До компьютеров
Симуляция до транзистора: шестерни, вода, песок и репетиция как замена настоящей системы.
Задолго до электронных компьютеров люди строили устройства, модели и репетиции, которые заменяли системы, слишком большие, медленные, дорогие или опасные, чтобы проверять их напрямую. Шестерни вращали, чтобы проследить движение планет. Масштабные модели кораблей, рек и плотин запускали с настоящей водой. Механические рычажные системы решали уравнения движением, а не счётом. Офицеры, акушерки и дети разыгрывали сценарии с фишками, песком, воском и друг с другом. Ничто из этого не было цифровым, а кое-что используют и сейчас рядом с компьютером. Всё это считается симуляцией: система-заменитель, построенная, чтобы ответить на вопрос о настоящей.
Оррери
Механическая модель Солнца, Земли, Луны и планет с шестернями; её вращают рукой или часовым механизмом, чтобы показать их относительное движение.
Вопрос, на который отвечает: Где окажутся планеты и луны относительно друг друга?
Не учитывает: Масштаб целиком: планеты всегда изображены слишком близко друг к другу и слишком большими.
Работает на: без компьютера. механическая модель с шестернями; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1704 Планетарная модель на шестернях Джорджа Грэма, сделанная для графа Оррери
Астролябия
Ручной дисковый прибор, моделирующий вращающееся небо; по нему находят время, широту и положение звёзд.
Вопрос, на который отвечает: Который сейчас час и где на небе эта звезда прямо сейчас?
Не учитывает: Всё, чего нет на её выгравированных пластинах: для новой звезды нужна новая астролябия.
Работает на: без компьютера. гравированный латунный ручной прибор; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 800 к 800 году: исламские астрономы совершенствуют более ранние греческие конструкции приборов
Антикитерский механизм
Бронзовый механизм с шестернями, который достаточно хорошо моделировал циклы Солнца, Луны и календаря, чтобы предсказывать затмения.
Вопрос, на который отвечает: Когда Луна в следующий раз затмит Солнце?
Не учитывает: Она воспроизводит наблюдаемые циклы зубчатыми передачами и не объясняет, почему тела движутся.
Работает на: без компьютера. бронзовая зубчатая передача с ручным приводом; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 150 до н. э. устройство с затонувшего корабля у Антикитеры, ГрецияВ дереве симуляций: Антикитерский механизм
Оптический планетарий
Проектор внутри купольного театра выводит на потолок всё ночное небо, включая его движение во времени.
Вопрос, на который отвечает: Как будет выглядеть небо над этим городом в заданную ночь?
Не учитывает: Погода и засветка неба, поэтому звёзды всегда видны.
Работает на: без компьютера. оптический звёздный проектор; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1923 открыт первый оптико-проекционный планетарий, Мюнхен
Армиллярная сфера
Вложенные кольца, изображающие небесный экватор, эклиптику и горизонт, построенные, чтобы моделировать и измерять видимое вращение неба.
Вопрос, на который отвечает: Где и когда данная звезда пересекает горизонт?
Не учитывает: Собственное блуждание планет: небо считается единой вращающейся оболочкой.
Работает на: без компьютера. прибор из вложенных колец, металлический или деревянный; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 117 к 117 году н. э.: водяная армиллярная сфера Чжан Хэна, Китай (более ранние кольцевые приборы приписывают Эратосфену, Гэн Шоучану и другим, но достоверно как сферы из вложенных колец они не задокументированы) источник
Экваториум
Геометрический прибор с вращающимися пластинами, который по построению даёт положение планеты, не требуя никакой арифметики.
Вопрос, на который отвечает: Где сегодня ночью эта планета в зодиаке, прямо по циферблату?
Не учитывает: Точность: она не лучше гравировки и глаза, который её читает.
Работает на: без компьютера. градуированный латунный или деревянный прибор; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1080 к 1080 году: экваториум аз-Заркали, исламская Испания
Земной глобус
Шар с картой мира, по которому показывают расстояния, маршруты и размеры земель.
Вопрос, на который отвечает: Как континенты расположены друг относительно друга на сфере?
Не учитывает: Глобусы показывают форму и положение, но не процессы на поверхности.
Работает на: без компьютера. модель, которую вращают рукой, никаких вычисленийС: 150 до н. э. около 150 года до н. э.: глобус Кратета из Малла в Пергаме, известный по Страбону; «Земное яблоко» (Erdapfel) Мартина Бехайма 1492 года — самый старый из сохранившихся глобусов источник
Астрономические часы
Часы, которые показывают ещё и положение Солнца, Луны и звёзд; их приводят в движение шестерни и спуск.
