Le macchine più importanti del Novecento

Negli anni successivi si costruirono tantissimi tipi di calcolatrici, con diverse caratteristiche, ed è per questo che non le descriverò tutte, ma nominerò solo le più importanti.
Innanzitutto, verso il 1920 Oscar Sundstrand introdusse l'attuale disposizione dei tasti su quattro righe e tre colonne.
Nel 1936 Alan Turing schematizzò i limiti delle macchine calcolatrici, ponendo le definizioni di quella che sarebbe diventata famosa come macchina di Turing; quest'ultima è una modello ideale che definisce una macchina in grado di eseguire algoritmi ed è dotata di un nastro infinito su cui può leggere e/o scrivere dei simboli. Essa ha la particolarità di potersi descrivere come costituita da meccanismi elementari molto semplici e ha la portata computazionale che si presume essere la massima: infatti, essa è in grado di effettuare tutte le elaborazioni effettuabili dagli altri modelli di calcolo noti all'uomo.
Sempre nel 1936 Zuse intraprese la progettazione e la costruzione di una macchina in grado di eseguire calcoli velocemente, ma dotata di una certa versatilità d'uso; questo è lo Z1, il cui prototipo venne costruito in casa dei genitori, che lo aiutarono economicamente. Questa macchina presentava una struttura già molto simile a quella dei moderni computer: era programmabile, dotata di unità di memoria e di un'autonoma unità di calcolo in virgola mobile basata sul sistema binario. Inoltre, lo "Z1" funzionava ad una velocità di clock generata da un motore elettrico, regolabile manualmente con un potenziometro. Le istruzioni venivano immesse tramite un nastro di celluloide perforato simile ad una pellicola cinematografica, sul quale venivano poi scritte anche le risposte del calcolatore. La macchina di Zuse utilizzava la tecnologia elettromeccanica disponibile negli anni trenta ed era basata su un originale sistema di memorie meccaniche a levette ed incastri azionate da un motore elettrico.
Nel 1948 fu costruita la Curta da Curt Herzstark, la prima calcolatrice meccanica portatile. Ha un'altezza di 85mm e un piccolo cilindro che può essere tenuto nel palmo della mano. Può essere utilizzata per effettuare addizioni, sottrazioni, moltiplicazioni, divisioni e, con maggiore impegno, anche l'estrazione della radice quadrata ed altre operazioni. Il principio di funzionamento riprende, perfezionandolo e miniaturizzandolo, quello dell'aritmometro di Leibniz, con i valori in entrata impostati tramite cursori e sommati o sottratti usando come traspositore un cilindro con scanalature di diversa lunghezza.
All'inizio del 1961 fu lanciata sul mercato la prima calcolatrice totalmente elettronica da ufficio: il Bell Punch/Sumlock ANITA Mk.VII, esteticamente simile al comptometer. Questa macchina usava valvole termoioniche per la circuiteria e tubi nixie per il display.
Inoltre, nel Novecento tra le società più importanti che producevano calcolatrici c'era la Olivetti. Questa industria produsse un gran numero di calcolatrici, tra cui sono da ricordare la divisumma14, che è la prima calcolatrice al mondo in grado di effettuare le quattro operazioni e di stampare, e la logos32B, che è la prima calcolatrice elettronica prodotta in Italia.

Zuse intraprese nel 1936 la progettazione e la costruzione di una macchina in grado di eseguire calcoli velocemente, ma dotata di una certa versatilità d'uso.

Il prototipo dello Z1 venne costruito in casa dei genitori, che lo aiutarono economicamente, pur non vedendo di buon occhio questa sua nuova iniziativa. La prima macchina di Konrad Zuse presentava una struttura già molto simile a quella dei moderni computer: era programmabile, dotata di unità di memoria e di un'autonoma unità di calcolo in virgola mobile basata sul sistema binario. Inoltre lo "Z1" funzionava ad una velocità di clock generata da un motore elettrico, regolabile manualmente con un potenziometro da un minimo di circa 0,3 cicli al secondo fino al massimo di 1 hertz, cioè un ciclo di calcolo al secondo.

