество бумаги, да и времени. Только после этого делались печатные формы и начинался печатный процесс.

Появление персонального компьютера коренным образом упростило и ускорило все эти процессы.

Теперь автор, набрав с помощью клавиатуры и мыши свой текст на компьютере, может переписать его на дискету, оптический диск или карту флэш-памяти и отнести ее в редакцию либо отправить текст по электронной почте. При этом надобность распечатывать текст на принтере отпадает.

Весь редакционный процесс теперь проводят на компьютере с помощью специальных редакторских программ. Они, в частности, позволяют проводить верстку (т.е. расположение по полосам и страницам) рукописи непосредственно на экране монитора компьютера. Для этого созданы так называемые настольные издательские системы обработки оригиналов.

При печати больших тиражей традиционно готовят печатные формы, а с них производят печать. Но за последние годы очень важным стал быстрый выпуск малыми тиражами многокрасочной продукции, например проспектов, каталогов или пригласительных билетов. Для решения этих задач в последнее десятилетие ХХ века были созданы цифровые печатные машины, которые позволяют избежать изготовления печатных форм и печатать тираж по командам компьютера, в памяти которого находится набираемый текст и иллюстрации. На таких машинах можно изготовлять продукцию тиражами от 1 до 1000 экземпляров в 4 краски (что в переводе с "типографского языка" означает возможность печати 16-цветных иллюстраций - путем смешения основных цветов). При этом в цифровых машинах есть еще одно замечательное свойство: в каждый экземпляр тиража можно внести уникальный текст или иллюстрацию. Предположим, нужно напечатать 200 приглашений. Обычно в каждый экземпляр отпечатанного приглашения от руки или на пишущей машинке вносят фамилию одного из приглашенных. При использовании цифровой печатной машины можно в каждый экземпляр внести фамилию и даже цветную фотографию приглашенного.

Еще одно преимущество цифровой печатной машины - она печатает последовательно все страницы книжного блока, поэтому листоподборки при цифровой печати не требуется: книги можно упаковывать и отправлять для продажи равномерно по мере изготовления тиража. В этом огромное преимущество всех цифровых типографий.

Таким образом, использование цифровых печатных машин обеспечивает необычайно высокую оперативность выполняемой работы.

Цифровые технологии в полиграфии дали возможность создавать "карманные" цифровые типографии. Для такой типографии не нужны специальные цеха. Достаточно нескольких квадратных метров офиса и усилий всего одного оператора - офисного служащего. Такой комплекс годится для производства книг различного формата в полноцветной красочной обложке, в "мягком" клеевом переплете.

Печать книжных блоков производится на цифровой печатной машине, способной делать 4500 оттисков в час, выдавая стопу готовых книжных блоков. Полноцветные обложки для книг печатаются на другой цифровой печатной машине со скоростью 720 оттисков в час. Она хорошо согласована с печатью книжных блоков, поэтому простоев в ожидании обложки в цифровой типографии не бывает.

Такая цифровая типография позволяет выпустить тираж в 500 экземпляров книг за один рабочий день (8 часов) или 5 тиражей по 100 экземпляров за то же время.

Старейшему носителю информации - бумажной книге - уже многие сотни лет. Читатели привыкли к ней, собирают домашние библиотеки, часто занимающие целые комнаты. Существуют и звуковые издания на грампластинках и магнитофонных кассетах. Они нужны детям и людям с ослабленным зрением. Но на них можно разместить лишь сравнительно короткие произведения - сказки, стихотворения и рассказы. "Война и мир" на них не поместится.

Цифровая революция, происходящая с начала ХХ века и в наши дни, решительно вторглась в издание книг. Она дала возможность размещать тексты практически любого объема с цветными иллюстрациями и звуковым сопровождением на электронных носителях - оптических дисках CD и DVD, картах флэш-памяти, винчестерах и др. Читать их можно на дисплеях персональных компьютеров, ноутбуков, карманных персональных компьютеров, смартфонов и др. Их можно пересылать по электронной почте.

Каковы основные преимущества электронных изданий перед бумажными?

Бумажная книга обычно содержит последовательный текст, в котором для облегчения поиска применяются оглавление и нумерация страниц; иногда имеется алфавитный указатель.

Электронный документ - книга или статья - может быть гипертекстом, в котором с помощью гиперссылок легко перейти к интересующей тематике. Многие системы просмотра электронных документов обеспечивают возможность поиска нужного материала по ключевым словам.

Бумажный документ трудно скопировать и еще труднее внести в него изменения. Пересылка бумажного документа - медленное и дорогостоящее перемещение материального объекта в пространстве, подобное пересылке письма или бандероли по обыкновенной почте.

Электронный документ легко копируется, изменяется и передается на большие расстояния почти мгновенно по электронной почте.

Это свойство дает возможность организовать торговлю электронными книгами через сеть Интернет. В отличие от торговли электронными книгами на оптических дисках CD и DVD, которые можно купить в магазине, в данном случае покупается только право "скачать" текст и иллюстрации через сеть Интернет.

В электронном издании (от англ. eBook - electronic Book), в отличие от бумажного, можно совместить разные виды информации: помимо текста и графики, в нем можно поместить движущееся видеоизображение и звук - все, что способен отобразить компьютер.

Может показаться, что век бумажной книги подходит к концу. Но не все так просто. Конечно, у электронных изданий колоссальные преимущества по сравнению с бумажными. Они занимают несоизмеримо меньше места (ведь на одном CD-диске можно разместить сотни книг). Электронные книги гораздо легче, быстрее и дешевле издавать даже с цветными иллюстрациями.

В них можно менять при чтении тип, размер и цвет шрифта, искать слова и многое другое. Но есть и серьезный недостаток. Ведь бумажную книгу можно читать при отраженном свете дневного или вечернего электрического освещения. А электронные книги приходится читать с экранов излучающих дисплеев - электронно-лучевых или чаще всего жидкокристаллических. Такое чтение гораздо более утомительно для зрения, чем чтение бумажной книги. К тому же оно практически невозможно при падающем на экран солнечном свете. Правда, надежду дает разработанная "электронная" бумага, позволяющая читать при отраженном свете, но она еще ждет широкого внедрения.

Таким образом, бумажная книга, вопреки прогнозам, в ближайшее время "умирать" не собирается, но со временем электронные издания могут составить ей серьезную конкуренцию. Так, в области справочных изданий - словарей, энциклопедий, справочников, электронные издания уже серьезно потеснили бумажные: не только из-за более быстрого производства, низкой цены и занимаемого ими объема. Главное их достоинство - гораздо более легкий и быстрый поиск нужного материала, экономящий время читателя.

Что касается художественной литературы, то здесь успехи электронных изданий значительно более скромны. Однако в сети Интернет существует множество электронных библиотек, в том числе и бесплатных. В вагонах метро уже довольно часто можно видеть людей, читающих на экранах карманных персональных компьютеров и смартфонов тексты, скачанные из Интернета.

Особую нишу занимают "говорящие" книги на электронных носителях. Они воспринимаются на слух как радиопередачи. Слушая их, можно заниматься домашним хозяйством, рисовать или лепить. Ведь зрение человека при их прослушивании свободно. Оно либо отдыхает при этом, либо используется по другому назначению, например для рисования. Чтение звуковых книг обычно поручают профессиональным артистам, так что текст читаемой книги воспринимается еще и с интонациями, которые придает ему чтец-артист.

Одна цифровая "книга" может заменить целую библиотеку обыкновенных бумажных книг. Другое ее преимущество: возможность практически мгновенного поиска необходимой информации - отдельного слова или целой страницы. Это особенно важно для справочных изданий, энциклопедий и словарей.

Главный недостаток бумажной книги - невозможность внести изменения в текст после того, как она напечатана. Это наиболее важно для справочников и энциклопедий, которые устаревают, как только поступают в продажу.

Процессы издания и продажи новых текстов для электронных книг имеют огромные преимущества по сравнению с полиграфическими книгами. Подготовить текст к изданию можно за считанные дни, особенно если автор представляет его в издательство уже в "электронном" виде. Электронная книга не нуждается в печати тиража, брошюровке и переплете. А раз нет тиража, то не нужны и склады для его хранения, а, следовательно и затраты на них. И получить новый текст для своей электронной книги можно через всемирную сеть Интернет. Такая электронная книга не заменит полностью традиционную бумажную, но может серьезно "потеснить" ее в ближайшие годы.

Недавно появились электронные "книги" - планшеты. Это специальные компьютеры, предназначенные только для чтения. Их можно "листать" подобно бумажным книгам. Они имеют вид небольшого книжного томика и снабжены экраном с подсветкой, что позволяет читать их при ярком солнечном освещении на скамейке в парке и даже в постели (рис. 2.12).

Рис. 2.12.  Электронные книги-планшеты

По существу, они представляют собой специализированные компьютеры - планшеты для чтения, оснащенные электронной "памятью". Такая память дает возможность запоминать тысячи страниц текста, "стирать" их и запоминать новые. Однако следует заметить, что электронные книги-планшеты пока не пользуются широким спросом.

Аудиокниги или Audiobooks - это разнообразные литературные произведения, озвученные профессионалами жанра и записанные на CD-ROM. Их можно слушать где угодно: дома, в городском транспорте по дороге на работу, на прогулке или на утренней пробежке, в машине в автомобильных пробках. Чем заняться за рулем автомобиля? Ведь практически единственно свободный канал восприятия при этом - слух. Озвучание аудиокниг поручают опытным артистам-чтецам. Выпускаются аудиокниги самых различных жанров - от классики до детективов.

Таким образом, на наших глазах происходит постепенный отказ от бумаги - носителя информации, прослужившего человечеству тысячи лет. А ведь бумага - это лес, и хотя бы частичное уменьшение ее массового производства и применения приведет к улучшению экологии на нашей многострадальной планете.

0.4.Лекция 3. Традиционные средства связи

0.4.1. 

Важно не только добыть необходимую информацию, зафиксировать ее в памяти, но и своевременно передать получателю, если он находится в другом месте. Эту задачу выполняют средства связи. К ним относятся сигнализация, почта, телеграф, телефон, радио, телевидение, пейджинговая связь, космическая связь. Древнейшие из них - это сигнализация и почта.

0.4.1.1.Сигнализация и почта

В самом начале формирования человечества, еще до появления языка и речи самыми ранними средствами общения между людьми были мимика и жесты. При этом люди должны были находиться на расстоянии прямой видимости друг от друга. Один из них подавал сигналы с помощью мимики и жестов, а другой их принимал. Если принимающий сигналы человек отворачивался от жестикулирующего или закрывал глаза, то сигналы переставали до него доходить. С помощью мимики и жестов можно выразить очень многое. На этом построено искусство пантомимы, вида сценического искусства, в котором основные средства создания художественного образа - пластика, жест, мимика.

И в наше время применяется дактилология - азбука для глухонемых. Это своеобразная форма речи, воспроизводящая слова пальцами рук. Она используется как заменитель устной речи для общения слышащих с глухими, глухих между собой и как средство обучения глухих, а также для сурдоперевода в телепередачах (рис. 3.1).

Рис. 3.1.  Русская ручная азбука глухонемых

Можно было подавать сигналы и возгласами, но они слышны только на очень небольшом расстоянии. Когда возникли язык и речь, их тоже можно было услышать вблизи. Сложенные рупором ладони около рта немного увеличивали "зону приема". Но до изобретения микрофона и усилителя ораторы на больших собраниях и митингах могли полагаться только на силу своего голоса.

А как можно было передать сообщение людям, находящимся на большом расстоянии? Для этого были придуманы самые разные средства сигнализации - звуковые и световые, хорошо слышимые издали звуки и хорошо видимые издали знаки.

В африканских странах древнейшим видом звуковой сигнализации был бой барабанов - тамтамов. Отдельные удары и их сочетания обозначали буквы и целые слова. Первые путешественники из Европы очень удивлялись, как жители отдаленных африканских селений узнавали об их приближении. Это с помощью тамтамов вести передавались от селения к селению как по эстафете. Даже сейчас, в век телеграфа, телефона и радио, жители некоторых африканских селений пользуются древним "барабанным телеграфом".

В нашей стране использовался набатный колокольный звон, извещавший о пожаре, нападении врагов или другой опасности. Набат (от араб. наубат - барабанный бой) - это колокольный звон особого строя, означающий тревогу.

Позднее начали использовать сигнальные выстрелы из пушек. И сегодня в Санкт-Петербурге в Петропавловской крепости ежедневно производится сигнальный выстрел из пушки, оповещающий город о наступлении полудня - теперь это всего лишь традиция.

В православных храмах верующих зовут на молитвы с помощью колокольного звона. Для этого рядом с храмом располагается колокольня или звонница - башня с открытым ярусом для колоколов. В мусульманских странах рядом с мечетью располагается минарет - высокая башня с балконом. С него служащий мечети - муэдзин - громким голосом призывает мусульман к молитве.

Колокольня Ивана Великого в Московском Кремле

Минарет мечети

Костел Девы Марии в Кракове

В костеле Девы Марии в польском городе Кракове из слухового окна высокой башни ежедневно, в определенный час трубач подает звуковой сигнал - такова вековая традиция.

И сегодня используется звуковая сигнализация. Ее средства - это клаксоны автомобилей, свистки милиционеров, сирены поездов и кораблей.

Сигналы можно подавать с помощью музыкальных инструментов: рожка, горна, фанфар, барабана, целого духового оркестра. О прибытии почтовой кареты в XVIII веке в Европе оповещали с помощью почтового рожка.

В морском флоте для измерения времени с давних времен вахтенный матрос ударяет в сигнальный колокол каждые полчаса. Это как называемый бой склянок: например, шесть склянок означает три часа.

Древнейшим видом оптической сигнализации были сигнальные костры, предупреждавшие население о появлении врагов. Днем хорошо виден на большом расстоянии дым от костра, а ночью - пламя. По свидетельству римского писателя и ученого Плиния Старшего (24-79 гг. н. э.) подобный световой телеграф эффективно использовался еще во время Троянской войны, которая происходила, согласно "Илиаде" и "Одиссее", в XIII веке до н.э. В трагедии "Агамемнон" древнегреческого драматурга Эсхила (525-456 гг. до н. э.) говорится о том, что весть о взятии Трои дошла до Греции в течение нескольких часов при помощи огневых сигналов, которые передавались с одного возвышенного места на другое.

Китайцы использовали с целью передачи срочной информации огни на башнях, которые расположены вдоль всей Великой китайской стены. Ее протяженность свыше 5 тыс. км при высоте 6,6 м, а на отдельных участках до 10 м. Построена она была в III веке до н. э.

Древнегреческий полководец и историк Полибий (около 200-120 гг. до н. э.) в своей книге "Всеобщая история" рассказал о водяном телеграфе: на двух высоких башнях, расположенных далеко друг от друга, стояли 2 совершенно одинаковых по размерам цилиндрических сосуда с водой - емкостью 15 ведер каждый. На поверхности воды плавали поплавки, а на поверхности сосудов были нанесены линейки с делениями. Против каждого деления были записаны условные сообщения. Дозорные на башнях должны были непрерывно следить друг за другом. Когда на передающей башне сигнальщик зажигал факел, нужно было одновременно открыть краны сосудов на обеих башнях. Вода вытекала из сосудов, и поплавки в них опускались. Дозорный на передающей башне ждал, пока поплавок не остановится против нужного деления, и после этого гасил свой факел. Дозорный на приемной башне замечал исчезновение огня и закрывал кран своего сосуда. Затем он смотрел на линейку с делениями и читал сообщение около деления, против которого установился поплавок. Этот способ передачи сообщений был очень трудоемок, ненадежен, да и количество сообщений, которое можно было передать, не превышало одного-двух десятков, заранее нанесенных на линейки сосудов.

Полибий описал и более совершенный способ передачи информации на расстояния. Он заключался в том, что все буквы греческой азбуки (24 буквы) делились на пять частей (групп), из пяти букв в четырех и четырех в одной группе. Каждая группа букв наносилась на специальную доску.

Рис. 3.2.  Греческий алфавит из 24 букв, размещенный на 5 досках

Передающая информацию сторона поднимала факел и ждала ответа, тоже факелом: "Жду приема". Затем передающие сигнальщики с помощью факелов указывали, на какую доску необходимо смотреть. К примеру, один факел - смотри первую доску, два факела - смотри вторую и т.д. Далее процесс передачи информации состоял в следующем. С передающей стороны снова поднимали факелы, в зависимости от передаваемых букв, а точнее, их расположения: первая буква - один факел, вторая - два факела и т.д. При этом каждая сторона имела зрительные приборы для наблюдения. Этим способом могла быть передана любая информация, так как использовался весь греческий алфавит. Вместе с тем передача информации, таким образом, должна быть не только содержательна, но и предельно сжата. Такой способ передачи информации хотя и требовал большого количества факелов, а следовательно, и их носителей, зато передавал ее точно.

Говоря современным языком, буквы греческого алфавита были выписаны в виде прямоугольной матрицы, состоящей из столбцов и строк. Сообщив с помощью факелов номер столбца и строки, на пересечении которых в этой матрице находилась та или иная буква, можно было последовательно передавать целые слова и предложения, составлявшие любое сообщение. Можно считать, что в истории информатики это была первая попытка закодировать буквы алфавита с помощью чисел. Спустя много веков, в 1835 году С. Морзе изобрел свою телеграфную азбуку, закодировав буквы латинского алфавита с помощью комбинаций точек и тире. В XX веке при создании клавиатуры компьютера, как мы увидим позже, каждая буква на ней была закодирована числом в двоичном коде.

Заключенные в сталинских тюрьмах перестукивались с помощью метода этого древнего телеграфа, только с помощью звука. На стенах их камер писалась русская азбука (33 буквы), разбитая на шесть столбцов.

В соседнюю камеру сначала выстукивался номер столбца, а после ответа выстукивался номер буквы в столбце. И так буква за буквой передавалась определенная информация по эстафете из камеры в камеру по всей тюрьме.

Сигнализация широко применяется на железных дорогах. Каждый стрелочник и проводник поезда имеет набор сигнальных флажков, которыми он сообщает машинисту поезда о возможности движения или необходимости остановки. Широко применяются семафоры с механическим, а чаще с электрическим управлением.

В конце XVIII века в Европе заработал оптический, так называемый "семафорный телеграф", передававший информацию посредством специальных механизмов с подвижными элементами. Первый такой аппарат продемонстрировал английский ученый - физик Р. Гук (1635-1722) в 1684 году. Затем француз Амонтон устроил оптический телеграф, используя подвижные планки. Но только французам, братьям Клоду и Игнатию Шапп удалось добиться применения такого телеграфа в широких масштабах.

В 1792 году братья Шапп официально представили Национальному Конвенту Франции на утверждение такой прибор под названием семафор (носитель знаков). Он представлял собой систему семафоров - трех крыльев, могущих принимать различные положения и расположенных на вышках на расстоянии 15 миль друг от друга. На каждой вышке находился наблюдатель-телеграфист, с помощью подзорной трубы следивший за положением крыльев светофора на соседней вышке. При изменении положения этих крыльев он принимал сигнал с этой вышки, переводил ручку семафора, менял положение крыльев на своей вышке и тем самым передавал сообщение на следующую вышку. Из возможных 256 фигур (сочетаний положений крыльев) Шапп выбрал только 92, наиболее отличимые друг от друга. Выбрал он также 8400 наиболее употребительных французских слов и расположил их на 92 страницах - по 92 на каждой. Таким образом, с башни на башню передавался вначале номер страницы, а затем - номер слова на ней. Первая линия оптического телеграфа Париж-Лилль длиной 225 км была создана в 1794 году.

Главным недостатком такой телеграфии было то, что она зависела от погодных условий. Однако использовали ее до середины ХIХ века.

В 1794 году оптический телеграф получает широчайшее военное и гражданское применение. 225 километров линии Париж-Лилль сообщение пролетает за 10 минут, тогда как всаднику на это понадобилось бы часов двенадцать... Строятся также линии Париж-Страсбург (450 км) и Париж-Тулон (1100 км). Вскоре протяженность линий оптического телеграфа составляет уже 50000 километров, а сообщения передаются в трех кодировках - военной, гражданской и служебной.

Независимо от французов известный русский механик-самоучка И.П. Кулибин (1735-1818) сконструировал аналогичный телеграфный аппарат. Но в царской России его, как и многие его другие замечательные изобретения, ждало неприятие и забвение.

Во Франции открытие семафорного телеграфа использовалось довольно эффективно, особенно в армии. Именно используя возможности быстрой передачи информации на большие расстояния для своих войск, Наполеон Бонапарт (1769-1812) добился ряда блестящих побед в Европе, поставив в зависимость от Франции большинство стран Западной и Центральной Европы.

В России первый семафорный телеграф протяженностью 60 км между Санкт-Петербургом и Шлиссельбургом был построен в 1824 году. Через десять лет телеграф связал столицу с Кронштадтом (базой Балтийского флота) - 30 км. В 1835 году такая связь была установлена между столицей и Царским Селом (25 км) и Гатчиной (52 км).

Выход России на европейскую арену осуществлялся в основном через Варшаву. В связи с этим в 1839 году был построен усовершенствованный вариант семафорного телеграфа между Санкт-Петербургом и Варшавой протяженностью в 1200 км. На то время это была самая длинная линия телеграфной связи такого рода, которая была сооружена из 149 станций-башен через каждые 8 км, высотой в 20 метров. 1200 километров сигнал из Санкт-Петербурга в Варшаву преодолевал за 15 минут. Такой метод передачи информации в России просуществовал до середины XIX века (1854 г.) и уступил свое место электрическому телеграфу.

В морском деле используется флажковая сигнализация, изобретенная еще в Средние века, а при плохой видимости (например, при тумане) - звуковые сирены-ревуны. Один сигнальный флажок на мачте корабля может обозначать целое слово или предложение, а в сочетании с другими - отдельную букву. Для световой сигнализации используются сигнальные огни и специальные электрические светильники, излучающие направленные световые лучи. С помощью азбуки Морзе передают сигналы, прерывая пучок лучей и давая короткие и длинные по времени вспышки света (точки-тире). В ручном флажковом семафоре каждое положение рук матроса с флажками и его корпуса обозначает одну букву, цифру или знак препинания. Длинное и не очень срочное сообщение передается двумя флажками по буквам. С помощью сигнальных флагов, огней, световой сигнализации и ручного семафора корабли "общаются" между собой и с берегом.

Значения однофлажных сигналов

Алфавит флажного семафора

А для связи внутри корабля существует машинный телеграф. У капитана корабля и у механика имеются одинаковые круги со стрелками и ручками. Капитан устанавливает ручку телеграфа, против какого либо деления стрелки, например с надписью "полный вперед" или "стоп машина". В момент поворота ручки раздается звонок. Механик смотрит, против какого деления установилась стрелка телеграфа, например "стоп машина", и выполняет команду капитана. Существует еще так называемый "звуковой телефон", придуманный французским монахом Домом Готом еще в 1782 году. Он представляет собой длинную тонкую трубу, к концам которой прикреплены два рупора. Они используются и для передачи сообщений, и для их приема, например, при переговорах между капитанским мостиком и машинным отделением корабля. Эти корабельные средства связи относятся к старинным и теперь заменены современными: телефоном и радиотелефоном.

Морской машинный телеграф

Первую железную дорогу общественного значения открыл Джордж Стефенсон в 1825 году.

Движение на железных дорогах в начале их постройки происходило с низкой скоростью; точное соблюдение расписания обеспечивало безопасность движения. Однако уже на открытии линии Ливерпуль-Манчестер произошел несчастный случай, который заставил Джорджа Стефенсона придумать сигналы, обеспечивающие безопасность железнодорожного движения. По указанию Стефенсона были введены сигналы, которые подавали днем - флажками, а ночью - ручными фонарями. Машинистам выдали рожки, которые в 1835 г. были заменены паровым свистком. С 1834 г. на линии Ливерпуль-Манчестер были введены неподвижные сигналы. Сначала это были деревянные столбы, поворачивающиеся на 90 градусов, с сигнальными дисками различной формы и цвета, которые при поворотах столбов обращались к движущемуся поезду узкой или широкой стороной. Широкая сторона требовала остановки поезда.

Современный железнодорожный светофор

С изобретением в 1841 году англичанином Грегори семафора стал возможен переход от движения поездов с разграничением времени к разграничению их пространством.

Крупным шагом вперед в деле обеспечения безопасности движения поездов было введение блокировки, посредством которой путевые семафоры запирались на время, пока на соответствующем участке пути находился поезд.

К сигнализации относятся и светофоры для управления уличным движением. Первые светофоры были установлены на улицах Лондона в 1868 году, первый электрический трехцветный светофор появился в Нью-Йорке в 1918 году, а в Москве - в 1930 году.

Уличный светофор

Светофор на светодиодах

До возникновения письменности важные сообщения доставляли гонцы - пешие и конные. Когда появилась письменность, они стали доставлять письма. Почта была хорошо налажена уже в древней Персии. Там была создана сеть почтовых станций, на которых находились верховые гонцы. Они с большой скоростью доставляли письма до следующей станции, а там передавали их следующему гонцу, который "по эстафете" доставлял их дальше. В древнем Риме также существовала подобная почта, которая занималась перевозкой только государственных писем и государственных чиновников. Она достигла расцвета при императоре Августе. Доставляли эту почту самые быстрые курьеры Рима - ведерарии. Почтовые письма и сообщения делались на покрытых воском дощечках. Каждую дощечку обертывали полотном и опечатывали восковой печатью. На полотняном "конверте" обозначали день, когда нужно было его вскрыть и прочитать. Такая почта выполняла обязанности рычага государственной власти. Наряду с государственной срочной почтой существовала и обычная "тяжелая" почта, которая доставляла письма средней срочности.

Рис. 3.3.  Повозка римской "тяжелой" почты

В средние века почта перестала быть государственной. Она принадлежала отдельным городам, монашеским орденам и купеческим гильдиям. В XVI веке в Германии возникла первая имперская почта, которой пользовалось уже все население. До 1867 года монополия на нее принадлежала династии Турн-и-Таксис, а в дальнейшем стала принадлежать государству.

Рис. 3.4.  Почтовая марка с портретом основателя почтовой династии Франциско де Таксиса

В России почта возникла в XIII веке при монгольском владычестве. Были созданы почтовые станции - ямы (откуда происходит слово ямщик) с гонцами, которые доставляли приказы ханов. Регулярная почта была налажена при царе Алексее Михайловиче: была установлена почтовая связь с Курляндией и Польшей. Основателем ее был боярин, политик и дипломат А.Л. Ордын-Нащокин. Эта почта перевозила и пассажиров.

Рис. 3.5.  А.Л. Ордын-Нащокин

При Петре I существовало уже 6 почтовых линий, а почта делилась на купеческую - для обслуживания частных лиц и ямскую - для обслуживания государственных учреждений. С появлением в 1782 году Почтового департамента ямские дворы начали называть почтовыми станциями.

Почтовый рожок

Почтовая карета

В XVII-XVIII веках письма доставляли почтовые кареты. С 1830 года на железных дорогах для их доставки появились первые почтовые вагоны, а с 1840 года стали применять почтовые марки - единые знаки почтовой оплаты, изобретенные англичанами Хиллом и Чалмерсом.

В 1834 году издатель газеты "Данди Кроникл" Джеймс Чалмерс отпечатал в своей типографии на листе бумаги пробные марки, снабженные с оборотной стороны клеем, и представил эти образцы. При этом издатель объяснял преимущество изобретенной им наклеиваемой марки.

В 1837 году Роуленд Хилл опубликовал свой проект "Реформа почтового ведомства, ее значение и осуществимость". В своей работе он предлагал унифицировать почтовые сборы по всей стране, ввести предварительную оплату пересылки с помощью "маленьких кусочков бумаги, достаточных для того, чтобы на них поставить почтовый штемпель, и покрытых с одной стороны клеем, дающим возможность после увлажнения прилепить их к письму". Р. Хиллу пришлось более трех лет вести упорную борьбу за свои реформы.

Парламент Великобритании законодательно закрепил новую концепцию в 1839 г. В 1840 г. правительство учредило почтовую "пенни-службу", в том же году были выпущены первые в истории марки - "Черный пенни", с изображением профиля королевы Виктории.

Джеймс Чалмерс, вынашивавший идею почтовой марки еще с 1834 года и в 1837 году подал через своего друга - депутата Палаты общин Роберта Уоллеса - предложение в комиссию, уже занимавшуюся рассмотрением проекта Хилла. Поэтому было признано, что приоритет в изобретении почтовой марки принадлежит Р. Хиллу.

Появление почтовой марки позволило резко увеличить объемы пересылаемой корреспонденции.

Рис. 3.6.  Почтовая марка (блок) с портретом Р. Хилла

Рис. 3.7.  Первая английская почтовая марка "Черный пенни"

В России почтовые марки были введены с 1 января 1858 года. Первый выпуск почтовых марок тиражом 3 миллиона экземпляров представлял собой одну беззубцовую марку номиналом 10 копеек.

В 1874 году по договоренности между 22 государствами, в число которых входила Россия, был образован Всемирный почтовый союз. Голубиная почта

"...Потом выпустил от себя голубя, чтобы видеть, сошла ли вода с лица земли. Но голубь не нашел места покоя для ног своих, и возвратился к нему в ковчег, ибо вода была еще на поверхности всей земли... И помедлил еще семь дней других; и опять выпустил голубя...

На этот раз голубь вернулся к Ною со свежим масличным листком в клюве, и Ной узнал, что вода сошла с земли."

Этот библейский эпизод повествует о первом в мире испытании навигационных способностей у птиц и использовании их для получения информации.

Уже в древности люди узнали, что ласточки и голуби умеют хорошо ориентироваться в пространстве, и решили воспользоваться талантами пернатых. Науке почтарей они обучали не только ласточек и голубей, но и морских птиц - фрегатов. Но все же лучшим почтальоном оказался домашний голубь.

Породы домашних голубей подразделяются на четыре большие группы - спортивно-гонные, отличающиеся своеобразием полета, декоративные, обладающие красивым и оригинальным опереньем, мясные, предназначенные для откорма на мясо, и почтовые, способные летать на длинные дистанции и переносить по воздуху почту.

Голубиная почта известна с древних времен.

В странах Междуречья голубей посылали с различными депешами. Позже голубиная почта возникла в Египте и в Греции. В Риме голуби конкурировали с ласточками.

Голуби-почтари способны летать без отдыха несколько часов подряд, преодолевая расстояния в среднем семьдесят километров в час.

Во времена континентальной блокады, устроенной англичанам Наполеоном, голубей использовали как контрабандистов. Под своими крыльями почтари переносили из Англии во Францию драгоценные камни.

В Англии почтовые голуби немало способствовали благосостоянию известного рода банкиров Ротшильдов. Один из них, Натан Ротшильд, живший в Лондоне, был страстным голубеводом. Во время наполеоновских войн он содержал частную голубиную почту. Агенты Ротшильда следовали по пятам за войсками Наполеона и немедленно передавали своему хозяину обо всех важных событиях с помощью почтовых голубей. Курс английских ценных бумаг до битвы при Ватерлоо был очень низким, а после поражения Наполеона он быстро поднялся, чем искусно воспользовался Ротшильд. С помощью голубей он узнал о поражении французского императора на три дня раньше английского правительства, и сыграл на повышение. Эта операция принесла ему миллионные доходы.

В России первую почтовую голубиную связь дальностью в 90 верст между Москвой и своим имением организовал в 1854 году князь Голицын. А в 1881 году военным ведомством был разработан проект голубиной связи Москва-Санкт-Петербург.

При осаде Парижа германскими войсками в 1871 году почтовые голуби доставляли огромное количество писем осажденных с призывами о помощи.

Основанная на природном свойстве голубей возвращаться к своему гнезду, голубиная почта использовалась в войсках в XIX и начале XX века - в первой мировой и гражданской войне. Базами голубиной связи служили стационарные и полевые голубятни. Письма прикреплялись к лапке голубя, который мог доставлять их на расстояние до 300 км.

В Англии двести тысяч почтарей "были призваны" во время Второй мировой войны на военную службу. С ними было передано немало важнейших сообщений.

Шведский ученый Андре пропал во льдах, пытаясь достичь Северного полюса на воздушном шаре. Единственную весть, присланную им из Арктики, принес голубь, которого Андре взял с собою в путешествие...

И в наше время почтовый голубь используется для доставки сообщений и мелких посылок. В Голландии, например, голуби доставляют по назначению донорскую кровь в пробирках. Это выгоднее и быстрее, чем везти ее автомобилем по перегруженным магистралям. В Бельгии голуби служат для доставки почты (на небольшие расстояния), особенно секретной - переносят маленькие магнитные пластинки (5x5 мм), которые вмещают информацию, равную большой книге. В Великобритании голубей используют биржи. Японские и немецкие журналисты во время Олимпиады с помощью голубей моментально получали сведения о результатах соревнований.

В Прибалтике в начале 1980-х годов провели эксперимент: кто быстрее доставит письмо адресату - самолет, почта или голубь? Первым в этом соревновании оказался голубь. Ему одному удалось избежать бюрократии при оформлении и доставке письма и опередить современные средства связи.

В английском городе Плимуте голуби-почтари транспортируют из местной больницы в лабораторию, находящуюся в трех с лишним километрах от больницы, пробирки с кровью, взятой на анализ. Они делают эту работу в два раза быстрее, чем автомобили, перевозившие кровь прежде.

В больших городах, где на улицах часто случаются пробки, еще до изобретения мобильных телефонов, для передачи срочной информации использовали почтовых голубей. Агентство "Рейтер" с середины прошлого века успешно использовало голубиную почту - она была наиболее удобным способом передачи короткой информации через районы больших городов с их постоянными пробками.

Долгое время ученые не могли понять: каким образом птицам удается запоминать маршруты, по которым они летают? Почему они с такой невероятной легкостью находят свой дом? Иногда, например, обученные возвращаться по определенной трассе голуби сворачивали с нее и летели напрямик, по более короткой дороге.

Птиц отвозили в далекие, совершенно незнакомые им страны. Иногда всю дорогу их крутили, как на карусели, на патефонном диске или везли под наркозом, чтобы лишить птицу возможности чисто механически запомнить дорогу.

Но они и после наркоза с патефоном так же прекрасно ориентировались в поднебесных трассах.

Первым о том, что птицы, а вместе с ними и голуби-почтари, ориентируются по солнцу, догадался немецкий биолог Шнейдер. Они должны видеть либо само солнце, либо хотя бы ближайшую к нему часть небосвода в пределах дуги в 30-40 градусов.

Солнце в течение дня перемещается по небу, но пернатые это учитывают - у них сильно развито чувство времени.

Тем не менее почтовых голубей тренируют. Их принято обучать с того момента, как только они обретают способность летать.

Уже на второй год жизни почтовые голуби способны совершать перелеты на расстояние в тысячу километров.

Почта (русск. Почта (info); от лат. posta) — вид связи и учреждение для транспортировки известий (например, писем и открыток) и мелких товаров, иногда и людей. Осуществляет регулярную пересылку почтовых отправлений — письменной корреспонденции, периодических изданий, денежных переводов, бандеролей, посылок — преимущественно при помощи транспортных средств.

Почтовая организация в России традиционно является государственным предприятием. Сеть почтовых отделений — крупнейшая организационная сеть в стране.

Письмо — средство сохранения информации, например на бумаге. Перед отправкой письма на конверте нужно нанести почтовые индексы отправителя и получателя в соответствии с нанесенным на нем трафаретом.

Почтовый конверт с трафаретом почтового индекса

Почтовый конверт РФ с нанесенным почтовым индексом

Авиапочта, или авиационная почта (англ. airmail[1]), — вид почтовой связи, при котором почтовые отправления транспортируются воздушным путем с помощью авиации.

Конверт авиапочты Российской федерации

Голубиная почта — один из способов почтовой связи, при котором доставка письменных сообщений производится с помощью почтовых голубей.

Киберпочт@

Главное преимущество электронной почты – скорость доставки независимо от географического положения отправителя письма и получателя. Но и отправитель, и получатель для этого должны иметь компьютеры и доступ к электронной почте.

А если у отправителя эти возможности есть, а у получателя нет? В США государственная почтовая служба обеспечивает доставку электронного письма до ближайшего к адресату отделения связи. Там оно распечатывается и в конверте доставляется почтальоном получателю. Сегодня авиапочта доставляет обычное письмо из России в США за 3-4 недели. Новое комбинированное (электронное – обычное) письмо может быть доставлено за 48 часов. В России также существует план оснащения почтовых отделений доступом к Интернету и электронной почте. Этот проект носит название "Киберпочт@". Во всех почтовых отделениях будут открыты "интернет-салоны" – пункты коллективного доступа в Интернет. В таком салоне можно будет отправить электронное письмо, содержащее любой текст, документ, рисунок, фотографию. Это письмо будет отправлено в ближайшее к получателю почтовое отделение, распечатано, автоматически запечатано в конверт и доставлено почтальоном по любому адресу в течение 48 часов. В интернет-салоне консультант поможет вам научиться пользоваться электронной почтой и сделает цифровую фотографию. Первый такой интернет-салон уже существует на московском почтамте. Стоимость одной страницы такого комбинированного письма – 12 рублей, а на дискете – 6 рублей за 2 Кбайта.

Частью проекта "Киберпочт@" является так называемая "Гибридная почта". Это гибрид современного Интернета и "традиционного почтальона". Теперь любой человек может принести в почтовое отделение обыкновенное, написанное на бумаге письмо. Там его введут в компьютер и передадут по электронной почте в ближайшее к адресату почтовое отделение. В нем это письмо распечатают на принтере, и почтальон отнесет его адресату. Тогда письмо дойдет в любой город страны не позднее, чем через 48 часов, так как из процесса доставки исчезает самый долгий этап – перевозка письма, написанного на бумаге из города в город. Так письмо по скорости доставки сравняется с телеграммой. Но стоимость такого письма во много раз меньше, чем телеграммы. Ведь стоимость только одного слова телеграммы при передаче по России составляет 80 коп., а стоимость одной страницы гибридного письма формата А4 и числом знаков 2000 составляет всего 12 руб. При этом на странице формата А4 помещается несколько сотен слов!

Письмо может быть закрытым, т.е. получателю письмо доставляется в конверте, или открытым, т.е. письмо доставляется без конверта. Можно сдавать письма по Гибридной почте, как на бумаге, так и на магнитном носителе.

Позднее к проекту "Гибридная почта" присоединили дополнение и для пользователей, владеющих Интернетом и электронной почтой. Оно позволяет им отправить электронное письмо адресату, не владеющему электронной почтой. Это письмо попадает в ближайшее к адресату почтовое отделение, в нем распечатывается и запечатывается в конверт. Этот конверт почтальон относит адресату - получателю письма. Этим существенно сокращается время его доставки.

0.4.1.2.Пневмопочта

Главный недостаток почты по сравнению с другими средствами связи - сигнализацией, телеграфом, телефоном, радио - это необходимость пересылать письмо: в почтовой карете, на корабле, по железной дороге в почтовом вагоне или самолетом. Эта пересылка от отправителя получателю и составляет, в основном, достаточно длительное время доставки.

Однако существует разновидность почты - пневматическая, которая служит разумным дополнением традиционной почты.

Пневматическая почта (от греч. pneumatikos - воздушный) представляет собой транспорт для перемещения потоком воздуха по трубопроводам не только документов, но и мелких предметов, вложенных в патроны-капсулы. Действует она в пределах здания (например, предприятия связи) либо города (в Париже длина линий пневматической почты около 600 км). Средняя скорость патрона - до 160 км/ч.

В 1792 году сжатый воздух был впервые применен для передачи письменных сообщений по трубопроводу. Эта система была размещена в 50-метровой колокольне Венского собора Святого Стефана и просуществовала до 1855 г. Колокольня соединялась со сторожкой трубой, по которой письменное сообщение о замеченном городском пожаре пересылалось в специальном металлическом патроне.

Создание пневматической почты связано с именем Роуланда Хилла - одного из изобретателей почтовой марки. Он смоделировал систему подземных пневматических труб для ускорения пересылки письменных сообщений. Практически идея Р. Хилла была реализована в 1854 году, когда в Лондоне была запущена первая линия пневмопочты длиной 200 метров, для пересылки телеграмм от здания фондовой биржи в зал главного телеграфа. Пневмопочта с протяженностью трубопроводов 100 м была построена в Лондоне в 1858 году по проекту физика Кларка. В 1862 году была пущена еще одна линия пневмопочты между лондонским вокзалом Истон и почтамтом Кемпден. Эти линии работали не очень надежно, часто ломались и были вскоре закрыты. Однако пневматическая почта Лондона продолжала развиваться. По новому проекту инженера Джонсона были построены несколько новых линий, эксплуатация которых показала хорошие результаты. Для примера, расстояние 300 метров шаровой патрон с почтой преодолевал за 11 секунд.

В 1892 году в США (Филадельфия) построили первую линию пневмопочты между зданиями биржи и главного почтамта. На доставку каждого патрона из главного почтамта на биржу (расстояние 0,5 англ. мили) затрачивалась 1 минута, а на обратный путь - 65 секунд. Пневмопочта в Филадельфии соединяла главный почтамт со станцией Пенсильванской железной дороги. Здесь расстояние в 1 милю преодолевалось за 1 минуту 25 секунд. Вскоре пневмопочта для доставки писем появились в Бостоне и в Нью-Йорке. Трубы диаметром 8 дюймов подведены к столам для штемпелевания и сортировки писем. Патроны вмещали 600 писем. Широко разветвленная сеть пневмопочты, созданная в Нью-Йорке, соединяла главный почтамт и почтовые отделения. Протяженность наибольшего участка составляла 5600 метров, которые почта проходила за 7 минут. Ежедневно по трубам пересылали до 3 тонн корреспонденции.

В Германии первая линия пневмопочты открылась в 1865 году (Берлин). Уже в 1875 году существовала целая сеть пневмопочты, соединявшая 15 почтовых отделений, находившихся в разных концах города. Самый длинный участок протяженностью 12 километров контейнеры с почтой преодолевали за 35 минут.

Существовала пневмопочта в Италии, Франции и Австрии. В России пневматическая почта смонтирована на некоторых почтамтах Москвы и Санкт-Петербурга. Однако она применяется для перемещения корреспонденции только внутри почтамта.

При управлении самыми различными производствами требуется передать огромный объем информации, в том числе в письменной форме. Задержка в передаче этой информации может серьезно нарушить производственные процессы, привести к ухудшению качества производимой продукции и авариям. Но передавать нужно не только письма, но и мелкие предметы. Примером может служить пересылка образцов плавки в экспресс-лабораторию, которая на крупных металлургических заводах удалена от цехов на значительное расстояние. Вот в таких случаях пневмопочта незаменима. Она позволяет обеспечить доставку проб с большой скоростью за минимальное время. С ее помощью пересылают письменные сообщения, деловые бумаги, чертежи, истории болезней, пленки, мелкие детали, лабораторные пробы, продукты питания в упаковке, лекарства.

Пневматическая почта используется на почтамтах, телеграфах, в редакциях и типографиях, больницах, библиотеках, аэропортах, торговых предприятиях, банках, на металлургических, химических и пищевых предприятиях, а также для внешнего сообщения различных предприятий между собой.

В развитых странах Европы и Америки пневматическая почта используется с середины XIX века и к настоящему времени широко развита. Применяется она и в нашей стране, например в крупнейшем в СССР сортировочном почтамте при Казанском вокзале в Москве.

В Праге работает пневмопочта, по которой передают письма, телеграммы, периодические издания. Передача телеграммы из почтового отделения на центральный почтамт происходит всего за пять минут. Первый участок пневмопочты в Праге открылся в 1899 г. Протяженность трубопроводов составляла всего несколько десятков метров. Но уже к началу 1930-х годов была сформирована разветвленная сеть подземных труб, охватывающая все районы города. У Пражской пневмопочты 46 абонентов - банки, крупнейшие предприятия и внешнеторговые организации, редакции центральных газет, телевидения, телеграфное агентство и 30 почтовых отделений. Все абоненты связаны подземными трубопроводами с центральным почтамтом, где размещена центральная диспетчерская и воздуходувная установка. Каждый из 46 абонентов связан друг с другом. Всего возможны 1035 вариантов связи между ними. За год по пражской пневмопочте отправляется 1,1 млн телеграмм. Они транспортируются в алюминиевых патронах массой 400 г, диаметром 57 мм и длиной 260-280 мм. Один патрон вмещает почту массой 600 г. Каждый месяц по пневмопочте отправляют 35000 патронов со счетами, телеграммами, письмами, газетами и журналами. Трубы пневмопочты диаметром 65 мм уложены под землей на глубине 80-100 см. Почтовые автомобили в часы пик могут двигаться в Праге со скоростью не больше 20 км/ч, а для патронов пневмопочты часов пик просто не существует. Они "бегут" по трубам со скоростью 34 км/ч. В настоящее время под Прагой проложено почти 60 км трубопровода, пересекающего в трех местах Влтаву. Он связывает 12 почтамтов и два пражских банка. Сейчас ведется восстановление пневматической почты Чешского национального банка. Металлические почтовые футляры закрываются силиконовой пробкой и приводятся в движение сжатым воздухом из воздуходувных машин в машинном зале подземелья Главпочтамта на Йиндржишской улице. Механизмы Пражской пневмопочты обслуживают 5 человек.

Интересно отметить, что в самолете ДВ-2 "Родина", на котором в 1938 году советские летчицы В. Гризодубова, П. Осипенко и М. Раскова установили мировой рекорд дальности полета, также была применена пневмопочта. Все три летчицы, размещавшиеся в разных кабинах, были соединены внутренней связью - телефоном и пневмопочтой.

Несмотря на широкое применение средств электронной передачи информации, оборот оригинальных документов и наличных денег сохраняется в организациях самого различного профиля. Не каждое предприятие имеет возможность перейти на электронный документооборот.

Пневмопочта - это простой и эффективный, а иногда и самый дешевый способ ускорить передачу оригинальных документов. Благодаря пневмопочте персонал может больше времени уделять своим прямым обязанностям, не тратя время на лифты и коридоры.

Капсула пневмопочты

В современных условиях пневматическая система является дополнением к электронным средствам передачи информации.

Терминал пневмопочты

Пневмопочта призвана решать проблему "узких мест" на предприятии, эффективно объединяя различные подразделения фирмы, такие как склад, бухгалтерия, финансовый отдел, прием и выдача заказов и т.д. Особенно актуальна пневмопочта для связи между удаленными друг от друга подразделениями.

Пневмопочта в банке используется для пересылки платежных документов и наличных денег между операционистами и кассирами в операционном зале. Это позволяет обеспечить надежность и безопасность пересылки документов и денег, улучшить уровень обслуживания клиентов и условия работы персонала.

Некоторое время назад в одном из петербургских универсамов было совершено дерзкое ограбление. Когда сдавали деньги, преступник подошел к инкассатору и, угрожая оружием, потребовал передать ему всю выручку. В результате потери предприятия составили 2 млн рублей. Именно тогда в универсаме была установлена система пневмопочты. Это свело риск подобных потерь к нулю и обезопасило персонал в будущем.

Пневмопочта в административных зданиях обеспечивает быстроту и надежность пересылки оригиналов документов между управлениями и отделами организаций.(см. выше).

Пневмопочта в госпиталях и больницах используется для доставки:

• больничных карт пациентов из регистратуры;
• анализов из отделений и операционных в лабораторию;
• результатов лабораторных анализов;
• рентгеновских снимков;
• пакетов с донорской кровью и трансплантантов;
• медикаментов в палату;
• внутренней почты.

Это позволяет освободить медицинский персонал от ненужного хождения по этажам и не отвлекать его от основных обязанностей.

0.4.1.3.История авиапочты

В начале XX века началось бурное развитие авиации. Первый аэроплан создали братья Райт, а 17 декабря 1903 года Орвилл Райт стал первым человеком, который пилотировал самолет в течении 12 секунд. А вскоре самолет превратился в транспортное средство. Это произошло 25 июля 1909 года, когда французский летчик Луи Блерио впервые в мире преодолел пролив Ла-Манш, разделяющий Францию и Англию.

Рис. 3.8.  Марка авиапочты США. Братья Райт

В феврале 1911 года в индийском городе Аллахабаде состоялась большая коммерческая выставка искусств и ремесел. Именно здесь впервые состоялись показательные полеты самолета, на борту которого были почтовые отправления.

18 февраля 1911 года биплан типа COMMER, который пилотировал А. Пике, поднялся на территории выставки и приземлился неподалеку от города Наини, где корреспонденция была передана почтовым чиновникам. Генеральный директор почт Объединенных провинций сэр Джефф Кларк и Генеральный директор почтовой службы Индии дали официальное разрешение на прием корреспонденции и ее гашение до погрузки в самолет. На почте, перевезенной самолетом (6500 писем и 250 специальных открыток), ставился специальный почтовый штемпель с надписью: "Первая воздушная почта. (Объединенная национальная выставка, Аллахабад, 1911)". На штемпеле было изображение самолета над горами. Клише штемпеля было уничтожено сразу же после полета. Так и родилась авиапочта. Один из конвертов авиапочты был направлен в адрес короля Англии Георга V, известного коллекционера почтовых марок.

В сентябре 1911 года английский король Георг V в честь своей коронации открыл авиапочтовую линию Лондон-Виндзор (34 километра). Состоялось несколько полетов с почтой. Перевозка почты самолетами была организована и в других странах.

Первая официальная марка авиапочты появилась в Италии в 1917 году. На марке спешной почты 1903 года была сделана надпечатка "Esperimento Posta Aerea Maggio 1917. Torino-Roma. Roma-Torino" (Экспериментальная авиационная почта, май 1917. Турин-Рим. Рим-Турин).

В 1918 году в США для авиационной линии Вашингтон-Филадельфия-Нью-Йорк была выпущена серия из трех почтовых марок для авиапочты. На марке номиналом 24 цента изображение самолета оказалось перевернутым. Счастливцем, обнаружившим перевертку, оказался клерк вашингтонской биржи. В первый же день выпуска марки он купил на почте целый лист "дефектных" марок. Сейчас эта марка - одна из самых редких авиапочтовых марок.

В нашей стране сразу же после Октябрьской революции за организацию авиапочты взялся А.П. Онуфриев, назначенный комиссаром Управления морской авиации. Он был хорошо знаком с различными типами самолетов, не раз участвовал в полетах сам, пользовался авторитетом среди гражданских и военных летчиков. Благодаря энергии и настойчивости А.П. Онуфриева для перевозки почты были выделены четыре гидроплана типа М-9, изготовленные на заводе Щетинина. Сделать первый рейс из Петрограда в Москву согласились инструктор Ораниенбаумской авиашколы Бабенко и летчики Волков, Држанков и Кутьин. Этот первый официальный рейс по доставке авиапочты из Петрограда в Москву состоялся в марте 1918 года. Регулярная доставка авиапочты началась в 1923 году.

Рис. 3.9.  Первые марки авиапочты СССР

Регулярная авиапочта возникла в 1919 году, когда было установлено первое регулярное воздушное сообщение (почтовое и пассажирское) - на линиях Берлин-Веймар и Париж-Брюссель.

В наши дни существует экспресс-почта Federal Express (FedEx), которая доставляет за один день почтовые отправления весом до 32 кг и за два дня - весом до 68 кг в любую из 210 стран мира. На современных почтамтах письма обрабатывают на автоматических линиях: ставят на них штемпель и сортируют. При этом пункт, куда адресовано письмо, определяют по почтовому индексу. Его стандартные цифры мы пишем на конверте письма по специальному трафарету.

0.4.1.4.Телеграф и телефон

До середины XIX века единственным средством связи между континентами, в частности между Европой и Америкой, была пароходная почта. Сообщения при этом доходили до адресатов за недели и месяцы. Да и в пределах каждого континента скорость доставки почты была достаточно медленной. Между тем развитие торговли требовало гораздо больших скоростей передачи информации.

В 1837 году американский художник и изобретатель Самюэль Морзе (1791-1872) создал электрический проводной (или проволочный, как его раньше называли) телеграф - первое средство дальней электросвязи. У С. Морзе было много предшественников, в частности русский барон Шиллинг, но лишь Морзе довел свое изобретение до практического использования. В 1838 году он придумал и телеграфный код (азбука Морзе) в виде точек и тире для кодирования сообщений.

Рис. 3.10.  Самуэль Морзе

увеличить изображение
Азбука Морзе

Азбука Морзе существует уже более 160 лет и в наши дни используется в радиолюбительской связи, для передачи сигналов с полярных станций и сигналов бедствия. Сигнал SOS - "три точки - три тире - три точки" известен всем.

С 1 февраля 1999 года решением Международной морской организации сигнал SOS заменен автоматизированной системой оповещения о бедствии, замкнутой на глобальную сеть спутников "Инмарсат". Все страны перешли к новым, более современным и технологичным формам передачи сигналов бедствия. SOS заменен радиосигналом новой системы связи и оповещения при бедствии - GMDSS

При передаче сигналов по длинным электрическим линиям происходит их затухание. Для увеличения дальности передачи С. Морзе применил электрические реле, изобретенные Д. Генри. Вместе с промежуточными электрическими батареями они делили длинную электрическую цепь на ряд последовательных независимых цепей и позволили передавать сигналы на большие расстояния.

В 1844 году С. Морзе построил первую телеграфную линию Балтимор-Вашингтон и 24 мая передал первую телеграмму: "Чудны дела твои, Господи!" Телеграфные провода были подвешены на столбах, а в качестве изоляторов использовали горлышки бутылок. Развитие телеграфной сети происходило вместе с постройкой сети железных дорог. В России первая телеграфная линия была построена между Москвой и Санкт-Петербургом в 1851 году. А в 1866 году после нескольких неудачных попыток был проложен телеграфный кабель по дну Атлантического океана и начала работать телеграфная линия между Европой и Америкой.

Позднее были изобретены буквопечатающие телеграфные аппараты - Юза, Бодо, Сименса, и скорость передачи возросла. Во время Великой Отечественной войны связь между Cтавкой и фронтами осуществлялась аппаратами Бодо. Современный телеграфный аппарат - телетайп ("печатающий на расстоянии") похож на пишущую машинку. Он имеет клавиатуру с буквами, цифрами и знаками препинания.

Телеграмма

На основе телеграфа был создан телефон - один из самых распространенных в наше время видов электрической связи. Изобрел его американец Александр Белл в 1876 году. На изобретение телефона претендовали десятки и даже сотни изобретателей, но лишь А. Белл довел его до практического применения. Работая над созданием многоканального телеграфа, Белл, хорошо знакомый с акустикой, обратил внимание на возникновение звука в телеграфном аппарате при появлении электрического сигнала. Он решил установить на передающем пункте несколько камертонов, каждый из которых создавал бы в общей линии ток, пульсирующий со строго определенной частотой. На приемном пункте эти пульсации должны были восприниматься также камертонами, настроенными на соответствующую частоту. Так Белл собирался передавать одновременно семь телеграмм, по числу музыкальных нот. Работая над "музыкальным телеграфом", Белл одновременно начал строить аппарат, с помощью которого хотел сделать звуки речи видимыми для глухонемых сразу и непоср едственно, без всяких письменных обозначений. Для этого он почти год проработал в Массачусетском отоларингологическом госпитале, ставя различные эксперименты по изучению человеческого слуха. Главной частью аппарата должна была стать мембрана. На ней была укреплена игла, которая записывала на поверхность вращающегося барабана кривые, соответствующие различным звукам, слогам и словам. Размышляя над действием мембраны, Белл пришел к идее другого устройства, при помощи которого, как он писал, "станет возможной передача различных звуков, если только удастся вызвать колебания интенсивности электрического тока, соответствующие тем колебаниям в плотности воздуха, которые производит данный звук". Это и натолкнуло его на мысль о создании дистанционного переговорного устройства, которое он назвал телефоном. Говоря современным языком, Белл сумел преобразовать звуковой сигнал - речь - в аналоговый электрический сигнал, передать его на расстояние и снова преобразовать в звуковой сигнал - речь.

Первые слова, сказанные по телефону 10 марта 1876 года, принадлежат самому шотландскому изобретателю Александру Беллу: Mr. Watson - Come here - I want to see you ("Мистер Уотсон, зайдите, я хочу вас видеть"). Звонил Белл своему помощнику Уотсону в соседнюю комнату.

В 1876 году Александр Белл демонстрировал свой аппарат на Филадельфийской всемирной выставке. Там впервые прозвучало слово "телефон" - так Александр Белл назвал свой "говорящий телеграф". К изумлению жюри, из рупора диковинного аппарата послышался монолог Принца Датского "Быть или не быть?", исполняемый в это же самое время, но в другом помещении, самим изобретателем. Изобретение Белла стало сенсацией Филадельфийской выставки. И это несмотря на то, что первый телефонный аппарат работал с чудовищными искажениями звука, и разговаривать с его помощью можно было на расстоянии не далее 250 метров. Ведь он действовал еще без батарей, силой одной лишь электромагнитной индукции, а его приемное и передающее устройства были примитивны.

Организовав "Общество телефона Белла", изобретатель начал усовершенствовать свой аппарат, и уже через год запатентовал новую мембрану и арматуру для телефона. Затем применил для увеличения расстояния передачи угольный микрофон Юза и питание от батарей.

Рис. 3.11.  Александр Белл

Рис. 3.12.  Телефон Белла

Телефон, изобретенный Беллом, был неудобен для пользователя: микрофон этого аппарата висел на неподвижном штативе. Поэтому вскоре его заменил телефон Л.М. Эрикссона: в нем микрофон и телефон объединены в единую конструкцию - микротелефонную трубку, которую абонент при разговоре держит в руке. Телефонный аппарат служит одновременно и передающим, и приемным аппаратом. Обычный аппарат соединен с микротелефонной трубкой телефонным шнуром.

Рис. 3.13.  Л.М. Эрикссон

Рис. 3.14.  Телефонные аппараты Эрикссона с микротелефонной трубкой - настенный и настольный

В первое время телефонные аппараты связывались между собой попарно. Звонков и коммутаторов они не имели. Для того, чтобы вызвать абонента к аппарату, стучали карандашом по мембране. Впоследствии Эдисон снабдил аппарат звонком. В 1878 году в Нью-Хейвене (США) была создана первая телефонная станция, а в России первые городские телефонные станции начали действовать в 1882 году в Санкт-Петербурге, Москве, Одессе и Риге. Они обслуживались телефонистками, осуществлявшими ручную коммутацию абонентов между собой. Абонент отыскивал в абонентской книжке нужный номер и звонил на станцию. Когда телефонистка отвечала, он сообщал голосом нужный ему номер. Если этот номер не был занят, телефонистка соединяла его с требуемым абонентом с помощью специальных штекеров. Для этого она вставляла штекер в соответствующее гнездо на коммутационной панели. После этого два абонента могли разговаривать между собой. По окончании разговора их разъединяли.

Рис. 3.15.  Телефонистка на коммутаторе

В 1881 году А.Б. Строуджер запатентовал декадно-шаговую систему автоматической телефонной станции (АТС), а в 1889 году создал электромеханический шаговый искатель - АТС. В 1896 году в г. Огаста (США) была построена первая действующая АТС.

Рис. 3.16.  А.Б. Строуджер

Номеронабиратель

Первоначально нужный абонент выбирался набором комбинации из трех кнопок. В дальнейшем были предложены различные усовершенствования, в т.ч. прототип дискового номеронабирателя (1897 г.), который используется до настоящего времени. В дисковом номеронабирателе телефона Строуджера не было отверстий, а были выемки подобные зубьям большой шестеренки, занимавшие сектор около 170°. Первая автоматическая система запущена в коммерческое использование в Ла-Порте (штат Индиана) в 1899 г. Система позволяла соединяться с 99 абонентами. Компания Строуджера представляла усовершенствованные модели телефонов: 1900г. – настольный аппарат с дисковым номеронабирателем; 1902г. – аппарат с дисковым номеронабирателем с отверстиями; 1905г. – отверстия, занимающие большую часть периметра диска. Последняя модель увидела свет в 1907 году. Дисковый принцип набора номера получил широкое распространение с 1922 г., и до 1961 г. (появление тонального набора) оставался стандартным методом вызова в телефонии (в СНГ используется наряду с кнопочным до настоящего времени).

Рис. 3.17.  Настенный телефонный аппарат Строуджера с 10-цифровым дисковым номеронабирателем, 1899 г

Рис. 3.18.  Настольный телефонный аппарат Строуджера с дисковым номеронабирателем, 1905 г

В годы после изобретения телефона лишь немногие жители США могли позволить себе домашний телефон. Поэтому нужно было решать проблему оперативного доступа к телефонной связи. В ряде городов американского континента еще в конце 70-х годов XIX века открыли платные телефонные станции. Применялся и другой способ расчета с абонентами: дежурный телефонной службы сопровождал клиента до телефонной кабинки, соединял с нужным номером и запирал до тех пор, пока не получит необходимую сумму в счет оплаты. Таким несовершенным сервис в области связи оставался до тех пор, пока американец Грей не создал телефон, который смог выполнять функции кассира, - таксофон. Это телефонный аппарат, в котором соединение с вызываемым абонентом устанавливается после опускания в таксофон одной или несколько монет или специального жетона. Первый таксофон был представлен в 1890 году на Всемирной выставке в Париже.

Неотъемлемая часть таксофона - кабина, или телефонная будка, которая появилась намного раньше телефона автомата. Создал ее ученый Т. Уотсон - помощник Г. Белла. В 1883 году Уотсон представил телефонную будку из натурального дерева. Кабина для разговора по телефону была оборудована вентилятором и подставкой, на которой размещалась чернильница с пером.

Телефонная будка в Лондоне

В начале XX века первые телефонные автоматы появились в Москве и Санкт-Петербурге. В 1909 году 17 таксофонов были установлены за пределами российской столицы. Таксофонный парк России быстро увеличивался. В 1938 году в Москве открылся первый таксофонный переговорный пункт общего пользования. К началу второй мировой войны в Москве было около 3 тыс. телефонов-автоматов, сегодня - свыше 20 тыс.

В 40-х годах XX века были созданы координатные АТС, в 70-х годах были построены электронные АТС, а за последние десятилетия они переведены на цифровую технику.

Значительные усовершенствования в конструкцию телефона внесли многие изобретатели и прежде всего Т.А. Эдисон, который сумел устранить постоянные шумы и обеспечил хорошую слышимость на большом расстоянии. Набор номера вызываемого абонента при автоматической телефонной связи осуществляется номеронабирателем: в старых аппаратах - дисковым с десятью отверстиями, а в новых - кнопочным с десятью кнопками. Сообщение о вызове осуществляется звонком. Первый дисковый номеронабиратель появился в 1896 году, а аппараты с кнопочным набором промышленность начала выпускать в 1963 году.

В первые годы советской власти телефоны с дисковым набором были редкостью и устанавливались только у важных лиц (200 номеров в Кремле и 20 номеров в научно-техническом отделе ВСНХ - Всероссийского Совета Народного Хозяйства). Такие аппараты называли "вертушкой". Сегодня это слово осталось в языке как обозначение прямого правительственного телефона в кабинете у большого начальника, хотя сами "вертушки" с гербом на диске вымирают, уступая место кнопочным телефонам.

Рис. 3.19.  Телефонный аппарат с дисковым номеронабирателем

Современные телефонные аппараты имеют целый ряд дополнительных возможностей. Так, широко используются радиотелефоны, в которых трубка соединена с базовым телефонным аппаратом с помощью радиоканала. При этом и аппарат, и трубка снабжены радиоантеннами. Зачастую такая трубка имеет кнопочный номеронабиратель, позволяющий абоненту набирать номер, не подходя к базовому телефонному аппарату.

Рис. 3.20.  Телефонный аппарат с кнопочным номеронабирателем

В телефонную трубку такого "бесшнурового" телефона встроен миниатюрный батарейный приемопередатчик, работающий на той же волне, что и другой приемопередатчик, который находится в корпусе телефонного аппарата, подключенного к сети электропитания и к телефонной сети. В корпусе телефонного аппарата имеются звонок вызова и зарядное устройство для аккумулятора питания приемопередатчика.

Приемопередатчик телефонной трубки может работать на расстояниях, немногим меньших 1 км, а в некоторых моделях - до 3,5 км. Емкость питающего его аккумулятора достаточна для разговора в течение 45 мин и в течение 6 ч обеспечивает готовность телефона со снятой трубкой. Когда трубка положена, ее аккумулятор автоматически подзаряжается.

Основное преимущество домашнего радиотелефона - возможность свободного перемещения абонента в радиусе действия приемопередатчика. Главный недостаток - незащищенность большинства моделей от несанкционированного подключения к телефону посторонних лиц.

Рис. 3.21.  Радиотелефонный аппарат

Некоторые аппараты снабжают динамиком для осуществления "громкой" связи, при которой телефонный разговор слышен в комнате, где установлен аппарат. Существует еще целый ряд полезных функций: память последнего набранного номера, автоматический "дозвон" с помощью нажатия только одной кнопки после однократного набора номера; функция "записная книжка", в которой по желанию абонента кодируются наиболее часто используемые номера телефонов (после этого их можно набрать нажатием только одной кнопки) и т.д. Все эти функции обеспечивает встроенный в аппарат микропроцессор.

Большой популярностью пользуются телефонные аппараты с автоответчиком - встроенным в них миниатюрным магнитофоном, автоматически включающимся на запись при каждом звонке. Такой аппарат позволяет узнать содержание сообщений, сделанных звонившими абонентами в отсутствие хозяина аппарата с автоответчиком - запись можно прослушать после возвращения.

Появился уже и видеотелефон, в котором передача речи дополняется передачей изображения. Телевизионная камера одного видеотелефона формирует сигнал изображения абонента, участвующего в сеансе связи, и его изображение высвечивается на небольшом телевизионном экране (75-100 мм по диагонали, на жидких кристаллах) другого видеотелефона.

Рис. 3.22.  Видеотелефонный аппарат

Но самым выдающимся изобретением последних десятилетий стал мобильный (сотовый) телефон - гибрид радио и компьютера. Но о нем - позднее.

0.4.1.5.Радио и телевидение

Изобретение телеграфа значительно ускорило по сравнению с почтой передачу сообщений - телеграмм, а телефон позволил передавать живую человеческую речь на большие расстояния. Однако телеграфная и телефонная связь требуют прокладки проводов - кабелей. Особые сложности вызвала прокладка подводных кабелей между континентами. Обойтись без проводов при передаче сообщений позволило изобретение радио, в котором есть только радиопередатчик и радиоприемники, связанные между собой радиоволнами. Передатчик их излучает, а приемники принимают. Слово "радио" в переводе с латинского radio означает "излучать".

Одно из величайших изобретений конца XIX века, беспроволочный телеграф, было сделано русским ученым Александром Степановичем Поповым (рис. 3.26) и почти одновременно с ним итальянцем Гульельмо Маркони в 1895 году. В его основе лежало открытие электромагнитного излучения.

Майкл Фарадей в 1831 году открыл электромагнитную индукцию - явление порождения электрического поля переменным магнитным полем и высказал идею существования электромагнитных волн.

Рис. 3.23.  Майкл Фарадей

В 60-х годах XIX века Джеймс Максвелл теоретически предсказал существование электромагнитных волн. К 1869 году он установил все основные закономерности поведения электромагнитного поля и сформулировал их в виде системы четырех уравнений, получивших название уравнений Максвелла. Из этих уравнений следовал фундаментальный вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Скорость оказалась равной скорости света в вакууме: 300000 км/с. Отсюда Максвелл сделал заключение, что свет есть форма электромагнитных волн.

В 1886 году Генрих Герц провел эксперимент, подтвердивший это предсказание Максвелла о существовании электромагнитных волн. Для возбуждения электромагнитных волн он разработал вибратор, а для их приема - резонатор.

Рис. 3.24.  Джеймс Максвелл

Радиоволны представляют собой одну из разновидностей электромагнитных волн. Другие их разновидности - видимый свет и невидимые инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Различаются они между собой частотой, то есть числом колебаний в секунду.

Рис. 3.25.  Генрих Герц

Рис. 3.26.  А.С. Попов (1859 - 1905/06)

Рис. 3.27.  Первый радиоприемник А.С. Попова

Впервые мысль о применении электромагнитных волн для нужд связи высказал А.С. Попов. Он предложил придавать передаваемым сигналам определенную длительность (точки - тире) и с помощью азбуки Морзе передавать сообщения без проводов. Источником электромагнитных колебаний при этом служил вибратор Герца, а регистрировал их прохождение Попов с помощью разработанного в 1891 году Э. Бранли и усовершенствованного им чувствительного датчика - стеклянной трубки с платиновыми электродами, заполненной железными опилками.

Рис. 3.28.  Оливер Лодж

К датчику Бранли Лодж добавил прерыватель (trembler), устройство, которое встряхивало опилки, после прохождения разряда. Лодж назвал свое изобретение "когерер". Лодж использовал различные способы приведения когерера в рабочее состояние, в том числе и с помощью смонтированного на одной доске с когерером электрического звонка. А Попов использовал звонок в качестве звукового регистратора поступившего сигнала и одновременно в качестве вибрирующего автомата - прерывателя для приведения когерера в рабочее состояние.

Затем он присоединил к своей схеме телеграфный аппарат Морзе и ввел запись принимаемых сигналов на бумажную ленту. В результате получился первый в мире беспроволочный телеграф, состоящий из передатчика и приемника с записью сигналов с помощью азбуки Морзе.

7 мая 1895 года Попов впервые продемонстрировал работу созданного им радиоприемника. Первая радиограмма состояла всего из двух слов: "Генрих Герц". Сначала он принимал сигналы на расстоянии нескольких десятков метров. При этом Попов заметил, что дальность приема значительно возрастает, если к одному выводу когерера присоединить вертикальный провод, а к другому - заземленный провод. Так он изобрел приемную антенну.

В 1899 году Попов со своим помощником Рыбкиным построил новый радиоприемник, который принимал телеграфные сигналы на телефонные наушники на расстоянии 45 км. Зимой 1899/1900 годов приборы радиосвязи Попова были успешно применены при спасении броненосца "Генерал-адмирал Апраксин", который потерпел аварию у острова Готланд.

Почти одновременно с А.С. Поповым итальянец Г. Маркони создал свою радиотелеграфную установку и получил на нее английский патент. А.С. Попов, В.Рентген, А.Беккерель, М. Кюри и П. Кюри не брали патентов за свои открытия. Тогда это не было принято. А Маркони был не только талантливым изобретателем, но и энергичным бизнесменом. Он основал собственную компанию для реализации своего изобретения. Это дало ему возможность совершенствовать свой радиотелеграф, повысить его чувствительность, а также избирательность и дальность связи. Так, для осуществления избирательности радиосвязи Маркони использовал явление электрического резонанса и стал настраивать колебательные контуры передающей и приемной станций на одинаковую частоту. Проводя опыты по передаче радиосигналов на большие расстояния, Маркони сделал открытие. Он установил, что выпуклость земного шара не препятствует распространению электромагнитных волн. В 1901 году он со своим помощником Флемингом осуществил первую в историю передачу радиосигналов кодом Морзе через Атлантический океан на расстояние 1800 км. Вскоре были разработаны детекторы для приема радиосигналов.

В октябре 1907 года фирма Г. Маркони открыла первую радиотелеграфную станцию для передачи сообщений из Европы в Америку. В первый же день частными лицами было передано 14 000 слов.

Наряду с А.С. Поповым и Г. Маркони большой вклад в развитие беспроволочного телеграфа внес немецкий физик и изобретатель Фердинанд Браун (1850-1918).

Рис. 3.29.  Карл Фердинанд Браун

В 1874 году он открыл свойство кристаллов сульфидов металлов проводить электрический ток только в одном направлении, а в 1897 году изобрел кристаллический детектор - основу простейшего детекторного приемника и предшественника современных транзисторов. В том же 1897 году он разработал осциллоскоп (трубку Брауна), дающий зрительный образ меняющегося напряжения. На его основе позднее был создан кинескоп.

В конце XIX века Ф. Браун начал исследования в области беспроволочной телеграфии - вскоре после первых опытов Г. Маркони, использовавшего искровой электрический аппарат для генерации радиоволн. Ф. Браун разработал передатчик с безыскровым антенным колебательным контуром. В состав этого контура входил переменный конденсатор. В силу резонанса колебания от радиопередатчика производили максимальный эффект в таком радиоприемнике, у которого частота колебаний совпадала с частотой колебаний передающей станции, т.е., когда они настроены на одну частоту. В результате стало возможным выбирать частоту, на которую откликается принимающая станция, так, чтобы сигналы другой частоты от других радиопередатчиков не мешали ее работе.

В 1899 году Браун взял патент на свое изобретение и основал "Телеграфную компанию профессора Брауна", через которую и внедрял свои изобретения. Среди них и был изобретенный Брауном кристаллический детектор (предшественник транзистора).

Ф. Браун и Г. Маркони получили в 1909 году Нобелевскую премию по физике "в знак признания их вклада в создание беспроволочной телеграфии". В своей нобелевской речи Ф. Браун подчеркнул преимущества безыскровой радиотелеграфии по сравнению с искровой, позволившей значительно увеличить дальность передачи радиосигналов.

Но это был еще только радиотелеграф. Радиовещание речи и музыки началось позднее - в 1919 - начале 1920 года.

Р. Фессенден еще в 1900 году разработал принцип "наложения вибрирующих волн звуковой частоты, на постоянную радиочастоту, чтобы модулировать амплитуду радиоволны в форму звуковой "волны". Принцип был назван амплитудной модуляцией (АМ). Провел первые эксперименты по передаче голоса по радио. Осуществил в 1906 году первую официальную передачу голоса по радио.

Рис. 3.30.  Реджинальд Фессенден

Решающую роль сыграло изобретение электронной лампы. В 1904 году английский ученый Д.Флеминг, используя открытое Т.А. Эдисоном явление термоэлектронной эмиссии в вакууме, создал двухэлектродную лампу-диод и детектор радиоволн на ее основе.

Рис. 3.31.  Джон Флеминг

Рис. 3.32.  Диод Флеминга

В 1907 году американский инженер Ли де Форест изобрел трехэлектродную лампу - аудион - с третьей дополнительной управляющей сеткой, впоследствии названную триодом. На ее основе в том же 1907 году он предложил одну из первых схем лампового радиоприемника, в которой триод использовался в качестве усилителя.

Рис. 3.33.  Ли де Форест

Рис. 3.34.  Аудион Ли де Фореста

Изобретение лампового генератора дало возможность осуществить надежную и высококачественную радиотелефонную связь - передачу по радио речи и музыки.

В 1913 году немецкий радиотехник Мейсснер использовал триод для генерирования незатухающих электрических колебаний.

Рис. 3.35.  А. Мейсснер

Рис. 3.36.  Ламповый передатчик Мейсснера

Он построил на его основе первый в мире радиотелефонный передатчик и осуществил радиотелефонную связь на расстоянии 36 км между Берлином и его пригородом. Ламповый генератор содержал ламповый триод и колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора.

Через антенну излучаются только мощные электрические колебания высокой частоты, а колебания звуковой частоты возбуждают такие слабые электромагнитные волны, что их нельзя принять на большом расстоянии. Поэтому для осуществления передачи звука мощные колебания высокой частоты лампового генератора изменяют (или модулируют) с помощью колебаний низкой (звуковой) частоты. При этом на высокочастотные колебания генератора накладываются низкочастотные колебания от микрофона и через антенну передаются в эфир. При этом получаются электрические колебания с переменной амплитудой - модулированные колебания высокой частоты. Это так называемая амплитудная модуляция.

С модулированным высокочастотным сигналом, принятым радиоприемником, происходит обратный процесс - детектирование, при котором из него снова выделяют сигнал звуковой частоты. Детектирование осуществлялось с помощью вакуумного диода. После усиления этот сигнал звуковой частоты вызывал колебания мембраны телефона или рупора громкоговорителя. Первые электронные лампы и схема радиоприемника "прямого усиления" были несовершенны.

В 1913 году американский радиотехник Э. Армстронг (1890-1954) разработал более совершенную схему регенеративного радиоприемника (с обратной связью), а в 1918 году - схему супергетеродинного радиоприемника, применяемую и по сей день. В супергетеродинном радиоприемнике принятые радиосигналы преобразуются (с помощью маломощного генератора колебаний радиочастоты - гетеродина) в колебания промежуточной частоты и после этого подаются в детектор. Такие приемники обладают, по сравнению с приемником прямого усиления, значительно большей избирательностью и чувствительностью.

Рис. 3.37.  Армстронг

Схема супергетеродина применяется и сегодня во всех современных радиоприемниках (рис. 3.38).

Рис. 3.38.  Супергетеродинный радиоприемник СВД-9

Изобретения Э. Армстронга помог реализовать предприниматель Давид Сарнов (Sarnoff) (1891-1971) - американский пионер радио- и телевещания. Он эмигрировал с семьей в США из России в 1900 году и обосновался сначала в Олбани, а затем переехал в Нью-Йорк. Учась в школе, помогал семье: продавал газеты, работал посыльным, пел в синагоге. В 1906 году он оставил школу и устроился курьером в телеграфную компанию.

Рис. 3.39.  Д. Сарнов в юности

На первые заработанные деньги Д. Сарнов купил телеграфный аппарат, овладел азбукой Морзе и нашел работу в качестве радиотелеграфиста в компании беспроволочного телеграфа Маркони. Вскоре он стал опытным радиотелеграфистом. Через несколько лет Д. Сарнов стал оператором наиболее мощной в то время радиостанции, установленной на крыше манхэттенского универмага в Нью-Йорке. Там 15 апреля 1912 года он принял радиограмму с парохода "Олимпик", находившегося на расстоянии 2500 км от Нью-Йорка: "Пароход "Титаник" врезался в айсберг и быстро тонет". После этого он трое суток не снимал наушники, окруженный вниманием всего мира. По распоряжению президента У. Тафта все радиостанции на восточном побережье США замолкли на 72 часа, чтобы не мешать единственной радиостанции, поддерживавшей связь с тонущим "Титаником". Оператором этой радиостанции и был 20-летний Д. Сарнов. От него мир узнавал подробности случившейся трагедии, через него организовывались спасательные мероприятия и уточнялись списки спасенных. Разумеется, после этой 72-часовой вахты Д. Сарнов стал известнен всей стране. Вознагражденный компанией Маркони, он вскоре стал ее важным должностным лицом.

В 1919 году была образована Американская радиокорпорация (Radio Corporation of America - RCA) для создания системы национального радиовещания. Ее учредителями стали крупнейшие компании "Дженерал Электрик", "Вестингауз", "Маркони-Америка" и АТТ, а ее коммерческим руководителем стал Д. Сарнов.

В 1921 году Д. Сарнов был назначен генеральным директором RCA.

Рис. 3.40.  Д. Сарнов - президент RCA 1930 г.

В 1926 году Д. Сарнов создал Национальную Радиовещательную Компанию (NBC) в качестве отделения RCA. К тому времени он почувствовал потенциал телевидения и в 1928 году запустил экспериментальную телевизионную станцию NBC. В 1939 году он осуществил телевизионную передачу с Всемирной выставки в Нью-Йорке.

Также Д. Сарнов содействовал развитию в СССР телевидения. В 1938 г. он продал Советскому Союзу комплект оборудования, положивший начало регулярному телевещанию в Москве. А в 1949 году, в разгар холодной войны, он активно содействовал поставкам аппаратуры для модернизации Московского телецентра. Кроме того, все лучшие отечественные радиозаводы были созданы на базе аппаратуры, закупленной у корпорации RCA.

Развитие телевизионного вещания было отсрочено Второй мировой войной, во время которой Д. Сарнов был консультантом по средствам связи при штабе генерала Д. Эйзенхауэра и получил звание бригадного генерала.

Д. Сарнов стал президентом RCA в 1930 году, председателем правления - в 1947 году и покинул ее в 1970 году, передав свой пост сыну Роберту. Умер Д. Сарнов в декабре 1971 года в возрасте 80 лет.

Д. Сарнов одним из первых в мире понял, что радиотелеграфной связи недостаточно, и пришел к идее организации радиовещания. Эта идея не возникла у таких корифеев радиотехники, как Г. Маркони, Т. Эдисон и Н. Тесла. Пионером радиовещания стал Д. Сарнов. Сначала он нашел ему применение в политике - во время выбора президента США в 1916 году. Сарнов предложил создать оперативную сеть из 20 мощных радиостанций для освещения хода и результатов выборов. Это были первые в мире политические радиопередачи. Но выборы президента происходят в США только раз в 4 года, и такие передачи снова потребовались только во время новых президентских выборов в 1920 году. Радиостанции снова транслировали предвыборные митинги, съезды партий и речи кандидатов. Однако для привлечения массового потребителя радиовещания этого было мало.

В те же годы Д. Сарнов создал внутри RCA, образованного в 1919 году, мощную индустрию звукозаписи. Музыка тиражировалась на грампластинках фирмы "Виктор" и передавалась в эфир дочерней радиокомпанией NBC (National Broadcasting System). Симфонический оркестр NBC под управлением знаменитого дирижера Артуро Тосканини был признан лучшим в мире. На грампластинки записывались и предвыборные речи. Потом они воспроизводились через громкоговорители на митингах и партийных съездах.

Но Сарнов понимал, что для настоящего успеха радиовещания этого мало, и решил использовать интерес американцев к спортивным зрелищам. В 1921 году Д. Сарнов провел сенсационную радиопередачу матча бокса на первенство мира между тяжеловесами Д. Дэмпси (США) и Ж. Карпантье (Франция), которая показала возможности радиовещания и способствовала его быстрому распространению. Д. Сарнов сотрудничал с Э. Армстронгом и еще в 1916 году предложил для продажи первый промышленный радиоприемник, названный им "музыкальным ящиком". В течение трех лет после сенсационной радиопередачи 1921 года радиокорпорация RCA продала радиоприемников более чем на 80 млн долларов.

В Советской России в 1918 году была создана Нижегородская радиолаборатория (НРЛ), ставшая научно-исследовательским и производственным центром в области радиодела. Руководил ею один из пионеров радиотехники Михаил Александрович Бонч-Бруевич (1888-1940). В НРЛ были созданы мощные генераторные радиолампы, позволившие построить самые мощные в мире радиостанции. В 1922 году в Москве было закончено строительство первой в мире радиовещательной радиостанции имени Коминтерна (РВ-1). Вещание велось с радиобашни на Шаболовке, построенной выдающимся инженером В.Г. Шуховым (1853-1939).

Рис. 3.41.  М.А. Бонч-Бруевич

Рис. 3.42.  Радиобашня Шухова на Шаболовке в Москве

РВ-1 стала самой мощной передающей станцией того времени. Она имела мощность 12 кВт. В 1922 году в Германии работала Кенигвустергаузенская станция мощностью 5 кВт, во Франции - Эйфелева башня мощностью 3 кВт, в Нью-Йорке - 1,5 кВт. Все они были радиотелеграфными.

В СССР строительством мощных радиостанций в течение многих лет руководил академик Александр Львович Минц (1874-1974).

Рис. 3.43.  Александр Львович Минц

Систематическое радиовещание началось в США и Англии в 1921 году, в Германии - в 1923 году, а в СССР - в 1924 году. Вскоре радиовещание превратилось в мощное средство массовой информации. Так, президент США Ф. Рузвельт регулярно выступал по радио с разъяснением своего "нового курса".