Вопрос, на который отвечает: Где сейчас на небе Солнце и Луна?
Не учитывает: Она воспроизводит фиксированные циклы и не может предсказать то, чего нет в её шестерёнках.
Работает на: без компьютера. зубчатая передача, никаких вычисленийС: 1092 к 1092 году: водяная часовая башня Су Суна, описанная в Xinyi Xiangfayao источник
Опытовый бассейн для моделей кораблей
Масштабный корпус буксируют вдоль длинного бассейна со стоячей водой, измеряют сопротивление и пересчитывают на полноразмерное судно.
Вопрос, на который отвечает: Какая мощность нужна настоящему кораблю, чтобы достичь заданной скорости?
Не учитывает: Волны и погода, если бассейн не построен так, чтобы их добавлять.
Работает на: без компьютера. буксируемый масштабный корпус в бассейне с водой; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1871 Опытовый бассейн для моделей судов Уильяма Фруда в Торки: финансирование выделено в 1870 году, построен в 1871, первое испытание в марте 1872 источникВ дереве симуляций: Опытовый бассейн Фруда
Физическая модель речного бассейна
Большая наружная масштабная модель целой речной системы, с притоками, построенная так, чтобы пропускать настоящую воду по настоящему рельефу.
Вопрос, на который отвечает: Куда пойдёт вода, если выпадет столько дождя или прорвёт эту дамбу?
Не учитывает: Грунтовые воды и большая часть мелких деталей наносов.
Работает на: без компьютера. наружная бетонная модель местности с текущей водой; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1943 начата модель бассейна Миссисипи Инженерного корпуса армии США
Модель гавани и устья реки
Масштабная модель порта или устья с работающим приливом, по которой смотрят, как будут двигаться течения, ил и волны, когда его построят.
Вопрос, на который отвечает: Не приведёт ли этот новый волнолом к заилению канала, который он должен защищать?
Не учитывает: Штормы более редкие, чем те, что выбрали операторы.
Работает на: без компьютера. масштабный бассейн с механическим приливом; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1935 к 1935 году: европейские гидравлические лаборатории строят модели приливных гаваней
Модель плотины и водосброса
Небольшая физическая копия плотины и водосброса, через которую пускают настоящую воду, чтобы проверить, что проект пропустит паводок и не разрушится.
Вопрос, на который отвечает: Пропускает ли водосброс самый большой паводок, какой он вероятно когда-либо увидит?
Не учитывает: Самые крупные и редкие наводнения, которые обычно просто экстраполируют.
Работает на: без компьютера. масштабная бетонная модель с текущей водой; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1928 Испытания гидравлических моделей Бюро мелиорации США перед крупной плотиной
Масштабная модель конструкции
Небольшая нагруженная копия моста или здания, иногда из пластика, выявляющего напряжения, показывает, где и как оно сломается первым.
Вопрос, на который отвечает: Где эта конструкция треснет первой и при какой нагрузке?
Не учитывает: Усталость на протяжении десятилетий, которую не покажет ни один короткий тест.
Работает на: без компьютера. нагруженная модель в масштабе, иногда из фотоупругого пластика; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1901 Ранние фотоупругие модели напряжений Кокера и Филона
Масштабная акустическая модель помещения
Небольшая физическая копия зала или театра; её испытывают звуком повышенной частоты, соответствующей размеру модели, чтобы услышать, как зазвучит настоящее помещение.
Вопрос, на который отвечает: Услышат ли задние ряды сцену отчётливо в этом зале?
Не учитывает: Зрители, чья одежда и тела меняют реальное поглощение звука в зале.
Работает на: без компьютера. масштабная модель помещения со звуком смещённой частоты; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1934 Опыты Шпандёка с акустическими моделями залов в уменьшенном масштабе, Германия
Ячейка Хеле-Шоу
Жидкость зажата между двумя близкими пластинами, поэтому обтекание препятствий видно как плоская картина линий тока.
Вопрос, на который отвечает: Как жидкость обтекает эту форму, нарисованную в виде плоской картинки?
Не учитывает: Она описывает только медленный двумерный поток.
Работает на: без компьютера. лабораторная установка, никаких вычисленийС: 1898 к 1898 году: исследование Хиле-Шоу о течении между параллельными пластинами источник
Модель арки по висячей цепи
Цепь или верёвка, подвешенная в закреплённых точках, принимает форму, которая в перевёрнутом виде становится идеальной линией каменной арки.
Вопрос, на который отвечает: Какая форма позволяет арке стоять, работая только на сжатие?