Le istruzioni venivano immesse tramite un nastro di celluloide perforato simile ad una pellicola cinematografica, sul quale venivano poi scritte anche le risposte del calcolatore. La macchina di Zuse utilizzava la tecnologia elettromeccanica disponibile negli anni trenta, ed era basata su un originale sistema di memorie meccaniche a levette ed incastri azionate da un motore elettrico, che la rendevano simile nell'aspetto e nel suono prodotto ad una specie di grosso centralino telefonico poggiato su tavolo, anziché in verticale. Zuse la denominò inizialmente "V1", dove "V" è l'iniziale in tedesco di "Modello Sperimentale".

L'addizionatrice di Burroughs e la macchina di Baldwin

Nel gennaio del 1885 l'americano William Seward Burroughs presentò domanda di brevetto per una macchina addizionatrice dotata della funzionalità di stampa. Questa macchina funzionava in modo tale che, una volta introdotte le cifre dei numeri per mezzo della tastiera, il movimento di una leva posta sulla parte laterale della macchina provocava la rotazione degli ingranaggi per il calcolo del risultato. La leva, una volta elaborato il risultato, veniva riportata automaticamente nella sua posizione iniziale.

Sempre in questi anni Frank Stephen Baldwin costruì una calcolatrice meccanica a tastiera estesa su cui era montato un carello mobile. La macchina poggiava su quattro piedini di gomma e aveva la tastiera formata da 72 tasti in gomma dura, numerati da 1 a 9 e disposti in otto colonne; alla base di ogni colonna, inoltre, è posto un tasto rosso per l'azzeramento. Le colonne di tasti sono separate tra loro da indicatori visivi per l'impostazione delle cifre decimali e alla destra della tastiera sono situati i comandi operativi. 
Nella parte posteriore della calcolatrice è posto il carrello mobile sul quale sono posti il totalizzatore a sedici finestrelle e il numeratore a otto spazi (per la visualizzazione del moltiplicatore della moltiplicazione e il quoziente della divisione); mentre sul lato anteriore è posizionata l'impugnatura della leva che comanda gli spostamenti del carrello. Inoltre, sul fianco sinistro della macchina è situata la manovella per l'esecuzione delle operazioni, mentre sul lato destro del carrello inoltre si trova un'altra manovella più piccola per l'azzeramento dei visualizzatori.
Ruotando la manovella principale in senso orario si compiono addizioni e moltiplicazioni, mentre ruotando la manovella in senso antiorario si ottengono le sottrazioni e le divisioni. Il risultato delle addizioni, sottrazioni e moltiplicazioni viene visualizzato sull'indicatore inferiore, mentre il quoziente delle divisioni viene visualizzato sull'indicatore superiore, con il resto sull'indicatore inferiore.

Il comptometer di Felt

Il Comptometer di Felt fu la prima calcolatrice meccanica dotata di tastiera per l'immissione dei dati e, in particolare, fu la prima addizionatrice a pressione di tasti. Ossia, la pressione di un tasto provocava la somma del corrispondente valore nella corretta posizione decimale, senza bisogno di ulteriori operazioni come l'azionamento di una manovella o la pressione del tasto "=". 

Inoltre, per la prima volta veniva adottata una tastiera i cui tasti, una volta premuti, tornavano rapidamente nella loro posizione iniziale. In particolare, la macchina era costruita in modo da evitare la rotazione degli ingranaggi oltre il necessario, avendo un dispositivo che provvedeva al fermo di essi una volta raggiunto il punto di massima escursione.
La macchina di Felt era dotata di una tastiera "ad ordine multiplo", cioè era formata da una matrice di nove file di tasti, uno per ogni cifra (da 1 a 9) e lo zero era prodotto dall'assenza di tasti premuti nella colonna corrispondente.
Nelle mani di un operatore esperto queste macchine erano estremamente rapide nell'eseguire addizioni e l'unico difetto del Comptometer era la mancanza di un dispositivo di stampa che permettesse una rapida verifica dei dati immessi.
Una cosa molto curiosa è il fatto che nel 1887 Felt realizzò il primo prototipo usando una scatola di spaghetti; per questo venne dato il nomignolo di "Macaroni box" ai primi modelli in legno.