Радиовещание ведется на длинных волнах (ДВ - частота 30-300 кГц), средних волнах (СВ - частота 0,3-3 мГц), коротких волнах (КВ - частота 3-30 МГц) и ультракоротких волнах (УКВ - частота 30 МГц-1 ТГц).

Длинные волны распространяются в пространстве вдоль поверхности Земли днем и ночью, однако сильно ослабевают по мере удаления от передатчика. Поэтому на ДВ требуется большая мощность для него.

Средние волны днем сильно поглощаются верхним слоем атмосферы, ионосферой, и быстро ослабевают. Ночью ионосфера их отражает. Поэтому днем на средних волнах слышны только ближние радиостанции, а ночью - и более далекие.

Короткие волны приходят к антенне радиоприемника, отражаясь от ионосферы. На КВ работают судовые, самолетные и радиовещательные станции.

Ультракороткие волны не отражаются и не поглощаются ионосферой. Они проходят сквозь нее подобно лучам света и уходят в космос. Поэтому связь на УКВ возможна только при условии прямой видимости. УКВ используют для телевидения, радиорелейной связи, спутниковой связи и радиолокации, диспетчерской связи на железных дорогах.

В 1933 году Э. Армстронг получил патенты на новую систему радиосвязи - частотную модуляцию (FM) вместо применявшейся до этого амплитудной модуляции (АМ) при передаче речи и музыки. При этом получаются модулированные высокочастотные электрические колебания с переменной частотой (вместо переменной амплитуды). Частотная модуляция позволила избавиться от помех, возникающих в эфире, и добиться гораздо более высокого качества радиопередачи. Однако это требовало коренных изменений в радиопередающей и радиоприемной аппаратуре. В 1939 году Э. Армстронг на свои средства построил первую радиостанцию с использованием частотной модуляции и доказал ее преимущества. Но все же частотная модуляция получила признание только после окончания Второй мировой войны и является теперь основной в радиовещании, телевидении и космической связи, обеспечивающей высокое качество передачи и защиту от помех.

Модуляция звуковых колебаний

Рис. 3.44.  Эдвин Армстронг

Телевидение - это передача на расстояние с помощью радиоволн изображений подвижных объектов вместе со звуковым сопровождением.

Первой работающей телевизионной системой считается механическое телевидение - изобретение немецкого инженера Пауля Нипкова, которое он, будучи еще студентом, сделал в 1884 году.

Рис. 3.45.  Пауль Нипков

П. Нипков изобрел названный позднее его именем диск, с помощью которого изображение преобразовывалось в электрические импульсы. Это был диск с определенным числом отверстий, расположенных по спирали. Напротив него устанавливался фотоэлемент. Свет попадал на фотоэлемент через этот диск. Нипков вращал диск над картинкой или объектом. Световые импульсы проникали через отверстия диска и с помощью фотоэлемента превращались в электрические сигналы. Такой принцип последовательного просмотра изображения по точкам называют сканированием. Он используется и по сей день в современном телевидении. Тогда количество строк на экране было небольшим - около 300, то есть свет проникал на объект через триста отверстий. При этом телевизионная "картинка" была достаточно грубой.

На основе принципа сканирования с помощью диска Нипкова шотландский ученый Джон Бэрд в 1926 году впервые продемонстрировал публике передачу изображения и воспроизведения его на экране. Достоинство его телевизионной системы заключалось в том, что из-за очень малой разрешающей способности экрана можно было передавать телевизионное изображение, используя обычную средневолновую радиосистему. Бэрд передавал изображение, используя радиосистему компании Би-Би-Си. Он первым в мире продемонстрировал телевизионное изображение, которое было размером всего с почтовую марку, слабым и мерцающим, с очень низкой разрешающей способностью, то есть способностью передавать в изображении мелкие детали объекта. Эту систему нельзя было усовершенствовать без изменения фундаментальных технологических принципов работы телевидения.

Электронное телевидение пришло на смену изобретению Нипкова много лет спустя.

В 1907 году русский ученый Б.Л. Розинг (1869-1933) (рис. 3.46) разработал и запатентовал способ передачи изображений с помощью электронно-лучевой трубки посредством внешнего фотоэффекта, открытого А. Г. Столетовым. Чтобы на экране было видно такое же изображение, он построил электромагнитное развертывающее устройство. Число строк развертки было тогда всего 12. В 1911 году Розинг осуществил первую в мире телепередачу по своей системе. Его патент был признан во многих странах, включая Германию, Великобританию и США.

Рис. 3.46.  Борис Львович Розинг

Решающую роль в создании электронного телевидения сыграли изобретения русского инженера Владимира Кузьмича Зворыкина (1889-1982). Он работал под руководством Б.Л. Розинга, позднее эмигрировал в США и работал в компании Westinghause, а затем в RCA. Президент RCA Давид Сарнов, пионер радио и телевидения, помогал осуществить его изобретения.

В 1923 году Зворыкин подал патентную заявку на иконоскоп - передающую телевизионную трубку, а в 1924 году на кинескоп - приемную телевизионную трубку. Вместе эти два изобретения составили первую полностью электронную телевизионную систему. В 1931 году В.К. Зворыкин (рис. 3.47) осуществил свой иконоскоп - передающую электронно-лучевую трубку. Он был позднее вытеснен более совершенными ортиконом и суперортиконом, но послужил основой для дальнейших важных разработок в области телевизионных камер. Современная приемная телевизионная трубка - это по существу кинескоп Зворыкина. Он разработал также цветную телевизионную систему, на которую получил патент в 1928 году.

Рис. 3.47.  Владимир Кузьмич Зворыкин

Практически одновременно с работами В.К. Зворыкина в США советский инженер С.И. Катаев (1904-1991) в том же 1931 году разработал свою передающую телевизионную трубку - иконоскоп. Передачу первого изображения при помощи своего иконоскопа с разверткой на несколько десятков строк он осуществил в том же 1931 году. Обе эти передающие трубки похожи друг на друга как близнецы. А в 1932 году Катаев создал вакуумную приемную телевизионную трубку.

Для того чтобы передать изображение на расстояние, его нужно сначала преобразовать в электрические сигналы, затем передать на расстояние с помощью радиоволн, а принятые сигналы расшифровывать и снова получить изображение.

Рис. 3.48.  Семен Исидорович Катаев

Преобразование изображения в электрические сигналы осуществляют с помощью передающей телевизионной трубки, а обратное преобразование электрического сигнала в изображение на экране телевизора - с помощью приемной телевизионной трубки - кинескопа.

Схема телевизора

В 1932 году Национальная Радиовещательная Корпорация (NBC), принадлежавшая RCA, начала экспериментальные телепередачи с самого высокого здания в Нью-Йорке - Эмпайр Стэйт Билдинг. Первое регулярное телевизионное вещание началось в Германии в 1935 году, а в Англии - в 1936 году. Тогда в Лондоне насчитывалось всего 400 телевизоров. К началу Второй мировой войны в Англии было уже около 2000 телевизоров, а в 1953 году их число увеличилось до 2 миллионов. Регулярное телевизионное вещание началось в США в 1939 года с показа церемонии открытия Нью-Йоркской Всемирной выставки. В этот день было показано выступление Д. Сарнова (см. выше) о перспективах телевидения, а Франклин Рузвельт стал первым президентом США, выступившим по телевидению.

Сначала телевидение не было коммерческим - вся реклама передавалась по радио, но с 1 июля 1941 года в США было официально разрешено коммерческое телевидение. Первой коммерческой телестанцией стала нью-йоркская WNBT, продававшая рекламодателям 15 часов в неделю. Спонсоры, покупая эфирное время, должны были спонсировать и телепрограмму.

На время Второй мировой войны развитие коммерческого телевидения было остановлено, а в 1945 году возобновлено. В 1948 году в США уже было 36 действующих телевизионных станций и еще 70 строились. В домах у американцев к тому времени было около 1 миллиона телевизоров.

Массовое цветное телевидение впервые возникло в США. Уже в январе 1953 года федеральная комиссия утвердила для него единый технический стандарт - NTSC. Он был разработан компанией RCA, а принадлежащая ей телекомпания NBC уже в 1963 году транслировала цветные программы 40 часов в неделю.

В начале развития телевидения наибольшие трудности с его распространением испытывали США и Россия. Ведь обе эти страны имеют огромную площадь с различными временными зонами и невысокую плотность населения во многих районах.

В США было создано кабельное телевидение, соединившее различные города. Это позволяло транслировать одну и ту же программу в разных регионах страны.

В России была впервые использована спутниковая технология - еще до того, как технические возможности телевизионных приемников позволили принимать спутниковый сигнал.

В США начали "соединять" города телевизионными кабелями. Кабельное телевидение позволяло его абонентам принимать по желанию любое число каналов. Страны Европы по площади сравнительно невелики, а плотность населения значительно выше, чем в Америке и России. Поэтому в них экономически более выгодным было строительство сети наземных трансляционных станций, покрывающих всю площадь страны.

В последние годы технические возможности позволили начать массовое спутниковое телевизионное вещание, и началась острая борьба между компаниями кабельного и спутникового телевидения. Кабельное телевидение появилось и в Европе. Но его абоненты, которые хотят иметь дополнительные каналы, пользуются и спутниковым телевидением.

К началу XXI века телевидение наряду с телефоном и радио стало наиболее массовым средством информации, развлечения и даже средством политической пропаганды и агитации. В США уже давно исход президентских выборов решает телевидение. Телевизионные дебаты кандидатов в президенты смотрит вся страна. Да и исход президентских выборов в России в 1996, 2000 и 2004 годах в значительной мере определило телевидение.

В жизни современного человека телевидение является одним из основных видов получения информации о политических и спортивных новостях, любимых видах досуга и развлечений. Существуют десятки и сотни специальных телевизионных программ: это сказки, игровые кинофильмы и мультфильмы, викторины, рассказы о живой природе и путешествиях, спортивные - о футболе, хоккее, теннисе, автогонках "Формулы-1", фигурном катании, волейболе и других видах спорта. Существует множество полезных познавательных и обучающих программ по самым разным видам знаний - географии, истории, литературе, искусства, физики, химии, математике, информатике, биологии, которые помогают в учебе школьникам, абитуриентам и студентам.

0.4.1.6.Век полупроводников, микроэлектроники и жидких кристаллов приходит на смену веку вакуумной электроники

В 1883 году Т.А. Эдисон пытался увеличить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания. Он ввел в баллон лампы, из которой откачан воздух, металлический электрод. К выводу впаянного электрода и одному из выводов раскаленной электрическим током нити он подсоединил батарею и гальванометр. Стрелка гальванометра отклонялась, когда к электроду подсоединялся плюс батареи, а к нити - минус. При смене же полярности ток в цепи прекращался.

Этот эксперимент привел Эдисона к фундаментальному научному открытию, которое стало основой работы всех электронных ламп и всей электроники дополупроводникового периода.

Открытое им явление впоследствии получило название - термоэлектронная эмиссия.

В 1905 году этот "эффект Эдисона" стал основой британского патента Джона Флеминга на "прибор для преобразования переменного тока в постоянный" - первую электронную лампу-диод, открывшую век электроники.

В 1907 году американский инженер Ли де Форест ввел в лампу третий электрод - управляющую сетку. Эта лампа получила название "аудион", а впоследствии - "триод". Такая лампа могла уже работать в качестве усилителя колебаний, а с 1913 года на ее основе был создан генератор незатухающих колебаний.

Создание электронных ламп дало толчок бурному развитию в 1910-1920-х гг. радиосвязи и радиовещания, а появление в 1930-х гг. передающих (иконоскопов) и приемных (кинескопов) электронно-лучевых приборов обусловило возникновение электронного телевидения.

В результате сформировалась технология приборов вакуумной электроники, появились заводы по производству таких приборов, положившие начало развитию электронной промышленности. До 1960-х гг. вакуумная электроника представляла практически всю электронику.

А.Ф. Иоффе сделал ряд классических работ в области физики твердого тела, особенно в области полупроводников, исследовать которые он начал первым в мире. А ведь в начале 1930-х годов они считались бесперспективными. Он организовал лабораторию полупроводников, которая затем превратилась в научно-исследовательский институт и целое направление в науке (рис. 3.49).

Рис. 3.49.  А.Ф. Иоффе

Первым полупроводниковым материалом в электронике стал селен. В 1873 году американский физик У. Смит открыл эффект изменения сопротивления селенового столбика под действием света. На этой основе был создан первый полупроводниковый прибор - фоторезистор. В 1874 году немецкий физик К.Ф. Браун открыл одностороннюю проводимость контакта металла - полупроводника. Это привело в 1900-1905 гг. к использованию полупроводников в кристаллических детекторах для демодуляции радиотелефонных сигналов.

Одним из первых начал экспериментировать с кристаллическими детекторами-генераторами О.В. Лосев (1903-1942). Олег Владимирович Лосев обессмертил свое имя двумя открытиями: он первым в мире показал, что полупроводниковый кристалл может усиливать и генерировать высокочастотные радиосигналы; он открыл электролюминесценцию полупроводников, т.е. испускание ими света при протекании электрического тока. В 1923 году он получил патент на детекторный приемник - гетеродин (кристадин). Еще при ранних исследованиях детекторов в 1923 году он заметил, что при пропускании тока некоторые из них испускают свет. Особенно ярко светились карборундовые детекторы. В Ленинграде Лосев (рис. 3.50) и занялся изучением и объяснением этой электролюминесценции, в значительной степени в содружестве и при поддержке Физико-технического института, возглавляемого академиком А.Ф. Иоффе.

Рис. 3.50.  О.В. Лосев

Наследник А.Ф. Иоффе по Физико-техническому институту (Физтеху) и его сегодняшний директор Ж.И. Алферов (рис. 3.51) в 2000 году получил Нобелевскую премию за работы в области полупроводниковых гетероструктур и созданию современной полупроводниковой оптоэлектроники и полупроводниковой лазерной техники. На их основе работают лазерные проигрыватели и многие другие современные электронные приборы.

Рис. 3.51.  Ж.И. Алферов

Толчком к развитию полупроводниковой электроники явилось изобретение в 1948 году американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардиным транзистора - полупроводникового прибора для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненного на основе монокристаллического полупроводника. Транзистор (от англ. transfer - переносить и resistor - сопротивление) - трехполюсный полупроводниковый электронный прибор, изменяющий свое сопротивление при приложении напряжения на управляющий электрод, что позволяет управлять мощной цепью при помощи слабого сигнала. Благодаря этому свойству транзистор применяется для усиления, коммутации и преобразования электрических сигналов. Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, свершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

В 1951 году в Силиконовой долине, к югу от Сан-Франциско (Silicon Valley, от silicon - английского названия кремния, основного элемента, применяющегося при производстве полупроводников) был создан крупный научно-промышленный центр. Занимает полосу в 56 км в длину и 16 км в ширину, протянувшуюся с северо-запада на юго-восток, и включает города Сан-Хосе, Пало-Альто, Санта-Клара, Лос-Альтос, Санни-Уэлли. В Силиконовой долине самая высокая в мире концентрация предприятий электронной промышленности.

В Силиконовой долине действуют свыше 3 тысяч фирм. Сотни из них выпускают компьютеры, около тысячи специализируются на программном обеспечении. Здесь работают около 40% американских инженеров, занятых в сфере информационных технологий. Здесь же расположен Стэнфордский университет. Технологии и продукция Силиконовой долины в необычайно короткий срок изменили мир, насытив его современными микропроцессорами, компьютерами, цифровыми фото- и видеокамерами, сотовыми телефонами и др.

Подробный рассказ об элементах и устройствах полупроводниковой техники - в главе "История компьютера".

Почти весь XX век прошел с электронно-лучевыми передающими (иконоскопами) и приемными (кинескопами) приборами. Кинескопы нашли массовое применение в телевизорах и мониторах персональных компьютеров. Но представить себе портативную видеокамеру с иконоскопом невозможно, так же как кинескоп - в качестве индикатора в портативных часах или сотовом телефоне. Электронно-лучевые приборы непригодны для этих целей ни по габаритам, ни по физическим характеристикам. Все-таки это высоковольтные приборы.

В 1969 году исследователи из Bell Laboratories - Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображений. В 1973 году компания Fairchild начала промышленный выпуск ПЗС-матриц. Они были черно-белыми и имели разрешение всего 100х100 пикселей.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС), или Charge Coupled Device (CCD), представляет собой микросхему, состоящую из соединенных между собой полупроводниковых конденсаторов. Каждый из конденсаторов держит определенный заряд. С помощью управляющей электрической схемы эти заряды определенным, синхронизированным во времени образом последовательно, по цепочке сдвигаются с одного конденсатора на другой, соседний. ПЗС-матрица является миниатюрным полупроводниковым прибором, служащим для преобразования оптического изображения в аналоговый электрический сигнал. В результате получается аналоговый электрический сигнал, соответствующий отснятому изображению. Пройдя через аналогово-цифровой конвертор (Analogue-Digital Converter, ADC) информация преобразуется в цифровую форму, после чего ее можно сжимать, сохранять и обрабатывать разными способами.

Чтобы получить полноцветное изображение, возможны два пути. Один из них - при помощи призм и фильтров разбить поступающий через объектив свет на цветовые составляющие, а затем отправить красную, зеленую и синюю составляющие на отдельные матрицы CCD.

Второй путь - использовать один CCD, но поместить перед ним мельчайший фильтр с отдельной цветовой ячейкой для каждого пикселя. В результате получается CCD с набором вертикальных красных, зеленых и синих полос. Пиксели группируются в тройки: каждый из них передает свое собственное значение яркости, а цветовая составляющая вычисляется как среднее из трех значений.

Приборы с зарядовой связью стали основой для современной любительской видеосъемки и цифровой фотографии.

Изобретатели матрицы ПЗС (CCD):

Уиллард Бойл

Джордж Смит

Жидкие кристаллы - вещества, способные изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, - открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Вместе с немецким кристаллографом Ф. Леманом они описали необычные свойства жидких кристаллов. Это произошло задолго до изобретения кинескопа. Однако, как иногда случается, ученые не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Впервые советские ученые В.К. Федерикс и В.Н. Цветков в 1930-х годах исследовали их необычные электрические и оптические характеристики.

В 1930-м году исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон и Вильямс из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Первый из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, а второй изучал воздействие электрического поля на жидкие кристаллы. В 1966 году корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD (Liquid Crystal Display) - цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 года уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 1970-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 году Sharp выпустила черно-белый телевизор с экраном диагональю 5,5 дюйма, выполненным на базе LCD-матрицы, с разрешением 160х120 пикселей.

Работа ЖКД (LCD) основана на явлении поляризации светового потока. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полям и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами. Действие жидкокристаллического LCD-монитора (или любого индикатора, например часов или калькуляторов) основано на использовании вещества, находящегося в жидком состоянии, но при этом обладающего некоторыми свойствами кристаллических тел. Молекулы таких жидких кристаллов под действием электрического поля способны изменять свою ориентацию и свойства проходящего сквозь них светового луча. Пользуясь этим свойством, в жидкокристаллических индикаторах, изменяя электрическое напряжение и ориентацию молекул, создают изображение.

LCD-монитор имеет несколько слоев, содержащих между собой тонкие слои жидких кристаллов. Панель монитора подсвечивается источником света. В зависимости от его расположения панели работают или на отражение, или на прохождение света. В цветных мониторах цвет получается с помощью трех фильтров.

В компьютерных LCD-мониторах используются так называемые нематические или супернематические жидкие кристаллы. Нематические элементы способны поворачивать плоскость поляризации на угол до 90 градусов, а супернематические - до 270 градусов. Супернематические кристаллы обладают высоким быстродействием и контрастностью. Они применяются для пассивных индикаторов. Нематические кристаллы используются в высококачественных цветных мониторах.

В пассивных индикаторах элементы располагаются на пересечениях сетки проводников, к которым подводится электрическое поле путем переключения транзисторов, подключенных к этим проводникам. Такие элементы имеют эффект последействия, поэтому движущиеся предметы на них расплываются.

В активных жидкокристаллических TFT-экранах (Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор) каждый элемент снабжается транзистором. Эти транзисторы управляют приложенным напряжением и быстрее переключаются.

В цветных жидкокристаллических экранах элементы группируют по три (в вертикальный ряд). Каждые такие три элемента образуют пиксель. Каждый элемент имеет светофильтр. Транзисторы управляют количеством проходящего света, образуя нужную смесь цветов.

Недостатком пассивных мониторов является возможность смотреть на них только во фронтальной позиции, а экран с активной матрицей имеет угол обзора 120-160 градусов и обладает хорошей яркостью и контрастностью изображения. Первые LCD-мониторы выпускались только для портативных ПК с диагональю экрана 8 дюймов. Сегодня LCD-мониторы для портативных ПК имеют по диагонали 15 дюймов, а для настольных - 19 и более дюймов (рис. 3.52).

Рис. 3.52.  LCD-монитор

Экран такого LCD-монитора (или телевизора) представляет собой матрицу ЖК-элементов. В пассивной матрице ЖК-элементов выбранная точка изображения активируется подачей напряжения на соответствующие прозрачные адресные проводники-электроды строки и столбца.

В этом случае невозможно достичь высокого контраста изображения, так как электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока. Эта проблема вполне разрешима при использовании так называемой активной матрицы ЖК-элементов, когда каждой точкой изображения управляет свой электронный переключатель. LCD-мониторы, в отличие от СRT-мониторов, являются полностью цифровыми приборами. Однако приходится обеспечивать их совместимость с аналоговыми СRT-мониторами. Для этого цифровой сигнал от системного блока компьютера сначала преобразуется в видеокарте в аналоговый сигнал, а затем снова в цифровой - уже в самом LCD-мониторе. Для преодоления этого неестественного положения уже созданы первые цифровые видеокарты.

Несомненным преимуществом LCD-мониторов по сравнению с CRT-мониторами является почти полное отсутствие вредного излучения, которому подвергается человек, работающий перед экраном электронно-лучевой трубки, а недостатком - пока еще весьма высокая цена, которая, однако, довольно быстро снижается по мере увеличения выпуска LCD-мониторов.

Стандарты безопасности, которым эти мониторы должны отвечать, - TCO или MPRII, разработанные в Швеции.

К преимуществам экранов TFT относятся отличная фокусировка, отсутствие геометрических искажений и ошибок совмещения цветов. Кроме того, у них никогда не мерцает экран. В этих дисплеях не используется электронный луч, рисующий слева направо каждую строку на экране. Когда в ЭЛТ этот луч переводится из правого нижнего в левый верхний угол, изображение на мгновение гаснет (обратный ход луча). Напротив, пиксели дисплея TFT никогда не гаснут, они просто непрерывно меняют интенсивность своего свечения.

Экран, который не мерцает, гораздо меньше утомляет глаза.

Несомненным преимуществом жидкокристаллического экрана является маленькая толщина экрана, составляющая всего около 20 мм, по сравнению с толщиной ЭЛТ-экрана монитора персонального компьютера или телевизора, составляющей 200 и более мм. Особенно важна малая толщина жидкокристаллического экрана в миниатюрных электронных приборах, таких как сотовый телефон, карманный компьютер и др.

Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Прежде всего они были задействованы в ноутбуках, а затем и в настольных персональных компьютерах. А сегодня они нашли массовое применение в дисплеях карманных компьютеров, сотовых телефонов, электронных записных книжек, коммуникаторов, цифровых фото- и видеокамер, дисплеях всей бытовой электроники.

Плазменные панели появились в 1999 году. Они используются только в качестве мониторов телевизоров.

Работа плазменного (PDP - Plasma Display Panels) монитора похожа на работу неоновой лампы. Он выполнен в виде плоской стеклянной трубки, заполненной инертным газом под низким давлением. Внутри трубки помещены два электрода. При подаче напряжения между ними зажигается электрический (так называемый тлеющий) разряд и возникает свечение. В плазменных экранах пространство между двумя стеклянными поверхностями заполняется, как и в неоновой лампе, инертным газом - аргоном или неоном. На стеклянную поверхность помещают маленькие прозрачные электроды, на которые подается высокочастотное напряжение: образуется целое поле миниатюрных точечных неоновых лампочек. Под действием напряжения в газовой области, прилегающей к электроду, возникает электрический разряд. Плазма этого разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне спектра, а он, в свою очередь, вызывает свечение частиц люминофора в видимой человеком части спектра. То есть каждый пиксель на экране работает подобно лампе дневного света.

Рис. 3.53.  Плазменный экран

Преимуществами плазменных экранов являются высокая яркость, контрастность и очень большой угол обзора - до 180 градусов. У них отсутствует дрожание картинки, так как она выводится не по строчкам, а прямо в цифровом виде. Размер плазменных экранов достигает 100 см при толщине всего 8,5-9 см, то есть его, как картину, можно поставить на стол или повесить на стену. Плазменные экраны (телевизоры), так же как и жидкокристаллические, являются полностью цифровыми приборами.

0.5.Лекция 4. Современные средства и линии связи

0.5.1. 

Линии (каналы) связи обеспечивают передачу и распространение сигналов от передатчика к приемнику. По физической природе передаваемых сигналов различают электрические (проводные и радио), акустические и оптические каналы связи.

Древнейшими каналами связи являются акустические и оптические.

Для передачи информации использовался звук - барабанов и колоколов. Человеческая речь также передается по акустическому каналу связи, ограниченному пределом слышимости. Принцип передачи информации голосом на большие расстояния использовался еще до новой эры.

У персидского царя Кира (VI век до н. э.) состояло для этой цели на службе 30000 человек, именуемых "царскими ушами". Они располагались на вершинах холмов и сторожевых башен в пределах слышимости друг друга и передавали сообщения, предназначенные царю, и его приказания. За один день известия по такому акустическому "телефону" проходили расстояние тридцатидневного перехода.

Сигнальные костры - это древнейший оптический канал связи.

В наше время наибольшее распространение получили электрические каналы связи. Это совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сообщений любого вида от отправителя к получателю. Она осуществляется с помощью электрических сигналов, распространяющихся по проводам, или радиосигналов. Различают каналы электросвязи: телефонные, телеграфные, факсимильные, телевизионные, проводного и радиовещания, телемеханические, передачи данных и т. д. Составной частью каналов связи являются линии связи - проводные и беспроводные (радиосвязь). В свою очередь проводная связь может осуществляться по электрическому кабелю и по оптоволоконной линии. А радиосвязь осуществляется по ДВ-, СВ-, КВ- и УКВ-диапазонам без применения ретрансляторов, по спутниковым каналам с применением космических ретрансляторов, по радиорелейным линиям с применением наземных ретрансляторов и по сотовой связи с использованием сети наземных базовых радиостанций.

0.5.1.1.Проводные линии связи

Проводные линии электросвязи делятся на кабельные, воздушные и оптоволоконные.

Линии электросвязи возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые линии связи были кабельными. Они прокладывались под землей. Однако вследствие несовершенства конструкции подземные кабельные линии связи вскоре уступили место воздушным. Первая воздушная линия большой протяженности в России была построена в 1854 году между Санкт-Петербургом и Варшавой. В начале 70-х годов прошлого столетия заработала воздушная телеграфная линия от Санкт-Петербурга до Владивостока длиной около 10 тыс. км. В 1939 году была пущена в эксплуатацию величайшая в мире по протяженности высокочастотная телефонная магистраль Москва-Хабаровск длиной 8300 км. Обычный городской телефонный кабель состоит из пучка тонких медных или алюминиевых проводов, изолированных друг от друга и заключенных в общую оболочку. Кабели состоят из разного числа пар проводов, каждая из которых используется для передачи телефонных сигналов.

В 1851 г. одновременно с постройкой железной дороги между Москвой и Санкт-Петербургом был проложен телеграфный кабель, изолированный резиной. Первые подводные кабели были проложены в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспийское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй подводная кабельная трансатлантическая магистраль телеграфной связи между Францией и США.

В 1882-1884 гг. в Москве, Санкт-Петербурге, Риге, Одессе были построены первые в России городские телефонные сети. В 90-х годах прошлого столетия на городских телефонных сетях Москвы и Петрограда были подвешены первые кабели, насчитывающие до 54 жил. В 1901 г. началась постройка подземной городской телефонной сети.

Первые конструкции кабелей связи, относящиеся к началу XX века, позволили осуществлять телефонную передачу на небольшие расстояния. Это были так называемые городские телефонные кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной скруткой. В 1900-1902 гг. дальность передачи телеграфной и телефонной связи была увеличена в несколько раз.

Важным этапом в развитии техники связи явилось изобретение, а начиная с 1912-1913 гг. - освоение производства электронных ламп.

В 1917 г. В.И. Коваленковым был разработан и испытан на линии телефонный усилитель на электронных лампах. В 1923 г. была осуществлена телефонная связь с усилителями на линии Харьков-Москва-Петроград.

В 1930-х годах началось развитие многоканальных систем передачи. Стремление расширить спектр передаваемых частот и увеличить пропускную способность линий привело к созданию новых типов кабелей, так называемых коаксиальных. Они используются для передачи телевизионных сигналов высокой частоты, а также для междугородней и международной телефонной связи. Одним проводом в коаксиальном кабеле служит медная или алюминиевая трубка (или оплетка), а другим - вложенная в нее центральная медная жила. Они изолированы друг от друга и имеют одну общую ось. Такой кабель имеет малые потери, почти не излучает электромагнитных волн и поэтому не создает помех. Изобретателем коаксиального кабеля является сотрудник всемирно известной фирмы Bell Telephone Laboratories Cергей Aлександрович Щелкунов - эмигрант из Советской России. Первый в мире коаксиальный кабель был проложен в 1936 г. на экспериментальной линии Нью-Йорк-Филадельфия. По кабелю одновременно передавались 224 телефонных разговора.

Коаксиальный кабель

Эти кабели допускают передачу энергии при частоте токов до нескольких миллионов герц и позволяют производить по ним передачу телевизионных программ на большие расстояния. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи.

0.5.1.2.Факсимильная связь

Факсимильная (или фототелеграфная) связь - это электрический способ передачи графической информации - неподвижного изображения текста или таблиц, чертежей, схем, графиков, фотографий и т.п. Осуществляется при помощи факсимильных аппаратов: телефаксов и каналов электросвязи (главным образом телефонных).

Факс

Первый телефакс был запатентован в 1843 году шотландским изобретателем Александром Бэйном. Его "записывающий телеграф" работал на телеграфных линиях и был способен передавать только черно-белые изображения, без полутонов.

Джованни Касселли в 1855 году изобрел аппарат пантелеграф (Pantelegraph), который обеспечивал передачу документов по линии, соединяющей Париж с Лионом. Позднее к ним присоединились и многие другие города. К 30-м гг. XX века системы на основных принципах Александра Бэйна и Джованни Касселли уже широко использовались в офисах издательств (для передачи свежих выпусков газет), государственных служб (для передачи срочных документов), служб защиты правопорядка (для передачи фотографий и других графических материалов). Для передачи документов применялись аналоговые технологии, которые не могли обеспечить высокого качества графических изображений. И только внедрение цифровых технологий в начале 80-х годов XX века позволило обеспечить высокое качество не только текстовых материалов, но и графических изображений при передаче по телефонным каналам связи.

0.5.1.3.Оптоволоконные линии связи

В качестве проводных линий связи используются в основном телефонные линии и телевизионные кабели. Наиболее развитой является телефонная проводная связь. Но ей присущи серьезные недостатки: подверженность помехам, затухание сигналов при передаче их на значительные расстояния и низкая пропускная способность. Всех этих недостатков лишены оптоволоконные линии - вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам ("оптическому волокну").

Оптоволоконный кабель (поперечный разрез)

Оптическое волокно считается самой совершенной средой для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Оно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния - широко распространенного и недорогого материала, в отличие от меди. Оптическое волокно очень компактное и легкое, оно имеет диаметр всего около 100 мкм.

История развития оптоволоконных линий связи началась в 1965-1967 гг., когда появились опытные волноводные линии связи для передачи информации. С 1970 г. активно проводились работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн. Создание волоконного световода и полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии оптоволоконной связи. К началу 1980-х годов такие системы связи были разработаны и испытаны. Основными сферами применения таких систем стали телефонная сеть, кабельное телевидение, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т. д.

Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. В начале XXI века внедряется уже 4-е поколение этой аппаратуры. В настоящее время быстрыми темпами развиваются системы дальней оптической связи на расстояния в многие тысячи километров. Успешно эксплуатируются трансатлантические линии связи США-Eвропа, Тихоокеанская линия США-Гавайские острова-Япония. Ведутся работы по завершению строительства глобального оптоволоконного кольца связи Япония-Сингапур-Индия-Саудовская Аравия-Египет-Италия.

В России компания "ТрансТелеКом" создала оптоволоконную сеть связи протяженностью более 50000 км (рис. 4.1). Она проложена вдоль железных дорог страны, имеет более 900 узлов доступа в 71 из 89 регионов России и дублирована спутниковыми каналами связи. В результате к концу 2001 года вступила в строй единая магистральная цифровая сеть связи. Она обеспечивает услуги междугородней и международной телефонной связи, Интернет, видеоконференции, видео, кабельное телевидение в 71 из 89 регионов России, где проживает 85-90% населения. Диапазон ее услуг: от простейшего речевого обмена и электронной почты до комбинированных (видео + голос + данные).

Оптоволоконные линии отличают от традиционных проводных линий:

• очень высокая скорость передачи информации (на расстояние более 100 км без ретрансляторов);
  

  
  Рис. 4.1.  Оптоволоконная сеть "Транстелеком"

• защищенность передаваемой информации от несанкционированного доступа;
• высокая устойчивость к электромагнитным помехам;
• стойкость к агрессивным средам;
• возможность передавать по одному волокну одновременно до 10 миллионов телефонных разговоров и одного миллиона видеосигналов;
• гибкость волокон;
• малые размеры и масса;
• искро-, взрыво- и пожаробезопасность;
• простота монтажа и укладки;
• низкая себестоимость;
• высокая долговечность оптических волокон - до 25 лет.

В настоящее время обмен информацией между континентами осуществляется главным образом через подводные оптоволоконные кабели, а не через спутниковую связь. При этом главной движущей силой развития подводных оптоволоконных линий связи является Интернет.

Подводные кабели связи существуют уже более 150 лет. В 1851 году инженер Брет проложил первый подводный кабель через Ла-Манш, соединив таким образом телеграфной связью Англию с континентальной Европой. Это стало возможным благодаря применению гуттаперчи - вещества, которое способно изолировать в воде провода, несущие ток.

В 1857-1858 гг. американский бизнесмен Сайрус Филд разработал проект сообщения Европы с Северной Америкой с помощью телеграфного кабеля и осуществил его прокладку по дну Атлантического океана. Несмотря на огромные технические и финансовые трудности, после ряда неудач телеграфная линия с 1866 г. начала устойчиво работать. Скорость передачи информации составляла всего 17 слов в минуту. В 1956 году был проложен первый телефонный коаксиальный кабель, а в последующие годы - еще несколько, с большей пропускной емкостью, чтобы удовлетворить потребности в передаче информации между Европой и Америкой.

Наконец в 1988-1989 гг. были установлены первые оптоволоконные системы - трансатлантическая и транстихоокеанская, со скоростью передачи информации по паре световодов 280 Мбит/с; при этом в качестве ретрансляторов использовались электронные усилители. Постепенно скорость увеличилась до 2,5 Гбит/с, а вместо электронных ретрансляторов стали применяться более совершенные эрбиевые волоконные усилители (эрбий - редкоземельный химический элемент). В 1990-е годы проложено более 350 000 км оптического кабеля, он связывает более 70 стран мира.

0.5.1.4.Беспроводные системы связи

Беспроводные системы связи осуществляются по радиоканалам. Первую такую беспроводную связь - радиотелеграф (тогда его называли "беспроволочный телеграф") изобрел А.С. Попов и развил Г. Маркони. Главную роль в создании радиовещания (или звукового вещания) сыграли изобретения Ф. Брауна, Ли де Фореста, А. Мейсснера, Э.Г. Армстронга. В 1913 году Э. Армстронг изобрел регенеративный радиоприемник (с обратной связью), а в 1918 году - супергетеродинный радиоприемник, схема которого используется и сегодня. Однако в них тогда применялась амплитудная модуляция, не позволявшая получить высокое качество звука радиоприемника из-за невозможности подавления помех в радиоэфире. Она обеспечивала верхнюю границу частотного диапазона не более 5000 Гц.

1934 году Э. Армстронг изобрел частотную модуляцию (ЧМ), позволившую избавиться от помех и обеспечивавшую высококачественное воспроизведение звука радиоприемника и передачу полного диапазона слышимости человеческого уха - звуков от барабана до флейты, в диапазоне от 50 Гц до 15 000 Гц.

В 1939 году Э. Армстронг построил первую радиостанцию, работающую в ЧМ диапазоне радиоволн. Сегодня в мире работают многие тысячи ЧМ-радиостанций, обеспечивающих высококачественное звучание. Применяется частотная модуляция и для передачи звука в телевидении.

С 1915 до 1950-х гг. аппаратура для радиосвязи развивалась на основе электронных ламп; затем были внедрены транзисторы и другие полупроводниковые приборы.

До 1920 года в радиосвязи применялись преимущественно волны длиной от сотен метров до десятков километров. В 1922 году радиолюбителями было открыто свойство коротких волн распространяться на любые расстояния благодаря преломлению в верхних слоях атмосферы и отражению от них. Вскоре короткие волны стали основным средством осуществления дальней радиосвязи.

В 1930-е гг. были освоены метровые, а в 40-е - дециметровые и сантиметровые волны, распространяющиеся прямолинейно, не огибая земной поверхности (т. е. в пределах прямой видимости), что ограничивает прямую связь на этих волнах расстоянием в 40-50 км в равнинной местности, а в горных районах - в несколько сотен километров. Поскольку ширина диапазонов частот, соответствующих этим длинам волн, - от 30 Мгц до 30 Ггц - в 1000 раз превышает ширину всех диапазонов частот ниже 30 Мгц (волны длиннее 10 м), они могут передавать огромные потоки информации и осуществлять многоканальную связь. В то же время ограниченная дальность распространения и возможность получения острой направленности с антенной несложной конструкции позволяют использовать одни и те же длины волн во множестве пунктов без взаимных помех. Передача на значительные расстояния достигается применением многократной ретрансляции в линиях радиорелейной связи или с помощью спутников связи, находящихся на большой высоте (около 40 тыс. км) над Землей (см. "Космическая связь"). Позволяя вести на больших расстояниях одновременно десятки тысяч телефонных разговоров и передавать десятки телевизионных программ, радиорелейная и спутниковая связь по своим возможностям являются значительно более эффективными, чем обычная дальняя радиосвязь на метровых волнах.

0.5.1.5.Радиорелейные линии связи

Радиорелейная связь первоначально применялась для организации многоканальных линий телефонной связи, в которых сообщения передавались с помощью аналогового электрического сигнала. Первая такая линия протяженностью 200 км с 5 телефонными каналами появилась в США в 1935 году. Она соединяла Нью-Йорк и Филадельфию.

В 50-х годах были созданы многоканальные радиорелейные станции (РРС), использующие диапазон сверхвысоких частот и методы частотного и/или временного разделения каналов. К началу 1970-х годов во всех развитых странах была создана густая сеть многоканальных линий радиорелейной связи с несколькими тысячами каналов в каждой линии.

В России первая магистральная радиорелейная система была создана в 1958 году. В 1970 году появился комплекс унифицированных радиорелейных систем "КУРС". Все это позволило в 1960-1970-е годы развить сеть связи страны, обеспечить качественную телефонию и наладить передачу программ центрального телевидения. К середине 1970-х годов в стране была построена радиорелейная линия с огромной емкостью каналов связи, протяженность которой составляет около 10 тыс. км. Суммарная протяженность радиорелейных линий в СССР превысила к середине 1970-х годов 100 тыс. км.

За последние десятилетия необходимость передавать данные - информацию, представленную в цифровом виде, - привела к созданию цифровых систем передачи. Появились цифровые радиорелейные системы передачи данных, способные обмениваться цифровой информацией.

0.5.1.6.Спутниковая связь и навигация

Космическая или спутниковая связь по существу является разновидностью радиорелейной связи и отличается тем, что ее ретрансляторы находятся не на поверхности Земли, а на спутниках в космическом пространстве.

В 1965 году в СССР был запущен первый спутник связи "Молния-1". Позднее была создана система дальней космической связи "Орбита". Она состоит из сети наземных станций и искусственных спутников Земли "Молния", "Радуга", "Горизонт". На территории России размещено около 100 таких станций. Через спутники передаются телеграфные сообщения, телефонные разговоры, телевизионные и фотоизображения в страны всех континентов. Однако спутники "Молния" вращаются вокруг Земли по вытянутым эллиптическим орбитам. Для слежения за ними антенны наземных приемных станций должны постоянно поворачиваться. Гораздо проще решают эту задачу спутники, вращающиеся по стационарной круговой орбите, которая находится в плоскости экватора на высоте 36000 км. Они совершают один оборот вокруг Земли за 24 часа и поэтому кажутся наземному наблюдателю висящими неподвижно над одной точкой нашей планеты. Трех таких спутников достаточно для обеспечения связью всей Земли. Уже используются работающие на стационарных орбитах спутники связи "Радуга" и телевизионные спутники "Экран". Для приема их сигналов не нужны сложные наземные станции. Телевизионные передачи с таких спутников принимаются прямо на несложные коллективные и даже индивидуальные антенны.

Уже созданы международная спутниковая система для спасения экипажей терпящих бедствие судов и самолетов КОСПАС-САПСАТ, международная космическая система "Инмарсат" для обеспечения телеграфной и телефонной связи между кораблями, плавающими в любых точках Земли.

В 1980-е годы началось развитие персональной спутниковой связи. В начале XXI века число ее абонентов составляет несколько миллионов человек, а еще через 10 лет - значительно больше. Произойдет объединение спутниковых и наземных систем связи в единую глобальную систему персональной связи. Будет обеспечена досягаемость любого абонента путем набора его телефонного номера независимо от его местонахождения. В этом состоит преимущество спутниковой связи по сравнению с сотовой (она рассматривается ниже в этой главе), поскольку она не имеет привязки к конкретной местности. Ведь в начале XXI века зона охвата сотовой связи составляет только 15% земной поверхности. Поэтому спрос на персональную подвижную связь во многих регионах мира можно обеспечить только с помощью спутниковых систем связи. Кроме речевой (радиотелефонной) связи они позволяют определять месторасположение (координаты) потребителей.

Спутниковый телефон непосредственно соединяется со спутником, находящимся на околоземной орбите. Со спутника сигнал поступает на наземную станцию, откуда передается в обычную телефонную сеть. Число спутников, необходимое для стабильной связи в любой точке планеты, зависит от радиуса орбиты той или иной системы спутников.

В настоящее время действует первая глобальная система связи "Иридиум". Она позволяет клиенту оставаться на связи, где бы он не находился, и пользоваться при этом одним и тем же телефонным номером.

Система состоит из 66 низкоорбитальных спутников, расположенных на расстоянии 780 км от поверхности Земли. Она обеспечивает прием и передачу сигнала с мобильного телефона, находящегося в любой точке земного шара. Сигнал, поступивший на спутник, передается по цепочке на следующий спутник, пока не дойдет до ближайшей к вызываемому абоненту наземной станции системы. Таким образом обеспечивается высокое качество сигнала.

Основной недостаток персональной спутниковой связи - ее относительная дороговизна по сравнению с сотовой. Кроме того, в спутниковые телефоны встраиваются передатчики большой мощности. Поэтому они считаются небезопасными для здоровья пользователей.

Самые надежные спутниковые телефоны работают в сети Инмарсат, созданной более 20 лет назад. Спутниковые телефоны системы "Инмарсат" представляют собой чемоданчик с откидной крышкой размером с первые портативные компьютеры. Крышка спутникового телефона по совместительству является и антенной, которую необходимо поворачивать по направлению к спутнику (на дисплее телефона отображается уровень сигнала). В основном такие телефоны используются на судах, поездах или большегрузных автомобилях. Каждый раз, когда необходимо позвонить или ответить на чей-то звонок, нужно будет устанавливать спутниковый телефон на какую-нибудь ровную поверхность, раскрывать крышку и крутить его, определяя направление максимального сигнала. Стоят такие спутниковые телефоны более 2500 долларов и весят от 2,2 кг. Минута разговора по такому спутниковому телефону стоит 2,5 доллара США и выше.

0.5.1.7.Спутниковое цифровое телевидение

Благодаря развитию космонавтики и цифровых технологий в последние годы возникло спутниковое цифровое телевидение. Главным его отличием является возможность прямого приема со спутника на индивидуальную домашнюю антенну, обеспечивающая свободу выбора большого числа телевизионных каналов и программ - на все вкусы.

Цифровое телевидение представляет собой современную замену традиционному аналоговому телевидению. Оно дает возможность передавать и принимать большое число телевизионных программ с идеальным "цифровым" качеством. Поясним, что означает это "цифровое" качество. В аналоговом телевидении качество телевизионных программ зависит от уровня принимаемого сигнала и соотношения сигнал/шум, то есть оно в значительной степени зависит от помех. В цифровом телевидении качество телевизионных программ неизменное и всегда высокое. Для этого только нужно, чтобы принимаемый сигнал превышал некоторый пороговый уровень. Как только этот порог перейден, то телевизионные передачи принимаются с постоянным качеством, не зависящим от помех, а зависящим лишь от качества передаваемого видеоматериала и скорости передаваемого цифрового потока. Он может передаваться с помощью спутниковых, кабельных и наземных эфирных каналов связи. Наибольшее распространение в настоящее время получило спутниковое цифровое телевидение, а в России оно является единственной возможностью приема цифрового телевидения. За 4 года существования оно сумело в значительной степени вытеснить аналоговое телевидение. Сегодня доля цифровых телевизионных программ - около 90% от общего числа спутниковых телевизионных каналов. Это объясняется не только высоким качеством цифрового телевидения, но и его низкой стоимостью: вместо одного аналогового телеканала в каждой частоте можно разместить 4-8 цифровых каналов. Сегодня для жителей Европы доступно более 2000 телевизионных и радиоканалов.

0.5.1.8.Пейджинговая связь

Пейджинговая связь - это радиотелефонная связь, пересылка по телефону продиктованных абонентом-отправителем сообщений и прием их по радиоканалу абонентом-получателем с помощью пейджера - радиоприемника с жидкокристаллическим дисплеем, на котором высвечиваются принятые буквенно-цифровые тексты. Пейджер - это средство односторонней связи: на него можно только получать сообщения, но отправлять с него сообщения нельзя.

История пейджинга как средства персонального радиовызова началась с середины 1950-х годов в Англии. Первое такое устройство было разработано в 1956 году. Количество абонентов могло быть не более 57. Когда абонент получал тоновый сигнал, он должен был поднести устройство к уху и в речевой форме прослушать сообщение, которое передавал диспетчер. Пользователями первой сети в Англии стали врачи. Сети, существовавшие в то время, носили местный характер и служили нуждам конкретных служб. Самыми крупными из них были службы аэропортов. Некоторые подобные сети существуют и сегодня. Широкое распространение пейджинга началось в конце 1970-х годов в США.

С тех пор системы пейджинга получили достаточно широкое распространение в городах Европы и США. В это же время пейджинг пришел в Россию.

Первые пейджеры были простыми приемниками частотно-модулированного сигнала. Они содержали несколько настроенных контуров, отслеживающих характерную последовательность низкочастотных сигналов (тонов). При получении этих тонов устройство подавало звуковые сигналы. Поэтому такие пейджеры называют тональными.

Переход к цифровым системам был неизбежен. Тональное кодирование не подходило для передачи буквенно-цифровых сообщений.

К концу 2000 года число владельцев пейджеров в европейских странах превысило 20 миллионов.

История пейджинга в России (тогда еще СССР) началась в конце 1960-х годов. Системы персонального радиовызова широко использовались отдельными государственными структурами. В 1980 году во время московской Олимпиады также широко использовался пейджинг. Тогда это были простейшие тоновые модели, которые предназначались, прежде всего, для скорой помощи и службы безопасности Олимпиады. С окончанием Олимпиады пейджеры использовать перестали, и на много лет этот вид связи был забыт.

В 1990-х годах пейджинг начал бурно развиваться, но только до тех пор, пока не появились сотовые телефоны - средство двухсторонней связи. Правда, был разработан твейджер - пейджер с возможностью отправления сообщений, более дешевый, чем сотовый телефон. Но он не смог конкурировать с сотовым телефоном, обеспечивающим двухстороннюю голосовую связь.

Поэтому с момента начала развития сотовой связи развитие пейджинга остановилось. В столичных и в большинстве крупных городов пейджинговые компании закрылись, уступив место операторам сотовой связи. Число пользователей сотовой связи исчисляется многими миллионами. Она стала массовой и конкурирует со стационарной телефонной связью, а цена телефонных аппаратов и тарифы сотовой связи резко снизилась. Пейджинговая связь сохранилась только в регионах, а число клиентов пейджинговых компаний не превышает ста тысяч.

0.5.1.9.Мобильная сотовая связь

Связь называют мобильной, если источник информации либо ее получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Радиосвязь с момента возникновения была мобильной. Первые радиостанции предназначались для связи с подвижными объектами - кораблями. Ведь один из первых приборов радиосвязи А.С. Попова был установлен на броненосце "Адмирал Апраксин". И именно благодаря радиосвязи с ним удалось зимой 1899/1900 годов спасти этот корабль, затертый во льдах в Балтийском море.

Долгие годы для осуществления индивидуальной радиосвязи между двумя абонентами требовался свой отдельный канал радиосвязи, работающий на одной частоте. Одновременную радиосвязь по многим каналам можно было бы обеспечить, выделив каждому каналу определенную полоску частот. Но ведь частоты нужны и для радиовещания, телевидения, радиолокации, радионавигации, военных нужд. Поэтому и число каналов радиосвязи было весьма ограничено. Она использовалась для военных целей, правительственной связи. Так, в автомобилях, которыми пользовались члены политбюро ЦК КПСС, были установлены телефоны мобильной связи. Устанавливалась они в полицейских машинах и радиотакси. Для того чтобы мобильная связь стала массовой, понадобилась новая идея ее организации. Эту идею в 1947 году высказал Д. Ринг, сотрудник американской компании Bell Laboratories. Она заключалась в разделении пространства на небольшие участки - соты (или ячейки) радиусом 1-5 километров и в отделении радиосвязи в пределах одной ячейки от связи между ячейками. Это позволяло использовать в разных сотах одни и те же частоты. В центре каждой ячейки предлагалось расположить базовую - приемно-передающую - радиостанцию для обеспечения радиосвязи в пределах ячейки со всеми абонентами. У каждого абонента своя микрорадиостанция - "мобильный телефон" - комбинация телефона, приемопередатчика и мини-компьютера. Абоненты связываются между собой через базовые станции, соединенные друг с другом и с городской телефонной сетью.

Каждая сота должна обслуживаться базовым радиопередатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это дает возможность повторно использовать ту же частоту в других сотах. Во время разговора сотовый радиотелефон соединен с базовой станцией радиоканалом, по которому передается телефонный разговор. Размеры соты определяются максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность является радиусом соты.

Идея мобильной сотовой связи состоит в том, что, еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, мобильный телефон попадает в зону действия любой соседней вплоть до наружной границы всей зоны сети.

Для этого созданы системы антенн-ретрансляторов, перекрывающих свою "соту" - область поверхности Земли. Чтобы связь была надежной, расстояние между двумя соседними антеннами должно быть меньше радиуса их действия. В городах оно составляет около 500 метров, а в сельской местности - 2-3 км. Мобильный телефон может принимать сигналы сразу от нескольких антенн-ретрансляторов, но настраивается он всегда на самый мощный сигнал.

Идея мобильной сотовой связи заключалась еще и в применении компьютерного контроля за телефонным сигналом от абонента, когда он переходит от одной сотовой ячейки к другой. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Все происходит так быстро, что абонент просто этого не замечает.

Центральной частью системы мобильной связи являются компьютеры. Они отыскивают абонента, находящегося в любой из сот, и подключают его к телефонной сети. Когда абонент перемещается из одной ячейки в другую, они передают абонента с одной базовой станции на другую, а также подключают абонента из "чужой" сотовой сети к "своей", когда он оказывается в зоне ее действия, - осуществляют роуминг (что по-английски означает "странствие" или "бродяжничество").

Принципы современной мобильной связи были достижением уже конца 40-х годов. Однако в те времена компьютерная техника была еще на таком уровне, что ее коммерческое применение в системах телефонной связи было затруднено. Поэтому практическое применение сотовой связи стало возможным только после изобретения микропроцессоров и интегральных полупроводниковых микросхем.

Первые сотовые телефоны весили больше килограмма. Сконструировал первый сотовый телефонный аппарат Мартин Купер (фирма Motorola, США). Весил это аппарат 1,15 кг и имел габариты 22,5х12,5х3,75 см (рис. 4.2). На передней панели было расположено 12 клавиш, из них 10 цифровых и две для отправки вызова и прекращения разговора. Дисплея и дополнительных функций у него не было, т.к. они увеличивают вес аппарата. Аккумулятор позволял общаться 35 минут, но заряжать его приходилось более 10 часов. На крыше 50-этажного здания в Нью-Йорке была смонтирована базовая станция, способная обслуживать не более 30 абонентов и соединять их с наземными линиями связи.

Первым этот телефон взял в руки Мартин Купер весенним утром 3 апреля 1973 года. Он набрал номер Джоэла Энгела, начальника исследовательского отдела Bell Laboratories, и произнес следующие слова: "Представь себе, Джоэл, что я звоню тебе с первого в мире сотового телефона. Он у меня в руках, а я иду по нью-йоркской улице".

Рис. 4.2.  Изобретатель сотового телефонного аппарата Мартин Купер (фирма Motorola) с первым сотовым телефоном

Вес современных сотовых телефонов через 33 года, в 2006 году, составляет всего 70-100 г (рис. 4.3).

Рис. 4.3.  Современный сотовый телефон

В июле 1978 года начала работу Advanced Mobile Phone Service (Усовершенствованная Служба Мобильных Телефонов) или AMPS.

В декабре 1979 года в Токио начала работу первая сотовая сеть связи из 88 базовых станций. В 1984 г. сеть была расширена до масштабов всей Японии.

Эксплуатация первой в Европе системы сотовой связи стандарта NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), предназначенной для работы в диапазоне 450 МГц, началась в 1981 году в Швеции, Исландии, Дании, Норвегии, Финляндии и Саудовской Аравии. Затем началась эксплуатация систем связи того же типа в странах Европы и Юго-Восточной Азии. В 1985 году на базе этого стандарта был разработан стандарт NMT-900 диапазона 900 МГц, позволивший увеличить абонентскую емкость системы связи. Подобные стандарты были введены в США, Франции и Великобритании.

Однако все эти стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи. В них используется аналоговый способ передачи информации с помощью частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции - как в обычных радиостанциях. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются возможность прослушивания разговоров другими абонентами и невозможность борьбы с замиранием сигналов при передвижении абонента и под влиянием ландшафта и зданий. Перегруженность частотных диапазонов вызывала помехи при разговорах.

Поэтому к концу 1980-х годов началось создание второго поколения систем сотовой связи, основанных на базе цифровых методов обработки сигналов. В 1990 году был разработан стандарт GSM-900 для диапазона 900 МГц, который расшифровывается как Global System for Mobile Communications. А в 1991 году на основе GSM был разработан стандарт для диапазона 1800 МГц. Подобные стандарты были приняты в США и Японии.

В России аналоговые системы сотовой связи на основе стандарта NMT-450 появились с опозданием на 10 лет, но зато цифровые системы на основе стандарта GSM - с опозданием только на 3 года. Стандарты NMT и GSM утверждены в нашей стране в качестве федеральных. В Москве активнее всего развиваются сотовые сети на основе цифрового стандарта GSM, а в регионах - аналоговые сети. Системы стандарта GSM в России наиболее активно продвигают на рынке три оператора - МТС, "Билайн" и "МегаФон". Сегодня на основе этого стандарта работают уже более 70% всех сотовых телефонов в мире. России пошло на пользу опоздание с внедрением сотовой связи. У нас был сразу принят цифровой стандарт GSM. Многие современные сотовые телефоны оснащены возможностью высокоскоростного доступа в Интернет по стандарту GPRS (General Packet Radio Service).

Рис. 4.4.  Зимин Дмитрий Борисович – основатель фонда Династия

Дмитрий Борисович Зимин (год.рожд. 1933,) — основатель и Почетный Президент компании "Вымпел-Коммуникации" (торговая марка — "Билайн"), основатель Фонда некоммерческих программ "Династия".

Начав в старших классах средней школы заниматься радиотехникой, вместе с учителем физики С. М. Алексеевым написал книгу "Школьная УКВ-радиостанция", которая позже была опубликована.

В 1950 году Д. Б. Зимин закончил радиотехнический факультет Московского авиационного института в 1957 году. По окончании поступил на должность инженера в проблемную лабораторию при кафедре профессора М. С. Неймана.

В 1962 году Зимин был приглашен на работу в Радиотехнический институт Академии наук СССР, возглавляемый академиком А. Л. Минцем.

Более 35 лет Д. Б. Зимин занимал руководящие посты в Радиотехническом институте (позднее РТИ имени А. Л. Минца). Он работал начальником лаборатории, затем 14 лет был начальником научного отдела, а позже — директором Центра по разработке радиотехнического оборудования.

В 1963 году Зимин защитил кандидатскую диссертацию, а в 1964 году – докторскую диссертацию.

После резкого сокращения оборонных заказов в начале 1990-х годов Д. Б. Зимин принял активное участие в реализации идей конверсии с целью создания рабочих мест для высококвалифицированных специалистов военно-промышленного комплекса. Как заместителю главного конструктора ему была поручена работа по развертыванию в институте конверсионной тематики. 6 марта 1991 года было зарегистрировано малое предприятие КБ "Импульс", организованное Д. Б. Зиминым в рамках конверсионной программы. Первой его разработкой стала система спутникового телевидения. Следующим проектом была система кабельного телевидения — АС-600. Она также была запущена в серию и уже принесла небольшой доход.

В 1991 году внимание Д. Б. Зимина привлекла новая задача — создание подвижной сухопутной связи общего назначения (официальное наименование сотовой телефонной связи в тот период). Проектную разработку системы сотовой связи он начал в 1991 году с организации группы технических экспертов внутри Радиотехнического института. На начальном этапе партнером Д. Б. Зимина была американская фирма "Plexis".

Для производства и эксплуатации оборудования сотовой связи общего назначения по инициативе Д. Б. Зимина в 1992 году было создано акционерное общество "Вымпел-Коммуникации" (АО "ВымпелКом"), где Зимин стал Президентом и Генеральным директором. Была запущена в действие и заработала пилотная станция мобильной связи стандарта AMPS, покрывавшая Садовое кольцо и имевшая начальную емкость около 200 абонентов. Под руководством Д. Б. Зимина ОАО "ВымпелКом" внесло большой вклад в развитие сотовой связи в России, организовав работы, приведшие к принятию в России стандартов мобильной связи AMPS/D-AMPS и GSM-1800 и выходу услуг сотовой связи на рынок массового потребителя.

В мае 2001 года, когда абонентская база "ВымпелКома" превысила миллион абонентов, компания вышла на прибыльность и в состав акционеров вошла группа "Альфа", Д. Б. Зимин добровольно оставил пост Генерального директора и стал Почетным Президентом ОАО "ВымпелКом".

В настоящее время Д. Б. Зимин занимается общественной работой и благотворительностью. Он принимает участие в работе ряда университетов и общественных организаций.

С 2002 года Д. Б. Зимин — основатель и президент благотворительного фонда "Династия", а с 2006 г. – член наблюдательного совета "Династии", основными задачами которого являются поддержка и популяризация российской фундаментальной науки.

Доли сотовых операторов в общероссийской абонентской базе в 2009 году: лидирует по этому показателю "МТС" (33%), за ней следует компания "ВымпелКом" (25%), на третьем месте "МегаФон" (24%), четвертую позицию занимает TELE2 (7%). Остальные операторы делят между собой 11% абонентской базы.

В США услугами сотовой телефонной связи пользуются примерно 81 миллион человек, что составляет более 31 процента от общей численности населения страны в 260 миллионов.

В странах Европы, включая Россию, этот показатель выше - примерно 33,8% всего населения. Максимальный в мире показатель - в Финляндии: 63,5% населения страны владеют сотовыми телефонами.

Число пользователей сотовой связи в России в 2000 г. составляло 3,3 млн человек, в 2001 г. - 7,8 млн, в 2002 г. - 17,7 млн, в 2003 г. - 32 млн. При этом уровень проникновения сотовой связи на конец октября 2003 г. в Москве и Московской области составляет 63%, в Петербурге и Ленинградской области - 51%, а в других регионах России - 22%.

Персональная сотовая мобильная связь пользуется все большей популярностью, особенно у молодежи. Общее число ее пользователей в мире превышает 600 миллионов абонентов.

Важным преимуществом мобильной сотовой связи является возможность пользоваться ею вне общей зоны своего оператора - роуминг. Для этого различные операторы договариваются между собой о взаимной возможности пользования своим зонами для пользователей. Абонент, покидая общую зону своего оператора, автоматически переключается на зоны других операторов даже при перемещении из одной страны в другую, например, из России в Германию или во Францию. Либо, находясь в России, пользователь может звонить по сотовой связи в любую страну. Таким образом, сотовая связь обеспечивает пользователю возможность связываться по телефону с любой страной, где бы он не находился.

Ведущие компании-производители сотовых телефонов ориентируются на единый европейский стандарт - GSM. Именно поэтому их аппаратура технически совершенна, но относительно недорога. Ведь они могут позволить себе выпускать огромные партии телефонов, находящих сбыт.

Удобным дополнением к сотовому телефону стала система коротких сообщений SMS (Short Message Service). Она используется для передачи коротких сообщений прямо на телефон современной цифровой системы GSM без применения дополнительного оборудования, только с помощью цифровой клавиатуры и экранчика-дисплея сотового телефона. Прием SMS-сообщений производится также на цифровой дисплей, которым оснащен любой сотовый телефон. SMS можно использовать в тех случаях, когда обычный телефонный разговор не является самым удобным видом связи (например, в шумном переполненном поезде). Можно послать знакомому по SMS свой номер телефона. Из-за низкой стоимости SMS является альтернативой телефонному разговору. Максимальная величина SMS-сообщения составляет 160 символов. Посылать его можно несколькими способами: звонком в специальную службу, а также с помощью своего телефона GSM с функцией отправки, с помощью Интернета. Система SMS может обеспечивать дополнительные услуги: посылать на Ваш телефон GSM курс валют, прогноз погоды и т.д. По существу, телефон GSM с системой SMS является альтернативой пейджеру.

Но и система SMS - не последнее слово в сотовой связи. В наиболее современных сотовых телефонах (например, фирмы Nokia) появилась функция Chat (в русской версии - "диалог"). С ее помощью можно общаться в режиме реального времени с другими владельцами сотовых телефонов, как это делается в Интернете. По существу, это новый вид обмена посланиями SMS. Для этого вы составляете послание своему собеседнику и отправляете его. Текст вашего послания появляется на дисплеях обоих сотовых телефонов - вашего и вашего собеседника. Потом он вам отвечает и на дисплеях высвечивается его послание. Таким образом, вы ведете электронный диалог. Но если сотовый телефон вашего собеседника не поддерживает данную функцию, то он будет получать обычные SMS-сообщения.

Появились и сотовые телефоны с поддержкой высокоскоростного доступа в Интернет через GPRS (General Packet Radio Service) - стандарт пакетной передачи данных по радиоканалам, при котором телефону не нужно "дозваниваться": аппарат постоянно поддерживает соединение, отправляет и принимает пакеты данных. Выпускаются и сотовые телефонные аппараты со встроенной цифровой фотокамерой.

По данным исследовательской компании Informa Telecoms & Media (ITM) число пользователей мобильной связи в мире в 2007 году составляет 3,3 млрд. человек.

Наконец, самые сложные и дорогие аппараты - это смартфоны и коммуникаторы, сочетающие возможности сотового телефона и карманного компьютера.

0.5.1.10.Интернет-телефония

Одним из самых современных и экономичных видов связи стала Интернет-телефония. Днем ее рождения можно считать 15 февраля 1995 года, когда фирма VocalTec выпустила свой первый soft-phone - программу, служащую для обмена голосом по сети IP. Затем Microsoft выпустил в октябре 1996 года первую версию NetMeeting. А уже в 1997 году стали вполне обычными соединения через Интернет двух обычных телефонных абонентов, находящихся в совершенно разных местах планеты.

Почему обычная междугородная и международная телефонная связь так дорога? Объясняется это тем, что во время разговора вы занимаете целый канал связи, причем не только когда вы говорите или слушаете собеседника, но и когда вы молчите или отвлекаетесь от разговора. Так происходит при передаче голоса по телефону обычным аналоговым способом.

При цифровом же способе информацию можно передавать не непрерывно, а отдельными "пакетами". Тогда по одному каналу связи можно посылать информацию одновременно от многих абонентов. Этот принцип пакетной передачи информации подобен перевозке множества писем с разными адресами в одном почтовом вагоне. Ведь не "гоняют" же один почтовый вагон для перевозки каждого письма в отдельности! Такое временное "пакетное уплотнение" позволяет намного эффективнее использовать существующие каналы связи, "сжимать" их. На одном конце канала связи информация делится на пакеты, каждый из которых, подобно письму, снабжается своим индивидуальным адресом. По каналу связи пакеты многих абонентов передаются "вперемежку". На другом конце канала связи пакеты с одним адресом снова объединяются и направляются своему адресату. Такой пакетный принцип широко используется в сети Интернет.

Через персональный компьютер можно по сети Internet посылать и получать письма, тексты, документы, рисунки, фотографии. Но точно так же работает и Интернет-телефония (IP-телефония) - телефонный разговор двух пользователей персональных компьютеров. Для этого оба пользователя должны иметь микрофоны, соединенные с компьютером, и наушники или звуковые колонки, а их компьютеры - звуковые карты (желательно для двухсторонней связи). При этом компьютер преобразует аналоговый "голосовой" сигнал (электрический аналог звука) в цифровой (комбинации импульсов и пауз), который затем передается по сетям Интернета. На другом конце линии компьютер вашего собеседника производит обратное преобразование (цифровой сигнал в аналоговый), и голос воспроизводится как в обычном телефоне. Интернет-телефония значительно дешевле междугородных и международных разговоров по обычному телефону. Ведь при IP-телефонии нужно платить только за пользование Интернетом.

Имея персональный компьютер, звуковую карту, совместимые с ней микрофон и наушники (или звуковые колонки), Вы можете с помощью Интернет-телефонии позвонить любому абоненту, у которого обычный городской телефон. При этом разговоре Вы также будете платить только за пользование Интернетом.

Перед началом пользования Интернет-телефонией абоненту - владельцу персонального компьютера необходимо установить на него специальную программу.

Для пользования услугами Интернет-телефонии вообще не обязательно иметь персональный компьютер. Для этого достаточно иметь обычный телефон с тональным набором. В этом случае каждая набранная цифра уходит в линию не в виде разного количества электрических импульсов, как при вращении диска, а в виде переменных токов разной частоты. Такой тоновый режим есть в большинстве современных телефонных аппаратов.

Для пользования Интернет-телефонией с помощью телефонного аппарата нужно купить кредитную карточку, и позвонить на мощный центральный компьютер-сервер по указанному на карточке номеру. Затем автомат сервера голосом (по выбору на русском или английском языке) сообщает команды: набрать с помощью кнопок телефонного аппарата серийный номер и ключ карточки, набрать код страны и номер своего будущего собеседника. Далее сервер превращает аналоговый сигнал в цифровой, отправляет его в другой город, страну или на другой континент в находящийся там сервер, который снова преобразует цифровой сигнал в аналоговый и отправляет его нужному абоненту. Собеседники разговаривают как по обычному телефону, правда, иногда чувствуется небольшая (на доли секунды) задержка ответа. Напомним еще раз, что для экономии каналов связи голосовая информация передается "пакетами" цифровых данных: ваша голосовая информация расчленяется на отрезки, пакеты, называемые Интернет-протоколами (IP).

TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) - это основной интернет-протокол, или формат передачи данных в Интернете. При этом IР обеспечивает продвижение пакета по сети, а ТСР гарантирует надежность его доставки. Они обеспечивают разбивку передаваемых данных на пакеты, передачу каждого из них получателю по произвольному маршруту, а потом - сборку в правильном порядке и без потерь.

По каналу связи последовательно передаются не только ваши пакеты, но и пакеты нескольких других абонентов. На другом конце линии связи все ваши пакеты снова объединяются, и ваш собеседник слышит всю вашу речь. Для того чтобы не чувствовать задержки в разговоре, этот процесс не должен превышать 0,3 секунды. Так производится сжатие информации, благодаря которому Интернет-телефония в несколько раз дешевле обычных междугородных и тем более международных переговоров.

В 2003 году была создана программа Skype (www.skype.com), совершенно бесплатная и не требующая от пользователя практически никаких знаний ни для ее установки, ни для использования. Она позволяет разговаривать с видеосопровождением собеседникам, сидящим у своих компьютеров в разных концах света. Для того чтобы собеседники могли видеть друг друга, компьютер каждого из них должен быть снабжен web-камерой.

Вот такой длинный путь в развитии средств связи проделало человечество: от сигнальных костров и барабанов до сотового мобильного телефона, который позволяет практически мгновенно связаться двум людям, находящимся в любых точках нашей планеты.

0.6.Лекция 5. История звукозаписи

0.6.1. 

Попытки создания аппаратов, воспроизводящих звуки, предпринимались еще в Древней Греции. В IV-II веках до н. э. там существовали театры самодвижущихся фигурок - андроидов. Движения некоторых из них сопровождались механически извлекаемыми звуками, складывающимися в мелодии.

В эпоху возрождения был создан целый ряд разнообразных механических музыкальных инструментов, воспроизводящих в нужный момент ту или иную мелодию: шарманок, музыкальных шкатулок, ящиков, табакерок.

Музыкальная шарманка работает следующим образом. Звуки создаются при помощи стальных тонких пластинок различной длины и толщины, размещенных в акустическом ящике. Для извлечения звука служит специальный барабан с выступающими штифтами, расположение которых по поверхности барабана соответствует задуманной мелодии. При равномерном вращении барабана штифты задевают пластинки в заданной последовательности. Заранее переставляя штифты на другие места, можно менять мелодии. Приводит в действие шарманку сам шарманщик, вращая ручку.

В музыкальных шкатулках для предварительной записи мелодии используется металлический диск, на который нанесена глубокая спиральная канавка. В определенных местах канавки делаются точечные углубления - ямки, расположение которых соответствует мелодии. При вращении диска, приводимого в движение часовым пружинным механизмом, специальная металлическая игла скользит по канавке и "считывает" последовательность нанесенных точек. Игла скреплена с мембраной, которая при каждом попадании иглы в канавку издает звук.

В средние века были созданы куранты - башенные или большие комнатные часы с музыкальным механизмом, издающие бой в определенной мелодической последовательности тонов или исполняющие небольшие музыкальные пьесы. Таковы Кремлевские куранты и Биг Бен в Лондоне.

Музыкальные механические инструменты - это всего лишь автоматы, воспроизводящие искусственно созданные звуки. Задача же сохранения на длительное время звуков живой жизни была решена значительно позже.

За много веков до изобретения механической звукозаписи появилось нотное письмо - графический способ изображения на бумаге музыкальных произведений (рис. 5.1). В древности мелодии записывались буквами, а современное нотное письмо (с обозначением высоты звуков, длительности тонов, тональности и нотными линейками) начало развиваться с ХII века. В конце XV века было изобретено нотопечатание, когда ноты начали печатать с набора, подобно книгам.

Рис. 5.1.  Нотное письмо

Записывать и потом воспроизводить записанные звуки удалось во второй половине XIX века после изобретения звукозаписи.

0.6.1.1.Механическая звукозапись

В 1877 году американец Томас Альва Эдисон изобрел звукозаписывающий аппарат - фонограф, впервые позволивший записать звук человеческого голоса. Для механической записи и воспроизведения звука Эдисон применил валики, покрытые оловянной фольгой (рис. 5.2). Такие фоновалики представляли собой полые цилиндры диаметром около 5 см и длиной 12 см.

В первом фонографе металлический валик вращался с помощью рукоятки, с каждым оборотом перемещаясь в осевом направлении за счет винтовой резьбы на ведущем вале. На валик накладывалась оловянная фольга (станиоль). К ней прикасалась стальная игла, связанная с мембраной из пергамента. К мембране был прикреплен металлический конусный рупор. При записи и воспроизведении звука валик приходилось вращать вручную со скоростью 1 оборот в минуту. При вращении валика в отсутствие звука игла выдавливала на фольге спиральную канавку (или бороздку) постоянной глубины. Когда же мембрана колебалась, игла вдавливалась в олово в соответствии с воспринимаемым звуком, создавая канавку переменной глубины. Так был изобретен способ "глубинной записи".

При первом испытании своего аппарата Эдисон плотно натянул фольгу на цилиндр, подвел иглу к поверхности цилиндра, осторожно начал вращать ручку и пропел в рупор первую строфу детской песенки "У Мери была овечка". Затем отвел иглу, рукояткой вернул цилиндр в исходное положение, вложил иглу в прочерченную канавку и вновь стал вращать цилиндр. И из рупора тихо, но разборчиво прозвучала детская песенка.

В 1885 году американский изобретатель Чарльз Тейнтер (1854-1940) разработал графофон - фонограф с ножным приводом (как у ножной швейной машинки) - и заменил оловянные листы валиков восковой массой. Эдисон купил патент Тейнтера, и для записи вместо валиков с фольгой стали применять съемные восковые валики. Шаг звуковой бороздки был около 3 мм, поэтому время записи на один валик было очень мало.

Для записи и воспроизведения звука Эдисон использовал один и тот же аппарат - фонограф.

Рис. 5.2.  Фонограф Эдисона

Рис. 5.3.  Т.А. Эдисон со своим фонографом

Основные недостатки восковых валиков - недолговечность и невозможность тиражирования. Каждая запись существовала только в одном экземпляре.

В практически неизменном виде фонограф просуществовал несколько десятков лет. Как аппарат для записи музыкальных произведений он перестал выпускаться в конце первого десятилетия XX века, но еще практически 15 лет использовался в качестве диктофона. Валики к нему выпускались вплоть до 1929 г.

Через 10 лет, в 1887 году изобретатель граммофона Э. Берлинер заменил валики дисками, с которых можно изготовить копии - металлические матрицы. С их помощью прессовались хорошо знакомые нам граммофонные пластинки (рис. 5.4). Одна матрица давала возможность напечатать целый тираж - не менее 500 пластинок. В этом состояло главное преимущество грампластинок Берлинера по сравнению с восковыми валиками Эдисона, которые нельзя было тиражировать. В отличие от фонографа Эдисона, Берлинер для записи звука разработал один аппарат - рекордер, а для воспроизведения звука другой - граммофон.

Вместо глубинной записи была применена поперечная, т.е. игла оставляла извилистый след постоянной глубины. Впоследствии мембрана была заменена высокочувствительными микрофонами, преобразующими звуковые колебания в электрические, и электронными усилителями.

Рис. 5.4.  Граммофон и грампластинка

Берлинер Эмиль (1851-1929) - американский изобретатель немецкого происхождения. Иммигрировал в США в 1870 году. В 1877 году, после изобретения Александром Беллом телефона, сделал несколько изобретений в области телефонии, а затем обратил свое внимание на проблемы звукозаписи. Он заменил восковой валик Эдисона плоским диском - граммофонной пластинкой - и разработал технологию ее массового производства. Эдисон отозвался об изобретении Берлинера так: "У этой машины нет будущего" и до конца жизни остался непримиримым противником дискового звуконосителя.

Берлинер впервые продемонстрировал прообраз матрицы грампластинки во Франклиновском институте. Это был цинковый кружок с выгравированной фонограммой. Изобретатель покрывал цинковый диск восковой пастой, производил на него запись звука в виде звуковых канавок, а затем протравливал его кислотой. В результате получалась металлическая копия записи. Позднее на покрытом воском диске стали наращивать слой меди методом гальванопластики. Такой медный "слепок" сохраняет звуковые канавки выпуклыми. С этого гальванодиска делают копии - позитивные и негативные. Негативные копии представляют собой матрицы, с которых можно отпечатать до 600 грампластинок. Полученная таким способом пластинка обладала большей громкостью и лучшим качеством. Такие пластинки Берлинер продемонстрировал в 1888 г., и этот год можно считать началом эры грамзаписей.

Через пять лет был разработан способ гальванического тиражирования с позитива цинкового диска, а также технология прессования грампластинок при помощи стальной печатной матрицы. Первоначально Берлинер изготавливал грампластинки из целлулоида, каучука, эбонита. В скором времени эбонит был заменен композиционной массой на основе шеллака - воскоподобного вещества, вырабатываемого тропическими насекомыми. Пластинки стали качественней и дешевле, однако главным их недостатком была малая механическая прочность. Шеллачные пластинки выпускались до середины XX века, в последние годы - параллельно с долгоиграющими.

До 1896 г. диск приходилось вращать вручную, и это было главным препятствием широкому распространению граммофонов. Эмиль Берлинер объявил конкурс на пружинный двигатель - недорогой, технологичный, надежный и мощный. И такой двигатель сконструировал механик Элдридж Джонсон, пришедший в компанию Берлинера. С 1896 по 1900 гг. было произведено около 25000 таких двигателей. Только тогда граммофон Берлинера получил широкое распространение.

Первые пластинки были односторонними. В 1903 году впервые был выпущен 12-дюймовый диск с записью на двух сторонах. Его можно было "проиграть" в граммофоне с помощью механического звукоснимателя - иглы и мембраны. Усиление звука достигалось с помощью громоздкого раструба. Позднее был разработан портативный граммофон: патефон со скрытым в корпусе раструбом (рис. 5.5).

Рис. 5.5.  Патефон

Патефон (от названия французской фирмы "Pathe") имел форму портативного чемоданчика. Основными недостатками грампластинок были их хрупкость, плохое качество звука и маленькое время проигрывания - всего 3-5 минут (при скорости 78 оборотов в минуту). В довоенные годы в магазинах даже принимали "бой" пластинок для переработки. Патефонные иглы нужно было часто менять. Вращалась пластинка с помощью пружинного двигателя, который приходилось "заводить" специальной ручкой. Однако, благодаря своим скромным размерам и весу, простоте конструкции и независимости от электрической сети, патефон получил очень широкое распространение среди любителей классической, эстрадной и танцевальной музыки. До середины нашего века он был непременной принадлежностью домашних вечеринок и загородных поездок. Пластинки выпускались трех стандартных размеров: миньон, гранд и гигант.

На смену патефону пришел электрофон, более известный как проигрыватель (рис. 5.7). Вместо пружинного двигателя для вращения пластинки в нем используется электрический двигатель, а вместо механического звукоснимателя был применен сначала пьезоэлектрический, а позднее более качественный - магнитный.

Рис. 5.6.  Патефон с электромагнитным адаптером

Рис. 5.7.  Проигрыватель

Эти звукосниматели преобразуют колебания иглы, бегущей по звуковой дорожке грампластинки, в электрический сигнал, который после усиления в электронном усилителе поступает в громкоговоритель. А на смену хрупким грампластинкам в 1948-1952 годах пришли так называемые "долгоиграющие" ("long play") - более прочные, практически небьющиеся, а главное, обеспечивающие гораздо большее время проигрывания. Это было достигнуто за счет сужения и сближения между собой звуковых дорожек, а также за счет снижения числа оборотов с 78 до 45, а чаще до 33 1/3 оборотов в минуту. Качество воспроизведения звука при проигрывании у таких пластинок значительно повысилось. К тому же с 1958 года стали выпускать стереофонические грампластинки, создающие эффект объемного звучания. Иглы проигрывателя также стали значительно более долговечными. Их начали изготовлять из твердых материалов, и они полностью вытеснили недолговечные патефонные иглы. Запись грампластинок осуществлялась только в специальных студиях звукозаписи. В 1940-1950 годы в Москве на улице Горького существовала такая студия, где за небольшую плату можно было записать маленькую пластинку диаметром сантиметров 15 - звуковой "привет" своим родным или знакомым. В те же годы на кустарных звукозаписывающих аппаратах осуществляли подпольную запись пластинок джазовой музыки и блатных песенок, подвергавшихся в те годы гонению. Материалом для них служила отработанная рентгеновская пленка. Эти пластинки так и назывались "на ребрах", так как на просвет на них были видны кости. Качество звука на них было кошмарным, но за неимением других источников они пользовались огромной популярностью, особенно у молодежи.

0.6.1.2.Магнитная звукозапись

В 1898 году датский инженер Вольдемар Паульсен (1869-1942) изобрел аппарат для магнитной записи звука на стальной проволоке. Назвал он его "телеграфоном". Однако недостатком использования проволоки в качестве носителя была проблема соединения отдельных ее кусков. Связывать их узелком было невозможно, так как он не проходил через магнитную головку. К тому же стальная проволока легко путается, а тонкая стальная лента режет руки. В общем, для эксплуатации она не годилась.

В дальнейшем Паульсен изобрел способ магнитной записи на вращающийся стальной диск, где информация записывалась по спирали перемещающейся магнитной головкой. Вот он, прообраз дискеты и жесткого диска (винчестера), которые так широко используются в современных компьютерах! Кроме того, Паульсен предложил и даже реализовал с помощью своего телеграфона первый автоответчик.

Рис. 5.8.  Вольдемар Паульсен

В 1927 году Ф. Флеймер разработал технологию изготовления магнитной ленты на немагнитной основе. На базе этой разработки в 1935 году немецкие электротехническая фирма "AEG" и химическая фирма "IG Farbenindustri" продемонстрировали на Германской радиовыставке магнитную ленту на пластмассовой основе, покрытой железным порошком. Освоенная в промышленном производстве, она стоила в 5 раз дешевле стальной, была гораздо легче, а главное, позволяла соединять куски простым склеиванием. Для использования новой магнитной ленты был разработан новый звукозаписывающий прибор, получивший фирменное название "Magnetofon". Оно и стало общим наименованием подобных приборов.

Фриц Флеймер

В 1941 году немецкие инженеры Браунмюлль и Вебер создали кольцевую магнитную головку в сочетании с ультразвуковым подмагничиванием при записи звука. Это позволило значительно уменьшить шумы и получать запись значительно более высокого качества, чем механическая и оптическая (разработанная к тому времени для звукового кино).

Магнитная лента пригодна для многократной записи звука. Число таких записей практически не ограничено. Оно определяется только механической прочностью нового носителя информации - магнитной ленты.

Таким образом, владелец магнитофона, по сравнению с патефоном, не только получил возможность воспроизводить звук, записанный раз и навсегда на грампластинке, но мог теперь и сам производить запись звука на магнитной ленте, причем не в студии звукозаписи, а в домашних условиях или в концертном зале. Именно это замечательное свойство магнитной записи звука обеспечило широкое распространение в годы коммунистической диктатуры песен Булата Окуджавы, Владимира Высоцкого и Александра Галича. Достаточно было одному любителю записать эти песни на их концертах в каком-нибудь клубе, как эта запись с быстротой молнии распространялась среди многих тысяч любителей. Ведь с помощью двух магнитофонов можно переписать запись с одной магнитной пленки на другую.

