Техника на службе науки и искусства
Машины-математики — В. Д. Пекелис
«Умный» автомат
Машина решает задачу
Невидимым пером
Электронная арифметика
Машина управляет
У операционного стола — А. А. Дорохов
Фотоаппараты — Л. Я. Гальперштейн
Ожившая фотография — Л. Я. Гальперштейн
Эффект присутствия
Широкий экран, стереозвук и кинопанорама
Бумага растет в лесу — А. А. Дорохов
Рождение бумаги
Как печаталась эта книга — А. А. Дорохов
Картинка из точек
За три секунды
Механический художник
Как листы становятся книжкой
Выставка достижений народного хозяйства СССР — С. С. Попов
На выставке будущего — М. Васильев
Машины-математики
Не вдруг, не сразу люди построили машины, которые могли считать: складывать, вычитать, умножать, делить числа и производить с ними различные математические операции. Долог и сложен был путь развития вычислительных средств. Камушки, косточки, ракушки, узелки на веревочках — первые примитивные орудия счета. Они вполне удовлетворяли человека на заре его существования.
Но вот люди стали измерять землю, строить пирамиды, водить корабли, изучать движение светил на небосводе. Тут уже камушками не обойдешься! Появились таблицы, появились самые примитивные устройства счета. Это уже не были предметы, случайно подвернувшиеся под руку.
А когда были созданы первые машины-двигатели, машины-орудия, то необходима стала и арифметическая машина. Когда она появилась, то была сначала очень медлительной, и порой было трудно определить, чья доля в вычислениях больше — человека или машины.
Развивалась наука и техника, совершенствовалось производство. Горы расчетов и океаны цифр заставили человека ускорить счет, свести к минимуму свое непосредственное участие в работе счетных машин. Их снабдили моторами, научили «читать» и «запоминать» числа, записывать промежуточные результаты. Все больше и больше обязанностей стали они выполнять. В век автоматов автоматом стала и счетная машина. Ее научили управлять вычислительным процессом и контролировать его, В самый совершенный автомат превратила электронная техника счетную машину.
Велик арсенал современных вычислительных машин, многообразны пути механизации вычислительных процессов — от настольного арифмометра до быстродействующей электронной вычислительной машины, от простейшего планиметра до сложной электронной моделирующей установки, от небольшого счетного бюро до мощного вычислительного центра. Все это поставлено на службу человеку и позволяет ему с большой скоростью, точностью и надежностью выполнять арифметические действия с огромными числами, решать сложнейшие задачи высшей математики, изучать протекающие мгновенно процессы.
«Умный» автомат
Пытливая мысль человека ищет все новые и новые пути повышения скорости вычисления, предельной их автоматизации.
Так был создан «умный» автомат — счетно-записывающая машина табулятор. Он может самостоятельно не только вести счет, но и осуществлять некоторые логические операции. Все это машина делает с помощью перфокарт. Это картонный стандартный прямоугольник, со срезанным левым углом. Срез позволяет легко выявить неправильно уложенную карту. В типографии на ней печатается цифровая сетка в виде 80 колонок цифр. В каждой колонке цифры помещены сверху вниз — от 0 до 9. Это позиции — места возможной пробивки отверстий. Кроме того, на карте между девятым: и восьмым рядами есть нумерация рядов колонок.
В таком виде картонный прямоугольник «нем». Чтобы он «заговорил», надо пробить отверстия в позициях колонок. Отверстия показывают, например, данные рабочего наряда токаря.
Отверстия пробивают, как говорят, перфорируют, на специальной машине — перфораторе (рис. 1). После него карты поступают на другую машину — контрольник (рис. 2), который проверяет, на том ли месте, где надо, сделаны отверстия.
За месяц на большом предприятии собираются сотни тысяч карт. Когда нужно подсчитать зарплату рабочим, получить данные о выполнении плана или стоимости продукции, вступает в действие сначала электрический сортировщик (рис. 3). Со скоростью 25 тыс. карт в час он группирует их по определенным признакам в отдельные пачки. Затем они поступают на табулятор.
Здесь сначала происходит чтение перфозаписи. Это делает специальный блок из 80 щеточек — по числу колонок в перфокарте. Щеточки соединены проводами со счетчиками и печатающими механизмами. Перфокарта идет в табуляторе десятками вперед. Щеточки ощупывают сначала все девятые, затем восьмые позиции и т. д.