La macchina tabulatrice di Hollerith

L’uso di schede perforate fu utilizzato anche in un congegno meccanico per la tabulazione dei dati: la tabulatrice di Herman Hollerith. Questa macchina è importante perché è la prima utilizzata nel campo matematico della statistica: infatti, era all’amministrazione degli Stati Uniti per sveltire i tempi di rilevazione statistica relativi al censimento della popolazione allora in corso (1890). Ispirato dai biglietti ferroviari, Hollerith progettò schede perforate codificate per età, stato di residenza, sesso e altre informazioni.
La sua macchina tabulatrice era basata su un funzionamento molto semplice: un insieme di fili metallici venivano sospesi sopra il lettore di schede, poste in corrispondenza di opportune vaschette di mercurio; una volta che i fili venivano spinti sulla scheda, essi permettevano di chiudere elettricamente il circuito solo in corrispondenza dei fori praticati durante la rilevazione. Il circuito elettrico attivato consentiva l’avanzamento del relativo contatore, avvertendo l’operatore della lettura avvenuta. Proprio per questo la macchina di Hollerith è considerata la progenitrice dei moderni calcolatori elettronici.

Immagine della macchina:

Le macchine di Babbage

Con l'industrializzazione, la necessità di eseguire calcoli di ogni tipo andava aumentando; fu in questo contesto che Charles Babbage elaborò i progetti di due calcolatrici: la difference engine ("macchina a differenza") e la analytical engine ("macchina analitica"). Tuttavia, la prima venne realizzata solo in parte e la seconda rimase nello stato di progetto.
Babbage presentò il modello della prima macchina alla Royal Astronomical Society nel 1823. Il suo scopo era quello di creare tabelle di polinomi utilizzando un metodo numerico chiamato il "metodo delle differenze. Questo metodo si basa sul polinomio interpolatore di Newton e la tabella viene costruita nel seguente modo: innanzitutto, se il polinomio aveva grado n, erano necessarie n+1 colonne. Per esempio, se è di secondo grado ci vogliono tre colonne: la prima colonna contiene il valore del polinomio, la seconda colonna contiene la differenza dei valori contenuti nella prima colonna e la terza colonna contiene la differenza dei valori contenuti nella seconda colonna. Il valore della terza colonna è costante perché per ogni polinomio di grado n la colonna n+1 contiene un valore che è costante; questo è cruciale per il funzionamento della macchina. Questo metodo può essere reiterato quante volte. Il progetto prevedeva la possibilità di contenere sette numeri da trentuno cifre; la macchina poteva quindi calcolare polinomi fino al 7º grado.
Inoltre, il dispositivo era di una notevole complessità e di grandi dimensioni strutturali: basti pensare che richiedeva l'assemblaggio di 25.000 parti, e la macchina completa sarebbe stata alta circa due metri e mezzo, larga due metri e profonda uno, con un peso di varie tonnellate
La costruzione di questa macchina iniziò ma non fu portata a termine a causa di due cose: la prima è rappresentata dall'attrito interno, dalle vibrazioni e dagli ingranaggi disponibili a quel tempo, non sufficientemente buoni per realizzare i modelli; la seconda è data dal continuo cambio d'idea riguardo al progetto della macchina.

Invece, con la macchina analitica, Babbage cercò di costruire una macchina che fosse programmabile per eseguire ogni genere di calcolo, non solo quelli relativi alle equazioni polinomiali. Lo schema teorico di questa macchina è universalmente riconosciuto come il primo prototipo di calcolatore generico complesso: infatti, è basato su un sistema di input, un sistema per l'elaborazione dei dati con un dispositivo chiamato "Mill" (mulino), e un sistema di output.
La macchina analitica doveva essere alimentata da un motore a vapore e doveva essere lunga più di 30 metri per 10 metri di profondità. I dati d'ingresso e il programma sarebbero stati inseriti tramite schede perforate, un metodo già utilizzato da Joseph Jacquard per programmare i telai meccanici. Erano previsti tre differenti tipi di schede: una tipologia era riservata alle operazioni matematiche, un altro tipo era previsto per le costanti matematiche e il terzo tipo serviva a caricare e salvare i dati. I dati di uscita sarebbero stati prodotti da uno stampatore e da un arco in grado di tracciare curve e la macchina sarebbe stata in grado di perforare delle schede per memorizzare dei dati da utilizzare successivamente. La memoria interna sarebbe stata in grado di contenere 1000 numeri di 50 cifre.
Un suo progetto concreto venne alla luce nel 1837; tuttavia, in parte a causa di difficoltà simili a quelle incontrate con la macchina differenziale, in parte a causa dei conflitti con i meccanici che stavano costruendo i componenti, la macchina non fu mai costruita.