Не учитывает: Она решает один случай нагрузки за раз.
Работает на: без компьютера. подвесная модель, никаких вычисленийС: 1675 к 1675 году: анаграмма Гука об арке, позднее использованная проектировщиками источникВ дереве симуляций: Висячая цепь Гука
Модели минимальных поверхностей мыльных плёнок
Проволочный каркас, опущенный в мыльный раствор, образует плёнку, поверхность которой принимает наименьшую площадь.
Вопрос, на который отвечает: Какая поверхность наименьшей площади натянута на эту границу?
Не учитывает: Плёнка находит одну поверхность и не может показать конкурирующие.
Работает на: без компьютера. лабораторная установка, никаких вычисленийС: 1873 к 1873 году: Plateau, Statique expérimentale et théorique des liquides источник
Механический дифференциальный анализатор
Вращающиеся колёса и диски с интеграторами, соединённые стержнями и шестернями, вручную настроенные на решение конкретной системы дифференциальных уравнений.
Вопрос, на который отвечает: Как эта система развивается со временем, если известно уравнение, которое ею управляет?
Не учитывает: Возможность повторного использования без перестройки связей для следующей задачи.
Работает на: без компьютера. механическая связка колёс и дисков размером с комнату; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1931 Механический дифференциальный анализатор Вэнивара Буша, MIT
Машина для предсказания приливов
Шкивы и шестерни складывают десятки известных приливных циклов вручную проворачиваемым механизмом и выдают на печать год предсказанных высот приливов.
Вопрос, на который отвечает: Какой будет высота прилива в этом порту в заданный день следующего года?
Не учитывает: Штормовой нагон и всё, чего нет в измеренных приливных циклах.
Работает на: без компьютера. машина с блоками и шестернями, которую крутят вручную; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1872 Гармоническая машина для предсказания приливов Кельвина и РобертсаВ дереве симуляций: Приливный предсказатель Кельвина
Гидравлическая модель экономики
Цветную воду прокачивают через баки, клапаны и трубы, которые изображают доход, налоги, сбережения и расходы в национальной экономике.
Вопрос, на который отвечает: Что станет с расходами и запасами, если изменить эту налоговую ставку?
Не учитывает: Ожидания и поведение: вода не предвидит следующего поворота вентиля.
Работает на: без компьютера. сеть баков и труб размером с комнату; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1949 Гидравлическая модель экономики Билла Филлипса, Лондонская школа экономикиВ дереве симуляций: Гидравлическая экономика Филлипса
Анализатор электрических сетей
Установка размером с комнату из масштабных резисторов, конденсаторов и трансформаторов, соединённых так, чтобы имитировать энергосеть; её настраивают, чтобы проверить сбой или новую линию.
Вопрос, на который отвечает: Что станет с напряжением и током по сети, если эта линия отключится?
Не учитывает: Всё на настоящей сети, что в тот день не было внесено в модель.
Работает на: без компьютера. комната со смонтированными масштабными электрическими компонентами; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1925 Анализатор сетей переменного тока MIT для исследований электросетей
Механический гармонический анализатор
Механический прибор с шестернями вычерчивает кривую, например записанные данные о приливах или волнах, и считывает силу её скрытых циклов.
Вопрос, на который отвечает: Из каких регулярных циклов на самом деле состоит эта неровная реальная кривая?
Не учитывает: Всё в данных, что не является чистым повторяющимся циклом.
Работает на: без компьютера. механический прибор, вычерчивающий кривую; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1876 Механический гармонический анализатор Кельвина
Аналоговый компьютер управления огнём
Шестерни и кулачки соединяют курс и скорость собственного корабля с пеленгом цели, чтобы наводить орудия туда, где цель будет, а не где она есть.
Вопрос, на который отвечает: Куда сейчас навести орудие, чтобы позже попасть в движущуюся цель?
Не учитывает: Любой манёвр, который цель ещё не начала.
Работает на: без компьютера. механический калькулятор из шестерён и кулачков; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1912 механический артиллерийский вычислитель Дрейера, Королевский флот
Доска Гальтона
Шарики падают сквозь ряды штырей и собираются в колоколообразную кривую; так видно, как складываются многие мелкие случайности.
Вопрос, на который отвечает: Какой разброс получается, когда складывается много малых случайных шагов?
Не учитывает: Она показывает одно распределение и не может менять свои правила.
Работает на: без компьютера. лабораторная установка, никаких вычисленийС: 1874 к 1874 году: квинконс Гальтона показан в Королевском институте источник
Игла Бюффона
Если бросать иглу на линованную бумагу и считать, как часто она пересекает линии, получится оценка числа π — это эксперимент Монте-Карло, который проводят вручную.