Вот в карте оказалась пробитой восьмая позиция в тридцатой колонке. Щеточка замкнет электрическую цепь, сработает электромагнит цифрового колеса, и оно начнет поворачиваться. Карта сместится на одну позицию — седьмую, колесо повернется на одну цифру и покажет 1.
Карта еще сместится на одну позицию — шестую, и колесо покажет 2. А когда под щеточку подойдет нулевая позиция, поворот цифрового колеса оканчивается: оно повернулось на восемь позиций и показывает цифру 8. Таким образом восьмерка с перфокарты передана в разряд счетчика, соответствующий тридцатой колонке. Так же производится и суммирование.
А кто же управляет быстрой и сложной машиной? Все те же перфокарты и щеточки.
В табуляторе, кроме описанного устройства — нижнего воспринимающего механизма, есть второе такое же устройство — верхний воспринимающий механизм с таким же блоком щеточек. Он и осуществляет управление машиной.
Управление основано на сравнении двух идущих друг за другом перфокарт, когда одна из них находится в нижнем воспринимающем устройстве, другая — в верхнем. Если признаки карт одинаковы, машина продолжает суммировать, но если вдруг изменится признак на очередной карте, электрическая цепь размыкается и суммирование автоматически прекращается. Машина записывает итог по прошедшим картам и лишь после этого переходит к подсчету сумм по картам следующей группы.
Проследим теперь за электрическим импульсом. Он возник, когда щеточка попала в отверстие перфокарты, и дал команду машине — заставил сработать счетчик; он же участвовал в автоматической записи итогов, и он же автоматически управляет табулятором.
Чтобы электрический импульс совершил сложный путь внутри машины, концы всех электрических цепей, связанных со щеточками, счетчиками, печатающими механизмами, введены на коммутационную доску. Это пульт распределения электрических импульсов. Отсюда они с помощью переключателей распределяются по всей машине.
Если надо направить импульс с какой-либо колонки перфокарты в любой разряд любого счетчика, передать числа с одного счетчика на другой, перегруппировать числа в любом порядке, то достаточно просто переключить соответствующие гнезда коммутационной доски. Это позволяет не только складывать числа, но и вычитать, умножать, делить и автоматически комбинировать арифметические действия.
Система управления современным табулятором необычайно гибкая и многосторонняя. Хороший табулятор может обработать до 10 тыс. перфокарт в час. Советские инженеры создали одну из лучших счетно-перфорационных машин — табулятор Т-5 (рис. 4). В ней установлено восемь одиннадцатиразрядных счетчиков. Это значит, что одновременно можно суммировать восемь столбцов многопозиционных чисел — 70 тыс. сложений в час! За это время сто счетных работников сделают лишь 25 тыс. действий.
Для механизации расчетов у нас в стране созданы тысячи машиносчетных фабрик, станций, бюро. Они работают на заводах, в учреждениях, колхозах. Все больше и больше у нас появляется теперь счетных машин-автоматов. Выпускается много новых типов сложных машин. Так, созданы алфавитные машины, которые печатают названия материалов, товаров, адреса — любые тексты.
Советские ученые и конструкторы продолжают упорно работать над совершенствованием счетно-перфорационных машин. Но как бы их ни улучшали, у них есть один серьезный недостаток: перфокарта сдерживает производительность. Ведь от машины к машине ее переносит человек, и от машины к машине она передает результаты промежуточных операций. Это задерживает процесс вычисления, не позволяет создать единого потока чисел.
И вот ученые и инженеры сумели преодолеть эту преграду — построили машину для быстрого автоматического выполнения длинной цепочки математических действий.
Машина решает задачу
Молниеносный автоматический счет выполняет быстродействующая электронная счетная машина — БЭСМ (см. цв. рис., стр. 497). Когда впервые смотришь на электронную счетную машину, кажется, что находишься на складе радиозавода. В одних шкафах разместилось множество небольших блоков, похожих на радиоприемники с незакрытыми футлярами, в других видны знакомые части телевизоров, магнитофонов, бесконечные вереницы поблескивающих серебром ламп, конденсаторов, электронных трубок, сопротивлений, катушек с магнитными лентами. Все это причудливо соединено между собой тысячами проводников.