Владимир Высоцкий вспоминал, что когда он впервые приехал в Тольятти и ходил по его улицам, то из окон многих домов слышал свой хриплый голос.

Первые магнитофоны были катушечными - в них магнитная пленка была намотана на катушки (рис. 5.9). При записи и воспроизведении пленка перематывалась с заполненной катушки на пустую. Прежде чем начать запись или воспроизведение, нужно было "заправить" пленку, т.е. свободный конец пленки протянуть мимо магнитных головок и закрепить его на пустой катушке.

Рис. 5.9.  Катушечный магнитофон с магнитной лентой на катушках

После окончания Второй мировой войны, начиная с 1945 года, магнитная запись получила самое широкое распространение во всем мире. На американском радио магнитная запись была впервые использована в 1947 году для трансляции концерта популярного певца Бинга Кросби. При этом были использованы детали трофейного немецкого аппарата, который был привезен в США предприимчивым американским солдатом, демобилизованным из оккупированной Германии. Бинг Кросби затем вложил свои средства в производство магнитофонов. В 1950 году в США уже продавалось 25 моделей магнитофонов.

Первый двухдорожечный магнитофон выпустила немецкая фирма AEG в 1957 году, а в 1959 году эта фирма выпустила первый четырехдорожечный магнитофон.

Сначала магнитофоны были ламповыми, и только в 1956 году японская фирма Sony создала первый полностью транзисторный магнитофон.

Позднее на смену катушечным магнитофонам пришли кассетные. Первый такой аппарат разработала фирма Philips в 1961-1963 годах. В нем обе миниатюрные катушки - с магнитной пленкой и пустая - помещены в специальную компакт-кассету и конец пленки заранее закреплен на пустой катушке (рис. 5.10). Таким образом, существенно упрощен процесс зарядки магнитофона пленкой. Первые компакт-кассеты были выпущены фирмой Philips в 1963 году. А еще позднее появились двухкассетные магнитофоны, в которых процесс перезаписи с одной кассеты на другую максимально упрощен. Запись на компакт-кассетах - двухсторонняя. Выпускаются они на время записи 60, 90 и 120 минут (на двух сторонах).

Рис. 5.10.  Кассетный магнитафон и компакт-кассета

На основе стандартной компакт-кассеты фирмой Sony был разработан портативный проигрыватель "плеер" размером с почтовую открытку (рис. 5.11 ). Его можно положить в карман или прикрепить к поясу, слушать на прогулке или в метро. Он получил название Walkman, т.е. "человек гуляющий", относительно дешев, пользовался огромным спросом на рынке и некоторое время являлся любимой "игрушкой" молодежи.

Рис. 5.11.  Кассетный плеер

Компакт-кассета "прижилась" не только на улице, но и в автомобилях, для которых была выпущена автомагнитола. Она представляет собой комбинацию радиоприемника и кассетного магнитофона.

Кроме компакт-кассеты, была создана микрокассета (рис. 5.12) размером в спичечную коробку для портативных диктофонов и телефонов с автоответчиком.

Диктофон (от лат. dicto - говорю, диктую) - это разновидность магнитофона для записи речи с целью, например, последующего печатания ее текста.

Рис. 5.12.  Микрокассета

Во всех механических кассетных диктофонах содержится более 100 деталей, часть из которых - подвижные. Записывающая головка и электрические контакты изнашиваются за несколько лет. Откидная крышка также легко ломается. В кассетных диктофонах используется электрический двигатель, который протягивает магнитную пленку мимо головок записи.

Цифровые диктофоны отличаются от механических полным отсутствием подвижных деталей. В них в качестве носителя вместо магнитной пленки используется твердотельная флэш-память.

Цифровые диктофоны преобразовывают звуковой сигнал (например голос) в цифровой код и записывают его в микросхему памяти. Работой такого диктофона управляет микропроцессор. Отсутствие лентопротяжного механизма, записывающих и стирающих головок значительно упрощает конструкцию цифровых диктофонов и делает ее более надежной. Для удобства пользования они снабжаются жидкокристаллическим дисплеем. Основными преимуществами цифровых диктофонов является практически мгновенный поиск нужной записи и возможность передачи записи на персональный компьютер, в котором можно не только хранить эти записи, но и монтировать их, перезаписывать без помощи второго диктофона и т.д.

0.6.1.3.Оптические диски

В 1979 году компании Philips и Sony создали совершенно новый носитель информации, заменивший грампластинку, - оптический диск (компакт-диск - Compact Disk - СD) для записи и воспроизведения звука. В 1982 году началось массовое производство компакт-дисков на заводе в Германии. Значительный вклад в популяризацию компакт-диска внесли Microsoft и Apple Computer.

По сравнению с механической звукозаписью он имеет целый ряд преимуществ - очень высокую плотность записи и полное отсутствие механического контакта между носителем и считывающим устройством в процессе записи и воспроизведения. С помощью лазерного луча сигналы записываются на вращающийся оптический диск цифровым методом.

В результате записи на диске образуется спиральная дорожка, состоящая из впадин и гладких участков. В режиме воспроизведения лазерный луч, сфокусированный на дорожку, перемещается по поверхности вращающегося оптического диска и считывает записанную информацию. При этом впадины считываются как нули, а ровно отражающие свет участки - как единицы. Цифровой метод записи обеспечивает практически полное отсутствие помех и высокое качество звучания. Высокая плотность записи достигнута благодаря возможности сфокусировать лазерный луч в пятно размером менее 1 мкм. Это обеспечивает большое время записи и воспроизведения.

Рис. 5.13.  Оптический диск CD

В конце 1999 года компания Sony объявила о создании нового носителя Super Audio CD (SACD). При этом применена технология так называемого "прямого цифрового потока" DSD (Direct Stream Digital). Частотная характеристика от 0 до 100 кГц и частота дискретизации 2,8224 Мгц обеспечивают значительное повышение качества звучания по сравнению с обычными CD-дисками. Благодаря гораздо более высокой частоте дискретизации становятся ненужными фильтры при записи и воспроизведении, так как ухо человека воспринимает этот ступенчатый сигнал как "гладкий" аналоговый. При этом обеспечена совместимость с существующим форматом СD. Выпускаются новые однослойные диски HD, двухслойные диски HD, а также гибридные двухслойные диски HD и CD.

Хранить звуковые записи в цифровой форме на оптических дисках гораздо лучше, чем в аналоговой форме на грампластинках или магнитофонных кассетах. Прежде всего, несоизмеримо повышается долговечность записей. Ведь оптические диски практически вечны - они не боятся мелких царапин, лазерный луч не повреждает их при воспроизведении записей. Так, фирма Sony дает 50-летнюю гарантию хранения данных на дисках. Кроме того, на CD не действуют помехи, характерные для механической и магнитной записи, поэтому качество звучания цифровых оптических дисков несоизмеримо лучше. К тому же при цифровой записи появляется возможность компьютерной обработки звука, позволяющей, например, восстановить первоначальное звучание старых монофонических записей, убрать с них шумы и искажения и даже превратить их в стереофонические.

Для проигрывания CD-дисков можно использовать проигрыватели (так называемые CD-плееры), музыкальные центры и даже портативные компьютеры, оснащенные специальным приводом (так называемым дисководом CD-ROM) и звуковыми колонками. К настоящему времени в мире на руках у пользователей находится более 600 миллионов CD-плееров и более 10 миллиардов компакт-дисков! Портативные переносные CD-плееры, подобно плеерам для магнитных компакт-кассет, оснащаются наушниками (рис. 5.14).

Рис. 5.14.  CD-плеер

Рис. 5.15.  Магнитола с CD-плеером и цифровым тюнером

Рис. 5.16.  Музыкальный центр

Музыкальные CD-диски записываются в заводских условиях. Подобно грампластинкам, их можно только прослушивать. Однако за последние годы разработаны оптические CD-диски для однократной (так называемые CD-R) и многократной (так называемые CD-RW) записи на персональном компьютере, оснащенном специальным дисководом. Это дает возможность делать на них записи в любительских условиях. На диски CD-R можно сделать запись только один раз, а на CD-RW - многократно: как на магнитофоне, можно стирать предыдущую запись и на ее месте делать новую.

Цифровой метод записи сделал возможным объединить на персональном компьютере текст и графику со звуком и движущимися изображениями. Такая технология получила название "мультимедиа".

В качестве носителей информации в таких мультимедийных компьютерах используются оптические компакт-диски CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory - т.е. память на компакт-диске "только для чтения"). Внешне они не отличаются от звуковых компакт-дисков, используемых в проигрывателях и музыкальных центрах. Информация в них записывается также в цифровой форме.

На смену существующим компакт-дискам приходит новый стандарт носителей информации - DVD (Digital Versatil Disc или цифровой диск общего назначения). На вид они ничем не отличаются от компакт-дисков. Их геометрические размеры одинаковы. Основное отличие DVD-диска - гораздо более высокая плотность записи информации. Он вмещает в 7-26 раз больше информации. Это достигнуто благодаря более короткой длине волны лазера и меньшему размеру пятна сфокусированного луча, что дало возможность уменьшить вдвое расстояние между дорожками. Кроме того, DVD-диски могут иметь один или два слоя информации. К ним можно обращаться, регулируя положение лазерной головки. У DVD-диска каждый слой информации вдвое тоньше, чем у CD-диска. Поэтому можно соединять два диска толщиной 0,6 мм в один со стандартной толщиной 1,2 мм. При этом емкость удваивается. Всего DVD-стандарт предусматривает 4 модификации: односторонний, однослойный на 4,7 Гбайт (133 минуты), односторонний, двухслойный на 8,8 Гбайт (241 минута), двухсторонний, односл ойный на 9,4 Гбайт (266 минут) и двухсторонний, двухслойный на 17 Гбайт (482 минуты). Указанные в скобках минуты - это время проигрывания видеопрограмм высокого цифрового качества с цифровым многоязычным объемным звуком. Новый стандарт DVD определен таким образом, что будущие модели устройств считывания будут разрабатываться с учетом возможности воспроизведения всех предыдущих поколений компакт-дисков, т.е. с соблюдением принципа "обратной совместимости". Стандарт DVD позволяет значительно увеличить время и улучшить качество воспроизведения видеофильмов по сравнению с существующими CD-ROM и видео-компакт-дисками LD.

Форматы DVD-ROM и DVD-Video появились в 1996 году, а позднее был разработан формат DVD-audio для записи высококачественного звука.

Дисководы DVD представляют собой несколько усовершенствованные дисководы CD-ROM.

CD- и DVD-оптические диски стали первыми цифровыми носителями и накопителями информации для записи и воспроизведения звука и изображения.

0.6.2.История флэш-памяти

История появления карт флэш-памяти связана с историей мобильных цифровых устройств, которые можно носить с собой в сумке, в нагрудном кармане пиджака или рубашки или даже виде брелка на шее.

Это - миниатюрные МР3-плееры, цифровые диктофоны, фото- и видеокамеры, смартфоны и карманные персональные компьютеры - КПК, современные модели сотовых телефонов. Небольшие по размеру, эти устройства нуждались в расширении емкости встроенной памяти, чтобы записывать и считывать информацию.

Такая память должна быть универсальной и использоваться для записи любых видов информации в цифровой форме: звука, текста, изображений – рисунков, фотографий, видеоинформации.

Первой компанией, изготовившей флэш-память и выпустившей её на рынок, стала Intel. В 1988 году был продемонстрирована флэш-память на 256 кбит, которая имела размеры обувной коробки. Она была построена по логической схеме NOR (в русской транскрипции – НЕ-ИЛИ).

NOR-флэш-память имеет относительно медленные скорости записи и удаления, а число циклов записи относительно невелико (около 100 000). Такую флэш-память можно использовать, когда нужно почти постоянное хранение данных с очень редкой перезаписью, например, для хранения операционной системы цифровых камер и мобильных телефонов.

Память NOR-флэш от Intel

Второй тип флэш-памяти был изобретён в 1989 году компанией Toshiba. Она построена по логической схеме NAND (в русской транскрипции Не-И). Новая память должна была стать менее дорогой и более скоростной альтернативой NOR-флэш. По сравнению с NOR, технология NAND обеспечила в десять раз большее число циклов записи, а также более высокую скорость как записи, так и удаления данных. Да и ячейки памяти NAND имеют в два раза меньший размер, чем у памяти NOR, что приводит к тому, что на определённой площади кристалла можно размещать больше ячеек памяти.

Название "флэш" (flash) было введено фирмой Toshiba, так как имеется возможность мгновенно стереть содержимое памяти (англ. "in a flash"). В отличие от магнитной, оптической и магнитооптической памяти она не требует применения дисководов с использованием сложной прецизионной механики и вообще не содержит ни одной подвижной детали. В этом состоит ее основное преимущество перед всеми остальными носителями информации и поэтому будущее - за ней. Но самым главным преимуществом такой памяти, конечно, является сохранение данных без подачи энергии, т.е. энергонезависимость.

Flash-память - это микросхема на кремниевом кристалле. Она построена на принципе сохранения электрического заряда в ячейках памяти транзистора в течение длительного времени с помощью так называемого "плавающего затвора" при отсутствии электрического питания. Ее полное название Flash Erase EEPROM (Electronically Erasable Programmable ROM) переводится как "быстро электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство". Ее элементарная ячейка, в которой хранится один бит информации, представляет собой не электрический конденсатор, а полевой транзистор со специально электрически изолированной областью – "плавающим затвором" (floating gate). Электрический заряд, помещенный в эту область, способен сохраняться в течение неограниченно долгого времени. При записи одного бита информации, элементарная ячейка заряжается, электрический заряд помещается на плавающий затвор. При стирании этот заряд снимется с затвора и ячейка разряжается. Flash-память – энергонезависимая память, позволяющая сохранять информацию при отсутствии электрического питания. Она не потребляет энергии при хранении информации.

Четыре самых известных форматов флэш-памяти - CompactFlash, MultiMediaCard (MMC), SecureDigital и Memory Stick.

CompactFlash появился в 1994 г. Он был выпущен компанией SanDisk. Его размеры составляли 43х36х3,3 мм, а емкость составляла 16 Мб флэш-памяти. В 2006 г. было объявлено о выпуске карт CompactFlash объемом 16 Гб.

MultiMediaCard появился в 1997 г. Он был разработан компаниями Siemens AG и Transcend. По сравнению с CompactFlash карты типа MMC имели меньшие размеры — 24x32x1,5 мм. Их применяли в мобильных телефонах (особенно в моделях со встроенным МР3-проигрывателем). В 2004 г. появился стандарт RS-MMC (т.е. "Reduced size MMC" — "ММС уменьшенного размера). Карты RS-MMC имели размер 24x18x1,5 мм и могли с помощью адаптера использоваться там, где раньше применялись старые карты MMC.

Существуют стандарты карт MMCmicro (размеры всего - 12x14x1.1 мм) и MMC+, отличающийся увеличенной скоростью передачи информации. В настоящее время выпущены карты ММС объемом 2 Гб.

Компании Matsushita Electric Co, SanDick Co и Toshiba Co разработали карты flash-памяти SD - Secure Digital Memory Card. В ассоциацию с этими компаниями входят такие гиганты как Intel и IBM. Выпускает эту память SD фирма Panasonic, входящая в концерн Matsushita.

Как и два описанных выше стандарта, SecureDigital (SD) является открытым. Он был создан на основе стандарта MultiMediaCard, переняв от ММС электрическую и механическую составляющие. Различие есть в количестве контактов: у MultiMediaCard их было 7, а у SecureDigital стало 9. Тем не менее, родство двух стандартов позволяет использовать карты ММС вместо SD (но не наоборот, поскольку карты SD имеют другую толщину - 32х24х2,1 мм).

Наряду со стандартом SD, появились miniSD и microSD. Карты данного формата могут быть установлены как в разъем стандарта miniSD, так и в разъем стандарта SD, правда, при помощи специального адаптера, позволяющего использовать мини-карту так же, как обычную SD-карту. Размеры карты miniSD составляют 20x21,5x1,4 мм.

Карты miniSD

Карты microSD являются на данный момент одними из самых маленьких флэш-карт — их размеры составляют 11x15x1 мм. Основной сферой применения этих карт являются мультимедийные мобильные телефоны и коммуникаторы. Через адаптер карты microSD можно использовать в устройствах со слотами для флэш-носителей стандартов miniSD и SecureDigital.

Карта microSD

Объем флэш-карт SD увеличился до 8 и более Гбайт.

Memory Stick - типичный пример закрытого стандарта, разработанного компанией Sony в 1998 г. Разработчик закрытого стандарта берет на себя все заботы о его продвижении и обеспечении совместимости с портативными устройствами. Это означает существенное сужение распространения стандарта и его дальнейшего развития, поскольку слоты (то есть места для установки) Memory Stick есть только в продукции под марками Sony и Sony Ericsson.

Помимо карт Memory Stick, в семейство входят карты Memory Stick PRO, Memory Stick Duo, Memory Stick PRO Duo, Memory Stick PRO-HG и Memory Stick Micro (M2).

Размеры Memory Stick - 50х21,5х2,8 мм, вес — 4 грамма, а объем памяти — технологически не мог превышать 128 Мб. Появление Memory Stick PRO в 2003 г. было продиктовано желанием Sony дать пользователям больше памяти (теоретический максимум карт этого типа — 32 Гб).

Карты Memory Stick Duo отличаются уменьшенным размером (20х31х1,6 мм) и весом (2 грамма); ориентированы они на рынок КПК и мобильных телефонов. Вариант с повышенной емкостью носит название Memory Stick PRO Duo — в январе 2007 г. была анонсирована карта емкостью 8 Гб.

Memory Stick Micro (размер — 15х12.5х1.2 мм) предназначены для современных моделей мобильных телефонов. Размер памяти может достигать (теоретически) 32 Гб, а максимальная скорость передачи данных — 16 Мб/с. Карты M2 можно подключать к устройствам, поддерживающим Memory Stick Duo, Memory Stick PRO Duo и SecureDigital, при помощи специального адаптера. Уже есть модели с 2 Гб памяти.

xD-Picture Card - еще один представитель закрытого стандарта. Представлен в 2002 г. Активно поддерживается и продвигается компаниями Fuji и Olympus, в цифровых камерах которых используется xD-Picture Card. xD расшифровывается как extreme digital. Емкость карт данного стандарта уже достигла 2 Гб. Карты xD-Picture Card не имеют встроенного контроллера, в отличие от большинства других стандартов. Это положительно сказывается на размере (20 х 25 х 1.78 мм), но дает невысокую скорость передачи данных. В перспективе предусмотрено увеличение емкости этого носителя до 8 Гбайт. Столь значительный рост емкости миниатюрного носителя стал возможен благодаря использованию многослойной технологии.

В условиях жесткой конкуренции, существующей сегодня на рынке сменных карт флэш-памяти, необходимо обеспечивать совместимость новых носителей с уже имеющимся у пользователей оборудованием, рассчитанным на другие форматы флэш-памяти. Поэтому одновременно с картами флэш-памяти выпуск адаптеров-переходников и внешних считывающих устройств, так называемых карт-ридеров, подключаемых ко входу USB персонального компьютера. Выпускаются индивидуальные (для определенного типа карт флэш-памяти, а также универсальные карт-ридеры на 3,4,5 и даже 8 различных типов карт флэш-памяти). Они представляют собой USB–накопитель - миниатюрную коробочку, в которой имеются слоты для одного или сразу для нескольких типов карт, и разъем для присоединения ко входу USB персонального компьютера.

Универсальный карт-ридер для чтения нескольких типов флэш-карт

Фирма Sony выпустила USB-накопитель со встроенным сканером отпечатков пальцев для защиты от несанкционированного доступа.

Наряду с флэш-картами выпускаются и флэш-накопители, так называемые "флэшки". Они снабжены стандартным USB-разъемом и могут непосредственно присоединяться к USB-входу компьютера и ноутбука.

Флэш-накопитель с USB-2 разъемом

Их емкость достигает 1, 2, 4, 8, 10 и более гигабайт, а цена на последнее время резко снизилась. Они почти полностью вытеснили стандартные дискеты, требующие использования дисковода с вращающимися деталями и обладающими емкостью всего 1,44 Мбайт.

На основе флэш-карт созданы цифровые фоторамки, представляющие собой цифровые фотоальбомы. Они снабжены жидкокристаллическим дисплеем и позволяют рассматривать цифровые фотографии, например, в режиме слайд-фильма, при котором фотографии сменяют друг друга через определенные промежутки времени, а также увеличивать фотографии и рассматривать их отдельные детали. Они снабжаются пультами дистанционного управления и динамиками, позволяющими слушать музыку и голосовые пояснения к фотографиям. При объеме памяти 64 Мбайт они позволяют хранить 500 фотографий.

Цифровая фоторамка

Цифровые фоторамки могут заменить собой многочисленные альбомы фотографий, которые есть в каждом доме.

0.6.3.История MР3-плееров

Толчком к появлению МР3-плееров явилась разработка в середине 80-х годов формата сжатия звука в институте Фраунгофера (Fraunhofer) в Германии. В 1989 году Fraunhofer получила патент на MP3 сжатия формат в Германии и несколько лет спустя он был представлен Международной организацией по стандартизации (ISO). MPEG (Moving Pictures Experts Group) — это название экспертной группы ISO, которая работает над созданием стандартов кодирования и сжатия видео- и аудио- данных. Стандарты, подготовленные комитетом, получают такое же название. МР3 получил официальное название MPEG-1 Layer3. Этот формат позволил хранить звуковую информацию, сжатую в десятки раз, без заметной потери качества воспроизведения.

Вторым наиболее важным толчком к появлению МР3-плееров явилась разработка портативной флэш-памяти. Институт Фраунгофера разработал в начале 90-х годов и первый плеер МР3. Затем появились плеер от фирмы Eiger Labs MPMan F10 и плеер Rio PMP300 от фирмы Diamond Multimedia. Все первые плееры использовали встроенную флэш-память (32 или 64 Мбайт) и подключались через параллельный порт, а не через USB.

MP3 стал первым массово признанным форматом хранения аудио после CD-Audio. Были разработаны МР3-плееры и на базе жестких дисков, в том числе на базе миниатюрного жёсткого диска IBM MicroDrive. Одним из пионеров использования жестких дисков (HDD) стала компания Apple. В 2001 году она выпустила первый образец МР3-плеера iPod с жестким диском 5 Гбайт, вмещающий запись около 1000 песен.

Он обеспечивал 12 часов автономной работы благодаря литий-полимерному аккумулятору. Размеры первого iPod составляли - 100x62x18 мм, вес был 184 грамма. Первый iPod был доступным только пользователям компьютеров Macintosh. следующая версия iPod, появившаяся спустя полгода после выхода первого, уже включала два варианта - iPod for Windows и iPod for Mac OS. Новые iPod получили сенсорное колесо прокрутки вместо механического и стали доступны в версиях 5Гб, 10Гб и чуть позже 20Гб.

Сменилось несколько поколений iPod, в каждом из них характеристики постепенно улучшались, например экран стал цветным, но, по-прежнему применялся жесткий диск.

В дальнейшем стали применять флэш-память для МР3-плееров. Они стали более миниатюрными, надежными, долговечными и дешевыми, приобрели форму миниатюрных брелков, которые можно носить на шее, в нагрудном кармане рубашки, в дамской сумочке. Функцию МР3-плеера стали выполнять многие модели сотовых телефонов, смартфоны, КПК.

Компания Apple представила новый МР3-плеер iPod Nano. В нем жесткий диск заменен на флэш-память.

Это позволило:

• Сделать плеер значительно компактнее — флэш-память по размерам меньше жесткого диска;
• Уменьшить риск сбоев и поломок, полностью исключив подвижные части в механизме плеера;
• Сэкономить на аккумуляторе, ведь флеш-память потребляет значительно меньше электроэнергии, чем жесткий диск;
• Увеличить скорость передачи информации.

Плеер стал гораздо легче (42 грамма вместо 102) и компактнее (8.89 x 4.06 x 0.69 против 9.1 x 5.1 x 1.3 см), появился цветной дисплей, позволяющий просматривать фотографии и показывать изображение альбома во время его воспроизведения. Объем памяти составляет 2 Гб,4 Гб, 8 Гб.

В конце 2007 года Apple представила новую линейку плееров iPod:

• iPod nano, iPod classic, iPod touch.
• iPod nano с флэш-памятью может теперь проигрывать видео на 2-дюймовом дисплее с разрешением 320х204 мм.
• iPod classic с жестким диском имеет объем памяти 80 или 160 Гб позволяет в течение 40 часов слушать музыку и 7 часов демонстрировать кино.
• iPod touch с 3,5 - дюймовым широкоформатным сенсорным экраном позволяет управлять плеером движениями пальцев (англ. touch) и смотреть кино и телепередачи. С этим плеером можно выходить в Интернет и скачивать музыку и клипы. Для этого в него встроен Wi-Fi модуль.

Новая линейка плееров Apple: iPod nano, iPod classic, iPod touch

0.7.Лекция 6. Запись изображений

0.7.1. 

0.7.1.1.Фотография и кино

Предшественником фотографии была камера-обскура (рис. 6.1) - прибор, дающий возможность воспроизводить в уменьшенном виде находящиеся перед ним предметы и виды природы. Он представляет собой светонепроницаемый ящик с маленьким отверстием в центре одной из стенок. На его противоположной стенке получается обратное ("вверх ногами") изображение предметов, находящихся перед отверстием.

Словосочетание "camera obscura" в переводе с латыни означает "темная комната". Упоминания о камере-обскуре встречаются еще в V веке до н. э. - китайский философ Ми Ти описал возникновение изображения на стене затемненной комнаты. Упоминания о камере-обскуре были и у Аристотеля.

Рис. 6.1.  Камера-обскура

Вероятно, первым использовал камеру-обскуру для зарисовок с натуры Леонардо да Винчи. Он подробно описал ее в своем "Трактате о живописи". В 1686 году Йоганнес Цан спроектировал портативную камеру-обскуру. Она была оснащена зеркалом, расположенным под углом 45° и проецирующим изображение на матовую, горизонтальную пластину. В отверстие камеры-обскуры помещали линзу, что позволяло значительно увеличить яркость и резкость изображения. Многие художники (например, Ян Вермеер Дельфтский) использовали камеру-обскуру для зарисовки изображений - пейзажей, портретов, бытовых зарисовок. Если к матовому стеклу приложить полупрозрачную бумагу, то на ней можно с помощью карандаша довольно точно зафиксировать на просвет изображение на стенке. Для этого нужно аккуратно обвести контуры изображения на бумаге. Так поступал художник Каналетто, что позволило ему запечатлеть пейзажи Венеции с документальной точностью. Камера-обскура в дальнейшем послужила основой для получения фотографических снимков. Нужно было найти способ закрепить изображение на каком-нибудь материале, например на камне или бумаге, не используя карандаш, резец или кисть.

Первым, кому удалось это сделать, был француз Жозеф Ньепс (1765-1833). Рисовать он не умел и стремился заставить "рисовать" свет. Для этого он покрывал поверхность пластины из стекла, меди или сплава олова со свинцом тонким слоем асфальтового лака (битума), растворенного в животном масле. Это и был первый светочувствительный материал. Ньепс засвечивал его в камере-обскуре в течение нескольких часов. Когда полученное на покрытии изображение затвердевало и становилось видимым невооруженным глазом, Ньепс в темной комнате обрабатывал пластину кислотой. Она растворяла покрытие линий изображения, защищенное от воздействия света во время экспозиции (то есть времени выдержки при засветке). Затем гравер четко гравировал линии, покрывал пластину чернилами и отпечатывал необходимое количество экземпляров рисунка. В результате получалась гравюра, созданная не художником, а светом, - гелиография (в переводе с греческого - "нарисованная светом"). Первое стойкое изображение в камере-обскуре Ньепс получил в 1822 году. Экспозиция при этом была равна 8 часам.

Рис. 6.2.  Ж. Ньепс

Так Ньепс впервые в истории сумел избавиться от услуг художника и зафиксировать точное изображение объекта, "нарисованное" светом. Но при этом использовался ручной труд гравера. Такая гелиогравюра представляла собой лишь начальный этап в изобретении фотографии. Четкость изображения на гелиогравюрах была невелика.

Французский художник и изобретатель Луи Дагер (1787-1851) на основе опытов Ж. Ньепса разработал первый практически пригодный способ фотографии - дагерротипию (1839 г.).

Рис. 6.3.  Л. Дагер

Л. Дагер не изобрел фотографию - право первенства принадлежит Ж. Ньепсу, - но сделал ее действующей и популярной.

Его идея заключалась в том, чтобы получать изображение на полированной поверхности серебряной пластины, пропитанной парами йода: они делали ее чувствительной к свету. Эту пластину он помещал в камеру-обскуру и подвергал экспозиции, а проявлял парами ртути.

Он достиг результата в 1837 году после 11 лет опытов. Полученное и проявленное в парах ртути изображение он фиксировал, промывая экспонированную пластину раствором соли и горячей водой. Позднее соль была заменена другим фиксирующим веществом - гипосульфитом натрия. В результате смывались частицы йодистого серебра, не подвергшиеся воздействию света. Время экспозиции пластины в камере-обскуре составляло от 15 до 30 мин. (в то время как при гелиографии Ньепса требовалась экспозиция до 8 ч).

В результате получалась единственная фотография-позитив, названная автором дагерротипом. Несколько таких пластинок сделать было невозможно. Изображение на пластине получалось зеркальным. Рассматривать его можно было только при определенном освещении. Но Дагер сумел при получении изображений на дагерротипе, "нарисованных" светом, избавиться от услуг не только художника, но и гравера. Это и сделало его процесс доступным и практичным.

Дагер вызывал в Париже значительный интерес публики. С тяжелой фотографической камерой и громоздким оборудованием он делал свои дагерротипы на бульварах.

7 января 1839 года известный астроном и физик Араго доложил французской Академии наук о работах Дагера.

Вскоре ученые, художники и любители улучшили процесс Дагера. Они сократили время экспозиции до нескольких минут. Применение призмы дало возможность перевернуть изображение на дагерротипе из зеркального в нормальное. Дагерротипы передавали мельчайшие детали снимаемых объектов. К 1841 году была создана камера меньшего размера, а ее вес уменьшился в 10 раз.

Английский физик, химик Уильям Толбот (1800-1877) изобрел негативно-позитивный процесс в фотографии (калотипию).

Рис. 6.4.  У. Толбот

Он пытался копировать виды природы с помощью камеры-обскуры. Но он тоже не обладал навыками рисования. Поэтому ему захотелось зафиксировать изображение, которое он видел в камере-обскуре. Толбот знал о том, что свет может воздействовать на свойства различных материалов, и он изобрел такой светочувствительный материал. Для этого он погружал лист бумаги в слабый раствор соли, а затем в раствор нитрата серебра. При этом в бумаге образовывался хлорид серебра и она становилась светочувствительной.

В 1835 году Толбот с помощью камеры делал снимки на своей светочувствительной бумаге, пропитанной хлористым серебром. Так он получил первый в мире негатив. К нему он прикладывал другой такой же лист бумаги и засвечивал их. Так Толбот сделал позитивный отпечаток. Первые снимки были темными, нечеткими и "пятнистыми", а чувствительность бумаги была очень низкой.

В январе 1839 года Толбот узнал о том, что в Академии наук в Париже Араго сделал сообщение об изобретении Л. Дагера - дагерротипе. Это побудило Толбота опубликовать сообщение о своем процессе. 31 января 1839 года он сделал в Лондонском королевском обществе доклад "Некоторые выводы об искусстве фотогеничного рисунка, или о процессе, с помощью которого предметы природы могут нарисовать сами себя без помощи карандаша художника".

Известный ученый Джон Гершель назвал изобретение Толбота фотографией и пустил в обращение слова "негатив" и "позитив".

В 1840 году У. Толбот изменил и улучшил свой процесс. Это позволило ему делать фотографии за несколько минут. Он назвал свой процесс калотипией (от греч.слов kalos - красивый и typos - отпечаток), впоследствии получившей название толботипия.

Проявлял он бумагу в кислоте, затем фиксировал изображение в растворе гипосульфита, промывал негатив в чистой воде, высушивал и натирал воском, делая его прозрачным. С помощью солнечного света он делал с негатива контактные отпечатки на хлоросеребряной бумаге.

Калотипия Толбота и дагерротипия Дагера имели принципиальные различия. В дагерротипе сразу получалось позитивное, зеркально отраженное изображение на серебряной пластине. Это упрощало процесс, но делало невозможным получение копий. В калотипии сначала изготовлялся негатив, с которого можно было сделать любое количество позитивных отпечатков. Поэтому калотипия намного ближе к современной фотографии, несмотря на то, что качество дагерротипии было намного выше, чем калотипии.

В 1844-1846 годах Толбот издал первый альбом "Карандаш природы" с фотографическими художественными иллюстрациями - видами природы и архитектуры, а в 1851 году разработал метод мгновенной фотографии.

В том же 1851 году английский изобретатель Ф. Скотт Арчер стал применять "мокрый" фотографический процесс. Листы стекла поливали смесью солей серебра с раствором нитроцеллюлозы в спирте (коллодием). Эти мокрые пластины экспонировали и проявляли без высушивания. Поэтому на съемку фотограф нес с собой целую походную фотолабораторию: громоздкий фотоаппарат, запас пластинок, химикалии, посуду и палатку для работы с ними в темноте. Это было крайне сложно и неудобно.

В 1871 году английский изобретатель Р.Л. Меддокс создал пластинку с сухим бромосеребряным желатиновым слоем, а в 1873 году немецкий ученый Г. Фогель сделал открытие, позволившее увеличить чувствительность фотоматериалов и значительно уменьшить время экспозиции. В 1887 году американец Г. Гудвин изобрел фотопленку на гибкой нитроцеллюлозной подложке.

В 1880 году американский изобретатель Джордж Истмен (1854-1932) разработал процесс изготовления сухих фотографических пластин, использование которых существенно упростило работу фотографа, и в том же 1880 г. основал фирму Eastman Dry Plate and Film Company для их производства, преобразованную в 1892 в Eastman Kodak Company.

Рис. 6.5.  Д. Истмен

В самом конце ХIХ - начале ХХ века Д. Истмен создал модель портативного фотоаппарата и открыл пункты по обработке фотопленки и печати фотографий по всему миру. Девизом его фирмы Коdак стало изречение: "Нажмите кнопку, мы сделаем остальное!"

Первый фотоаппарат "Кодак", появившийся в 1888 году, был простой портативной камерой, вмещавшей ролик бумаги на 100 снимков (рис. 6.6). Камера с отснятыми снимками возвращалась производителю для проявления, печати и перезарядки. В 1889 году Истмен разработал прозрачную пленку. В 1900 году он создал более простую фотокамеру, которой могли пользоваться даже дети. Стоила она всего 1 доллар и продавалась вместе с роликом пленки в кассете, которую после фотографирования можно было отправить на завод-изготовитель для проявки и печати. Такими камерами пользовались миллионы любителей фотографии.

Рис. 6.6.  Фотоаппарат "Кодак" для ролевой пленки (1888 г.)

В последующие годы фирма Eastman Kodak внедрила еще целый ряд новшеств. Она была первой компанией, создавшей оборудование для домашней киносъемки и цветную пленку для слайдов (диапозитивов). В 1960 году фирма разработала кинопленку в кассетах, а в 1982 году - фотокамеры с автоматическим использованием фотовспышки в случае необходимости, с автоматической наводкой на резкость и автоматической перемоткой пленки после съемки каждого кадра. С их появлением девиз Д. Истмена "Нажмите кнопку, мы сделаем остальное!" приобрел буквальный смысл для миллионов даже самых неопытных фотолюбителей. Пункты фирмы Kodak по проявке фотопленок и печати фотографий с них существуют во многих странах мира, в том числе и в России.

Немецкий механик и изобретатель Оскар Барнак (1879-1936) создал в 1911-13 годах первую миниатюрную фотокамеру "Лейка" (Leica 1A), которая появилась в продаже в 1924 году.

Рис. 6.7.  Фотокамера

Рис. 6.8.  Оскар Барнак Leica 1A

Успех этой камеры привел к широкому распространению 35-мм камер во всем мире. О. Барнак установил стандарт кадра 24х36 мм для всех миниатюрных фотокамер, существующий и в наши дни.

Современные фотоаппараты полностью автоматизированы, снабжены встроенной фотовспышкой, сами производят наводку на резкость снимаемого объекта, определяют выдержку в зависимости от условий освещения, при необходимости включают фотовспышку, автоматически перематывают пленку на следующий кадр. Цветная фотопленка имеет очень высокую чувствительность, позволяющую снимать практически при любых условиях. Она теперь выпускается всего четырех градаций чувствительности 100, 200, 400 и 800 единиц, в кассетах на 12,24 и 36 кадров (рис. 6.9). Фотолюбителю нужно только выбрать объект съемки и вовремя нажать на спусковую кнопку. Особенной популярностью пользуются у фотолюбителей миниатюрные фотоаппараты, шутливо называемые "мыльницами". Процессы проявления фотопленки и фотопечати на высококачественной цветной фотобумаге давно автоматизированы в многочисленных фотолабораториях всемирно известных фирм "Кодак" и "Фуджи". Поэтому домашние фотолаборатории почти исчезли в наши дни. Пластмассовые светонепроницаемые кассеты с фотопленкой вставляются в фотоаппараты и вынимаются из них с уже отснятой фотопленкой на свету (разумеется, после обратной перемотки в закрытом фотоаппарате). Поэтому фотолюбитель уже не нуждается в затемненном помещении для зарядки пленки в кассету.

Рис. 6.9.  Фотопленка в стандартной кассете

Теперь у фотолюбителя только одна забота - правильно выбрать кадр для съемки и вовремя нажать на спусковую кнопку. Все остальное сделает за него современный фотоаппарат (рис. 6.10) - автоматически наведет на резкость, в зависимости от условий освещения выберет диафрагму и выдержку, применит, если нужно, фотовспышку, произведет экспозицию и даже перемотает пленку на следующий кадр после окончания съемки предыдущего. Когда же вся пленка кончится, аппарат автоматически перемотает всю экспонированную пленку обратно в кассету. Фотолюбителю остается только достать отснятую кассету и отнести ее в фотолабораторию для проявки и печати на автоматическом оборудовании. Поэтому качество любительской фотосъемки резко возросло. Когда в такой автоматизированный фотоаппарат вставляют новую кассету с неэкспонированной пленкой, то он автоматически перематывает ее на первый кадр и сам определяет чувствительность этой пленки. После этого аппарат снова готов к работе. Наиболее совершенные модели снабжены календарем и автоматически экспонируют на каждый кадр дату съемки.

Рис. 6.10.  Современный фотоаппарат-"мыльница"

В 1960-1980-е годы широкое распространение получила фотосъемка на диапозитивную цветную пленку (так называемые слайды). Их нужно рассматривать на просвет с помощью диапроектора. Слайды дают высокое качество изображения, но после появления за последние десятилетия высококачественной позитивной фотографии их популярность значительно снизилась.

Изобретатель и предприниматель Э. Лэнд разработал в 1947 году диффузионный фотографический процесс, при котором химико-фотографическая обработка негативного фотоматериала и получение позитива происходят одновременно. Другими словами, он изобрел одноступенчатый процесс проявления и печати в фотографии. На его основе он создал фотоаппарат моментальной фотографии, названный им Polaroid. Такое же название он дал и своей фирме. Проявление и фиксирование изображения происходит внутри разработанного им фотоаппарата. Для этого в аппарат Polaroid вставляется специальный картридж - фильмпакет, рассчитанный на получение 10 фотоснимков размером 8,8х10,7 см, с сухими химикалиями. Главное достоинство этого аппарата - оперативность съемки. Сразу же после нажатия на спусковую кнопку из аппарата появляется белый картонный квадрат, на котором в течение одной минуты проявляется готовое позитивное цветное фотоизображение. Но на этом достоинства кончаются: качество снимка значительно хуже, чем у современного обычного фотоаппарата, снимок - всего в одном экземпляре, размножить или увеличить его нельзя.

Лэнд Эдвин (1909-1991) - американский ученый и изобретатель, автор более 500 патентов. В 1932 году разработал поляризационный фильтр, названный им Polaroid, на основе субмикроскопических кристаллов, внедренных в пластик.

В 1937 году основал корпорацию Polaroid Corp. в Кэмбридже (штат Массачусетс). В 1941 году разработал объемный кинопроцесс на основе поляризации света.

В 1947 году он продемонстрировал фотоаппарат, названный им Polaroid Land Camera, который печатал готовую фотографию через 60 секунд после съемки. Сначала был применен процесс, основанный на жидких химических реактивах ("мокрый" процесс), а позднее были использованы сухие реактивы - процесс стал "сухим". Первые фотографии Поляроида были черно-белыми, затем были получены цветные фотографии. Камера "Поляроид" благодаря простоте и быстроте получения готовых цветных фотографий стала одной из самых популярных в мире.

Итак, фотографический процесс получения изображений на поверхности стеклянной пластинки, пленки или бумаги, покрытой светочувствительным слоем солей серебра, основан на химическом действии света, вызывающем разложение этих солей. Изображение фотографируемого объекта в фотоаппарате с помощью объектива проецируется на светочувствительную поверхность пластинки или пленки, которая затем проявляется и фиксируется. На ней получается негативное изображение объекта. С этого негатива на светочувствительной фотобумаге печатаются фотографии.

После изобретения фотографии стало возможным получить движущиеся изображения. Для этого сначала фотографируют на кинопленку последовательные положения движущегося предмета, а затем также последовательно показывают эти кадры с помощью проектора. При перемещении пленки от одного кадра к следующему световой поток перекрывается скачковым механизмом (или обтюратором). Благодаря этому зритель видит только последовательный ряд размещенных на пленке неподвижных кадров. Если снимать, а потом показывать пленку со скоростью 16, а лучше 24 кадра в секунду, то зрители за счет инерционности зрения не замечают смену кадров и движение на экране кажется непрерывным.

Первым, кто создал оптический прибор для демонстрации движущихся картинок, был Томас А. Эдисон. Патент на свой прибор - кинетоскоп - он получил в 1891 году.

Кинетоскоп (от греческого кинетос - движущийся и скопио - смотреть) Эдисона представлял собой ящик с глазком-окуляром, с помощью которого смотреть фильм мог только один человек. Внутри ящика через систему роликов протягивалась пленка с фильмом длительностью около полминуты. Таким образом, кинетоскоп был прибором индивидуального пользования. В 1894 году Эдисон открыл зал "Кинетоскоп Парлор". В нем он установил 10 ящиков-кинетоскопов для демонстрации фильмов. Один сеанс стоил 25 центов. Однако смотреть фильм через глазок-окуляр было неудобно.

В 1895 году свой первый кинофильм в парижском кафе показали братья Люмьер. Демонстрировали они его с помощью кинопроектора, проецировавшего изображение на большом экране. Это дало возможность показывать фильм сразу многим зрителям. В результате кинетоскопы Эдисона для индивидуального просмотра фильмов не выдержали конкуренции и уступили место кинопроекторам.

Братья Огюст (1862-1954) и Луи (1864-1948) Люмьер - изобретатели кинематографа и постановщики первых в мире кинофильмов.

Отец их был художником, увлекавшимся фотографией. Собственно изобретателем кинематографа был Луи, но Огюст помогал брату и принимал активное участие в киносъемках.

Первый киносеанс братья Люмьер провели в парижском Гран-кафе на бульваре Капуцинов в 1895 году. За 1895-1896 годы они сняли около 50 короткометражных фильмов. Им принадлежит и само название "кинематограф". Снимали они документальные картины (например, знаменитое "Прибытие поезда на вокзал"), комедии ("Политый поливальщик"), и игровые картины. Киносеансы шли под аккомпанемент пианино или саксофона. Последний свой фильм братья Люмьер сняли в 1898 году, а всего ими было снято около 1800 кинолент.

Их изобретение быстро распространилось сначала в Европе, а затем и в Америке.

Братья Люмьер подарили миру не только кинематограф. Другой важной областью их исследовательской работы была фотография: сначала черно-белая, а затем и цветная. Работая многие годы, они разработали рецепт автохрома - пластинок для цветной фотографии. На стеклянную пластинку они наносили мелко размельченный крахмал, синий, красный и зеленый краситель, сажу, клей, фотоэмульсию, смешивали и высушивали их. Братья Люмьер разработали технологию и организовали промышленное производство пластинок автохрома. Фотолюбители получили стеклянные пластинки с позитивным изображением и яркими цветами. С них можно было напечатать фотографию или рассматривать снимки под лупой, их можно было вставить в диапроектор или сохранить в фотоальбоме.

Доступная цена, высокая по меркам начала века скорость съемки и натуральность получаемых снимков обеспечили коммерческий успех изобретению Люмьеров. Пластинки автохрома производили с 1907 до 1932 года.

До нашего времени сохранилось несколько десятков тысяч цветных фотографий, сделанных на пластинках автохрома в 50 странах мира.

В течение почти 30 лет кино оставалось немым, а затем стало звуковым. Для этого на кинопленке стали оптическим способом записывать звуковую дорожку, а при показе кинофильма считывать с нее звук с помощью фотоэлемента.

Первую оптическую систему записи звука в кино создал американский изобретатель Ли де Форест (1873-1961).

Рис. 6.11.  Ли де Форест

Непрозрачная область кинопленки, смежная с изображением, содержит фотографическую фонограмму в виде звуковой дорожки, ширина которой изменяется в соответствии с изменениями звука. По мере воспроизведения копии через кинопроекционную установку, световой луч лампы кинопроектора, проходя через фонограмму, передает изменения на фотоэлемент, преобразующий световой сигнал в электрический. Этот сигнал усиливается, обрабатывается с помощью фильтров и преобразовывается как звуковой. Оптический звук имеет ряд преимуществ, которые определили его универсальность. Прежде всего - экономичность при производстве, так как оптическая фонограмма печатается на пленке вместе с изображением. Срок жизни звуковой дорожки такой же, как и изображения, и может быть достаточно долгим. Оптическая считывающая головка, установленная в проекторе, - наиболее эффективная и простая в обслуживании технология из ныне существующих.

Впервые звук и изображение стали записывать на кинопленке, созданной Д. Истменом в конце XIX - начале XX века. Первый звуковой кинофильм "Звуки джаза" были выпущен в США в 1927 году. В нашей стране первый художественный звуковой фильм "Путевка в жизнь" был выпущен в 1931 году.

Фотографии и кинопленка многие годы были черно-белыми, а затем стали цветными, хотя первое цветное изображение француз Л. Дюко дю Орон получил еще в 1868-1869 годах.

Стандартный размер кадра 36-миллиметровой фото- и кинопленки составляет 24х36 миллиметров. По обеим сторонам кадра в ней имеются отверстия для ее протяжки при съемке и проекции на экран. Такая кинопленка используется в профессиональном кино. Для кинопередвижек применялась 16-миллиметровая кинопленка, а для любительского кино в 1960-1990-е годы широко использовалась 8-миллиметровая черно-белая и цветная кинопленка, в которой отверстия располагались с одной стороны. В последние годы с появлением любительских видеокамер любительская киносъемка после 30-40-летнего существования полностью "вымерла": наступил век магнитной видеосъемки.

Дюко дю Орон

Первая цветная фотография Дюко дю Орона

Однако профессиональное кино продолжает жить и сегодня. Большой прогресс достигнут за последние десятилетия в звуковом сопровождении кинофильмов. Сегодня каждый зритель, в каком бы месте зала он не находился, смотрит кинофильм с пространственным звуком и специальными эффектами, например, раскатами грома.

Долби (Dolby) - это технология записи и воспроизведения многоканального звука, создающего "эффект присутствия". Основа этой технологии - принцип размещения звука на двух дорожках в пространстве, выделенном для записи стандартной оптической звуковой дорожки. Дорожки несут информацию не только для левого и правого каналов (внутренний стереозвук), но также и информацию для третьего (центрального) канала и, что наиболее важно, - для четвертого канала (surround) объемного звучания окружающего звука и специальных эффектов в зале (рис. 6.12).

Рис. 6.12.  Акустическая система

Dolby Digital - это новейшая разработка в технологии кинозвука - шестиканальная цифровая оптическая запись дополнительно к четырехканальной аналоговой SR (surround) записи, размещенная на одной копии 35 mm. Цифровая дорожка расположена при этом справа на копии. Формат Dolby Digital доказал свои высокие качества, надежность и практичность в кинотеатрах всего мира.

0.7.1.2.Магнитная видеозапись

Изобретение съемочной видеокамеры и видеомагнитофона позволило записывать на магнитную пленку не только звук, но и движущееся изображение.

Однако при записи вдоль магнитной ленты потребовалась бы очень высокая скорость ее движения - более 200 км/ч (приблизительно в 10000 раз большая, чем при записи звука). Дело в том, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц. Качественная запись звука осуществляется в этом диапазоне. Для записи видеоизображения требуются гораздо более высокие частоты - свыше 6 МГц.

В 1951 г. В. Сэлстед, А. Понятов и М. Столяров (США) разработали конструкцию видеомагнитофона с вращающимися магнитными головками (рис. 6.13).

Рис. 6.13.  А. Понятов

Идею применить вращающиеся головки подал Чарльз П. Гинзбург (1920-1992), который приступил к работе в компании А. Понятова Ampex в 1952-м. Приборы видеозаписи того времени работали на излишне высокой скорости - 6 м/с, поэтому расход видеопленки был очень большой.

В своем устройстве Ampex VRX-1000 Гинзбург применил записывающие головки, которые вращались на высокой скорости, что позволило значительно снизить скорость лентопротяжного механизма. Изобретение Гинзбурга предопределило будущее аналоговых аудио- и видеомагнитофонов.

Вместо того чтобы увеличивать скорость движения магнитной ленты при записи и воспроизведении изображения, магнитные головки в видеокамере и видеомагнитофоне закреплены на вращающемся с высокой скоростью барабане, а сигналы записываются не вдоль, а поперек ленты. Ось вращения барабана наклонена к ленте, а его магнитная головка при каждом обороте записывает на ленте наклонную строчку. При этом плотность записи значительно увеличивается, а магнитная лента должна двигаться сравнительно медленно - со скоростью всего 2 мм/с.

До изобретения магнитной видеозаписи все телевизионные передачи велись только в "прямом эфире". Это создавало целый ряд неудобств - ведь все ошибки сразу были видны зрителям. Видеозапись сразу дала возможность осуществлять видеомонтаж телевизионных программ, хранить их и передавать в любое удобное время. В наши дни съемочная видеокамера и видеомагнитофон стали не только непременным атрибутом телевизионных студий, но широко вошли в быт.

Любительские кинокамеры были практически вытеснены любительскими съемочными видеокинокамерами. Они записывают цветное изображение и звук (с помощью встроенного микрофона), обладают высочайшей чувствительностью. Измерение яркости изображения, установка диафрагмы и наводка на резкость полностью автоматизированы. Результат видеосъемки можно просмотреть сразу же, ведь никакой проявки пленки (как при киносъемке) уже не требуется.

В современных видеокамерах оптическое изображение преобразуется в электрическое с помощью полупроводниковой матрицы из светочувствительных элементов ПЗС (CCD). В них не используется кинопленка, не требуется проявление и закрепление. Изображение в них записывается на магнитную видеопленку.

Видеокамеры снабжаются высококачественными объективами. Так, наиболее современные цифровые камеры фирмы Sony формата DV (рис. 6.14) оснащены объективами фирмы Carl Zeiss. В дорогих видеокамерах используются вариообъективы с переменным фокусным расстоянием (так называемые трансфокаторы или ZOOM-объективы), обеспечивающие оптическое 10-кратное увеличение. Это означает, что при видеосъемке можно не сходя с места приблизить или отдалить снимаемый объект, причем это можно делать постепенно. Кроме того, применяется и цифровое увеличение до 400 и более раз, при котором фрагмент изображения растягивается на весь экран.

Рис. 6.14.  Современная цифровая видеокамера MiniDV фирмы Sony

Применяется также система стабилизации изображения, которая корректирует дрожание камеры - с большой точностью и в широких пределах.

Первоначально в студийных передающих видеокамерах использовали в качестве преобразователя света в электрический сигнал (датчика изображения) видикон. Это вакуумный электронно-лучевой прибор, в котором фоточувствительная мишень служит для построчного считывания изображения.

Видеокамеры при этом имели большие габариты и высокую инерционность, плохую чувствительность, большую потребляемую мощность и короткий срок службы. Поэтому в современных ручных видеокамерах вместо видикона, так же как и в цифровых фотоаппаратах, применяют ПЗС-матрицы. Именно применение ПЗС-матриц обеспечивает им высочайшую чувствительность, дающую возможность снимать почти в полной темноте - при свете костра или свечи.

В видеофильме, как и в звуковом кинофильме, движущееся изображение и звук записываются на один и тот же носитель информации - магнитную видеопленку (рис. 6.15). Наиболее распространенный бытовой стандарт видеозаписи - VHS (Video Home System - домашнее видео). Ширина магнитной пленки в этом стандарте - 12,5 мм. Для портативных видеокамер применяется уменьшенная кассета с пленкой той же ширины - VHS Compact. Для воспроизведения в видеомагнитофоне ее помещают в специальный адаптер, имеющий внешние размеры стандартной видеокассеты VHS. Выпускаются видеокассеты VHS с временем записи 120, 180, 195 и 240 минут. Запись на эти кассеты (в отличие от звуковых или аудиокассет) - односторонняя.

Бытовая видеоаппаратура VHS была разработана в 1976 году японской фирмой JVC (Japan Victor Company). Руководил разработкой Сидзуо Такано. Еще в 1974 году японская компания Sony создала бытовую видеоаппаратуру, однако ее система Betamax обеспечивала время записи всего 60 мин., этого было недостаточно для продолжительной записи кинофильмов и спортивных соревнований. Группе С. Такано удалось достичь времени записи сначала 120 мин., а затем 180 и 240 мин. Благодаря этому фирме JVC удалось победить компанию Sony в жесткой конкурентной борьбе. Ее поддержали крупнейшие японские компании Matsushita, Hitachi и Sharp. В результате VHS стала мировым стандартом в бытовой видеоаппаратуре. Все современные видеомагнитофоны рассчитаны на использование видеокассет VHS. Таких видеомагнитофонов в мире выпущено более 750 миллионов.

Рис. 6.15.  Видеокассета VHS

Современные видеомагнитофоны кроме основной скорости записи (SP) и воспроизведения имеют уменьшенную вдвое скорость - Long Play (LP). Это позволяет удвоить время записи и воспроизведения стандартной кассеты (правда, с небольшой потерей качества записи). Так, например, время записи наиболее распространенной кассеты на 180 минут при этом увеличивается до 360.

Фирма Sony разработала и выпускает миниатюрные видеокассеты стандарта Video-8 (Hi8). Ширина пленки в них - 8 мм. Это позволило уменьшить габариты портативных бытовых видеокамер. Наиболее совершенные из них, для контроля изображения во время видеосъемки, кроме видоискателя снабжены миниатюрным цветным дисплеем на жидких кристаллах. С их помощью можно просмотреть только что отснятый видеофильм прямо на съемочной видеокамере. Другой способ просмотра - на экране телевизора. Для этого выход видеокамеры соединяют с входом телевизора. Однако вставить миниатюрную видеокассету стандарта Video-8 в видеомагнитофон нельзя. Предварительно ее нужно переписать на обычную видеокассету стандарта VHS. При перезаписи видеокассет происходит потеря качества - значительно большая, чем у аудиокассет. Ведь на кассеты VHS и Hi8 видеозапись осуществляется по аналоговому методу.

Рис. 6.16.  Современный видеомагнитофон

Переход на цифровой метод записи, осуществленный в наиболее современных видеокамерах, позволяет избежать потери качества даже при многократной перезаписи.

В 1995 году консорциум 55 ведущих производителей электроники, в том числе Sony, Philips, Hitachi, Panasonic и JVC, приняли цифровой формат видеозаписи на магнитную пленку DVC (Digital Video Cassette) ил DV (Digital Video). Уже в конце 1995 года Sony представила первую DV-видеокамеру. Теперь цифровой видеофильм можно перенести с видеокамеры на винчестер компьютера и обратно непосредственно, без всяких сложных преобразований.

DV представляет собой формат записи на магнитную ленту шириной 6,35 мм со скоростью передвижения 18,831 мм/с. Ширина ленты и скорость значительно меньше, чем в аналоговом стандарте VHS, поэтому кассета mini-DV имеет размеры всего 66х48х12,2 мм и рассчитана на время записи 60 мин, а время записи стандартной кассеты DV с габаритами 125х78х14,6 мм может составлять 120, 180 и даже 240 мин. Была предложена еще и DV-кассета с микросхемой памяти для хранения списка записанных видеосюжетов (в том числе временные коды начала и конца каждого видеофрагмента, монтажные метки и номера сцен и дублей).

Каждому кадру на магнитной ленте соответствуют 12 наклонных строк-дорожек шириной 10 мкм (рис. 6.17). На каждой из них, кроме записи аудио- и видеоинформации, часа, минуты, секунды и порядкового номера кадра, есть возможность записать дополнительную информацию о видеосъемке. Все DV-камеры могут работать в режиме фотосъемки и фиксировать отдельные изображения со звуковым сопровождением в течение 6-7 с. При этом они превращаются в цифровые фотоаппараты с емкостью 500-600 кадров. Создан уже и DV-видеомагнитофон Sony DHR-1000.

Рис. 6.17.  Схема видеозаписи на цифровую видеокассету DV (Digital Video) и на аналоговую видеокассету Hi8 по цифровой технологии Digital 8

Наряду с цифровым форматом DV фирма Sony разработала новую цифровую технологию Digital 8, которая призвана стереть границу между аналоговыми и цифровыми форматами. Она позволяет использовать цифровую запись DV на обычной кассете Hi8, применявшейся для аналоговой записи. Кассета Hi8 значительно дешевле цифровой кассеты DV, однако несколько больше ее по габаритам.

Цифровая запись на кассеты Hi8 осуществлена с помощью новых видеокамер Digital 8. Эти камеры можно подсоединять к компьютеру или другому DV-устройству, что дает возможность перезаписывать без потери качества и обеспечивает удобство монтажа записей. Кроме того, с помощью видеокамер Digital 8 можно перевести ранее сделанные аналоговые записи в цифровую форму и даже воспроизводить смешанную запись - и аналоговую, и цифровую. Более широкая лента Hi8 дает возможность записывать ту же информацию, что и в формате DV, но при этом информация о каждом кадре записывается на вдвое меньшем числе дорожек (6 вместо 12). Однако скорость движения ленты при этом увеличена в полтора раза, поэтому на 2-часовую кассету Hi8 помещается только 1 ч 40 мин цифровой записи.

Фирма Hitachi выпустила первую любительскую цифровую видеокамеру без видеокассеты. Изображение в ней записывалось на жесткий съемный диск (так называемый "винчестер") емкостью 260 Мбайт. Его хватало на 20 минут видеозаписи. Записанный в цифровом формате видеофильм можно просмотреть на персональном компьютере или преобразовать его в аналоговый сигнал и посмотреть по телевизору. Но эту же камеру можно использовать и в качестве цифрового фотоаппарата. Тогда этого объема памяти хватает на 3000 цветных фотоснимков или на 1000 цветных снимков с закадровым звуковым комментарием. Запись ведется со сжатием информации в формате MPEG/JPEG, стандартном для компьютеров, поэтому ее можно просматривать и даже редактировать на мониторе персонального компьютера. Главная особенность этой камеры - возможность комбинировать видеофрагменты и фотографии.

В любой современной видеокамере есть фоторежим, дающий возможность записывать стоп-кадры на видеоленту, а в самых новых - на флэш-карту. В новейших цифровых фотоаппаратах появился режим видеосъемки коротких видеофрагментов. Но обычно качество фотографий в видеокамерах и сделанного фотоаппаратом видео - невысокое.

Фирма Panasonic выпустила камеру-"трансформер", способную превращаться в фотоаппарат или видеокамеру. Она состоит из общего оптического модуля, включающего в себя объектив с преобразователем, жидкокристаллический дисплей и видоискатель, и два отдельных функциональных блока: фотоблок со встроенной вспышкой и видеоблок с лентопротяжным механизмом и батареей питания. В оптическом модуле применяется ПЗС-матрица на 1,08 млн пикселей, обеспечивающая высокое качество как фотографий, так и видеосъемки.

До недавнего времени самой компактной кассетой была miniDV. Но ей на смену приходит новый формат MICRO MV Sony. Эта фирма впервые использовала в бытовых видеокамерах более эффективный метод сжатия информации. Благодаря этому размер новой видеокассеты втрое меньше, чем у miniDV (рис. 6.18).

Рис. 6.18.  Видеокарта формата Micro MV фирмы Sony

Особенностью этих миникамер является возможность записи изображения на карты флэш-памяти Memory Stick.

При этом на карту Memory Stick емкостью 8 Мбайт входит 5 минут видеозаписи, а на 128-мегабайтную - 82 минуты видеозаписи.

В наиболее совершенных видеокамерах вместо магнитной ленты для записи видеоизображения применены перезаписываемые оптические DVD-RW диски. Записанный на них диск можно сразу же вставить в DVD-плейер для просмотра. Благодаря малому диаметру диска (8 см) габариты видеокамеры такие же, как и у обычных, с использованием кассет с магнитной пленкой. Время записи на DVD-диске составляет 30 мин., а в режиме "экономии" - 60 мин, с некоторым понижением качества видеоизображения. На таком диске объемом 4,7 Гбайта помещается до 2000 фотографий высокого качества. DVD-технология обеспечивает мгновенный доступ к любому кадру, в отличие от "пленочных" камер, в которых для просмотра нужного кадра магнитную пленку нужно предварительно перемотать. С помощью специальных программ DVD-видеокамеры обеспечивают удобный компьютерный монтаж видеофильмов. Снимать рекомендуется на перезаписываемый диск DVD-RW, несмотря на его более высокую цену, а хранить записи - на обычных записываемых дисках DVD-R.

Все перечисленные модели видеокамер содержат сложные механизмы лентопротяжки или привода DVD-дисков.

Рис. 6.19.  Видеокамера фирмы Sony с записью на DVD

Рис. 6.20.  Цифровая видеокамера Samsung с записью на карту флэш-памяти

Именно таким цифровым видеокамерам, фотокамерам, диктофонам без подвижных узлов и деталей принадлежит будущее. Они более надежны, долговечны, легки и миниатюрны, не боятся встрясок при ходьбе, ударов.

Для того чтобы сделать снимок, нужно получить оптическое изображение и уметь его закрепить. За первый процесс "отвечает" физика, а за второй - химия. Но это касается традиционного фотографического процесса.

В новейшей так называемой цифровой фотографии закрепить оптическое изображение также позволяет физика, а не химия. Для этого оно превращается в электрический сигнал. Вместо традиционной фотопленки в ней используются современные носители информации - матрицы, которые состоят из множества микроскопических элементов - пикселей. Это так называемые приборы с зарядовой связью (ПЗС).

В 1975 году инженер Стив Сассон, работавший в компании Kodak, сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100x100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды). В 1981 году Sony выпускает камеру Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera), с которой и принято отсчитывать историю современной цифровой фотографии. Mavica имела разрешение 570x490 пикселей (0,28 Мп). Устройством цифровой памяти в нем служила широко распространенная дискета. Но объем ее памяти составлял всего 1,44 Мб. Поэтому все дальнейшие цифровые фотокамеры используют в качестве устройства цифровой памяти карточки флэш-памяти. Это позволило не только значительно увеличить память, но и значительно уменьшить габариты цифровых фотокамер.

Рис. 6.21.  ПЗС-матрица

Принцип работы цифровой фотокамеры заключается в том, что ее оптическая система (объектив) проецирует и фокусирует уменьшенное изображение фотографируемого объекта на миниатюрную полупроводниковую матрицу из светочувствительных элементов ПЗС (CCD). ПЗС-матрица - это аналоговое устройство: электрический ток возникает в каждом пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать фотокамера. Далее полученный аналоговый сигнал с помощью цифрового процессора преобразуется в оцифрованное изображение, которое сжимается в формат JPEG (или аналогичный ему) и затем записывается в память камеры. Емкостью этой памяти определяется количество снимков. В качестве памяти цифровых фотокамер используются различные накопители - дискеты, карточки флэш-памяти, оптические диски CD-RW и др.

А дальше эти запомненные электрические сигналы в виде картинки можно вывести на экран компьютера, телевизора, напечатать на бумаге с помощью принтера или передать по электронной почте в любую страну. Чем больше пикселей содержит ПЗС-матрица, тем больше четкость цифрового фотоизображения. В матрицах современных цифровых фотоаппаратов число пикселей доходит до 3-4 и даже 7 миллионов (мегапикселей).

Цифровой фотоаппарат снабжен дисплеем, на котором сделанный снимок появляется сразу же после нажатия кнопки (рис. 6.22). Никакого проявления и закрепления изображения при этом не требуется. Если снимок не понравился, его можно "стереть" и на его место поместить новый. Единственное, что в цифровом фотоаппарате осталось от традиционной фотографии, - это объектив и камера-обскура, в которой помещается светочувствительная ПЗС-матрица.

Рис. 6.22.  Цифровой фотоаппарат

В цифровой фотографии полностью исключается использование светочувствительных материалов с солями дефицитного серебра, существующих уже более 100 лет!

Еще одно преимущество цифровых фотокамер - это возможность делать не только фотографии, но и снимать короткие видеосюжеты длительностью несколько минут, причем со звуком. Для этого большая часть цифровых фотокамер снабжается встроенным микрофоном.

Качество "цифровых" снимков быстро догоняет качество обычных. Можно смело предположить, что в ближайшие годы цифровая фотография полностью вытеснит традиционную.

Такие носители информации, как бумага, перфолента и перфокарта, грампластинка, магнитная пленка, фотографическая бумага и кинопленка, были самыми распространенными в середине XX века.

0.7.1.3.Цифровое кино

За последние годы бурно развивается цифровое кино. Цифровой кинематограф - это процесс производства, распространения и демонстрации кинофильма в кинотеатре на основе цифровых технологий без применения традиционной кинопленки. Съемка цифровых кинофильмов ведется с помощью высококачественных цифровых видеокамер, а демонстрация - с помощью цифровых видеопроекторов, полностью заменяющих съемочные кинокамеры и кинопроекторы. Цифровые жидкокристаллические видеопроекторы применяются и в домашних кинотеатрах.

С момента появления около 30 лет назад первого видеомагнитофона замена традиционной 35-мм кинопленки на систему электронной цифровой проекции стала лишь вопросом времени. Системы цифровой проекции кинофильмов уже появились в кинотеатрах, качество цифровой проекции сравнялось с качеством традиционного пленочного, а во многих случаях даже превзошло качество обыкновенной тиражной копии кинофильма. Для киностудий - цифровое кино обеспечивает одинаково высокое качество изображения и звука кинофильма как в студии, так и в кинотеатре. Зрители видят фильм именно так, как это задумал режиссер. Именно благодаря этим возможностям цифрового кино многие ведущие кинорежиссеры, такие как Джордж Лукас, активно пропагандируют цифровые технологии. Есть у цифрового кино и противники среди кинорежиссеров, которые заявляют, что никогда не откажутся от использования кинопленки. Это напоминает время перехода от немого кино к звуковому, когда даже Чарли Чаплин не хотел переходить к использованию звука, но затем все-таки начал снимать звуковые фильмы.

Внедрение цифрового кинематографа позволяет только за счет тиражирования фильмов сэкономить более 1 млрд долларов для мировой киноиндустрии. Технология цифрового кино значительно увеличивает защиту кинофильма от пиратства - можно применять для защиты методы шифрования, используемые в банковской сфере и системах национальной безопасности. Цифровой кинематограф позволяет организовывать доставку фильма в любой уголок планеты с помощью спутниковых систем, тем самым обеспечивая одновременно сотни и тысячи кинотеатров мира премьерными кинофильмами.

Для владельцев кинотеатров цифровые системы позволяют наряду с традиционными фильмами демонстрировать на большом киноэкране:

• спортивные программы (футбол, хоккей, "Формула-1", бокс и др.);
• концерты (грандиозные шоу, рок-фестивали, мюзиклы, оперы и т.д.);
• прямые трансляции важных событий (чемпионаты мира, извержения вулканов, партийные съезды и т.д.).

В нашей стране благодаря системам цифрового кинематографа становится возможно "доставить" любой фильм, любую программу в самый отдаленный кинотеатр, будь он на Дальнем Востоке или на Крайнем Севере.

Для кинозрителей - цифровое кино обеспечивает одинаково высокое качество демонстрации фильмов как в день премьеры, так и после сотен просмотров. Ведь у цифрового изображения не бывает царапин и грязи, потери кадров при обрыве пленки, дрожания картинки и выцветания цветов.

0.7.1.4.Голография

Стереоскопическая съемка за счет получения одновременно двух изображений на фото- или кинопленке (отдельно для правого и левого глаза) позволила создать у зрителя ощущение объемности изображения. Однако стереоскопическое изображение не дает возможности рассмотреть предмет с разных сторон.

Такая возможность появилась после изобретения голографического метода получения изображений Д. Габором в 1948 году. Он основан на волновой природе света, явлениях дифракции и интерференции.

Фотография дает только плоское изображение предметов, то есть неполную информацию о нем. Дело в том, что свет - это волна, характеризующаяся двумя основными величинами - амплитудой и фазой. Фотография дает информацию только об амплитуде излученной фотографируемым предметом световой волны, а о ее фазе ничего не сообщает. Значит, для получения полной информации о предмете нужно еще уловить фазу этой волны. Ведь именно фаза дает информацию об объемности предмета. Вот эту задачу и удалось решить Деннису Габору.

Габор Деннис (1900-1979), физик. Родился в Венгрии. С 1927 живет в Германии, с 1934 - в Великобритании, с 1967 - в США. Построил общую теорию голографии и получил первые голограммы. Нобелевская премия (1971).

Он осветил предмет (это был полупрозрачный кубик) светом ртутной лампы. В то время это был самый лучший источник световых волн с постоянной длиной волны, так называемый когерентный источник. На пути световых волн от ртутной лампы, которые отразил предмет (кубик), Габор поставил фотопластинку. Волна от лампы сложилась с волной от предмета. В результате их интерференции появилась суммарная волна, которая и была зафиксирована на фотопластинке в виде чередующихся черных и светлых полос. Ее Габор назвал голограммой. Для того чтобы вместо интерференционной картины увидеть изображение предмета, Габор поставил справа от голограммы ту же самую ртутную лампу, только теперь свет от нее шел в обратном направлении. В результате дифракции слева от голограммы возникли те же волны, которые ее создали, а в результате интерференции произошло вычитание волн, направленных навстречу друг другу, и осталась только волна от предмета. Заглянув в голограмму, Габор увидел за ней парящий в воздухе кубик - первое голографическое изображение.

Слово голография - греческое. Оно состоит из двух частей: голо - по-гречески "полный, целый, весь" и графо - "пишу". То есть слово "голография" означает "полное описание", что полностью соответствует физическому смыслу этого термина.

Однако развиваться голография стала только в 1960-х годах с появлением лазера, дающего идеальное когерентное излучение. В 1962-1963 гг. американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые применили лазер в качестве источника света для получения голограммы. При голографической съемке фотопластинка освещается опорным лазерным лучом и одновременно отраженным от снимаемого предмета светом. В результате сложения световых волн в плоскости пластинки возникает картина, содержащая всю информацию об отраженной световой волне. Если после проявления фотопластинки осветить ее лазерным лучом, возникает голографическая картина - голограмма. Объект съемки не только кажется объемным, но при повороте головы его действительно можно рассмотреть с разных сторон - справа, слева, сверху и снизу!

Наиболее необычное свойство голограммы состоит в том, что любой ее участок содержит информацию обо всем запечатленном на ней предмете. Причина в том, что практически на каждую точку поверхности фотопластинки падает излучение, отраженное от всех точек предмета. Если разорвать фотографию на несколько кусков, то каждый кусок будет содержать информацию только о части предмета. В то же время, если голограмму разделить на несколько фрагментов, то каждый из них будет содержать информацию обо всем предмете. В этом смысле голограмма больше похожа на зеркало, чем на фотографию. Ведь каждый кусочек разбитого зеркала отражает весь предмет. Этот факт натолкнул ученых на некоторое сходство голограммы с памятью человека. Такая аналогия ни в коей мере не является прямой, однако голографические принципы хранения информации могут быть полезными для раскрытия механизмов человеческой памяти.

Способ получения голограммы на фотопластинке с толстым слоем эмульсии, разработанный в 1962-1963 гг. Ю.Н. Денисюком, позволяет рассматривать голограмму при освещении ее обычным осветителем или солнечным светом. Толщина слоя эмульсии намного больше длины световой волны, поэтому интерференционная картина встречных предметного и опорного пучков света возникает в толще эмульсии и образует объемную голограмму. При проявлении изображение формируется в ней в виде микроскопических зеркал. Такую голограмму можно рассматривать только в отраженном белом свете. Голографическое изображение "по Денисюку", подобно фотографическому, занимает всю поверхность голограммы. Этим оно отличается от голографического изображения "по Габору". Объемную голограмму записывают в слое светочувствительного пластика - фоторезиста. С помощью химической обработки на пластмассовой пластинке формируют рельеф. Затем ее покрывают никелем и превращают в матрицу, с помощью которой на тонкой ленте штампуют копии голограмм. Такие радужные наклейки можно помещать на товарные упаковки и документы для защиты от подделки.

Денисюк Юрий Николаевич (1927 г.р.) - советский физик, член-корр. АН СССР с 1970 года. Разработал метод объемной голографии. Лауреат Ленинской (1970) и Государственной (1982) премий.

В наше время голографические методы играют значительную роль в самых различных областях науки, техники и искусства.

Так, методы голографии позволяют получать объемные цветные изображения предметов искусства, голографические портреты. Голографические изображения могут вызвать в недалеком будущем целый переворот в музейном деле: представьте себе, что в любом провинциальном музее будет находиться объемная голографическая копия Венеры Милосской. Методы голографии успешно используются в физике для визуализации акустических и электромагнитных полей, для исследования движущихся частиц. Голография в оптическом диапазоне позволяет получить изображения только внешнего вида предметов. Ультразвуковая голография дает возможность увидеть и внутренние органы.

0.7.1.5.Виртуальная реальность

Понятие искусственной реальности было впервые введено М. Крюгером в конце 1960-х. В 1989 году Д. Ланьер ввел более популярный ныне термин "виртуальная реальность". Первой системой виртуальной реальности стала "Кинокарта Аспена", созданная в Массачусетском Технологическом Институте в 1977 году. Эта компьютерная программа симулировала прогулку по городу Аспен, штат Колорадо, давая возможность выбрать между разными способами отображения местности. Летний и зимний варианты были основаны на реальных фотографиях.

С помощью компьютерной технологии можно создавать образы реальных объектов и процессов природы - "виртуальную" т.е. кажущуюся или возможную реальность (Virtual Reality - VR). Если стереофотография и стереокино делают изображение объемным, а голограмма позволяет осмотреть изображение с разных сторон, то виртуальная реальность позволяет оказаться внутри этого виртуального мира. При этом возможно, моделировать и реально существующие объекты, и любые синтетические миры, которые можно вообразить. Это может быть поверхность любой планеты или звезды, кабина самолета, космического корабля или любой орган человека, модель молекулы.

С этой точки зрения виртуальная реальность может рассматриваться как новейшая информационная технология, как результат сближения человека и компьютера. Для того, чтобы "попасть" в этот призрачный мир, нужна специальная экипировка. Возможно полное и неполное погружение в виртуальный мир. Для полного погружения нужны шлем, силовой жилет, перчатки и сапоги. Создан специальный шлем с дисплеями для каждого глаза, с наушниками и датчиками, дающими информацию о положении головы. Силовой жилет, перчатки и сапоги также снабжены специальными датчиками.

Виртуальный шлем

Оператор в шлеме и перчатках виртуальной реальности

Надев такой "костюм", Вы попадаете в виртуальный мир, например, на дно океана, поверхность Марса или ... в спроектированную по Вашему желанию квартиру. При этом Вы можете поворачивать голову, оглядываться, ходить, дотрагиваться рукой или ногой до предметов, поднимать их, ощущать их тяжесть и температуру. То есть созданный компьютером виртуальный мир способен обманывать Ваши органы чувств. Система виртуальной реальности непрерывно отслеживает положение головы наблюдателя и показывает ему только ту часть виртуальной сцены, которую он может видеть в данной точке пространства и данном угле зрения.

Другой способ полного погружения - с помощью специальной виртуальной комнаты, в которой пол, стены и потолок снабжены экранами, на которые проектируются изображения. Моделируются движение и звуки (например, автомобиля, самолета, поезда или космического корабля). Все это очень важно для создания специальных тренажеров для пилотов, космонавтов, водителей автомобилей, операторов ядерных реакторов. Созданы также агрегаты, действующие на вестибулярный аппарат человека. Примером могут служить вращающиеся кабины для тренировки космонавтов. Именно необходимость создания таких тренажеров, приближающих обстановку к реальной, и вызвала к жизни создание систем виртуальной реальности. Первыми заказчиками и потребителями были военные - им нужны были тренажеры для обучения стрельбе, подготовки пилотов истребительной авиации к ведению воздушных боев, водителей танков. Космонавты при подготовке к полетам могут потренироваться в стыковке космических аппаратов, а хирурги - подготовиться к будущим сложным, еще не освоенным операциям. Уже созданы тренажеры для всех сред, в которых передвигается человек - имитаторы воздушных, космических, водных и наземных транспортных средств. Тренажеры используют для замены реальной машины более дешевым и безопасным аналогом при воссоздании сложной или опасной для человека среды или ситуации. В каждом тренажере есть механическая часть, имитирующая кабину автомобиля, самолета или танка, и передающая ускорения и вибрацию, и компьютерная, которая создает иллюзию движения.

Тренажер для авиадиспетчеров

Симулирование прыжка с парашютом

Существуют развлекательные системы с использованием виртуальной реальности. С их помощью можно "осуществить" скоростной полет на самолете и спуск на американских горках, походить по залам музеев и картинных галерей, около египетских пирамид или Ниагарского водопада.

В инженерной деятельности виртуальные прототипы дают возможность отказаться от натурных моделей; провести виртуальную сборку сложного прибора и проверить степень стыковки множества деталей до начала реальной сборки; заменить реальные испытания с разрушением на виртуальные.

В медицине виртуальная реальность дает возможность создать трехмерную модель опухоли и облегчить диагностику. При обучении медицинских работников уже используются виртуальные анатомические атласы, имитирующие различные органы человека. Практика на виртуальных "трупах" дешевле, чем на реальных, и гуманнее, чем на подопытных крысах или кроликах. При планировании операций появляется возможность моделировать виртуальный скальпель в виртуальной перчатке.

В архитектуре виртуальная реальность дает возможность заказчику, инвестору и разработчику увидеть будущее здание или сооружение и снаружи, и изнутри.

Виртуальный шлем полностью изолирует глаза от окружающего мира. Для этого перед каждым глазом в нем расположен маленький жидкокристаллический экранчик. Компьютер подает на них синтезированные им картинки, вместе составляющие стереоизображение. С помощью оптической системы это изображение человек видит на расстоянии полуметра от своего лица. Шлем снабжен стереонаушниками и датчиками, следящими за поворотом головы. Эти датчики (они могут быть инфракрасными, ультразвуковыми или микроволновыми) передают в компьютер информацию о положении головы. В соответствии с ней компьютер формирует картинку, соответствующую ориентации головы. В результате у человека и возникает иллюзия нахождения в виртуальной среде. Объем переработки информации в реальном времени при этом очень велик. Если компьютер будет запаздывать в создании этой иллюзии, то у человека может возникать чувство неуверенности, головокружения. Поэтому справиться с выполнением такой сложной задачей способен только суперкомпьютер, обладающий громадным быстродействием и объемом памяти.

Наиболее совершенные шлемы снабжены устройствами, следящими за вращением глазных яблок и даже о положении зрачков человека в данный момент.

Силовой жилет создает усилия на мышцы туловища и рук человека, имитируя иллюзию взаимодействия с предметами в виртуальном пространстве - например, поднятие тяжелого предмета и перенос его с места на место. Для этого жилет снабжен специальными силовыми приводами, получающими команды от компьютера.

Специальные перчатки и обувь, оснащенные датчиками, дающими информацию о движении рук, ног и даже отдельных пальцев, дополняют костюм погружения в виртуальную реальность. Они могут дополняться устройствами, имитирующими осязание. Для этого пьезоэлектрические вибраторы передают на нервные окончания пальцев ощущения, имитирующие прикосновение к виртуальным "предметам".

При частичном погружении в виртуальную среду человек не полностью изолируется от окружающего пространства. На голове у него укрепляются датчики, дающие информацию о поворотах его головы и направлении его взгляда. При этом у него создается впечатление, что он только заглядывает в окно виртуального мира, а вне этого окна продолжает видеть окружающую обстановку.

Уже существует множество виртуальных игр. Но, по мнению ряда ученых, чрезмерное увлечение ими опасно, особенно для детской психики. Поэтому играть в них можно лишь очень недолго - во избежание неприятных последствий для здоровья.

0.8.Лекция 7. История компьютера

0.8.1. 

Во все времена, начиная с древности, людям необходимо было считать. Сначала для счета использовали пальцы собственных рук или камешки. Однако даже простые арифметические операции с большими числами трудны для мозга человека. Поэтому уже в древности был придуман простейший инструмент для счета - абак, изобретенный более 15 веков назад в странах Средиземноморья. Этот прообраз современных счетов представлял собой набор костяшек, нанизанных на стержни, и использовался купцами.

Стержни абака в арифметическом смысле представляют собой десятичные разряды. Каждая костяшка на первом стержне имеет достоинство 1, на втором стержне - 10, на третьем стержне - 100 и т.д. До XVII века счеты оставались практически единственным счетным инструментом.

В России так называемые русские счеты появились в XVI веке. Они основаны на десятичной системе счисления и позволяют быстро выполнять арифметические действия (рис. 7.1)

Рис. 7.1.  Счеты

В 1614 году математик Джон Непер изобрел логарифмы.

Логарифм - это показатель степени, в которую нужно возвести число (основание логарифма), чтобы получить другое заданное число. Открытие Непера состояло в том, что таким способом можно выразить любое число и что сумма логарифмов двух любых чисел равна логарифму произведения этих чисел. Это дало возможность свести действие умножения к более простому действию сложения. Непер создал таблицы логарифмов. Для того чтобы перемножить два числа, нужно посмотреть в этой таблице их логарифмы, сложить их и отыскать число, соответствующее этой сумме, в обратной таблице - антилогарифмов. На основе этих таблиц в 1654 году Р. Биссакар и в 1657 году независимо от него С. Партридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку: основной счетный прибор инженера до середины XX века (рис. 7.2).

Рис. 7.2.  Логарифмическая линейка

В 1642 году Блэз Паскаль изобрел механическую суммирующую машину, использующую десятичную систему счисления. Каждый десятичный разряд представляло колесико с десятью зубцами, обозначавшими цифры от 0 до 9. Всего колесиков было 8, то есть машина Паскаля была 8-разрядной.