Вопрос, на который отвечает: Могут ли случайные броски оценить число?
Не учитывает: Она неэффективна: оценка улучшается лишь медленно с ростом числа бросков.
Работает на: без компьютера. бросок рукой, без вычисленийС: 1777 к 1777 году: задача Бюффона об игле в Essai d'arithmetique morale источник
Модель нерва на железной проволоке
Пассивная железная проволока в кислоте несёт бегущее изменение поверхности, которое вспыхивает, восстанавливается и может запускаться заново, как нервный импульс.
Вопрос, на который отвечает: Можно ли воспроизвести нервный импульс неживой системой?
Не учитывает: Она копирует узор, а не ионные каналы, которые его вызывают.
Работает на: без компьютера. лабораторная установка, никаких вычисленийС: 1920 к 1920 году: Lillie, iron wire as a model of recovery processes in living protoplasm источник
Кибернетические черепахи
Небольшие колёсные роботы с несколькими ламповыми схемами ищут свет, обходят препятствия и возвращаются к зарядке.
Вопрос, на который отвечает: Могут ли несколько деталей дать живое поведение?
Не учитывает: Поведений мало, и они не умеют учиться дальше простого обусловливания.
Работает на: без компьютера. схема из двух клапанов, никаких вычисленийС: 1948 к 1948 году: Machina speculatrix Грея Уолтера, Elmer и Elsie источник
Песочный стол
Неглубокий поднос с песком, из которого вылеплены холмы, реки и дороги настоящего или воображаемого поля боя; по нему инструктируют и планируют.
Вопрос, на который отвечает: Как сама местность определяет, что здесь возможно?
Не учитывает: Погода, план противника и всё, что мельче песчинок.
Работает на: без компьютера. поднос с песком, которому придана форма; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 32 к 32 году н. э.: Ма Юань вылепил из риса горы и долины для императора Гуан-у («История Поздней Хань»); стол с влажным песком Рейсвица появился в 1811 году источник
Штабная поездка
Офицеры идут по настоящей местности исторического сражения и разбирают решения, перед которыми стояли тогдашние командиры в каждом месте.
Вопрос, на который отвечает: Что заказали бы, исходя из того, что видно из этой позиции?
Не учитывает: Страх, усталость и растерянность, которые на самом деле испытывали настоящие командиры.
Работает на: без компьютера. настоящее поле боя, пройденное пешком; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1906 Штабные поездки Эбена Свифта в Форте-Ливенворт армии США
Генеральная репетиция
Полный прогон выступления, церемонии или запуска, в костюмах или по полной процедуре, со всем, кроме настоящих зрителей и настоящей цены ошибки.
Вопрос, на который отвечает: Работает ли вся процедура от начала до конца в реалистичных условиях?
Не учитывает: Волнение и неповторимое чувство настоящего события.
Работает на: без компьютера. полный прогон с настоящими людьми и реквизитом; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1828 к 1828 году: слово зафиксировано для полного театрального прогона
Учения по пожару и эвакуации
Все в здании или на корабле действительно уходят по запланированным путям, когда звучит сигнал тревоги; процесс засекают и следят за узкими местами.
Вопрос, на который отвечает: Успеют ли все находящиеся эвакуироваться по запланированным путям?
Не учитывает: Дым, паника и заблокированные выходы, а именно они отличают настоящие пожары.
Работает на: без компьютера. настоящее здание или корабль, эвакуируемые для тренировки; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1912 к 1912 году: обязательные учения по спасательным шлюпкам и пожару на пассажирских судах
Учебный суд
Отрепетированное судебное заседание, где настоящие или обучающиеся юристы спорят перед судьёй и присяжными, чтобы проверить дело, прежде чем оно пойдёт всерьёз.
Вопрос, на который отвечает: Как на самом деле подействуют перед присяжными этот довод и этот свидетель?
Не учитывает: Последствия настоящего приговора для всех, кого он касается.
Работает на: без компьютера. отрепетированное судебное заседание с настоящими людьми; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1400 к 1400 году: моты в лондонских юридических корпорациях Inns of Court
Военные полевые учения
Настоящие войска маневрируют друг против друга на настоящей местности, с холостыми патронами или защитным снаряжением вместо боевого оружия.
Вопрос, на который отвечает: Способно ли это подразделение на деле выполнить план против тех, кто пытается ему помешать?
Не учитывает: Реальные потери и худшая часть настоящей местности и погоды, по договорённости.
