מכונת חישוב
עקרונות פעולה > מנגנונים

סעיף זה עוסק במנגנונים השונים שמשמשים לחיבור (או חיסור) תוכן צובר הקלט לצובר התוצאה. מכונות חישוב שונות מכילות מנגנונים רבים נוספים, שלא יתוארו כאן. רובן המכריע של מכונות חישוב "ארבע פעולות" עושות שימוש באחד משני המנגנונים שהוזכרו לעיל, ויתוארו בפירוט להלן. כמה יצרנים בנו מכונות שמשתמשות במנגנונים אחרים, ואלו יתוארו בקווים כלליים. שני המנגנונים העיקריים הם "תוף פסיעות", ו"גלגל פינים". המכונה הראשונה שנבנתה עם מנגנון תוף פסיעות היא מכונתו של לייבניץ. הוא גם תיאר את מנגנון גלגל הפינים, אם כי אין מידע על מכונה שנבנתה על ידו לפי עיקרון זה. במאה ה-17 וה-18 נבנו מספר מכונות לפי עקרונות אלו. האריתמומטר של תומא, והמכונות שנבנו בעקבותיו משתמש במנגנון תוף פסיעות, והאריתמומטר של אודהנר, והמכונות שנבנו בעקבותיו, מבוססים על גלגל הפינים.
מנגנון תוף הפסיעות מורכב משני צירים מקבילים. על ציר אחד מקובע התוף, ועל הציר השני יש גלגל שיניים זחיח, באופן שהגלגל מקובע לצירו מבחינה סיבובית, כלומר הגלגל והציר מסתובבים יחד, והגלגל ניתן להזחה לאורך הציר, כך שהוא ניצב מול חלק שונה של התוף בכל הזחה נתונה (ראו אנימציה למטה). לגלגל השיניים הזחיח יש "צווארון", שנאחז על ידי מזלג, והמזלג שולט על ההזחה, בלי להפריע לגלגל ולציר להסתובב. הזנת הקלט, מפעילה את המזלג, והגלגל מוזח לנקודה התואמת את הספרה שהוזנה.
בסיבוב מלא של התוף, גלגל השיניים יתקדם בין אפס לתשע שיניים, כתלות במיקומו לאורך הציר והתוף. ציר הגלגל משולב, בעזרת תמסורת שבנויה מגלגלי שיניים נוספים, עם אחד מגלגלי הספרות של התוצאה, כך שכאשר הגלגל מקודם כדי שן אחת, ספרת התוצאה המתאימה מתקדמת כדי ספרה אחת. כשספרת התוצאה "מתקדמת" מ-9 ל-0, היא "שולחת", או מסמנת, נשא לספרה הבאה. במכונה כזו יש בדרך כלל תוף פסיעות נפרד עבור כל ספרה של הקלט. מנגנון זה שימש במכונת החישוב המכנית המסחרית הראשונה (אריתמומטר), והמשיך לשרת במכונות חישוב של יצרנים רבים - דוגמת רהינמטאל בגרמניה, מונרו ופרידן בארצות הברית, ועוד עשרות יצרנים במדינות רבות בעולם, כולל הקורטה, דגם ממנו יוצרו מאות אלפי מכונות בליכטנשטיין, בין 1947 ועד 1970.
גלגל הפינים (pinwheel) הוא למעשה גלגל שיניים, בו ניתן לשלוט על מספר השיניים, מנגנון זה ממומש בעזרת תשעה פינים (ומכאן השם), המותקנים בגלגל זה ליד זה, כך שכל פין מותקן לאורך רדיוס, כלומר ממרכז הגלגל להיקפו. לפינים חופש תנועה מסוים, כך שכשהפין מוזח החוצה ממרכז הגלגל, חלק ממנו בולט מעבר להיקף, ומהווה שן. מנגנון הקלט מושך חלק מהפינים פנימה ודוחף חלק מהם החוצה, כך שכשמזינים, למשל 4, ארבעה מתשעת הפינים בולטים החוצה, וגלגל הפינים מתפקד כגלגל שיניים עם ארבע שיניים. במכונה יש מספר גלגלי פינים, אחד עבור כל ספרת קלט. הגלגלים מותקנים על ציר אחד, ומהווים ביחד יחידה המכונה "רוטור". פעולה אחת של המכונה מתבצעת על ידי סיבוב מלא של הרוטור, כל שכל גלגל פינים מקדם את הספרה המתאימה בצובר התוצאה לפי מספר הפינים הבולטים, כלומר לפי ערך ספרת הקלט. זהו המנגנון הדומיננטי אצל היצרנים מגרמניה (ברונשוויגה, וולטר), שוודיה ("אודהנר מקורי", פסיט), ברית המועצות (פליקס), היפנים, והסינים.