ЭЛЕКТРОННАЯ «ВЕРТУШКА»
Основная деталь машины — своеобразное реле, так называемый триггер. Это устройство, с помощью которого в электронных машинах ведется запись и счет чисел.
Упрощенно триггер можно представить в виде двух электронных ламп, смонтированных в одной колбе. Электрически они соединены так, что если первая лампа включена, то вторая обязательно будет выключена, и наоборот. Одно из таких устойчивых состояний триггера можно считать единицей (1), а другое — нулем (0).
Каждый новый электрический импульс, подаваемый на сетки ламп, поочередно то пропускает поток электронов в одной из них, то останавливает его. И в точном соответствии с этим импульсом триггер тотчас меняет свое состояние — показывает то единицу, то нуль.
В любом из двух состояний он, подобно кнопочному выключателю настольной лампы, может пребывать как угодно долго, пока не поступит новый импульс. Следовательно, триггер может хранить, «помнить» 1 или 0 до тех пор, пока не поступит новый сигнал. Так, словно выключатель, переходя из одного состояния в другое, или, как говорят, «опрокидываясь», триггер позволяет отмечать импульсы.
Механическое устройство обычно срабатывает за 1/2 сек., электрическое (выключатель) — уже за 1/300 сек., а «опрокидывание» триггеров благодаря особенностям электронных ламп происходит с невероятной быстротой — за 1/1000000 сек. Как мы увидим в дальнейшем, в этом и заключается один из секретов быстрого счета электронной машины.
Но законно возникает вопрос: триггер записывает только 1 и 0, а как же записать в машине все остальные числа? Чтобы ответить на это, надо познакомиться с необычайной двоичной системой счисления.
ЧУДЕСНЫЕ ЦЕПОЧКИ
Чтобы триггеры считали, их собирают в триггерные цепи — счетчики. Перед нами четыре триггера, объединенных в цепь. У каждого из них по два входных и выходных контакта. Перед началом на триггерах зафиксировано состояние нуль, т. е. цепь-счетчик показывает 0000.
Теперь представим себе, что на входные контакты первого справа триггера подан электрический сигнал — импульс. Он «опрокинется» и покажет 1, а на остальных останется 0. Следовательно, цепь даст 0001.
Передадим теперь второй импульс. Первый триггер выключится (опять даст 0) и передаст импульс на следующий триггер. На нем зафиксируется единица. Цепь покажет 0010.
Такую систему триггеров можно сравнить со счетами, на каждой палочке которых всего по две костяшки. Чтобы считать на них, как на обычных счетах, необходимо соблюдать одно правило: когда все костяшки данной палочки «израсходованы», т. е. передвинуты справа налево, надо передвинуть одну костяшку на следующей палочке, а эти вернуть в исходное положение. А то, что на счетах делают пальцы, в триггерах-счетчиках производят электрические импульсы.
Такие цепи триггеров могут считать и записывать очень большие числа, причем со скоростью в 100 тыс. раз большей, чем та, с которой считает человек. Для подобной работы у машин есть еще и другие устройства.
Среди них важную роль играют так называемые вентили.
Представьте себе цепь из источника тока, звонка и двух выключателей, включенных последовательно. Чтобы звонок зазвонил, нам надо одновременно включить и «первый» и «второй» выключатели. Это модель схемы вентиля совпадения. В нем на выходе импульс напряжения появится только при совпадении во времени двух поступивших импульсов.
Теперь в той же цепи расположим выключатели параллельно. В этом случае, чтобы звонок зазвонил, надо включить «или» первый, «или» второй выключатель. Это модель схемы вентиля разделения. Он позволяет подать в одну точку напряжения от различных линий, не замыкая их между собой. Наконец, существует и третья схема вентиля — ее иногда называют «схемой наоборот». Здесь звонок «не» будет звонить тогда, когда включен выключатель. Эта схема противоположна схеме совпадений.
Так получаются электронные цепи трех логических операций: «и», «или», «не».
Мы разобрали, что происходит в каждой клетке-ячейке машины. Нам теперь известно, что она может фиксировать, считать, даже «говорить» — «да» (1) или «нет» (0) — и «рассуждать», «понимая» значение «и», «или», «не».