Однако победила в цифровой вычислительной технике не десятичная, а двоичная система счисления. Главная причина этого в том, что в природе встречается множество явлений с двумя устойчивыми состояниями, например, "включено/выключено", "есть напряжение / нет напряжения", "ложное высказывание / истинное высказывание", а явления с десятью устойчивыми состояниями - отсутствуют. Почему же десятичная система так широко распространена? Да просто потому, что у человека на двух руках - десять пальцев, и их удобно использовать для простого устного счета. Но в электронной вычислительной технике гораздо проще применять двоичную систему счисления всего с двумя устойчивыми состояниями элементов и простейшими таблицами сложения и умножения. В современных цифровых вычислительных машинах - компьютерах - двоичная система используется не только для записи чисел, над которыми нужно производить вычислительные операции, но и для записи самих команд этих вычислений и даже целых программ операций. При этом все вычисления и операции сводятся в компьютере к простейшим арифметическим действиям над двоичными числами.

Одним из первых проявил интерес к двоичной системе великий немецкий математик Готфрид Лейбниц. В 1666 году в двадцатилетнем возрасте, в работе "Об искусстве комбинаторики" он разработал общий метод, позволяющий свести любую мысль к точным формальным высказываниям. Это открыло возможность перевести логику (Лейбниц называл ее законами мышления) из царства слов в царство математики, где отношения между объектами и высказываниями определяются точно и определенно. Таким образом, Лейбниц явился основателем формальной логики. Он занимался исследованием двоичной системы счисления. При этом Лейбниц наделял ее неким мистическим смыслом: цифру 1 он ассоциировал с Богом, а 0 - с пустотой. От этих двух цифр, по его мнению, произошло все. И с помощью этих двух цифр можно выразить любое математическое понятие. Лейбниц первым высказал мысль, что двоичная система может стать универсальным логическим языком.

Лейбниц мечтал о построении "универсальной науки". Он хотел выделить простейшие понятия, с помощью которых по определенным правилам можно сформулировать понятия любой сложности. Мечтал о создании универсального языка, на котором можно было бы записывать любые мысли в виде математических формул. Думал о машине, которая могла бы выводить теоремы из аксиом, о превращении логических утверждений в арифметические. В 1673 году создал новый тип арифмометра - механический калькулятор, который не только складывает и вычитает числа, но и умножает, делит, возводит в степень, извлекает квадратные и кубические корни. В нем использовалась двоичная система счисления.

Универсальный логический язык создал в 1847 году английский математик Джордж Буль. Он разработал исчисление высказываний, впоследствии названное в его честь булевой алгеброй. Она представляет собой формальную логику, переведенную на строгий язык математики. Формулы булевой алгебры внешне похожи на формулы той алгебры, что знакома нам со школьной скамьи. Однако это сходство не только внешнее, но и внутреннее. Булева алгебра - это вполне равноправная алгебра, подчиняющаяся своду принятых при ее создании законов и правил. Она является системой обозначений, применимой к любым объектам - числам, буквам и предложениям. Пользуясь этой системой, можно закодировать любые утверждения, истинность или ложность которых нужно доказать, а затем манипулировать ими подобно обычным числам в математике.

Буль Джордж (1815-1864) - английский математик и логик, один из основоположников математической логики. Разработал алгебру логики (в трудах "Математический анализ логики" (1847) и "Исследование законов мышления" (1854)).

Огромную роль в распространении булевой алгебры и ее развитии сыграл американский математик Чарльз Пирс.

Предмет рассмотрения в алгебре логики - так называемые высказывания, т.е. любые утверждения, о которых можно сказать, что они либо истинны, либо ложны: "Омск - город в России", "15 - четное число". Первое высказывание истинно, второе - ложно.

Сложные высказывания, получаемые из простых с помощью союзов И, ИЛИ, ЕСЛИ...ТО, отрицания НЕ, также могут быть истинными или ложными. Их истинность зависит только от истинности или ложности образующих их простых высказываний, например: "Если на улице нет дождя, то можно пойти гулять". Основная задача булевой алгебры состоит в изучении этой зависимости. Рассматриваются логические операции, позволяющие строить сложные высказывания из простых: отрицание (НЕ), конъюнкция (И), дизъюнкция (ИЛИ) и другие.

В 1804 году Ж. Жаккар изобрел ткацкую машину для выработки тканей с крупным узором. Этот узор программировался с помощью целой колоды перфокарт - прямоугольных карточек из картона. На них информация об узоре записывалась пробивкой отверстий (перфораций), расположенных в определенном порядке. При работе машины эти перфокарты ощупывались с помощью специальных штырей. Именно таким механическим способом с них считывалась информация для плетения запрограммированного узора ткани. Машина Жаккара явилась прообразом машин с программным управлением, созданных в ХХ веке.

В 1820 году Тома де Кольмар разработал первый коммерческий арифмометр, способный умножать и делить. Начиная с XIX века, арифмометры получили широкое распространение при выполнении сложных расчетов.

В 1830 году Чарльз Бэббидж попытался создать универсальную аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого в нее вводились программы, которые были заранее записаны на перфокартах из плотной бумаги с помощью отверстий, сделанных на них в определенном порядке (слово "перфорация" означает "пробивка отверстий в бумаге или картоне"). Принципы программирования для аналитической машины Бэббиджа разработала в 1843 году Ада Лавлейс - дочь поэта Байрона.

Рис. 7.3.  Чарльз Бэббидж

Рис. 7.4.  Ада Лавлейс

Аналитическая машина должна уметь запоминать данные и промежуточные результаты вычислений, то есть иметь память. Эта машина должна была содержать три основных части: устройство для хранения чисел, набиравшихся с помощью зубчатых колес (память), устройство для операций над числами (арифметическое устройство) и устройство для операций над числами с помощью перфокарт (устройство программного управления). Работа по созданию аналитической машины не была завершена, но заложенные в ней идеи помогли построить в XX веке первые компьютеры (в переводе с английского это слово означает "вычислитель").

В 1880 году В.Т. Однер в России создал механический арифмометр с зубчатыми колесами, и в 1890 году наладил его массовый выпуск. В дальнейшем под названием "Феликс" он выпускался до 50-х годов XX века (рис. 7.6).

Рис. 7.5.  В.Т. Однер

Рис. 7.6.  Механический арифмометр "Феликс"

В 1888 году Герман Холлерит (рис. 7.7) создал первую электромеханическую счетную машину - табулятор, в котором нанесенная на перфокарты (рис. 7.8) информация расшифровывалась электрическим током. Эта машина позволила в несколько раз сократить время подсчетов при переписи населения в США. В 1890 г. изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую 500 сотрудников раньше выполняли целых 7 лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах закончили за один месяц.

Рис. 7.7.  Герман Холлерит

В конце XIX века была изобретена перфолента - бумажная или целлулоидная пленка, на которую информация наносилась перфоратором в виде совокупности отверстий.

Широкая бумажная перфолента была применена в монотипе - наборной машине, изобретенной Т. Ланстоном в 1892 году. Монотип состоял из двух самостоятельных аппаратов: клавиатуры и отливного аппарата. Клавиатура служила для составления программы набора на перфоленте, а отливной аппарат изготавливал набор в соответствии с ранее составленной на клавиатуре программой из специального типографского сплава - гарта.

Рис. 7.8.  Перфокарта

Рис. 7.9.  Перфоленты

Наборщик садился за клавиатурный аппарат, смотрел в стоящий перед ним на пюпитре текст и нажимал на соответствующие клавиши. При ударе по одной из буквенных клавиш иглы перфорирующего механизма с помощью сжатого воздуха пробивали в бумажной ленте кодовую комбинацию из отверстий. Эта комбинация соответствовала данной букве, знаку или пробелу между ними. После каждого удара по клавише бумажная лента передвигалась на один шаг - 3 мм. Каждый горизонтальный ряд отверстий на перфоленте соответствует одной букве, знаку или пробелу между ними. Готовую (пробитую) катушку перфоленты переносили в отливной аппарат, в котором также с помощью сжатого воздуха с перфоленты считывалась закодированная на ней информация и автоматически изготавливался набор из литер. Таким образом, монотип является одной из первых в истории техники машин с программным управлением. Он относился к машинам горячего набора и со временем уступил свое место сначала фотонабору, а затем электронному набору.

Несколько ранее монотипа, в 1881 году, была изобретена пианола (или фонола) - инструмент для автоматической игры на фортепиано. Действовала она также с помощью сжатого воздуха. В пианоле каждой клавише обыкновенного пианино или рояля соответствует молоточек, ударяющий но ней. Все молоточки вместе составляют контрклавиатуру, приставляемую к клавиатуре пианино. В пианолу вставляется широкая бумажная перфолента, намотанная на валик. Отверстия на перфоленте проделаны заранее во время игры пианиста - это своеобразные "ноты". При работе пианолы перфолента перематывается с одного валика на другой. Считывание записанной на ней информации производится с помощью пневматического механизма. Он приводит в действие молоточки, соответствующие отверстиям на перфоленте, заставляет их ударять по клавишам и воспроизводить игру пианиста. Таким образом, пианола также являлась машиной с программным управлением. Благодаря сохранившимся перфолентам пианол удалось восстановить и заново записать современными методами игру таких замечательных пианистов прошлого, как композитор А.Н. Скрябин. Пианолой пользовались известные композиторы и пианисты Рубинштейн, Падеревский, Бузони.

Позднее было применено считывание информации с перфоленты и перфокарт с помощью электрических контактов - металлических щеточек, которые при попадании на отверстие замыкали электрическую цепь. Затем щеточки заменили на фотоэлементы, и считывание информации стало оптическим, бесконтактным. Так записывалась и считывалась информация в первых цифровых вычислительных машинах.

Логические операции тесно связаны с повседневной жизнью.

С помощью одного элемента ИЛИ на два входа, двух элементов И на два входа и одного элемента НЕ можно построить логическую схему двоичного полусумматора, способного осуществлять операцию двоичного сложения двух одноразрядных двоичных чисел (т.е. выполнять правила двоичной арифметики):

0 +0 =0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=0. При этом он выделяет бит переноса.

Однако такая схема не содержит третьего входа, на который можно подавать сигнал переноса от предыдущего разряда суммы двоичных чисел. Поэтому полусумматор используется только в младшем разряде логической схемы суммирования многоразрядных двоичных чисел, где не может быть сигнала переноса от предыдущего двоичного разряда. Полный двоичный сумматор складывает два многоразрядных двоичных числа с учетом сигналов переноса от сложения в предыдущих двоичных разрядах.

Соединяя двоичные сумматоры в каскад, можно получить логическую схему сумматора для двоичных чисел с любым числом разрядов.

С некоторыми изменениями эти логические схемы применяются и для вычитания, умножения и деления двоичных чисел. С их помощью построены арифметические устройства современных компьютеров.

В 1937 году Джордж Стибиц (рис. 7.10) создал из обыкновенных электромеханических реле двоичный сумматор - устройство, способное выполнять операцию сложения чисел в двоичном коде. И сегодня двоичный сумматор по-прежнему является одним из основных компонентов любого компьютера, основой его арифметического устройства.

Рис. 7.10.  Джордж Стибиц

В 1937-1942 гг. Джон Атанасофф (рис. 7.11) создал модель первой вычислительной машины, работавшей на вакуумных электронных лампах. В ней использовалась двоичная система счисления. Для ввода данных и вывода результатов вычислений использовались перфокарты. Работа над этой машиной в 1942 году была практически завершена, но из-за войны дальнейшее финансирование было прекращено.

Рис. 7.11.  Джон Атанасофф

В 1937 году Конрад Цузе (рис. 7.12) создал свою первую вычислительную машину Z1 на основе электромеханических реле. Исходные данные вводились в нее с помощью клавиатуры, а результат вычислений высвечивался на панели с множеством электрических лампочек. В 1938 году К. Цузе создал усовершенствованную модель Z2. Программы в нее вводились с помощью перфоленты. Ее изготавливали, пробивая отверстия в использованной 35-миллиметровой фотопленке. В 1941 году К. Цузе построил действующий компьютер Z3, а позднее и Z4, основанные на двоичной системе счисления. Они использовались для расчетов при создании самолетов и ракет. В 1942 году Конрад Цузе и Хельмут Шрайер задумали перевести Z3 с электромеханических реле на вакуумные электронные лампы. Такая машина должна была работать в 1000 раз быстрее, но создать ее не удалось - помешала война.

Рис. 7.12.  Конрад Цузе

В 1943-1944 годах на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета во главе с Говардом Эйкеном была создана вычислительная машина "Марк-1". Весила она около 35 тонн. "Марк-1" был основан на применении электромеханических реле и оперировал числами, закодированными на перфоленте.

При ее создании использовались идеи, заложенные Ч. Бэббиджем в его аналитической машине. В отличие от Стибица и Цузе, Эйкен не осознал преимуществ двоичной системы счисления и в своей машине использовал десятичную систему. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух таких чисел ей было необходимо затратить 4 секунды. В 1947 году была создана машина "Марк-2", в которой уже использовалась двоичная система счисления. В этой машине операции сложения и вычитания занимали в среднем 0,125 секунды, а умножение - 0,25 секунды.

Абстрактная наука алгебра логики близка к практической жизни. Она позволяет решать самые разные задачи управления.

Входные и выходные сигналы электромагнитных реле, подобно высказываниям в булевой алгебре, также принимают только два значения. Когда обмотка обесточена, входной сигнал равен 0, а если по обмотке протекает ток, входной сигнал равен 1. Когда контакт реле разомкнут, выходной сигнал равен 0, а если контакт замкнут - равен 1.

Именно это сходство между высказываниями в булевой алгебре и поведением электромагнитных реле заметил известный физик Пауль Эренфест. Еще в 1910 году он предложил использовать булеву алгебру для описания работы релейных схем в телефонных системах. По другой версии, идея использования булевой алгебры для описания электрических переключательных схем принадлежит Пирсу. В 1936 году основатель современной теории информации Клод Шеннон в своей докторской диссертации объединил двоичную систему счисления, математическую логику и электрические цепи.

Связи между электромагнитными реле в схемах удобно обозначать с помощью логических операций НЕ, И, ИЛИ, ПОВТОРЕНИЕ (ДА) и т.д. Например, последовательное соединение контактов реле реализует операцию И, а параллельное соединение этих контактов - логическую операцию ИЛИ. Аналогично выполняются операции И, ИЛИ, НЕ в электронных схемах, где роль реле, замыкающих и размыкающих электрические цепи, выполняют бесконтактные полупроводниковые элементы - транзисторы, созданные в 1947-1948 годах американскими учеными Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли.

Электромеханические реле работали слишком медленно. Поэтому уже в 1943 году американцы начали разработку вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 году Преспер Эккерт и Джон Мочли (рис. 7.13) построили первую электронную цифровую вычислительную машину ENIAC. Ее вес составлял 30 тонн, она занимала 170 кв. м площади. Вместо тысяч электромеханических реле ENIAC содержал 18000 электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. На электронных лампах в этой машине было построено не только арифметическое, но и запоминающее устройство. Ввод числовых данных осуществлялся с помощью перфокарт, программы же вводились в эту машину с помощью штекеров и наборных полей, то есть приходилось соединять для каждой новой программы тысячи контактов. Поэтому для подготовки к решению новой задачи требовалось до нескольких дней, хотя сама задача решалась за несколько минут. Это было одним из основных недостатков такой машины.

Рис. 7.13.  Преспер Эккерт и Джон Мочли

Работы трех выдающихся ученых - Клода Шеннона, Алана Тьюринга и Джона фон Неймана - стали основой для создания структуры современных компьютеров.

Шеннон Клод (1916 г.р.) - американский инженер и математик, основоположник математической теории информации.

В 1948 году опубликовал работу "Математическая теория связи", со своей теорией передачи и обработки информации, которая включала все виды сообщений, в том числе передаваемых по нервным волокнам в живых организмах. Шеннон ввел понятие количества информации как меры неопределенности состояния системы, снимаемой при получении информации. Он назвал эту меру неопределенности энтропией по аналогии с подобным понятием в статистической механике. При получении наблюдателем информации энтропия, то есть степень его неосведомленности о состоянии системы, уменьшается.

Тьюринг Алан (1912-1954) - английский математик. Основные труды - по математической логике и вычислительной математике. В 1936-1937 гг. написал основополагающую работу "О вычислимых числах", в которой ввел понятие абстрактного устройства, названного впоследствии "машиной Тьюринга". В этом устройстве он предвосхитил основные свойства современного компьютера. Тьюринг назвал свое устройство "универсальной машиной", так как она должна была решать любую допустимую (теоретически разрешимую) математическую или логическую задачу. Данные в нее нужно вводить с бумажной ленты, поделенной на ячейки - клетки. В каждой такой клетке должен был либо содержаться символ, либо нет. Машина Тьюринга могла обрабатывать вводимые с ленты символы и изменять их, то есть стирать их и записывать новые по инструкциям, хранимым в ее внутренней памяти.

Нейман Джон фон (1903-1957) - американский математик и физик, участник работ по созданию атомного и водородного оружия. Родился в Будапеште, с 1930 года проживал в США. В своем докладе, опубликованном в 1945 году и ставшем первой работой по цифровым электронным компьютерам, выделил и описал "архитектуру" современного компьютера.

В следующей машине - EDVAC - ее более вместительная внутренняя память способна была хранить не только исходные данные, но и программу вычислений. Эту идею - хранить в памяти машины программы - наряду с Мочли и Эккертом выдвинул математик Джон фон Нейман. Он впервые описал структуру универсального компьютера (так называемую "архитектуру фон Неймана" современного компьютера). Для универсальности и эффективной работы, по мнению фон Неймана, компьютер должен содержать центральное арифметико-логическое устройство, центральное устройство управления всеми операциями, запоминающее устройство (память) и устройство ввода/вывода информации, а программы следует хранить в памяти компьютера.

Фон Нейман считал, что компьютер должен работать на основе двоичной системы счисления, быть электронным и выполнять все операции последовательно, одну за другой. Эти принципы заложены в основу всех современных компьютеров.

Машина на электронных лампах работала значительно быстрее, чем на электромеханических реле, но сами электронные лампы были ненадежны. Они часто выходили из строя. Для их замены в 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли предложили использовать изобретенные ими переключающие полупроводниковые элементы - транзисторы.

Бардин Джон (1908-1991) - американский физик. Один из создателей первого транзистора (Нобелевская премия 1956 г. по физике совместно с У. Браттейном и У. Шокли за открытие транзисторного эффекта). Один из авторов микроскопической теории сверхпроводимости (вторая Нобелевская премия 1957 г. совместно с Л. Купером и Д. Шриффеном).

Браттейн Уолтер (1902-1987) - американский физик, один из создателей первого транзистора, лауреат Нобелевской премии по физике 1956 года.

Шокли Уильям (1910-1989) - американский физик, один из создателей первого транзистора, лауреат Нобелевской премии по физике 1956 года.

В современных компьютерах микроскопические транзисторы в кристалле интегральной схемы сгруппированы в системы "вентилей", выполняющих логические операции над двоичными числами. Так, например, с их помощью построены описанные выше двоичные сумматоры, позволяющие складывать многоразрядные двоичные числа, производить вычитание, умножение, деление и сравнение чисел между собой. Логические "вентили", действуя по определенным правилам, управляют движением данных и выполнением инструкций в компьютере.

Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело в 1951 году к созданию компьютера UNIVAC, предназначенного для коммерческого использования. Он стал первым серийно выпускаемым компьютером.

Серийный ламповый компьютер IBM 701, появившийся в 1952 году, выполнял до 2200 операций умножения в секунду.

Компьютер IBM 701

Инициатива создания этой системы принадлежала Томасу Уотсону-младшему. В 1937 году он начал работать в компании в качестве коммивояжера. Он прерывал свою работу в IBM лишь во время войны, когда был летчиком военно-воздушных сил Соединенных Штатов. Вернувшись на работу в компанию в 1946-м, он стал ее вице-президентом и возглавлял компанию IBM с 1956 до 1971 года. Оставаясь членом совета директоров IBM, Томас Уотсон с 1979 по 1981 год являлся послом Соединенных Штатов в СССР.

Томас Уотсон (младший)

В 1964 году фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения. Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью. При создании моделей семейства использовался ряд новых принципов, что делало машины универсальными и позволяло с одинаковой эффективностью применять их как для решения задач в различных областях науки и техники, так и для обработки данных в сфере управления и бизнеса. IBM System/360 (S/360) — это семейство универсальных компьютеров класса мейнфреймов. Дальнейшим развитием IBM/360 стали системы 370, 390, z9 и zSeries. В СССР IBM/360 была клонирована под названием ЕС ЭВМ. Они были программно совместимы со своими американскими прообразами. Это давало возможность использовать западное программное обеспечение в условиях неразвитости отечественной "индустрии программирования".

Компьютер IBM/360

Т. Уотсон (младший) и В. Лерсон у компьютера IBM/360

Первая в СССР Малая Электронная Счетная машина (МЭСМ) на электронных лампах была построена в 1949-1951 гг. под руководством академика С.А. Лебедева. Независимо от зарубежных учёных С.А. Лебедев разработал принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой. МЭСМ была первой такой машиной. А в 1952-1954 гг. под его руководством была разработана Быстродействующая Электронная Счетная машина (БЭСМ), выполнявшая 8000 операций в секунду.

Лебедев Сергей Алексеевич

Созданием электронных вычислительных машин руководили крупнейшие советские ученые и инженеры И.С. Брук, В.М. Глушков, Ю.А. Базилевский, Б.И. Рамеев, Л.И. Гутенмахер, Н.П. Брусенцов.

К первому поколению советских компьютеров относятся ламповые ЭВМ - "БЭСМ-2", "Стрела", "М-2", "М-3", "Минск", "Урал-1", "Урал-2", "М-20".

Ко второму поколению советских компьютеров относятся полупроводниковые малые ЭВМ "Наири" и "Мир", средние ЭВМ для научных расчетов и обработки информации со скоростью 5-30 тысяч операций в секунду "Минск-2", "Минск-22", "Минск-32", "Урал-14", "Раздан-2", "Раздан-3", "БЭСМ-4", "М-220" и управляющие ЭВМ "Днепр", "ВНИИЭМ-3", а также сверхбыстродействующая БЭСМ-6 с производительностью 1 млн операций в секунду.

Родоначальниками советской микроэлектроники были ученые, эмигрировавшие из США в СССР: Ф.Г. Старос (Альфред Сарант) и И.В. Берг (Джоэл Барр). Они стали инициаторами, организаторами и руководителями центра микроэлектроники в Зеленограде под Москвой.

Ф.Г. Старос

Компьютеры третьего поколения на интегральных микросхемах появились в СССР во второй половине 1960-х годов. Были разработаны Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Система Малых ЭВМ (СМ ЭВМ) и организовано их серийное производство. Как уже указывалось выше, эта система представляла собой клон американской системы IBM/360.

Сергей Алексеевич Лебедев был ярым противником начавшегося в 1970-е годы копирования американской системы IBM|360, которая в советском варианте носила название ЕС ЭВМ. Роль ЕС ЭВМ в развитии отечественных компьютеров неоднозначна.

На начальном этапе появление ЕС ЭВМ привело к унификации компьютерных систем, позволило установить начальные стандарты программирования и организовывать широкомасштабные проекты, связанные с внедрением программ.

Ценой этого было повсеместное свёртывание собственных оригинальных разработок и попадание в полную зависимость от идей и концепций фирмы IBM, далеко не самых лучших по тому времени. Резкий переход от простых в эксплуатации советских машин к намного более сложным аппаратным и программным средствам IBM/360 привёл к тому, что многие программисты должны были преодолевать трудности, связанные с недоделками и ошибками IBM-ских разработчиков. Начальные модели ЕС ЭВМ по эксплуатационным характеристикам нередко уступали отечественным компьютерам того времени.

На позднем этапе, особенно в 80-е, повсеместное внедрение ЕС ЭВМ превратилось в серьёзный тормоз для развития программного обеспечения, баз данных, диалоговых систем. После дорогостоящих и заранее спланированных закупок предприятия были вынуждены эксплуатировать морально устаревшие компьютерные системы. Параллельно развивались системы на малых машинах и на персональных компьютерах, которые становились всё более и более популярны.

На позднейшем этапе, с началом перестройки, с 1988-89 годов, нашу страну наводнили зарубежные персональные компьютеры. Никакие меры уже не могли остановить кризис серии ЕС ЭВМ. Отечественная промышленность не смогла создать аналогов или заменителей ЕС ЭВМ на новой элементной базе. Экономика СССР не позволила к тому времени затратить гигантские финансовые средства для создания микроэлектронной техники. В итоге произошёл полный переход на импортные компьютеры. Были окончательно свёрнуты программы по разработке отечественных компьютеров. Возникли проблемы переноса технологий на современные компьютеры, модернизации технологий, трудоустройства и переквалификации сотен тысяч специалистов.

Прогноз С.А. Лебедева оправдался. И в США, и во всем мире в дальнейшем пошли по пути, который он предлагал: с одной стороны, создаются суперкомпьютеры, а с другой - целый ряд менее мощных, ориентированных на различные применения компьютеров - персональных, специализированных и др.

Четвертое поколение советских компьютеров реализовано на основе больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных микросхем.

Примером крупных вычислительных систем четвертого поколения стал многопроцессорный комплекс "Эльбрус-2" с быстродействием до 100 млн операций в секунду.

В 1950-х годах было создано второе поколение компьютеров, выполненных на транзисторах. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз, а размеры и вес значительно уменьшились. Стали применять запоминающие устройства на магнитных ферритовых сердечниках, способные хранить информацию неограниченное время даже при отключении компьютеров. Их разработал Джой Форрестер в 1951-1953 годах. Большие объемы информации хранились на внешнем носителе, например на магнитной ленте или на магнитном барабане.

Первый в истории вычислительной техники накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер-winchester) разработала в 1956 году группа инженеров IBM под руководством Рейнольда Б. Джонсона. Устройство носило название 305 RAMAC - контрольно-считывающее устройство по методу случайного доступа (Random Access Method of Accounting and Control). Накопитель состоял из 50 алюминиевых дисков диаметром 24 дюйма (около 60 см) при толщине 2,5 см каждый. На поверхность алюминиевой пластины наносился магнитный слой, на который и осуществлялась запись. Вся эта конструкция из дисков на общей оси в рабочем режиме вращалась с постоянной скоростью 1200 об/мин, а сам накопитель занимал площадку размерами 3х3,5 м. Суммарная емкость его составляла 5 Мb. Одним из важнейших принципов, использованных в конструкции RAMAC 305, явилось то, что головки не прикасались к поверхности дисков, а зависали на малом фиксированном расстоянии. Для этого использовались специальные воздушные сопла, которые направляли поток к диску через маленькие отверстия в держателях головок и тем самым создавали зазор между головкой и поверхностью вращающейся пластины.

Винчестер (жесткий диск) обеспечил компьютерных пользователей возможностью хранить очень большие объемы информации и при этом быстро извлекать нужные данные. После создания винчестера в 1958 году от носителей на магнитных лентах отказались.

В 1959 году Д. Килби, Д. Херни, К. Леховец и Р. Нойс (рис. 7.14) изобрели интегральные микросхемы (чипы), в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в компьютерах позволило сократить пути прохождения тока при переключениях. Скорость вычислений при этом увеличилась в десятки раз. Существенно уменьшились и габариты машин. Появление чипа позволило создать третье поколение компьютеров. И в 1964 году фирма IBM начинает выпуск компьютеров IBM-360 на интегральных микросхемах.

Рис. 7.14.  Д. Килби, Д. Херни, К. Леховец и Р. Нойс

В 1965 году Дуглас Энгелбарт (рис. 7.15) создал первую "мышь" - компьютерный ручной манипулятор. Впервые она была применена в персональном компьютере Apple фирмы Macintosh, выпущенном позднее, в 1976 году.

Рис. 7.15.  Дуглас Энгелбарт

В 1971 году компания IBM начала производить дискету для компьютера, изобретенную Йосиро Накамацу - съемный гибкий магнитный диск ("флоппи-диск") для постоянного хранения информации. Первоначально дискета была гибкой, имела диаметр 8 дюймов и емкость 80 Кбайт, затем - 5 дюймов. Современная дискета емкостью 1,44 Мбайта, впервые выпущенная фирмой Sony в 1982 году, заключена в жесткий пластмассовый корпус и имеет диаметр 3,5 дюйма.

В 1969 году в США началось создание оборонной компьютерной сети - прародителя современной всемирной сети Internet.

В 1970-е годы были разработаны матричные принтеры, предназначенные для распечатки информации на выходе из компьютеров.

В 1971 году сотрудник компании Intel Эдвард Хофф (рис. 7.16) создал первый микропроцессор 4004, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. Хотя первоначально он предназначался для использования в калькуляторах, по существу он представлял собой законченный микрокомпьютер. Это революционное изобретение кардинально перевернуло представление о компьютерах как о громоздких, тяжеловесных монстрах. Микропроцессор дал возможность создать компьютеры четвертого поколения, которые помещались на письменном столе пользователя.

Рис. 7.16.  Эдвард Хофф

В середине 1970-х годов начинают предприниматься попытки создания персонального компьютера (ПК) - вычислительной машины, предназначенной для частного пользователя.

В 1974 году Эдвард Робертс (рис. 7.17) создал первый персональный компьютер "Altair" на основе микропроцессора 8080 фирмы "Intel" (рис. 7.18). Но без программного обеспечения он был неработоспособен: ведь дома у частного пользователя нет "под рукой" своего программиста.

Рис. 7.17.  Эдвард Робертс

Рис. 7.18.  Первый персональный компьютер Altair

В 1975 году о создании ПК Altair узнали два студента Гарвардского университета Билл Гейтс и Пол Аллен (рис. 7.19). Они первыми поняли насущную необходимость написания программного обеспечения для персональных компьютеров и в течение месяца создали его для ПК "Altair" на основе языка Бейсик. В том же году они основали компанию Microsoft, быстро завоевавшую лидерство в создании программного обеспечения для персональных компьютеров и ставшую богатейшей компанией во всем мире.

Рис. 7.19.  Билл Гейтс и Пол Аллен

Рис. 7.20.  Билл Гейтс

В 1973 году фирмой IBM был разработан жесткий магнитный диск (винчестер) для компьютера. Это изобретение дало возможность создать долговременную память большого объема, которая сохраняется при выключении компьютера.

Первые микрокомпьютеры Altair-8800 представляли собой только набор деталей, которые нужно было еще собирать. Кроме того, пользоваться ими было крайне неудобно: они не имели ни монитора, ни клавиатуры, ни мыши. Ввод информации в них осуществлялся с помощью переключателей на передней панели, а результаты отображались с помощью светодиодных индикаторов. Позднее стали выводить результаты с помощью телетайпа - телеграфного аппарата с клавиатурой.

В 1976 году 26-летний инженер Стив Возняк из компании Hewlett-Packard создал принципиально новый микрокомпьютер. Он впервые применил для ввода данных клавиатуру, подобную клавиатуре пишущей машинки, а для отображения информации - обыкновенный телевизор. Символы выводились на его экран в 24 строки по 40 символов в каждой. Компьютер имел 8 Кбайт памяти, половину из которых занимал встроенный язык Бейсик, а половину пользователь мог использовать для введения своих программ. Этот компьютер значительно превосходил Altair-8800, имевший всего 256 байтов памяти. С. Возняк предусмотрел для своего нового компьютера разъем (так называемый "слот") для подсоединения дополнительных устройств. Первым понял и оценил перспективы этого компьютера приятель Стива Возняка - Стив Джобс (рис. 7.21). Он предложил организовать фирму для его серийного изготовления. 1 апреля 1976 года они основали компанию Apple, и в январе 1977 года официально зарегистрировали ее. Новый компьютер они назвали Apple-I (рис. 7.22). В течение 10 месяцев им удалось собрать и продать около 200 экземпляров Apple-I.

Рис. 7.21.  Стив Возняк и Стив Джобс

Рис. 7.22.  Персональный компьютер Apple-I

В это время Возняк уже работал над его усовершенствованием. Новая версия получила название Apple-II (рис. 7.23). Компьютер был выполнен в пластмассовом корпусе, получил графический режим, звук, цвет, расширенную память, 8 разъемов расширения (слотов) вместо одного. Для сохранения программ в нем использовался кассетный магнитофон. Основу первой модели Apple II составлял, как и в Apple I, микропроцессор 6502 фирмы MOS Technology с тактовой частотой 1 мегагерц. В постоянной памяти был записан Бейсик. Объем оперативной памяти в 4 Кбайта был расширен до 48 Кбайт. Информация выводилась на цветной или черно-белый телевизор, работающий в стандартной для США системе NTSC. В текстовом режиме отображались 24 строки, по 40 символов в каждой, а в графическом разрешение составляло 280 на 192 точки (шесть цветов). Основное достоинство Apple II заключалось в возможности расширения его оперативной памяти до 48 Кбайт и использования 8 разъемов для подключения дополнительных устройств. Благодаря использованию цветной графики его можно было использовать для самых различных игр (рис. 7.23).

Рис. 7.23.  Персональный компьютер Apple II

Благодаря своим возможностям Apple II завоевал популярность среди людей самых различных профессий. От его пользователей не требовалось знания электроники и языков программирования.

Apple II стал первым по-настоящиму персональным компьютером для ученых, инженеров, юристов, бизнесменов, домохозяек и школьников.

В июле 1978 года Apple II был дополнен дисководом Disk II, значительно расширившим его возможности. Для него была создана дисковая операционная система Apple-DOS. А в конце 1978 года компьютер снова усовершенствовали и выпустили под именем Apple II Plus. Теперь его можно было использовать в деловой сфере для хранения информации, ведения дел, помощи в принятии решений. Началось создание таких прикладных программ, как текстовые редакторы, органайзеры, электронные таблицы.

В 1979 году Дэн Бриклин и Боб Фрэнкстон создали программу VisiCalc - первую в мире электронную таблицу. Этот инструмент лучше всего подходил для бухгалтерских расчетов. Первая его версия была написана для Apple II, который зачастую покупали только для того, чтобы работать с VisiCalc.

Таким образом, за несколько лет микрокомпьютер, во многом благодаря фирме Apple и ее основателям Стивену Джобсу и Стиву Возняку, превратился в персональный компьютер для людей самых различных профессий.

В 1981 году появился персональный компьютер IBM PC, который вскоре стал стандартом компьютерной индустрии и вытеснил с рынка почти все конкурирующие модели персональных компьютеров. Исключение составил только Apple. В 1984 году был создан Apple Macintosh - первый компьютер с графическим интерфейсом, управляемый мышью. Благодаря его преимуществам фирме Apple удалось удержаться на рынке персональных компьютеров. Она завоевала рынок в области образования и издательского дела, где выдающиеся графические возможности "Макинтошей" используются для верстки и обработки изображений.

Сегодня фирма Apple контролирует 8-10% мирового рынка персональных компьютеров, а остальные 90% - IBM-совместимые персональные компьютеры. Большая часть компьютеров Macintosh находится у пользователей в США.

В 1979 году появился оптический компакт-диск (CD), разработанный фирмы Philips и предназначенный только для прослушивания музыкальных записей.

В 1979 году фирма Intel разработала микропроцессор 8088 для персональных компьютеров.

Широкое распространение получили персональные компьютеры модели IBM PC, созданные в 1981 году группой инженеров фирмы IBM под руководством Уильяма Лоуи (William C. Lowe). Компьютер IBM PC имел процессор Intel 8088 с тактовой частотой 4.77 МHz, 16 Kb памяти с возможностью расширения до 256 Kb, операционную систему DOS 1.0. (рис. 7.24). Операционная система DOS 1.0 была создана компанией Microsoft. В течение всего одного месяца компания IBM сумела продать 241 683 компьютера IBM PC. По договоренности с руководителями Microsoft компания IBM отчисляла создателям программы определенную сумму за каждую копию операционной системы, устанавливавшуюся на IBM PC. Благодаря популярности персонального компьютера IBM PC руководители Microsoft Билл Гейтс и Пол Аллен вскоре стали миллиардерами, а Microsoft заняла лидирующее положение на рынке программных продуктов.

Рис. 7.24.  Персональный компьютер модели IBM PC

В IBM PC был применен принцип открытой архитектуры, позволивший вносить усовершенствования и дополнения в существующие конструкции ПК. Этот принцип означает применение в конструкции при сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств.

Принцип открытой архитектуры способствовал широкому распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров-клонов. Их сборкой из готовых блоков и устройств занялось большое число фирм во всем мире. Пользователи, в свою очередь, получили возможность самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен производителей.

В конце 1990-х годов IBM PC-совместимые компьютеры составили 90% рынка персональных компьютеров.

За последние десятилетия XX века компьютеры многократно увеличили свое быстродействие и объемы перерабатываемой и запоминаемой информации.

В 1965 году Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel, лидирующей в области компьютерных интегральных схем - "чипов", высказал предположение, что число транзисторов в них будет ежегодно удваиваться. В течение последующих 10 лет это предсказание сбылось, и тогда он предположил, что теперь это число будет удваиваться каждые 2 года. И, действительно, число транзисторов в микропроцессорах удваивается за каждые 18 месяцев. Теперь специалисты по компьютерной технике называют эту тенденцию законом Мура.

Рис. 7.25.  Гордон Мур

Похожая закономерность наблюдается и в области разработки и производства устройств оперативной памяти и накопителей информации. Кстати, я не сомневаюсь, что к тому моменту, когда эта книга увидит свет, многие цифровые данные по их емкости и быстродействию успеют устареть.

Не отставало и развитие программного обеспечения, без которого вообще невозможно пользование персональным компьютером, и прежде всего операционных систем, обеспечивающих взаимодействие между пользователем и ПК.

В 1981 году фирма Microsoft разработала операционную cистему MS-DOS для своих персональных компьютеров.

В 1983 году был создан усовершенствованный персональный компьютер IBM PC/XT фирмы IBM.

В 1980-х годах были созданы черно-белые и цветные струйные и лазерные принтеры для распечатки информации на выходе из компьютеров. Они значительно превосходят матричные принтеры по качеству и скорости печати.

В 1983-1993 годах происходило создание глобальной компьютерной сети Internet и электронной почты E-mail, которыми смогли воспользоваться миллионы пользователей во всем мире.

В 1992 году фирма Microsoft выпустила операционную систему Windows 3.1 для IBM PC-совместимых компьютеров. Слово "Windows" в переводе с английского означает "окна". "Оконная" операционная система позволяет работать сразу с несколькими документами. Она представляет собой так называемый "графический интерфейс". Это - система взаимодействия с ПК, при которой пользователь имеет дело с так называемыми "иконками": картинками, которыми он может управлять с помощью компьютерной мыши. Такой графический интерфейс и система окон был впервые создан в исследовательском центре фирмы Xerox в 1975 году и применен для ПК Apple.

В 1995 году фирма Microsoft выпустила операционную систему Windows 95 для IBM PC-совместимых компьютеров, более совершенную по сравнению с Windows 3.1, в 1998 году - ее модификацию Windows 98, а в 2000 году - Windows 2000, а в 2001 году - Windows ХР. Для них разработан целый ряд прикладных программ: текстовый редактор Word, электронные таблицы Excel, программа для пользования системой Internet и электронной почтой E-mail - Internet Explorer, графический редактор Paint, стандартные прикладные программы (калькулятор, часы, номеронабиратель), дневник Microsoft Schedule, универсальный проигрыватель, фонограф и лазерный проигрыватель.

За последние годы стало возможным объединить на персональном компьютере текст и графику со звуком и движущимися изображениями. Такая технология получила название "мультимедиа". В качестве носителей информации в таких мультимедийных компьютерах используются оптические компакт-диски CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory - т.е. память на компакт-диске "только для чтения"). Внешне они не отличаются от звуковых компакт-дисков, используемых в проигрывателях и музыкальных центрах.

Емкость одного CD-ROM достигает 650 Мбайт, по емкости он занимает промежуточное положение между дискетами и винчестером. Для чтения компакт-дисков используется CD-дисковод. Информация на компакт-диск записывается только один раз в промышленных условиях, а на ПК ее можно только читать. На CD-ROM издаются самые различные игры, энциклопедии, художественные альбомы, карты, атласы, словари и справочники. Все они снабжаются удобными поисковыми системами, позволяющими быстро найти нужный материал. Объема памяти двух компакт-дисков CD-ROM хватает для размещения энциклопедии, превышающей по объему Большую Советскую энциклопедию.

В конце 1990-х годов были созданы однократно записываемые CD-R и многократно перезаписываемые CD-RW оптические компакт-диски и дисководы для них, позволяющие пользователю делать любые записи звука и изображения по своему вкусу.

В 1990-2000 годах, в дополнение к настольным персональным компьютерам, были выпущены ПК "ноутбук" в виде портативного чемоданчика и еще более миниатюрные карманные "палмтоп" (наладонники) - как следует из их названия, помещающиеся в кармане и на ладони. Ноутбуки снабжены жидкокристаллическим экраном-дисплеем, размещенным в откидной крышке, а у палмтопов - на передней панели корпуса.

В 1998-2000 годах была создана миниатюрная твердотельная "флэш-память" (без подвижных деталей). Так, память Memory Stick имеет размеры и вес пластинки "жвачки", а память SD фирмы Panasonic - почтовой марки. Между тем объем их памяти, которая может храниться сколь угодно долго, составляет 64-128 Мбайт и даже 2-8 и более Гбайт!

Кроме портативных персональных компьютеров, создаются суперкомпьютеры для решения сложных задач в науке и технике - прогнозов погоды и землетрясений, расчетов ракет и самолетов, ядерных реакций, расшифровки генетического кода человека. В них используются от нескольких до нескольких десятков микропроцессоров, осуществляющих параллельные вычисления. Первый суперкомпьютер разработал Сеймур Крей в 1976 году.

В 2002 году в Японии был построен суперкомпьютер NEC Earth Simulator, выполняющий 35,6 триллионов операций в секунду. На сегодня это самый быстродействующий в мире суперкомпьютер.

Рис. 7.26.  Сеймур Крей

Рис. 7.27.  Суперкомпьютер Cray-1

Рис. 7.28.  Суперкомпьютер Cray-2

В 2005 году компания IBM разработала суперкомпьютер Blue Gene производительностью свыше 30 триллионов операций в секунду. Он содержит 12000 процессоров и обладает в тысячу раз большей мощностью, чем знаменитый Deep Blue, с которым в 1997 году играл в шахматы чемпион мира Гарри Каспаров. Компания IBM и исследователи из Швейцарского политехнического института в Лозанне впервые предприняли попытку моделирования человеческого мозга.

В 2006 году персональным компьютерам исполнилось 25 лет. Посмотрим, как они изменились за эти годы. Первые из них, оборудованные микропроцессором Intel, работали с тактовой частотой всего 4,77 МГц и имели оперативную память 16 Кбайт. Современные ПК, оборудованные микропроцессором Pentium 4, созданном в 2001 году, имеют тактовую частоту 3-4 ГГц, оперативную память 512 Мбайт – 1Гбайт и долговременную память (винчестер) объемом десятки и сотни Гбайт и даже 1 Терабайт! Такого гигантского прогресса не наблюдается ни в одной отрасли техники, кроме цифровой вычислительной. Если бы такой же прогресс был в увеличении скорости самолетов, то они давно бы уже летали со скоростью света.

0.8.2.Возможности цифровых технологий

Микропроцессор благодаря своим миниатюрным размерам и чрезвычайно низкой цене вошел в состав самых различных бытовых приборов. Он управляет работой автоматических стиральных машин, фотоаппаратов, бытовых цифровых весов, домашних тренажеров, телефонов, MP-3 проигрывателей, DVD-рекордеров, музыкальных центров и телевизоров, банковских пластиковых карт. Микропроцессор стал "мозгом" карманных электронных записных книжек, электронных энциклопедий, автоматических словарей, обеспечивающих перевод с нескольких языков, электронных книг. Он управляет работой и таких новейших средств связи, как сотовые телефоны.

Замена вакуумных электронных ламп микроминиатюрными полупроводниковыми модулями, появление жидкокристаллических мониторов взамен кинескопов, твердотельных устройств памяти, флеш-памяти, наряду с микропроцессорами дало возможность выпустить малогабаритные, портативные цифровые приборы и устройства без использования подвижных механических деталей.

Появились цифровые радиоприемники (точнее, с цифровой настройкой). В традиционных приемниках всегда существовала круглая ручка настройки и связанная с ней механической передачей шкала со стрелкой. Для того чтобы настроиться на нужную радиостанцию, в приемнике используется резонансный колебательный контур - электрическая цепь из переменного конденсатора и катушки. Изменяя емкость конденсатора, можно настроить колебательный контур в резонанс - на частоту любой нужной радиостанции. Вращая ручку настройки, мы изменяем емкость, связанного с ней механической передачей переменного конденсатора, и таким образом выбираем нужную радиостанцию.

Радиоприемник "Фестиваль", 1958 г

В современных цифровых радиоприемниках в качестве переменных конденсаторов используют варикапы - полупроводниковые диоды, емкость которых зависит от приложенного к ним напряжения (слово "варикап" является сокращенным переводом с английского слов: переменная емкость). При этом его емкость изменяется дискретно, ступенями.

Чтобы перейти с одной радиостанции на другую, достаточно изменить напряжение на варикапе. Этот переход и осуществляет встроенный в цифровой приемник микропроцессор. Благодаря этому переключение обеспечивается не вращением ручки настройки, а легким нажатием кнопок. Такой приемник обеспечивает и запоминание нескольких заранее настроенных радиостанций, а также автоматическую настройку на первую же встретившуюся при поиске радиостанцию. Вместо шкалы в цифровом приемнике используется жидкокристаллический дисплей. Кроме того, такой приемник может иметь еще цифровые часы и будильник. Все эти полезные функции обеспечивает микропроцессор. Никаких механических передач в цифровом приемнике нет - на его передней панели только кнопки и дисплей. Отсутствие подвижных механических деталей и узлов - характерная черта современных цифровых приборов.

Современный портативный радиоприемник фирмы Philips с цифровой настройкой

В современных телевизорах настройка на любой канал с помощью беспроводного пульта дистанционного управления происходит подобным же образом - с помощью инфракрасного луча, кнопок, микропроцессора и варикапов.

Но этим бурное наступление цифровой техники не ограничивается. Она вторгается в такие области, как запись, передача и воспроизведение звука и изображений. Цифровые технологии позволили создать совершенно новые клавишные музыкальные инструменты. Наибольшее распространение получили синтезаторы, позволяющие получить звучание самых различных инструментов – фортепиано, аккордеона, гитары и десятков других. Но самыми совершенными из них, обеспечивающими профессиональное звучание, являются цифровые фортепиано. Они широко используются на концертах симфонической, джазовой и популярной музыки, в студиях звукозаписи, в ресторанах и ночных клубах.

Цифровое фортепиано

Их главное достоинство – точная имитация звучания и передача ощущения игры на классическом фортепиано. Это обеспечивается с помощью особых алгоритмов цифровой обработки электронных копий реальных или искусственно созданных звуков. При нажатии на клавишу эта копия извлекается из электронной памяти фортепиано, "оживляется" процессором и воспроизводится акустической системой, превращаясь в звук.

Клавиатура цифрового фортепиано в точности соответствует настоящей. Музыкант при игре чувствует сопротивление клавишного механизма, как и на классическом инструменте, и имеет возможность извлекать звуки разной громкости, регулируя силу удара на клавиши. Благодаря этому цифровая клавиатура обеспечивает передачу всех нюансов и тонкостей исполняемого произведения. Кроме того, цифровое фортепиано по сравнению с акустическим способно создавать еще звучание органа, клавесина и других старинных и современных инструментов. Можно изменять тембры и комбинировать их по своему желанию. Можно использовать "разделение клавиатуры" - например, левой рукой исполнять партию гитары, а правой - фортепиано. На классическом инструменте осуществить это невозможно.

Электронные фортепиано достаточно компактны и значительно легче классических – ведь в них нет массивной металлической рамы, на которую натянуты струны, да и самих струн нет – одна сплошная электроника и акустическая система в деревянном корпусе. В цифровых фортепиано есть выходы для подсоединения наушников. Это позволяет заниматься дома в любое время суток, не причиняя неудобств членам семьи и жителям соседних квартир. Многие модели оснащены встроенным жидкокристаллическим экраном, на котором воспроизводится нотная запись, а клавиши подсвечиваются изнутри при нажатии на них. Многие модели позволяют записывать сыгранную мелодию во внутреннюю память и воспроизводить ее. Все это помогает в обучении.

Подсветка клавиш в цифровых фортепиано и дисплей над клавиатурой

Кроме того, в цифровых инструментах есть возможность подбирать аккомпанемент под мелодию и менять ритмы, например, создавая ритмы вальса или танго. Таким образом, возможности цифровых инструментов значительно шире и разнообразнее, чем у акустических.

В телевидении видеосигнал до настоящего времени передавался в аналоговой форме. Превращение его в цифровую форму, компьютерная обработка и обратное превращение в аналоговую форму открыло совершенно новые возможности, например, создание режима "картинка в картинке", когда в углу основного изображения какого-нибудь телевизионного канала появляется маленькая картинка любого другого канала. Можно также получить на экране набор небольших картинок сразу нескольких каналов.

Компьютерная обработка видеосигнала позволяет получать самые фантастические преобразования картинки, например изменение масштаба, любые искажения и превращения, например мужского лица в женское, совмещение реального объекта с рисованным или мультипликационным и т.д. Появилась возможность создавать передачи, в которых люди выступают на фоне "виртуальных", то есть кажущихся декораций. При этом отпадает надобность строить декорации "в натуре". Разумеется, готовить такие телепередачи — гораздо быстрее и экономичнее.

Недавно компания Уолта Диснея продемонстрировала новый компьютерный персонаж по имени Монти, управляемый компьютерной мышкой. С ее помощью можно заставить Монти плакать и смеяться, изображать мимикой различные эмоции: радость, ярость или печаль. По существу рождается новый вид искусства. Скоро режиссер только с помощью своего персонального компьютера сможет написать сценарий, создать исполнителей, декорации, костюмы, полностью снять свой фильм со звуковым сопровождением, смонтировать его и даже обеспечить ему рекламную компанию. Этот новый вид искусства может существовать наряду с привычным кино и театром. Более того, с помощью компьютерной технологии можно "оживить" любых известных актеров — "звезд" кино и театра, как ныне здравствующих, так и ушедших из жизни. Смоделировав их внешность, голоса и манеру поведения, можно будет "заставить" их играть новые роли. Родственники кинозвезды 20-70-х годов Марлен Дитрих уже подписали со студией "Виртуальные знаменитости" контракт на 300 лет (!) вперед - давно умершая "оцифрованная" актриса вновь востребована и сыграет любые роли.

В классической рисованной и кукольной мультипликации художники-мультипликаторы сначала создают образ. Такой образ мышонка Микки Мауса в свое время создал Уолт Дисней. А уже затем художники — "фазировщики" дают такому образу движения буквально кадр за кадром. Процесс этот — очень сложный и длительный. Недавно, благодаря возможностям цифровой технологии появилось новое направление в анимации — перформанс, дающее возможность получать естественные движения персонажей в реальном времени. Для его осуществления на теле живого актера — исполнителя закрепляют легкие миниатюрные датчики: на голове, туловище, руках и ногах. Эти приемники (они могут быть магнитными, оптическими и ультразвуковыми) фиксируют пластику любых движений "виртуального" актера. Его координаты и ориентация в пространстве передаются в компьютер и "оживляют" создаваемую виртуальную модель. Делается это качественно и быстро. Зрительское восприятие фильма от этого не страдает. Виртуальные актеры могут взаимодействовать не только друг с другом, но и с живыми персонажами на экране. Итак, появился новый вид съемки — виртуальная съемка. Живой актер надевает специальный костюм, обклеенный датчиками, и работает на специальной сцене, способной воспринимать сигналы этих датчиков. При такой съемке движения персонажей фильма получаются более естественными. Но таким способом можно оживлять и любые неодушевленные предметы. Они при этом приобретают человеческие пластику и мимику. Для осуществления 10-15 минутного перформанс — фильма требуется всего 2-3 часа таких съемок.

Актер в костюме для компьютерной анимации

Но наиболее перспективной является передача видеосигнала в цифровой форме через эфир - от передатчика к приемникам. Прежде всего, это позволяет избавиться от помех (например, от сигналов, отраженных от стен близлежащих домов) и значительно повысить качество телевизионной картинки. Другое важнейшее преимущество передачи телевизионного сигнала через эфир в цифровой форме заключается в том, что при этом требуется в десять раз меньшая мощность передатчика. По одному каналу можно будет передавать не одну телепрограмму, а 4 - 5.

В конце 1998 года прошли первые телевизионные трансляции ведущих американских телекомпаний в цифровом формате, а в 2000 году опытные передачи цифрового телевидения начались и в России. Чтобы обычные аналоговые телевизионные приемники могли принимать эти передачи, цифровой сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя переводится в аналоговую форму. Он представляет собой приставку - декодер, которую нужно будет приобрести, чтобы принимать цифровой телевизионный сигнал на обычном аналоговом телевизоре.

Для непосредственного приема цифровых сигналов уже созданы специальные цифровые телевизоры, обеспечивающие еще более высокое качество изображения и звука. Сегодня их стоимость составляет 8000 долларов. Пока таких телевизоров XXI века продано всего несколько сотен. Однако по прогнозам к 2004 году будет реализовано уже 10 миллионов экземпляров. В нашей стране запущен спутник, принадлежащий российской компании НТВ. С его помощью осуществляется трансляция канала НТВ-плюс в цифровой форме.

Цифровые технологии в сочетании со спутниковой связью и оптическими световодами коренным образом изменили современную телефонную связь — значительно улучшили слышимость и расширили ее функциональные возможности.

Наконец, в обрабатывающей промышленности цифровые технологии позволили изготавливать детали на станках с программным управлением и обрабатывающих центрах непосредственно по компьютерным программам, минуя привычную стадию разработки бумажных чертежей.

Производство цифрового "продукта" в наши дни становится одним из основных, опережая производство стали, чугуна, нефти и автомобилей. Показательно, что все самые известные состояния нажиты людьми, занятыми бизнесом в сфере информационных технологий. Так, например, одними из богатейших людей США являются глава Microsoft Билл Гейтс, глава Oracle Ларри Эллисон, главы Google Сергей Брин и Ларри Пэйдж.

0.8.3.Планшетные компьютеры

В первые годы 21 века в дополнение к настольным персональным компьютерам и переносным ноутбукам появились нетбуки – миниатюрные ноутбуки и даже планшетные компьютеры. Первые планшетные компьютеры были созданы в компании Apple - iPad, а вслед за ним iPad 2. В них отсутствуют клавиатура и мышь, а все действия осуществляются пальцами рук на поверхности планшета без использования клавиш и стилуса. Планшетники осуществляют множество функций – в том числе, набор текстов и таблиц, съемку и просмотр фотографий, запись видеофильмов, работу с электронной почтой, чтение электронных книг. Лишь одной функции в них нет – мобильного телефона.

Стив Джобс (компания Apple)

Основой планшетника является ЖК-монитор с сенсорным экраном (LCD TFT), на котором можно набирать тексты стилусом, пальцами обеих рук или отдавать любые команды.

Держать планшетник нужно двумя руками, либо класть на стол.

В 2010 году фирма Samsung выпустила мобильный телефон Samsung P1000 Galaxy Tab. Он совмещает в себе функции компьютера и мобильного телефона. В нем нет лишь функции радио. Однако можно слушать радиопередачи с помощью Интернета.

Он весит всего 380 г, имеет габаритные размеры меньше чем iPad 2. Размер ЖК-экрана по диагонали – 7 дюймов. Благодаря этому его можно держать в одной руке.

Apple iPad (2010) — типичный интернет-планшет

0.8.3.1.Основные характеристики телефона Samsung P1000 Galaxy Tab

Телефон Samsung P1000 Galaxy Tab

Подробные характеристики Самсунг P1000 Galaxy Tab

0.8.3.2.Дополнительные характеристики Samsung P1000 Galaxy Tab

• Цвета: черный, серый
• Встроенная камера: 3 Мп, автофокус, LED вспышка, видео, фронтальная 1,3 Мп
• Java: MIDP 2.1
• Другое: ОС Google Android 2.2, процессор Cortex A8 1ГГц с PowerVR SGX540
• Память
  • 16 или 32 Гб встроенной памяти
  • Слот для карт памяти до 32 Гб
  • 4 Гб оперативной памяти
  • 1 Гб SDRAM для сетевого подключения
  • 4 Гб NAND Flash памяти для приложений
• Звонок, набор номера
  • Виброзвонок
  • Полифония
  • MP3, WAV рингтоны
• SMS
  • Быстрый набор текста Swype
  • SMS
  • MMS
• Коммуникационные возможности
  • GPRS/EDGE
  • HSDPA, 7.2 Mbps; HSUPA, 5.76 Mbps
  • Bluetooth 3.0
  • Wi-Fi 802,11n
  • Разъем 3.5 мм
  • A-GPS
  • TV-выход
  • USB 2.0
• Органайзер и дополнительные функции
  • Универсальные приложения Readers Hub, Media Hub, Music Hub, Social Hub
  • Adobe Flash 10.1
  • Full HD изображения
  • Программа офисных приложений Thinkfree Office
  • Виджеты Hybrid Widget
  • Аудио, видео плееры
  • Акселерометр
  • Сенсор близости
  • Гироскоп

Миллионы компьютеров используются практически во всех отраслях экономики, промышленности, науки, техники, педагогики, медицины.

Основные причины такого прогресса - в необычайно высоких темпах микроминиатюризации устройств цифровой электроники и успехах программирования, сделавших "общение" рядовых пользователей с персональными компьютерами простым и удобным.

0.9.Лекция 8. История сети Интернет и электронной почты

0.9.1. 

Термин "Интернет" (Internet) - это сокращение от английского выражения "interconnected network", в непрямом переводе - глобальная компьютерная сеть. Создание информационной сети Интернет и электронной почты (E-mail) дало возможность любому владельцу персонального компьютера приобщиться к информационным ресурсам всего человечества и даже внести в них свою лепту. Ведь при объединении множества компьютеров с помощью средств связи в сеть происходит объединение носителей информации каждого из них в один общий банк информации для всех пользователей этой сети. А это открывает поистине неограниченные возможности для получения любой информации.

Британская энциклопедия дает такое определение: "Интернет - это сеть, которая объединяет множество других компьютерных сетей и базируется на общей системе адресов и единой системе так называемых протоколов, делающей возможным обмен информацией".

Крестным отцом Интернета можно считать американского ученого и администратора Ванневара Буша (1890-1974). В своей статье 1945 года "Как мы можем думать" (As We May Think) Буш описал теоретическую машину, названную им Memex, которая увеличивала человеческую память путем предоставления пользователю возможности хранить и находить документы посредством ассоциативных связей - сегодня это называется гипертекстом.

Рис. 8.1.  Ванневар Буш

Именно В. Бушу принадлежат основные идеи управления разработками двойного назначения, которые впоследствии позволили найти организационные формы и источники финансирования глобальных сетевых проектов. В 1940 году произошла историческая встреча Буша с президентом США Рузвельтом, продолжавшаяся всего 10 минут. Результатом ее стало создание Национального комитета оборонных исследований (National Defense Research Committee, NDRC). В. Буш был назначен председателем этого комитета. NDRC стал предшественником агентства перспективных исследований министерства обороны США ARPA (Advanced Research Projects Agency). Через десяток лет ARPA начало финансировать исследования систем коммуникаций, способных функционировать в условиях опасности возникновения глобальной ядерной войны.

Как же появилась сеть Internet? В 60-е годы Министерство обороны США поставило задачу создать надежную компьютерную сеть, служащую стратегическим интересам страны. ARPANET - это аббревиатура названия компьютерной сети (англ. - net) исследовательского центра Министерства обороны США (Advanced Research Project Agency - Агентство перспективных исследований). В основу концепции такой сети была заложена идея децентрализации, которая должна была во времена холодной войны гарантировать надежную работу сети даже при выходе одной или нескольких ее частей из строя - например, при ядерном ударе.

Затем еще несколько ярких личностей решились на шаги, приближающие к созданию аналога выдуманной Ванневаром Бушем машины Memex, и идея гипертекста была осуществлена.

Ссылки в тексте на другие статьи существуют в любом книжном энциклопедическом издании. Эти ссылки обычно обозначаются другим шрифтом - курсивом. Однако искать статьи, на которые есть ссылки, приходится самому читателю энциклопедии. Это отнимает у него много времени, особенно при пользовании многотомными изданиями.

Создание технологии гипертекста позволяет пользователю компьютера переходить на статью, отмеченную гиперссылкой в тексте, одним щелчком мыши по этой ссылке. Это экономит пользователю массу времени на поиск нужной статьи.

Считается, что первым слово "гипертекст" употребил английский ученый Тэд Нельсон (Ted Nelson) в 1963 г., а в 1965 г. этот термин вошел в его книгу "Literary Machine" ("Ученая машина").

Кроме того, гиперссылки были известны компьютерным специалистам из Стэнфордского университета в 1968 г. Тогда "отец" компьютерной мыши Дуглас Энгелбарт (Douglas Engelbart) показал, как, щелкая мышью по определенным словам в компьютерной программе, можно выводить на экран новые страницы текста.

До появления ARPANET по системам связи можно было отправить за один прием очень небольшой объем информации. Теперь же ее можно было отправлять или получать весьма крупными блоками.

Позже в том же исследовательском центре был создан так называемый "протокол TCP/IP", который и стал основой будущей международной сети Интернет. Сетевой протокол - это набор определенных технических процедур и методов, с помощью которых разные компьютерные сети могут контактировать друг с другом, то есть обмениваться информацией. До этого такие контакты в основном осуществлялись внутри однотипных сетей: например, компьютеры IBM могли, так сказать, общаться только с компьютерами IBM.

Рис. 8.2.  Тэд Нельсон

Создателям сети ARPANET впервые удалось осуществить крупноблочную пересылку информации новым способом в октябре 1969 года. Тогда первый такой блок был отправлен из университета в Лос-Анджелесе в один из расположенных в том же штате исследовательских центров. Расстояние было не очень большим. Но главное - не расстояние, а то, что впервые был продемонстрирован новый способ обмена информацией.

Уже в 1969 году большинство учреждений, связанных с Министерством обороны, объединили свои сети в одну общую. К ней проявили большой интерес и многие университеты страны. Эту сеть можно считать прародительницей сети Интернет. После присоединения к ней коммерческих организаций и частных лиц возникла современная сеть Интернет. Важнейшую роль в биографии Интернета сыграли швейцарские ученые из Европейской Лаборатории ядерной физики CERN во главе с Тимом Бернерсом-Ли. В январе 1991 года они создали протокол передачи, то есть язык описания документов HTML (Hypertext Markup Language), в результате чего родилась служба World Wide Web (WWW) или, сокращенно, Web. Для обмена HTML-документами между клиентами и серверами используется интернет-протокол HTTP (Hypertext Transfer Protocol).

Рис. 8.3.  Тим Бернерс-Ли

World Wide Web, или WWW, или просто Web, является системой представления и обмена информацией. Она стала главным "проявлением" Интернета, потому что именно WWW дает нам возможность визуального восприятия информации в Сети.

Тим Бернерс-Ли предоставил свои изобретения бесплатно в дар всему человечеству. Это сделало Интернет общественным достоянием. Январь 1991 года может считаться месяцем рождения Интернета.

Число пользователей сети Интернет стремительно возрастает с каждым годом. В 1999 году их во всем мире насчитывалось 201 млн человек, в том числе в США и Канаде - 112,4 млн (43%), в Европе - 47,15 млн, в Азии - 33,61 млн, в Латинской Америке - 29 млн, в России - 5,4 млн.

К концу 2000 года в России уже было 7,8 млн пользователей, в 2001 году - 11 млн, в 2002 году - около 12 млн (из них в Москве - 19%). В 2005 году - уже от 17 до 21 млн. Число пользователей Интернета во всем мире в 2006 году превысило 1 миллиард человек (15% населения Земли). В 2011 г. было зафиксировано около 2,1 миллиарда пользователей Интернета. В Азии живут около 44% из них, в Европе — порядка 23%. На Северную Америку в 2011 году приходилось около 13% пользователей сети, а в Латинской Америке – около 10%. На Африку, Ближний Восток и Австралию пришлось 6%, 3% и 1% пользователей соответственно. Почти половина всех Интернет-пользователей мира младше 25 лет. Лидером по числу интернет-пользователей среди отдельных стран является Китай, где сетью пользуются более 485 миллионов человек, а уровень проникновения Интернета составляет лишь 36% населения.В Европе по числу пользователей Интернета лидирует Россия, опередившая по этому показателю Германию.

В 2006 году электронной почте (E-mail) исполнилось 35 лет. Разумеется, история ее создания и развития тесно связана с ее основой - сетью Интернет и ее прародителя - сетью ARPANET. Сначала были созданы локальные сети, а в 1965 году - первая нелокальная сеть: Лоуренс Робертс совместно с Томасом Меррилом связал по низкоскоростной коммутируемой телефонной линии компьютер, расположенный в Массачусетсе, с компьютером, находившимся в Калифорнии. В результате было показано, что компьютеры могут успешно взаимодействовать, выполняя программы на удаленном компьютере. Затем в 1967 году был разработан проект сети ARPANET, а в 1968 году был создан прообраз модема, необходимого для осуществления связи компьютеров между собой по телефонной линии. В этой работе принимал участие Л. Робертс. В 1969 году Дуглас Энгелбарт - создатель компьютерной мыши - разрабатывал в Стенфордском университете для сети ARPANET программу общения между компьютерами.

29 октября 1969 года с компьютера в Калифорнийском университете было послано первое межкомпьютерное сообщение на компьютер в Стенфордском университете. Первую систему обмена текстовыми сообщениями между компьютерами создал Д. Энгелбарт.

А в 1971 году программист Рой Томлинсон усовершенствовал систему обмена письмами между компьютерами. Для этого он разработал систему организации почтовых адресов на удаленных компьютерах. При работе с программой каждому пользователю компьютера присваивался адрес, который состоял из его имени и сетевого имени его компьютера, разделенных знаком "@". Этот знак использовался Томлинсоном вместо предлога "at" (на), то есть выражение user@machine означает: пользователь такой-то на таком-то компьютере. Местонахождение "почтового ящика" каждого пользователя сети ARPANET становилось однозначно определенным, что дало возможность легко осуществлять обмен сообщениями между ними. В начале создания электронной почты по ней можно было передавать только тексты, а затем к электронным письмам добавились "вложения" - рисунки, видеоролики, музыкальные произведения. Электронная почта в наши дни стала одной из самых востребованных функций сети Интернет.

Рис. 8.4.  Рой Томлинсон

В 1990 году по каналам Deutsche Telekom было отправлено более полутора миллионов международных телеграмм, а в 2000-м - только 70 тысяч. Телеграф - отец телефона и дедушка Интернета - стал нерентабельным. Сначала его потеснил телефакс, а электронная почта и вовсе сделала его достоянием истории. В России телеграф также потерял свое былое значение благодаря быстрому развитию электронной почты.

Число абонентов мобильной связи по всему миру в 2011 году составляет 5.9 миллиардов человек.

0.9.1.1.Цели участия в сети Интернет

Каковы же цели участия в сети Интернет? Их – несколько. Одна из них, главная – получение необходимой информации, знаний (новостей, погоды, справочных, научных данных и т.д.). Если на протяжении последних 50 лет главным источником новостей было телевидение, то сейчас Интернет активно отвоевывает у него позиции. Интернет-СМИ пользуются все большей популярностью — пользователи предпочитают получать свежие новости из Всемирной сети. В частности, 80% взрослых американцев, имеющих доступ в Интернет, постоянно читают новости именно там, да и 55% пользователей Российского Интернета (Рунета) за новостями также отправляются в Интернет. Другая цель – создать персональную "страницу" (или сайт ), в которой можно заявить мировому информационному сообществу о себе (своих возможностях, достижениях, потребностях). В своей персональной "странице" - можно опубликовать любой материал - статьи, книги, рисунки, фотографии, музыку. При этом автор-владелец "страницы" не зависит ни от какой-либо редакции или издательства. (Понятно, однако, что автор должен подчиняться законам страны и международным нормам.)

Наконец, такая "страница" - дает возможность любому человеку оставить память о себе и после ухода из жизни - гораздо более емкую, чем надпись и портрет на могильном памятнике! Пользование электронной почтой — наиболее широко распространенный сегодня вид деятельности в Интернете. В среднем в мире 70% Интернет-пользователей (среди американцев эта цифра еще выше — 90%, а среди россиян — 57,7%) уже не мыслят себя без электронной почты.

Еще одна цель – объединение по интересам: например, вы, возможно, захотите обмениваться информацией в области кино с другими любителями киноискусства. Еще одна цель – обмен информацией между объединениями и организациями, как некоммерческими (например, научно-исследовательскими институтами), так и коммерческими. И, наконец, представление продуктов или услуг, если эти продукты можно переслать по почте или выполнить услуги на расстоянии. В наши дни происходит стремительный рост таких фирм, осуществляющих продажи и оказание услуг по сети Интернет.

По сети Интернет можно проводить переговоры в режиме реального времени (on line) – так называемые чаты (chat) и ICQ.

Цель – общение по интересам выразилась в 80-х годах ХХ века в появлении многочисленных социальных сетей.

Социальная сеть — интерактивный многопользовательский веб-сайт, содержание которого наполняется самими участниками сети. Сайт представляет собой автоматизированную социальную среду, позволяющую общаться группе пользователей, объединенных общим интересом. Примерами таких социальных сетей в России могут служить популярная у нас в стране сеть "одноклассники.ru" и сеть "Соседи-Онлайн.ru".

Сеть одноклассники.ru позволяет искать одноклассников, бывших выпускников школ, техникумов, институтов, университетов, сокурсников, друзей, переписываться с ними, смотреть их фотографии, организовывать их встречи (www.odnoklassniki.ru).

Сеть Соседи-Онлайн.ru – это электронное сообщество жителей Москвы, где можно пообщаться с соседями, найти единомышленников и новых друзей, поделиться впечатлениями и опытом, почерпнуть много полезной информации о своем районе и окрестностях (www.sosedi-online.ru).

YouTube (['ju:tju:b] — ю-тьюб) — сервис, предоставляющий пользования видеоматериалами. Пользователи могут добавлять, просматривать и комментировать те или иные видеозаписи. Благодаря простоте и удобству использования, YouTube стал популярнейшим видеохостингом и третьим сайтом в мире по количеству посетителей. Ежедневное количество просмотров видео на сайте составляет более 2 миллиардов. На сайте представлены как профессионально снятые фильмы и клипы, так и любительские видеозаписи, включая видеоблоги.

Проект был основан в феврале 2005 года тремя бывшими работниками PayPal в Сан-Бруно, Калифорния. Они использовали технологию Flash Video (flv), позволяющую получить относительно хорошее качество записи при небольшом объёме передаваемых данных. Проект стал хорошим средством развлечения, и, сформировав своё сообщество, по данным статистики аналитической компании Alexa, опередил по популярности социальную сеть MySpace.

В ноябре 2006 года была завершена покупка YouTube компанией Google за 1,65 миллиарда долларов. До покупки YouTube у Google был сервис схожей направленности — Google Video. Представители Google не намереваются закрывать его, а будут использовать его как место поиска видео по всем видеохостинговым сайтам. В настоящее время поиск Google Video включает и YouTube.Самое первое видео — 18-секундный ролик любительской съёмки в зоопарке Сан-Диего — на YouTube было размещено 23 апреля 2005 года.

За последние годы российскими радиостанциями, такими как "Эхо Москвы", широко используется технология YouTube для показа интервью деятелей политики, бизнеса, науки и культуры. Эта технология позволяет пересылать по электронной почте целые кинофильмы, концерты и спектакли.

"Facebook" (['feis,buk]) — социальная сеть, основанная в 2004 году Марком Цукербергом и его соседями по комнате во время обучения в Гарвардском университете Эдуардо Саверином, Дастином Московицем и Крисом Хьюзом[2]. Благодаря своему сайту Марк Цукерберг стал самым молодым миллиардером в свои 23 года.

Первоначально веб-сайт был назван thefacebook.com (позже изменён на современный вариант facebook) и открыт только для студентов Гарвардского Университета, затем доступ был расширен для других университетов Бостона, а затем и для студентов любых учебных учреждений США, имеющих электронный адрес с доменом .edu. Начиная с сентября 2006 года сайт был открыт для всех пользователей в возрасте от 13 лет, имеющих электронную почту. По состоянию на 21 июля 2010 года Facebook насчитывает более 500 миллионов пользователей по всему миру. При этом количество уникальных посетителей сайта в апреле 2010 года составило 540 млн, а количество просмотров страниц — 570 млрд. Выручка Facebook за 2009 год по собственной оценке компании составила 700 млн долларов США.

Facebook позволяет создать профиль с фотографиями, приглашать друзей, обмениваться сообщениями, оповещать других пользователей о статусе. Facebook также предоставляет возможность создавать группы по интересам.

В 2007 году Facebook объявил об инициативе, позволяющей сторонним программистам создавать программы для определённых услуг и зарабатывать на этом[7]. Данная акция позволила интегрировать многочисленные функции (игры, инструменты обмена музыкой и фотографиями), что в свою очередь стимулировало активность пользователей.

Создатель Facebook: Марк Цукерберг

Facebook предлагает множество функций, с помощью которых пользователи могут взаимодействовать. Среди наиболее популярных — виртуальное подмигивание, фотоальбомы и "стена", на которой друзья пользователя могут оставлять сообщения.

Пользователь может контролировать уровень доступа к информации, опубликованной на профиле, и определять, кто имеет доступ к той или иной части.

28 октября 2003 года Марк Цукерберг, будучи студентом-второкурсником, написал программу Facemash, в которой использовались фотографии, размещенные по парам, с целью выбрать, кто из двух людей более "пикантный".

Чтобы достичь этого, Цукерберг взломал охраняемые разделы компьютерной сети Гарвардского университета и скопировал частные фото. Гарвард в то время не имел студенческого "альбома" (каталог с фотографиями и основной информацией). Facemash привлекла 450 посетителей и 22 000 фото-просмотров в течение первых двух часов работы.

Сайт быстро разрастался, но был закрыт спустя несколько дней администрацией Гарварда. Цукерберг был обвинён администрацией в нарушении безопасности, авторских прав, неприкосновенности частной жизни; наказанием служило исключение. В конечном итоге, однако, обвинения были сняты. Цукерберг сосредоточился на первоначальном проекте. Он открыл сайт для его однокурсников, и люди начали делиться своими заметками.

В следующем семестре Цукерберг начал писать код для нового веб-сайта в январе 2004 года. Он был вдохновлён, по его словам, редакционной статьёй в Harvard Crimson об инциденте Facemash. 4 февраля 2004 года, Цукерберг запустил "Thefacebook", первоначально по адресу thefacebook.com.

Через шесть дней после запуска сайта, три гарвардских старшекурсника, Камерон Винклевосс, Тайлер Винклевосс и Дивья Нарендра, обвинили Цукерберга в том, что он преднамеренно вводил их в заблуждение, что он поможет им построить социальную сеть под названием HarvardConnection.com, но он вместо этого, используя их идеи, построил конкурирующий продукт. Они пожаловались в университетскую газету Harvard Crimson, и она начала расследование. Впоследствии был подан иск против Цукерберга.

Членство изначально было ограничено студентами Гарвардского колледжа, и в течение первого месяца было зарегистрировано более половины студентов Гарварда. Вскоре к Цукербергу присоединились Эдуардо Саверин (финансовый директор), Дастин Московиц (программист), Эндрю Мак-Коллум (графический автор) и Крис Хьюз, чтобы помочь продвинуть сайт. В марте 2004 года Facebook был расширен до Стэнфорда, Колумбийского университета и Йеля. А затем открылся и в других университетах Лиги Плюща, Бостонском университете, Нью-Йоркском университете, Массачусетском технологическом институте, и постепенно в большинстве университетов в Канаде и Соединенных Штатах.

За последнее время, в конце 2010 и начале 2011 гг. в Интернете произошел существенный прорыв, в особенности в области социальных сетей. Если раньше Интернет диктовал развитие экономики многих стран, то за последние месяцы он оказывает существенное влияние и на политику. Это показало развитие событий в арабских странах, странах Африки и нашей стране.

С помощью программ видеосвязи YouTube, Skype и социальных сетей типа Facebook представителям как демократов и антифашистов, так и националистов стало возможным оперативно организовывать митинги, демонстрации, пикеты как разрешенные властями, так и запрещенные ими.

Штаб-квартира в Пало-Альто

В июне 2004 года The Facebook переехала в Пало-Альто (Калифорния). В том же месяце The Facebook получил свои первые инвестиции от сооснователя системы PayPal Питера Тила. Компания убрала из своего названия артикль The после покупки доменного имени facebook.com в 2005 году за $ 200 000

С 26 сентября 2006 года доступ в сеть стал открыт для каждого старше 13 лет с действительным адресом электронной почты.

24 октября 2007 года, Microsoft объявила, что она приобрела 1,6 % акций Facebook за $240 млн, что позволило вычислить общую стоимость компании — около 15 миллиардов долларов. Microsoft получила права размещать международные объявления на Facebook. В октябре 2008 года Facebook объявил об открытии своей международной штаб-квартиры в Дублине. В сентябре 2009 года впервые было объявлено о получении прибыли. В ноябре 2010 года, на основе данных SecondMarket Inc, стоимость компании составила $41 млрд. (что немного выше, чем у EBay). Таким образом, Facebook стала третьей по величине веб-компанией в США после Google и Amazon. 2-го января 2011 года, по данным газеты The New York Times, стоимость социальной сети достигла 50 миллиардов долларов США.

Трафик Facebook устойчиво рос после 2009 года. К концу недели, 13 марта 2010 года Facebook посетили больше людей, чем Google. Facebook также стал лучшей социальной сетью в восьми отдельных рынках в Филиппинах, Австралии, Индонезии, Малайзии, Сингапуре, Новой Зеландии, Гонконге и Вьетнаме, в то время как другие бренды держали лидирующие позиции лишь на отдельных рынках, в их числе принадлежащий Google Orkut в Индии, Mixi.jp в Японии, CyWorld в Южной Корее, и продукт Yahoo! Wretch.cc на Тайвань.

0.9.1.2.В России

20 июня 2008 года социальная сеть Facebook объявила о запуске русскоязычной версии сайта. Пользователи смогут самостоятельно поменять язык интерфейса в своем профиле. С этого дня сайт (http://www.facebook.com) при запуске из России будет загружаться на русском языке. "Мы очень рады тому, что сможем дать доступ русскоговорящим пользователям к новой версии сайта" — говорит Марк Цукерберг, основатель и генеральный директор Facebook. — Число пользователей ресурса из России постоянно растёт. Мы хотим упростить для них доступ к нашей сети, которая позволит обмениваться информацией с друзьями и близкими независимо от того, где они живут.

0.9.1.2.1.2009 год

13 июня у пользователей появилась возможность самостоятельно выбирать адрес своей страницы (www.facebook.com/<выбранный_адрес>) в то время, когда во многих других социальных сетях на страницу пользователя можно попасть только по идентификатору (на Facebook изначально пользователю даётся страница с адресом http://www.facebook.com.

0.9.1.2.2.2010 год

30 сентября компания подписала соглашение с сервисом Интернет-телефонии Skype, согласно которому планируется интеграция его в социальной сети.

7 октября был представлен новый интерфейс групп, написанный с нуля. Разработчики ожидают, что нововведение позволит быстрее и безопаснее обмениваться информацией между ограниченным кругом людей (приятели, коллеги, семья и т. д.). Среди особенностей новых групп: возможность совместного редактирования документов, групповой чат, публикация сообщений по email.

В ночь с 15 на 16 ноября глава Facebook Марк Цукерберг в ходе презентации официально объявил о запуске собственной почтовой службы.

0.9.1.3.Skype

Основателями компании Интернет-телефонии Skype Group - стали швед Никлас Зеннстрем и датчанин Янус Фриис, а создателями программы (по существу, видеотелефонии – Skype) были эстонские программисты Ахти Хейнла, Яан Таллинн, Приит Касесалуэ.

Компания Skype была основана в 2003 году. В 2005 году компанию за 2,6 миллиарда долларов купил крупнейший онлайн-аукцион eBay, а затем контрольный пакет Skype купила группа инвесторов (30% осталось у eBay, а еще 14% - у двух основателей компании). На тот момент компания оценивалась в 2,75 миллиарда долларов.Наибольшей популярностью пользуются видеозвонки, которыми пользуются около 40 процентов пользователей. Были выпущены версии Skype для всех операционных систем, в том числе и Mac, а также версии для Apple iPhone. За время существования программы люди наговорили уже более 100 млрд " бесплатных " минут. Помимо общения в бесплатном режиме Skype to Skype возможны звонки на мобильные, стационарные телефоны и наоборот. Однако такие разговоры уже являются платными — именно эти звонки и составляют основную статью доходов. Ежемесячная абонентская плата относительно небольшая.

Skype  — бесплатное программное обеспечение с закрытым кодом, обеспечивающее шифрованную голосовую связь через Интернет между компьютерами (VoIP), а также платные услуги для звонков на мобильные и стационарные телефоны.

Программа также позволяет совершать конференц-звонки (до 25 голосовых абонентов, включая инициатора), видеозвонки (в том числе видеоконференции до 10 абонентов), а также обеспечивает передачу текстовых сообщений(чат) и передачу файлов. Для передачи данных Skype использует P2P-архитектуру. Каталог пользователей Skype распределён по компьютерам пользователей сети Skype, что позволяет сети легко масштабироваться до очень больших размеров (в данный момент более 100 миллионов пользователей, 15—25 миллионов онлайн) без дорогой инфраструктуры централизованных серверов.

0.9.1.4.Поисковые системы Интернета

Как найти нужную Вам информацию в Internet? Если Вы не знаете ее адрес, то без средств поиска это не проще, чем найти квартиру человека в большом городе, не зная его фамилии и адреса.

Для того чтобы не "заблудиться" в сети Internet, были созданы специальные средства поиска. Их можно разделить на две основные группы: каталоги и полнотекстовые системы. Каталоги устроены по принципу библиографических справочных систем. В них каждая книга или статья находится на определенном месте в предметном или авторском указателе. В сетевом каталоге ссылки рассортированы по тематическим рубрикам и сопровождаются аннотациями. Сетевой каталог, в отличие от библиотечного, позволяет значительно ускорить работу: на его главной странице есть окошко для поиска. После введения ключевого слова Вы сразу получаете список рубрик и ссылок, в которых они встретились.

Примерами таких каталогов являются Yahoo!, list.mail.ru, Rambler's "Тор 100".

В отличие от каталогов, хранящих только аннотации, поисковые системы Интернета хранят весь текст web-страниц. Такой гигантский объем информации обрабатывается автоматически. Для этого поисковые машины каждый день "ползают" по Сети: они посещают web-страницы и заносят их в свои базы. Человек может только инициировать процесс: как и в случае с каталогами, автор страницы должен послать поисковой системе заявку на свой новый материал. Если заявку не подать, поисковая система сама доберется до новой страницы, используя ведущую к ней ссылку, но это произойдет нескоро. Поэтому после создания в Сети своей страницы рекомендуется "прописаться" в основных поисковых системах.

Примерами поисковых систем являются Яндекс, Google, Rambler.