במרוצת השנים, הומצאו מספר מנגנונים נוספים שיתוארו בקווים כלליים בלבד:
כפל ישיר
המנגנון הוזכר בקצרה בסעיף קודם. במנגנון זה, הקלט לא מוזן ישירות לתוצאה, ובמקום זה המכונה פועלת, לאחר הזנת הנכפל, בעזרת הזנת ספרות הכופל זו אחר זו, והפעלת המכונה בין כל שתי ספרות. המכונה משתמשת בייצוג מכני של לוח הכפל. דוגמה קצרה להסבר הפעולה: נניח שספרת קלט מסוימת (כלומר יחידות, עשרות, מאות וכולי) מכוונת ל-5. אם המפעיל יזין ככופל את הספרה "9". הפעולה מתבצעת בשני מחזורים: במחזור הראשון התוצאה תקודם ב-4 (ספרת העשרות של 9x5, כלומר 45), הנשא מעובד, ועגלה מוזחת מקום אחד שמאלה, התוצאה מקודמת ב-5 (ספרת היחידות), והנשא מעובד שוב. אם ספרת קלט אחרת מונחל, למשל, מול 9, התוצאה תקודם ב-8 בסיבוב הראשון, ולאחר הזחה שמאלה, ב-1. המכונה המסחרית היחידה שהתבססה על מנגנון הנעה זה, היא ה"מיליונר", שיוצרה על ידי חברת ההנדסה "אגלי" בציריך, שווייץ, בין 1893 עד בערך 1935. בסך הכל יוצרו בערך 5000 מכונות "מיליונר". כיום נמצאות רבות ממכונות אלו בידי אספנים פרטיים ומוזאונים
פסי שיניים יחסיים:
במנגנון זה, תשעה פסי שיניים מבצעים תנועה מחזורית הלוך ושוב בכל פעולה, באופן שהפס הראשון מתקדם ונסוג כדי שן אחת, השני כדי שתי שיניים וכן הלאה. בהזנת הקלט, גלגל השיניים המתאים לכל ספרה ממוקם מעל אחד הפסים. מכונות החישוב של "מרצדס אויקליד" הגרמנית, לפי תכנון ופטנטים של הממציא כרישטל המאן, שיוצרו בין 1906, ל-1970, מונעות באמצעות מנגנון זה.
גלגל רצ'ט:
זהו מנגנון דומה מבחינה מסוימת לגלגל פינים: אף על פי שהוא מבוסס על עיקרון מכני שונה, מכונת חישוב של גלגל רצ'ט דומה מבחינה חיצונית, ובפרטים פנימיים רבים למכונת גלגל פינים. חברת דה-טה-ווה (DeTeWe, או "Deutsche Telephonwerke") ייצרה מכונות החישוב בשם "המאן-מאנוס" (Hamman Manus), המבוססת על מנגנון זה, לפי המצאה ופטנטים של כרישטל המאן. המכונות יוצרו החל ב-1925, ודגמים משוכללים יותר ויותר יוצרו ונמכרו עד תום עידן מכונות החישוב, בתחילת שנות ה-70 של המאה ה-20.
תמסורת רציפה:
המנגנון הזה מייצג אולי את פסגת מכונות החישוב המכניות המסחריות. בכל המנגנונים שהוזכרו קודם, הפעולה מתבצעת בצורה מקוטעת: חיבור הקלט לתוצאה מתבצע בחלק אחד של הפעולה, ומייד אחריו עיבוד הנשא. ברוב המנגנונים שהוזכרו (כולם פרט ל"פסי שיניים יחסיים"), ההנעה של הקלט מתבצעת באותה מהירות, ללא תלות בספרה שהוזנה, וההבדל בין הספרות השונות הוא במשך הזמן שהקלט מניע את התוצאה: אם למשל מזינים בקלט 91, ספרת היחידות תשולב לזמן קצר, וספרת העשרות תשולב לפרק זמן ארוך פי תשעה. בתמסורת רציפה, לעומת זאת, הקלט משולב עם התוצאה למשך כל הפעולה, והעברת הנשא מתבצעת באותו הזמן: כשמזינים במערכת זו 91, ספרת העשרות תונע פי 9 יותר מהר (בעזרת ממסרת שמשלבת את הספרה "בהילוך גבוה" יותר) מספרת היחידות, כששתיהן מונעות באופן רציף משך כל זמן הפעולה. כיוון שהנשא מעובד באותו הזמן, ניתן לבצע חיבור חוזר (שהיא הפעולה הבסיסית בכפל בכל המכונות פרט למכונות כפל ישיר) בצורה יותר מהירה, חלקה, ואמינה ופחות רועשת מכל מנגנון מסחרי אחר. מכונת החישוב האמריקאית "מרצ'נט", המונעת באמצעות מנגנון זה, לפי המצאה ופטנטים של המהנדס הרולד איברי (Harold T Avery), יוצרה בין 1932 ועד 1973, ונחשבה לפסגת מכונות החישוב. מכונות אלו מסובכות ומורכבות, ובנויות מאלפי חלקים.