Но, оказывается, даже этих чудодейственных устройств еще недостаточно, чтобы машина могла решать задачи!
Невидимым пером
Предположим, нам надо решить задачу. Обычно на бумаге мы записываем ее данные, условие, затем само решение. При этом почти всегда приходится записывать (для памяти) и промежуточные результаты вычислений. Каждый улыбнется, вспомнив, как иногда, производя умножение, он вслух произносит: «Семью пять — тридцать пять, пять пишем, три в уме». То же самое приходится делать и вычислительной машине. И она ПЯТЬ «записывает», а ТРИ «запоминает».
Для этого у нее есть специальное оперативное запоминающее устройство. В него откладываются те данные, которые снова потребуются через короткий промежуток времени, например числа при перенесении их в следующий разряд, частные произведения, остаток при делении.
С одним видом «оперативной памяти» мы уже знакомы. Это триггерные цепи. В них, как мы уже знаем, могут до поступления новых сигналов — электрических импульсов — храниться двоичные знаки «0» или «1». Но такая «память» очень неудобна. В нее надо ставить много электронных ламп, а это приводит к значительным размерам «памяти» и к большому расходу мощности. Быстрая и удобная «память» создана в настоящее время с помощью специальных электронно-лучевых трубок. Чтобы с ними познакомиться, достаточно взглянуть на самый обыкновенный телевизор.
Как известно, на конце электронно-лучевой трубки установлен светящийся экран. В него ударяется электронный луч и выбивает электрические заряды. Автоматически изменяя скорость потока электронов можно выбивать то больше, то меньше электрических зарядов. Причем они имеют два рисунка: точка и кольцо. Заряд в виде точки — это единица, а в. виде кольца — нуль.
Длительность такого запоминания — всего 1/10 сек. Поэтому электронный луч беспрерывно обегает экран трубки, подновляя запись и «освежая память».
Чтобы прочитать коды, на экран трубки в требуемую точку повторно направляется электронный луч. Ощупывая экран, он как бы выбивает из него импульсы, которые соответствуют сделанной на нем записи. Считывание и запись чисел происходит за 1/100000 сек.
Существуют и другие виды «оперативной памяти», еще более быстродействующей. Например, «память» на ферритовых (магнитных) кольцах позволяет считывать числа за одну десятимиллионную долю секунды!
«Оперативная память» машины может хранить одну-две тысячи чисел. Ну а как быть, если надо запомнить пять, десять, сто тысяч, миллион?
Что делает человек, когда не может все удержать в памяти? Он заводит записную книжку. Такая книжка есть и у машины — это внешнее запоминающее устройство. В нем числа запоминаются так же, как запоминается музыка или речь, записанные на магнитной ленте магнитофона.
Главная деталь магнитофона — специальная магнитная головка, связанная с усилителем. Через него поступают сигналы-импульсы, создающие в головке магнитный поток. Поступил импульс — и на ленте наводится магнитное пятнышко. Это — единица. Нет пятнышка — нуль.
В электронных вычислительных машинах (мы говорим об одной из больших советских машин) обычно устанавливается несколько магнитофонов, на которых можно записать до 30 тыс. чисел. Скорость выборки или записи здесь составляет 400 чисел в секунду. По сравнению с «оперативной памятью» это мало.
Бобины с лентами во время работы легко меняются, поэтому магнитную память можно увеличивать. Если поставить, например, 4 магнитофона, в хранилище поместится 120 тыс. чисел. Значит, машина может завести не одну «записную книжку», а составить целый архив данных для решения задач.
Как видим, «оперативная память» машины позволяет быстро считывать числа, но количество запоминаемых данных у нее ограничено. Во «внешней памяти», наоборот, можно записать сотни тысяч и даже миллионы чисел, но выборка из-за большой длины магнитных лент происходит медленно. Поэтому возникла необходимость в дополнительной памяти, которая совмещала бы в себе оба устройства — большое количество запоминаемых данных и быстроту их выборки.
Для этой цели служит специальный магнитный барабан. Это, по сути дела, очень широкая магнитная лента. На ней запись ведется по многим дорожкам. Чтобы все записать и считать, пришлось установить здесь 80 головок. На барабане хранится около 5 тыс. чисел.