Рис. 8.5.  Создатели системы Google Ларри Пейдж (слева) и Сергей Брин (справа)

Рис. 8.6.  Создатели Google в гостях у создателей системы Яндекс - Илья Сегалович (слева) и Аркадий Волож (второй слева)

В 1996 году на сайте Стэнфордского университета (штат Калифорния, США) появилась новая поисковая система. За названием "BackRub" стояла научная работа аспирантов Сергея Брина и Ларри Пейджа. Необходимый для работы поисковой системы сервер с винчестерами общим объемом 1 терабайт располагался в комнате Брина в университетском общежитии. В основе BackRub лежала принципиально новая система интернет-поиска, когда все многочисленные найденные по запросу страницы ранжировались по числу ссылающихся на них других страниц. Таким образом, в верхних строках оказывались самые востребованные документы.

Рис. 8.7.  Сергей Брин

Поиск оказался настолько удобным, что скоро к нему стали обращаться люди далеко за пределами университетского городка. К лету 1998 года к BackRub ежедневно обращалось около 10 тыс. посетителей. В Стэнфорде забеспокоились - сервис начал заполнять почти половину всего университетского интернет-трафика. А тут еще прибавились обвинения в компьютерном хулиганстве. Дело в том, что поисковая система не обращала внимания на ограничения доступа к университетским документам "для служебного пользования", открывая их для всех. И BackRub, переставший быть чисто научным проектом, пригрозили закрыть. "В какой-то момент мне пришлось сделать выбор: начинать свое дело или продолжать учебу", - говорил потом об этом Сергей Брин. Сделать выбор ему неожиданно помог один из основателей Sun Microsystems Энди Бехтольшайм. "Это очень интересно, - прервал его Энди, когда Сергей начал демонстрировать ему возможности своей поисковой системы, - но я очень спешу. Как, вы говорите, называется ваша компания?" И достал чековую книжку. Через несколько минут удивленный Брин остался один на один с чеком в $100 000 на имя несуществующей еще компании Google Incorporated. Брин создал Google в 1998 году вместе с университетским другом Ларри Пейджем.

Сергей родился в Москве в 1974 году и попал в Америку пятилетним ребенком: его родители эмигрировали из СССР в США.

Его отец, Михаил Брин, был в Москве преподавателем математики. В Америке он стал преподавателем Университета штата Мэриленд, а мать Сергея, Евгения - специалистом Национального агентства по аэронавтике и космическим исследованиям (NASA).

Дед Сергея Брина - Израиль Абрамович - проработал доцентом кафедры математики Московского Энергетического института с 1944 по 1998 год.

Уже в раннем детстве Сережа проявлял выдающиеся математические способности и живой интерес к электронной технике.

После школы Сергей поступил на факультет математики Университета Мэриленда, досрочно получил диплом бакалавра и специальную стипендию, которая позволила ему продолжить учебу в дорогом и престижном Стэнфордском университете. В Стэнфорде Брин был принят в докторантуру.

В университете Сергей подружился с Ларри Пейджем, уроженцем штата Мичиган, и у них появились совместные проекты.

Свою знаменитую ныне поисковую систему Брин и Пейдж впервые опробовали на товарищах по учебе.

Сан-Франциско - главное место обитания так называемого венчурного капитала: компаний, вкладывающих деньги в перспективные проекты. Две из них согласились инвестировать в Google 25 млн. долларов. Google быстро набирал силу, его популярность росла день ото дня, и очень скоро компания перешла из разряда начинающих в категорию быстро растущих фирм. Летом 2000 года Google подписал контракт на обслуживание поисковых запросов Yahoo! - интернет-компании, которой принадлежит самый популярный сайт планеты. Сотрудничество с Yahoo! дало мощный толчок популярности Google, однако главным фактором роста компании стало передаваемое из уст в уста одобрение пользователей, которые рекомендовали Google друзьям и знакомым.

Хотя ни Брин, ни Пейдж так и не получили докторских степеней, покинув стены Стэнфордского университета в период создания собственной компании, в своей кадровой политике они отдают предпочтение докторам наук - их в Google насчитывается более ста. А всего в компании работают около двух тысяч человек. Поисковый механизм Google сегодня - это 10000 замкнутых в единую цепь мощных компьютеров, ведущих поиск по 3 млрд страниц Интернета. Пользователи Google могут получить ряд других информационных услуг. Тысячи рекламодателей размещают свои баннеры в Интернете через Google. Но основной упор руководство Google делает по-прежнему на поиск - беспрецедентно эффективный.

К началу 2001 года Google стал приносить прибыль, оставаясь частной компанией, акции которой были распределены внутри узкого круга основателей и инвесторов. Логика развития подсказывала необходимость выхода на биржу в качестве компании открытого типа. В августе 2004 года долгожданное первичное размещение акций состоялось. Но не обычным путем: вместо распространения через брокерские конторы руководители Google организовали открытый аукцион. Сергей Брин говорит, что это более честный путь. Акции компании были выпущены двух типов: А и Б. Большая часть акций первого типа осталась в руках Брина и Пейджа.

Отцы-основатели Google действуют в соответствии с законами бизнеса. Председателем совета директоров и главным исполнительным директором компании Google являются не Брин и не Пейдж, а гораздо более опытный профессионал отрасли Эрик Шмидт, ранее работавший в Novell. В основанной ими корпорации Брин служит президентом по технологии, а Пейдж - президентом по продукции.

Компания известна хорошими условиями работы. В корпоративной столовой еду готовит один из лучших поваров Калифорнии. К услугам сотрудников Google - бесплатные горячий кофе и чай, прохладительные напитки. В офис можно приводить детей и домашних животных, а по всем этажам штаб-квартиры фирмы разбросаны мячи красного, желтого, синего и зеленого цветов, которые присутствуют в логотипе компании. Работа в Google означает принадлежность к классу избранных и в более серьезном материальном плане. Сотрудники, помимо зарплаты, получают акции компании, и кое-кто из них в момент выхода компании на биржу стал миллионером.

Двадцатью процентами рабочего времени работники Google могут распоряжаться по своему усмотрению - это призвано стимулировать творческое мышление. У Сергея Брина почти все время уходит на организационную работу. Некоторые вопросы он контролирует до мельчайших деталей: так, он лично следил за интеграцией русского языка в поисковую базу и интерфейс Google.

В 2006 году личные состояния Сергея Брина и Ларри Пейджа составили по 11 млрд долларов. В жизни новоявленный миллиардер Сергей Брин ведет себя очень скромно. В недавнем интервью его отец рассказал, что Сергей все еще живет в трехкомнатной квартире и ездит не на "Мерседесе", что больше бы подобало статусу, а на Toyota Prius с экологически чистым гибридным двигателем.

По данным доклада ООН "Об информационной экономике", в 2006 году число пользователей Интернета в мире превысило 1 миллиард человек. В 2007 году их численность составила 1,3 миллиарда. В первую тройку стран по числу пользователей входят США (около 200 миллионов), Китай (172 миллиона) и Япония (85,29 миллиона). В России количество пользователей Интернета более 27 миллионов.

По данным китайского Министерства промышленности и информатизации, в февраля 2008 года количество пользователей Сети в Китае достигло 221 миллиона человек.

Согласно данным фонда "Общественное мнение", по состоянию на конец весны 2008 года Интернетом в России пользовались 29% жителей, что эквивалентно 32,7 млн. человек. Для сравнения, годом ранее численность аудитории Всемирной сети в нашей стране составляла 25% населения.

В конце 2009 года общее число пользователей Интернета в мире достигло 1.5 миллиарда человек.

В 2003 году началось распространение по сети Интернет бесплатного программного обеспечения Skype. С его помощью можно осуществлять видеозвонки другим абонентам Skype бесплатно.

Skype – это, по существу, бесплатный видеотелефон, осуществление многолетней мечты человечества.

Стоит убедить друзей и знакомых загрузить Skype, чтобы можно было бесплатно звонить друг другу, обмениваться мгновенными сообщениями в чате и устраивать видеоконференции. Кроме того, появляется возможность звонить на стационарные и мобильные телефоны в других городах и за границей по очень выгодным тарифам людям, не имеющим компьютеров.

Все эти факты – проявления процессов информатизации общества.

Что такое информационное общество? Это общество, в котором большинство работающих занято производством, хранением, переработкой и реализацией информации, особенно высшей ее формы – знаний.

Информатизация общества - это организованный социально - экономический и научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций, общественных объединений на основе формирования и использования информационных ресурсов. Цель информатизации - улучшение качества жизни людей за счет повышения производительности и облегчения условий их труда. Все это прекрасно, но какие опасности несет пользование Интернетом?

Прежде всего, это возможность "поймать" компьютерный вирус, который может даже вывести из строя ваш компьютер. Но для борьбы с компьютерными вирусами созданы и непрерывно совершенствуются антивирусные программы, такие как Антивирус Касперского. Поэтому просто необходимо оснащать компьютер антивирусной программой и периодически обновлять ее. Ведь хакеры не дремлют!

Другую опасность представляют сайты экстремистских, фашистских организаций, порносайты, а также спам – навязчивая сетевая реклама. Бороться с ними нужно также как с экстремистскими брошюрами и книгами, то есть игнорировать их.

В сети Internet нет никакой цензуры, она абсолютно демократична - информация в ней принадлежит не государственной власти, а отдельным людям и организациям. У Интернета нет никакого "начальства". Все его пользователи пользуются равными правами. Интернет может служить показателем демократичности. Ведь известно, что в тоталитарных государствах пользование Интернетом запрещено (как в Северной Корее) или ограничено.

В начале ХХ века В.И.Вернадский создал учение о ноосфере - новом эволюционном состоянии биосферы (области распространения жизни на Земле), при котором разумная деятельность человека становится решающим, глобальным фактором ее развития. По аналогии с ноосферой, сеть Интернет в связи с ее важнейшим значением в информационной деятельности всего человечества можно назвать информационной сферой или интерсферой - прообразом всемирного коллективного разума. Аналогия сети Internet со сферой с каждым днем становится все более реальной. Ведь по мере возрастания числа ее пользователей размеры "ячеек" сети все уменьшаются и она превращается в единую информационную сферу, окутывающую весь земной шар.

Вернадский Владимир Иванович

И еще одна аналогия. В Интернете отдельные его пользователи могут устанавливать между собой любые связи. И этим Интернет похож на нейронную сеть головного мозга человека, в которой отдельные нервные клетки – нейроны также образуют между собой любые связи. Это позволяет нейронной сети производить параллельные вычисления, что дает возможность быстро решать такие сложные задачи, как распознавание образов. Ведь мы узнаем знакомого человека в толпе за доли секунды. Так и в Интернете связи между отдельными компьютерами дают им возможность производить параллельные вычисления и совместно решать сложнейшие задачи, например, расшифровку генетического кода человека и животных.

Сегодня объем знаний на планете удваивается каждые пять лет. Информации уже накоплено так много, что ни один человек не способен удержать ее в голове. В нынешних условиях "обладать знанием" - значит уметь быстро ориентироваться в потоке новой информации, легко отыскивая в хранилище знаний необходимые сведения. При этом важно, чтобы затраты на поиск нужной информации не превышали экономическую выгоду от ее использования. Справиться с этой задачей под силу только компьютерам. Компьютерные сети, и в особенности глобальная сеть Интернет, становятся главным средством хранения и передачи данных. Доступ к компьютерным технологиям и телекоммуникациям, а также правильное их использование - вот ключ к успеху в информационном обществе. Те, кто вовремя осознают это и овладеют новыми технологиями, окажутся в преимущественном положении перед другими представителями рода человеческого, так как получат большие возможности для своего профессионального роста и повышения благосостояния. Сегодня при поступлении на работу предпочтение отдается претендентам, которые умеют пользоваться компьютером и Интернетом. Прочие же рискуют остаться на обочине - им придется либо пополнить армию безработных, либо всю жизнь заниматься тяжелым физическим трудом.

Исключение составляет интеллигенция - врачи, педагоги, художники, скульпторы, архитекторы (особенно возраста старше 50-60 и более лет), которые избегают пользования компьютером и Интернетом. Однако практически все современные писатели и журналисты уже давно пишут с помощью компьютера и освоили Интернет

0.10.Лекция 9. История копирования и размножения документов

0.10.1. 

Наш век породил необходимость многократного копирования всевозможных бумаг - президентских указов, правительственных и парламентских постановлений, учрежденческих приказов, научно-технических отчетов и статей, рисунков, рукописей новых статей и книг.

0.10.1.1.Машинопись, гектограф, мимеограф

Еще в начале XVIII века для замены рукописного письма была изобретена пишущая машина. В 1873 году американцы Шоулс и Глидден сконструировали первую пишущую машинку (рис. 9.1), которую начала выпускать фабрика "Ремингтон".

С 1908 года фабрики перешли на выпуск машинок с видимым письмом. Все эти машинки были механическими - оттиск на бумаге в них получался за счет силы удара пальцем по клавише. В 30-х годах 20-го века появились пишущие машинки с электрическим приводом. Вместо удара они требуют лишь легкого надавливания на клавиши. Долгие годы пишущие машинки были единственным средством изготовления оригинальных печатных текстов и их копирования.

Долгие годы для получения копий текста, написанного на бумаги от руки или отпечатанного на пишущей машинке, применялась копировальная бумага. На нее наносился красящий слой, который при письме ручкой или карандашом на бумаге или при печати на пишущей машинке продавливался и переносился на бумагу-копию. Таким механическим способом можно получить не более 5-6 читаемых копий.

Рис. 9.1.  Пишущая машинка Шоулса и Глиддена

Рис. 9.2.  Пишущая машинка мерседес

Для получения большего числа копий в конце прошлого и в начале нашего века был изобретен целый ряд копировально-множительных процессов: гектограф, мимеограф, стеклограф и многие другие.

Самым распространенным был гектограф, изобретенный М.И. Алисовым (1832-1898 г.г.). Его действие было основано на свойстве эластичной коллоидной массы (например, желатина) впитывать анилиновые красители. Оригинал, написанный от руки или отпечатанный на специальной пишущей машинке с лентой, пропитанной специальными гектографическими чернилами, плотно прижимали к массе желатина. При этом часть красителя проникает в желатин. Он и использовался в качестве клише. К нему прикатывали валиком один за другим чистые листы бумаги, на которые переходила некоторая часть красителя - получались копии оригинала. При этом печатная форма одновременно играла роль красочного резервуара: в ней содержалось краска, необходимая для печати всего тиража. Таким способом можно было отпечатать не более 100 оттисков. Отсюда и его название - "гектограф": от греческого hekaton (сто) и grapho (пишу). В связи с простотой этого способа им широко пользовались для изготовления нелегальной литературы - листовок и воззваний.

Другой копировальный процесс - мимеограф - изобрел Т.А. Эдисон (1847-1931 г.г.). Форма для него изготавливалась на пишущей машинке со снятой лентой. Оттиск выбивался литерами на плоской шелковистой основе с нанесенным на нее слоем воска - "восковке". Изготовленную трафаретную форму помещали на подушку или вал, пропитанные краской. Поверх трафарета клали листы бумаги и получали оттиски. Такой способ позволял изготавливать до 1000 оттисков.

0.10.1.2.Электрография и ксерокопирование

Революцию в копировально-множительных процессах произвела электрография - электрические и электромагнитные способы печати. Более распространен термин электрофотография - способы воспроизведения изображений на поверхности, электрические свойства которой изменяются в соответствии с количеством лучистой энергии, которое она воспринимает. Обычная фотография основана на фотохимических процессах, а электрофотография - на фотоэлектрических.

Методами электрофотографии можно получать любое число копий как черно-белых, так и цветных текстов и рисунков. В основе электрофотографии - преобразование видимого изображения в слое светочувствительного электрофотографического материала в скрытое изображение с последующим проявлением. Сначала на электросветочувствительном материале получают порошковое изображение, а затем уже переносят его на обыкновенную бумагу, картон, ткань, керамику или металлическую пластину.

Наиболее распространенным методом электрофотографии является ксерокопирование, в котором применяется сухое проявление с помощью окрашенных частиц порошка.

Этот процесс называют ксерографией: от греческого xeros - сухой и graphein - писать (по сравнению с обычным "мокрым" фотографическим процессом).

В традиционной фотографии изображения предметов запечатлеваются на светочувствительных слоях, в которых под действием света происходят необратимые химические изменения. В ксерографии свет воздействует не на химические, а на электрические свойства светочувствительного слоя. В качестве такого слоя американский изобретатель Ч. Карлсон в 1935-1938 годах предложил использовать электрические свойства фотополупроводников, зависящие от освещения. На свету они являются проводниками, а в темноте - диэлектриками. Фотополупроводниками являются сера, селен, окись цинка. Карлсон покрывал металлическую пластину слоем селена. Затем он в темноте электризовал его и проецировал на него изображение какого-либо предмета. При этом засвеченные участки слоя становились проводниками и электрические заряды с них уходили в металлическую подложку, а незасвеченные участки становились диэлектриками и заряды на них сохранялись. Так образовывалось скрытое электростатическое изображение. Чтобы проявить его, пластину посыпали мелкораздробленным порошком красителя. При этом частицы этого порошка прилипали только к участкам полупроводникового слоя, на котором сохранились электрические заряды. Первый ксерографический отпечаток Ч. Карлсон и его помощник О. Корней получили в 1938 году.

Ксерокс позволяет быстро получить любое количество копий с листа текста, рисунка, страницы газеты, журнала или книги. В наши дни фирма Xerox Corp. производит самые разнообразные ксероксы, в том числе высокопроизводительные, не только для черно-белой, но и для цифровой многокрасочной печати. Выпускаются также портативные настольные ксероксы, позволяющие получать копии на обыкновенной писчей бумаге (рис. 9.3).

Рис. 9.3.  Настольный ксерокс

Существуют и другие современные копировально-множительные процессы, но ксерография и сегодня лидирует в этой области техники. Более того, само слово "ксерокс" превратилось в понятие, обозначающее копировально-множительный процесс или аппарат, основанный на любом принципе действия. В русском языке даже возник глагол "отксерить". Фирма Xerox Corp. превратилась в наши дни в одну из ведущих во всем мире в области информационных технологий. На ее предприятиях в США и зарубежных филиалах, в том числе в России, занято более 90000 сотрудников.

Карлсон Честер (1906-1968) - американский физик, изобретатель ксерографии. В 1938 году получил первую ксерографическую копию, в 1939 году подал заявку, и в 1942 году получил патент на ксерографический способ копирования, названный им "электрофотографией". В течение нескольких лет безуспешно предлагал его более 20 компаниям. Наконец, в 1944 году он сумел заинтересовать проблемами электрофотографии Бэтеллевский мемориальный институт, в лаборатории которого были проведены эксперименты, позволившие практически внедрить изобретение. С 1947 года работы в области ксерографии начала финансировать маленькая фирма Haloid Corporation, преобразованная позднее в Xerox Corp.

0.11.Лекция 10. Сохранение и передача информации в живой природе

0.11.1. 

0.11.1.1.Информация и жизнь

Биологическая жизнь - одна из форм существования материи. Живые организмы отличаются от неживых объектов целым рядом свойств: обменом веществ, раздражимостью (свойством отвечать на воздействия внешней среды изменениями своего состояния или деятельности), способностью к размножению, росту, развитию, активной регуляциии своего состава и функций, к различным формам движения, приспособляемостью к среде и т. п. Все эти свойства живых организмов невозможны без получения и использования информации от окружающей природы и обмена информацией между живыми организмами.

Рассмотрим несколько примеров.

Начинается партия игры в бильярд. Один из игроков производит первый удар кием и разбивает пирамиду бильярдных шаров. На столе они занимают какое-то новое положение. Для самих шаров это, образно говоря, "безразлично".

Но зато для игроков новое положение шаров на столе дает "информацию к размышлению" - какие шары выбрать для следующего удара.

И так для каждого из двух игроков после каждого удара.

Такое же утверждение касается и положения фигур на шахматной доске - так называемой шахматной позиции.

В этих ситуациях видна разница между неживой и живой природой. Понятие "информация" присуще только живой природе - простейшим, растениям, животным, и, конечно, человеку и созданным им автоматическим устройствам.

Каким же образом человек получает, анализирует, хранит и использует информацию? Происходит это в несколько этапов. Первый - получение информации - осуществляется с помощью органов чувств: зрения, слуха, обоняния, вкуса, осязания, восприятия гравитации.

В состав органов чувств входят рецепторы (от лат. receptor - принимающий) - окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Рецепторы делятся на экстерорецепторы, воспринимающие информацию из внешней среды, и интерорецепторы (или приорецепторы), воспринимающие информацию из внутренней среды собственного организма. Органы чувств воспринимают, первично анализируют и преобразуют эти раздражения в нервное возбуждение, после чего передают его в центральную нервную систему. Дальнейшие процессы обработки, хранения и использования полученной информации происходят в головном мозгу. Этапы этих процессов познания: восприятие, память и мышление. Восприятие - это способность анализировать воспринимаемые органами чувств изменения окружающей среды. Память - способность хранить информацию, полученную в результате восприятия. Мышление - способность систематизировать (понять причинно-следственные механизмы) хранящуюся в памяти информацию. Память и мышление объединяет в себе понятие "интеллект" (от лат. intellectus - познание, понимание, рассудок) - способность мышления, рационального познания. Это латинский перевод древнегреческого понятия "нус" (ум), тождественный ему по смыслу.

Понятие "информация" присуще не только человеку, но и созданным им автоматическим устройствам.

Поясним последнее утверждение. Посмотрим, как работает домашний холодильник. Охлаждение он производит с помощью холодильного агрегата. Когда вы включаете холодильник, начинает работать электродвигатель, приводящий в действие компрессор, и температура в камере холодильника понижается. Когда она достигает нижней заданной величины, например, +4⁰С, реле отключает электродвигатель и температура в камере начинает повышаться. Когда она достигнет верхней заданной величины, например +6⁰С, реле снова включает электродвигатель и температура в камере снова начнет понижаться. Таким образом, в камере будет поддерживаться температура в пределах от +4⁰С до +6⁰С. Температура в камере является информацией для автоматического холодильника, которая служит сигналом для периодического включения и отключения холодильного агрегата.

0.11.1.2.Наследственность и индивидуальная память

Человека всегда интересовало, почему он похож на своих родителей и других родственников - братьев, сестер, дедушек, бабушек, причем не только внешне, но и своим характером, привычками. Все это носит название "наследственность". С древних времен люди хотели понять, как наследственная информация передается из поколения в поколение. Хотелось узнать и причины родовой устойчивости животных: почему у слонов родятся слонята, у тигров - тигрята, у лошадей - жеребята. Эти тайны природы были раскрыты только в середине XX века.

Информация проявляется и в растительном, и в животном мире в виде передачи потомству наследственных признаков в ряду поколений. Наследственность обеспечивается самовоспроизведением генов, находящихся в хромосомах ядра клетки. Она вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни. Однако генетический аппарат нужен не только для воспроизведения поколений, но и на протяжении всей жизни каждого индивидуального организма. Ведь его клеточный состав непрерывно меняется, но генетический аппарат следит за тем, чтобы при этом организм оставался самим собой.

Кроме наследственных признаков, каждому отдельному человеку свойственна индивидуальная память, необходимая в процессе его существования.

Память - это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений: зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных, вкусовых, то есть некоей информации. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем. Она дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, то есть принимать решения.

Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Оно состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, а индивидуальная память не наследуется, а только приобретается человеком в течение всей его жизни, в том числе посредством обучения и воспитания.

0.11.1.3.Генетика, молекулярная биология и генная инженерия

Зачатки генетики существовали еще в доисторические времена, когда люди одомашнивали животных и культивировали растения. Однако основы современных представлений о механизмах наследственности были заложены только в середине XIX века.

Монах Грегор Мендель занимался изучением гибридизации растений в Августинском монастыре в Брюнне (Брно), ныне на территории Чехии.

В 1865 году он обнародовал на заседании местного общества естествоиспытателей результаты исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Эта работа "Опыты над растительными гибридами" была опубликована в трудах общества в 1866 году. Сформулированные Менделем закономерности наследования признаков позже получили название законов Менделя. При жизни его работы были малоизвестны и воспринимались критически. Однако принципиальные результаты его опытов были поняты и оценены наукой лишь в 1900 году, когда голландский ученый Х. де Фриз, немецкий - К. Корренс и австрийский - Э. Чермак вторично открыли законы наследования признаков, установленные Менделем.

После этого работы Менделя вновь привлекли внимание биологов. В 1905-1906 гг. английский натуралист Уильям Бэтсон ввел в употребление название новой научной дисциплины: "генетика", а в 1909 году датский ботаник Вильгельм Йоханнсен - термин "ген".

Рис. 10.1.  Грегор Мендель

В 1910-х годах американский биолог Томас Хант Морган (1866-1945), один из основоположников генетики, лауреат Нобелевской премии 1933 года, и его сотрудники обосновали хромосомную теорию наследственности. Эти ученые доказали, что наследственные факторы - гены - размещаются в хромосомах и что они расположены в них линейно и сцеплены между собой, а во время созревания половых клеток они могут разъединяться. Школе Моргана удалось установить порядок расположения генов в хромосомах для некоторых животных и растений - мухи дрозофилы, кур, кукурузы, ряда бактерий. Муха дрозофила стала излюбленным подопытным насекомым для генетиков из-за ее способности быстро давать потомство, что очень удобно для изучения наследственности.

Рис. 10.2.  Томас Морган

Первые работы по генетике в России были начаты в начале XX века. После революции и гражданской войны началось стремительное организационное развитие науки. В 1920-1930 годах выдающийся вклад в развитие генетики внесли советские биологи Н.К. Кольцов (1872-1940) и Н.И. Вавилов (1887-1943). Именно Н.К. Кольцов в 1928 году высказал предположение, что хромосомы - это гигантские молекулы, и обосновал необходимость изучения механизма наследственности на молекулярном уровне.

Рис. 10.3.  Н.К. Кольцов

Рис. 10.4.  Н.И. Вавилов

К концу 1930-х годов в СССР была создана обширная сеть научно-исследовательских институтов и опытных станций (в Академии наук СССР и во Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени Ленина (ВАСХНИЛ)), а также вузовских кафедр генетики. Признанными лидерами направления были Н. И. Вавилов, Н. К. Кольцов, А. С. Серебровский, С. С. Четвериков и др. В СССР издавали переводы трудов иностранных генетиков, в том числе Т. Х. Моргана, Г. Мёллера, ряд генетиков участвовали в международных программах научного обмена. Американский генетик Г. Мёллер работал в СССР (1934-1937), советские генетики работали за границей. Н.В. Тимофеев-Ресовский - в Германии (с 1925 г.), Ф.Г. Добржанский - в США (с 1927 г.).

В 1930-е гг. в рядах генетиков и селекционеров наметился раскол, связанный с энергичной деятельностью лжеученого Т.Д. Лысенко и его преспешника И.И. Презента. По инициативе генетиков был проведен ряд дискуссий, направленных на борьбу с подходом Лысенко, но их результаты были довольно неопределенными.

На рубеже 1930-1940-х гг. в ходе сталинского Большого террора многие из видных генетиков были арестованы, многие расстреляны или погибли в тюрьмах (в том числе Н.И. Вавилов). После войны дебаты возобновились с новой силой. Генетики, опираясь на авторитет международного научного сообщества, снова попытались склонить чашу весов в свою сторону, однако с началом Холодной войны ситуация значительно изменилась. В 1948 году на августовской сессии ВАСХНИЛ Т.Д. Лысенко, пользуясь поддержкой И.В. Сталина, объявил генетику лженаукой. Лысенко воспользовался некомпетентностью партийного руководства наукой, "пообещав партии" быстрое создание новых высокопродуктивных сортов зерна ("ветвистая пшеница") и др. С этого момента начался период гонений на генетику, который получил название лысенковщины и продолжался вплоть до снятия Н.С. Хрущева с поста генерального секретаря ЦК КПСС в 1964 г.

Рис. 10.5.  С.С. Чевериков

Рис. 10.6.  Н.В. Тимофеев-Ресовский

И только с середины 1960-х г. в нашей стране началось восстановление генетики, понесшей колоссальный научный и кадровый урон в результате сталинского террора и антинаучной "деятельности" Лысенко.

А в это время в мире генетика развивалась стремительными темпами, и был сделан ряд выдающихся открытий.

Еще в 1930-1940-х гг. над разгадкой генетического кода живой природы задумывались крупнейшие физики-теоретики Эрвин Шредингер, Макс Дельбрюк, генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский. В 1945 году Э. Шредингер опубликовал книгу "ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ с точки зрения физики?" (What is life?). В главе "Подход классического физика к предмету" он писал: "Большой, важный и очень часто обсуждаемый вопрос заключается в следующем: как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?" Книга "Что такое жизнь?" сыграла большую роль в проникновении идей физики в биологию. Имя Шредингера, крупного физика, хорошо известно всем физикам и химикам мира. Поэтому его книга во многом способствовала тому, что их внимание было привлечено к проблемам генетики.

Рис. 10.7.  Эрвин Шредингер

Одним из крупнейших открытий XX века в биологии явилось установление структуры молекулы ДНК - основного наследственного вещества клетки. Оно было сделано Френсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом. Рассказывая историю этого открытия, Дж. Уотсон в своей книге "Двойная спираль" писал о Ф. Крике: "Он бросил физику и занялся биологией после того, как в 1946 г. прочитал книгу известного физика-теоретика Эрвина Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?" В этой книге очень изящно излагается предположение, что гены представляют собой важнейшую составную часть живых клеток, а потому понять, что такое жизнь, можно только зная, как ведут себя гены. В то время, когда Шредингер писал свою книгу (в 1944 г.), господствовало мнение, что гены - это особый тип белковых молекул. Однако почти тогда же бактериолог Освальд Эвери проводил опыты, которые показали, что наследственные признаки одной бактериальной клетки могут быть переданы другой при помощи очищенного препарата ДН К".

Рентгеноструктурный анализ ДНК был осуществлен Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин. Первую рентгенограмму молекулы ДНК Р. Франклин получила в 1951 году.

На основе анализа рентгенограмм ДНК в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик предложили пространственную модель структуры ДНК. Они предположили, что ее гигантские молекулы представляют собой двойную спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеотидами, расположенными в определенной последовательности. Каждый нуклеотид одной нити спарен с противолежащим нуклеотидом второй нити с помощью водородных связей по правилу комплементарности (аденин в паре с тимином, а гуанин - с цитозином). Модель двойной спирали ДНК Д. Уотсона и Ф. Крика позволила объяснить, как при делении клетки происходит репликация ДНК - процесс копирования дезоксирибонуклеиновой кислоты. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками.

Две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что напоминает расстегивание застежки-молнии. По каждой половине прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Так был доказан матричный принцип воспроизведения наследственного материала, предсказанный великим русским биологом Н.К. Кольцовым.

Репликация (копирование) ДНК. Мономеры (нуклеотиды): А - аденин; G – гуанин; Т - тимин; С-цитозин

Многочисленные экспериментальные данные подтвердили гипотезу Уотсона и Крика.

В 1962 году за открытие структуры ДНК Д. Уотсону, Ф. Крику и М. Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия.

Розалинда Франклин вследствие постоянного облучения рентгеновскими лучами в 1956 году заболела раком. Узнав о своей смертельной болезни, она мужественно продолжала работать почти до самой смерти. Она умерла 16 апреля 1958 г. в 37-летнем возрасте, за три года до выдвижения на Нобелевскую премию, которую не получила. В соответствии с уставом Нобелевская премия дается только живым в качестве поощрительного гранта, позволяющего лауреату продолжить научную деятельность.

Рис. 10.8.  Розалинда Франклин

Рис. 10.9.  Морис Уилкинс

Открытие структуры ДНК стало решающим шагом в понимании того, как генетическая информация передается при делении клетки.

В ДНК используются мономеры 4 типов (нуклеотиды) - аденин, гуанин, цитозин, тимин, которые обозначаются буквами А, Г, Т и Ц. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. Поскольку их четыре, то каждая буква содержит два бита информации. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменен похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой У. PНK присутствуют во всех живых клетках, участвуя в процессах, связанных с передачей генетической информации от ДНК к белку. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки, и таким образом получаются последовательности генетических букв. ДНК вместе с белками образует вещество хромосом. Эта модель объясняла, каким образом генетическая информация записывается в молекулах ДНК, и позволила высказать предположение о химических механизмах самовоспроизведения этих молекул. Именно ДНК является носителем генетической информации. Отдельные ее участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Поэтому она и названа двойной спиралью. Эти цепи построены из большого числа нуклеотидов. Сочетания рядом стоящих в цепи ДНК нуклеотидов составляет генетический код. Нарушения их последовательности в цепи ДНК приводят к мутациям - наследственным изменениям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток. Это обеспечивает передачу наследственных признаков в ряду поколений отдельных клеток и целых организмов. Живые организмы построены из белков. Их в живой природе существует несколько миллиардов, но все они построены всего из 20 мономеров - органических аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определенной последовательности. Эта последовательность определяет все биологические свойства данного белка. Набор аминокислот также универсален для почти всех живых организмов.

Рис. 10.10.  Джеймс Уотсон

Рис. 10.11.  Френсис Крик

Реализация генетической информации - процесс, происходящий внутри каждой живой клетки, во время которого генетическая информация, записанная в ДНК клеточного ядра, воплощается в биологически активных веществах - белках.

Генетический код - существующий в живой природе способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Генетический код универсален для всего живого на Земле, он один и тот же у всех организмов (с некоторыми небольшими исключениями), от вирусов до млекопитающих и человека.

В 1954 году физик-теоретик Георгий Гамов опубликовал статью, где первым поднял вопрос генетического кода, доказывая, что "при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для "записи наследственной информации", выражая при этом надежду, что "кто-нибудь из более молодых ученых доживет до его расшифровки". В октябре 1968 года Роберту Холли, Хар Коране и Маршаллу Ниренбергу была присуждена Нобелевская премия за расшифровку генетического кода. Но Георгий Антонович Гамов к тому времени уже умер.

Рис. 10.12.  Г.А. Гамов

Сочетание нуклеотидов тройками, предсказанная Г.А. Гамовым - это кодон (триплет), единица генетического кода; состоит из 3 последовательных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК. Последовательность кодона в гене определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемого этим геном. Передача генетической информации происходит по схеме "ДНК РНК белок".

Открытие структуры ДНК положило начало молекулярной генетике и ее важнейшим разделамв - генной инженерии, генетике человека и медицинской генетике. Разрабатываются генетические аспекты проблемы борьбы со злокачественными новообразованиями и преждевременным старением.

Молекулярная генетика - раздел генетики и молекулярной биологии - ставит своей целью познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путем исследования протекающих на субклеточном, молекулярном уровне процессов передачи, реализации и изменения генетической информации, а также способа ее хранения.

В начале 70-х годов XX века возникла генная инженерия - методы молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Она основана на извлечении из клеток какого-либо организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединении их со специальными молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них. Генная инженерия, наряду с клеточной инженерией, лежит в основе современной биотехнологии. Открывает новые пути решения некоторых проблем генетики, медицины, сельского хозяйства. С помощью генетической инженерии был получен ряд биологически активных соединений - инсулин, интерферон и др.

Геном - это совокупность всех генов организма, его полный хромосомный набор. Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 году для описания совокупности генов, заключенных в наборе хромосом организмов одного биологического вида.

В 1988 году один из первооткрывателей структуры ДНК Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон выступил с предложением создать программу "Геном человека" с целью раскрыть полную структуру генома биологического вида Homo Sapiens (Человека разумного). К тому времени было уже известно, что наследственный аппарат человека - геном (совокупность всех генов и межгенных участков ДНК) - составляет около 3 млрд нуклеотидных пар. Решение такой грандиозной задачи на том уровне развития генетики казалось нереальным.

В том же 1988 году с аналогичной идеей выступил выдающийся российский молекулярный биолог и биохимик, академик А.А. Баев (1904-1994). С 1989 года в США и в России существуют научные программы "Геном человека", а позднее возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO). Сегодня руководителем Российской национальной программы "Геном человека" является член-корр. РАН Л.Л. Киселев.

Первым важным шагом этой международной программы стало секвенирование - определение последовательности нуклеотидов в ДНК.

К началу XXI века эта сложнейшая задача была выполнена. Число генов в геноме человека оказалось около 35000. Но это лишь первый этап программы. Геном человека прочитан полностью, но он подобен тексту телеграммы на неизвестном языке. Ведь каждый ген представляет собой программу создания определенного вида белка, а таких белков - огромное количество. Дальнейший этап - это расшифровка этого "текста". Частично она выполнена, но полная расшифровка может растянуться на многие годы.

Нобелевскую премию 2006 года по физиологии и медицине - "За открытие механизма РНК-интерференции (подавления экспрессии генов двухцепочечной РНК)" - разделили Эндрю Файр (1959 г. р.) из Медицинской школы Стэнфордского университета и Крэйг Мелло (1960 г. р.) из Медицинской школы Массачусетского университета.

На одной из классических моделей генетического анализа - геноме червя - они изучали способы выключения (так называемой блокировки) отдельных генов. Их целью было понять, за что отвечает каждый ген. В одном из опытов они ввели червям двухцепочечную РНК с таким же кодом, как у блокируемого гена. И ген "выключился". Так почти случайно был открыт феномен РНК-интерференции. По существу, ученые обнаружили фундаментальный механизм контроля над потоком генетической информации.

Это открытие позволило ученым-генетикам понять, зачем нужен и за что отвечает каждый ген. Появилась перспектива лечения врожденных генетических аномалий. Становится реальным заблокировать ген, отвечающий за образование раковых клеток.

Открытие РНК-интерференции дает перспективу "отключать" любые гены, наносящие вред организму.

За последние десятилетия для идентификации личности широко применяется биологический метод анализа ДНК, индивидуального для каждой личности. Он используется для определения факта отцовства, опознания личностей погибших в различных катастрофах и при военных действиях.

Первым человеком, который догадался, каким образом можно идентифицировать личность с использованием методов молекулярной генетики, был английский профессор Алек Джеффрис, опубликовавший в журнале Nature свою статью "Индивидуально-специфичные "отпечатки пальцев" ДНК человека" в июле 1985 года. С помощью этого метода в 1986 году ему удалось доказать невиновность человека, обвиненного в двойном убийстве и даже признавшем свою вину. Настоящий преступник был пойман через год. Так идентификация личности на основании данных ДНК-анализа начала широко применяться в криминалистике. Осуществлялся анализ соответствия биологических образцов, найденных на месте преступления, с образцами, полученными от подозреваемого в совершении преступления, и установление родства по характеристикам ДНК. Несомненным преимуществом метода является то, что даже ничтожно малого количества образца оказывается достаточно для проведения анализа. Кроме того, в качестве исходного материала для выделения ДНК могут быть использованы кровь, сперма, слюна, волосы, костные ткани - любые образцы, содержащие хотя бы несколько клеток.

Имеется ряд причин, по которым молекула ДНК так привлекательна для использования в судебной идентификации.

1. Уникальность индивидуальной ДНК.

   Каждый человек в мире генетически индивидуален (кроме однояйцевых близнецов).

2. Генетическое постоянство организма.

   Генетическая информация, в отличие от состава белков или жиров, не изменяется в течение жизни, а также в зависимости от типа клеток, из которых была выделена ДНК.

3. Чувствительность метода.

   Для современных методов ДНК-анализа достаточно даже нескольких капель крови, или образца слюны, которой наклеивалась почтовая марка на конверт, или пятна спермы, по площади в 10 раз меньшего булавочной головки.

4. Относительная стабильность молекул ДНК.

В отличие от белков, являющихся нестабильными структурами, молекула ДНК обладает повышенной устойчивостью к воздействиям окружающей среды. Это свойство ДНК является для криминалистов ценным, поскольку позволяет проводить идентификацию по прошествии даже очень большого срока давности, или же если останки человека не могут быть опознаны никакими другими методами (например, в случае авиакатастроф).

0.11.1.4.Клонирование

Также, как и половые, телесные - соматические клетки снабжены природой полной генетической информацией о развитии организма. Только каждая из этих клеток снабжена еще и информацией о своей будущей специализации: из одних соматических клеток строится печень, из других - кости, из третьих - нервная система и т.д. Если получить потомство от соматической клетки, то полученный организм будет полной генетической копией своего родителя. Такой процесс называется клонированием. Однако, можно клонировать все свойства, кроме интеллекта, ума, неповторимых черт личности данного человека.

Для осуществления процесса клонирования из яйцеклетки удаляют ядро, содержащее половинный (гаплоидный) набор хромосом, и вместо него помещают ядро соматической клетки с двойным набором хромосом (рис. 10.13)

Рис. 10.13.  Схема рождения человека обычным путем (вверху) и путем клонирования (внизу)

За последние годы, благодаря успехам бурно развивающейся генной инженерии удалось осуществить и этот, недавно казавшийся фантастическим, процесс.

В 1997 году в печати появились сообщения о том, что осуществлено клонирование животных - овец и коров, т.е. получены их генетические копии из соматических клеток. Это открытие вызвало большой шум в научном мире и в средствах массовой информации. Немедленно начали обсуждать возможность клонирования человека. Одни ученые мужи предложили строго запретить подобные опыты, дабы не вывести какого-нибудь тирана типа Гитлера. Другие ученые отнеслись к возможности проведения таких опытов более спокойно и взвешенно. Они резонно замечают, что еще совсем недавно раздавались подобные вопли - запретить выведение детей из "пробирки", а теперь это стало повседневной практикой и никого уже не удивляет.

Конечно, клонирование человека вызывает целый ворох этических, социальных и даже философских проблем. Ведь это не шутка - речь идет о биологическом бессмертии данного человека. Кроме того, при клонировании имеется большая опасность появления уродов. Пока на один удачный опыт приходится около 300 неудачных. Если при клонировании животных с этим можно мириться, то при клонировании человека это неприемлемо. Тем более что для получения клонированного человеческого существа необходимо брать обычные яйцеклетки у живых женщин и затем пересаживать их суррогатным матерям, которые будут их вынашивать и рожать клонированного человека. И поэтому прежде, чем запрещать или разрешать подобные исследования, нужно спокойно разобраться в этих проблемах. Тем более что все эти запреты никогда ни к чему не приводили, что иллюстрируется хотя бы учениями и судьбами Галилея и Коперника, а в наше время борьбой в нашей многострадальной стране - с генетикой и кибернетикой. Всегда найдется любознательный ученый, который добьется нужного результата несмотря ни на какие запреты и даже преследования. И похоже, что такие ученые уже нашлись. Недавно появилось сообщение об успешных опытах по клонированию животных и готовности приступить к опытам по клонированию человека. При этом следует отметить, что хотя способности и характер человека в основном определяются его индивидуальным генетическим кодом, все же многое в его поведении и судьбе зависит от среды, в которой он растет, воспитывается и живет. А ее воссоздать невозможно. Так что, по моему мнению, полностью повторить Эйнштейна или Чехова невозможно даже теоретически, но создать людей с их способностями представляется возможным.

Клонированные люди, по крайней мере, внешне, ничем не будут отличаться от обычных людей. Их, как и обычных детей будут вынашивать и через 9 месяцев рожать женщины. Воспитывать их будут в обычных семьях. Однако клон будет не точной копией своего "оригинала", а более молодым человеком с идентичным набором ДНК.

Таким образом, клонирование в будущем позволит, хотя бы частично, решить проблему личного бессмертия. Частично, потому что клонировать интеллект человека нельзя. "Перезапись" интеллекта в новое тело - задача будущего.

В большинстве развитых стран клонирование человека или запрещено, или на него введен временный мораторий. В России в 2001 году такой мораторий введен на 5 лет.

Ученым Гарвардского университета удалось вырастить в лабораторных условиях отдельные органы (!) крыс, кроликов и ягнят из клеток подопытных животных. Мало того, эти органы были успешно пересажены животным. Ученые надеются в будущем еще до рождения будущего ребенка определять дефекты его внутренних органов и заменять их здоровыми!

В 1997 году шотландские ученые, которые вывели клонированную овцу Долли, идентичную своей матери, добились нового успеха. Они клонировали несколько ягнят, которые несут в себе ген человека, пригодный для лечения гемофилии. Да, да - той самой болезни пониженной свертываемости крови, которой страдал несчастный цесаревич Алексей - наследник рода Романовых. Благодаря этому гену человека молоко таких овец будет содержать вещество, способствующее сворачиваемости крови. Оно жизненно важно для лечения гемофилии. Этот успех ученых - шаг на пути к новому типу животноводства, предназначенного для производства лекарственных средств с помощью методов генной инженерии. Животных будут использовать для производства лекарств, которые трудно или дорого синтезировать в лабораторных условиях.

Японские ученые из института трансплантации эмбрионов путем клонирования получили двух телят. При этом в качестве материала клетки они использовали молозиво - первое молоко, которое вырабатывается в молочных железах после родов. В нем содержится множество лимфоцитов крови и клеток молочной железы. Из этих клеток получили эмбрионы. Затем они были пересажены в матку другой коровы, которая через положенный срок родила двух телят. Раньше для клонирования рогатого скота брали кусочки ткани из уха коровы.

Одной из важнейших задач клонирования является выращивание мяса, а не скота. Ведь тогда человечество перестанет убивать животных для своего пропитания.

В 2001 году израильские генетики получили из эмбриональной ткани клетки сердечной мышцы человека. Полученные клетки идентичны тканям сердца молодого человека и могут самопроизвольно сокращаться. Цель этой работы заключается в том. чтобы пересаживать людям эти клетки и постоянно способствовать "омоложению" стареющей сердечной мышцы.

В конце 2001 года американская компания "Продвинутые клеточные технологии" (Advansed Cell Technology) объявила о первом успешном клонировании эмбриона человека, жизнь которого сохранялась в течение шести дней. Целью опытов является получение так называемых стволовых клеток, которые могут развиваться в различные клетки, например, в эритроциты и лейкоциты крови, клетки печени и другие. Стволовые клетки находятся в центре внимания современной медицины. Их намереваются использовать для лечения диабета, рака, болезни Паркинсона, рассеянного склероза, инфаркта, повреждений спинного мозга (спинальной травмы), многих других тяжелых заболеваний и даже для того, чтобы отдалить старение.

После всех этих сообщений истерические вопли о полном запрете любых форм клонирования человека кажутся непродуманными и поспешными.

0.11.1.5.Сайт "Дети из пробирки" – ЭКО

Впервые экстракорпоральное оплодотворение ( ЭКО ) ученые успешно применили более двадцати лет назад. Сегодня ЭКО считается одним из методов лечения бесплодия.

Экстракорпоральное оплодотворение - метод, при котором зачатие происходит вне организма (extra corporis - вне тела), однако дальнейшее развитие эмбриона осуществляется как обычно - в организме матери. Термин " дети из пробирки ", яркий и запоминающийся, тем не менее, может ввести человека в заблуждение. Дети при таком оплодотворении рождаются традиционным способом. Неформальным является только зачатие.

Обычно зачатие, или слияние мужской половой клетки - сперматозоида и женской половой клетки - яйцеклетки, происходит в полости матки или в маточных трубах. После того как клетки соединились между собой, генетический материал смешивается, и рождается новая клетка, которая начинает интенсивно делиться. Эмбрион прикрепляется к стенке матки и продолжает свое развитие. Постепенно возникают кровеносные сосуды, формируется плацента, которые необходимы для питания будущего ребенка.

Принцип экстракорпорального оплодотворения (ЭКО)

При некоторых видах женского и мужского бесплодия зачатия не происходит. Нередко причину бесплодия устранить не удается. Когда не представляется возможным добиться естественного оплодотворения, на помощь приходит экстракорпоральный метод. Существуют несколько видов ЭКО, отличающихся друг от друга методиками оплодотворения. Вкратце схему такого оплодотворения можно представить следующим образом.

0.11.1.6.Стимуляция овуляции

С помощью гормональных препаратов яичники заставляют интенсивно работать. Необходимо, чтобы они выдали несколько яйцеклеток и отправили их в маточные трубы. Яйцеклетки в свою очередь нужны для того, чтобы увеличить шансы на успех. Учитывая, что частота наступления беременности при ЭКО составляет 35-40 процентов, надо всегда иметь запас эмбрионов для пересадки, иначе придется повторять процедуру стимуляции второй раз. За работой яичников специалисты наблюдают при помощи ультразвуковой установки. Как только фолликулы достигают необходимого размера, в организм вводят лекарственные средства, стимулирующие овуляцию.

0.11.1.7.Извлечение яйцеклеток

Проводится с помощью специальной иглы, снабженной датчиком. Под контролем УЗИ врач вытаскивает яйцеклетки наружу. Происходит эта процедура под наркозом, точнее сказать, в легком медикаментозном сне. При невозможности извлечения яйцеклеток таким способом применяют лапароскопическую методику: клетки "добывают" непосредственно из брюшной полости специальными инструментами.

0.11.1.8.Извлечение сперматозоидов

Перед тем как начать процесс оплодотворения, будущий отец сдает сперму, которую тут же помещают в специальную среду и проверяют на наличие ВИЧ-инфекции, гепатита и половых инфекций. При экскреторном бесплодии, когда сперма может сначала попадать в мочевой пузырь, проводится биопсия. С помощью тонкой иглы врач извлекает сперматозоиды из тканей яичка. Этот способ может применяться при отсутствии сперматозоидов в сперме.

0.11.1.9.Оплодотворение

Яйцеклетку помещают в питательную среду. Затем к ней подсаживают сперматозоиды, которые до этого момента тоже хранятся в специальной питательной среде. Через мощный микроскоп врач наблюдает за процессом оплодотворения. Если сперматозоиды двигаются слишком медленно и не могут проникнуть в яйцеклетку, применяется специальная методика зачатия. Под микроскопом врач выделяет один сперматозоид и подводит его к яйцеклетке. Затем с помощью микроскопической иглы он заталкивает спермия внутрь яйцеклетки. В результате происходит оплодотворение.

0.11.1.10.Культивирование

Уже через 48-72 часа после оплодотворения эмбрион состоит из четырех-восьми клеток. Для того чтобы они не погибли, их помещают в питательную среду, строго соблюдая температурный режим.

0.11.1.11.Имплантация

Эмбрион необходимо пересадить в полость матки, где он сможет, зацепившись за слизистую оболочку, продолжить свое развитие. Женщине дают гормональные препараты, которые подготавливают слизистую оболочку матки к восприятию оплодотворенной яйцеклетки. С помощью тонкой трубки эмбрион вводят в полость матки. Через две недели результат процедуры становится известным. С помощью УЗИ можно наблюдать развитие плода. В современных центрах экстракорпорального оплодотворения все перечисленные манипуляции ведутся под строгим контролем специалистов.

0.11.1.12.Суррогатное материнство

Суррогатное материнство — технология репродукции человека, при которой женщина добровольно соглашается забеременеть с целью выносить и родить биологически чужого ей ребёнка, который будет затем отдан на воспитание другим лицам — генетическим родителям. Они и будут юридически считаться родителями данного ребёнка, несмотря на то, что его выносила и родила суррогатная мать.

0.11.1.13.Дополнительные мероприятия при культивировании эмбрионов

В течение культивирования эмбрионов возможно осуществление дополнительных лабораторных мероприятий. Криоконсервация эмбрионов — жизнеспособные эмбрионы замораживают и хранят при температуре жидкого азота. В дальнейшем эмбрионы могут быть разморожены и осуществлен повторный перенос в матку для достижения беременности. Преимплантационная генетическая диагностика (ПГД) — исследование наличия некоторых хромосомных или некоторых генетических патологий у эмбриона до имплантации. Также этим методом возможно определить пол эмбриона.

0.11.1.14.Этические проблемы

0.11.1.14.1.Православная Церковь об ЭКО

Русская православная церковь рассматривает различные проблемы биоэтики, к которым относятся и вопросы преодоления бесплодия. К нравственно допустимым методам преодоления бесплодия отнесено "искусственное оплодотворение половыми клетками мужа, поскольку оно не нарушает целостности брачного союза, не отличается принципиальным образом от естественного зачатия и происходит в контексте супружеских отношений" [4].

Церковь дает неодобрительную оценку тем вариантам экстракорпорального оплодотворения, при которых используются донорская сперма, донорские яйцеклетки или суррогатная мать.

0.11.1.14.2.Католицизм об ЭКО

Католическая церковь резко отрицательно относится к ЭКО, заявляя, что оплодотворение должно осуществляться естественным путем в условиях брака.

0.11.1.14.3.Иудаизм об ЭКО

Иудаизм учитывает в вопросе об ЭКО следующее:

1. Необходимость выполнить заповедь "плодись и размножайся".
2. Обязанность оказывать добро людям, в частности, облегчать страдания бесплодных пар.
3. Спасение семьи, цельности которой угрожает бесплодие.

Против:

1. Сомнение в установлении отцовства ребенка, родившегося в результате технической процедуры.
2. Сомнение в материнстве, если применяется чужая яйцеклетка.
3. Сомнение в доверии к медицинскому персоналу, могущему подменить семя или перепутать.

Соответственно, следует разделять случаи:

1. ЭКО из материалов супружеской пары и внутри ее.
2. ЭКО с применением донорской спермы. В этом случае имеет значение, замужем ли мать.
3. ЭКО с чужой оплодотворенной яйцеклеткой

В целом, общее мнение об ЭКО в иудаизме не выработано.

0.11.1.14.4.Буддизм об ЭКО

Среди буддистских школ взгляды на экстракорпоральное оплодотворение также расходятся.

Более двадцати лет применения описываемого метода показали, что дети, зачатые таким способом, ничем не отличаются от детей, зачатых традиционно. При соединении яйцеклетки матери со сперматозоидом отца дети является генетически родными по отношению к родителям. При слиянии спермы донора с яйцеклеткой матери ребенок имеет половину генов от матери. Только при использовании яйцеклетки и спермы доноров ребенок не считается кровным родственником по отношению к родителям, в том числе к матери, которая его выносила.

Бытует мнение, что ЭКО может стать причиной развития рака яичников. Стимуляция овуляции приводит к усилению функции яичников в течение некоторого времени. Ученые считают, что ЭКО может(!) повышать риск возникновения рака яичника. Однако до сих пор достоверных данных об этом нет.

14 февраля 1969 года, Великобритания, Кембриджский университет, исследователи Роберт Эдвардс (справа) и Патрик Стептоу во время телеинтервью, в котором было заявлено о появлении технологии экстракорпорального оплодотворения (ЭКО).

Роберт Эдвардс, Лесли Браун и ее 30-тилетняя дочь Луиза — первый ребенок на земле, зачатый in vitro. Теперь она сама мама

Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2010 года получил британец, почетный профессор Кембриджского университета Роберт Джеффри Эдвардс за создание технологии экстракорпорального оплодотворения (ЭКО, или IVF — in vitro fertilization). Профессору Эдвардсу обязаны жизнью четыре миллиона человек — примерно столько "детей из пробирки" живет сейчас на Земле

Сумма Нобелевской премии в этом году, как и все предыдущие, составляет 10 миллионов шведских крон (около одного миллиона евро). Церемония вручения награды пройдет в Стокгольме 10 декабря, в день кончины ее основателя - Альфреда Нобеля (1833-1896).

Эдвардс, работающий в Кембриджском университете, родился в 1925 году в Манчестере. В 1960-м году он начал исследования в сфере искусственного оплодотворения. В 1968 году добился оплодотворения человеческой яйцеклетки в лабораторных условиях. В 1978 году у Лесли Браун родилась дочь Луиза – первый ребенок на земле, зачатый способом in vitro.

Первая посмертная программа суррогатного материнства была осуществлена в 2005 году в Екатеринбурге в семье Екатерины Захаровой. Екатерина стала мамой своему внуку, рожденному суррогатной мамой от ее умершего сына. 5 ноября Георгию исполнится пять лет.

А 22 сентября нынешнего года родился сын у студента-медика - Артема Климова. К моменту зачатия ребенка его отца уже три месяца как не было в живых.

В апреле 2007 года 19-летнему Артему был поставлен страшный диагноз - лимфогранулематоз. Перед химиотерапией по настоянию своей матери Натальи Юрьевны он оставил образец спермы для криоконсервации. Курс лечения не помог, и 27 октября 2009 года Артем умер в больнице на руках своей матери.

Как только монитор показал, что его сердце остановилось, первая моя мысль была о сохраненном генетическом материале, - рассказывает мама Артема. - Рождение внука стало моей целью, единственным смыслом моей жизни. Мне 41 год, и я вполне могла бы родить ребенка сама, но мне был нужен именно внук, живое продолжение моего сына.

В одной из петербургских клиник репродукции Наталья Юрьевна подобрала донора (кстати, донор, как выяснилось впоследствии, была поразительно похожа на девушку, с которой встречался Артем): чтобы увеличить шансы на успех, нашла сразу двух суррогатных матерей. Первая попытка была неудачной. Материала оставалось мало, поэтому вся надежда была на вторую - последнюю попытку. Спустя две недели Наталья Климова узнала, что станет бабушкой.

Роды случились до срока - у суррогатной мамы начала отслаиваться плацента, но мальчик родился здоровым. Своего внука счастливая бабушка назвала Егором. Весит Егор Артемович 2500 при росте 47 сантиметров. В общем, все путем.

Получить продолжение своего погибшего ребенка, самой выступить суррогатной матерью для внука от умершего сына, не фантастика ли это!?

0.11.1.15.Нервная система и память

А теперь перейдем к рассказу о памяти, необходимой каждому отдельному человеку, да и животным в процессе их существования.

Память - это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений - зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных, вкусовых, то есть некоей информации. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем. Она дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, то есть принимать решения.

Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Он состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, а индивидуальная память не наследуется, а только приобретается человеком в течение всей его жизни посредством обучения и воспитания.

Источником возбуждения является окружающий нас мир, его предметы и события, а каждое возбуждение оставляет свой след в нервной системе. Она состоит из особых клеток - нейронов. Каждый нейрон имеет тело и несколько отростков - коротких (дендритов) и одного длинного (аксона) (рис. 10.14). Нейроны в зависимости от формы бывают различных типов - пирамидальные, звездчатые, веретенные. С помощью дендритов и аксонов нейроны образуют общую нейронную сеть, способную воспринимать и передавать информацию, например сигналы из внешнего мира. Передаваемые сообщения-сигналы представляют собой последовательные импульсы, проходящие по аксонам и нейронам центральной нервной системы от одного нейрона к другому.

Рис. 10.14.  Схема нейрона

Какова же скорость передачи импульсов? Она различна для разных нервов: в двигательных у человека - она составляет 60-120 метров в секунду, а болевое ощущение проводится со скоростью всего 1-30 м/с. В седалищном нерве лягушки эта скорость составляет 27 м/с. Максимальная скорость передачи импульсов по нерву составляет 500 импульсов в секунду. Если сравнивать эти скорости с передачей сигналов в современном компьютере, близкой к скорости света (300 тыс. км/с), то она кажется ничтожно малой.

Область контакта между аксоном и нейроном ( размером всего около 200 ангстрем), которому адресуются импульсы, называется синапсом. Число синапсов у различных нейронов различно: от нескольких до нескольких тысяч. Синапс обладает свойством одностороннего проведения импульсов, что обеспечивает определенный порядок распространения возбуждения в нервной системе. Еще одно важнейшее свойство синапса - его пороговый характер. Он не реагирует на одиночные возбуждения, а передает их дальше по цепи нейронов только после их накопления выше определенного порога, причем только после некоторого промежутка времени - синаптической задержки импульса. Сами импульсы имеют биоэлектрическую природу, а пороговый характер синапсов и синаптическая задержка - биохимическую природу. В нервной системе происходят два активных противоположных процесса - возбуждение и торможение, являющиеся основными законами ее действия на всех уровнях. При этом возбуждение создает основной тон, а торможение его корректирует. Между возбуждением и торможением происходит борьба, исход которой определяет судьбу каждого сообщения - будет оно передано дальше или нет.

Общее число нейронов в мозгу человека составляет гигантскую цифру - десятки миллиардов, а связей между ними - синапсов - еще на два порядка больше. Все вместе они и составляют нейронную сеть.

Нейроны получают раздражения от рецепторов, воспринимающих внешние раздражения - зрительные, слуховые, обонятельные и осязательные. Рецепторы (от лат. receptor - принимающий) - это окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Внешние раздражения они преобразуют в нервное возбуждение, передаваемое в центральную нервную систему.

Контроль же за собственным телом осуществляют проприорецепторы. Они находятся во всех связках и суставах, мышцах и сухожилиях. Благодаря сигналам от них, передаваемых центральной нервной системе, мы можем в любой момент ощущать свое тело и контролировать действие своих двигательных органов. Мозг, получая информацию от рецепторов, посылает через нервную систему команды мышцам. Они при этом сокращаются, вызывая движение рук, ног, шеи или глаз. Это - прямые связи.

А мышцы с помощью проприорецепторов сообщают мозгу о своем положении. Это - обратная связь, то есть сообщение о результатах действия.

Информация, получаемая головным мозгом человека от органов чувств, формирует восприятие человеком окружающего мира и самого себя. Человек получает информацию посредством пяти органов чувств:

• глаза (зрение),
• уши, включая вестибулярный аппарат (слух и чувство равновесия и тяжести),
• язык (вкус),
• нос (обоняние),
• кожа (осязание).

С помощью зрения человек различает цвета, формы, размеры наблюдаемых объектов. С помощью органа слуха человек получает возможность воспринимать различные звуки окружающего мира, благодаря чему он может ориентироваться в окружающей среде. Слух человека по своему значению является вторым после зрения. Особую роль он приобрел у человека в связи с возникновением речи. Орган слуха образуют наружное, среднее и внутреннее ухо. Оно состоит из сложной системы сообщающихся между собой каналов и полостей, напоминающих улитку. В улитке имеются жидкость и нервные окончания. Непосредственно с головным мозгом внутреннее ухо соединяет слуховой нерв. Точная ориентация в трехмерном пространстве достигается согласованной работой нескольких органов чувств - зрения и слуха, информацией, поступающей постоянно от проприорецепторов. Но главный орган чувства равновесия, положения тела в пространстве, - это вестибулярный аппарат. Он находится во внутреннем ухе, там же, где помещается улитка - орган слуха. Он состоит из полукружных каналов и отолитового аппарата. Полукружные каналы расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и заполнены полупрозрачной студенистой жидкостью. При всяком перемещении тела или головы в пространстве, особенно при вращении тела, в этих каналах смещается жидкость. Внутри каналов находятся чувствительные волоски, погруженные в жидкость. Когда при движении жидкость смещается, она надавливает на волоски, те немного сгибаются, и это мгновенно вызывает возникновение импульсов в окончаниях вестибулярного нерва.

Отолитовый аппарат, в отличие от полукружных каналов, воспринимает не вращательные движения, а начало и конец равномерного прямолинейного движения, ускорение или замедление его, а также (для невесомости это главное!) воспринимает изменение силы тяжести – гравитацию. Он состоит он из двух маленьких мешочков, заполненных студенистой жидкостью. Дно мешочков покрыто нервными клетками, снабженными волосками. В жидкости взвешены маленькие кристаллики солей кальция - отолиты. Они постоянно (ведь на них действует сила тяжести) давят на волоски, в результате клетки все время возбуждены и импульсы от них по вестибулярному нерву "бегут" в мозг. От этого мы всегда ощущаем силу тяжести. При перемещении же головы или тела отолиты смещаются, и мгновенно меняется их давление на волоски - по вестибулярному нерву в мозг поступает информация: "Положение тела изменено".

Орган вкуса дает возможность определить вкус пищи, который человек воспринимает при помощи специальных нервных окончаний, находящихся в особых образованиях ротовой полости – вкусовых сосочках, расположенных на поверхности языка. Разные участки языка воспринимают разные вкусы: кончик языка – сладкое, корень – горькое, бока – кислое, края и кончик – соленое. С помощью органа обоняния, расположенного в эпителии верхней части полости носа, человек может различать предметы по запаху, определять качество пищи и вдыхаемого воздуха. Чувство осязания возникает у человека благодаря коже. В коже, особенно в пальцах рук, ладонях, подошвах, губах и т. д., находится большое количество нервных окончаний, что и обеспечивает их повышенную чувствительность. Чувствительность кожи подразделяют на четыре вида: болевую, тактильную (осязание и давление), холодовую и тепловую. Кожа защищает человека от механических воздействий (удары, давление и т. д.) и от ультрафиолетового облучения.

Информация о раздражителях, воздействующих на рецепторы органов чувств человека, передается в центральную нервную систему. Она анализирует поступающую информацию и идентифицирует ее (возникают ощущения). Затем вырабатывается ответный сигнал, который передается по нервам в соответствующие органы организма, в том числе и мышцы. Они при этом сокращаются, вызывая движение рук, ног, шеи или глаз. Это - прямая связь. А мышцы с помощью проприорецепторов сообщают мозгу о своем положении. Это - обратная связь, то есть сообщение о результатах действия.

Реакция организма, осуществляемая по командам центральной нервной системы в ответ на сигналы от рецепторов, это - рефлекс. Вся деятельность организма является комбинацией различных рефлексов. Они делятся на безусловные (врожденные, заложенные генетически) и условные (вырабатываемые в течение жизни). Пример безусловного рефлекса - это реакция на боль, например, от прикосновения к горячему. При этом организм принимает решение автоматически, без участия сознания, с помощью спинного мозга. Сигнал от рецептора поступает, минуя головной мозг, непосредственно в спинной мозг, который немедленно посылает команду мышцам руки или ноги - отдернуть руку или ногу от горячего предмета. Так как сигнал от рецептора к мышцам проходит по короткой цепи, то и выполнение команды происходит с максимально возможной скоростью. Спинной мозг управляет и такими сложными безусловными рефлексами, как дыхание, биение сердца, координация движений при ходьбе, деятельность органов пищеварения. Обо всех этих процессах мы не думаем, в течение жизни они совершаются автоматически, помимо нашего сознания. Так, например, меняется пульс при изменении нагрузки - при ходьбе, беге, поднятии тяжестей. Все эти безусловные рефлексы являются формой памяти, заложенной в нас генетически, при рождении.

У животных и человека существует еще инстинкты (от лат. instinctus - побуждение) - сложные безусловные рефлексы (пищевой, оборонительный, половой и др.). Они представляют собой совокупность сложных врожденных реакций (актов поведения) организма, возникающих в ответ на внешние или внутренние раздражения. Инстинкты человека, в отличие от животных, контролируются его сознанием.

В течение жизни мы приобретаем и множество условных рефлексов - еще один вид памяти, представляющий собой реакцию на определенные повторяющиеся события или время. Так, например, чувство голода может возникать у нас во время работы при приближении обеденного перерыва.

Реакция на боль - безусловный рефлекс, возникшая у ребенка при первом соприкосновении, например, к раскаленной печке, превращается затем в условный рефлекс. Больше ребенок никогда к раскаленной печке не прикоснется. Таким образом, условный рефлекс - это своеобразная память, которую живой организм приобретает и накапливает в течение своей жизни.

Научившись ходить, плавать, ездить на велосипеде, играть на музыкальных инструментах, человек сохраняет это умение всю свою жизнь.

А как мышечный аппарат выполняет эти навыки? Этим занимается наука биомеханика или физиология активности.

Создателем этой науки является российский ученый, нейро- и психофизиолог Николай Александрович Бернштейн (1896-1966 г.г.).

Подлинное изучение мозга началось с выхода книги И.М. Сеченова "Рефлексы головного мозга". А затем И.П. Павлов ввел понятие условного рефлекса. Н.А. Бернштейн разработал теорию активности мозга. Подобно тому, как физика А. Эйнштейна вместила в себя как частный случай физику И. Ньютона, так теория активности Н.А. Бернштейна включает в себя в качестве составной части учение об условных рефлексах И.П. Павлова, хотя и во многом спорит с ним.

Рис. 10.15.  Н.А. Бернштейн

Биомеханика (от био... и механика), изучает механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происхождение в них механического явления (при движениях, дыхании и т. д.). Ее еще называют "наукой о рычагах человеческого тела". Н.А. Бернштейну удалось установить, что в сложнейшем "концерте" управления множеством мышц при выполнении самых различных действий, например, игры на рояле, участвуют все уровни головного мозга.

Биомеханика имеет важное значение при изучении трудовой, музыкальной, спортивной деятельности. Она помогает строить роботы, копирующие движения человека и животных.

Н.А. Бернштейн первым в мировой науке понял, что изучение движений является своеобразным ключом, способом познания закономерностей работы мозга. До Бернштейна изучали движения человека только с целью их описать, а Николай Александрович изучал движения, чтобы понять, как работает мозг при управлении ими. При этом им были открыты такие фундаментальные явления в управлении, как сенсорные коррекции, более известные теперь в кибернетике как "обратные связи" (они описаны Бернштейном еще в 1928 г., то есть почти за 20 лет до того, как это сделал создатель кибернетики Норберт Винер), принцип иерархического, уровневого управления и многое другое.

Н.А. Бернштейн считал себя учеником И.М. Сеченова, который еще в 19-м веке предположил, что все управление движениями человека сводится к непрерывной коррекции хода перемещения звена (например, руки или ноги), осуществляемой центральной нервной системой на основании данных от органов чувств (например, от органов зрения, слуха или осязания).

Николай Александрович первым понял, что нервная система, "подав команду" на начало какого-нибудь движения, никогда не оставляет его без контроля и, в случае необходимости, немедленно корректирует его. Это явление он и назвал "сенсорной коррекцией".

Н.А. Бернштейн критиковал созданную И.П. Павловым теорию рефлекса по схеме нервной дуги, идущей от органов чувств к мозгу, а от него к мышцам и железам. Эта дуга не замыкалась в рефлекторное кольцо, характерное для управляемого процесса - она не содержала обратной связи, то есть не учитывала непрерывного контроля за действием и его результатом.

Подвергал критике Н.А. Бернштейн и теорию И.П. Павлова о второй сигнальной системе - свойственной только человеку и отличающей его от животных. По теории И.П. Павлова эта система условно-рефлекторных связей формируется при воздействии речевых сигналов, т. е. не непосредственного раздражителя, а его словесного обозначения. Николай Александрович отмечал, что животные легко дрессируются с помощью слов так же легко, как и с помощью других сигналов - света, звука, запахов. Он считал, что назывательные элементы речи, из которых у человека образовалась категория имен, не могли нести сигнальной функции и не образуют никакой системы. В то же время он утверждал, что "слова и речь как отражение внешнего мира в его статике (имена) и динамике действий и взаимодействий с субъектом (глаголы, суждения) действительно образуют систему, доступную и свойственную только человеку". Своей критикой Бернштейн не разрушал учение Павлова, а только уточнял, углублял и продолжал его.

Как возражение Павлову Н.А. Бернштейн писал книгу "История учения о нервном импульсе". Во Всесоюзном институте экспериментальной медицины в 1936 году была запланирована их очная дискуссия. Но Павлов в том же 1936 году умер. Узнав, что его оппонент больше никогда не сможет ему ответить, Николай Александрович отдал в типографию распоряжение рассыпать набор уже готовой книги.

В последующие годы Н.А. Бернштейн создал теорию координации движений, задачей которой считал "преодоление избыточных степеней свободы движущегося органа, иными словами - превращение его в управляемую систему. Короче, координация есть организация управляемости двигательного аппарата. В основном определении с намерением говорится не о закреплении, притормаживании и т.п. избыточных степеней свободы, а об их преодолении".

Дело в том, что кости в руках и ногах человека скреплены между собой суставами, имеющими не менее двух, а плечевой даже трех осей вращения. Поэтому кисть руки имеет минимум 7 степеней подвижности, то есть возможность перемещаться по 7 независимым траекториям. И это только одна кисть, а у человека их две, а на каждой из них по 5 подвижных пальцев, состоящих из трех фаланг. Всего звенья тела человека, учитывая подвижность корпуса, обладают объемом движений, выражающимся трехзначным числом. Но это только возможности двигательного аппарата. А как человек осуществляет движения в каждом конкретном случае, когда нужно использовать только небольшую часть этих возможностей? Н.А. Бернштейн считал координацию организацией управляемости двигательного аппарата, заключающейся в преодолении избыточных степеней свободы.

И.П. Павлов и его сторонники считали, что жизнь живых существ представляет собой непрерывные ответные реакции на информацию, поступающую из непрерывно меняющегося мира. По их мнению, эта информация воздействует на органы чувств и пробуждает образованные ранее многочисленные временные связи (условные рефлексы), которые и определяют поступки и действия животных и человека. Это объясняло далеко не все проявления работы мозга. Сам Павлов это понимал. Он говорил, что когда обезьяна строит вышку, чтобы достать плод, то это условным рефлексом назвать нельзя.

Н.А. Бернштейн считал, что закономерности движений человека объяснить только одними условными рефлексами, как это вытекало из теории И.П. Павлова, нельзя. Заученных, привычных движений очень много, но неизвестных человеку движений значительно больше. А как быть при освоении новых движений, например, при обучении езде на велосипеде, плаванию или игре на рояле? При этом известно, что человек, научившись в детстве или в юности ездить на велосипеде, плавать или играть на музыкальном инструменте, сохраняет эти навыки всю последующую жизнь. Или чтение "с листа", когда музыкант, глядя в ноты, без всякой подготовки играет записанное в них незнакомое музыкальное произведение. Не менее сложна игра "по слуху", когда человек играет на рояле или на гитаре услышанную им мелодию, не зная ее нотной записи. Пианист - виртуоз играет на память сложнейшие музыкальные пьесы. При этом его пальцы движутся как бы сами собой. Стоит ему задуматься во время игры о последовательности их движений, как он может сбиться. Такова механическая память движений.

Идеи Бернштейна развивали одну из догадок И.М. Сеченова о том, что мозг активен. Мозг не пассивно воспринимает информацию из окружающего мира и только отвечает на нее действием, а сам активно воздействует на мир. При этом он непрерывно создает прогнозы будущего, основанные на вычислении вероятности. Это будущее существует в мозгу в виде модели. Бернштейн понял, что мозгу заранее известна цель любого действия. Эта цель служит причиной для начала действия и может изменяться в самом процессе этого действия, совершаемого по принципу обратной связи - с постоянным сообщением "с мест" о достигнутом результате действия и непрерывной коррекцией движения.

В этом состоит теория активности (биология активности), созданная Н.А. Бернштейном: человек отличается от всего животного мира лишь тем, что у него принцип активности, боевой самоорганизации стал осознанным и формируется в членораздельной речи и языке.

Н.А. Бернштейн создал уровневую теорию управления двигательными навыками. Она заключается в том, что в зависимости от механической сложности и психологической важности движения управление ими осуществляется определенными участками головного мозга. Смысл такого уровневого управления движениями несколькими иерархически соподчиненными кольцами состоит в том, что каждое из этих колец регулирует только часть структуры движения, подчиняясь при этом более высоким кольцам, и так до уровня, управляющего смысловой частью движения. Эти кольца - объединения нервных клеток - нейронов мозга, управляющих движением, распределяют между собой роли по иерархии умения, целой лестнице подчиненности и распределения обязанностей. Часть нейронов только намечает общие пути достижения цели движения и включает крупные подразделения мышц, а за детали исполнения отвечают следующие кольца - группы нейронов и т.д.

На основе достижений биомеханики ученые НАСА -космического агентства США - разработали устройство и программное обеспечение, которое позволяет распознавать слова еще до того, как человек их произнес. Для этого на его горле, по обеим сторонам кадыка ("адамова яблока") закрепляют датчики, которые улавливают нервные импульсы в гортани и ротовой полости еще до того, как слова произнесены. Ведь именно с помощью мышц во рту, горле, на языке и голосовых связках формируются произносимые человеком звуки. Сигналы в нервах этих мышц от мозга появляются еще до того, как слова произнесены вслух. Считывание этих сигналов равносильно чтению мыслей на расстоянии. Эти исследования находятся только в начале пути. Пока удается распознать несколько простых слов (например: налево, направо, иди) и цифры от 0 до 9. В 92% случаев программа узнала то, что испытуемый подумал, но не произнес. Однако ученые планируют возможность обходиться без клавиатуры при работе на компьютере, возможность людей безмолвно переговариваться между собой (например, осуществлять общение глухонемых между собой без жестикуляции). Начинает сбываться давняя мечта - узнать, о чем думает человек!

И еще один важнейший научный подвиг совершил Н.А. Бернштейн, на этот раз в только еще рождавшейся космической медицине. В начале 60-х годов готовился первый полет человека в космос. У медиков были серьезные опасения, что космонавт в невесомости потеряет координацию движений и затем не сумеет ее восстановить. За советом обратились к Николаю Александровичу. Он рассуждал так. В космосе гравитация исчезает. И он предложил испытать изменение координации у будущих космонавтов при повышенной гравитации - на центрифуге. Опыты по его методике проводились с В. Быковским, В. Комаровым, Б. Волыновым. Они показали, что координация движения человека сначала нарушается, но постепенно восстанавливается. Первый космический полет Юрия Гагарина блестяще подтвердил этот прогноз. После полета А. Николаева и П. Поповича Н.А. Бернштейн выступил по радио с прогнозом биологического состояния человека в космическом пространстве и опубликовал обзор "Наука штурмует космос".

А теперь поговорим о памяти, связанной с высшей нервной деятельностью человека. Она существует двух родов: кратковременная (или оперативная) и долговременная.

Оперативная память играет вспомогательную роль и используется, например, для арифметических расчетов. При умножении чисел она дает возможность запоминать промежуточные результаты ("два пишем, четыре в уме"). Но после выполнения всей операции эти промежуточные результаты становятся ненужными и только "засоряют" память. Поэтому они очень скоро забываются. Глубину кратковременной памяти психологи измеряют количеством цифр или слогов, которые человек может запомнить с первого раза. При этом предлагают ему запомнить их в полном беспорядке, без какого-то смысла. Оказалось, что емкость оперативной памяти составляет всего 7-8 слогов, но для каждого отдельного человека эта емкость постоянна. При изучении оперативной "механической" памяти было замечено, что лучше всего запоминаются первые и последние цифра или слог. Предполагают, что средние слоги оказывают "торможение" со стороны соседних и поэтому труднее запоминаются. Из этого правила есть исключение - у профессиональных "счетчиков", обладающих специальными приемами запоминания и быстрого счета и использующих их в профессиональных целях в качестве своеобразного аттракциона.

0.11.1.16.Безграничная память

Способность быстро забывать ненужную информацию - это естественное свойство памяти нормального человека. Но бывают и редкие исключения. Известный психолог А.Р. Лурия в течение многих десятилетий наблюдал человека по фамилии Шерешевский. Он с первого раза запоминал огромный объем информации и помнил ее десятки лет. Сам он объяснял свой прием запоминания так. Он мысленно представлял себе улицу в своем родном городе и при сообщении ему длинного ряда букв или цифр мысленно "расставлял" их у каждого фонарного столба. Когда ему нужно было вспомнить эти цифры или буквы, он снова представлял себе эту улицу и как бы "считывал" эти цифры и буквы с этой мысленной картины. А.Р. Лурия объяснил этот феномен следующим образом. Маленькие дети мыслят исключительно образами, а затем этот способ запоминания постепенно ослабляется. У Шерешевского же эта детская способность сохранялась всю жизнь. Однако у этой феноменальной памяти были и существенные недостатки. Во-первых, вспоминать запомненную информацию Шерешевский мог только путем последовательного перебора всего заученного, поэтому он вспоминал ее медленно. Во-вторых, он испытывал большие трудности в забывании ненужной информации. Для того, чтобы забыть какие-либо буквы или цифры, он вынужден был снова представлять себе ту самую улицу и мысленно "зачеркивать" ненужные цифры и буквы. Только таким искусственным приемом он мог от них избавиться.

0.11.1.17.Профессиональная, оперативная и долговременная память

У взрослых людей появляется еще и профессиональная память. Особенно хорошо она видна на примере врачей, помнящих невероятный объем информации: сотни и тысячи болезней, рецепты лекарств, своих пациентов; музыкантов, помнящих огромное число музыкальных произведений; шахматистов, помнящих множество шахматных дебютов, целых партий и способных играть сеансы одновременной игры "вслепую" с большим числом партнеров. Правда, у каждого профессионала вырабатываются свои приемы запоминания, связанные с хорошими знаниями и интересом к своей профессии.

Долговременная память работает совсем не так, как оперативная. Ведь многие вещи нам нужно помнить практически всю жизнь. Так, например, таблицу умножения мы заучиваем в первом классе школы и помним ее всю жизнь - в отличие от результатов каких-то текущих арифметических вычислений. Таким же образом мы запоминаем алфавит родного или иностранного языка, грамматические правила и великое множество самой различной информации.

Способности к обучению и запоминанию новой информации на многие десятки лет особенно проявляются у детей в возрасте до 3 лет. Именно за этот период ребенок получает не менее половины информации, которую он запоминает за всю свою жизнь. Достаточно вспомнить, как быстро ребенок (за первые полтора - два года) начинает говорить на родном языке. Да и изучение иностранных языков дается детям гораздо легче и быстрее, чем взрослым, особенно пожилым людям (как и любое другое обучение).

Ослабление памяти в старости начинается с ослабления именно оперативной памяти - именно так проявляется склероз.

Пожилой человек прежде всего забывает свежие события и факты и, в то же время, отчетливо помнит события и факты многолетней давности, даже детства. Чаще всего это начинается с того, что человек забывает, где он положил тот или иной предмет, например, очки, и начинает искать их по всей квартире. Долговременная память у пожилых сохраняется гораздо дольше, чем оперативная. Сохранению долговременной памяти очень способствует интеллектуальная работа в пожилом возрасте, в особенности при занятии любимым делом.

В чем же коренное отличие долговременной памяти от оперативной? Оперативная память в основном - механическая. Правда, запоминание можно сделать смысловым. Простейшим приемом является так называемый "узелок на память", то есть установление некоторых смысловых связей.

Определенная часть запомненной информации отбирается и передается на хранение в долговременную память.

0.11.1.18.Механизм запоминания, ассоциации

Каков механизм запоминания? Прежде всего, предметы, факты, события и явления запоминаются не изолированно. Ведь в жизни они связаны между собой. Поэтому следы их воздействия соединяются в мозге связями, называемыми ассоциациями. Они существенно облегчают процесс извлечения нужных знаний из долговременной памяти. В памяти компьютера производится адресная закладка информации, позволяющая затем извлечь ее по этим адресам. А если адрес неизвестен, то для извлечения нужной информации приходится производить ее полный последовательный перебор, до тех пор, пока не находится нужная. Так, если книги в Вашей библиотеке стоят беспорядочно, то для поиска нужной книги приходится перерыть всю библиотеку. Но за счет высокого быстродействия компьютера этот последовательный перебор происходит довольно быстро. Извлечение же нужной информации у человека происходят по ассоциациям. Это обеспечивает достаточно высокую скорость поиска, несмотря на то, что сигналы по нервным цепям передаются значительно медленнее, чем в компьютере. Ассоциации вызывают у человека целую цепочку воспоминаний.

Между прочим, анекдоты вспоминаются тоже по ассоциациям, их обычно рассказывают к подходящему случаю. Тогда они производят особенно хорошее впечатление. Просто запомнить их почти невозможно, да и рассказывать без связи с общей беседой неинтересно.