L'aritmometro di de Colmar

Lo sviluppo del calcolo meccanico riprenderà solo nell'Ottocento: infatti, nel 1820 il francese Thomas de Colmar costruì l’aritmometro, un apparecchio portatile. Fu la prima calcolatrice ad essere commercializzata con grande successo: gli esemplari venduti furono più di 1500 nell’arco di trent’anni.
Questa macchina era in grado di eseguire le quattro operazioni, con risultati fino a 12 cifre, ma non poteva essere programmata per eseguire calcoli in successione. Inoltre, un contagiri sull’asse della manovella registra il numero di addizioni e un cancellatore a cremagliera permette di rimettere a zero tutti i totalizzatori alla fine del lavoro. 

La macchina di Thomas non presenta sostanziali innovazioni rispetto a quella di Leibniz, ma ho voluto parlarne perché è la prima ad essere progettata in modo da poter essere costruita in piccola serie dalle nuove macchine utensili della Rivoluzione Industriale. 

Immagine dell'aritmometro: 

La macchina aritmetica di Poleni

La prima calcolatrice meccanica inventata e realizzata in Italia è la macchina aritmetica di Giovanni Poleni. Il progetto di quest'ultimo era quello di realizzare una macchina, a modello di quella di Leibniz, che potesse però eseguire automaticamente le quattro operazioni aritmetiche, ricorrendo ad un meccanismo totalmente originale: il "traspositore a denti variabili". Questo meccanismo consente l'automazione della moltiplicazione attraverso la memorizzazione del fattore sul numeratore, evitando la necessità della continua impostazione del numero. La macchina di Poleni, inoltre, si differenzia dai dispositivi precedenti per il tentativo di rendere automatico anche il funzionamento: grazie al motore a peso, infatti, Poleni ha limitato l'intervento umano alla sola impostazione del calcolo, lasciando alla macchina l'esecuzione del lavoro.
Purtroppo l'originale della macchina è andata perduta, ma si ha una dettagliata descrizione nel volume "Miscellanea" del 1709.





La macchina presenta un telaio aperto in legno, terminante sulla sommità con una cimasa e il lato anteriore presenta una piastra quadrata fissata al telaio in modo tale che la diagonale del quadrato sia parallela alla base della macchina. Al centro della piastra è inserito un quadrante scanalato circolare, suddiviso in nove sezioni uguali e numerate da 1 a 9; in corrispondenza di ogni numero vi è un foro all'interno del quale c'è il piolo che blocca il movimento della manovella posta al centro del quadrante. Al di sopra della piastra quadrata si trova il totalizzatore composto da sei quadranti circolari disposti ad arco, ognuno dei quali presenta due finestrelle per la visualizzazione del numeratore. Al di sopra del numeratore si trova un'altra manovella che comanda, attraverso le tre ruote dentate situate sul lato posteriore, lo spostamento degli ingranaggi per la selezione del numeratore nelle operazioni di moltiplicazione e divisione. L'elemento centrale della macchina è costituito dal traspositore a ruota con numero variabile di denti, ovvero una ruota i cui denti sono spostabili manualmente in modo tale da permettere la selezione della ruota dentata del numeratore da ingranare. Il funzionamento della macchina è azionato da un motore a peso, costituito da una corda, avvolta su un cilindro, alla quale è appeso un peso per mezzo di un sistema di pulegge.
Per utilizzarla bisogna caricare il motore a peso avvolgendo la corda sul cilindro e impostare la cifra da operare utilizzando il piolo da infilare nei fori del quadrante e la manovella sul quadrante. Successivamente, bisogna selezionare manualmente i denti del traspositore per l'impostazione delle rotelle dei totalizzatori da ingranare e liberare la caduta del peso. L'unico problema è il fatto che la macchina può compiere le operazioni su numeri al massimo di tre cifre.
La macchina di Poleni conobbe in Europa una certa notorietà nei decenni successivi: infatti, è descritta e raffigurata nel "Theatrum Arithmetico-Geometricum" di Jacob Leupold e in "Versuch einer Geschichte der Rechenmaschine" di Johann Bischoff.