Барабан все время вращается со скоростью 850 об/мин. За один оборот под считывающую головку быстро попадает начало группы чисел для считывания. Оно ведется со скоростью до 800 чисел в секунду.
Электронная арифметика
Сколько времени понадобится вам, чтобы сложить несколько шестизначных чисел? Попробуйте, и вы убедитесь — уходит полминуты, а то и минута. Машина же делает это несравненно быстрее: ведь она выполняет до 10 тыс. и больше арифметических действий в секунду.
Такой головокружительный счет осуществляет сумматор. Он составляется из комбинации знакомых уже нам триггерных цепей-счетчиков и вентилей-переключателей.
При этом одна цепочка триггеров-счетчиков записывает первое слагаемое, вторая — второе, третья фиксирует получаемую сумму. А вентили, подобно стрелкам на железнодорожных путях, переключают дорогу импульсам тока, которые ведут счет.
Сумматор — основа арифметического устройства, главнейшая часть электронной счетной машины. Все многообразие математических операций сводится в нем к простому арифметическому действию — сложению.
Ну а это дает арифметическому устройству возможность в сочетании с другими частями машины производить любые расчеты даже из области высшей математики. Надо только предварительно составить специальную программу, в которой сложная задача была бы разложена на ряд простых операций, и поручить специальному устройству проследить за последовательностью их выполнения.
ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМАНДИР
Управляющее устройство — вот кто выполняет такую работу. Оно читает программу вычислений и дает команды разным частям машины: кому и когда вступать в действие, что и как делать.
Каждая команда имеет две части — адресную и операционную. Операционная говорит, что надо сделать (какую операцию), а адресная — откуда взять число для этой операции.
Управляющее устройство состоит из двух частей: регистра команд и счетчика команд. В регистре хранится выполняемая команда (что нужно сделать и где взять число для операции), а в счетчике — адрес следующей команды (в какой ячейке взять следующую команду).
Во многих счетных машинах существует жесткая последовательность: после выполнения команды из первой ячейки берется команда из второй, третьей, четвертой и т. д. Но программа позволяет прерывать и такую последовательность. Делается это с помощью команд переходов, которые либо безусловно, либо при каком-то условии говорят, из какой ячейки взять следующую команду.
Это дает возможность машине на основе полученных в ходе решения задачи результатов выбирать программу дальнейших действий. Например, если результат какого-либо вычисления получится больше нуля — положительный, то машина берет следующую команду из одной ячейки; если меньше нуля — отрицательный, то из другой.
Такие действия несколько напоминают разумные действия человека, ищущего правильное решение при расчетах. Поэтому кое-кто склонен приписывать счетной машине возможность обдумывать решение задачи. На самом деле она лишь механически выполняет волю людей, переданную командами.
ЕДИНИЦА РАВНА ТЫСЯЧАМ
Одна быстродействующая электронная счетная машина может заменить армию вычислителей в несколько десятков тысяч человек (рис. 5). Чтобы только обеспечить их рабочим местом, надо было бы построить десяток многоэтажных зданий. Экономия, которую такая машина дает народному хозяйству, исчисляется многими миллионами рублей. Армия вычислителей — и одна машина! За 30,5 мин. электронный агрегат вычислит так называемое простое число, которое пишется 386 знаками.
Математик Первушин потратил всю жизнь на вычисление простого числа, которое пишется всего девятнадцатью знаками.
Расчет, который требует, допустим, одного месяца труда вычислителя, для большинства конструкторских бюро раньше считался неприемлемым. Теперь считают простой задачу, требующую ста лет работы вычислителя. Для БЭСМ, например, это всего сутки работы.
Сутки вместо ста лет! Такое сокращение времени позволило отказаться от упрощения расчетов в научно-исследовательской работе, подвысить их роль, перейти к расчетам даже в тех областях, где раньше пользовались исключительно экспериментом.
Все больше и больше создается у нас теперь машин-математиков, стремительно идет вперед кривая их выпуска. К 1956 г. их было выпущено в тысячу раз больше, чем в 1950 г. По семилетнему плану к 1965 г. у нас выпустят счетных и математических машин в 4,7 раза больше, чем в 1958 г.