Предметы и понятия хранятся в нашей памяти в виде образов. Эти образы имеют расплывчатый, обобщенный характер. Например, образ стола, стула или шкафа не имеет каких-то конкретных деталей, а носит схематический, условный характер, однако обладающий всеми основными признаками этого предмета. То же касается и природных явлений, например, дождя, снега, шторма на море. В памяти человека хранится огромное количество таких образов и понятий.

Какое же количество информации может запомнить человек за всю свою жизнь? Он способен обработать около 20 бит в секунду, то есть оценить около миллиона различных возможностей в секунду. В день за 14 часов можно обработать 18 миллиардов битов. Для хранения такой информации достаточно одной тысячной части всех нервных клеток мозга. Человек способен вспоминать нужную информацию за десятые доли секунды, для чего требуется скорость поиска около 50 миллиардов битов в секунду. Обработка такого гигантского количества информации обеспечивается за счет параллельной работы нервных структур - в отличие от компьютера, где все операции происходят только последовательно.

Относительно механизма долговременного хранения информации существует несколько гипотез, в том числе химические, создания устойчивых замкнутых цепей возбуждения в нейронной сети (нейронных колец).

Существует известная догма: нервные клетки не восстанавливаются. Недавние исследования ученых показали, что это неверно. В течение жизни человека в мозговой ткани происходит образование новых нейронов. Предполагают, что этот процесс связан с действием механизма долговременной памяти. Это дает надежду врачам на возможность лечения болезни Альцгеймера - старческого слабоумия, которое грозит каждому из нас в возрасте 85 лет.

А как забыть ставшую ненужной информацию, например, устаревший номер телефона? Для этого существует так называемое внутреннее торможение.

Нейрофизиологам важно знать, сосредоточена ли память в отдельных его областях или рассеяна по всему мозгу. По данным одних исследований считалось, что память сосредоточена в определенных местах мозга. Однако известны случаи, когда при разрушении значительных участков мозга не происходит "стирание" памяти. Это наталкивает на мысль, что память рассеяна по всему мозгу, и вызывает некоторую аналогию (разумеется, не прямую, а только функциональную) со свойством голограммы содержать информацию обо всем предмете в каждом ее участке.

Еще одна аналогия между свойствами мозга и голограммы состоит в следующем. При запоминании какого-нибудь предмета или картины за короткое время фиксируется лишь общий образ. Только после длительного рассматривания удается потом вспомнить отдельные детали. Правда, встречаются некоторые люди, особенно среди художников, с так называемой "фотографической" памятью. Им достаточно один раз рассмотреть предмет или человека, которого они хотят запечатлеть на полотне, чтобы потом писать картину или портрет по памяти. Но это исключение из правила.

Недавно японские нейрофизиологи получили новые данные о работе механизма памяти. В частности, они выяснили, что процесс воспроизведения информации в несколько раз медленнее ее запоминания.

По данным этих ученых, весь механизм запоминания локализован в височных долях серого вещества. Сначала увиденная информация по зрительному нерву передается на внешнюю оболочку коры мозга, а затем - в ее внутреннюю область, которая является "архивом памяти". На этот процесс затрачивается 0,1 секунды. За этот промежуток времени во внутренней области коры мозга происходят электрохимические реакции, кодирующие полученную информацию. Они переводят ее в символы, по которым нейроны потом могут отыскать нужные картинки - образы. А когда человек что-то вспоминает, то происходит обратный процесс - из "архива" нейроны передают необходимую информацию на поверхность серого вещества. Длительность этого процесса составляет около 0,4 секунды. Эта разница во времени, по-видимому, уходит на поиск нужной информации.

На основании проведенных исследований японские нейрофизиологи, вслед за академиком Натальей Бехтеревой, пришли к выводу, что человек вообще ничего не забывает, а просто не все может вспомнить. Причиной этого могут быть, например, нарушения связей между внешней и внутренней стороной коры головного мозга. Разгадка этих нарушений позволит бороться с некоторыми болезнями мозга, и, в частности, со склерозом.

Таким образом, вопрос о том, локализован ли механизм памяти в определенной области мозга или рассеян по всему мозгу, нельзя считать выясненным окончательно.

0.11.1.19.Искусственный интеллект

Одним из самых загадочных явлений является так называемое распознавание образов человеком. Ведь мы можем почти мгновенно опознать знакомого человека в толпе или его голос по телефону.

В течение всей жизни человек распознает образы: он сравнивает увиденные и услышанные образы с хранящимися в его памяти и опознает знакомые образы. В соответствии с этим он принимает решения о своих действиях. Этот процесс представляет собой одну из самых сложных загадок человеческого мозга. На его решение уже потрачены многие годы и значительные научные силы. Ведь это очень важно для работ по созданию искусственного интеллекта и автономных роботов.

Алан Тьюринг в начале 1950-х годов сформулировал такой тест: компьютер можно считать разумным, если он способен заставить нас при общении с ним поверить, что мы имеем дело не с машиной, а с человеком.

По мере продвижения работ в области искусственного интеллекта появляются все более новые его определения. Одно из самых полных принадлежит одному из самых крупных ученых в этой области Марвину Мински (США): "Это наука по созданию машин, которые могут делать то, что им позволяет делать уровень человеческого интеллекта".

Рис. 10.16.  Марвин Мински

Начало работ по созданию машин, обладающих искусственным интеллектом, стимулировал Норберт Винер своей знаменитой книгой "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине", появившейся в 1948 году. Он выдвинул принцип обратной связи, который заключается в использовании информации, поступающей из окружающей среды, для изменения поведения машины. В своей книге Винер доказывал, что благодаря обратной связи все живое приспосабливается к окружающей среде и добивается своей цели. Эта книга стала результатом его работ в области создания средств вычислительной техники для нужд обороны и его совместных исследований с физиологом Артуро Розенблютом.

На их основании Винер увидел глубокую аналогию между поведением машин и живых организмов в их приспособлении к изменениям в окружающей среде с помощью универсального механизма обратной связи - общего для техники и живой природы. Винер также обратил внимание на важнейшую роль обратной связи для поддержания гомеостаза у живых организмов - механизма поддержания устойчивости основных физиологических функций организма.

Винер также установил следующую аналогию между нервной системой и вычислительной машиной: важнейшей функцией обеих является память, "т.е. способность сохранять результаты прежних действий для использования в будущем". Он отмечает, что существует память, необходимая для выполнения текущих процессов, например умножения. При этом промежуточные результаты не имеют ценности после завершения процесса, и должны уничтожаться. Такая память должна позволять быстрые запись, считывание и стирание. Но существует память, предназначенная служить частью архива (или постоянной записи) машины или мозга и составлять основу будущего поведения машины.

В то же время Винер увидел и различия между поведением машины и мозга. Машина предназначена для выполнения многих последовательных программ и может быть очищена при переходе от одной программы к другой, а мозг в нормальных условиях никогда не очищается от своих прошлых записей. Поэтому мозг не является полным подобием вычислительной машины.

Говоря о памяти, Винер отмечает, что "хороший способ построить кратковременную память - это заставить последовательность импульсов циркулировать по замкнутой цепи до тех пор, пока эта цепь не будет очищена внешним воздействием". Весьма правдоподобно, что это и происходит в нашем мозге при хранении импульсов, относящихся к так называемому "мнимому настоящему". Этот способ был воспроизведен в вычислительных машинах.

Таким образом, Винер указал способ построения схем оперативной (или, по его терминологии "кратковременной") памяти с помощью обратной связи. Приведу одно важное для понимания информационных процессов высказывание Н. Винера:

"Информация - это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспосабливания к нему наших чувств. Процесс получения и использования информации является процессом нашего приспособления к случайностям внешней среды и нашей жизнедеятельности в этой среде <...> сообщение и управление точно так же связаны с самой сущностью человеческого существования, как и с жизнью человека в обществе." Н. Винер "Кибернетика и общество".

Здесь уместно напомнить, какие определения понятия "жизнь" даются в современных энциклопедиях:

"Жизнь - одна из форм существования материи. Живые организмы отличаются от неживых объектов обменом веществ, раздражимостью, способностью к росту, развитию, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, приспособляемостью к среде".

При этом поясняется, что раздражимость - это свойство отвечать на воздействия внешней среды изменением своего состояния или деятельности, то есть своего рода ответная реакция или обратная связь. Как уже упоминалось, существует также важнейшее для существования жизни понятие "гомеостаз" - относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических свойств организма. К этим определениям так и напрашивается важнейшее добавление. Кроме обмена веществ, жизнь как понятие характеризует также и обмен информацией, получение живыми организмами информации из внешней среды, как от неживых объектов, так и от других живых организмов, и обмен информацией с ними. Только обмен информацией объясняет такие свойства живых организмов, как раздражимость, приспособляемость к среде обитания.

Ф. Энгельс определял жизнь как особую форму существования белковых тел. Современное определение жизни, дополненное способностью к анализу информации и принятием на его основе самостоятельных решений, скоро можно будет отнести не только к живым организмам, но и к роботам, наделенным искусственным интеллектом. Современные роботы уже могут приспосабливаться к изменениям среды обитания и даже способны производить себе подобных. Пока отделяет их от живых организмов отсутствие обмена веществ со средой обитания. Но об этом речь впереди...

В 1943 году нейрофизиолог Уоррен Маккаллох и математик Уолтер Питтс разработали теорию деятельности головного мозга. Основываясь на результатах изучения нейронов, проведенных Маккаллохом, они с Питтсом предложили гипотезу: нейроны можно упрощенно рассматривать как устройства, работающие в двоичном коде. На основе этой гипотезы они построили схему сети электронных "нейронов", способную выполнять любые числовые и логические операции. Конечной целью своих исследований Маккаллох и Питтс видели в создании "адаптивной сети", "самоорганизующейся системы" или "обучающейся машины". Эти устройства должны уметь следить за окружающей средой и с помощью обратной связи изменять свое поведение.

Норберт Винер (1894-1964) - американский математик, автор книг "Кибернетика", "Кибернетика и общество", "Я - математик". Труды по математическому анализу, теории вероятности, электрическим сетям и вычислительной технике.

Уоррен Маккаллох (1898-1969) - американский нейрофизиолог. Труды по анализу информационных явлений в нервных сетях средствами математической логики. Совместно с У. Питтсом ввел понятие формального нейрона.

Исследования в области искусственного интеллекта идут уже более полувека. За эти годы пройден огромный путь, достигнуты значительные результаты в отдельных областях, например, в области стратегических игр. Как уже говорилось, человек во время всей своей жизни должен принимать решения в соответствии с изменениями в окружающей среде. То же самое требуется и в играх. При этом происходит распознавание образов, характеризующих окружающую среду. Затем происходит их анализ и классификация. Для этого мозг сравнивает их с теми, которые известны человеку из прошлого и хранятся в его долговременной памяти. Но механизм распознавания является одной из самых сложных задач в области искусственного интеллекта. При решении таких задач очень важным является изучение механизма извлечения знаний из долговременной памяти. Уже упоминалось, что у человека этот процесс происходит с помощью ассоциаций. Исследователи искусственного интеллекта пытаются создать нечто похожее на них. При решении задач искусственного интеллекта приходится перебирать огромное число вариантов. При этом возможны три варианта действий: случайный поиск, полный перебор и так называемый эвристический поиск.

Любой вариант перебора заставляет перебирать так называемое "дерево решений". Он называется так потому, что с каждым шагом "ветвится" на все новые и новые варианты.

При случайном переборе никакого метода поиска нет, все делается по принципу "если повезет", но вероятность такого везения ничтожно мала, поэтому эффективность этого пути близка к нулю. Полный перебор по заранее намеченному плану безусловно ведет к цели, но число вариантов может быть так велико, что время поиска может приближаться к бесконечности. Ярким примером такого перебора является игра в шахматы. Число возможных вариантов позиций в ней так велико, что для их полного перебора не хватит не только мощности самых современных суперкомпьютеров, но и целой жизни. Поэтому шахматисты ограничиваются перебором вариантов только на несколько ходов вперед. Чем глубже перебор, тем лучше играет шахматист. Ведь при этом он в своей памяти перебирает не только возможные варианты, но и множество уже встречавшихся вариантов в партиях других шахматистов, известных данному игроку.

Но не только в этом заключается сила игрока. Каждый из них вырабатывает свои приемы, ведущие к правильной оценке каждой позиции и всей партии. Такой творческий подход стараются смоделировать при звристическом поиске.

При таком эвристическом поиске в каждой его точке применяются эвристики - правила, облегчающие результативность каждого варианта с точки зрения скорейшего достижения цели. Слово "эвристика" создано на основе греческого "эврика", означающего "открытие". Этот метод оказался плодотворным и применяется в современных программах для игры в шахматы, все более усиливая класс игры компьютера. Эвристики являются своеобразной заменой ассоциаций для компьютера.

Не так давно средства массовой информации устроили большой шум по поводу выигрыша матча компьютерной шахматной программой фирмы IBM у чемпиона мира Гарри Каспарова. Все газеты поместили его фотографию - склонившегося над доской с трагическим выражением лица. Это событие подавалось чуть ли не как победа робота над человеческим интеллектом. Однако на самом деле это как раз, наоборот, победа интеллекта человека. Ведь это он создал такую замечательную программу, играющую в силу гроссмейстера. Осуществилась мечта Михаила Ботвинника, который одним из первых начал работу по созданию компьютерных шахматных программ.

Между тем совершенствование компьютерных шахматных программ продолжается. Созданы программы Deep, Fritz, Shredder, Hiarcs и, наконец, программа "Рыбка".

Ее создатель, 35-летний чешский международный мастер Васик Райлих подошел к разрабатываемой им программе с совершенно иной позиции, качественно улучшив и принципиально изменив в ней механизм оценки позиции. Перебор позиций заменен более глубоким подходом к шахматным нюансам, особенно интересно революционное отношение программы к такой теме, как позиционная жертва. Кстати, многие эксперты отмечают очень "человеческий" стиль "Рыбки", ее оценочная шкала значительно больше приближена к мышлению шахматиста.

Колоссальное превосходство программы в миттельшпиле (середине щахматной партии) позволило ей в короткие сроки возглавить рейтинг-листы компьютерных программ, перейдя фантастическую отметку 3000, которой не достиг еще ни один из великих гроссмейстеров.

У сильнейших гроссмейстеров появилась боязнь подсказок со стороны шахматных компьютерных программ во время матчей.

Во время матча на первенство мира между российским гроссмейстером Владимиром Крамником и болгарским гроссмейстером Веселином Топаловым в 2006 году возник так называемый "туалетный скандал".

Матч за мировую шахматную корону был под угрозой срыва. Команда Веселина Топалова обвинила Крамника в том, что он слишком часто ходит в туалет: болгары насчитали более 50 таких выходов. Как выяснилось в результате видеопросмотров, россиянин выходил в туалет гораздо реже. Однако это не помешало комитету вынести более чем странное решение: оба личных туалета гроссмейстеров закрыть и разрешить им пользоваться только общей уборной в фойе - то есть за пределами игровой зоны.

Естественно, это решение не устроило Крамника. В результате он не вышел на пятую партию, ему было засчитано техническое поражение, а счет в поединке стал 3:2 в пользу россиянина. После этого Крамник заявил, что откажется от участия в матче.

В результате стороны пришли к соглашению, что у каждого гроссмейстера будет свой туалет и комната отдыха, а представителям команд предоставят возможность тщательно обследовать эти помещения перед каждой партией, чтобы исключить варианты с подсказками.

Почти год назад гроссмейстеры обвинили болгарина Топалова в том, что во время официальных матчей он пользуется подсказками компьютерных программ. Например, в матчах с Вишванатаном Анандом и Гатой Камским почти все ходы новоиспеченного чемпиона совпали с рекомендациями одной из сильнейших компьютерных шахматных программ "Рыбка".

Шахматные компьютерные программы являются важной частью работ по созданию искусственного интеллекта, то есть способности робота воспринимать и оценивать обстановку, а затем принимать самостоятельные решения в изменяющихся условиях. Это нужно, например, роботу-тележке, который сейчас обследует поверхность Марса. При возникновении препятствий он сможет, не запрашивая команды с Земли (а ждать их долго), сам принять решение о дальнейшем движении.

Корпорация Sony создала робота-игрушку по имени AIBO ERS-210 - сокращение слов "artificial intelligence" (искусственный интеллект) и "robot" (по-японски это "товарищ"). Этим первым домашним роботом со способностью распознавания голоса управляет микропроцессор RISC, не уступающий по мощности персональному компьютеру. Оперативная память робота составляет 16 Мбайт. Голова, ноги, уши и хвост у него подвижные. Благодаря своему программному обеспечению - операционной системе Sony Aperios - робот-щенок AIBO обладает эмоциями (он может "радоваться", "сердиться"), инстинктами, способностью обучаться и "взрослеть".

Рис. 10.17.  Робот-щенок AIBO корпорации Sony

Благодаря датчику давления на голове он реагирует на дружеское поглаживание или шлепки в наказание за "проступки". Дальномер не позволяет ему натыкаться на стены. Светочувствительные глаза робота AIBO загораются зеленым цветом, если он "радуется", и красным, если он "сердится". Встроенной в "лоб" камерой CCD робот может делать фотоснимки, которые позволяют Вам увидеть то, что "видел" он. При включении AIBO поднимается на ноги, как щенок. Он может выполнять различные трюки, если предоставлен сам себе, или следовать командам с пульта дистанционного управления. AIBO реагирует на розовый цвет и меняет направление движения, если двигать перед ним мячик розового цвета. Робот-щенок поддается программированию с любого персонального компьютера с помощью дополнительного программного обеспечения AIBO Perfomer Kit. Программа загружается через его порт Memory Stick. Если этот развлекательный робот вам надоест, можно нажать на его груди кнопку PAUSE, и он будет спокойно сидеть. Вес AIBO - 1,4 кг, а работать в автономном режиме он может 1,5 часа.

Вслед за роботом-щенком появилась плавающая в аквариуме электронная "рыба" и целый ряд домашних "зверушек". Роботы уже освоили плавную человеческую походку, могут стоять на одной ноге, способны включать и выключать свет в комнате. Разрабатывается робот-уборщик для обычных квартир. Уже создан прототип автомобиля с искусственным интеллектом. Он способен по указаниям человека самостоятельно двигаться к цели, избавив хозяина от обязанности крутить баранку и нажимать на педали.

На выставке Sony Aperios - 2003 в Париже, а в декабре 2003 года и в Москве на празднике Sony был показан робот-андроид - Qrio. Это первый в мире двуногий кибер, который по своим физическим параметрам - 7 килограмм при росте в 58 сантиметров - близок к полугодовалому ребенку. Такой размер Sony признала оптимальным и безопасным для игры с детьми. А именно для этого и предназначен робот Qrio.

Рис. 10.18.  Робот Qrio корпорации Sony

На презентации он продемонстрировал свои неординарные физические и интеллектуальные способности. Благодаря 38 встроенным сервомоторам Qrio обладает достаточной свободой движений и хорошей координацией. Например, он может быстро передвигаться, брать предметы, танцевать, подниматься по небольшой лестнице и даже держать равновесие, стоя на одной ноге. На глазах у удивленных посетителей киберы с успехом танцевали под музыку.

Рис. 10.19.  Танец группы роботов Qrio (фото автора)

Интеллектуальные возможности Qrio также не могут не удивлять. Робот знает более 60000 слов на разных языках мира, слушается команд и может даже, как уверяют в Sony, сам задавать "умные" вопросы в зависимости от ситуации, обладая зачатками адаптивного поведения. Движения и интеллект робота Qrio контролируют три встроенных компьютера на базе процессора RISC R5000 с 64 мегабайтами оперативной памяти. В качестве операционной системы производитель использовал Aperios, разработанную еще для робота-собачки AIBO. Кроме того, робот снабжен стереообъективами, семью микрофонами и 36 датчиками движения, из которых семь отвечают за безопасность.

Где же сегодня применяются роботы? В основном это так называемые промышленные роботы: автоматические программно-управляемые манипуляторы, выполняющие рабочие операции со сложными пространственными перемещениями.

Они используются в машиностроении, на транспорте, в легкой промышленности, на вредных и опасных производствах (например, в атомной энергетике), на автоматизированных складах, в медицине, например, при хирургических операциях на сердце.

Специализированные роботы используются в тех случаях, когда здоровьем и жизнью человека лучше не рисковать - например, при разминировании, ликвидации источников радиационного облучения, спасении подводных аппаратов, в сложных операциях с искусственными спутниками в космическом пространстве.

Делаются попытки применить их в быту. Уже поступили в продажу роботы - домашние пылесосы, которые убирают квартиру без помощи человека. Они способны объезжать препятствия, например мебель, и самостоятельно подсоединяться к розеткам электрической сети для подзарядки аккумуляторов. Созданы роботы-санитары, способные обслуживать тяжелых больных. Роботы уже способны не только ходить и танцевать, но даже играть в футбол. Уже проводятся чемпионаты мира по футболу среди роботов.

Промышленные роботы могут входить в состав роботизированного технологического комплекса - гибкой производственной системы (модуля), в которой автоматически действующие машины (в том числе промышленные роботы), устройства, приспособления реализуют всю технологию производства, за исключением функций управления и контроля, осуществляемых человеком. Роботизированный технологический комплекс включают в состав гибкого автоматизированного производства как законченный технологический модуль.

Применение роботов в промышленном производстве позволяет резко повысить производительность, точность, а главное, качество изделий. Примером может служить использование роботов в процессах сварки и покраски, которое значительно улучшает качество по сравнению с ручным трудом. Наиболее широкое применение нашли роботы в производстве автомобилей, где они используются не только для сварки и покраски, но и для автоматической сборки узлов, агрегатов и даже целых автомобилей. На долю немногочисленного штата наладчиков и контролеров остается только подготовка и последующий контроль производства. Так, известная фирма Fanuc создала производственную линию с автоматической сменой инструментов, на которой роботы обслуживают 12 металлообрабатывающих станков и обрабатывающих центров с цифровым программным управлением. Такая линия может работать непрерывно круглые сутки с остановками только для подачи новых материалов и деталей для последующей обработки. Поскольку в цехе в процессе производства не присутствуют рабочие, производственное освещение не требуется. За процессом наблюдает лишь небольшой штат контролеров, оснащенных средствами промышленного телевидения и сигнализации.

Автоматизированные линии и целые заводы - уже не редкость. При наличии отработанной технологии и гарантированного качества используемых комплектующих изделий человека вполне может заменить автомат. Постоянно работающие заводы способны производить сборку из готовых деталей не только автомобилей, но и электронных изделий, бытовой техники и вообще любой продукции, состоящей из стандартизованных комплектующих.

Один из пионеров автомобилестроения Генри Форд в начале ХХ века пришел к выводу, что самым слабым звеном в производстве автомобилей является человек. Ему требовалось все больше рабочих, которые работали бы все быстрее, и лучшим средством достижения этого стал введенный в 1913 году впервые в мире метод поточной (конвейерной) технологии сборки автомобилей, что позволило всего за один год поднять производительность труда на 40-60%, а также достигнуть при этом стандартизации и взаимозаменяемости деталей. Причем зарплата персонала вдвое превысила среднюю по промышленности (5 долларов в час против 2,34 долларов в час), рабочий день сократился до 8 часов. Но эти нововведения вызвали и яростное противодействие: посыпались обвинения в бесчеловечности, безжалостной эксплуатации. Вслед за Г. Фордом конвейерный метод сборки был применен и в других отраслях промышленности.

Чарли Чаплин в своем известном кинофильме "Новые времена" рассказал о том, как пагубно влияет монотонный и изнурительный труд на здоровье и психику рабочего - сборщика такого сборочного конвейера. Герой фильма Чарли должен производить в бешеном темпе одну и ту же рабочую операцию - закручивать гайку гаечным ключом. В результате он сходит с ума и ему гайками начинают казаться любые выпуклости - пуговицы на платье и даже носы окружающих людей, которые он начинает закручивать своим гаечным ключом.

Применение промышленных роботов вместо рабочих-сборщиков в автоматизированных сборочных линиях позволило исключить человека из этой производственной цепочки.

Во всем мире в 2004 году установлено более 95000 новых промышленных роботов. Инициаторами развития робототехники являются электротехническая, электронная и автомобильная промышленность. К 2005 году во всем мире установлено 848000 промышленных роботов, из них в Азии - 443 000, в Америке -125 000, в Европе - 279 000. По прогнозам, в 2008 году число роботов в мире превысит 1 миллион!

Со временем все больше привычных профессий человека перейдет к компьютерам и роботам - так надежнее и дешевле. И с этим человечеству придется смириться. Так, практически исчезли профессии чертежниц и копировщиц. Такая же судьба ждет и многие другие профессии (например, в службе сервиса), состоящие в монотонном повторении однообразных операций. И это приведет к уменьшению занятости, усилению безработицы. На долю человека останется только творческий труд. Но ведь далеко не все люди на это способны. Да и численность народонаселения растет в мире бешеными темпами, причем в основном за счет слабо развитых стран Азии и Африки. Так что технические достижения вызовут и новые тяжелые проблемы, которые еще предстоит решать бурно растущему человечеству.

По прогнозам ученых, в этом веке появятся роботы, которые смогут соперничать по своим способностям с человеком. Пока интеллектуальные возможности современных персональных компьютеров - на уровне паука, но через 20 лет они сравняются с млекопитающими, а через 40 лет - с человеком. Они будут способны производить себе подобных и самостоятельно развиваться.

Пессимистически настроенные ученые боятся, что человек потеряет контроль над этими искусственными "существами", т.е. не сможет в случае угрозы отключать их от питания. В результате появится новая "раса" интеллектуальных роботов и завершится биологический этап эволюции.

Так, Кевин Уорвик в своей книге "Наступление машин" предполагает, что через 50 лет человечество окажется в "рабстве" у интеллектуальных роботов. Они будут использовать людей для своих потребностей, подобно тому как сами люди используют животных, например, разводят коров для получения мяса и молока, а потом убивают.

Разработку и производство все более сложных роботов невозможно остановить. Однако ученые-оптимисты надеются на возможность контролировать этот процесс и наделять интеллектуальных роботов понятиями о морали и правилах поведения в человеческом обществе.

А самые смелые футурологи надеются, что с использованием биологических технологий интеллект человека сольется с искусственным и начнет отказываться от своего тела, подверженного болезням и старению. Знаменитый английский физик Стивен Хокинг призывает генетически усовершенствовать человека, иначе в будущем машины превзойдут людей. В 2001 году он заявил, что если люди и в будущем желают оставаться конкурентоспособными в сравнении с созданными ими же машинами, без генной инженерии не обойтись.

"В отличие от нашего интеллекта, производительность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев, - сказал Хокинг, сославшись на закон Мура. - Опасность, что у них возникнет интеллект, и они покорят мир, вполне реальна". По мнению ученого, есть только два выхода. Человечеству придется либо подумать об искусственном усовершенствовании своих генов, либо попытаться найти способ объединить компьютеры и человеческий мозг. "Нам придется пойти этим путем, если мы хотим, чтобы биологические организмы по-прежнему превосходили электронные".

Известный футуролог Джеймс Мартин предсказывает появление искусственного интеллекта, который, однако, не окажется копией человеческого. "У нас будут машины, которые в миллиарды раз умнее нас, но только в очень узких и специальных областях", - пишет он. За несколько десятилетий ученые не сильно приблизились к созданию искусственного интеллекта, так как шли по неверному пути. Мартин считает, что нам не нужно пытаться повторить человека, следует пользоваться особенностями, характерными именно для компьютеров. "Между людьми и машинами будет тесное синергетическое партнерство, в котором компьютеры будут делать то, что лучше умеют именно они, а люди - то, что они", - считает он.

В 1920 году чешский писатель Карел Чапек опубликовал пьесу R.U.R. (Rossum's Universal Robots) - одно из самых значительных литературно-философских произведений XX века. Само слово "робот" - искусственный рабочий - подсказал автору его брат, художник Иозеф Чапек. Пьеса была написана задолго до того, как учеными и инженерами были разработаны первые промышленные роботы - это произошло лишь в 60-х годах XX века. Таким образом, Карел Чапек предугадал появление современных роботов.

В прологе пьесы рассказывается о том, чем робот отличается от живого человека:

"... человек - это существо, которое, скажем, ощущает радость, играет на скрипке, любит погулять и вообще испытывает потребность совершать массу вещей, которые... которые, собственно говоря, излишни... если ему надо, допустим, ткать или производить счетные работы. Дизельный мотор не украшают побрякушками... А производство искусственных рабочих - то же самое, что производство дизельмоторов. Оно должно быть максимально простым, а продукт его - практически наилучшим. Как вы думаете, какой рабочий практически лучше? - Какой лучше? Наверное, тот, который... ну, который... Если он честный и преданный... - Нет - тот, который дешевле. Тот, у которого минимум потребностей, Молодой Россум изобрел рабочего с минимальными потребностями. Ему надо было упростить его. Он выкинул все, что не служит непосредственно целям работы. Тем самым он выкинул человека и создал робота. Роботы - не люди. ...Механически они совершеннее нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них нет души... Продукт инженерной мысли технически гораздо совершеннее продукта природы!"

Далее по ходу пьесы роботы объединяются, свергают власть создавших их людей и убивают их всех, кроме одного. И этот один оставшийся в живых человек наблюдает у роботов проявление любви к жизни, любви робота-юноши и робота-девушки. В финале пьесы он восклицает:

"... Россум, Фабри, Галль, великие изобретатели - что изобрели вы более великого, чем эта девушка, этот юноша, эта первая пара, открывшая любовь, плач, улыбку любви - любви между мужчиной и женщиной? О, природа, природа, жизнь не погибнет! Она возродится вновь от любви, возродится..."

Не правда ли, мысли современных ученых-оптимистов так созвучны мыслям гениального Карела Чапека, высказавшего их 80 лет назад, задолго до появления первых роботов?

Рис. 10.20.  Карел Чапек и Айзек Азимов (справа)

Другой замечательный писатель - Айзек Азимов - в своем сборнике научно-фантастических рассказов "Я - робот" сформулировал три закона, действию которых должны подчиняться роботы, чтобы они не могли нанести вред человеку.

"Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.

Робот должен повиноваться командам человека, если эти команды не противоречат Первому Закону.

Робот должен заботиться о своей безопасности, поскольку это не противоречит Первому и Второму Законам".

Спустя полвека после начала исследований в области искусственного интеллекта успехи микроэлектроники позволили построить компактные искусственные нейронные сети (ИНС) в виде миниатюрных "чипов". Такая сеть составлена из функциональных аналогов нейронов человеческого мозга. Именно о них мечтали Маккалолох и Питтс. Решающее отличие нейрокомпьютерной системы от обычного компьютера - в ее способности к самоорганизации и самообучаемости. Эта способность позволяет ИНС гораздо эффективнее, чем обычные компьютеры, решать сложные интеллектуальные задачи.

В нейрокомпьютерах информация кодируется и запоминается не в отдельных ячейках памяти, а, подобно мозгу, в связях между нейронами. При этом в соответствии с распределением и силой этих связей состояние каждого нейрона зависит от состояния многих других нейронов, связанных с ним. Это обеспечивает высокую надежность работы такой системы, так как потеря отдельных связей для нее несущественна.

Нейроподобная сеть представляет собой параллельную сеть простых адаптивных (приспособляемых) элементов. Она взаимодействует с объектами реального мира подобно биологической нервной системе.

Наряду с нейрокомпьютерными чипами начинают применяться построенные в виде чипов системы так называемой "нечеткой логики". Ведь в алгебре логики бывает только два состояния - истинное и ложное (1 и 0). То есть при постановке задач всегда приходится вводить четкие условия. Однако в жизни так бывает далеко не всегда. Часто условия задачи невозможно сформулировать достаточно четко, при этом остается некоторая неопределенность. Это ограничивает области применения ставшей уже традиционной булевой алгебры, в соответствии с которой построены компьютеры (помните архитектуру компьютера Джона фон Неймана?). Для решения широкого круга задач с нечеткой постановкой задач (например в стратегических играх с неполным знанием сил противника) и разработан математический аппарат нечеткой логики. Построенные на его основе чипы нечеткой логики гораздо успешнее справляются с решением интеллектуальных задач с нечеткими начальными условиями.

Рис. 10.21.  Лофти Заде

Профессор университета в г. Беркли (США) Лофти Заде (эмигрант из Азербайджана) создал новое направление в математике, в основе которого лежит понятие нечеткого множества. Если для утверждения "число 3 - нечетное число" есть только один ответ - "истинно", а для утверждения "Владивосток - город в Европе" - только один ответ - "ложно", то для понятий "много" или "мало", "большой" или "маленький" такого четкого ответа дать нельзя. Возникают промежуточные варианты ответов: "очень много", "много", "немного", "мало", "очень мало", или: "огромный", "большой" "небольшой", "маленький", "крохотный" и т.д. Л. Заде своей нечеткой математикой приблизился к реальным схемам рассуждений, которыми пользуются на практике. Нечеткая логика по отношению к булевой алгебре, подобно теории относительности А. Эйнштейна по отношению к классической механике И. Ньютона, является ее обобщением. Нечеткая логика играет большую роль в теории принятия решений и искусственном интеллекте. В ней в качестве основных элементов вместо чисел 0 и 1 используются лингвистические переменные типа слов: "большой" "маленький", "сильный", "слабый" и т.д.

Существуют и генетические "нейропакеты", в которых реализованы генетические принципы обучения. В мире уже начался нейрокомпьютерный бум. В 1998 году объем продаж таких пакетов превысил 2 млрд долларов. Искусственными нейросистемами в мире занимается около 300 компаний, в основном в области разработки программного обеспечения. Соотношение объемов продаж программного обеспечения и аппаратуры составляет 3:1. Аппаратурное оснащение производят около 20 компаний, а собственно микрочипы разрабатывают единицы. Более 50% рынка - это военные заказы на системы распознавания, автоматического картографирования, прицеливания и наведения. Однако широко развиваются и гражданские приложения, прежде всего там, где требуется обработка больших массивов информации в режиме реального времени. ИНС уже используются в финансово-аналитических, в частности, биржевых системах. Появились они уже и на компьютерном рынке России.

Пока нейрокомпьютерные системы стоят достаточно дорого - от нескольких десятков тысяч до миллионов долларов. Пока они не стали массовым товаром. Однако предвидится в недалеком будущем и массовый спрос на них.

Прежде всего - для совершенствования системы Internet. На проект "Новое поколение Internet" (NGI) на период до 2002 года из федерального бюджета выделено 100 млн долларов. Главные цели этого проекта прямо соответствуют предсказаниям Билла Гейтса, высказанным им в книге "Дорога в будущее". Это создание высокоскоростной магистрали, развитие технологий сетевого сервиса и пользовательских приложений нового поколения. Все они связаны с передачей и обработкой огромных массивов информации. Поэтому при их решении невозможно будет обойтись без нейрокомпьютерных систем.

Уже сегодня в развитых зарубежных странах нейрокомпьютеры и нейроплаты применяются в военном деле, медицине, финансовой и налоговой системах. В таможнях их используют для обнаружения пластиковых бомб и наркотиков, в мире финансов - для предсказания курсов валют, в военной авиации - для распознавания наземных целей, в банковском деле - для оценки кредитных рисков.

Одним из самых плодотворных направлений исследований в области искусственного интеллекта является оптическое распознавание символов, то есть, например, задача научить компьютер читать.

Современные системы оптического распознавания печатных текстов уже способны ввести более ста тысяч документов в сутки. Последним достижением становится распознавание рукописных текстов. Во всех системах машинного распознавания образов используются принципы распознавания, используемые животными и человеком.

Системы оптического распознавания символов служат для перевода графического изображения в текст. Для этого сначала в сканер вводится изображение - своеобразная фотография документа. В результате получается набор черных и белых (или разноцветных) точек. При этом сканеру "все равно", с каким документом он работает - с рисунком, фотографией или текстом. Для целей копирования или посылки факса этого достаточно. Но для перевода отсканированного изображения текстового документа в символьный текст необходима система распознавания, например FineReader. Она переводит этот набор точек в текстовый формат, пригодный для посимвольного редактирования. Ведь каждому символу соответствует свой байт. Работа системы распознавания FineReader состоит из двух этапов. Первый - это анализ графического изображения, полученного сканером. В него входит определение областей распознавания, таблиц, выделение в тексте строк и символов. Второй этап - распознавание каждого символа в отдельности.

Сканирование одной страницы продолжается от 15 до 40 секунд, а распознавание - около 30 секунд, то есть страницу текста можно ввести в компьютер за одну минуту. Система OCR может работать и так: сначала сканируются все листы, а затем проводится распознавание всего текста сразу. Существующие системы распознавания печатных текстов обеспечивают точность распознавания более 99,9%.

В карманных компьютерах и электронных записных книжках широко применяется распознавание раздельных рукописных букв, написанных специальным пером на их экране (touch-screen), Эти распознающие системы обеспечивают достаточно высокую точность, приближающуюся к точности ввода с клавиатуры. Гораздо сложнее задача распознавания написанных от руки слитных букв, слов и целых рукописных текстов. Она еще не решена полностью, потому что при этом компьютер должен еще понимать и смысл текста.

К задачам искусственного интеллекта можно отнести и системы анализа и синтеза речи и музыки.

В целом решение всех этих задач дает возможность пользователю удобнее "общаться" с компьютером - то есть задавать ему вопросы, давать ему задания и получать ответы в форме изображений (письма и картин, таблиц и графиков) и звуков - речи и музыки. Это называется создать "дружественный интерфейс".

Недавно в Великобритании была проведена уникальная хирургическая операция на коленном суставе. Ее провел... миниатюрный робот, руководимый голосовыми командами хирурга, наблюдавшего операцию на телевизионном мониторе. Предполагается проводить подобные операции и на сердце.

Институт звукового перевода г. Киото (Япония) объявил о создании программ, способных распознавать английскую и японскую устную речь. Эти же программы обеспечивают ее автоматический перевод в темпе обычной беседы. Для обслуживания этих программ требуются компьютеры огромной мощности и быстродействия, которые уже есть в развитых странах. Если подключить к такому компьютеру мобильный телефон, то говорящий по-японски человек сможет вести диалог с партнером, говорящим по-английски. Такой диалог возможен и за столом переговоров, и на расстоянии.

Разработчики программ утверждают, что они работают на уровне переводчика, сдавшего единый "Тест на знание английского языка для международного общения" (TOEIC). В дальнейшем разработки Института звукового перевода можно будет использовать и для других языков.

Японская компания NEC разработала устройство e-Navi, представляющее собой персональный переводчик. Он позволяет двум людям вести беседу на разных языках. Устройство имеет словарный запас в 50.000 японских и 25.000 английских слов. Оно способно распознавать голос и синтезировать речь. При этом точность перевода близка к 100% и не требуется предварительная запись голоса пользователей. Устройство e-Navi будет опробовано в токийском международном аэропорту "Нарита". В нем скоро появится специальная служба аренды устройств e-Navi. Этот аэропорт должен стать самым высокотехнологичным аэропортом в мире.

Таким образом, удалось решить одну из сложнейших задач искусственного интеллекта - распознавание устной слитной речи, - задачу, значительно более сложную, чем распознавание отдельно произносимых слов с паузами между ними. Причем это, вместе с переводом, сделано в реальном масштабе времени: не нужны паузы для перевода, так знакомые в международных переговорах.

Достижение японских языковедов и программистов - шаг вперед в преодолении языкового барьера между народами.

0.12.Лекция 11. Информационные технологии на транспорте

0.12.1.Водный транспорт

Первые человеческие поселения располагались на берегах рек, озер и морей, а водные пути стали первыми транспортными магистралями. При плавании по рекам можно было обходиться без средств навигации, ориентируясь по берегам. Но как только судно оказывалось в открытом море или большом озере, требовались средства ориентации для определения местоположения корабля, направления и скорости его движения, глубины морского дна и др.

Единственным морским навигационным прибором в древности был ручной лот, позволявший измерять глубину морского дна под днищем корабля. Он представлял собой размеченный трос с привязанным к нему грузом.

Моряки измеряют глубину морского дна с помощью ручного лота

Но с его помощью можно было измерять глубину не более 50 метров, а в океане глубина дна достигает нескольких тысяч метров. В середине XIX века были изобретены механический и гидростатический лоты, позволявшие измерять глубину до 1,5-2 тысяч метров. А в начале XX века был изобретен эхолот, дающий возможность измерять любую глубину океанского дна. Эхолот - прибор, замеряющий время между излучением звукового сигнала и приемом эха и таким образом определяющий расстояние до дна. На основе принципа звуковой локации французский физик П. Ланжевен и русский инженер К.В. Шиловский создали первый гидролокатор, позволяющий определить местоположение и скорость подводных объектов относительно дна.

Сонар (гидролокатор для определения рельефа морского дна)

В древности мореплаватели ориентировались по Солнцу и звездам. Полярная звезда всегда показывает направление на север. Но звезды видны только в ночное время, а Солнце - только при ясном небе. Самым значительным изобретением в истории мореплавания стал магнитный компас, показывающий направление географического или магнитного меридиана в любое время суток и при любой погоде. Его использовали в древнем Китае. Кусок железной руды - магнитного железняка, плавающий в воде, служил магнитной стрелкой.

Магнитный компас

В XII-XIII веках арабские мореплаватели завезли его в Европу. В 1902 году итальянец Флавий Джой сконструировал компасную картушку. Он соединил диск из немагнитного материала с равномерно нанесенными делениями - картушку - с магнитной стрелкой. Известный русский кораблестроитель академик А.Н. Крылов считал, что без магнитного компаса Колумб не смог бы открыть Америку.

Для измерения скорости корабля в 1577 году Г. Коль создал лаг. Он представлял собой трос с плавучим якорем - брезентовым мешком на конце. Трос был размечен узлами, вплетенными в него через равные промежутки. Этот мешок на тросе опускали с борта идущего корабля. В воде он останавливался и тянул за собой трос. Для измерения скорости нужно было подсчитать число узлов на тросе, опускавшихся в воду за 30 секунд. Это позволяло измерить скорость корабля в милях в час - в "узлах".

Самый распространённый лаг представляет собой вертушку, вращающуюся под напором воды. Число оборотов вертушки за единицу времени определяется с помощью электронного или механического устройства. Обычно вертушка лага закрепляется на корпусе судна, но на небольших судах используют портативный вариант лага, в котором вертушка выбрасывается за корму на тросе, а измерительный механизм находится в руках у матроса.

Современный корабельный лаг

В XX веке были созданы гидродинамический и индукционный лаги.

Координаты корабля (его географическую долготу и широту) определяли с помощью секстанта и хронометра (точных механических часов). При помощи секстанта - угломерного прибора, изобретенного в начале XVIII века, - измеряют угловые высоты солнца и звезд и по ним рассчитывают широту местонахождения корабля.

Секстант

Время на корабле в древности также определяли по Солнцу и звездам. Но в дальнейшем значительное расширение морских торговых связей требовало более точных методов навигации. Для более точного определения времени потребовалось создать механические часы.

У механических часов были многочисленные предшественники. Наиболее древние из них - солнечные часы. Они состоят из циферблата и стержня, тень от которого, перемещаясь по циферблату вследствие движения Солнца по небу, показывает истинное солнечное время.

В своем первоначальном виде они имели форму обелиска. Во втором тысячелетии до н. э. появились водяные часы. Существовали и песочные часы. Но все они не обеспечивали достаточной точности измерения времени.

Основанные на колебаниях маятника современные механические часы были созданы Х. Гюйгенсом в 1657 году.

Христиан Гюйгенс

А первые точные механические часы - пружинный хронометр, способный работать в корабельных условиях, сконструировал Дж. Гаррисон в 1735 году. Точность пружинного хронометра достигалась благодаря анкерному механизму, изобретенному Гаррисоном.

Дж. Гаррисон

Анкерный механизм

Для навигации есть еще важнейший ориентир: береговые или стоящие на якоре плавучие маяки - высокие башни с мощным источником света, который виден на расстоянии не менее 19-20 км. Легендарный маяк на острове Фарос вблизи города Александрия высотой более 100 метров был построен в 323-283 гг. до н.э. Он был разрушен в XIV веке. Первый маяк в России был построен по приказу Петра I в 1702 году. Он представлял собой деревянную вышку, на вершине которой разжигали костер.

И, наконец, необходимы навигационные морские карты, по которым штурман ведет корабль. В конце 16-го века фламандский картограф Г. Кремер (Меркатор) создал цилиндрическую равноугольную проекцию (названную в его честь меркаторской), по которой с тех пор до настоящего времени составляются бумажные морские карты. Таковы традиционные морские навигационные средства.

Изобретение радио, успехи радиоэлектроники, вычислительной и космической техники позволили в XX веке коренным образом усовершенствовать методы и средства морской навигации и связи.

На смену морским механическим хронометрам пришли электронные часы, действие которых основано на колебаниях кристалла кварца - кварцевого генератора. Они обеспечивают точность на несколько порядков выше, чем у механических часов.

А.С. Попов изобрел радиотелеграф в 1895 году и весной 1897 года начал практические опыты по использованию радиосвязи в Кронштадской гавани. Уже в 1898 году он применил первые две приемно-передающие станции, с помощью которых была установлена связь между учебным судном "Россия" и крейсером "Африка". Эти опыты доказали возможность беспроволочной связи при любых метеорологических условиях - даже в тумане, когда сигналы световой сигнализации недоступны для приема.

К лету 1897 года на средства Морского министерства были изготовлены еще три приемно-передающие станции и установлены на броненосцах черноморской эскадры "Георгий Победоносец" и "Три Святителя". Они позволили достигнуть дальности радиотелеграфной связи в 5 километров.

При этом Попов обнаружил явление отражения радиоволн от предметов на пути их распространения, в том числе и от кораблей. Позднее это явление привело к созданию радиолокации.

В 1900 г. А.С. Попов осуществил радиотелеграфную связь в Балтийском море на расстоянии свыше 45 км между островами Гогланд и Кутсало, недалеко от города Котка. Эта первая в мире практическая линия беспроволочной связи обслуживала спасательную экспедицию по снятию с камней броненосца "Генерал-адмирал Апраксин", севшего на мель у южного берега Гогланда.

Первая радиограмма, переданная А.С. Поповым на остров Гогланд 6 февраля 1900 года, содержала приказ ледоколу "Ермак" выйти на помощь рыбакам, которых унесло на льдине в море. "Ермак" выполнил приказ, и 27 рыбаков были спасены. Эти успешные работы по спасению людей доказали несомненные преимущества беспроволочной телеграфной связи и заставили Морское министерство ввести радиотелеграфную связь на боевых кораблях российского военного флота.

Таким образом, становление радиосвязи с самого начала связано с морским флотом.

Затем были созданы средства радионавигации: радиокомпасы, радиопеленгаторы, береговые и спутниковые радионавигационные системы, радиолокационная техника.

С помощью радиолокаторов было обеспечено безопасное плавание кораблей в тумане. Если бы радиолокация была изобретена не в 1940-1950-х годах, а в начале 20-го века, трагедии с "Титаником", наскочившим в тумане на айсберг, можно было бы избежать. Радиолокатор позволяет видеть в темноте и в тумане, что находится вокруг корабля. Вращающаяся антенна локатора на мачте посылает импульсы ультракоротких радиоволн. Встречающиеся на пути корабля предметы, например, другие корабли или айсберги, отражают радиоволны, которые улавливает чувствительный приемник радиолокатора. На экране кругового обзора радиолокатора в этом направлении появляются яркие вспышки.

Для атомных подводных лодок и ледоколов, плавающих в околополярных широтах, где непригоден магнитный компас, были созданы инерциальные навигационные системы. Гироскопический компас представляет собой тяжелый волчок, вращаемый мотором с частотой в 1700-3000 об./мин. Волчок обладает свойством сохранять в пространстве заданное положение оси, например, меридиональное направление с севера на юг. Это и дает возможность использовать его в качестве гирокомпаса.

Однако при приближении к полюсам гирокомпас дает менее точные показания. Поэтому на кораблях используют оба вида компасов - магнитный и гироскопический. На основе чувствительного гирокомпаса создана и система автоматического управления движением корабля - авторулевой. Современные средства цифровой вычислительной техники позволили разработать автоматизированные системы управления кораблями, дающие возможность проложить оптимальный маршрут с учетом погодных условий и морских течений на пути плавания.

Успехи космонавтики позволили создать в конце XX века системы спутниковой навигации.

В 1965 году в СССР был запущен первый спутник связи "Молния-1". Позднее была создана система дальней космической связи "Орбита". Она состоит из сети наземных станций и искусственных спутников Земли "Молния", "Радуга", "Горизонт". На территории России размещено около 100 таких станций.

В конце XX века были созданы международная спутниковая система для спасения экипажей терпящих бедствие судов и самолетов КОСПАС-САПСАТ, международная космическая система "Инмарсат" для обеспечения телеграфной и телефонной связи между кораблями, плавающими в любых точках Земли.

За последние годы созданы электронные навигационные карты. На экране монитора отображается район плавания корабля с сушей, гаванями и другими объектами.

Спутниковая навигация позволяет определить координаты (с точностью до 100 м) и скорость движения корабля (с точностью до 0,3 м/с) во всех районах земного шара.

0.12.2.Железнодорожный транспорт

По сравнению с водным транспортом, насчитывающим тысячелетия, железнодорожный транспорт - относительно молодой. Первую железную дорогу Джордж Стефенсон создал в 1825-1830 годах.

Движение на железных дорогах в первое время после постройки происходило с незначительной скоростью. При начале движения паровоз не подавал сигнала. Однако уже на открытии линии Ливерпуль-Манчестер произошел несчастный случай. Один из членов парламента, сторонник сооружения железной дороги, подошел к поезду и решил обменяться рукопожатием с герцогом Веллингтоном, уже сидевшим в вагоне. Но поезд тронулся, и человек попал под колесо. Этот случай заставил Джорджа Стефенсона задуматься над необходимостью применения каких-либо сигналов для обеспечения безопасности железнодорожного движения. По указанию Стефенсона были введены сигналы, которые подавали сторожа: днем - флажками, ночью - ручными фонарями. Машинистам выдали рожки, которые в 1835 г. были заменены паровым свистком. С 1834 г. на линии Ливерпуль-Манчестер были введена сигнализация с помощью поворачивающихся деревянных столбов. В 1841 году англичанин Грегори изобрел семафор - мачту с подвижным крылом. Сигналом в нем служит положение крыла относительно ма чты. Использование семафора позволило перейти от движения поездов с разграничением по времени к разграничению в пространстве. Средствами связи при движении поездов служили телеграф, а позднее телефон.

Затем для обеспечения безопасности движения поездов была введена блокировка, с помощью которой путевые семафоры запирались на время, пока на соответствующем участке пути находился поезд. Первой практически удовлетворительной системой блокировки была система Тейера, появившаяся в 1852 году в Англии и примененная в 1868 году в России.

Дистанционное управление стрелками (т. е. централизация стрелок) появилось впервые в Англии и затем в Германии (1860-1867 гг.). Введение на русских железных дорогах систем централизации стрелок и сигналов относится к 1900-1905 гг. Сначала появилась гидравлическая система, а в 1909 г. была построена первая в России электрическая централизация системы Всеобщей компании электричества.

Первая попытка устройства автоматической блокировки была произведена во Франции в 1859 г. на железной дороге Париж-Сен-Жермен.

Затем появился более совершенный и в то же время более простой метод связи поезда с путем - рельсовая цепь. В 1867 г. Вильям Робинзон предложил использовать ходовые рельсы в качестве проводников электрического тока и создал специальную конструкцию путевого приемника. В 1869 г. он разработал модель первой автоблокировки, которая демонстрировалась на выставке в Нью-Йорке. При наезде поезда рельсовая цепь замыкается его скатами. Такая рельсовая цепь, получившая название нормально разомкнутой, имела ряд недостатков, основным из которых было отсутствие контроля целостности и исправности цепи. После дополнительной проработки Робинзон в 1872 г. предложил более совершенную нормально замкнутую рельсовую цепь. Она сразу получила признание, так как недостатки предшествующей цепи в ней были устранены.

Одним из самых опасных элементов, входивших в общую систему железнодорожной сигнализации, являлся человек, обслуживающий сигнализацию или пользующийся ею, со свойственными его природе недостатками.

Это обстоятельство привело к необходимости в 80-х годах прошлого столетия введения в эксплуатацию автостопов - приборов, останавливающих поезд при проходе его мимо или при приближении к закрытому семафору. Для этой цели от воздухопровода пневматического тормоза делался отвод на крышу паровоза.

На конце отвода имелась стеклянная запаянная трубка или поворотный кран. С семафорным крылом или приводом был соединен рычаг, который при открытом семафоре располагался вдоль мачты, при закрытом - становился на пути трубки, которая разбивалась и соединяла воздухопровод с атмосферой. Происходило торможение.

При больших скоростях движения поездов такое примитивное решение оказалось непрактичным, ибо резкая остановка пассажирского поезда могла вызвать беспокойство среди пассажиров, а у грузового состава - повлечь за собой сход с рельсов. Были созданы авторегулировочные системы, при которых скорость поезда автоматически понижалась в определенных местах. Поезд останавливался, как правило, лишь после предварительного снижения скорости.

Современный железнодорожный транспорт представляет собой сложную динамическую систему, в которую входят пути, станции, парк грузовых, пассажирских вагонов, локомотивов и обслуживающий персонал.

Для обеспечения надежной и безаварийной работы всего этого большого хозяйства используются системы сигнализации, связи и управления.

С развитием сети железных дорог и увеличением скорости движения поездов потребовались более совершенные средства связи и управления, такие как автоматическая блокировка и автоматическая локомотивная сигнализация. Затем стала применяться радиотелефонная связь, а в конце XX и начале XXI века в управлении ж.-д. транспортом широкое применение нашли телевидение, компьютер и Оптоволоконные линии связи.

Основной причиной большинства аварий и катастроф на транспорте является человеческий фактор: прежде всего, ошибки водителей и диспетчеров. Но совершить ошибку на разных видах транспорта человек может по-разному. Например, на железнодорожном рельсовом транспорте отсутствует такое средство управления, как руль, следовательно, машинист физически не может ошибиться, вращая его, а такая ошибка очень часто допускается водителями автомобилей.

Наибольшие возможности в автоматизации процесса принятия решений предоставляют, естественно, различные виды рельсового транспорта.

В СССР первая автономная система автоведения поезда (так называемый "автомашинист") была создана еще в 1957 году. Но полная автоматизация управления поездом впервые была внедрена на рубеже 1980-х и 1990-х годов во Франции, в метрополитене города Лилль. Ведь поезд метро полностью изолирован от влияния погоды, от возможного желания водителя изменить направление движения, от риска столкновения со встречным или желающим совершить обгон транспортным средством и т.д. Система автоведения поездов лилльского метро управляет всем процессом движения - от пуска до полной остановки.

Различают автономные и централизованные системы автоведения поездов, причем первые управляют только одним поездом, а вторые - всеми поездами на линии метрополитена или железнодорожном направлении. Централизованные системы автоведения поездов используются в первую очередь на пригородных и городских железных дорогах. Примером может служить система "ВАРТ", применяемая в США.

Метрополитен в Пекине стал первой китайской подземкой, где машиниста в поездах заменяет "автопилот". Впервые такая система будет внедрена на линии метро, которая свяжет пекинский аэропорт с районами на востоке китайской столицы. Общая протяженность ветки с четырьмя станциями составит больше 27 километров. Поездка по ней займет всего 16 минут. Она принята в эксплуатацию накануне пекинской Олимпиады-2008. Применение новейших технологий позволит экспрессам на этой линии стать малошумными и при этом развивать скорость до 110 километров в час, что на 30 км/ч больше, чем у обычных метропоездов. Пекинский метрополитен перевозит ежедневно более 5 миллионов пассажиров.

0.12.3.Автомобильный транспорт

Первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания создали Г. Даймлер и К. Бенц в 1885-1886 гг. Он представлял собой открытую коляску с ручкой управления и тормозом. Ездил он с очень малой скоростью - не более 10-12 км/ч. Никаких приборов не имел. Первую модель своего автомобиля ("модель III") К. Бенц выпустил для продажи в 1886 году. Всего с 1886 по 1894 гг. было продано 25 экземпляров. Интересовали они в основном спортсменов-любителей. На движение по дорогам в первые годы автомобиль не влиял. Развитие автомобильной промышленности началось лишь в XX веке. Возросла мощность двигателей - от 2-3 кВт в начале века она увеличилась в конце века до 200 кВт. Значительно повысилась скорость - она быстро достигла 100 и более км/ч. Такая скорость потребовала создания более удобных и комфортабельных машин с закрытым кузовом, оснащенных целым рядом приборов - измерителей скорости, количества бензина, масла и т.д. Их расположили на приборной доске перед водителем. Автомобили оснастили осветительными фарами , габаритными, поворотными и тормозными сигналами, зеркалами заднего вида.

Сильнейший толчок развитию автомобильной промышленности дал метод поточной (конвейерной) технологии сборки автомобилей, впервые в мире примененный в 1913 году Генри Фордом на своем заводе. Это позволило всего за один год поднять производительность труда на 40-60% и достигнуть при этом стандартизации и взаимозаменяемости деталей.

С 1910 по 2000 гг. в мире было выпущено 1,3 миллиарда автомобилей. За это время автомобиль стал главным индивидуальным транспортным средством. Еще 1,3 миллиарда машин произведено в 2010 году.

Современный автомобиль Мерседес-Бенц

Появление автомобильного транспорта потребовало строительства дорог с твердым покрытием. В Европе и Америке начали строить широкие асфальтированные дороги. С увеличением интенсивности движения жизнь потребовала строительства скоростных автомагистралей.

В настоящее время в мире насчитывается 15 млн. км благоустроенных дорог, в том числе в Российской Федерации - до 1 млн. км. В результате появления автомобилей территория промышленно развитых стран покрылась густой сетью автомобильных дорог - главных транспортных артерий XX и начала XXI веков.

Все нарастающая интенсивность и скорость движения заставила выработать необходимое информационное обеспечение автомобильного транспорта. Дорога, транспорт, человек, - это три основных составляющих дорожного движения. Были выработаны правила дорожного движения (ПДД) и сигнализация, необходимые для обеспечения безопасности водителей, пассажиров и пешеходов.

Эти правила регламентируют обязанности водителей транспортных средств и пешеходов, а также технические требования, предъявляемые к транспортным средствам для обеспечения безопасности дорожного движения.

В первое время ПДД в разных странах отличались друг от друга.

В 1909 году в Париже на международной конференции были приняты единые правила, общие для всех стран Европы. В 1940 году в СССР были утверждены первые типовые правила движения, на базе которых стали создаваться единообразные правила на местах. Правила дорожного движения Российской Федерации были приняты в 1993 году.

Первый трехцветный (красный, желтый, зеленый) автоматический светофор был установлен в Нью-Йорке в 1918 году, а в Москве и Ленинграде такие светофоры появились в 1930 году.

Светофор

С увеличением скорости движения автомобилей возникла необходимость информировать водителя о состоянии дороги впереди, о том, насколько она безопасна для движения. Так появились требования располагать дорожные знаки на определенном расстоянии от препятствия. Существуют знаки для указания направления движения, запретительные знаки (например, знаки железнодорожного переезда), знаки подачи звукового сигнала, знаки для пешеходов. В систему дорожных знаков входит и дорожная разметка - горизонтальная и вертикальная.

Горизонтальная разметка (линии, стрелы, надписи и другие обозначения на проезжей части) устанавливает определенные режимы и порядок движения. Вертикальная разметка в виде сочетания черных и белых полос на дорожных сооружениях и элементах оборудования дорог показывает их габариты и служит средством зрительного ориентирования.

Изобретение компьютера и развитие цифровых информационных технологий позволило коренным образом усовершенствовать информационное обеспечение автомобилей.

В современных автомобилях все системы и агрегаты - двигатель и трансмиссия, тормоза, система рулевого управления, подвески, система безопасности, система поддержания определенной температуры и влажности в салоне, - контролируются и управляются бортовыми компьютерами. Во многих современных автомобилях имеются проигрыватель компакт-дисков, автомат их смены, кассетная стереодека, один или несколько встроенных сотовых телефонов и навигационный компьютер, содержащий приемник спутниковой системы навигации (GPS). В нем применяются электронные карты местности для определения точного местоположения автомобиля на местности и прокладывания маршрута следования. Такой радионавигатор снижает утомляемость за рулем и позволяет экономить время и деньги на объездах и поисках.

Изменился вид приборной доски. Вместо набора стрелочных приборов используется единый жидкокристаллический монитор, на котором информация о скорости, расходе топлива и пробеге либо дается водителю в цифровой форме, либо имитируется в виде стрелочных приборов. Применяются сенсорные дисплеи, чувствительные к прикосновению, и электронное табло спидометра с проектором скорости на лобовое стекло.

Для автомобилей разработаны видео/аудиоцентры и системы навигации. В него входит 5-дюймовый монитор на жидких кристаллах, радио (ЧМ и СВ), проигрыватель CD- и DVD-дисков, видео, телевизионный тюнер, система навигации и акустическая система.

В Москве уже работает опытное цифровое телерадиовещание. Прием мобильного пакета будет вестись на мобильные телевизионные приемники, оборудованные жидкокристаллическим дисплеем.

Когда-то путешественники ориентировались по звездам. Сегодня навигация осуществляется по сигналам искусственных спутников. При подключении системы навигации трехмерные карты на мониторе и аудиогид помогают водителю благополучно доехать до пункта назначения. Как только водитель вводит в систему навигации пункт, до которого ему нужно добраться, система сразу же ищет наилучший маршрут (например, кратчайший путь). По желанию можно задать до 4 пунктов, через которые вы хотите проехать до конечного пункта. Затем система указывает маршрут при помощи стрелки на карте и голоса. Трехмерная карта позволяет видеть объекты впереди и трехмерные увеличенные изображения перекрестков. Голосовой гид системы навигации предупреждает о приближении к перекрестку, например, так: "Через 600 метров сделайте левый поворот"

Система спутниковой навигации в автомобиле Volkswagen Passat

В салоне автомобиля можно легко разместить самые разные мобильные устройства - ноутбук или палмтоп, принтер, сканер, факс. Ведущие мировые производители (BMW, DaimlerCrysler, Ford, Fiat, General Motors, Honda, Renaut, Volkswagen) стремятся объединить все электронные приборы и устройства автомобиля в единую сеть - своеобразный передвижной офис.

К электронному оснащению современного автомобиля относятся и приспособления hands free ("свободные руки"). Особенно актуальным становится их использование после того, как в России с апреля 2001 года было введено правило, запрещающее водителям разговаривать во время езды по мобильному телефону. Ведь при этом приходится держать его одной рукой, а другой управлять автомобилем, что нарушает безопасность движения. "Cвободные руки" (наушник с микрофоном) позволяют держать руки на рулевом колесе.

Приспособление hands free ("свободные руки")

Наиболее простыми приспособлениями hands free могут служить "пешеходные" гарнитуры. В их состав входят наушник, микрофон и специальная клипса, с помощью которой микрофон закрепляется поближе ко рту.

В более дорогие устройства "свободные руки" для автомобиля входит чувствительный микрофон, позволяющий говорить в машине, не напрягая голоса, и выносная антенна, улучшающая прием.

Однако после внедрения приспособлений "свободные руки" аварийность на дорогах не уменьшилась: водители, болтая по телефону во время движения, теряют контроль над автомобилем и поздно реагируют на внезапно возникающую опасность. Реакция водителя, разговаривающего по телефону, замедляется в два раза. Поэтому пользоваться приспособлениями "свободные руки" категорически не рекомендуется водителям во время движения автомобиля.

Технология Blue Eyes регистрирует движения глаза водителя и частоту моргания. Инфракрасная камера следит за положением глаз, и если система не находит глазного яблока, считается, что водитель во время движения автомобиля заснул. Тогда раздается сигнал тревоги, который разбудит водителя и тем самым предотвратит одну из самых опасных аварийных ситуаций.

Другие применения технологии Blue Eyes - регистрация водителя по индивидуальному рисунку радужной оболочки глаза, анализ мимики его лица. Когда он садится за руль, система автоматически настраивает положение зеркал и сиденья. Если водитель нахмурится, система автоматически включит веселую музыку.

Для обеспечения дополнительной безопасности при выполнении заднего хода выпускается комплект из видеокамеры и ЖК-дисплея. Камера закрепляется рядом с задним номерным знаком автомобиля и передает изображение по беспроводному соединению на экран с диагональю 2,5 дюйма, который монтируется на приборной доске.

Для обеспечения безопасности при движении задним ходом применяется парковочный радар. Принцип его действия основан на современной технологии измерения расстояния до препятствия с помощью ультразвукового сигнала. Датчики, установленные около заднего бампера, и система индикации расстояния до препятствия облегчат парковку и маневрирование в ограниченном пространстве, а также в темное время суток. Помимо датчиков, система комплектуется звуковым и/или световым индикатором расстояния. Они устанавливаются на приборной панели и дают водителю мгновенную информацию о расстоянии до приближающегося препятствия.

Когда автомобиль движется задним ходом, водитель видит не все. Паркуя автомобиль во дворе или окрестности детской площадки, можно не заметить рядом с задним бампером автомобиля ребенка 2-4 лет. Это особенно опасно.

Столбики, высокие бордюры, крупные предметы, лежащие на земле, - все это находится вне поля зрения водителя. Как результат - повреждения бампера, случайные царапины, вмятины и расходы на ремонт. Парковочный радар способен своевременно предупредить водителя о приближении не только к крупным препятствиям, но и к малогабаритным объектам и объектам небольшой высоты, что особенно полезно в темное время суток.

Адаптивный круиз-контроль (АСС) умеет не только поддерживать заданную скорость движения, но и может автоматически поддерживать заданное расстояние до впереди идущего автомобиля. Радар, установленный на решетке радиатора, способен распознавать движущиеся впереди (тем же курсом) автомобили. Если полоса свободна, система поддерживает заданную вами скорость. Если же радар распознает автомобиль, движущийся перед вами на более низкой скорости, система автоматически уменьшает подачу топлива в цилиндры двигателя, а при необходимости даже притормаживает машину, используя рабочую тормозную систему.

0.12.4.Спутниковая система навигации

Успехи трех технологий – радиотехники, компьютерной техники и космонавтики позволили создать современную систему навигации – спутниковую.

Спутниковая система навигации позволяет в любом месте Земли определить местоположение и скорость объектов. Эта система NAVSTAR (англ. Navigation Satellite Time and Ranging, Global Positioning System (GPS) — измерение дальности и времени по навигационному спутнику, глобальная система позиционирования) разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Основой системы являются навигационные спутники, движущихся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте 20180 км. Спутники излучают радиосигналы в нескольких диапазонах. Навигационная информация может быть принята антенной и обработана при помощи GPS-приёмника. Информация, передаваемая с помощью одного из диапазонов, распространяется свободно, бесплатно, без ограничений на использование. 24 спутника обеспечивают 100%-ную работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём радиосигналов и точный расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (29 на 2006 год). Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено 31.

Расположение навигационных спутников вокруг Земли

Существует еще и отечественная система ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), официально принятая в эксплуатацию в 1993 году, но еще не вышедшая на проектную мощность.

Создается европейская система Galileo. Это будет первая система с метровой точностью, создаваемая исключительно для гражданских нужд. Предполагается, что она должна в строй, когда на орбиту выйдут все 30 запланированных спутников (3 из них — резервные).

В систему кроме навигационных спутников входит наземный комплекс управления, содержащий спутниковые часы (они синхронизируются с находящимися на Земле специальными атомными часами), отслеживающий с высокой точностью реальное местоположение спутников, и GPS-приемники.

Объект, находящийся на Земле, при помощи GPS-приемника ловит радиосигналы с трех - четырех спутников системы, синхронизирует с ним свои часы, измеряет время прохождения радиосигнала со спутника и вычисляет расстояние до него. Сопоставляя эти расстояния для трех или четырех видимых спутников с помощью тригонометрических построений, прибор вычисляет свои географические координаты с точностью до нескольких метров.

GPS-приёмник — радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника. Работает на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов излучаемых спутниками группы NAVSTAR. Максимальная точность измерения составляет 3-5 метров, а при наличии корректирующего сигнала от наземной станции – еще точнее. Точность коммерческих GPS-навигаторов составляет от 150 до 3 метров.

• Существуют GPS-навигаторы, имеющие собственный процессор для необходимых расчётов, а также дисплей для отображения информации, и GPS-приставки к КПК, смартфонам и ноутбукам.

При использовании GPS-приставки информация выводится на КПК, сотовый телефон или компьютер, к которому подключена эта приставка с помощью навигационного программного обеспечения – навигационных карт.

Навигационная карта – это программа, позволяющая проложить маршрут до какого-нибудь объекта или адреса с учетом правил дорожного движения. Делается это с помощью нескольких нажатий на сенсорный экран GPS-навигатора. Некоторые программы при прокладке маршрута учитывают тип транспортного средства – легковой или грузовой автомобиль. В соответствии с типом транспорта выбирают оптимальный маршрут движения. Для пеших прогулок карта покажет вам путь через парки, улицы и переулки, а не по автомагистралям и шоссе. Есть карты максимально детализированные – вплоть до номеров домов.

При поездках на автомобиле навигационная программа предупреждает вас о предстоящих маневрах голосом, например: "Через 100 метров поверните направо". При поездках в незнакомый город карта поможет вам найти ближайшую гостиницу, поликлинику, кафе, почту или кинотеатр.

Современные карты получают через Интернет информацию о пробках и заторах на дорогах и в соответствии с ней составляют новый маршрут движения, позволяющий избегать долгого стояния на месте из-за пробок.

GPS - навигатор GARMIN

Навигатор Navitel NX5100

Спутниковый автомобильный навигатор

Спутниковая навигация применяется в самых различных видах современного транспорта – морском, авиационном, автомобильном и даже при пеших прогулках по лесу.

0.12.5.Авиация

Самый "молодой" вид транспорта - авиационный. Ему чуть больше 100 лет. Первый пилотируемый полет самолета с двигателем внутреннего сгорания, работающим на керосине, братья Уилбер и Орвилл Райт совершили 17 декабря 1903 года. За 59 секунд полета первый пилот преодолел расстояние 250 метров со скоростью около 50 км/ч. Фюзеляж заменяла ферма, а кабины не было - летчик помещался внутри фермы и управлял рулями самолета с помощью веревочных тяг. Никаких приборов самолет не имел. Но уже в 1911-1912 годах конструктор Игорь Сикорский построил первый многомоторный самолет "Русский витязь", а затем "Илья Муромец". У этого самого большого тогда в мире самолета была полностью закрытая застекленная кабина для двух летчиков и пассажиров. На самолете "Илья Муромец" был осуществлен (правда, с несколькими промежуточными посадками) перелет из Петербурга в Киев.

Дальность и скорость полетов возрастала с каждым годом, и потребовалось оснастить самолеты целым рядом приборов для навигации сначала при дневных, а затем и при "слепых" полетах - ночных, в тумане и при сплошной облачности. Эти приборы разместили в кабине на приборном щитке пилота и штурмана.

Бортовые приборы помогают пилоту вести самолет. В зависимости от назначения они делятся на пилотажно-навигационные, приборы контроля работы авиадвигателей и сигнализационные устройства. Навигационные системы и автоматы (прежде всего, автопилот) освобождают пилота от необходимости непрерывно следить за показаниями приборов.

В группу пилотажно-навигационных приборов входят указатели скорости, высотомеры, вариометры, авиагоризонты, компасы, указатели положений самолета и др. К приборам, контролирующим работу авиадвигателей, относятся тахометры, манометры, термометры, топливомеры и др.

Пилотажно-навигационные приборы позволяют пилоту следить за положением самолета в воздушном пространстве и осуществлять необходимые воздействия на управляющие органы - рули, элероны и др. К таким приборам относятся указатели высоты, горизонтального положения, воздушной скорости, вертикальной скорости и высотомер.

Указатель пространственного положения - авиагоризонт - представляет собой гироскопический прибор. На нем имеется линия искусственного горизонта и символ самолета, меняющий положение относительно этой линии в зависимости от того, как сам самолет меняет положение относительно реального горизонта.

Высотомер определяет высоту над уровнем моря по зависимости атмосферного давления от высоты. Это барометр, проградуированный не в единицах давления, а в метрах.

При полете над горами используется радиовысотомер - прибор на базе радиолокатора.

Вариометр необходим для поддержания постоянной скорости подъема или снижения. Как и высотомер, вариометр представляет собой барометр. Он показывает скорость изменения высоты, измеряя статическое давление. Применяются также электронные вариометры. Вертикальная скорость самолета указывается в метрах в минуту.

Местонахождение самолета при полете в облаках, за облаками и ночью определяется с помощью панорамного радиолокатора кругового обзора.

Задачи навигации: нахождение оптимального маршрута (траектории), определение местоположения, направления и значения скорости и других параметров полета самолета. В аэронавигации используют астрономические, радиотехнические, геотехнические и светотехнические методы. Применяются астрономические, гироскопические компасы, радиокомпасы, радиопеленгаторы, авиасекстанты.

Вот как описывает приборную доску и навигационное оборудование самолета АНТ-25 (РД - рекорд дальности) Г.Ф. Байдуков ("Первые перелеты через Ледовитый океан: Из воспоминаний летчика"):

Г.Ф. Байдуков, В.П.Чкалов и А.В. Беляков накануне легендарного перелета

А.Н.Туполев, А.В.Беляков, В.П.Чкалов и Г..Ф. Байдуков накануне перелета

Почтовая марка СССР – Карта перелета 1937 г.

Знакомя будущего командира экипажа Валерия Павловича Чкалова с самолетом АНТ-25, Георгий Федорович Байдуков и штурман Александр Васильевич Беляков рассказывают: "по простому магнитному компасу в Центральной Арктике летать нельзя. Вот для этой цели мы делаем основным методом навигации не компасную, а астрономическую, а на территории США - радионавигацию... - пояснил Беляков.

И тут же показал солнечный указатель курса (СУК) конструкции инженера Сергеева. Затем открыл футляр с секстантом и с гордостью подержал в руке большой морской хронометр, без которого нельзя определить точное время в полете, что так необходимо в штурманских расчетах.

Беляков показал Валерию Павловичу бортовую радиостанцию самолета, способную держать связь на дальности до шести тысяч километров, и свое штурманское место, сиденье которого находилось на запасном бачке резервной воды, необходимой для дополнительного питания системы охлаждения двигателя.

Наконец, я усадил нашего друга на сиденье пилота, и он стал детально рассматривать приборную доску летчика: часы, указатель скорости, высотомер, вариометр, указатель поворота и скольжения, авиагоризонт, магнитный компас, гирополукомпас, указатель радиокомпаса, тахометр, альфометр, термометр масла, термометр воды в системах маслопитания и охлаждения двигателя, указатели давления масла и бензина, тумблеры навигационных огней, подкрыльных осветительных ракет на случай посадки ночью и другие приборы и указатели, а также различные рычаги управления".

Для облегчения работы пилота при длительных полетах на современных самолетах устанавливают автопилот, который точно выдерживает заданный курс, скорость, высоту и горизонтальное положение самолета без вмешательства человека.

Автопилота на самолете АНТ-25 еще не было, и В.П. Чкалов и Г.Ф. Байдуков пилотировали его по 12 часов подряд, по очереди сменяя друг друга, все 64 часа полета через Северный полюс в Америку.

Идея и схема автопилота на основе гироскопа были предложены К.Э. Циолковским в 1898 году. Разработал первый автопилот американский изобретатель Элмер Сперри. Наибольшую известность Сперри принесли его работы по применению гироскопа для решения навигационных задач. В 1910 году Сперри организовал компанию "Сперри джайроскоуп" и возглавлял ее до 1929 года. Он изобрел гирокомпас, который во многих применениях вытеснил магнитный компас. Разработал гиростабилизаторы с электроприводом, уменьшающие бортовую качку судна и удерживающие летящий самолет в горизонтальном положении. Сконструировал гироуправляемые торпеды, автопилоты для автоматического управления судами и приборы для обнаружения подводных лодок.

Элмер Сперри – изобретатель автопилота

Впервые полет самолета, автоматически управляемого автопилотом фирмы Сперри (США), был продемонстрирован на Всемирной выставке в Париже в 1914 году. Отечественный автопилот с пневматической исполнительной системой (АВП-1) был создан в 1932 году. Широко применяться автопилоты начали во время и после окончания второй мировой войны как в военной, так и в гражданской авиации, сначала на самолетах, а затем и на вертолетах.

Многие годы приборная доска самолета состояла из очень большого числа стрелочных приборов, следить за показаниями которых было для пилота и штурмана сложно и утомительно. Успехи электроники и компьютерной техники позволили достичь большей интеграции в конструкции приборной доски кабины экипажа и в авиационной электронике.

В современных бортовых приборах все больше информации выносится на общий монитор. Такой комбинированный (многофункциональный) индикатор дает возможность пилоту одним взглядом охватывать все объединенные в нем индикаторы. Полностью интегрированные цифровые системы управления полетом и жидкокристаллические индикаторы дают пилоту лучшее представление о пространственном положении и местоположении самолета, чем это было возможно ранее.

Новый тип комбинированной индикации - проекционный - дает пилоту возможность проецировать показания приборов на лобовое стекло самолета, тем самым совмещая их с панорамой внешнего вида. Такая система индикации применяется не только на военных, но и на некоторых гражданских самолетах.

Во время первой мировой войны был изобретен звукоулавливатель. Он применялся для обнаружения самолетов противника по шуму их моторов, наводки прожекторов, обеспечения стрельбы зенитной артиллерии и действий истребительной авиации. Но скорость самолетов быстро росла, и с помощью такого звукоулавливателя стало невозможным своевременно обнаружить самолеты противника. В конце 1930-х гг. на смену звукоулавливателю пришла радиолокация: метод обнаружения и определения местонахождения объектов посредством радиоволн. Эти волны излучаются радиолокационной станцией, отражаются от объекта и возвращаются на станцию, которая анализирует их, чтобы точно определить место, где находится объект.

Первым применением радиолокации были поиск и дальнее обнаружение бомбардировщиков противника. Перед Второй мировой войной Великобритания построила сеть радиолокационных станций дальнего обнаружения для защиты от внезапных воздушных налетов со стороны Ла-Манша. Сегодня более совершенные радиолокационные сети защищают от внезапного нападения авиации или ракет. Корабли и самолеты также оснащаются радиолокаторами. Это сделало возможным наведение истребителей на вражеские бомбардировщики с наземных радиолокаторов слежения или с корабельных радиолокаторов перехвата; можно также применять бортовые самолетные радиолокаторы для обнаружения, слежения и уничтожения техники противника. Бортовые радиолокаторы используются для поиска объектов над сушей или морем и для оказания помощи в навигации или при слепом бомбометании.

Ракеты с радиолокационным наведением оснащаются для выполнения боевых задач специальными автономными устройствами. Для распознавания местности на самонаводящейся ракете имеется бортовой радиолокатор, который сканирует земную поверхность и соответствующим образом корректирует траекторию полета. Радиолокатор, расположенный поблизости от противоракетной установки, может непрерывно отслеживать полет межконтинентальной ракеты.

На современных истребителях и бомбардировщиках применяется электронная система распознавания "свой/чужой". Эта кодовая система распознавания является одним из важнейших военных секретов государства.

На гражданских самолетах радиолокаторы используют для решения ряда задач, в том числе для определения высоты полета относительно земли. В аэропортах один радиолокатор служит для управления воздушным движением, а другой - для управления заходом на посадку. Он помогает пилотам посадить самолет в условиях плохой видимости.

Первые самолеты использовали для взлета и посадки любую ровную площадку - так невелика была их взлетная и посадочная скорость. У современных самолетов взлетная и посадочная скорость - 200-300 км/ч, а разбег при взлете и пробег после посадки составляет несколько сотен метров. Поэтому длина взлетно-посадочной полосы (ВПП) - около 3000 м. Для обеспечения посадки ночью и в плохую погоду на расстоянии около 1000 м от начала ВПП с обеих сторон устанавливают посадочные огни приближения - цепочку прожекторов по осевой линии полосы. Перпендикулярно огням приближения располагают 5-6 световых горизонтов - огней красного цвета. Они помогают пилоту осуществлять посадку под нужным углом к полосе. Кроме того, пилот при посадке ориентируется по радиомаякам: курсовой маяк указывает направление на осевую линию полосы, а глиссандный - задает траекторию снижения.

Аэродромный радиолокатор кругового обзора показывает на экране воздушную обстановку в зоне аэродрома: где, на каких высотах и с какой скоростью летят самолеты. С помощью такого локатора авиадиспетчер управляет движением и обеспечивает безопасное расстояние самолетов друг от друга. Управление движением самолетов осуществляется с высокой застекленной башни на аэродроме - командно-диспетчерского пункта.

Управление воздушным движением самолета (УВД) от взлета до посадки обеспечивает порядок и безопасность полетов в диспетчерском воздушном пространстве и обмен информацией между авиадиспетчерами и экипажами самолетов с использованием компьютеров и радионавигационных средств. Система УВД имеет сеть пунктов управления, в которую включены центры УВД на воздушных трассах, аэропортовые контрольно-диспетчерские пункты (КДП), центры авиадиспетчерской службы, радиолокационные станции дальнего действия и диспетчерские РЛС, радионавигационные станции и системы автоматизированного управления посадкой.

Самолет управляется в соответствии с правилами визуального полета (ПВП) или правилами полетов по приборам (ППП). Согласно ПВП, летчики, выполняя полет, обязаны следить за другими самолетами, не допуская столкновений, и не должны входить в зоны с низкой облачностью и плохой видимостью. ППП применяются летчиками, управляющими самолетом по приборам в соответствии с указаниями авиадиспетчера. Летчик может руководствоваться теми или иными правилами полета в зависимости от погодных условий, но при любых обстоятельствах он должен следить за показаниями приборов и выполнять государственные и международные авиационные правила. В целях безопасности гражданские воздушные лайнеры обычно используют ППП. Воздушное пространство делят на диспетчерское и неконтролируемое. Службы УВД осуществляют контроль в диспетчерском воздушном пространстве, в которое включают низкие и высотные воздушные трассы, диспетчерские зоны аэропортов и диспетчерские районы.

Воздушная трасса представляет собой коридор, границы которого отстоят на 6,5 км от осевой линии. Внутри этого коридора гарантируется безопасность полета самолета по приборам.

Диспетчерская зона - это воздушное пространство около аэропорта, ограниченное полусферой радиусом 8 км. В диспетчерских зонах крупных аэропортов обеспечивается безопасность полета самолетов в условиях плохой видимости.

Диспетчерский район аэропорта - это обслуживаемая диспетчерской службой часть воздушного пространства, выходящая за пределы воздушных трасс и диспетчерских зон. Диспетчерский район позволяет отделить летчиков, работающих по ПВП, от летчиков, использующих ППП.

0.13.Лекция 12. Информационные технологии в различных областях деятельности

0.13.1. 

0.13.1.1.Медицина

Долгие века врач для определения причины болезни мог доверять только своим рукам, глазам и ушам, своим чувствам, с помощью которых он обследовал больного. Первыми приборами, которые стали помогать врачу при осмотре, были стеклянный ртутный термометр для определения температуры тела, секундомер для подсчета пульса и деревянная слуховая трубка - стетоскоп - для прослушивания сердца, изобретенный французским врачом Рене Ланно в 1819 году.