Работает на: без компьютера. настоящие войска на настоящей местности; физическое устройство, вообще без цифровых вычисленийС: 100 к 100 году н. э.: Иосиф Флавий описывает римские учебные манёврыВ дереве симуляций: Римская муштра как репетиция
Анатомические модели
Подробные восковые, деревянные или папье-маше копии органов и слоёв тела, сделанные для обучения анатомии без настоящего трупа.
Вопрос, на который отвечает: Как на самом деле выглядит внутренность тела, слой за слоем?
Не учитывает: Индивидуальные различия: каждая модель показывает одно идеализированное тело, а не то, что лежит на столе.
Работает на: без компьютера. сделанная вручную копия из воска или дерева; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1780 Восковые анатомические модели Клементе Сузини, Флоренция
Акушерский фантом
Таз и модель младенца в натуральную величину: на них учат акушерок принимать трудные роды на ощупь, прежде чем они увидят настоящие.
Вопрос, на который отвечает: Сможет ли этот практикант безопасно принять роды, когда что-то идёт не так?
Не учитывает: Состояние матери и любые осложнения, не заложенные в модель.
Работает на: без компьютера. учебный манекен из сшитой ткани и кожи; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1756 Акушерский учебный манекен Анжелики дю Кудрэ, ФранцияВ дереве симуляций: Родильный манекен дю Кудре
Первые реанимационные манекены
Простой манекен груди и дыхательных путей, в который практикант вдыхает и на который надавливает; он даёт базовую обратную связь о технике.
Вопрос, на который отвечает: Достаточно ли сильно этот человек нажимает и достаточно ли делает вдохов, чтобы сохранить кому-то жизнь?
Не учитывает: Почти всё в настоящей чрезвычайной ситуации, кроме двух отрабатываемых действий.
Работает на: без компьютера. простой механический учебный манекен; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1960 первый массовый манекен для обучения сердечно-лёгочной реанимации, Норвегия
Манекены для краш-тестов
Манекены с датчиками, с массой и суставами как у человека, пристёгнутые в настоящем автомобиле, который направляют в настоящее препятствие.
Вопрос, на который отвечает: Насколько сильным был бы удар по настоящему телу в этой самой аварии?
Не учитывает: Различия между настоящими телами: один манекен заменяет всех.
Работает на: без компьютера. манекен с датчиками в настоящей машине; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1949 первый антропоморфный испытательный манекен для проверки катапультных кресел в авиации США
Муляж
Реалистичные раны, ожоги и сыпь, нарисованные или вылепленные на актёрах или манекенах, чтобы обучать медиков и бригады сортировки быстро узнавать состояния.
Вопрос, на который отвечает: Правильно ли этот спасатель читает и расставляет приоритеты в том, что видит?
Не учитывает: Реальная физиология пациента под нарисованной поверхностью.
Работает на: без компьютера. раскрашенный воск или грим на человеке или манекене; физическое устройство, вообще без цифровых вычисленийС: 1867 Дерматологические восковые муляжи Жюля Баретта, Париж
Баллистические блоки желатина
Блоки желатина, откалиброванные под плотность мышечной ткани, обстреливают, чтобы изучить, как ведёт себя пуля или осколок внутри тела.
Вопрос, на который отвечает: Как далеко летит этот снаряд и какую траекторию он оставляет в ткани?
Не учитывает: Кости, кожа и одежда, если их не добавили специально.
Работает на: без компьютера. калиброванный блок желатина; физическое устройство, никаких цифровых вычисленийС: 1945 военные исследователи ранений, испытывавшие пули в желатиновых блоках
Автоматы
Механические фигуры людей и животных, которые двигаются, играют на инструментах или подражают жизни, приводятся в действие гирями, кулачками или шестернями.
Вопрос, на который отвечает: Может ли машина имитировать живое тело?
Не учитывает: Они повторяют заданный порядок и не могут реагировать на мир.
Работает на: без компьютера. часовой механизм, никаких вычисленийС: 50 к середине I века н. э.: «Автоматы» Герона Александрийского описывают самодвижущиеся фигуры и театры; самая ранняя машина, играющая на инструменте, — флейтист Бану Муса (IX век, Багдад) источник
Платформы движения
Подвижное кресло или кабина наклоняется и смещается, чтобы сидящий чувствовал движения транспортного средства.
Вопрос, на который отвечает: Что чувствует пассажир, когда транспортное средство движется?
Не учитывает: Платформы могут лишь намекнуть на длительное ускорение.
Работает на: без компьютера. механическая установка, никаких вычисленийС: 1910 к 1910 году: Sanders Teacher, модель самолёта, соединённая с землёй карданным шарниром источник