Машины-математики проникают теперь во все области научной и хозяйственной работы. Расчетные отделы с такими машинами создаются в вычислительных центрах во многих городах страны. Электронные машины работают во многих институтах, научно-исследовательских лабораториях, университетах, в конструкторских бюро.
Успешно работают ученые и конструкторы и над совершенствованием машин-математиков. Вместо электронных ламп применяют полупроводниковые устройства и так называемые ферриты. Они более надежны, увеличивают скорость действия машин, уменьшают их размеры.
Машина управляет
Известно, как много людей вынуждено заниматься всякого рода учетом, подсчетом, выборкой сведений, выпиской ведомостей в конторах и учреждениях, на складах, товарных станциях, в заводоуправлениях, в бухгалтериях, в правлениях колхозов.
Теперь есть электронные машины для всевозможного учета и бухгалтерских расчетов. Они прекрасно обрабатывают счета, карточки учета материалов и изделий, складскую и почтовую документацию.
Созданы специальные машины для ведения расчетов целого предприятия. Они не только составляют ведомости на заработную плату на несколько тысяч работников, но и выполняют многие виды канцелярской работы: составляют графики распределения расходов, планируют поступления материалов, проверяют графики выпуска продукции по отделам, составляют ведомости и счета на отпуск продукции и т. д. Все эти расчеты настолько сложны и трудоемки, что машине приходится иногда делать до полумиллиона арифметических операций.
Специальные электронные вычислительные машины позволяют автоматизировать почти любой производственный процесс большой сложности и во многих случаях освободить высококвалифицированных рабочих, техников, инженеров от управления машинами.
Сейчас широкое развитие получают «умные» станки-автоматы (рис. 6) — так называемые станки с программным управлением (см. ст. «Обработка металлов резанием»).
Построен револьверный станок, на котором управляющее устройство ведет переключение скоростей, следит за поворотом револьверной головки и поперечного суппорта, подачей и закреплением металлического прутка и подачей охлаждающей жидкости.
Разработаны и испытаны машины-«управители» для универсального фрезерного станка, токарного и расточного станков, для копировально-фрезерного станка. Существует «управитель» дыропробивного пресса. В его программе указаны размеры отверстий, их число и места расположения. Станок пробивает дырки с точностью до 0,1 мм.
Одна управляющая машина может «руководить» одновременно работой десятков станков — целым цехом! Для этого необходимо лишь иметь соответствующие программы, приказы.
«Самоработающие» станки в корне изменяют характер труда рабочего. От него требуется наблюдение за работой станков и их наладка. Так физический труд заменяется умственным.
Применение самоуправляемых станков и линий позволит создать полностью автоматизированные цехи и даже полностью автоматизированные заводы, производственные предприятия коммунистического общества.
Автоматическое управление производственными процессами будет широко применяться в черной металлургии. Управляющее устройство может очень быстро учесть характеристики плавки — температуру, давление, состав газов, может вычислить необходимые поправки и передать их автоматам, регулирующим плавку. Управляющие машины уже работают на некоторых металлургических заводах нашей страны.
«Умный» автомат управляет также одним из высокопроизводительных прокатных станов. Это позволило повысить точность проката и сократить расход металла.
И не только в машиностроении или металлургии, но и в других отраслях народного хозяйства используются управляющие машины. Их устанавливают на химических заводах, где производство вредно для людей. Это освобождает рабочих и инженеров от необходимости с опасностью для здоровья находиться вблизи агрегатов.
Обработку результатов контроля качества нефти и получаемых из нее продуктов также можно вести с помощью управляющих устройств. В этих процессах иногда необходимо в короткий промежуток времени сделать несколько тысяч анализов и измерений, которые показывают химический состав промежуточных продуктов переработки нефти, температуру, давление и другие сведения. Такие данные нужны, чтобы решить, как вести дальше процесс. Приходится делать сложные вычисления. Их с огромной быстротой производит вычислительная машина. Это позволяет оперативно вмешиваться в ход процесса и вести его в наивыгоднейшем режиме.
Можно привести много примеров применения управляющих машин и в энергетике, в текстильном производстве, в пищевой промышленности, на транспорте.
В нашей стране впервые в мире создана специальная система автоматического управления поездами (САУ). Уже не один раз совершал испытательные пробеги поезд, ведомый САУ. Эта система — автоматический машинист (рис. 7) — позволяет точно соблюдать график движения, увеличивать пропускную способность дорог, экономить до 15% энергии, добиваться безопасности движения на всех магистральных линиях страны.