Деревянный стетоскоп

Медицинский термометр

Позднее стетоскоп сменил фонендоскоп с чувствительной мембраной, камера под которой соединена с двумя гибкими трубками. Затем ко всему этому прибавились химические анализы состава крови и мочи.

Фонендоскоп

В 1860 году итальянский врач Ривароччи придумал простой и удобный метод измерения артериального давления. Он основан на измерении внешнего давления, которое нужно для полного пережатия артерии. Для этого накладывают на руку выше локтя полую резиновую манжету и соединяют ее с резиновой грушей и манометром (ртутным или стрелочным). С помощью груши закачивают в манжету воздух и одновременно следят за пульсом на артерии предплечья (у локтевого сгиба) и за показаниями манометра. Давление воздуха увеличивают до тех пор, пока не исчезнет пульс, то есть пока не будет полностью пережата артерия. Измеренное в этот момент давление воздуха в манжете соответствует систолическому давлению. В 1905 году русский врач Н.С. Коротков усовершенствовал метод Ривароччи. Он предложил прослушивать пульс фонендоскопом. Это позволило измерять не только систолическое, но и диастолическое давление крови (то есть, соответственно, при сокращении и расслаблении сердечной мышцы).

Измерение артериального давления тонометром и фонендоскопом

Н.С. Коротков (1874-1920 гг.)

Современные автоматические цифровые тонометры (рис. 12.1) оснащены миниатюрным воздушным насосом и датчиком давления в манжете. Резиновая груша и фонендоскоп при измерении давления таким аппаратом не нужны. Надо только надеть манжету и нажать на кнопку аппарата. Он проделает весь цикл измерения и покажет цифрами на дисплее величины систолического (верхнего), диастолического (нижнего) давления и пульса. Выпускаются даже тонометры, манжета которых надевается на запястье или на палец, но они, хотя и удобнее, не дают такой же точности измерения.

Рис. 12.1.  Цифровой тонометр

Открытие Вильгельмом Рентгеном (1845-1923) Х-лучей, названных его именем, дало врачам возможность "заглянуть" внутрь тела человека, не повредив его.

Вильгельм Рентген (1845-1923)

Рентгенограмма кистей рук

Рентгеновская установка

Современный рентгеновский аппарат

Цифровая рентгеновская установка

Рентгеновское обследование позволило увидеть теневое изображение костей и внутренних органов. Появление рентгеновского аппарата вызвало к жизни новую область медицины - рентгенологию, изучающую применение рентгеновского излучения для исследования строения и функций органов и систем организма человека. В нее вошли рентгенодиагностика - для установления диагноза заболевания и рентгенотерапия - для лечения. Стал широко применяться такой метод рентгенодиагностики как флюорография: фотографирование теневого изображения с просвечивающего экрана на фотопленку небольших размеров для выявления заболеваний легких при массовых обследованиях. При флюорографии человек получает значительно меньшую дозу облучения, чем при рентгеноскопии (осмотре больного под рентгеновскими лучами) и при рентгенографии (получении рентгеновских снимков).

С середины XX века начали применять электрокардиографию - метод исследования сердечной мышцы, основанный на регистрации биоэлектрических потенциалов работающего сердца. Записанная на движущейся бумажной ленте или фотопленке прибора - электрокардиографа кривая - электрокардиограмма (ЭКГ) используется для диагностики заболеваний сердца.

Сокращению сердечной мышцы предшествует ее возбуждение, во время которого меняются физико-химические свойства мышечного волокна сердца - миокарда. Это сопровождается появлением электрического тока, который может быть зарегистрирован. Разные отделы сердца (предсердия и желудочки) сокращаются и расслабляются последовательно в разное время. Поэтому биоэлектрические явления, обусловленные их деятельностью, также регистрируются последовательно.

Электрокардиограф

В наше время электрокардиография остается одним из основных методов исследования сердца и диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы. Однако для грамотной расшифровки электрокардиограммы необходимо знание природы кардиографической кривой, поэтому расшифровку следует проводить только специалистам с опытом подобной работы. В последние годы нашла применение компьютерная электрокардиография, в которой расшифровка электрокардиограммы (ЭКГ) осуществляется компьютером.

Для постоянного наблюдения (так называемого мониторинга) за состоянием сердечно-сосудистой системы выпускаются суточные мониторы артериального давления и ЭКГ (рис. 12.2).

Рис. 12.2.  Суточный монитор артериального давления и ЭКГ

Для исследования биоэлектрической активности головного мозга применяется электроэнцефалография: графическая регистрация потенциалов головного мозга прибором - электроэнцефалографом. Записываемая при этом кривая - электроэнцефалограмма - используется в исследовательских и диагностических целях.

Снятие электроэнцефалограммы мозга

Все более широкое применение в медицине находит ультразвуковая диагностика - использование ультразвуковых колебаний для распознавания заболеваний мозга (эхоэнцефалография), сердца (эхокардиография), исследования плода и т. д. Такая диагностика основана на свойстве ультразвуковых волн отражаться от границ, разделяющих среды. Это позволяет видеть контуры внутренних органов и различать образования с различной плотностью.

Ультразвуковое исследование (УЗИ) применяется для диагностики заболеваний мозга (эхоэнцелография), сердца (эхокардиография), исследования плода и т.д.

Широко используется УЗИ для диагностики болезней органов брюшной полости, например, желчно-каменной болезни. А определение пола будущего ребенка с помощью ультразвука стало обыденной процедурой. Аппараты УЗИ есть даже на станциях московского метро.

Ультразуковое исследование

"Заглянуть" в такие внутренние органы, как пищевод, желудок, мочевой пузырь, бронхи дает возможность эндоскоп. Это оптический прибор, который вводится внутрь исследуемого органа. Он представляет собой световод - тонкий гибкий пучок стеклянных волокон из специального оптического стекла. Этот световод освещает внутреннюю поверхность органа и передает его изображение на экран телевизора или в фотокамеру.

Эндоскоп

В конце 1960-х годов начали использовать томографию (от греч. tomos - ломоть, слой и grapho - пишу), метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, например мозга. Оно осуществляется с помощью многократного просвечивания в различных пересекающихся направлениях, число которых достигает 10-106 (так называемое сканирующее просвечивание). По виду излучения различают электромагнитную томографию (рентгеновскую, гамма-томографию и магнитную или ядерно-магнитно-резонансную (ЯМР), пучковую томографию (например, протонную), а также ультразвуковую и др. С помощью томографии получают изображения слоев толщиной до 2 мм. Обработку сигналов осуществляют на компьютере: это так называемая компьютерная томография. Томография используется в медицинской диагностике и других областях науки и техники. В медицине благодаря своей высокой точности наибольшее применение получила ядерно-магнитная томография (ЯМР), использующая диапазон сверхвысоких частот. Однако компьютерная и ядерно-магнитная томография имеют побочные эффекты и применяются строго по показаниям.

Еще один метод томографии - магнитно-резонансный. Он позволяет сканировать любую часть тела в нужном направлении. Основная задача медиков при постановке диагноза - определить места уплотнений, разрежений, кровяных сгустков в ткани. Магнитно-резонансная томография позволяет это сделать. За ее разработку Пол Лотербур (США) получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2003 году. После математической обработки сигналы от магнитно-резонансного томографа превращаются в изображение на экране компьютера. Через несколько секунд врач может увидеть, как выглядит больной орган. Этот метод разработал второй нобелевский лауреат по физиологии и медицине в 2003 году Питер Мэнсфилд (Великобритания). С помощью магнитно-резонансной томографии можно с высокой вероятностью диагностировать злокачественные опухоли, воспалительные процессы, кисты, инсульты, рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, вывихи, переломы, смещение межпозвонковых дисков.

Аппарат МРТ (магнитно-резонансной томографии

За последние годы значительно улучшилась техника и сократилось время получения четкого рентгеновского изображения. Этого удалось достичь благодаря использованию электронно-оптических усилителей и высокочувствительных датчиков. При компьютерной томографии излучатель движется вокруг биологического объекта, формируя множество отдельных рентгенограмм. Полученные изображения исследуемой области организма поступают в компьютер, где подвергаются обработке. В результате получается компьютеризированный срез человеческого тела с четкой прорисовкой всех деталей или стереоскопическое изображение исследуемой области.

До недавнего времени рентгеновские компьютерные томографы использовались только для исследования головного мозга. Это было связано с большим временем получения томограмм (4-6 мин) и с малым диаметром зоны томографирования (24 см). Незначительные естественные движения человека во время исследования (например, дыхание) приводили к значительным помехам в формировании изображения. В современных томографах время томографирования снижено до 1-3 с, а диаметр зоны исследования доведен до 70 см. Это позволило исследовать любую область человеческого тела и свести до минимума помехи от непроизвольных движений пациента.

Аппарат МРТ

МРТ головного мозга

Томограмма (фас) головного мозга (после обработки на компьютере)

Томограмма (профиль) головного мозга (после обработки на компьютере)

Все эти современные методы позволили "заглянуть" в организм человека, не разрушая его. Для этого нет нужды ждать, пока "вскрытие покажет", как говорилось в мрачной медицинской шутке.

Теперь - о молекулярной медицине, эпоха которой наступила в начале XXI века в результате поразительных успехов, достигнутых генетикой и генной инженерией.

Молекулярная медицина - это диагностика, лечение и профилактика наследственных и ненаследственных болезней на генном уровне. Она сможет выявить генетическую предрасположенность человека к различным болезням, проводить лечение наследственных и ненаследственных заболеваний на генном уровне. При этом в качестве лекарственного препарата будут выступать гены. Генная терапия не только устраняет определенные симптомы болезни, но и корректирует функции клеток и всего организма. Ее терапевтический эффект может достигаться заменой "больного" гена на "здоровый", коррекцией его структуры и функции, частичным или полным его подавлением.

Днем рождения реальной генной терапии может считаться 14 сентября 1990 года. В этот день было благополучно завершено лечение 4-летней девочки, родившейся с редким заболеванием - первичным иммунодефицитом. Любая детская болезнь могла убить ее в первые месяцы или годы жизни. Ученые национального института здоровья США забрали клетки иммунной системы девочки, ввели в них с помощью вирусов нормальные человеческие гены, которых ей недоставало, и вернули их в организм ребенка. Вскоре эту процедуру провели еще одной 9-летней девочке. В следующие два года детям проводили такую процедуру еще 12 раз. И хотя она не принесла девочкам полного излечения, перестроенные клетки выживают и производят необходимый больным недостающий фермент.

Существует два способа введения генетической информации в организм больного.

В первом из них, как в случае с американскими девочками, клетки извлекают из организма, вводят в них необходимый ген и снова возвращают. Эти клетки для организма "свои", иммунная система их не отторгает, и они затем синтезируют необходимый продукт, которого не хватало организму.

Другой способ - доставка генов прямо в организм. Чаще всего для доставки используют измененные и поэтому безопасные для организма вирусы, к которым "приклеивают" необходимые гены или их фрагменты.

Еще один важный принцип молекулярной медицины: любое лекарственное лечение должно подбираться строго индивидуально, учитывая особенности генома данного больного. Этим занимается новая наука - фармакогенетика.

В наши дни уже началось практическое применение молекулярной медицины. Широко используется молекулярная диагностика наследственных заболеваний, в том числе и до рождения (так называемая пренатальная диагностика). Проводится определение генов предрасположенности к некоторым распространенным болезням, точная идентификация личности на основе анализа особенностей структуры ее генома. Этот метод был с успехом применен при генетическом анализе останков царской семьи. Используется он и для определения личности погибших в первой чеченской войне.

В геноме человека насчитывается несколько десятков тысяч различных генов. Изменения в некоторых из них приводят к наследственным заболеваниям. Гены наиболее частых и сравнительно редких наследственных болезней уже выявлены. Методы их обнаружения достаточно просты и универсальны и поэтому широко применяются в медицине.

Выявление генов наследственных болезней на ранних сроках беременности (с 10-ой недели) позволяет предотвратить рождение больного ребенка. Методы генной терапии дают возможность лечить различные генетические патологии в период внутриутробного развития. Введенный ген или генная конструкция предотвращает начало развития болезни у плода. После такой терапии можно обойтись без искусственного прерывания беременности: ребенок рождается здоровым.

Еще более важно выявление бессимптомных взрослых носителей наследственных заболеваний - потенциальных родителей. Врачи обязаны предупредить таких людей о вероятности рождения у них больных детей.

Методы молекулярной диагностики дают возможность выявить не только гены наследственных болезней, но и гены предрасположенности к тому или иному заболеванию.

В будущем предполагается создать "генетический паспорт" гражданина. Он должен содержать информацию о наличии в его геноме генов наследственных болезней и генов предрасположенности к другим заболеваниям.

Кроме всех этих технических и биологических средств диагностики, к услугам врача экспертные системы, которые на основе проведенных исследований помогают установить правильный диагноз и назначить соответствующее лечение. В эти системы заложен весь предыдущий врачебный опыт.

Благодаря развитию современных информационных технологий и, прежде всего, средств связи началось развитие телемедицины (то есть "медицины на расстоянии") - использование современных компьютерных средств обработки и передачи информации между "центром" и "периферией" здравоохранения.

Она даст возможность врачам даже небольших городов и населенных пунктов консультироваться у специалистов из медицинских центров Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, передавать истории болезни из одной клиники в другую, проводить всероссийские медицинские телеконференции, курсы повышения квалификации врачей, что называется, "без отрыва от производства".

Участковый врач не может одинаково хорошо разбираться во всех болезнях. Его задача - быстро и точно определить характер болезни, оказать необходимую помощь. В более сложных случаях появляется необходимость направить больного к узкому специалисту, например окулисту, урологу или гинекологу. А квалифицированные узкие специалисты, чаще всего, работают в больницах и институтах больших городов.

Смысл телемедицины - в создании федеральной информационной сети, объединяющей медицинские учреждения (специализированные академические институты, клиники, больницы, учебные медицинские институты и училища). Медицинские учреждения внутри каждого города должны соединяться системами локальной связи (оптоволоконными, телефонными, радиорелейными), а в разных городах - междугородными коммуникациями (в основном системами спутниковой связи). Для этого необходимо развивать средства передачи, приема и воспроизведения информации в самих медицинских учреждениях и объединять их внутрибольничными сетями. Такие сети позволят передать информацию о больных (рентгеновские снимки, результаты анализов, электрокардиограммы, данные компьютерной томографии, УЗИ) напрямую квалифицированному узкому специалисту. И тогда во многих случаях необходимость поездки больного в Москву, Санкт-Петербург или другой крупный город на консультацию отпадет.

Приходит на помощь медицине и робототехника. Уже выполнено 35 уникальных операций на сердце с помощью хирургической роботизированной системы. Одна из них проведена в России, в Научном центре сердечно-сосудистой хирургии им. Бакулева.

В операционной хирург должен соответствующим образом положить больного, подвести к нему робот, разместить его, а дальше операция проводится роботом по указаниям компьютера. Хирург голосом отдает команды компьютеру, в который заложены определенные программы, а он в свою очередь командует роботом, имеющим набор инструментов: иглодержатель, пинцет, ножницы и др. Инструменты зафиксированы в руках-держателях робота, обладающих высокой подвижностью. Робот манипулирует ими лучше, чем бригада из двух-трех хирургов. Он может работать из самых неудобных положений.

Роботизированная система способна продлить профессиональную деятельность выдающихся хирургов. Ведь с возрастом снижается выносливость, пальцы быстрее устают и начинают дрожать, а знания и опыт остаются.

С помощью такой роботизированной системы в Научном центре имени Бакулева впервые в медицинской практике было осуществлено шунтирование сосудов сердца, забитых атеросклеротическими отложениями, на бьющемся сердце без использования аппарата искусственного кровообращения. При этом было вшито 3 шунта.

Один из хирургов вскрывает грудную клетку больного и подготавливает пораженные сосуды к шунтированию. Другие вырезают из вен на его ногах фрагменты сосудов для шунтов. А затем хирург-оператор, глядя на монитор, через компьютер, отдающий команды роботу, начинает делать основную часть операции - подшивать шунты. Робот воспринимает только голосовые команды хирурга-оператора, не реагируя на остальные звуки в операционной. При этом робот докладывает хирургу о своих действиях. Когда робот заканчивает подшивать шунты, хирург закрывает грудную клетку больного и накладывает швы. Операция закончена.

В Европе и США успешно проводят операции эндоскопического (то есть без вскрытия грудной клетки) шунтирования сосудов сердца с помощью хирургического робота Da Vinci. При эндоскопической операции достаточно проделать только четыре отверстия в грудной клетке диаметром 0,5 см. Хирург управляет манипуляторами робота, вводимыми через эти отверстия. При этом он следит за ними по монитору, соединенному с миниатюрной телевизионной камерой, даже не видя самого пациента. При помощи робота Da Vinci выполняются все этапы операции. После такой роботизированной операции восстановление пациента происходит за считанные дни. При эндоскопических операциях без вскрытия грудной клетки снижается вероятность послеоперационной инфекции.

Операционная часть хирургического робота Da Vinci

Следует подчеркнуть, что робот не заменяет хирурга, а только является помощником, облегчающим его труд при проведении операции.

0.13.1.2.Образование

Как уже указывалось в главе об истории книгопечатания, появление доступных печатных книг сделало грамотность насущной потребностью множества людей. Это вызвало целую революцию в образовании. До Гутенберга в Европе было всего около 30000 рукописных Библий, а к началу XVI века появилось более 9 000 000 печатных книг не только на религиозные, но и на самые разнообразные темы науки, литературы, искусства, политики. В результате к книгам и другой печатной информации получило доступ все общество, а не только служители церкви.

Печатная книга стала первым в истории средством массовой информации, позволившим передавать знания и опыт из поколения в поколение, причем в доступном, долговечном и достаточно компактном виде.

И по сей день книга остается основой всех видов обучения. Но произошедшая за последние полвека информационная революция внесла существенные коррективы. Широкое распространение персональных компьютеров и создание глобальной сети Интернет создало совершенно новые возможности в системе образования - от школьного до высшего специального.

В странах Запада все более популярным становится "виртуальное" образование - современная форма заочного обучения. Ученики, не имеющие возможности посещать занятия из-за удаленности от школы или инвалидности, обучаются через Интернет, не выходя из дома. После государственного экзамена они получают законные аттестаты.

С 1 сентября 1999 года в России также начала работать официальная виртуальная средняя школа. Ее ученики смогут получить аттестат о законченном среднем образовании.

С 1983 года в США началась реформа системы образования. В университете штата Колорадо учится 400 000, а в Калифорнийском университете - 500 000 студентов. В этих учебных заведениях студенты общаются с преподавателями и кафедрами с помощью коммуникационных сетей.

В нашей стране первым перешел на новый метод обучения Московский государственный университет экономики, статистики и информатики (МЭСИ). Благодаря этому прием студентов в год возрос с 500 до 5000 в год. В итоге их общее число достигло 40000 и превысило число студентов МГУ. В МЭСИ создано уже 100 электронных учебников, а преподаватели общаются со студентами по E-mail и даже в режиме on-line. При этом каждый студент имеет возможность самостоятельно выбирать 50 дисциплин, дающих право на получение высшего образования.

С развитием информационной сети все ее пользователи, в том числе и дети, смогут получать практически неограниченный объем информации. И тогда эрудиция и образованность каждого пользователя сети будут зависеть только от его любознательности и терпения.

Информационная сеть будет играть главную роль в процессе обучения. Она способна объединить труды и способности лучших преподавателей и лекторов. Школьные учителя и преподаватели высших учебных заведений смогут использовать их материалы в своей работе. Школьники и студенты получат возможность изучать их в интерактивном режиме.

Сегодня далеко не каждый человек может получить образование в таких элитарных университетах, как Кембридж, Оксфорд, Сорбонна или Гарвард - хотя бы по материальным соображениям. Со временем развитие информационной сети даст эту возможность любому учащемуся, независимо от уровня достатка его самого или его родителей. Информационная сеть создаст равные возможности получения образования для всех желающих учиться. Она станет для них своеобразным домашним учителем.

В середине XIX века американский конструктор и промышленник Сэмюэль Кольт сконструировал револьвер с шестизарядным барабаном "Кольт" и первым наладил массовое производство огнестрельного оружия. Важность этого события для становления демократического общества получила отражение в известном афоризме: "Господь Бог создал людей, а Кольт уравнял их в правах".

Директор Российского НИИ информационных образовательных технологий Николай Малышев в наши дни, в условиях становления информационного общества, перефразировал его так: "Интернет - это кольт, который уравнивает людей".

Информационной сети можно будет задавать вопросы и получать ответы на экране монитора или прослушивать их через звуковые колонки или наушники. Темп обучения будет подстраиваться под способности каждого индивидуального учащегося. Более способные будут учиться быстрее, а с отстающими можно будет повторять материал до тех пор, пока они его не усвоят, то есть станет возможным обучение по индивидуальному плану. При этом будет широко применяться моделирование, например астрономических, физических, химических или биологических явлений. Со временем для обучения будет применяться и виртуальная реальность.

Многие века образовательный процесс строился по очной схеме: "учитель- ученики" или "лектор-студенты". Однако существовало и заочное обучение: форма организации учебного процесса для лиц, сочетающих получение образования с профессиональной трудовой деятельностью. Оно предполагает самостоятельную работу обучающихся над учебным материалом. Можно было сдать экзамены по курсу средней школы экстерном, т.е. заочно.

Более современной формой заочного обучения в наше время стала дистанционная форма обучения - получение образовательных услуг без посещения высшего учебного заведения, с помощью современных информационно-образовательных технологий и систем телекоммуникации, таких как электронная почта, телевидение и Интернет.

Дистанционное образование дает возможность учиться удаленно от места обучения, не покидая свой дом или офис. Это позволяет современному специалисту учиться практически всю жизнь, без специальных командировок, отпусков, совмещая учебу с основной деятельностью. Можно учиться, находясь практически в любой точке земного шара, где есть компьютер и Интернет.

Так в чем же смысл дистанционного образования? Он был дан в одном из проектов "Концепции создания и развития системы дистанционного образования в России", разработанном в Госкомитете РФ по высшему образованию:

"Под дистанционным образованием понимается комплекс образовательных услуг, предоставляемых широким слоям населения в стране и за рубежом с помощью специализированной информационно-образовательной среды, базирующейся на средствах обмена учебной информацией на расстоянии (спутниковое телевидение, радио, компьютерная связь и т. п.)".

Обучаемые по системе дистанционного образования в основном не посещают регулярных занятий в виде лекций и семинаров, а работают в удобное для себя время, в удобном месте и в привычном темпе. Кроме того, студенту для поступления не требуется определенного образовательного уровня, и каждый может учиться столько, сколько ему необходимо для освоения предмета и получения зачетов.

Известно, что стоимость дистанционного обучения составляет 50-60% от стоимости очного обучения.

Конечно, дистанционная форма образования требует от обучающегося значительно большей самостоятельной нагрузки. Но новая роль отводится и преподавателю. На него теперь возлагаются координирование процесса обучения, корректирование учебного курса, консультации по составлению индивидуального учебного плана, руководство учебными проектами и др. Взаимодействие обучаемых и преподавателя в системе дистанционного обучения предполагает обмен сообщениями путем их взаимной посылки через компьютерные сети. То есть осуществляется обратная связь между обучающимся и преподавателем, позволяющая контролировать усвоение материала.

В Москве создан Интернет-университет информационных технологий, который выпускает целые комплекты книг по дистанционному обучению информационным технологиям.

Датской компанией Danware разработан и получил признание со стороны образовательных центров Европы и США программный продукт NetOp School. Разработанный для поддержки практически любого учебного процесса, осуществляемого с применением компьютеров, NetOp School успешно применяется в школах, высших учебных заведениях, негосударственных учебных центрах и на курсах повышения квалификации. Продукт NetOp School может использоваться в качестве платформы для организации дистанционного обучения через Интернет.

Выбор режима демонстрации

NetOp School дает преподавателю возможность обучать и помогать, не отрываясь от своего компьютера. Мультимедийный проектор не сможет обеспечить такого же эффекта демонстраций, как NetOp School, "проецирующая" необходимое изображение прямо на монитор слушателя. Преподаватель может одним нажатием кнопки мыши взять под контроль компьютер студента, что не дает студенту расслабиться и заняться посторонними делами. Учебное время, таким образом, расходуется более рационально, и разные части учебного курса изучаются в требуемой последовательности, без возвратов и повторов.

Ниже перечислены основные возможности системы NetOp School:

Программная система управления компьютерным классом NetOpSchool

NetOpSchool позволяет транслировать экраны преподавательского (или любого студенческого) компьютеров одновременно на все компьютеры класса. NetOpSchool подходит также и для виртуальных классов, в которых преподаватель и студенты находятся в разных помещениях, но их компьютеры подключены к сети.

Вы – преподаватель, инструктор или руководитель. Ваша аудитория – студенты (учащиеся) коллеги – могут находиться с вами в одной комнате, или в библиотеке, на территории учебного заведения, офиса, здании или даже в другой стране. Вы можете транслировать экран преподавателя или студента на все или на выбранные компьютеры класса; просматривать компьютеры экраны компьютеров учащихся, отслеживать ход работы, проводить тесты, управлять тем, как используются приложения Интернет на каждом из компьютеров.

NetOpSchool соединяет ваш компьютер с компьютерами ваших слушателей в интерактивный класс в сети. Появляется возможность транслировать экран вашего компьютера для всех слушателей, мониторинг экранов учащихся, проведение тестов и др.

NetOpSchool обеспечивает демонстрацию учебного материала с использованием с помощью мультимедийных проекторов и интерактивных досок, дает полный контроль над учебным процессом и позволяет контролировать студентов, поскольку программа установлена на каждом компьютере.

NetOpSchool состоит из двух модулей:

1. модуля Teacher, который устанавливается на компьютер преподавателя или инструктора, руководителя;
2. модуля Student, который устанавливается на компьютеры всех учащихся, слушателей или просто участников интерактивной аудитории.

Главное окно модуля Teacher это центр управления классом для преподавателя. Панель инструментов содержит кнопки действий преподавателя.

Окно модуля Student: панель инструментов содержит кнопки для подключения к классу и отключения от него, а также отправки запроса о помощи и его отмены.

Преподаватель может обращаться к каждому слушателю индивидуально, либо одновременно ко всей аудитории. NetOpSchool позволяет преподавателю блокировать клавиатуру и мышь учащихся во время демонстрации.

С помощью NetOpSchool преподаватель может отслеживать работу каждого слушателя индивидуально, либо всех учащихся одновременно.

Преподаватель имеет возможность продемонстрировать рабочий стол своего компьютера как индивидуально каждому слушателю, так и всем одновременно. Можно показывать учащимся видеофайлы.

NetOpSchool позволяет отслеживать работу отдельного слушателя, либо всех одновременно, а при необходимости брать управление отдаленным компьютером на себя – для оказания помощи при выполнении заданий. Имеется возможность распространять документы среди учащихся, например, бланки заданий, а затем собирать выполненные задания. Обеспечена возможность преподавателю блокировать доступ к определенным Интернет-сайтам. Обеспечена также аудио и видеозапись происходящего на компьютере преподавателя и учащегося для повторения в дальнейшем.

0.13.1.3.Финансы, банковское дело, торговля

Экономика, финансы и торговля - это области, целиком связанные с расчетами материальных, денежных ресурсов и живого труда.

Цивилизованная торговля невозможна без денег. Деньги (money) представляют собой товар особого рода, используемый при обмене как эквивалент всех других товаров. Информация о деньгах, о курсе валют интересуют практически всех людей. Деньги являются основой финансово-экономической системы любой страны. Курс основных валют публикуется во всех газетах, объявляется в выпусках новостей по радио и телевидению.

У денег существует пять основных функций:

1. Мера стоимости: деньги измеряют стоимость товаров через цены, сравнивая между собой товары с качественно различными потребительскими свойствами.
2. Средство обращения - деньги играют роль посредников при товарообмене. Вместо того чтобы обменивать непосредственно один товар (Т1) на другой (Т2) - это называют бартером, - товаропроизводители получают за проданный ими товар деньги (Д), на которые приобретают нужные им иные товары. Эту функцию описывают формулой Т1 - Д - Т2.
3. Средство накопления - при помощи денег создается некий запас богатства. Речь идет об обыкновенном накоплении средств перед покупкой какого-либо дорогостоящего товара (или накоплении для иных целей). Например, чтобы купить машину, надо в течение ряда лет откладывать деньги, пока не накопится нужная сумма. Происходит разрыв цепочки: вместо Т1 - Д - Т2 происходит сначала Т1 - Д, и только затем, спустя значительный промежуток времени, Д - Т2: деньги временно извлекаются из оборота и находятся "на руках" у товаропроизводителей, продажа одного товара не сопровождается немедленной покупкой другого.
4. Средство платежа - движение денег "отрывается" от движения товаров, запаздывает по сравнению с ним. Это происходит при развитии кредита. Так, покупатель может купить машину в рассрочку, в результате чего он сразу становится ее обладателем, но еще в течение длительного времени вносит частями платежи за нее. Особенно ярко этот отрыв проявляется во взаимоотношениях граждан и государства: налоги в принципе являются платой за предоставляемые государством "общественные товары" (услуги защиты прав собственности, военной защиты, систем общедоступного образования и здравоохранения), однако величина этих услуг, предоставленных конкретному гражданину, слабо зависит от количества конкретно им уплаченных налогов.
5. Мировые деньги - свободное обращение некоторых видов денег за пределами своих национальных границ. До 20 в. роль мировых денег играли денежные знаки из благородных металлов. В наши дни эту роль выполняют наиболее надежные национальные валюты (прежде всего, доллар и евро).

Возникновение денег. Как только в первобытном обществе возник систематический обмен разными товарами, появилась и необходимость в изобретении денег. В тех случаях, когда не было этого универсального товара, обмен оказывался очень затрудненным.

Чтобы получить возможность совершать сделки купли-продажи с любыми товарами, начали использовать первые "первобытные деньги". Их роль в разных регионах планеты выполняли самые различные особые товары, обладавшие относительной однородностью, распространенностью, высокой и постоянной ценностью: скот, зерно, меха, редкие раковины, соль, рабы и т.д.

Чаще всего роль "первобытных" денег выполнял скот. Латинское название денег "pecunia" происходит от "pecus" - скот, домашние животные. Так было и у славян: от древнеславянского слово "скот" произошли первые русские финансовые термины: "скотница" - казна, "скотник" - казначей. Другой денежной единицей Древней Руси являлись шкурки куницы (куны).

В отдаленных регионах планеты такие деньги использовались даже в 20 в. По мере развития товарообмена из многих видов "первобытных" денег выделились драгоценные металлы, которые постепенно стали универсальной формой денег.

Металлические деньги. Однако скот, раковины, шкурки не были еще полноценными деньгами. Ведь они не обладали в полном объеме качествами, необходимыми деньгам - например, способностью дробиться на мелкие доли и объединяться в любых количествах при полном сохранении своих качеств.

Лишь золото и серебро смогли стать универсальными деньгами, поскольку они не портились с течением времени и легко делились на части. Эти металлы обладали одновременно высокой стоимостью и относительно широкой распространенностью (они встречаются практически во всех регионах планеты, но в малой концентрации). Поскольку для добычи небольшого количества денежного металла было необходимо затратить большое количество труда, то этот металл был очень портативен - небольшой кусочек золота обладал высокой ценностью, что облегчало его использование в товарообороте.

В обмене использовались слитки непроизвольных размеров, требующие постоянного взвешивания, а стандартизированной формы и качества. Примерно в конце 7 в. до н. э. в Лидии (Малая Азия) были изобретены монеты - круглые слитки драгоценных металлов, чьи стандарты гарантировались государственной чеканкой. Монеты быстро стали универсальным средством обмена для большинства цивилизаций Старого Света. Происхождение слова "монета" связано с названием храма богини Юноны-Монеты (от лат. moneo - советую), на территории которого с 275 г.до н.э. началась чеканка денежных знаков Древнего Рима.

Древнегреческая монета

Древнеримская монета

Поскольку золотые и серебряные монеты обладали собственной ценностью, их можно было использовать во всех странах, где были в ходу металлические деньги. Однако каждое государство стремилось чеканить собственную монету, демонстрируя этим свой суверенитет.

На территории России чеканка собственных монет, серебряных и золотых, началась во времена Владимира Святославовича после принятия им христианства. Во время татаро-монгольского ига отдельные русские княжества чеканили свои монеты, но одновременно имела и хождение татарская серебряная "теньге" (от нее и произошло название российских "денег"). Из слитков серебра в 13 в. рубились куски, получившие название "рублей". Лишь по реформе 1534 года в России началась чеканка общегосударственной монеты - серебряной "копейки", названной так потому, что на ней был отчеканен всадник с копьем. При Петре I появились новые серебряные номиналы - десять денег (5 копеек), гривенник - 10 копеек, полуполтинник (25 копеек) и полтинник (50 копеек). В 1704 впервые отчеканен серебряный рубль. С 1718 в России появились и золотые деньги (червонцы). Россия нового времени стала первой в мире страной с десятичной денежно-весовой системой, принятой впоследствии большинством стран.

Существовало два типа денежных систем, основанных на обращении металлических денег: биметаллизм, когда роль всеобщего эквивалента играют два металла: золото и серебро; монометаллизм, когда в роли всеобщего эквивалента и универсального соизмерителя выступает один металл.

Исторически известны три вида монометаллизма: медный (как в античном Риме в 5-3 вв. до н.э.); серебряный (так было в России в середине 19 в., в Китае Нового времени); золотой (например, в Великобритании и других развитых странах Западной Европы с 1870-1890-х до 1914).

Золотой монометаллизм до 1914 года существовал в форме "золотого стандарта", для которого были характерны свободная чеканка золотых монет, свободный обмен бумажных денег на золото и свободное движение золота между странами. Золотой стандарт рухнул во время первой мировой, когда все активно воюющие страны, нуждаясь в средствах для оплаты многочисленных военных заказов, интенсивно печатали бумажные деньги, не обеспеченные национальным золотым запасом.

Царский золотой червонец

Золотой червонец, РСФСР, 1922 г

В 1944 году в качестве единственной резервной валюты, поддерживающей стоимость золота, был объявлен доллар США. Распад золотодолларовой системы в 1960-70-е годы привел к практически полному прекращению использования денег из драгоценных металлов. Металлические деньги сохранились только как мелкие монеты.

Хотя в роли средства накопления бумажные деньги хуже полноценных металлических, но зато функцию меры стоимости они выполняют так же успешно, а в роли средств обращения и платежа бумажные деньги заметно удобнее.

Первые бумажные деньги появились в средневековом Китае, где они широко использовались с 11 по 14 вв. В Западной Европе бумажные деньги были изобретены заметно позже, чем в Китае. Характерно, что переход к бумажному денежному обращению примерно совпадает с формированием капиталистического строя.

Первоначально бумажные деньги выпускались коммерческими банками, их обеспечением был капитал банка. Однако уже в 18 в. банкноты стали выпускаться только государством. Постепенно они перестали обмениваться на золото, став обычными бумажными деньгами. Банкноты, являясь чисто символическими деньгами, требуют для своего эффективного функционирования государственные гарантии.

Частные деньги полностью исчезли в 19 в.

Бумажные денежные банкноты СССР

Безналичные деньги. Во 2-й половине 20 в. начался новый этап эволюции денег - переход к безналичному денежному обращению. Сначала появились чековые вклады, потом - кредитные карточки.

Владелец чека хранит свои деньги в банке на текущем счете (депозите), посредством специальной квитанции из своей чековой книжки он может дать указание банку выплатить ту или иную сумму денег определенному лицу, предъявившему данный чек к оплате. Поскольку выдача денег по чеку обязательно требует передаточной подписи владельца чековой книжки, кража или потеря чековой книжки не наносит такого ущерба владельцу, как потеря наличных денег. В США более 90% сделок в долларовом выражении осуществляются именно с помощью чеков.

Упрощенной модификацией чека является кредитная карточка, которая позволяет не только тратить деньги в пределах суммы на счете владельца карточки, но и пользоваться кредитом. "Электронные деньги" (так называют кредитные карточки) для розничных покупателей впервые появились во Франции в 1970-х, сейчас они широко используются во всех развитых странах мира. Их использование получило наибольшее распространение в США, где оно стремительно растет.

Подавляющая доля современных денег вообще не имеет материальной формы - ни металлической, ни бумажной. Современные деньги эпохи НТР - это "электронные деньги", существующие исключительно в виде записи на счетах клиентов, занесенных в память банковских компьютеров. При оптовой торговле производится перевод определенной суммы со счета одной фирмы на счет другой. При розничной торговле покупатели чаще всего предъявляют кредитную карточку, при помощи которой опять-таки происходит перевод со счета покупателя на счет торговой организации. Поскольку "электронные деньги" нельзя взять в руки, то их не надо перевозить, их почти невозможно отнять во время обычной кражи или ограбления (если бандит забирает кредитную карточку, ее хозяин может быстро заблокировать свой счет). Однако банки вынуждены постоянно защищать свои компьютеры от проникновения в них хакеров.

Современная денежная система. Денежная система - это исторически сложившаяся форма организации денежного обращения, закрепленная законодательно. Она содержит следующие элементы: денежную единицу; масштаб цен; виды государственных денежных знаков; порядок выпуска (эмиссии) денег; регламентацию безналичного оборота; государственные органы по регулированию денежного оборота. Например, в современной России официальной денежной единицей является рубль, выпуск других денежных единиц запрещен, официального соотношения между рублем и золотом (или другими драгоценными металлами) не установлено, а исключительное право выпуска наличных денег, организации и изъятия их из обращения на территории РФ принадлежит Центральному банку России.

Денежная единица - это установленный в законодательном порядке денежный знак (доллар, евро, рубль и т.д.), который служит для соизмерения и выражения цен всех товаров. Иногда она имеет золотое содержание, но следует заметить, что в современной экономике золотое содержание валюты чаще всего является номинальным, так как практически ни в одной стране мира деньги на золото непосредственно не размениваются.

Денежная единица, как правило, делится на мелкие кратные части. В большинстве стран установлена десятичная система деления 1:10:100 (1 долл. США равен 100 центам, 1 рубль - 100 копейкам и т.д.).

Масштаб цен означает, что цены всех товаров и услуг измеряются определенным количеством денежных единиц. Например, говорят: "в нашем магазине буханка хлеба стоит 10 рублей".

Денежное обращение состоит из движения наличных денег (в среднем в экономически развитых странах они составляют менее 15% от обращения) и безналичного оборота. Почти все деньги в современной экономике являются кредитными деньгами. Разменные монеты и казначейские билеты занимают в обращении малый удельный вес. Значительная (возможно даже, подавляющая) доля наличных денег вращается не в легальной, а в теневой экономике.

Кредитные деньги включают в себя:

1. Банкноты (банковские билеты) являются основным элементом наличной денежной массы.
2. Чеки и кредитные карточки - это главные средства безналичных расчетов.
   

   
   Банкноты – доллары США – 1,2,5, 10, 20, 50, 100

   

   
   Монета США – квотер (25 центов)

   

   
   Монета США – дайм (10 центов)

   

   
   Банкноты и монеты Евро

   

   
   Банкноты и монеты Евро

   

   
   Кредитный билет один рубль СССР 1961 г

   

   
   Банкнота Российской федерации 5000 рублей

   

   
   Банкноты Российской федерации 1000 рублей

   

   
   Монеты РФ

   

   
   Пластиковая карта MasterCard

Экономика, финансы и торговля - это области, целиком связанные с расчетами материальных ресурсов и живого труда.

На протяжении веков хозяева торговых заведений не могли с точностью определить собственные доходы.

Из-за халатности, неграмотности и лености счета их служащих, представляемые хозяевам данные оказывались неполными. Более того, ситуация открывала широчайшие возможности для хищений, особенно в тех случаях, когда товарооборот был большим, а продавцы или буфетчики расплачивались с покупателями из собственного кармана или из кассы. Именно в таком положении оказался хозяин маленького кафе в американском городе Дейтон, штат Огайо, Джеймс Ритти. Иммигрант из Эльзаса, отличавшийся немецкой аккуратностью, был удивлен тем, что, несмотря на большое число посетителей, совсем не получал прибыли. И начал подозревать, что причиной тому - слабость буфетчиков, не удерживающихся от соблазна запустить руку в открытый ящик с деньгами. Мелкое воровство, подрывавшее его дело, стало беспокоить Ритти так сильно, что он отправился на родину в Европу в надежде на исцеление. Однако "исцеление" неожиданно пришло раньше: на корабле во время плавания через океан. Прогуливаясь по судну, Ритти забрел в машинное отделение, где обратил внимание на устройство, автоматически отсчитывавшее каждый оборот двигательного вала. И ему пришла в голову мысль, что подобное же устройство может фиксировать каждую покупку в баре или кафе.

Ритти немедленно вернулся в Дейтон, где вместе с братом сконструировал простейший кассовый аппарат, запатентованный 4 ноября 1879 года. В первой модели каждая торговая операция фиксировалась на диске. Чуть позже появился специальный индикатор, позволявший и кассиру, и покупателю видеть стоимость покупки. Теперь, после того как индикатор показал сумму, которую продавец должен был положить в кассовый ящик, возможность что-либо утаить становился значительно меньше. И новое изобретение получило название "неподкупного кассира Ритти".

Ритти не сомневался в правильности избранного пути и продолжал совершенствовать свое детище. Он же придумал приспособление, фиксировавшее каждую денежную операцию на бумажном рулоне. Теперь хозяин мог сверить сумму наличных в кассе с суммой, обозначенной на рулоне, и точно узнать, сколько было сделано покупок за день.

Ритти продал свой бизнес по производству кассовых аппаратов вместе с патентом за $1000.

Вклад следующего владельца патента состоял в автоматическом выдвижном ящичке с деньгами и колокольчике, звеневшем всякий раз, когда ящик открывался. Теперь, чтобы получить доступ к содержимому ящика, приходилось фиксировать каждую оплату товара. "Колокольчик звенит, значит, покупка сделана", говорили американцы. Большая заслуга в этом принадлежит Джону Паттерсону, который оказался не только одаренным инженером-изобретателем, но и разработчиком новой глобальной стратегии организации торговли. В 1884 г. Джон Х. Паттерсон основал компанию National Cash Register Company (NCR), которая выпустила первый полноценный механический кассовый аппарат.

Рис. 12.3.  Кассовый аппарат

Спрос на кассовые аппараты возрастал не только в США, но и по всему миру. Паттерсон изобрел приспособление для отпечатывания чека покупателю. Более существенным были приспособления, позволяющие заведующему складом автоматически получать сведения об общем количестве проданных товаров, о товарах, проданных каждым продавцом, каждым отделом, обо всех произведенных торговых операциях. Получение этих данных вызвало революцию в сфере учета коммерческих операций.

Уже к 1911 году - было продано более 1 миллиона кассовых аппаратов NCR.

В Россию кассовые аппараты пришли уже в конце 19 века с крупными европейскими магазинами типа московского Мюра и Мэрилиза (нынешний московский ЦУМ).

Долгие годы типичным образом бухгалтера был старик из водевиля "Юбилей" А.П. Чехова, без конца пишущий свой отчет и щелкающий на счетах. Затем счеты в бухгалтерии сменил механический арифмометр, который нужно было крутить за ручку (рис. 12.4). Он выполнял арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления.

Рис. 12.4.  Механический арифмометр

Позднее арифмометр сменила грохочущая электромеханическая счетная машина, а затем - электронный калькулятор. Но все операции экономист и бухгалтер производили вручную. И лишь персональный компьютер позволил автоматизировать этот труд. С помощью специальных прикладных программ стало возможным ввести исходные данные и получить готовый результат.

Для развития этих отраслей решающую роль сыграли три важнейших изобретения: пластиковые карточки, банкомат и штрих-код.

Пластиковая Smart-карточка (рис. 12.5) со встроенным микропроцессором позволяет любому человеку в большинстве развитых стран обходиться без необходимости носить с собой наличные деньги. Она представляет собой пластиковый прямоугольник размером 85х54 мм. Информация хранится в энергонезависимой памяти (EEPROM). Встроенный микропроцессор обеспечивает защиту памяти от несанкционированного доступа.

Рис. 12.5.  Пластиковые Smart-карточки

Кроме карточек со встроенным микропроцессором выпускается множество более простых карточек с магнитной полосой - карточки для телефонных разговоров, для проезда на метро и многие другие.

В мире существует несколько наиболее известных электронных платежных систем, таких как VISA, EuroCard/MasterCard.

Предшественниками современных карт были карточки, которые выпускали крупные американские отели, нефтяные компании и магазины в начале века. Эти товарные карточки имели два назначения - следить за счетом клиента и обеспечить механизм записи его покупок. Их появление было логическим продолжением оплаты в рассрочку.

Эра современной универсальной кредитной карты началась в 1949 году с образования Diners Club, которая становилась посредником между покупателем и фирмой, обеспечивая кредит одному и другому и беря плату за услуги. В 1958 году American Express, крупнейшая компания дорожных чеков, вышла на рынок универсальных кредитных карт. Americard поменяла имя на VISA в 1976 году. Цель - международное признание. MasterCharge в 1980 году стала MasterCard.

В банке можно открыть счет и получить пластиковую карточку. Одновременно владельцу карточки сообщается пароль (PIN-код). Такую карточку невозможно подделать или снять с нее дубликат. Без знания PIN-кода нельзя провести операции дебетования, кредитования и просмотра баланса карты. Кроме того, если PIN-код был три раза подряд неправильно набран, то карточка блокируется: работать с ней становится невозможным. Для ее разблокирования необходимо внести код разблокирования - более длинный, чем PIN-код.

Микропроцессор карточки следит за целостностью данных в ней. Доступ к данным, содержащим платежный баланс, защищен специальным "ключом". Он назначается банком, выдавшем данную карточку. Поэтому Smart-карту можно безбоязненно повсюду возить с собой. При потере никто не сможет получить по ней деньги, так как пароль известен только владельцу, а неизрасходованные деньги остаются на счету банка и могут быть затем возвращены на счет клиента. Владелец карточки имеет два пароля: один для зачисления средств, а другой - для их списания. При проведении платежных операций с Smart-картой не требуется наличие связи между банком и банкоматом. В этом состоит их преимущество по сравнению с картами с магнитной полосой. Ведь при снятии денег с карты с магнитной полосой необходима предварительная проверка наличия данной суммы на счете в банке. С таким "электронным кошельком" можно идти в магазин. Прежде всего, нужно убедиться, что в этом магазине оплачивают товары по той платежной системе, например VISA, которой принадлежит данная карточка. Названия (логотипы) этих систем всегда вывешиваются на дверях магазина. Оплачивая покупку, нужно вставить свою пластиковую карточку в специальное считывающее устройство торгового терминала и ввести свой пароль. Происходит оплата покупки, и владелец карточки получает чек. При этом в кассе магазина не скапливаются крупные суммы наличных денег, что уменьшает опасность ограблений при инкассации. Таким же образом можно получать зарплату, расплачиваться в ресторане, парикмахерской или на бензоколонке.

Недавно Smart-карты начали применять в аптеках для учета и безналичной оплаты всех льготных рецептов на лекарства. Это обеспечило абсолютную прозрачность всех механизмов льготного обслуживания и высококачественную статистику. Благодаря этой системе можно узнать о каждом больном: какие лекарства и как часто он получает; о враче - насколько верно и кому он назначает эти лекарства; об аптеке - какие лекарства через нее проходят, в каких формах и упаковках; о поликлинике - кого и как она обслуживает.

Получить наличные деньги по пластиковой карточке можно через банкомат - электронно-механическое устройство, работающее 24 часа в сутки (рис. 12.6), то есть в любом отделении банка в любое удобное для владельца карточки время. В банкомате можно также получить справку об остатке денег на счету и выписку о последних операциях. При выезде за рубеж можно взять с собой карточку с любой суммой и не вносить ее в таможенную декларацию. Можно по этой карточке во всем мире получать наличные деньги, оплачивать товары и услуги. При этом нет необходимости обменивать наличную валюту.

Рис. 12.6.  Банкомат

В Москве пенсионерам и студентам бесплатно выдается "Социальная карта - Visa Electron", с помощью которой ее владельцы могут получать социальные льготы, предусмотренные Правительством Москвы.

На эту карту можно перечислять пенсию, стипендию и собственные свободные средства, и получать повышенные проценты на остаток средств на карте.

Оплачивая покупки в магазинах, аптеках и предприятиях сервиса по этой карте, можно получать скидки на товары и услуги.

С помощью социальной карты можно оплачивать жилищно-коммунальные услуги.

Даже потеряв карту, ее обладатель не теряет средства, так как Банк блокирует доступ к его счету. При получении карты необходимо записать ее номер (16 цифр, сгруппированных в виде 4-х групп по 4 цифры на лицевой стороне) и хранить эту запись дома на случай утери карты. Нужно запомнить секретный (PIN-код), который обладатель карты получает в запечатанном конверте, и кодовое слово, указанное при открытии карты. Без них владелец не сможет снять деньги с карты или заблокировать ее в случае утери. На карте имеется цифровая фотография владельца.

Социальная карта обеспечивает бесплатный проезд в московском метро, на наземном общественном транспорте, в пригородных поездах московской железной дороги.

При посещении поликлиники социальная карта заменяет собой полис обязательного медицинского страхования (также представляющего собой пластиковую карту), поскольку все данные полиса медицинского страхования закодированы в ней.

"Социальная карта - Visa Electron" обеспечивает все преимущества, которые есть у владельцев карт Visa. Она принимается в более чем 30000 торговых точках России. Пользоваться этой картой удобно и более безопасно, чем наличными деньгами.

Технология пластиковых карт продолжает развиваться - появилась пластиковая смарт-карта с "дуальным интерфейсом", которая может работать не только традиционным контактным способом, но и бесконтактным, через радиоканал. Такую карточку не нужно вставлять в терминал, ее данные передаются "по воздуху", что ускоряет процесс обслуживания. Так, например, была предпринята попытка внедрить проход пассажиров в метро по контактным смарт-картам. Карту нужно было вставить в щель турникета, происходило считывание, а затем нужно было вынуть ее из турникета. При этом на проход каждого пассажира уходило 8 секунд. При использовании дуальных карт время прохода через турникет можно сократить до 0,1 секунды, т.е. в 80 раз.

Еще одна цифровая технология знакома каждому человеку: штриховой код (ШК) - последовательность черных и белых полос вместе с цифрами и буквами (рис. 12.7). Штриховой код печатается на простой бумаге или прямо на упаковке предмета, либо на самоклеющейся этикетке.

Рис. 12.7.  Штрих-код. 1 - код страны; 2 - код изготовителя; 3 - код товара; 4 - контрольная цифра; 5 - знак товара, изготовленного по лицензии

Штриховое кодирование было изобретено молодым инженером Давидом Коллинзом. После окончания в 1950-х годах инженерного факультета Массачусетского технологического института он поступил работать на Пенсильванскую железную дорогу, где ему пришлось столкнуться с кропотливой работой - сортировкой вагонов. Чтобы упростить распознавание, инженер-изобретатель предложил записывать номера не только обычными цифрами, но и специальным кодом, который состоял из красных и синих полос, расположенных на стенке вагона в прямоугольнике длиной до полуметра. Это, в свою очередь, натолкнуло Коллинза на мысль, что придуманный штриховой код можно использовать не только на железной дороге. Он вспомнил, как 14-летним мальчиком подрабатывал по выходным на складе одного супермаркета. Сколько времени уходило на поиск нужного товара! Здесь именно и получил новое применение штриховой код в виде кода товара. Сегодня удается считывать код с помощью светового пятна диаметром всего в четверть миллиметра. Штриховой код позволяет считывать в компьютере информацию о номере товара практически мгновенно и абсолютно точно (не более одной ошибки на 10 млн считываний).

Информация в символе штрихового кода определяется соотношением ширины штрихов и пробелов между ними. Высота не имеет информационного смысла и просто должна обеспечивать надежное считывание, то есть пересечение лучом сканера всех штрихов кода.

Штриховые коды по сравнению с магнитными и радиоизотопными обладают более высокой надежностью их считывания. Для этого применяются специальные самоконтролирующиеся и самокорректирующиеся коды. Такие коды обнаруживают ошибки и исправляют их, если число ошибочных знаков не превышает 65-70%. Они обеспечивают вероятность одной ошибки на 30 миллионов считанных знаков. Применение штриховых кодов очень просто и экономично. Ведь его присутствие или отсутствие видно сразу, а его нанесение даже на дешевые товары почти не сказывается на их себестоимости.

Для считывания ШК используются сканеры штриховых кодов. Они засвечивают код своим осветителем и считывают полученную картинку. Ручной сканер имеет вид "пистолета" (рис. 12.8). Он вручную наводится на штриховой код, нанесенный на покупаемый товар, например лекарство. Считывание кода происходит при нажатии на курок этого "пистолета". Для стационарных сканеров, размещенных возле кассы, нужно поднести предмет с нанесенным носителем ШК (если это товар в упаковке, пластиковый или картонный пропуск либо промаркированная деталь) к сканеру или перемещать вдоль него. Сканер обнаруживает и считывает ШК, расшифровывает его и передает в компьютер.

Рис. 12.8.  Ручные сканеры для считывания штрихового кода

С помощью штрихового кодирования ведут учет товаров в торговле, складской учет, доставку почты, учет прохождения посетителей (имеющих пропуска, промаркированные ШК, в помещения, оборудованные сканерами ШК), учет лекарств в аптеках и больницах, учет движения книг в библиотеках и даже контроль соблюдения технологических процессов на производстве (например автомобилей и компьютеров).

Вспомним, как велась торговля в продовольственном магазине в советское время. Сначала мы стояли в очереди, предположим, в колбасный отдел. Просили 200-300 г колбасы. Продавщица взвешивала товар, заворачивала его в бумагу и объявляла цену взвешенного товара. После этого мы становились в очередь в кассу и "выбивали" чек на объявленную цену. И так для каждого отдела. И только после предъявления чека продавщица отдавала нам купленный товар. Сплошное стояние в очередях.

Сравним это с посещением современного супермаркета. Все товары заранее взвешены, упакованы, на них наклеены штриховые коды. Мы идем вдоль полок с товарами, берем в коляски и проволочные сумки выбранные товары и становимся в единственную очередь к кассиру-оператору. Он, не глядя, подносит каждый товар штрих-кодом к считывателю и называет общую сумму всех сделанных нами покупок. Все это экономит массу времени и нам, и кассиру.

В начале 1990-х годов зародился отечественный рынок бухгалтерских и экономических программ. К настоящему времени этот рынок уже сложился. Созданы программы универсальные и специализированные, с учетом работы в бюджетных и коммерческих организациях, для малых, средних и крупных предприятий.

Одним из ведущих отечественных производителей таких программных продуктов является фирма "1С", существующая с 1991 года. Этой фирмой разработан и продается комплекс программ 1С: Предприятие - готовое решение для пользователя, гибкий инструмент для специалиста. В него входят комплекты программ 1С: Бухгалтерия, Торговля и Склад (Оперативный торговый учет), Зарплата и Кадры (Расчет заработной платы и кадровый учет), Налогоплательщик, Аспект, Компактная торговая система, Платежные документы, Деньги.

Этот комплекс программ позволяет автоматизировать основные расчеты экономиста и бухгалтера.

Непременной принадлежностью любого магазина с давних времен был кассовый аппарат - металлический красавец с клавишами на выпуклой "груди" и ручкой сбоку. С его помощью кассир набирал полученную от покупателя сумму денег и, покрутив ручку, с шумом "выбивал" на бумажной ленте чек с указанием этой суммы. Кассовый аппарат - неотъемлемая часть любой покупки, от коробки спичек до автомобиля.

В наши дни существуют самые различные кассовые аппараты: от простых - автономных до компьютерных терминалов.

Небольшие автономные аппараты не имеют возможности обмениваться данными с персональным компьютером. Их обычно устанавливают в мелких торговых точках, имеющих небольшой товарооборот. Они способны только "выбивать" чеки и не обеспечивают учет товаров и подключение различного торгового оборудования, например, сканеров штрих-кода или электронных весов.

Более сложные пассивные системные кассовые аппараты могут подключаться к компьютеру для передачи информации о совершенных продажах. При отсутствии компьютера их можно использовать как автономные. Такие аппараты достаточно простые в работе и дешевые, встречаются наиболее часто.

Наиболее сложные активные системные кассовые аппараты представляют собой входное устройство - терминал компьютера, на котором установлена кассовая программа.

Эта программа имеет средства обмена данными для работы в составе систем автоматизации торгового процесса.

Кассовая программа предоставляет информацию в удобном для кассира виде. Это снижает число ошибочно пробитых чеков и ускоряет обслуживание покупателей. К такому кассовому терминалу можно подключать сканер штрих-кодов или электронные весы. Внутренняя память таких терминалов позволяет хранить целые справочники товаров и цен. И, наконец, все терминалы одного магазина или супермаркета позволяют объединить их в сеть, образующую целую торговую систему.

Обороты электронной коммерции сегодня исчисляются миллиардами долларов в год. А через 5-7 лет, как прогнозируют, это будут уже десятки и даже сотни миллиардов. Но как это начиналось? Электронную коммерцию создали сами потребители. Происходило это так. Потребитель всегда стремится покупать дешевле, то есть прямо у производителя. А еще лучше - покупать, не выходя из дома. Можно увидеть новый товар по телевизору или в каталоге, тут же позвонить и заказать его.

А через Интернет сделать это еще проще. Это особенно важно, когда речь идет не о покупке обычного товара, а, скажем, о некой сделке, которую собираются заключить предприниматели из разных стран. Чтобы вести переговоры, нужно говорить на одном языке.

Конечно, многие бизнесмены разных стран владеют английским. Но этого недостаточно, так как, чтобы договориться по телефону, надо говорить бегло и легко понимать собеседника. Вот это препятствие и устраняют контакты через Интернет, ведь написанное на экране компьютера можно перечитать несколько раз.

0.13.1.4.Юриспруденция

До недавних пор единственным способом получить информацию по правовым вопросам была только консультация юриста. А сегодня такая информация необходима каждому, и работающему и пенсионеру: как отстоять свои права потребителя при покупке недвижимости, автомобиля, перед администрацией своего завода или фирмы, при оформлении или перерасчете пенсии.

В наше время для этого созданы правовые информационно-справочные системы.

Федеральное собрание, президент, правительство, министерства и самые различные ведомства разрабатывают и принимают новые законы, указы и постановления. Уследить за потоком этой правовой информации не может не только рядовой гражданин, но и опытный юрист. Вот тут-то и приходят на помощь правовые электронные информационно-справочные системы.

Первые такие системы были созданы в странах Запада во второй половине 1960-х годов. В 1967 году в Бельгии была разработана и начала функционировать электронная картотека CREDOC. Она содержала документы внутреннего и международного права. Для того чтобы получить из нее сведения, нужно было обратиться в информационное бюро, из которого ответ можно было получить только через несколько дней (от 2 до 8).

В том же 1967 году в США была начата разработка одной из самых известных справочных правовых систем LEXIS-NEXIS. Она позволяет работать с полными текстами правовых документов.

В настоящее время, после появления персональных компьютеров, во многих странах (США, Великобритании, Германии, Франции, Италии, Финляндии и др.) произошло широкое распространение правовых справочных систем. Их теперь насчитывается около ста.

В нашей стране работы в этой области были начаты в 1975 году. Первая справочно-правовая система ЮСИС появилась в 1989 году. В 1990 году была создана система "Гарант", а в 1992 году - система "КонсультантПлюс".

Сегодня в нашей стране существует целый ряд правовых справочных систем: "Кодекс", "Референт", "Юридический мир", "Ваше право", "Юристконсульт", "Законодательство России". Однако самыми крупными являются "Гарант" и "КонсультантПлюс". Эти две фирмы создали разветвленную сеть своих информационных центров в различных регионах России.

Они отличаются друг от друга методом размещения новых правовых документов.

Так, в "Гаранте" при появлении новой редакции документа старый вариант заменяется новым, а в его тексте делается гиперссылка на предыдущую редакцию. Таким образом, пользователь системы "Гарант" всегда работает с самым "свежим" законодательством.

В системе "КонсультантПлюс" новые редакции встраивают в старые документы и вводят комментарии ко всем изменениям. Время от времени давно устаревшие документы удаляют. Новые версии "Консультанта" можно пополнять с дискет или по электронной почте, заключив договор с сервисным центром.

Обе системы отличаются друг от друга по содержанию и классификации.

В "Гаранте" тематика законодательства делится по отраслям - на гражданское, уголовное, административное, земельное, банковское, таможенное. В нем также содержится законодательство 50 регионов России.

В "Консультанте" базы делятся на федеральную, региональную и консультационную (по вопросам бухучета, финансов и банковского дела).

В "Гаранте" больше информации по международному праву, а в "Консультанте" - по региональному законодательству. В обеих системах созданы обширные консультационные базы.

Информационные ресурсы "Гаранта" - более 700.000 документов, в том числе более 20 специализированных правовых блоков по всем разделам федерального законодательства и более 40 правовых блоков по законодательству субъектов Федерации.

С "Гарантом" постоянно сотрудничают более 190 органов власти и управления федерального и регионального уровней. Среди них - Государственная Дума Российской Федерации, Администрация Президента Российской Федерации, Министерство финансов Российской Федерации, Центральный Банк Российской Федерации, Высший Арбитражный Суд Российской Федерации, мэрии Москвы и других городов России.

Сеть компании "КонсультантПлюс" насчитывает 300 региональных информационных центров (РИЦ), расположенных в 150 городах России. К настоящему времени у пользователей установлено и сопровождается 342 500 экземпляров систем семейства "КонсультантПлюс". К услугам пользователей - базы данных нормативных документов федерального законодательства и аналитические системы поддержки принятия решений. Кроме того, в 77 субъектах РФ силами РИЦ Сети "КонсультантПлюс" ведутся базы данных по региональному законодательству.

С системой "КонсультантПлюс" работают в Администрации Президента РФ, в Правительстве РФ, в Государственной Думе, в министерствах и ведомствах, в сотнях налоговых инспекций и таможенных постов, в вузах и банках, на предприятиях всех форм собственности и направлений деятельности по всей России.

Программные продукты "КонсультантПлюс" отличаются высокой эффективностью и качеством. Так, системы "КонсультантПлюс" были первыми среди справочных правовых систем, сертифицированных Microsoft на совместимость с Windows NT/95/98, XP.

Cистемы "КонсультантПлюс" могут эффективно работать на любом компьютере, любой программной платформе и в сетях любой конфигурации. Существуют DOS-версии систем, 16-разрядные Windows-версии, 32-разрядные версии для Windows 95/98, Windows NT и Intranet-версии.

Высокоэффективная технология "КонсультантПлюс" позволяет на сегодня передавать пользователям ежемесячно порядка 8000 документов. При этом пропускная мощность систем может достигать 20000-25000 документов в месяц. Всего в системы "КонсультантПлюс" входит 681 315 документов. На сегодняшний день это крупнейший информационный банк, который может быть передан пользователю.

Новые нормативные акты включаются в системы ежедневно, в течение нескольких дней с момента их подписания органами власти и управления РФ, поэтому пользователи могут ежедневно получать самую свежую и достоверную информацию о состоянии российского законодательства.

Большинство документов компания получает еще до даты их официальной публикации непосредственно из официальной рассылки выпустивших их ведомств, с которыми АО "КонсультантПлюс" связывают прямые договоры о сотрудничестве в области правовой информатизации.

В настоящее время такие договоры заключены с Администрацией Президента РФ, Аппаратом Правительства РФ, Аппаратом Совета Федерации Федерального Собрания РФ, Аппаратом Государственной Думы Федерального Собрания РФ, десятками министерств и ведомств Российской Федерации. Всего заключено более 60 договоров (не считая нескольких сотен договоров, подписанных на региональном уровне).

Многие справочно-правовые системы представлены в Интернете.

С системами "Гарант" и "КонсультантПлюс" можно более подробно ознакомиться по адресам http://www.garant.ru и http://www.consultant.ru.

0.13.1.5.Военное дело

Задачей любого военачальника во все времена было узнать о силах и намерениях противника не только больше, чем он узнает о твоих войсках, но и быстрее. Такая информация, поставляемая с помощью разведки (в том числе электронной) и средств связи, обеспечивает победу эффективнее, чем численный перевес в живой силе и технике.

В середине XIX века наивысшая скорость передачи информации по телеграфу составляла 30 слов в минуту, а для обороны территории в 10 кв. км требовалось 40 000 солдат. Во Второй мировой войне по телетайпу передавалось 66 слов в минуту, а для обороны той же территории требовалось 360 солдат. Во время операции "Буря в пустыне" в 1991 году передавалось по компьютеру 192 000 слов в минуту, а для обороны той же территории были задействованы 23 солдата. Прогнозы экспертов на 2010 год - 1,5 миллиарда слов в минуту и всего 2 солдата. Сочетание информационных технологий и высокоточного оружия даст возможность небольшим мобильным группировкам так называемого "быстрого реагирования" решать любые стратегические задачи.

Что же входит в арсенал "информационной" войны? Это спутники-шпионы и миниатюрные беспилотные самолеты, которые способны различать на земле предметы размером меньше метра. Это мощные суперкомпьютеры, способные быстро проанализировать и оценить ситуацию, помочь принять верные решения. И, наконец, это компьютерные вирусы, способные проникнуть в телекоммуникационные сети и системы управления противника и парализовать их действие.

Такая компьютерная "вирусная" война происходит уже сегодня. Ее по ходу конфликта между Израилем и арабскими террористами ведут хакеры - взломщики компьютерных сетей - с обеих сторон.

Наиболее ярким примером применения современных информационных технологий в военном деле стала операция "Буря в пустыне", проведенная войсками США и их союзников против Ирака в 1991 году.

Это была хорошо спланированная операция, блестяще осуществленная с использованием высокоточного оружия, самолетов-невидимок, беспилотных самолетов-разведчиков, приборов ночного видения, спутников и компьютеров.

За несколько недель до начала боевых действий агенты с помощью портативных компьютеров внедрили в телефонные станции и радиолокационные посты Ирака программные вирусы. В назначенный день и час эти вирусы отключили их и в первые минуты воздушного налета парализовали систему противовоздушной обороны Ирака. Таким же образом были выведены из строя бортовые радиолокационные системы истребителей иракских ВВС. Это дало возможность авиации союзников в первые же часы уничтожить основные объекты иракских ПВО и завоевать господство в воздухе.

В ответ на авиационные налеты Ирак обстреливал Израиль и Саудовскую Аравию баллистическими ракетами "Скад", но их сбивали американские ракеты "Пэтриот" с помощью сигналов от космической системы предупреждения.

Большая часть объектов системы управления войсками Ирака располагалась в Багдаде. Союзники с помощью авиационных бомб с лазерным наведением и крылатых ракет сумели разрушить их уже к началу наземных операций.

В результате за 43 дня боевых действий Ирак потерял 4000 танков (95%), 2140 орудий (69%), 1856 БТР (65%), 240 самолетов (30%), 7 вертолетов (4%) и 143 корабля (87%).

За это же время союзники потеряли всего 4 танка (0,1%), 1 орудие (0,03%), 9 БТР (0,2%), 44 самолета (1,7%), 17 вертолетов (1,7%).

Число убитых у 700-тысячной армии союзников составило 148 человек (0,021%). Число убитых у 500-тысячной армии Ирака - около 9000 человек (2%); 17000 раненых (3%) и 63000 пленных (12%). При этом более 150 000 солдат (28%) дезертировали за это время из армии Ирака.

За прошедшие годы эта операция была тщательно проанализирована. В результате этого анализа было выявлено, что информационное превосходство, безусловно, обеспечило успех операции. Но одновременно оно является достаточно уязвимым местом, доступным для информационных атак, например со стороны хакеров. Для защиты информационных систем принят национальный план.

В результате обобщения опыта "Бури в пустыне" появилось новое военное понятие "информационная операция".

В "информационной войне" уже давно используется радио и телевидение. Люди старшего поколения помнят, как в 1941 году, в начале Великой Отечественной войны населению нашей страны было предписано сдать все бытовые радиоприемники, чтобы избежать агитационных радиопередач противника. После войны все радиоприемники вернули их владельцам. На фронтах передний край противника обрабатывали не только авиация, артиллерия и минометы, но и агитационные бригады с помощью мощных звуковых усилителей.

И в наши дни идет "информационная война" между государственными каналами радио и телевидения с одной стороны и радио и телевидением чеченских боевиков - с другой.

Наконец, рядовой солдат армий развитых стран с каждым годом получает все более совершенное оружие. Это и оптические прицелы, и приборы ночного видения, и личный компьютер, и пуленепробиваемое обмундирование, внутри которого поддерживается постоянный микроклимат, где бы ни находился солдат - в Арктике или в пустыне. Этот личный компьютер будет управляться голосом. Он позволит отслеживать место нахождения солдата, связываться с командиром с помощью спутников и самолетов разведчиков и своевременно узнавать о маневрах противника. Скоро каждый солдат-пехотинец будет выполнять роль оператора персонального мультимедийного компьютера с процессором Pentium-75, оперативной памятью 32 Мбайт, жестким диском 340 Мбайт, сменной флэш-памятью 85 Мбайт. Вес этого компьютера около 1 кг, размеры - со среднюю книгу.

Защитный шлем компьютеризированного "электронного" пехотинца снабжен дисплеем, переговорным устройством, видеокамерой, прибором ночного видения, тепловизионной системой (реагирующей на тепловое излучение) и оптическим устройством прицеливания. Этот шлем способен защитить от прямого попадания 9-миллиметровой пули и от лазерного излучения. Им будут оснащать и солдат-пехотинцев, и летчиков (рис. 12.9, 12.10).

Рис. 12.9.  Экипировка современного солдата-пехотинца

Рис. 12.10.  Экипировка современного военного пилота

Стоимость компьютерной экипировки солдата США составляет 60000 долларов.

Все это сделает действия солдата гораздо более эффективными и позволит избежать потерь.

В российских истребителях нового, 5-го поколения аналоговых (стрелочных) приборов вообще не будет. Их заменят цифровые дисплеи, на которых пилот будет видеть всю основную пилотажную информацию. Дополнительно важная боевая и пилотажная информация будет передаваться на лобовое стекло шлема пилота. Это избавит его от необходимости непрерывно смотреть на приборы перед собой. Он сможет поворачивать голову и оценивать ситуацию еще и визуально.

В дальнейшем роль пилота в пилотировании самолетом станет меньше: компьютер будет решать, с какой скоростью и на каких режимах боевая машина будет выходить на цель и в какой момент разрешить летчику применить оружие. Однако решение на применение оружия и ответственность за последствия будут оставаться только на совести летчика.

Готовится и такое экзотическое оружие, как инфразвуковые и психотронные генераторы, способные парализовать действия солдат противника, вызвав у них панику.

0.13.1.6.Беспилотные летательные аппараты (БПЛА)

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) — летательный аппарат без экипажа на борту. По существу, это робот, снабженный крыльями или вертолетным винтом. Различают беспилотные летательные аппараты:

• беспилотные неуправляемые;
• беспилотные автоматические;
• беспилотные дистанционно-пилотируемые летательные аппараты ( ДПЛА )
• конвертопланы - с поворотными винтами — летательные аппараты, совмещающие вертикальный взлёт и посадку вертолёта со скоростью перемещения турбовинтового самолёта.

Беспилотные летательные аппараты делятся по таким параметрам, как масса, время, дальность и высота полёта. Выделяют следующие классы аппаратов:

• "микро" (условное название) — массой до 10 килограммов, временем полёта около 1 часа и высотой до 1 километра;
• "мини" — массой до 50 килограммов, временем полёта несколько часов и высотой до 3 — 5 километров;
• средние ("миди") — до 1 000 килограммов, временем 10—12 часов и высотой до 9—10 километров;
• тяжёлые — с высотами полёта до 20 километров и временем полёта 24 часа и более.

Разведывательный БПЛА "Пчела"

Для определения координат и земной скорости современные БПЛА, как правило, используют спутниковые навигационные приёмники (GPS или ГЛОНАСС). Углы ориентации и перегрузки определяются с помощью гироскопов и акселерометров.

В качестве управляющей аппаратуры, как правило, используются специализированные вычислители на базе цифровых сигнальных процессоров или компьютеры формата PC/104, MicroPC/104 под управлением операционных систем реального времени.

Самолеты и вертолеты использовались для целей воздушной разведки с начала ХХ века, в первой мировой войне, во второй мировой войне и в послевоенное время. В качестве управляющей аппаратуры, как правило, используются специализированные вычислители на базе цифровых сигнальных процессоров или компьютеры.

Беспилотные аппараты позволяют сохранить жизнь пилотов. В этом их основная ценность. Даже, когда их сбивают, они передают информацию до самого момента их падения.

Начали применять БПЛА еще в 10-е годы ХХ века, но широкое распространение они получили за последние 10 лет. Разрабатываются они авиационными концернами США, Великобритании, России, Франции, южной Кореи.

Тяжелый средневысотный разведывательно-ударный беспилотный летательный аппарат Дань-Барук большой продолжительности и дальности полета.

Тактико-технические характеристики БПЛА Дань-Барук:

• Взлетная масса, кг до 500;
• Масса двух контейнеров со средствами поражения, кг 30;
• Масса целевой нагрузки, кг до 90;
• Длина, мм 4600;
• Размах крыла, мм 5630;
• Диапазон скоростей горизонтального полета, км/ч 150…300;
• Диапазон высот полета над уровнем моря, м 50…6000;
• Диапазон высот ведения разведки, м 400…6000;
• Радиус действия, км 150;
• Максимальная продолжительность полета с вооружением, ч 10;
• Максимальная продолжительность полета без вооружения, ч 15.

БПЛА Mantis (Великобритания) в разведывательном полете

В США разработкой БПЛА занимаются крупные авиационные концерны Воинг, Локхид, Сикорский и др. Концерн Сикорский создал уже несколько типов беспилотных вертолетов с вертикальным взлетом и посадкой. Одним из лидером среди производителей БПЛА является Израиль. Самолётами израильских производителей пользуются десятки стран. В 2009 году была закуплена партия израильских БПЛА для Вооруженных Сил России. Ведутся переговоры об организации совместного предприятия в России по выпуску БПЛА.

БПЛА Hermes-450S отличается большой продолжительностью полета. В состав его силовой установки входят поршневой двигатель британского производства мощностью 52 лошадиные силы с толкающим двухлопастным воздушным винтом. Разведывательное оборудование включает телевизионную и тепловизионную камеры, установленные в нижней части фюзеляжа на гиростабилизированной платформе, и радиолокационную станцию кругового обзора.

БПЛА Hermes-450S

беспилотник Panther (Израиль)

БПЛА Израиля

Американский БПЛА палубного базирования для авианосца

Наиболее перспективными являются бесспилотные конвертопланы.

Это гибриды самолета и вертолета - преобразуемые летательные аппараты с поворотными винтами, которые на взлёте и посадке работают как несущие, а в горизонтальном полёте как тянущие (при этом подъёмная сила обеспечивается крылом самолётного типа).

Конвертоплан с поворотными винтами

0.13.1.7.Криптография

Криптография - это наука о том, как обеспечить секретность сообщения, а криптоанализ - это наука о том, как вскрыть шифрованное сообщение, то есть как извлечь открытый текст, не зная ключа. Криптографией занимаются криптографы, а криптоанализом занимаются криптоаналитики.

Тайная передача сообщений, незаметная для окружающих непосвященных лиц, существует с древних времен. Примером может служить язык жестов, широко используемый фокусниками и карточными шулерами. С помощью таких тайных жестов ассистент подсказывает фокуснику во время сеанса на глазах у зрителей, а пара шулеров подсказывают друг другу ходы во время игры на глазах ничего не подозревающих партнеров.

Экзотический метод использовался американцами во время второй мировой войны: корабли ВМФ США осуществляли связь на языке малочисленного и компактно проживающего индейского племени. На каждом корабле было несколько индейцев-"шифровальщиков", а у противника не было практически никаких шансов раздобыть себе такого "криптографа".

Криптография в прошлом использовалась лишь в военных целях. Однако сейчас, с становлением информационного общества, она становится центральным инструментом для обеспечения конфиденциальности.

Криптография занимается всеми видами секретного обмена сообщениями, включая тайную переписку, аутентификацию (установление подлинности, от греч. authentikos - подлинный), цифровые подписи, электронные деньги и многое другое.

Для письменных сообщений криптография - это тайнопись, система изменения письма с целью сделать текст непонятным для непосвященных лиц.

С возникновением письменности задача обеспечения секретности и подлинности передаваемых сообщений стала особенно важной. Ведь сообщение, переданное словесно или показанное жестами, доступно для постороннего только в момент передачи, а в его авторстве и подлинности у получателя никаких сомнений не возникает, потому что он видит своего собеседника. Когда же сообщение записано на бумаге, оно уже живет отдельной жизнью и существует в материальном мире гораздо более длительный промежуток времени. И у людей, желающих ознакомиться с его содержанием против воли отправителя и получателя, появляется гораздо больше возможностей сделать это. Поэтому после возникновения письменности появилось искусство тайнописи, искусство "тайно писать" - набор методов, предназначенных для секретной передачи записанных сообщений от одного человека другому.

В истории человечества насчитывается большое число способов секретного письма, многие из которых были известны еще в древности.

В некоторых способах тайного письма используются физические особенности носителей информации. Так, например, симпатические чернила исчезают вскоре после написания ими текста или невидимы с самого начала. Но их можно снова сделать видимыми, обработав документ специальным химическим реактивом или осветив лучами определенной части спектра, обычно - ультрафиолетом. Метод стеганографии заключается в том, что передаваемый текст "растворяется" в сообщении большего размера с совершенно "посторонним" смыслом. Но если взять и извлечь из него некоторые символы по определенному закону, например - каждый второй, или третий, и т.д., получается конкретное тайное сообщение.

Стеганография бывает полезна, когда необходимо не просто передать секретное сообщение, а секретно передать секретное сообщение, то есть скрыть сам факт его передачи.

Суть шифрования - не скрывать сам факт передачи сообщения, но сделать его недоступным посторонним. Для этого сообщение должно быть записано так, чтобы с его содержимым не мог ознакомиться никто, за исключением самих корреспондентов. Шифрование является преобразованием сообщения по определенным правилам, что делает его бессмысленным набором знаков для непосвященного в тайну шифра человека. Предполагается, что тайнопись была известна в древнем Египте и Вавилоне. Искусство секретного письма использовалось в древней Греции. Первые действительно достоверные сведения с описанием метода шифрования относятся к древнему Риму. Они описывают шифр Цезаря - способ, которым Юлий Цезарь прятал свои записи от излишне любопытных глаз. Шифр Цезаря был предельно прост: в нем каждая буква сообщения заменялась на следующую за ней по алфавиту. Однако для того времени, когда умение читать и писать было редким исключением, применение даже такого простого шифра решало проблему секретности передаваемого сообщения.

Чем оживленнее велась переписка в обществе, тем большая ощущалась потребность в средствах ее засекречивания. Соответственно, возникали все более совершенные и хитроумные шифры. Сначала при заинтересованных лицах появились шифровальщики, потом группы из нескольких шифровальщиков, а затем и целые шифровальные отделы. Шифрование сначала осуществлялось вручную, позднее были изобретены сравнительно несложные механические приспособления, поэтому использовавшиеся тогда шифры были достаточно простыми и несложными.

Когда объемы подлежащей закрытию информации стали критическими, в помощь людям были созданы более сложные механические устройства для шифрования, например, немецкая шифровальная машина Энигма. Основными потребителями криптографических услуг были дипломатические и шпионские миссии, тайные канцелярии правителей и штабы войсковых соединений и флотов, военные корабли. Так, все немецкие подводные лодки были оснащены шифровальными машинами "Энигма". Английская шифровальная служба сумела получить образец машины "Энигма" с затонувшей немецкой подводной лодки. Английским криптоаналитикам удалось взломать немецкие коды, в результате чего они могли читать немецкие секретные депеши.

С возникновением компьютеров и проникновением их в различные сферы жизни возникла принципиально новая отрасль хозяйства - информационная индустрия. После распространения компьютеров в деловой сфере практическая криптография сделала в своем развитии огромный скачок:

• были разработаны стойкие шифры с секретным ключом, предназначенные для обеспечения секретности и целостности передаваемых или хранимых данных;
• были созданы методы решения новых, нетрадиционных задач сферы защиты информации, наиболее известными из которых являются задачи подписи цифрового документа и открытого распределения ключей.

0.13.1.8.Машиностроение и металлообработка

Если раньше каждый пользователь должен был сам программировать алгоритмы в своей профессиональной деятельности, то сегодня "кустарное" программирование стало ненужным. Его заменяет знание и умение пользоваться существующими информационными технологиями в каждой профессиональной области. И это в первую очередь касается специалистов в области машиностроения и металлообработки. В ней созданы системы автоматического проектирования, такие, как AutoCAD, КОМПАС-3D, системы автоматизированного проектирования технологических процессов (CAM), технологии обеспечения жизненного цикла изделия от маркетинга до утилизации отслужившего свой срок изделия или детали (CALS).

До изобретения компьютеров все проектирование новых изделий велось по так называемой бумажной технологии. Любое конструкторское бюро представляло собой зал с рядами чертежных столов - кульманов, за которыми конструкторы разрабатывали чертежи нового изделия на бумаге. Далее эти чертежи копировали на кальку и затем размножали их. Вся документация хранилась на бумаге. Все инженерные расчеты производились с помощью арифмометров и логарифмических линеек. При изготовлении опытных образцов изделий и их серийном производстве наладка станков производилась вручную. Далее производились натурные испытания изготовленных опытных образцов. По их результатам вносились необходимые изменения в конструкцию, корректировались чертежи и начиналась подготовка к серийному выпуску изделия.

С изобретением компьютеров многие этапы создания новых изделий подверглись коренным изменениям. Стало возможным перейти на безбумажную технологию. Компьютер, оснащенный соответствующими программами, совместно с принтером, плоттером и графическим планшетом (дигитайзером) заменил собой кульман, бумагу, карандаш, арифмометр и логарифмическую линейку. При этом компьютер позволил автоматизировать и значительно ускорить инженерные расчеты.

Примером может служить автоматизированный расчет зубчатой передачи с помощью программы Microsoft Excel. Исходными данными служат передаточное число и модуль данной передачи. Формулы расчета вводятся в соответствующую строку таблицы Excel. Введя в формулы значения передаточного числа и модуля, получаем полный расчет всех параметров зубчатой передачи любого типа.

Другим, гораздо более сложным примером может служить расчет лопаток паровой турбины, требующий привлечения компьютеров большой производительности.

Использование современных компьютерных технологий позволяет существенно сократить длительность проектно-конструкторских работ, по-новому реализовать проектные процедуры и в результате получить более эффективные технические решения.

Аппаратное обеспечение автоматизированных рабочих мест (АРМ) для работников самых различных профессий мало отличается друг от друга. Его основой является профессиональный компьютер. Главное различие состоит в их программном обеспечении, которое и отличает, например, АРМ инженера-проектировщика от АРМ инженера-технолога.

Новейшие компьютерные технологии позволяют организовать автоматизированное рабочее место конструктора-проектировщика. Базовыми программными продуктами АРМ конструктора-проектировщика являются операционная система Microsoft Windows и универсальная графическая платформа AutoCAD 2004 фирмы Autodesk.