У операционного стола
В наше время техника смело проникает во все области жизни. Еще не так давно она не решалась вторгаться в медицину. А сейчас уже трудно представить себе больницу без электриков и механиков, без сложного технического оборудования.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗВЕДЧИКИ
Первая задача врача, к которому обратился больной, — быстро определить болезнь и ее причину.
Когда-то, напрягая внимание, врач старательно прослушивал через деревянную трубочку — стетоскоп, как работают легкие и сердце больного, выстукивал его грудь молоточком, проверяя, не расширено ли сердце, измерял температуру ртутным термометром, подсчитывал пульс. Но все это давало не так уже много.
Быстро развивающаяся техника снабдила врачей в последние десятилетия многими электрическими помощниками. Если врач хочет проверить, нет ли в работе сердца больного каких-либо незаметных для слуха неправильностей, он обращается к электрокардиографу. Этот электрический прибор дает возможность как бы заглянуть в глубину работающего сердца.
К рукам, ногам и груди больного прибинтовывают металлические пластинки — электроды. Они соединены проводами с небольшим ящиком, в котором находится сам прибор.
Электроды улавливают чрезвычайно слабые электрические токи, возникающие в бьющемся сердце. Электронные лампы усиливают эти токи во много раз и посылают их в осциллограф. Здесь изменение силы тока вызывает колебания крохотного зеркальца. Луч света, отраженный этим зеркальцем, вздрагивает и выписывает извилистую кривую на движущейся пленке.
Через несколько минут на проявленной пленке можно видеть эту кривую — электрокардиограмму. Прибор точно записал, как изменяется ток в каждом участке сердца — желудочках, предсердиях, крупных сосудах. По этим записям опытный врач поймет, как работает сердце больного и где причина его недуга.
А сколько напрасных мучений переносил раньше человек, сломавший ногу или руку, пока врач определял на ощупь место и характер перелома!
Сейчас-врач не начнет лечить поврежденную руку, пока не исследует ее с помощью невидимых лучей рентгеновского аппарата. Эти лучи легко проникают сквозь мышцы, но задерживаются костями. Поставив перед рентгеновским аппаратом кассету с пленкой, можно получить снимок — рентгенограмму, на которой будут ясно видны кости скелета. Хирург увидит место перелома и расположение обломков.
За последнее время научились делать снимки и многих внутренних органов человека. Больной, который жалуется на боли в желудке, заглатывает металлический шарик гастроскопа размером с косточку сливы. От шарика тянется тоненький провод. Когда шарик попадает в желудок, врач нажимает кнопку выключателя. Вспыхивает крохотная, как просяное зерно, электрическая лампочка и освещает внутреннюю стенку желудка. По системе зеркал это отражение передается к фотоаппарату. Увеличив снимок, врач видит, не скрывается ли в складках слизистой оболочки желудка язва.
ОРУЖИЕ ХИРУРГА
Особенно помогает техника врачам в их напряженном и ответственном труде у операционного стола.
... Просторная комната залита ослепительно-ярким светом. Его дают большие лампы, лучи которых направлены на операционный стол, где лежит больной. Над столом склонился хирург, ведущий операцию. Он берет то один, то другой инструмент. Но ни от рук врача, ни от инструментов на стол не падают тени.
Эти лампы — бестеневые. Зеркальный рефлектор особой формы уничтожает тени и позволяет хирургу видеть в ярком освещении все поле операции.
Не так давно перепиливание большой кости было утомительной и долгой работой. Сейчас в распоряжении хирурга набор электрических пил, сверл и фрез различной величины и формы. Они бесшумно и быстро перерезают любую твердую кость.
Но самое чудесное изобретение — это аппарат, автоматически сшивающий сосуды и нервы. Принцип этого аппарата был впервые предложен инженером В. Гудовым.
В ходе операции хирургу часто приходится перерезать крупные и мелкие сосуды, по которым в организме циркулирует кровь, или большие нервы. После операции их надо сшить. До последнего времени врачи делали это особо загнутой острой иглой с ниткой. Нужна была исключительная чуткость пальцев и точность движений, чтобы быстро и крепко сшить тонкий сосуд, не нарушая при этом кровообращения. Теперь врач вкладывает концы рассеченного сосуда в небольшой аппарат и нажимает рычажок. В одно мгновение концы оказываются плотно соединенными по всей окружности крохотными металлическими скобками из легкого нержавеющего тантала.
ИСКУССТВЕННОЕ СЕРДЦЕ
Особенно трудны и рискованны операции на сердце. Ведь оперируемый орган необходимо закрепить неподвижно хотя бы на короткое время. Но как быть с сердцем, которое непрерывно сжимается и разжимается, прогоняя по организму кровь?
Вот почему до недавнего времени операции на сердце были крайне редки и не всегда кончались благополучно. Но все же заветной мечтой врачей было остановить сердце и освободить его от крови хотя бы на 10—15 мин. Сейчас эта мечта осуществлена. В одном из советских научно-исследовательских институтов создан аппарат для искусственного кровообращения. На время операции он может заменить сердце и легкие.
Вскрыв грудную клетку больного, врач вводит в вены, по которым течет к сердцу обежавшая уже весь организм кровь, пластмассовые трубочки. Они соединены с автожектором — механическим сердцем из стали. Такими же трубками присоединяются к аппарату и артерии — сосуды, в которые пульсирующее сердце выталкивает прошедшую через легкие кровь.
Главная часть автожектора — два сильных и быстрых насоса. Один из них берет на себя работу правого желудочка сердца. При включении аппарата он начинает втягивать бегущую к сердцу темную венозную кровь.
Сердце освобождается от крови и постепенно перестает сокращаться. Теперь можно безбоязненно взять его в руки и спокойно, не торопясь, оперировать.
Втягивая бежавшую к сердцу кровь, насос автожектора сразу же направляет ее в большой стеклянный цилиндр оксигинатора, заменяющего легкие. Особый разбрызгивающий механизм вспенивает кровь. Мельчайшие пузырьки пены заполняют камеру из органического стекла, через которую непрерывно пропускается подогретый кислород. В этой камере темная венозная кровь быстро освобождается от углекислоты, насыщается кислородом и приобретает алый цвет. Затем кровь поступает во второй насос, выполняющий работу левого желудочка сердца. Легкими толчками насос подает обогащенную кислородом кровь в артерии.
Закончив операцию, врач отключает аппарат, и оперированное сердце вновь вступает в строй.
Все время, пока продолжается операция, необычайно чуткие и точные электронные механизмы-«контролеры» непрерывно следят, чтобы кровь сохраняла одну и ту же температуру и поступала в сосуды под тем же давлением, как и при живом сердце.
Успешно проходит испытание и другой аппарат, способный заменить заболевшую почку, удалить из крови вредные вещества.
ВРАЧ СЛЫШИТ ЧЕРЕЗ СТЕНУ
После некоторых серьезных операций больной в первые часы бывает так слаб, что даже малейшее прикосновение к нему может стать опасным. Как же проверить состояние больного?
Для этого существуют сложные приборы. Они позволяют врачу за пределами комнаты больного видеть и слышать, как бьется его сердце, как он дышит, какова его температура.
Больной лежит на постели на двух мягких матрацах. Из-под нижнего матраца спускаются провода. Они тянутся в соседнюю комнату, где сидит врач.
В пластинки вмонтированы тончайшие проволочки. По ним проходит очень слабый электрический ток. Этот ток бежит затем через ламповые усилители и колеблет стрелки на шкале аппарата. Проволочки устроены так, что при малейшем давлении на них изменяется их сопротивление току.
Несмотря на то что «щупальцы» динамокардиографа отделены от больного двумя матрацами, аппарат точно показывает, насколько сильнее давит на пластинку сердце, наполняющееся кровью, и насколько легче оно делается, когда сжимается и выталкивает из себя кровь.
Другой, похожий на первый, аппарат соединен с тонким резиновым поясом, охватывающим грудь больного. Он определяет глубину и характер дыхания.
К коже больного прикасаются также крошечные шарики, меньше спичечной головки. От них тоже бегут провода. Эти шарики — датчики электротермометра. Они сделаны из полупроводника. Малейшее изменение температуры тела больного тотчас отражается на шкале чувствительного гальванометра.