Системы автоматизированного проектирования (САПР), называемые в английском переводе CAD-системами (Computer Aided Design), применяются для решения разнообразных инженерных и конструкторских задач. К наиболее популярным следует отнести мощную систему машинного проектирования AutoCAD фирмы Autodesk, используемую для создания чертежей.

Применение САПР-технологий позволяет сократить время на выполнение проекта и выпуск изделий, уменьшить возможные ошибки, повысить качество конструкторской документации, а при использовании программно-управляемого оборудования - готовить необходимые для этого данные в нужном формате. Полный спектр задач, решаемых с помощью САПР, чрезвычайно богат, и программ, предназначенных для этого, разработано достаточно много.

Для эффективной работы с программами САПР лучше применять монитор с большим размером экрана. Для получения твердой копии результатов работы (чертежи, схемы) обычно используются плоттеры, позволяющие работать с большими форматами бумаги.

AutoCAD - это графическое ядро систем автоматизированного проектирования (САПР). Богатые функциональные возможности, широкие возможности программирования, связь с базами данных, большой выбор совместимых периферийных графических устройств фактически сделали графический пакет AutoCAD мировым промышленным стандартом в своей области. Выпускаются версии программы для различных платформ и под различные операционные системы. Программа совместима со всеми выпускаемыми видами принтеров и плоттеров.

При создании новых инженерных конструкций может применяться математическое моделирование (машинный эксперимент) - моделирование реально существующих объектов, осуществляемое средствами языка математики и логики с помощью компьютера.

Математическое моделирование основано на создании и исследовании на компьютере математической модели реальной системы - совокупности математических соотношений (уравнений), описывающих эту систему. Уравнения (математическая модель) вместе с программой их решения вводят в компьютер и, имитируя различные значения входных (по отношению к исследуемой системе) сигналов и условий работы системы, определяют величины, характеризующие поведение системы.

Математическое моделирование, в отличие от материального (экспериментального, предметного), является теоретическим, происходящим только в компьютере, а не в реальности. Оно позволяет обойтись без сложного, дорогого или опасного эксперимента, например при создании автомобилей, самолетов, локомотивов.

Математическое моделирование процесса или явления не может дать полного знания о нем. Это особенно существенно в том случае, когда предметом математического моделирования являются сложные системы, поведение которых зависит от значительного числа взаимосвязанных факторов различной природы. Поэтому иногда математическое моделирование дополняют созданием натуральной модели.

Система трехмерного твердотельного моделирования КОМПАС-3D предназначена для создания трехмерных ассоциативных моделей отдельных деталей и сборочных единиц, содержащих как оригинальные, так и стандартизованные конструктивные элементы. Параметрическая технология позволяет быстро получать модели типовых изделий на основе однажды спроектированного прототипа. Многочисленные сервисные функции облегчают решение вспомогательных задач проектирования и обслуживания производства. Задача, решаемая системой, - моделирование изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство. Чертежный редактор "КОМПАС-График" предоставляет широчайшие возможности автоматизации проектно-конструкторских работ в различных отраслях промышленности. Он успешно используется в машиностроительном проектировании, при проектно-строительных работах, составлении различных планов и схем.

На смену информационной поддержке отдельных этапов создания инженерных конструкций в конце 20-го века пришла идеология ведения бизнеса CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) или, в более современном изложении, PLM (Product Lifecycle Management). За термином "жизненный цикл" ("Lifecycle") стоят два понятия - "маркетинговый жизненный цикл" (МЖЦ) и "функциональный жизненный цикл" (ФЖЦ). МЖЦ имеет отношение к поведению определенного вида продукции на рынке и завершается моральным износом и снятием с производства, а ФЖЦ связан с функциональным предназначением изделия и завершается физическим износом и утилизацией. Примером могут служить персональные компьютеры. Маркетинговый жизненный цикл систем на базе Pentium II закончился, но физически их успешно продолжают эксплуатировать во многих организациях.

Понятие "жизненный цикл" включает в себя следующие этапы: маркетинг, проектирование, производство, продажи, поставки и эксплуатацию. Примером применения понятия "жизненного цикла" в нашей стране может служить его использование в крупнейшем авиастроительном комплексе "Сухой". Он охватывает четыре основных этапа: проектирование, производство, послепродажное обслуживание и утилизация.

Рис. 12.11.  Структура концепции CALS

Сегодня производство сложных машинотехнических изделий стало невозможным без обеспечения информационной поддержки на всех стадиях их жизненного цикла. Информационная поддержка - это целый комплекс вопросов, включающий автоматизацию процессов проектирования, обеспечение технологических процессов производства, автоматизацию управленческой деятельности предприятий, создание электронной эксплуатационной документации, внедрение автоматизированных систем заказа запасных частей и т. д.

Важную роль в жизненном цикле играет маркетинг (англ. marketing, от market - рынок) - система управления, основанная на комплексном анализе производственно-сбытовой деятельности и воздействия на нее с целью получения прибыли.

Маркетинг возник как вид управленческой деятельности во второй половине XX века. Но если вначале он применялся исключительно в целях сбыта произведенной продукции, то со второй половины 1970-х гг. он становится элементом стратегического управления фирмой, философией бизнеса. Отсюда новая концепция маркетинг-менеджмента, то есть построения всей управленческой деятельности фирмы.

Маркетинг включает товарную, ценовую политику, а также политику продвижения товара и продаж.

Основными принципами современного маркетинга являются: производство продукции, основанное на точном знании потребностей покупателя, рыночной ситуации и реальных возможностей фирмы; эффективное решение проблем потребителя; нацеленность фирмы на долгосрочный коммерческий успех; активное воздействие на формирование потребностей на рынке.

Проектирование и производство неразрывно связаны между собой. Конструктор разрабатывает геометрию изделия, устанавливает технические требования и оформляет конструкторскую документацию, а технолог обеспечивает изготовление изделия с учетом специфики производства, технических процессов и оборудования.

Электронное описание изделия дает исчерпывающее описание спроектированного изделия и фактически заменяет бумажную конструкторскую документацию. На его основе появляется возможность автоматизировать планирование технологических процессов. Таким образом, выполняется еще один принцип CALS - принцип безбумажного представления информации.

В фирме "Сухой" ОКБ "Сухой" находится в Москве, а основные заводы-производители в Комсомольске-на-Амуре, Иркутске и Новосибирске. При такой географической удаленности друг от друга их согласованная работа обеспечивается средствами сети Интернет и защиты информации.

Организация технологического процесса изготовления опытных образцов и серийного производства изделий осуществляется с помощью систем автоматизированного проектирования технологических процессов, так называемых САМ-систем (Computer Aided Manufacturing). Они обеспечивают наиболее рациональный выбор станочного оборудования, инструментов и режимов обработки деталей.

Комплексные решения при этом базируются на передовых технологиях гибридного моделирования, интегрированных средствах электронного документооборота, а также на широком спектре специализированных модулей, среди которых важное место занимают программы для виртуального моделирования процессов механической и электроэррозионной обработки с выходом на станки с числовым программным управлением (ЧПУ).

Современные металлообрабатывающие станки и многооперационные обрабатывающие центры оснащены числовым программным управлением (ЧПУ). Это управление обработкой заготовки на станке по программе, заданной в цифровой форме. Устройство ЧПУ выдает управляющие воздействия на исполнительные органы станка в соответствии с программой и информацией о состоянии управляемого объекта. Станки с ЧПУ сочетают высокую производительность, присущую станкам-автоматам, с гибкостью, быстротой переналаживания на другие режимы работы, что характерно для универсальных станков. Обрабатывающий центр оснащен инструментальным магазином большой емкости и устройствами для автоматической смены инструмента. Станок позволяет вести комплексную механическую обработку большого числа поверхностей заготовки различными способами - точением, фрезерованием, сверлением и др.

В современном машиностроении и приборостроении происходит усложнение выпускаемой продукции, номенклатура ее увеличивается, а серийность производства уменьшается. Это ведет к значительному увеличению объемов и сроков выполнения работ в сфере конструкторско-технологической подготовки производства. Требования рыночной экономики заставляют предприятия постоянно улучшать потребительские свойства и качество изделий, а сроки их выпуска максимально сокращать.

Это вызвало к жизни концепцию сквозного цикла проектирования и производства "от идеи до металла". Суть ее состоит в том, что компьютерные системы и оборудование должны рассматриваться как единый информационный технологический процесс на всем протяжении от проектирования до изготовления изделий. Сквозной цикл состоит из блоков САD/САМ/САЕ/PDM. САМ-системы являются частью этой более общей концепции.

Кроме трехмерных (виртуальных) моделей на экране монитора компьютера современные информационные и лазерные технологии дают возможность создавать "твердые" модели отдельных деталей из светочувствительного пластика. Эта технология носит название "лазерная стереолитография". Она основана на использовании фотополимеризации лазерным излучением.

Сначала по проекту конструктора создается компьютерная (виртуальная) модель, которая через минимальное время может быть воплощена в виде реальной модели. Производятся все детали для сборки. Собранную модель можно покрасить, проверить возможность установки и размещения электронных компонентов, оптики, эргономику, предъявить для утвержения дизайна заказчиком и т.д.

Пластиковая модель легко поддается обработке, покраске, металлизации. Модель может быть использована для проверки идей конструктора, использоваться на презентациях, в маркетинговых акциях и т.п.

Области применения лазерной стереолитографии:

• изготовление оснастки для разных видов литья;
• точное литье по сплошным выжигаемым моделям.

Лазерная стереолитография позволяет создавать детали самой сложной формы с максимальными размерами 250x250x250 мм.

Сначала объемный виртуальный образ делят на набор послойных изображений тонких сечений (0,1-0,2 мм). В ванну, наполненную фотополимеризующейся жидкостью, помещают плоскую подставку, на которой впоследствии появится объект, так, чтобы она была погружена на толщину формируемого слоя (те самые 0,1-0,2 мм). Затем поверхность жидкости обрабатывают лучом лазера, и в тех местах, которые он облучает, образуются твердые участки. Так возникает нижний слой модели. Платформу чуть притапливают и формируют второй слой. Операцию повторяют до тех пор, пока модель не будет целиком готова.

Важную роль в машиностроении играет логистика (от англ. logistics - материально-техническое снабжение) - контроль за всеми видами деятельности, связанными с закупкой ресурсов для производства и доставкой готовой продукции покупателю, включая необходимое информационное обеспечение этих процессов. Логистика также координирует взаимоотношения всех членов системы снабжения и распределения. К непосредственным функциям логистики относятся: транспортировка, складирование, сбор заказов, распределение продукции, упаковка, сервисное обслуживание.

Система логистики включает логистику на входе и логистику на выходе. Первая управляет всеми операциями с сырьем и материалами, начиная с выбора поставщика и заканчивая возвратом некачественного сырья; вторая контролирует распределение готовой продукции, включая ее доставку конечному потребителю.

Логистика используется участниками каналов товародвижения для снижения издержек, повышения качества обслуживания покупателей и поддержания объема запасов на складе на минимальном необходимом уровне.

Так информационные технологии в машиностроении и металлообработке из важного, но вспомогательного средства сегодня превратились в главную организующую силу - реальную сквозную автоматизацию производственных процессов.

0.14.Лекция 13. История измерений

0.14.1. 

Измерение – это один из способов познания. Это сравнение какой-либо величины (например, отрезка линии) с однородной величиной (например, сантиметром), принимаемым за единицу меры. Результат измерения выражается числом, показывающим, сколько раз выбранная единица содержится в измеряемой величине. - Малая Советская энциклопедия, том 3, 1929 г.

С другой стороны, измерения являются одними из важнейших информационных технологий. Развитие науки и техники тесно связано с измерениями. Научные исследования сопровождаются измерениями, позволяющими установить количественные соотношения и закономерности свойств изучаемых явлений.

Измерение физической величины – длины, площади, объема, веса, температуры - проводится опытным путем с помощью различных средств измерений, например, весов, термометра. В процессе измерения осуществляется нахождение опытным путем числового значения измеряемой величины, например длины, веса, температуры, в принятых единицах измерения. Сопоставление результатов измерения какой-либо величины и точек числовой прямой производится по шкале (лат. scala - лестница).

Например, мы смотрим, какому делению шкалы соответствует уровень жидкости в термометре и таким образом переводим замеренную температуру в число градусов (например, Цельсия или Реомюра), то есть кодируем ее - запоминаем или записываем в виде числа.

Д.И. Менделеев писал: "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять: точная наука немыслима без меры".

Человек столкнулся с необходимостью измерений в глубокой древности, на раннем этапе своего развития – в практической жизни, в земледелии, строительстве своего жилья, дворцов своих властителей, храмов, в торговле. Людям потребовалось измерять расстояния, площади, объемы, веса, и, разумеется, время.

Первые единицы длины были весьма приблизительными. Они были связаны с размерами частей тела человека. В Англии и США до сих пор используются единицы длины "ступня" - фут (31 см), "большой палец" - дюйм (25,4 мм) и ярд (91 см.). Он был равен расстоянию от кончика носа короля Генриха I до конца пальцев его вытянутой руки. 1фут=12 дюймам.

Таковы и старинные русские единицы длины: сажень была равна расстоянию от конца пальцев одной руки до конца пальцев другой, локоть - расстоянию от локтевого сустава до конца вытянутого среднего пальца руки, пядь - расстоянию между концами вытянутых пальцев руки - большого и указательного.

Понятие площади известно человеку из повседневного опыта. Каждый понимает смысл слов: площадь комнаты равна 25 квадратным метрам, площадь дачного участка - двенадцати соткам и т.д. Площадь - это величина той части плоскости, которую занимает многоугольник. Измерение площадей проводится с помощью выбранной единицы измерения аналогично измерению длин отрезков. За единицу измерения площадей принимают квадрат, сторона которого равна единице измерения отрезков. Так, если за единицу измерения площадей принимают квадрат со стороной 1 см - такой квадрат называется квадратным сантиметром и обозначается квадратным сантиметром. Аналогично определяется квадратный метр, квадратный миллиметр и т.д.

По аналогии определяется объем – кубический сантиметр, кубический метр и т.д. Объем жидкости измеряется в литрах – объем жидкости в объеме одного кубического дециметра, а точнее, объем 1 кг чистой воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) и температуpe наибольшей плотности воды (4 °С). Таким образом, объем 1 литра в 1901 году был принят за 1,000028 дм3.

Очень рано человеку в процессе меновой торговли потребовалось измерять вес - силу воздействия тела на опору или подвес.

Весы - один из древнейших приборов. Они возникли и совершенствовались с развитием торговли, производства и науки. Весь ход развития общества - в первую очередь, возникновение торговли - настоятельно требовал, чтобы был изобретен прибор, способный взвешивать предназначенный для продажи товар. Первые простейшие весы в виде равноплечного коромысла с подвешенными чашами стали применяться в древнем Вавилоне за две с половиной тысячи лет до нашей эры и в Египте за две тысячи лет до нашей эры. Это: коромысло с подвешенными чашами, на одну кладется товар, на другую гири.

Весы

В основе самой первой в истории системы весовых единиц - древневавилонской - лежал вес одного хлебного зерна - грана. Не кусочек золота, платины, серебра, а зерно, получаемое с таким трудом и являющееся главным продуктом до сих пор. Сыграло свою роль то, что зерна самой природой были как бы стандартизированы и имели почти одинаковые размеры и массу. Позже появилась система гирь, изготовленная человеком. Гиря - специально изготовленный эталон (точная мера) массы, обладающий заданной формой и конструктивными особенностями, и применяемый во всех случаях человеческой деятельности, связанной с точным весом. Наборы гирь для определенных весов называются разновесом.

С появлением системы впервые возникла идея о стандартизации, которая получила свое полное развитие при других измерениях лишь через тысячи лет! Необходимость в стандартизации гирь настолько была очевидна, что торговцы безропотно ей подчинились.

"Порча" гирь, то есть сознательное занижение их веса, давала торговцам дополнительную прибыль. И они этим занимались весьма часто, да и занимаются до сих пор. Это уголовно наказуемое преступление.

Применялись весы и гири при меновой торговле. А позднее появились неравноплечные весы с передвижной гирей - безмен - простейшие рычажные весы, отсчет на которых ведется по нанесенной на стержень шкале.

Безмен

Русский безмен - металлический стержень с постоянным грузом на одном конце и крючком или чашкой для взвешиваемого предмета на другом. Уравновешивают безмен перемещением вдоль стержня второго крючка обоймы или петли, служащих опорой стержня безмена.

Иногда ручные пружинные весы называют безменом. Они представляют собой жесткую пружину, которая помещается в корпус со шкалой. К пружине прикрепляется стрелка. Пока к пружине не приложено усилие, то-есть не подвешен измеряемый груз, она находится в сжатом состоянии. Под действием силы тяжести пружина растягивается, соответственно перемещается по шкале стрелка. На основании положения стрелки можно узнать массу взвешиваемого груза.

Ручные пружинные весы

В древности существовали различные системы измерения – в Вавилоне, древнем Египте, древнем Израиле, древней Греции, Римской империи. Позднее в каждой стране использовалась своя система измерений. Существовали английская, русская, французская, китайская, японская и др.

Для определения длины Петр I предложил воспользоваться английскими мерами длины - ярд, фут и дюйм. Несмотря на указ царя, применялись самые разнообразные меры длины. Это затрудняло развитие науки, торговли между странами. Поэтому назрела необходимость введения единой системы мер, удобной для всех стран.

Такая система - ее назвали метрической системой мер - была разработана во Франции. 7 апреля 1795 Национальный Конвент принял закон о введении метрической системы во Франции и поручил комиссарам, в число которых входили Кулон, Лагранж, Лавуазье, Лаплас и другие ученые, выполнить работы по экспериментальному определению единиц длины и массы.

Метрическая система выросла из постановлений, принятых Национальным собранием Франции в 1791г. и 1795 г. по определению метра как одной десятимиллионной доли участка земного меридиана от Северного полюса до экватора.

Основная единица длины в метрической системе - 1 метр (от греческого слова " метрон"- мера). Первый прототип эталона метра был изготовлен из латуни в 1795 году.

Международный эталон метра, использовавшийся с 1889 по 1960 годы.

С 1960 года отказались от использования изготовленного людьми предмета в качестве эталона метра. Современное определение метра в терминах времени и скорости света было введено в 1983 году: метр - это длина пути, проходимого светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.

Метрическая система - общее название международной десятичной системы единиц, основанной на использовании метра и грамма. На протяжении последних двухсот лет, существовали различные варианты метрической системы, различающиеся выбором основных единиц. В настоящее время международно признанной является система СИ. При некоторых различиях в деталях, элементы системы одинаковы во всем мире. Метрические единицы широко используются по всему миру, как в научных целях, так и в повседневной жизни.

Килограмм (кг, kg) - единица измерения массы, одна из основных единиц СИ. Килограмм определяется как масса международного эталона килограмма, хранящегося в Международном бюро мер и весов (расположено в г. Севр близ Парижа) и представляющего собой цилиндр из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия).

Эталон килограмма

Основное отличие метрической системы от применявшихся ранее традиционных систем заключается в использовании упорядоченного набора единиц измерения. Для любой физической величины существует лишь одна главная единица и набор дольных и кратных единиц, образуемых стандартным образом с помощью десятичных приставок. Тем самым устраняется неудобство от использования большого количества разных единиц (таких, например, как дюймы, футы, мили и т. д.) со сложными правилами преобразования между ними. В метрической системе преобразование сводится к умножению или делению на степень числа 10, то есть к простой перестановке запятой в десятичной дроби.

Декретом от 4 июля 1837 года, метрическая система была объявлена обязательной к применению во Франции. Она постепенно вытеснила местные и национальные системы в других странах Европы и была законодательно признана как допустимая в Великобритании и США.

Английская система мер и сегодня применяется в Великобритании, США, Канаде и других странах. Постепенно меры английской системы вытесняются метрической системой мер.

Русская система мер была отменена в СССР в 1924 году.

Международная система единиц, система единиц физических величин, принята 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам (1960 г.). Сокращенное обозначение - SI (франц. Systeme International, в русской транскрипции - СИ). Международная система единиц содержит 7 основных единиц: длины - метр, массы - килограмм, времени - секунда, силы электрического тока - ампер, термодинамической температуры - кельвин, силы света - кандела, количества вещества - моль.

Метрология (от греч. мера, измерительный инструмент) - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Метрическая конвенция - международный договор, служащий для обеспечения единства метрологических стандартов в разных странах. Договор был подписан в 1875 г. в Париже 17-ю странами, в том числе Россией. В настоящее время к конвенции присоединилось 51 государство, в том числе все промышленно развитые страны.

В 1893 году Д.И. Менделеев создал в России Главную палату мер и весов (современное название: "Научно-исследовательский институт метрологии им. Менделеева"), которая занимается вопросами метрологии в нашей стране.

0.14.2.История измерения времени

Призрачно все в этом мире бушующем.

Есть только миг, - за него и держись.

Есть только миг между прошлым и будущим,

Именно он называется жизнь.

Леонид Дербенев

Пространство и время – это философские категории. Пространство - форма сосуществования материальных объектов и процессов. Оно характеризует структурность и протяженность материальных систем; время - форма и последовательные смены состояний объектов и процессов, оно характеризует длительность их бытия. Пространство и время имеют объективный характер, неразрывно связаны друг с другом, бесконечны. Универсальные свойства времени - длительность, неповторяемость, необратимость; всеобщие свойства пространства - протяженность, единство прерывности и непрерывности. Идея пространства воспринимается человеком намного проще и нагляднее, чем идея времени. Это обусловлено тем, что пространство обозревается нами как бы все сразу в трехмерном виде, тогда как время ощущается только как миг между прошлым и будущим, последовательная смена событий.

Время наряду с пространством составляет сущность нашего мира, образует арену деятельности людей, является основным предметом их познания. С осознанием понятия времени связаны осознание безвозвратности прошлого, мимолетности настоящего, непознаваемости будущего.

Человек не может двигаться по шкале времени – от прошлого к будущему, и от будущего к прошлому. Он только живет в своем времени. Стрела времени направлена только от прошлого к будущему. Машины времени не существует. Человек не может освободиться от времени или управлять им. Он только научился "останавливать мгновенье" с помощью книг, граммофонных и магнитных записей звука, фотографии, кино и видеозаписей.

Но он не может жить, действовать, развиваться без ориентации во времени, без синхронизации своего поведения с изменениями окружающей среды, с поведением других людей и иных объектов.

Природа, создавшая человека, снабдила его и другие живые организмы специальным биологическим механизмом для ориентировочной интуитивной оценки времени – биологическими часами - способностью животного и человека ориентироваться во времени. Она основана на строгой периодичности физико-химических и физиологических процессов в клетках - биологических ритмах, циклических колебаниях интенсивности и характера биологических процессов и явлений.

Понятие о течении времени подсказала древнему человеку периодическая смена дня и ночи, времен года. События текущей жизни потребовали измерять время.

Летосчисление (или календарь) - это система исчисления больших промежутков времени. Во многих системах летосчисления счет велся от какого-либо исторического или легендарного события.

Каждый народ использовал свои способы датировки исторических событий. Одни вели отсчет лет от предполагаемого сотворения мира: так евреи датировали его 3761 до н. э., александрийская хронология считала этой датой 25 мая 5493 до н. э. Римляне начинали отсчет от легендарного основания Рима (753 до н. э.). Парфяне вели отсчет лет от вступления на трон первого царя, египтяне - с начала правления каждой следующей династии. Каждая мировая религия основывала свой календарь.

Христианская церковь приурочила начало летосчисления к рождению Иисуса Христа. Эта система летосчисления (новая эра) принята в настоящее время в большинстве стран. У народов, исповедующих ислам, летосчисление ведется от 622 н. э. (от даты переселения Мухаммеда - основателя ислама - в Медину).

Календарь (от лат. calendarium, букв. - долговая книжка; в др. Риме должники платили проценты в день календ) - основан на периодичности видимых движений небесных тел. Наиболее распространен солнечный календарь, в основу которого положен солнечный (тропический) год.

Никто точно не знает, почему год делится на 12 месяцев (такое деление не соответствует ни лунному, ни солнечному календарю). Считается, что деление часа на 60 минут связано с вавилонской системой счисления, в основе которой было не 10, а 60.

Перевод из одного летосчисления в другое представляет определенные трудности из-за различной продолжительности года в разных системах. Счет года с 1 января был введен в Риме Юлием Цезарем в 45 до н. э. В 325 году юлианский календарь был принят Византией. Реформа календаря, которую провел папа Григорий XIII, была признана в большинстве католических стран. Она устранила ошибку в исчислении времени: от момента введения юлианского календаря до конца XVI столетия "набежала" разница в 10 дней по сравнению с солнечным годом. Современный назван григорианским (новый стиль), введен при Григории XIII 4 октября 1582 года и заменил юлианский (старый стиль).

Петр I с 1 января 1700 года заменил действовавший в России так называемый календарь от "сотворения мира" на юлианский, разница между которыми 5508 лет. По указу царя от 20 декабря 1699 года следовало 1 января 1700 года "…в знак доброго начинания и нового столетнего века в веселии друг друга поздравлять с Новым годом… по знатным и проезжим улицам у ворот и домов учинить некоторое украшение от древ и ветвей сосновых, еловых и можжевеловых, чинить стрельбу из небольших пушечек и ружей, пускать ракеты сколько у кого случится, и зажигать огни". 28 декабря 1708 года был выпущен первый гражданский календарь.

В России григорианский календарь введен с 14 февраля 1918 г. Различие между старым и новым стилями составляет в 18 в. 11 суток, в 19 в. 12 суток и в 20 в. 13 суток.

Деление месяца на семидневные недели, возникшее на Древнем Востоке, в I веке до н. э. стало употребляться в Риме, откуда позднее распространилось по всей Европе.

В заимствованной римлянами семидневной неделе только один день имел особое название - "суббота" (др. евр. sabbath - отдых, покой), остальные дни назывались порядковыми номерами в неделе: первый, второй и т. д.; ср. в русском понедельник, вторник и т. д., где "неделя" означала первоначально нерабочий день (от "не делать"). Римляне назвали дни недели по семи светилам, носившим имена богов. Названия следующие: суббота - день Сатурна, дальше - день Солнца, Луны, Марса, Меркурия, Юпитера, Венеры. Латинские названия, видоизменившись, отчасти сохраняются до сих пор в названиях дней недели в Западной Европе.

Несовершенство естественных биологических часов заставило человека придумывать и создавать искусственные устройства, более эффективно выполняющие функции измерения времени в течение суток, дней, недель, месяцев, лет – часы.

Часы являются сегодня самым массовым измерительным прибором – их годовое производство в мире превышает 300 миллионов штук, а измерение времени – самым массовым измерением: ежедневно на земном шаре производится несколько десятков миллиардов таких измерений.

Измерение времени является в наши дни и самым точным видом измерений: предельная точность измерения времени определяется сейчас весьма малой величиной – погрешностью порядка 1·10–11 %, или 1 с за 300 тыс. лет. Даже обычные бытовые часы с погрешностью 20 с. в сутки (0,02%) сравнимы по точности с образцовыми измерительными приборами в других видах измерений, например в электроизмерениях.

Древнейшие способы измерения времени были известны за 2000 лет до нашей эры, и их развитие продолжалось до первых столетий нового времени. Сюда относятся многие типы солнечных, водяных, огневых, песочных и механических часов, которые сыграли важную роль в истории хронометрии – искусстве измерения времени.

Важнейшим и самым распространенным простейшим прибором измерения времени были солнечные часы – единственные из перечисленных видов часов, основанные на суточном движении Солнца. Древний человек осознал взаимосвязь между длиной и положением солнечной тени от предметов и положением Солнца на небе и поэтому ориентировался в текущем времени по Солнцу. Первые часы - приборы для измерения текущего времени в единицах, меньших, чем одни сутки, были солнечными. Точная дата возникновения солнечных часов, которые в своем первоначальном виде имели форму обелиска - гномона, неизвестна. Сообщение о них в рукописи китайца Чиу-пи периода около 1100 г. до н.э. считают самым первым упоминанием о солнечных часах.

В солнечных часах использовался постоянный периодический процесс вращения Земли.

Гномон, вертикальный обелиск со шкалой, нанесенной на земле или плоском камне - кадране, был первыми солнечными часами, измерявшими время по длине отбрасываемой тени. Но солнечные часы работали только днем и только в ясную погоду, когда светит солнце, да и то недостаточно точно.

Солнечные часы в Запретном городе, Пекин

Водяные часы, огненные часы – свечи с нанесенными на них делениями, и песочные часы могли работать в любое время суток и в любую погоду. Они обеспечивали точность измерения времени уже ± 15-20 мин.

Клепсидра - древнейшие часы. В дне сосуда с водой просверлена дырочка, куда вставлена трубочка маленького диаметра. Вода по ней медленно стекает и падает в другой сосуд, на стенки которого нанесены деления. Роль часовой стрелки выполняет уровень воды. Чем выше он поднимается, тем больше "натекло" времени.

Клепсидра

Ктезибий (ок. 2-1 вв. до н. э.) - древнегреческий механик из Александрии изобрел водяные поплавковые часы. У них циферблат и одна стрелка. Равномерная струя воды текла в сосуд высотой 3 метра, в котором поднимался поплавок – фигурка со стрелкой – палочкой в руке. Палочка направлялась на циферблат, на котором можно было отсчитывать текущее время.

Водяные часы Ктесибия

Песочные часы - простейший прибор для отсчета промежутков времени, состоящий из двух сосудов, соединенных узкой горловиной, один из которых частично заполнен песком. Время, за которое песок через горловину пересыпается в другой сосуд, может составлять от нескольких секунд до нескольких часов.

Песочные часы

В качестве так называемых "огненных" часов использовались свечи, на которые равномерно наносились метки. Расстояние между метками служило единицей времени.

Надежные часы были необходимы прежде всего церкви - для уточнения времени богослужения. Сначала с этой задачей более или менее успешно справлялись солнечные часы, со временем их заменили башенные часы с боем.

Следующий этап в измерении времени – изобретение механических – башенных колесных часов приписывается монаху Герберту Аврилакскому, позднее ставшему Римским папой Сильвестром II ((950- 1003 гг.). В механических часах использовался постоянный периодический процесс колебаний маятника. В них привод часов осуществлялся гирей, создававшей постоянную силу тяги. Вес гири посредством колесной передачи приводил в действие вращающееся коромысло. Баланс таких часов не имел собственного периода колебаний, поэтому они были не очень точны.

На циферблатах таких часов была только одна стрелка - часовая, и еще эти часы каждый час били в колокол (английское слово "clock" - от латинского "clocca" - "колокол"). Позднее к часовой стрелке прибавилась вторая – минутная. Часы идут по часовой стрелке - слева направо - потому что именно в этом направлении движется тень солнечных часов. Однако существуют часы, у которых стрелки двигаются "против часовой стрелки".

В 1288 году уже ходили железные башенные Вестминстерские куранты.

Часы Биг Бен в Лондоне

(Биг-Бен - это название не башни, а 13-тонного колокола, который звонит внутри). В середине XIV в городах Европы строили городские колокольни с часами. Ее колокола отбивали церковные часы, время коммерческих сделок и работы ремесленников. Время необходимо было знать и в мануфактурах, где результат работы зависел от точного соблюдения продолжительности отдельных технологических процессов.

Часы на Пражской ратуше (фото автора)

Механические колесные часы надежно работали только на суше, для морских путешествий они не были приспособлены.

В 1657 году голландский ученый Христиан Гюйгенс изготовил механические часы с маятником. Точность часов значительно возросла, но перевозить такие часы все равно было нельзя. В 1670 году был изобретен анкерный спуск, обеспечивавший равномерный ход часового механизма.

Компактные переносные механические хронометры стало возможным изготовлять после изобретения Гюйгенсом в 1675 году вращательного балансира и использования пружины вместо гирь. Сочетание крутильного маятника, спиральной пружины и анкерного спуска открыло дорогу созданию массовых малогабаритных часов, морских хронометров и значительно повысило точность астрономических наблюдений.

Точные часы – хронометры были необходимы для морской навигации. Их изготовил в 1735 году англичанин Джон Харрисон. Их точность была ± 5 секунд в сутки, и они уже были вполне пригодны для морских путешествий. А в 1764 году изобретатель довел точность своего хронометра до ±1 секунды в сутки. На этом возможности механических часов были исчерпаны.

Старинные механические карманные часы фирмы "Мозер" (фото автора)

Современные механические наручные часы (фото автора)

В начале XIX века с проблемой хранения времени столкнулись почтовые службы, пытавшиеся обеспечить движение почтовых экипажей по расписанию. В результате они обзавелись часами, которые можно было возить с собой. А с появлением железных дорог часы получили и кондукторы поездов. Чем активнее развивалось трансатлантическое сообщение, тем важнее требовалось обеспечить единство отсчета времени по разные стороны океана. В этой ситуации механические часы уже не годились. И тут на помощь пришло электричество. Электрические часы решили проблему синхронизации на больших расстояниях - сначала на материках, а потом и между ними. В 1851 году кабель был проложен по дну Ла-Манша, в 1860-м - Средиземного моря, а в 1865-м - Атлантического океана. А с 1899 года началась передача сигналов точного времени по радио.

Электрические часы изобрел в 1847 году англичанин Александр Бэйн. Основой их был контакт, управляемый маятником, раскачиваемым электромагнитом. Колебания суммировал электромагнитный счетчик, соединенный колесной передачей со стрелками на циферблате.

В начале XX века электрические часы окончательно вытеснили механические в системах хранения и передачи точного времени. Наиболее точными часами, основанными на свободных электромагнитных маятниках, были часы Уильяма Шортта, установленные в 1921 году в Эдинбургской обсерватории. Их точность составляла 1 сек/год.

В 1918 году были впервые построены первые кварцевые часы.

В 1937-м кварцевые часы, разработанные Льюисом Эссеном, были установлены в Гринвичской обсерватории, их точность составляла около 2 мс/ сутки. В 1944 году точность кварцевых часов возросла уже до 0,1 мс/сутки.

Во второй половине ХХ века электронные часы начали вытеснять механические. Они основаны на подсчете периодов колебаний от стабильного кварцевого генератора (резонатора) с помощью счетчиков - делителей и выводом показаний на электронный дисплей: электро-люминисцентно - вакуумный, светодиодный или жидкокристалический посредством дешифраторов. В них вместо электрического контакта применили транзистор, а функции маятника выполняет кварцевый резонатор.

Сегодня именно кварцевые резонаторы в наручных часах, персональных компьютерах, стиральных машинах, автомобилях, сотовых телефонах формируют время с точностью, значительно превышающей точность механических часов: механические часы ошибаются на секунду в сутки, а бытовые электронные – на секунду в 1 год! Большая точность, достаточная для бытовых приборов.

Существуют часы-телевизор, часы-радиоприемник, часы-телефон, часы-приемник GPS, часы-компьютер, часы-метеостанция, часы-компас, часы-глубиномер. На рисунке – наручные цифровые электронные часы.

В 1972 году появились первые в мире электронные часы с жидкокристаллическим дисплеем. В начале ХХI века ежегодно производится уже более 1 миллиарда часовых механизмов. Большинство выпущенных часов - кварцевые с циферблатом со стрелками. А ведь часы с жидкокристаллическим цифровым дисплеем гораздо информативнее – на них указывается календарный день, день недели, текущий месяц и многое другое. Да и точность считывания у цифровых часов выше, чему стрелочных. Но, несмотря на это, доля чисто электронных часов с жидкокристаллическим цифровым индикатором времени - всего около 10% - за сотни лет люди привыкли к часам со стрелками.

Поэтому большая часть электронных часов – электромеханические, с кварцевым резонатором, с циферблатом с движущимися стрелками. Они приводятся в движение миниатюрным шаговым электродвигателем. Система шестерен передает вращение электродвигателя на стрелки. Источник энергии электронных часов – миниатюрные "часовые" батарейки, которых хватает на срок не менее года.

А чисто механических часов было произведено всего 18 млн.

Но астрономия и космические полеты к далеким мирам потребовали значительно большей точности.

В 1949-м были построены первые атомные часы, где в качестве источника колебаний выступил не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Эта электромагнитная волна, то есть фотон радиоизлучения, характеризуется очень высокой стабильностью энергии и частоты колебаний. В 1955-м появились первые атомные часы на основе атомов цезия, используются атомы водорода и рубидия.

Со времени изобретения атомных часов их точность повышалась в среднем вдвое каждые 2 года. Этот процесс продолжается и сегодня.

В 1967 году перешли на атомный эталон времени.

В XXI веке в Интернете появилось электронное, Гринвичское, время. С 1 января 2001 года английским правительством было официально объявлено о новом стандарте времени Greenwich e-time (GET).

Глава компании Microsoft Билл Гейтс также внедряет новую технологию передачи персональной информации на наручные часы: SPOT (Smart Personal Objects Technology) - часы, принимая радиосигналы точного Времени в FM-диапазоне, способны автоматически корректировать время в соответствии с местом пребывания.

С древнейших времен люди не просто существовали во времени, но и пытались осмыслить его суть. Гераклит Эфесский (VI и V веков до н. э.), считал, что мир полон противоречий и изменчивости, но время течет неизменно. Известно его знаменитое изречение "В одну и ту же реку нельзя войти дважды". Платон (427-347 годы до н. э.) провозгласил принцип его цикличности. Все в мире, согласно его учению, повторяется через некоторые промежутки времени, то есть идет по кругу.

А вот Аристотель (384-322 годы до н. э.), не нашел места понятию время в своей системе. Великого философа не интересовали динамические процессы мироздания.

Галилей и Ньютон считали, что мир бесконечен и однороден. В нем время обосновалось как одна из важнейших и особых координат. Все вокруг стали описывать как происходящее в непрерывном и бесконечном пространстве-времени. Механике Ньютона необходимо было абсолютное и единое время во всей Вселенной, поэтому точность его измерения стала для науки главной технической задачей.

Теория абсолютного пространства и времени просуществовала всего два столетия. На рубеже XIX-XX веков в физике произошли события, существенно изменившие представление человека об окружающем мире и времени в нем. Квантовая механика Шредингера и теория относительности Эйнштейна позволили осознать, что человек живет уже не в трехмерном, а четырехмерном мире, в котором время, взаимосвязанное с пространством, играет особую роль. Все вокруг стало относительным и вероятностным, многие точные понятия начали растворяться, и время стало зависеть от скорости и степени искривленности пространства.

В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил специальную теорию относительности, суть которой заключается в том, что на быстро движущемся объекте время течет медленнее. То есть время стало величиной относительной. Такие понятия, как "сейчас", "сегодня", "завтра", имеют простой, общепринятый смысл только для событий, происходящих недалеко друг от друга. А если, например, сесть в космический корабль и разогнать его до скорости, близкой к скорости света, то можно и в будущее слетать посмотреть, что будет на Земле через сотни лет, только вот вернуться в свое настоящее уже не удастся…

В 1908 году немецкий математик Г. Минковский доказал неразрывное единство пространства и времени и ввел новое понятие пространство-время. Так мир стал четырехмерным. А в 1916 году Эйнштейн завершил создание общей теории относительности, согласно которой пространство-время может искривляться под действием сил тяготения (математически искривленные пространства ранее описал русский математик Н. Лобачевский). С тех пор геометрия искривленных пространств называется неевклидовой. Но самым интересным открытием в общей теории относительности является то, что в сильном поле тяготения время течет медленнее. Это означает, что часы у поверхности Солнца идут медленнее, чем у поверхности Земли, а часы на околоземной орбите, наоборот, быстрее.

Релятивистские эффекты учитываются сегодня не только учеными, астрономами, но и инженерами. Их влияние на навигационные спутники GPS (Global Positioning System) - системы глобального определения координат сказывается на вычислениях орбит, на распространении навигационных сигналов и, конечно, на ходе бортовых атомных часов. Последняя поправка наиболее существенна и выражается в искусственном "замедлении" атомных часов спутников системы GPS.

Многие люди отмечают, что с возрастом время течет быстрее. Но то же самое говорят и достаточно молодые люди.

Конечно, это можно объяснить постоянно ускоряющимся темпом жизни. Поезда и самолеты все быстрее доставляют нас в другие города, страны и континенты. Средства массовой информации обрушивают на наши бедные головы все возрастающий поток информации. Благодаря радио, телевидению и Интернету мы узнаем о событии практически сразу, после того как оно произошло.

Но швейцарские ученые находят кажущемуся ускорению времени и другое объяснение. Они считают, что с возрастом биологические часы человека начинают "отставать". И поэтому ему кажется, что события вокруг него бегут быстрее. По аналогии, постарайтесь идти по подземному переходу в метро медленнее темпа движения толпы вокруг вас. И вы сразу заметите, что вас со всех сторон обгоняют люди. Так и время обгоняет нас.

Стрела времени - это невозможность двигаться от будущего к прошлому. Вот почему мы не можем превратить яичницу в целые яйца, кубик льда не может сам собой превратиться в стакан воды, а разбитую чашку или вазу нельзя снова превратить в целую. Египетские фараоны строили пирамиды для сохранения памяти о себе на вечные времена. Существуют они уже около 5000 лет. Но и они не вечны. Постепенно ветры пустынь, среди которых они стоят, разрушат их и превратят в песок. Все это – проявление энтропии. Энтропия, на бытовом уровне - это мера беспорядка или мера неопределенности. В физике энтропия стоит в ряду таких фундаментальных понятий, как энергия или температура.

Теоретически обосновал существование стрелы времени как одностороннее движение от прошлого к будущему И.Р. Пригожин – бельгийский и американский физик и химик российского происхождения, лауреат Нобелевской премии 1977 г.

Пригожин Илья Романович (1917-2003)

В середине ХХ века ученые – археологи, геологи, химики и физики нашли способы установления сроков жизни существовавших ранее живых организмов. Основой метода является радиоуглеродный анализ, основоположниками которого являются Пьер Кюри и Эрнест Резерфорд.

Радиоуглеродный анализ — физический метод датирования биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа 14C по отношению к стабильным изотопам углерода.

В 1946 году ученым Уиллардом Либби был представлен метод, основанный на радиоуглеродном анализе объектов биологического происхождения. За этот метод спустя пятнадцать лет ученый получил Нобелевскую премию, которая засвидетельствовала полезность радиоуглеродного анализа. Радиоуглеродный анализ распространяется только на предметы, имеющие биологическое происхождение, а также на останки людей и животных. Археологические объекты не биологического происхождения при помощи этого метода исследовать невозможно.

Радиоуглеродный анализ основан на том, что в основе всех живых организмов есть такой химический элемент, как углерод. При этом углерод имеет в качестве своих составляющих стабильные и радиоактивные изотопы. Стабильные изотопы – 12С и 13С присутствуют постоянно, а радиоактивный изотоп 14С может накапливаться под воздействием радиации, солнечного излучения и космоса в организме, но разрушаться постепенно после смерти биологического существа.

При жизни баланса разных изотопов углерода одинаковый, а вот при смерти такой баланс начинает нарушаться. Стабильные углероды так и остаются неизменными в организме и не испытывают распада, а вот число радиоактивного углерода постепенно уменьшается. Зная при этом время распада радиоактивного углерода, можно с достоверной точностью рассчитать возраст останков.. Максимальный возраст, который можно определить этим методом находится в пределах шестидесяти тысяч лет, при этом погрешность составляет от 70 до 300 лет.

Радиоуглеродный метод позволяет определять возраст египетских фараонов по их мумиям, ископаемых останков людей, животных, растений, микроорганизмов.

Данные о последовательности важнейших событий в истории планеты Земля, о смене геологических эпох обобщает историческая геология. Определением абсолютного возраста пород занимается ядерная геохронология. Это одна из самых молодых геологических наук, которая изучает закономерности естественных ядерных превращений в веществе Земли и их проявление в геологических процессах. Основоположник этой науки — академик В. И. Вернадский (1935 г.). Она опирается на явление радиоактивного распада урана, тория, калия, стронция и др. Геохронология устанавливает абсолютный возраст горных пород. Это возраст, выраженный в единицах времени, обычно составляет миллионы лет.

0.15.Лекция 14. История идентификации личности

0.15.1. 

Идентификация личности (от лат. identifico - отождествляю) - признание тождественности, опознание. Идентификация основана на распознавании образов – установлении принадлежности какого-либо предмета (например, личности человека), процесса, явления, ситуации, сигнала к одному из заранее выделенных объектов – образов. Процесс распознавания основан на сопоставлении признаков опознаваемого объекта с признаками других известных объектов.

Распознавание образов происходит в повседневной жизни человека. Так, мы почти мгновенно узнаем знакомого человека по внешнему виду в толпе или по голосу в телефонном разговоре. Используются методы распознавания и в криминалистике. Это - установление тождества личности по совокупности общих и частных признаков (например, идентификация личности по паспорту, почерку, по следам рук, фотографии и т.д..).

Целый ряд биологических характеристик – внешний вид, форма лица и кисти рук, ушей, отпечатки пальцев, походка, почерк, форма и способ подписи, узор радужной оболочки глаз, голос и слитная речь, анализ крови, фрагменты генетического кода уникальны для каждой личности и поэтому используются для опознавания личности. В паспортах, пропусках, финансовых документах для этого служат фотографии и личная подпись. Но фотографии можно подменить, а подпись – подделать. Поэтому методы распознавания личности приходится непрерывно совершенствовать.

Существуют бумажные и биометрические идентификаторы личности.

Бумажные идентификаторы – это паспорт, удостоверение личности, водительское удостоверение. Существуют также пароли, персональные идентификационные номера ПИН-коды.

Первые удостоверения личности появились в России в XVIII веке. В 1721 году Петр I ввел обязательные паспорта для крестьян, временно покидающих пределы постоянного жительства. В начале XIX века появились загранпаспорта. К концу XIX века в паспорта начали вносить данные о происхождении, сословной принадлежности, вероисповедании. В 1918 году паспортная система была ликвидирована. В 1932 году паспорта ввели в городах, поселках городского типа, райцентрах, а также в Московской области и ряде районов Ленинградской области. Паспорта не выдавались военнослужащим, инвалидам и жителям сельской местности. В паспортах содержались сведения о дате рождения, национальности, социальном положении, отношении к военной службе, семейном положении, прописке. Жители села паспортов не имели. И только в 1960-е годы Н.С.Хрущев вернул паспорта крестьянам, чем избавил их от "советского крепостного права".

В 1997 году Б.Н. Ельцин ввел паспорта граждан Российской Федерации. В новом паспорте РФ нет пресловутого 5-го пункта "Национальность". Введено понятие "Личный код". Сохранены: регистрация по месту жительства, заменившая пресловутую советскую прописку, отношение к воинской обязанности, семейное положение. На обложке нового российского паспорта изображен тисненый Государственный герб России, на его внутренней стороне - Московский Кремль. Имеется личная подпись владельца паспорта.

Но паспорт, удостоверение личности, водительское удостоверение можно потерять, сравнительно легко подделать. Пароль, ПИН-код можно забыть или перепутать.

Биометрические идентификаторы основаны на физиологических или поведенческих характеристиках, сугубо индивидуальных для каждого человека. К ним относятся внешность, походка, почерк, отпечатки пальцев, радужная оболочка глаз, форма лица и т.д. Эти уникальные качества каждого человека трудно подделать, невозможно забыть или потерять. В этом и состоят их очевидные преимущества перед бумажными идентификаторами.

Сегодня применяются, в основном, три метода биометрической идентификации: распознание по отпечаткам пальцев, по радужной оболочке глаз и по форме лица.

Основателем использования биометрической идентификации стал французский криминалист Альфонс Бертильон (1853 – 1914 гг.). Он использовал выводы антропологов о том, что геометрические размеры частей тела у разных людей никогда не совпадают полностью. Начиная с 1883 года, он измерял преступников и заносил данные о них в картотеку. Этот метод получил название бертильонажа. Бертильон пришел к выводу, что для сочетания 14 единиц измерения (рост, длина верхней части туловища, окружность и длина головы, длина ступней, рук, пальцев и ушей и т.д.) взрослого человека шанс совпадения по теории вероятности равен 1 : 286 435 456. Если производить тщательный обмер каждого преступника и аккуратно заносить результаты в личные карточки, станет возможна безошибочная идентификация. Способ этот был хлопотлив, но он был надежнее ранее известных способов идентификации.

Альфонс Бертильон

увеличить изображение
Словесный портрет

В 1891 -1892 годах анархист, действовавший под псевдонимом Равашоль, держал в страхе весь Париж. Когда он был арестован (вверху), Бертильон идентифицировал его с помощью своей картотеки как опасного преступника Кенигштейна. С этого началось победное шествие бертильонажа по всей Европе.

Кроме способа измерения, Бертильон разработал основы получения точных фотографий преступников, которые он приклеивал к карточкам измерений, а также основы фотографирования места преступления. Эти фотоснимки были точнее самого точного описания, сделанного полицейскими.

Бертильон начал заниматься разработкой другой области криминалистики - полицейской фотографии. В конце XIX века арестантов снимали в разных масштабах, с разных точек и через разную оптику. Бертильон заметил, что узнать преступника по таким снимкам практически невозможно. В результате собственных фотоопытов он пришел к выводу, что каждого арестованного необходимо фотографировать дважды - анфас и в профиль.

Полицейское фото шпионки Маты Хари

Причем снимать следовало с одинакового расстояния, при одинаковом освещении и так, чтобы голова преступника была зафиксирована в одном и том же положении. Он даже разработал специальное вращающееся кресло.

Теперь к личной карточке уголовника прилагались две четкие фотографии (это делается и сегодня). Но самым значительным изобретением Бертильона был прообраз фоторобота - словесный портрет преступника. Составив специальный словарь, Бертильон присоединил словесный портрет к архивной карточке.

Фотография сохранила свое значение как средство идентификации, но более полную надежность идентификации обеспечили лишь отпечатки пальцев.

Уильям Хершел (1833-1917), чиновник британской колониальной администрации в Индии, изучал возможность идентификации по отпечаткам пальцев. Внизу: отпечатки его левой руки, сделанные с перерывом в тридцать лет, чтобы доказать их неизменяемость.

Фрэнсис Гальтон (1822 - 1911) понимал преимущества дактилоскопии перед бертильонажем. Но ему не удалось найти приемлемой системы регистрации отпечатков пальцев.

Эту задачу решил Эдвард Генри (1850-1931, вверху справа). Став в 1901 г. начальником лондонской полиции, он заменил бертильонаж дактилоскопией.

Фотографии и отпечатки пальцев из картотеки уголовной полиции. Они показывают, насколько обманчивой может быть идентификация по фотоснимкам. На снимках изображен один и тот же человек, но изменения, вызванные возрастом, облысением и бородой, создают впечатление, что это два разных лица.

Убийство с целью ограбления в Дептфорде, при совершении которого один из нападавших оставил отпечаток пальцев на шкатулке для денег, стало в 1905 г. предметом сенсационного процесса, где отпечатки пальцев впервые послужили доказательством вины преступника.

Большую роль в развитии дактилоскопии в Англии сыграло скандальное дело Адольфа Бека (слева), когда его дважды путали с преступником Томасом (справа) и приговаривали к тюремному заключению.

Слева: отпечаток пальца на шкатулке. В середине: его характерные черты. Справа: отпечаток пальца, взятый непосредственно у подозреваемого Стрэттона.

И только отпечатки пальцев внесли ясность в это дело¹⁾.

Алан Пинкертон (1819- 1884 гг.) - основатель детективного агентства.

Алан Пинкертон организовал частное детективное агентство, которое специализировалось на железнодорожных кражах. Его агентство быстро обрело известность, самыми крупными успехами были предотвращение покушения на президента Линкольна в Балтиморе в 1861 году и арест организаторов кражи 700 000 долларов в железнодорожной компании Adams Express. Агентство ввело в практику применение фотографий и подробных описаний преступников. Эти сведения распространялись по городам США, расклеивались портреты разыскиваемых с обещанием вознаграждения за помощь в розыске. Сыновья Пинкертона стали классифицировать преступников, завели картотеку с указанием их специализации - налётчики, мошенники, карманники и воры. Агенство Пинкертона существует в США и сегодня.

Алан Пинкертон

Двадцатый век с его успехами в области средств связи, фотографии, видеосъемки, появлением компьютера и Интернета значительно продвинул идентификацию личности. Появились базы данных, по которым стало возможным гораздо быстрее устанавливать личность подозреваемых. Например, значительно ускорился процесс сверки отпечатков пальцев с образцами, хранимыми в полицейских базах данных.

Появились новые биологические средства и методы распознавания личности, например, по найденным образцам ДНК. Однако они требуют значительного времени и не относятся к оперативным средствам распознавания.

За последние годы созданы быстродействующие сканеры отпечатка пальца. Они предназначены для сканирования и преобразования изображения папиллярного рисунка пальца с последующим занесением его в базу данных. Этот сканер оснащен оптическим чувствительным элементом. В этом сканере есть окошко с площадью 21х21 мм, к которому прикладывается палец. При этом происходит сканирование папиллярного рисунка пальца испытуемого, после чего формируется математическая модель, записанная в виде двоичного кода. Она записывается в базу данных.

В дальнейшем человек прикладывает палец к окошку сканера, происходит сканирование, полученный рисунок в виде двоичного кода сравнивается с моделью, хранящейся в базе данных и в течение 2 с система решает, пропускать этого человека на охраняемый объект или нет.

Характерной особенностью такого сканера является процедура, заключающаяся только в прикладывании пальца к окошку, без оскорбительного смазывания пальцев краской или чернилами.

Фирма Panasonic в 2007 году разработала систему, которая обеспечивает точный, быстрый бесконтактный контроль доступа с использованием биометрической технологии идентификации личности по радужной оболочке глаза. Эта система со временем идентификации 0,3 секунды оптимально подходит для идентификации пассажиров в аэропортах и для контроля доступа на предприятиях в самых различных отраслях промышленности.

Компания Panasonic разработала уникальное высокоскоростное устройство захвата изображения, которое распознает рисунок радужки глаз в течение всего лишь 0,3 секунды после того, как положение глаз выровнено с двумя зеркалами, которые расположены на передней панели.

увеличить изображение

увеличить изображение

В то же время появились новые технические средства подделки документов, денежных знаков, затрудняющие работу правоохранительных органов.

Наступивший 21-й век дал о себе знать почти сразу: 11 сентября 2001 года произошел террористический акт в США. Группа террористов захватила три гражданских авиалайнера с пассажирами и с их помощью разрушила в Нью-Йорке два небоскреба международного торгового центра и часть здания Пентагона в Вашингтоне. В результате погибли более 3000 мирных граждан и спасателей – пожарных.

Этот теракт сразу же разделил мир на два лагеря – все мирное население и хорошо организованную группу фанатиков-террористов. Они не пойманы и сегодня, спустя 7 лет. Особую трудность борьбы с ними является использование ими террористов смертников – шахидов. Обычно это молодые юноши и девушки 16-18 лет, накачанные религиозной пропагандой. Они обвязывают себя так называемыми поясами шахидов, начиненными взрывчаткой, и стараются взорвать себя в наиболее людных местах – на вокзалах, поездах, автобусах, аэропортах, железнодорожных вокзалах. При этом им внушают, что таким образом они сразу же попадут в рай. А их родителей, обычно многодетных, уговаривают отдать на эти варварские акты собственных детей, оказывают им финансовую помощь и окружают их ореолом героев. С такими преступниками, не жалеющими своей собственной жизни и стремящимися как можно скорее умереть во имя призрачной идеи, особенно трудно бороться. Они напоминают эсеров- бомбистов, гонявшихся за царскими сановниками в России ХIХ века.

В этих условиях особую важность приобретают оперативные автоматизированные методы распознавания личности, в которых время распознавания играет основную роль: в людских потоках на эскалаторах метро, в очередях регистрации авиапассажиров. Разумеется, эти методы обязательно дополняются методами обнаружения оружия и взрывчатки.

В нашей стране разработана "Face-Интеллект"- автоматизированная система видеозахвата и идентификации личности по изображению лица человека. "Face-Интеллект" сканирует и "запоминает" лица всех людей, проходящих мимо видеокамеры, определяет идентичность входных данных, представляющих собой изображения лица человека, осуществляет анализ, синтез образа объекта, сравнение с базой данных и распознавание.

Разработанная технология распознавания лица человека по изображению базируется на алгоритмах идентификации и сравнения изображений.

При работе с базами данных до 100 000 изображений, что соответствует реальной практике и потребности правоохранительных органов большинства государств, вероятность идентификации при этом составляет 95,6 %.

Система распознавания лиц "Face-Интеллект" предназначена для функционирования в местах массового скопления людей, в аэропортах, на стадионах, в зоне пограничного контроля, в исправительных учреждениях, на стратегических и военных объектах.

Масштабное тестирование системы распознавания лиц проводилось с целью определения эффективности работы с большими массивами данных. Процесс тестирования имитировал идентификацию личности при регистрации граждан в момент прохождения контрольно-пропускных пунктов (паспортный контроль, таможенный осмотр и пр.).

С 2007 года российским гражданам будет выдаваться биометрический паспорт. Отличить его от обычного с первого взгляда достаточно сложно. Отличия начинаются с фотографии. На новом паспорте она цветная и заламинированная, а самое важное – цифровая, трехмерная. Подделать такую фотографию крайне сложно.

Трехмерная фотография - новейшая биометрическая технология, созданная отечественными разработчиками около пяти лет назад. Трехмерное фото, занимая всего 5 Кбайт, может быть записано в биометрический паспорт; оно увеличивает точность идентификации личности и повышает надежность автоматической сверки документов. Эксперты отмечают, что уровень распознавания трехмерной фотографии составляет более 90%, тогда как у двухмерного изображения этот показатель редко превышает 50%.

Трехмерная фотография

Трехмерная модель лица

Основной задачей трехмерной фотографии является восстановление поверхности по серии фотоснимков. Для этого с помощью цифрового фотоаппарата на диск компьютера вводится несколько фотоснимков одной и той же поверхности сложной формы. Фотоснимки обычно вводятся как черно-белые, то есть как 256 градаций серого цвета.

Создано математическое обеспечение, позволяющее после обработки фотоснимков получить цифровое описание поверхности. Теоретическим обоснованием такой обработки является стереоэффект, то есть возможность оценивать расстояние до точки по двум фотоснимкам, на которых она изображена.

Профессор Ш. Пелег (Израэль) разработал технологию, основанную на стереоскопическом видении. Глаза человека по-разному воспринимают двухмерные образы, а потом мозг уже комбинирует эти изображения в 3D. Ш.Пелег вместе с коллегами разработал программное обеспечение, которое так же, как мозг человека, объединяет кадры, сделанные цифровой фото или видеокамерой.

Главной особенностью нового биометрического паспорта является чип, в котором будет зашифрована информация о личности данного человека - трехмерное (3D) изображение лица и отпечатки пальцев. На чип можно записать практически любую информацию, включая цифровую копию вашей радужной оболочки глаза или голос. А в более отдаленной перспективе в паспортах будут появляться и микрочиповые визы иностранных государств. Паспорт останется практически в том же виде, что и все нынешние. Чипы по особой технологии будут вшиваться в страницы паспорта, их с трудом можно определить на ощупь.

0.16.Лекция 15. Современные средства и системы отображения информации

0.16.1. 

 

0.16.1.1.Мультимедиа-проекторы

Мультимедиа-проектор предназначен для воспроизведения на большом экране информации, получаемой от компьютера, видеомагнитофона, видеокамеры, проигрывателя DVD-дисков. В современных мультимедиа-проекторах используются несколько технологий формирования изображения. Общий принцип устройства LCD-проекторов напоминает кино- или слайд-проектор, только вместо пленки применяется прозрачная жидкокристаллическая панель, на которой с помощью цифровой электронной схемы создается картинка. Свет от лампы проходит через панель и объектив, и на экране воспроизводится изображение, увеличенное во много раз. В DLP-проекторах свет отражается от поверхности специального чипа (микросхемы) размером примерно 15 х 11 мм, на которой находится около 800000 микрозеркал, формирующих изображение и также через объектив попадает на экран.

Для получения цветного изображения в LCD-проекторах используются три панели - для красного, зеленого и синего цветов раздельно. В недорогих DLP-проекторах составляющие цвета один за другим проецируются на экран с большой частотой (одночиповая схема). Три микрозеркальных чипа для составляющих цветов применяются в высококачественных, профессиональных мультимедиа-проекторах.

В зависимости от конструкции, качества LCD-панелей, мощности и типа лампы мультимедиа-проекторы могут создавать различный световой поток и, соответственно, получать различную яркость изображения на экране.

Мультимедиа-проектор

Многие модели мультимедиа-проекторов оснащаются встроенными громкоговорителями для воспроизведения, например, звуковой дорожки видеофильма. При проведении презентаций будет особенно полезна функция регулировки громкости с помощью пульта. Однако следует иметь в виду, что для высококачественного воспроизведения звука в большой аудитории этих возможностей проектора недостаточно - рекомендуется использовать специальные звуковые системы.

0.16.1.2.Жидкокристаллические LCD-мониторы

Широкоформатные жидкокристаллические (ЖК) LCD-мониторы с диагональю 32, 42, 46, 65 и 105 дюймов разработаны для использования в общественных местах: для отображения справочной информации в аэропортах и на вокзалах или рекламы в супермаркетах и торговых центрах, в качестве мониторов в конференц-залах или дисплеев систем видеонаблюдения и др. Широкий угол обзора, высокая скорость отклика для качественного отображения видео, увеличенная яркость и контрастность позволяют получать яркие и четкие изображения даже в светлых хорошо освещенных помещениях.

ЖК-дисплей

0.16.1.3.Плазменные дисплеи

Экран плазменного дисплея может быть намного больше телевизионного, при этом он не испускает вредных электромагнитных излучений. Помимо размеров, основным достоинством панели является более высокая, чем у телевизоров и мониторов, контрастность изображения и угол обзора - 160.

Плазменные дисплеи также отличаются от кинескопов отсутствием мерцания изображения, что позволяет зрителям не утомляться при просмотре сеансов в домашнем кинотеатре. Благодаря всем этим достоинствам плазменные панели нашли применение в качестве информационных табло в аэропортах и на выставках, а также для оформления выставочных стендов и телевизионных студий. Большинство панелей имеет соотношение сторон экрана 16:9, что обусловило их применение в системах домашнего кинотеатра.

Поверхность плазменного дисплея состоит из пикселей, каждый из которых имеет 3 ячейки - источники трех основных цветов - красного, зеленого и синего. Ячейка представляет собой герметичную стеклянную емкость прямоугольной формы, заполненную газом в плазменном состоянии, и покрытую изнутри цветным фосфором.

Состав этого фосфора тот же, что используется в электронно-лучевых трубках, применяемых в телевизорах и мониторах. Через каждую ячейку протекает электрический ток тлеющего разряда, чем он больше, тем ярче свечение ячейки. Величина тока в каждой ячейке индивидуально регулируется цифровой системой плазменной панели. С помощью каждой ячейки можно получить до 16 миллионов оттенков определенного цвета, благодаря чему изображение на экране становится столь сочным и реалистичным.

Плазменный дисплей

Благодаря абсолютной плоскостности экрана панели, отсутствуют искажения изображения, характерные при работе с телевизионным или мониторным экраном. У плазменных панелей отсутствует неравномерность изображения от центра к краям экрана, характерная для проекционных телевизоров, что значительно увеличивает угол обзора.

0.16.1.4.Интерактивные доски (ИД)

Интерактивная доска (ИД) - это устройство, позволяющее лектору или докладчику объединить два различных инструмента: экран для отображения информации и обычную маркерную доску.

Для работы с интерактивной доской не требуется специальных навыков или знаний. Перед началом работы ИД подключается к компьютеру и проектору. На нее, как на экран проецируется изображение от любого источника (компьютерного или видео сигнала), с которым Вы теперь можете работать прямо на поверхности доски. Манипуляции компьютерной мыши осуществляются касанием поверхности, тем самым докладчик имеет полный доступ к управлению компьютером.

Доска позволяет показывать слайды, видео, делать пометки, рисовать, чертить различные схемы, как на обычной доске, в реальном времени наносить на проецируемое изображение пометки, вносить любые изменения и сохранять их виде компьютерных файлов для дальнейшего редактирования, печати на принтере, рассылки по факсу или электронной почте.

Запись на интерактивной доске ведется специальным электронным пером или даже пальцем. Докладчик, взяв в руки специальный маркер, может работать с изображением на экране: выделять, подчеркивать, обводить важные участки, рисовать схемы или корректировать их, вносить исправления в текст. Сенсорные устройства "улавливают" прикосновения, и транслируют в соответствующие электронные сигналы, отражающие движение пишущей руки. Доска снабжена лотком с тремя маркерами разного цвета и ластиком. Докладчик может заранее задать цвета маркеров, которые он будет использовать во время выступления - тогда ИД автоматически реагирует, что из лотка взят, например, зеленый маркер или ластик.

0.16.1.5.Проекционные экраны

Необходимый размер проекционного экрана зависит от площади помещения, количества зрителей, мощности проекционного устройства и условий освещения во время просмотра. При выборе проекционного экрана рекомендуется соблюдать ряд условий. Ближайшие зрители должны находиться на расстоянии в 2 ширины экрана, а самые дальние - на расстоянии 6 диагоналей. Все полотно экрана, включая нижнюю часть, должно быть видно с любого зрительского места, в том числе с самых дальних и угловых. Если пол помещения горизонтальный, расстояние от него до нижнего края экрана, скорее всего, составит около 1.5 м, тогда для небольших помещений - учебного класса или комнаты для совещаний - допустимый размер экрана по вертикали будет определяется высотой, остающейся до потолка помещения.

Для проекции компьютерных и видеоизображений экран должен иметь соотношение сторон 4:3 соответственно. В последнее время для видео и даже для некоторых современных компьютеров все шире применяются дисплеи формата 16:9. Для видеопроектора с таким соотношением сторон матрицы нужно приобрести и соответствующий проекционный экран.

0.16.2.Ситуационные центры

Бурное развитие информационных технологий в последние годы вызвало появление больших массивов информационных, коммуникационных, аудио-видео данных, которые необходимо осознать, структурировать и анализировать для принятия грамотных управленческих решений. Одновременно с убыстрением темпов развития информационных технологий сокращается время, отпущенное на принятие управленческих решений или, тем более, решений, принимаемых в кризисных ситуациях. Для того, чтобы принимать оптимальные решения с минимальными затратами времени, создается такой инструмент как ситуационный центр или ситуационная комната. Ситуационный центр также дает возможность промоделировать варианты развития событий, продумать последствия тех или действий заранее, не дожидаясь наступления кризисной ситуации. Такие ситуационные центры существуют сегодня в Министерстве природных ресурсов РФ, Минатоме и Росэнергоатоме, в МЧС, в некоторых автономных округах и регионах, активно создают их и крупные промышленные и нефтегазовые компании.

0.16.2.1.Основные задачи ситуационных центров

• мониторинг состояния объекта управления прогнозирование развития ситуации на основе анализа поступающей информации
• моделирование последствий управленческих решений, на базе использования информационно-аналитических систем
• экспертная оценка принимаемых решений и их оптимизация
• управление в кризисной ситуации

0.16.2.2.Техническое оснащение ситуационных центров

Для решения стоящих перед ситуационными центрами задач требуются большие объемы и высокая интенсивность поступления входной информации, что делает абсолютно необходимым использование современных средств, обеспечивающих высокие возможности приема, воспроизведения и восприятия информации.

0.16.2.2.1.Экран коллективного пользования

Основным элементом технического оснащения ситуационного центра является экран коллективного пользования, позволяющий создать единый информационный язык для лиц, работающих в ситуационном центре.

Экран может представлять собой видеостену или проекционную установку.

Видеостены, то есть системы мультиэкранного отображения данных различного вида (электронные карты, видеоизображения, графики и диаграммы, текстовая документация в электронном виде), предназначены для коллективного пользования и, благодаря модульной конструкции, могут быть сконфигурированы индивидуально под конкретные помещения и задачи.

Ключевым свойством для видеостен является разрешение и, соответственно, информационная емкость, позволяющая представлять на одном экранном поле множество "окон", содержащих полноценные изображения от множества источников.

0.16.2.2.2.Средства видеоконференц-связи

Средства видеоконференц-связи, передающие изображение и звук по телекоммуникационным сетям и использующие различные конфигурации связных терминалов - как в виде автономных устройств, так и на базе персональных компьютеров, являются необходимыми в ситуациях, когда происходит работа между удаленными участниками совещания. Живой диалог может прояснить иногда гораздо больше, чем даже относительно быстрая пересылка файлов с фотографиями. В состав любого видеоконференционного терминала входят видеокамера, микрофон, кодек, устройство отображения видео и устройство воспроизведения звука.

0.16.2.2.3.Высококачественные звуковые системы, включающие специальные звуковые конференц-системы

Звуковое оборудование ситуационного центра

Микрофоны в ситуационном центре практически обязательный атрибут. Они необходимы не только для того, чтобы участники совещания могли слышать друг друга непосредственно в ситуационном центре, но и могли участвовать в сеансах связи с другими офисами или центрами. Обычные микрофоны плохо подходят для этой цели. Правильным решением является использование так называемых конференц-систем - микрофонных пультов. Такие пульты подразделяются на пульты рядовых участников и пульт руководителя (председателя, ведущего).

0.16.3.Конференц-залы

При оборудовании или переоборудовании современного конференц-зала ставится задача построения многофункционального комплекса, сочетающего в себе возможности зала для проведения презентаций, совещаний, конференций, развлекательных мероприятий, а в последнее время, и просмотра видео или кинофильмов с поддержкой современных форматов звукового сопровождения. В соответствии с этим, набор оборудования для подобных целей включает в себя следующие основные системы:

1. Оборудование отображения визуальной информации.
2. Оборудование озвучивания.
3. Видеооборудование (при необходимости).
4. Световое оборудование (при необходимости)
5. Коммутационное оборудование.
6. Вспомогательные средства.

Пояснения к рисунку:

1. Интерактивная доска (изображения и действия на ней могут дублироваться на большом экране)
2. Фронтальные громкоговорители
3. Экран на раме или с электроприводом
4. Инфракрасные излучатели системы синхроперевода
5. Плазменные мониторы для президиума
6. Громкоговорители окружающего звука
7. Рековая стойка с оборудованием (см. рис. 2)
8. Мультимедиа проектор
9. Главный микшерский пульт
10. Сенсорный экран системы управления комплексом
11. Пульт переводчика
12. Радиомикрофоны
13. Микрофонный пульт делегата
14. Микрофонный пульт председателя
15. Микрофоны докладчика
16. Документ-камера для демонстрации на большом экране бумажных документов
17. Интерфейсы для подключения компьютера докладчика
18. Усилители мощности

0.16.4.Реализованные проекты

В мае 2007 года в здании Контрольного Управления Президента РФ был реализован проект по созданию ситуационного центра. Для мониторинга графической информации была установлена графическая видеостена Mitsubishi в высокой информационной емкости. В аппаратной предусмотрено ее дублирования на LCD-мониторах для аналитического персонала. Также предусмотрены интерактивные средства визуализации, система озвучивания и управления.

Ситуационный центр администрации Президента РФ

0.16.4.1.Решения с использованием светодиодных табло

В 2006-м году для зала заседаний Мэрии г. Москвы было разработано уникальное решение по модернизации существующей системы отображения. Впервые светодиодные дисплеи с шагом 3мм были использованы для создания экрана коллективного пользования конференц-зала. Это было обосновано архитектурными особенностями зала, высокой естественной освещенностью а также желанием заказчика создать уникальное решение. В результате установленная система позволила достичь чрезвычайно высокого качества изображения.

Зал заседаний Мэрии г. Москва

0.16.4.2.Система отображения информации в фойе центрального входа здания ОАО "Газпром", г. Москва

В октябре 2007 года компания "Полимедиа" завершила инсталляцию первого в России светодиодного экрана с шагом пикселя 3 миллиметра. Данная инсталляция, выполненная на основе светодиодных модулей Mitsubishi, проводилась в рамках комплексного оснащения системой отображения информации и озвучивания фойе центрального входа блока "А" здания ОАО "Газпром". Для реализации функциональных возможностей комплекса было внедрено множество инновационных решений, впервые применяемых в подобных проектах.

0.16.5.Проекты в области образования

0.16.5.1.Российский государственный гуманитарный университет

Российский государственный гуманитарный университет является стратегическим партнером компании "Полимедиа" в области образования. Начиная с 2000 года специалистами "Полимедиа" был оснащен целый ряд классов многофункциональным комплексом оборудования, в том числе интерактивного. Помимо этого ведется широкая совместная работа по созданию учебно-методических программ интерактивного оснащения учебных заведений.

0.16.5.2.Московский гуманитарный университет

В Московском гуманитарном университете специалистами "Полимедиа" был оснащен ряд аудиторий комплексом презентационного оборудования. Среди них зал заседаний ученого совета, актовый зал, зал риторики и другие. В ходе проекта были установлены различные средства отображения - мультимедиа-проектора и плазменные панели а также микрофонные конференц-системы и системы интегрированного управления.

0.17.Лекция 16. Заключение

0.17.1. 

Этапы развития информационных технологий

1. Появление языка и устной речи. Речь позволяет ученикам усвоить жизненный опыт учителя вместо того, чтобы методом проб и ошибок постигать все самим. Именно с появлением языка и речи и началась история человека как человека разумного, так как речь требует некоторого минимума абстрактного мышления.
2. Создание алфавитов - аналогов звуков речи как наиболее удобных элементов для реализации письменности.
3. Создание письменности – первого асинхронного способа передачи и получения информации. Это позволило обходиться без личного общения с учителем для усвоения его опыта. Письменные документы доходят до людей через время и расстояния, а для потомков - через годы, века и тысячелетия.
4. Изобретение бумаги – носителя информации.
5. Изобретение принципа давления для печати.
6. Изобретение книгопечатания И.Гутенбергом (1468 г.): матриц, литер – металлических аналогов звуков речи, горячего набора, создание печатного пресса, изготовление первого в истории тиража книг. Печатный станок дал возможность быстро и дешево тиражировать информацию без ошибок, допускаемых переписчиками.
7. Книгопечатание – первое в истории средство массовой информации (СМИ).
8. Ноты и нотопечатание – средство записи звуков.
9. Создание географических карт.
10. Изобретение новых измерительных приборов (телескопа, микроскопа, измерения веса, объема, длины, времени, скорости и др.) ведет к появлению новых наук и технологий – географии, астрономии, биологии, медицины, археологии и др.
11. Изобретение и развитие традиционных видов связи (сигнализации, почты, телеграфа, телефона, радиосвязи, телевидения).
12. Изобретение звукозаписи – механической, магнитной, цифровой.
13. Изобретение накопителей информации (магнитной пленки, оптических дисков и др.).
14. Изобретение фотографии – традиционной негативно-позитивной, пленочной и цифровой.
15. Изобретение киносъемки .
16. Открытие существования электромагнитного поля и возможности его использования для передачи информации.
17. Изобретение радиотелеграфа (Попов и Маркони).
18. Создание радиовещания и записи радио- и теле передач.
19. Создание вакуумной ("ламповой") электроники.
20. Изобретение лазера.
21. Создание опто-волоконной связи.
22. Изобретение видеосъемки и видеозаписи.
23. Изобретение компьютера, персонального компьютера.
24. Создание полупроводников, микроэлектроники и жидких кристаллов пришло на смену вакуумной электронике.
25. Изобретение компьютерных сетей, Интернета.
26. Создание и распространение Интернет-торговли.
27. Изобретение электронной и аудиокниги, создавшее серьезную конкуренцию печатным изданиям.
28. Создание спутниковых систем навигации (GPS , Глонасс, Галилео).
29. Создание и быстрое распространение сотовой телефонной связи.
30. Создание Skуpe – видеосвязи по Интернету.
31. Создание и распространение социальных сетей.
32. Создание нанотехнологий.

Человечество в начале XXI века оказалось на пороге создания информационного общества, в котором практически каждый человек, в какой бы точке земного шара он не находился, будет иметь реальную возможность легко связаться с другим человеком или организацией, передать и получить любую необходимую информацию - деловую и бытовую.

Понятие "информационное общество" появилось в середине 60-х годов XX века в Японии и США. Смысл его заключался в том, что большая часть населения развитых стран будет заниматься информационной деятельностью, а главным продуктом производства и основным товаром станет информация.

Формирование информационного общества началось с создания междугородней и международной телефонной сети и значительно ускорилось с изобретением радио и телевидения. С появлением микропроцессора, персонального компьютера, цифровых технологий, Интернета, электронной почты, спутниковой, сотовой и оптоволоконной связи формирование информационного общества достигает стадии зрелости.

В России реализуется Федеральная целевая программа "Электронная Россия". Эта программа информатизации России рассчитана на 9 лет. В нее будут произведены инвестиции на сумму около 2,4 млрд. долларов. Согласно программе, к 2007 г. доля продукции индустрии информационных технологий (ИТ) в российском ВВП должна возрасти с нынешних 0,5% до 2%, а объем экспорта высоких технологий увеличится в 15-20 раз (до 2,5 млрд долл.). Программа предусматривает внедрение новых информационных технологий в государственных органах и частном секторе, создание образовательных программ, призванных повысить уровень компьютерной грамотности россиян, и построение масштабной сети коммуникаций. В результате реализации программы к Интернету будут подключены все российские вузы и больше половины школ, созданы электронные библиотеки, внедрены системы телемедицины и т.д.

Появилось понятие "электронное правительство" - Electronic government (e-Government): система государственного управления на основе электронных средств обработки, передачи и распространения информации. Одна из главных задач этой системы - перенос общения каждого отдельного гражданина с государственными чиновниками в электронную почту. Прозрачность этого общения должна снизить уровень коррупции чиновников и значительно ускорить решение любых вопросов, касающихся отношений граждан с государством.

Таким образом, информационное общество - это концепция постиндустриального общества, новая историческая фаза развития цивилизации, в которой главными продуктами производства являются информация и знания.

Через шесть лет после изобретения интегральной схемы, в 1964 году один из основателей Intel Гордон Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Одновременно он предсказал, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более дешевыми и быстродействующими, а их производство - все более массовым. Этот эмпирический закон действует уже более 40 лет.

В 2005 году началось производство чипов по технологии 65 нанометров, на 2007 год намечен переход на 45-нанометровый процесс, на 2009 год - внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черед технологического процесса 22 нм. К 2020 году размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных размеров, и уменьшать их дальше будет просто невозможно. Еще один путь - создание многоядерных процессоров на одном кристалле. Уже существуют двухядерные процессоры, в скором времени ожидается переход на четырехядерные процессоры. Они создают возможность параллельных вычислений, а следовательно, увеличения быстродействия компьютеров. Уже достигнута частота 3,73 ГГц. В компании Intel создан экспериментальный кристалл с размерами 22х13,75 мм, содержащий 80 ядер. Через 5 лет на одном кристалле будет достигнута скорость в терафлоп - один триллион операций в секунду!

Переход к использованию в информационных технологиях так называемой нанотехнологии объектов, размеры которых - порядка 10-9 м (атомы, молекулы), позволит на несколько порядков увеличить быстродействие и емкость памяти персональных компьютеров, а следовательно, и их возможности. В результате внедрения нанотехнологии в вычислительную технику человек-пользоватетель будет иметь на своем письменном столе или даже в кармане компьютер, превышающий по своим возможностям современные суперкомпьютеры.

0.17.2.Лауреаты Нобелевской премии по физике 2010 г

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2010 г. Андре Гейм (1958 г.р.) (слева) и Константин Новоселов (1974 г.р.) (справа) – Манчестерский университет (Великобритания) – выпускники Московского физико-технического института

Виды графита

Нобелевскую премию по физике 2010 года присудили за исследования графена — двумерного материала, проявляющего необычные и одновременно весьма полезные свойства. Его открытие сулит не только новые технологии, но и развитие фундаментальной физики, результатом чего могут стать новые знания о строении материи. Графен, материал толщиной всего в один атом, построен из "сетки" атомов углерода, уложенных, подобно пчелиным сотам, в ячейки гексагональной (шести-угольной) формы. Это ещё одна аллотропная форма углерода наряду с графитом, алмазом, нанотрубками и фуллереном. Материал обладает отличной электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой прочностью и практически полностью прозрачен.

Идея получения графена "лежала" в кристаллической решётке графита, которая представляет собой слоистую структуру, образованную слабо связанными слоями атомов углерода. То есть графит, по сути, можно представить как совокупность слоёв графена (двумерных кристаллов), соединённых между собой.

Графит — материал слоистый. Именно это свойство нобелевские лауреаты и использовали для получения графена, несмотря на то что теория предсказывала (и предыдущие эксперименты подтверждали), что двумерный углеродный материал при комнатной температуре существовать не может — он будет переходить в другие аллотропные формы углерода, например, сворачиваться в нанотрубки или в сферические фуллерены.

Международная команда учёных под руководством Андре Гейма, в которую входили исследователи из Манчестерского университета (Великобритания) и Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (Россия, г. Черноголовка), получила графен простым отшелушиванием слоёв графита. Для этого на кристалл графита наклеивали обычный скотч, а потом снимали: на ленте оставались тончайшие плёнки, среди которых были и однослойные. (Как тут не вспомнить: "Всё гениальное — просто"!) Позже с помощью этой техники были получены и другие двумерные материалы, в том числе высокотемпературный сверхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Сейчас такой способ называется "микромеханическим расслоением", он позволяет получать наиболее качественные образцы графена размером до 100 микрон.

Другой замечательной идеей будущих нобелевских лауреатов было нанесение графена на подложку из окиси кремния (SiO2). Благодаря этой процедуре графен стало возможным наблюдать под микроскопом (от оптического до атомно-силового) и исследовать.

Первые же эксперименты с новым материалом показали, что в руках учёных не просто ещё одна форма углерода, а новый класс материалов со свойствами, которые не всегда можно описать с позиций классической теории физики твёрдого тела. Полученный двумерный материал, будучи полупроводником, обладает проводимостью, как у одного из лучших металлических проводников — меди. Его электроны имеют весьма высокую подвижность, что связано с особенностями его кристаллического строения. Очевидно, что это качество графена вместе с его нанометровой толщиной делает его кандидатом на материал, который мог бы заменить в электронике, в том числе в будущих быстродействующих компьютерах, не удовлетворяющий нынешним запросам кремний. Исследователи полагают, что новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов не более 10 нм (на графене уже получен полевой транзистор) не за горами. Другие возможные приложения графена: в электродах суперконденсаторов, в солнечных батареях, для создания различных композиционных ма териалов, в том числе сверхлёгких и высокопрочных (для авиации, космических аппаратов и т.д.), с заданной проводимостью. Последние могут чрезвычайно сильно различаться. Например, синтезирован материал графан, который в отличие от графена — изолятор (см. "Наука и жизнь" № 4, 2009 г.). Получили его, присоединив к каждому атому углерода исходного материала по атому водорода. Важно, что все свойства исходного материала — графена — можно восстановить простым нагревом (отжигом) графана. В то же время графен, добавленный в пластик (изолятор), превращает его в проводник.

Почти полная прозрачность графена предполагает использование его в сенсорных экранах, а если вспомнить о его "сверхтонкости", то понятны перспективы его применения для будущих гибких компьютеров (которые можно свернуть в трубочку подобно газете), часов-браслетов, мягких световых панелей. (Журнал "Наука и жизнь" №11, 2010 г.).

Таким образом, можно считать результаты нобелевской премии по физике 2010 года новым прорывом в области наноэлектроники.

---