Функциональные возможности персонального компьютера

28

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………..… 3

Глава I. Функциональные возможности персонального компьютера..……… 4

1.1. Краткая история развития аппаратного и программного обеспечения компьютера………………………………………………………………………….4

1.2. Операционные системы персонального компьютера……..…………..… 6

1.3. Прикладные программы персонального компьютера.……………….… 9

Глава II. Решение задач прикладной механики в среде системы Паскаль…... 16

2.1. Функциональные возможности языка программирования паскаль....……16

2.2. Система команд языка Паскаль.……………….………………………...… 18

2.3. Задачи прикладной механики, решаемые посредством языка программирования Паскаль…..……………….………………….....……….. 22

Заключение..……………………………………………….………..…………. 31

Литература…………………………………………………………..………… 32

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность курсового проекта на тему «Решение задач механики в системе языка программирования Паскаль» обусловлена широким внедрением компьютерных технологий во все сферы деятельности человека.

Объектом курсовой работы служит процесс внедрения новых информационных технологий в сферу науки и образования.

Предметом курсового исследования является освоение процесса решения задач прикладной механики посредством языка программирования высокого уровня Паскаль.

Целью курсового проектирования является изучение полного спектра функциональных возможностей языка программирования Паскаль для решения задач прикладной механики.

Гипотеза курсового проектирования заключается в следующем, что при овладении полным спектром функциональных возможностей языка программирования Паскаль способствует повышению эффективности решения задач прикладной механики.

Задачами курсовой работы являются:

1) постановка и решение задач прикладной механики традиционным способом;

2) решение задач механики в среде языка программирования Паскаль.

Методами, которыми решаются задачи курсового исследования, являются:

1) теоретический анализ научно-технической литературы по языку программирования Паскаль;

2) математическое моделирование задач прикладной механики;

3) компьютерное решение задач прикладной механики.

ГЛАВА I. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

1.1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АППАРАТНОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЬЮТЕРА

Когда произносят слова «персональный компьютер», обычно подразумевается не что иное, как компьютер типа IBM PC. Именно американская компания IBM в августе 1981 года объявила о выпуске самого первого компьютера, получившего название Personal Computer, или просто PC.

Впрочем, еще до создания IBM PC множеством разных фирм вы пускались компьютеры, которые было бы вполне уместно называть персональными.

Несовместимость многочисленных моделей компьютеров была главным препятствием для создания достаточно совершенных программ универсального применения.

Когда IBM вышла на рынок настольных компьютеров, казавшийся сомнительным и рискованным, разнобой среди персональных компьютеров довольно быстро пошел на убыль. Маленький персональный компьютер IBM PC на процессоре 8088 фирмы Intel оказался тем долгожданным стандартом, который с радостью поддержали многочисленные программисты и фирмы - изготовители прикладного программного обеспечения: наконец - то появился компьютер солидной фирмы, для которого можно было разрабатывать и успешно продавать большими тиражами достаточно сложные, совершенные и универсальные программы. По сути дела, компьютер IBM PC создал не только стабильный и обширный рынок персональных компьютеров, но и огромный рынок прикладного программного обеспечения, на котором за последние полтора десятилетия разбогатело множество венчурных фирм [10].

Вот яркий тому пример. Компьютер IBM PC почти с самого начала работал под управлением дисковой операционной системы DOS, которую разработала для IBM маленькая и никому тогда не известная фирма Microsoft. Сегодня Microsoft - бесспорный флагман индустрии программного обеспечения, одна из богатейших фирм мира, выпускающая не только операционные средства MS - DOS и Windows для управления компьютерами, но и различные прикладные пакеты. А основатель и руководитель Microsoft Билл Гейтс, несмотря на молодость, - один из самых богатых людей.

Разумеется, персоналка IBM PC оказалась только первым шагом в верном направлении. Затем фирма IBM выпустила множество моде лей персональных компьютеров XT, AT, PC/2 и PC/1 на различных процессорах Intel 80286,80386,80486. Все эти компьютеры пред назначены для работы под управлением операционной системы DOS или в графической среде Windows.

Множество других фирм немедленно принялись подражать IBM и развивать ее успех, выпуская свои собственные модели персоналок, полностью совместимые с IBM PC, либо выпуская различное дополнительное периферийное оборудование для IBM PC. Ведь одной из замечательных особенностей персоналки IBM PC была так называемая «открытая архитектура», позволявшая даже неспециалистам легко и просто изменять устройство и технические возможности своего компьютера. Для этого часто достаточно было воспользоваться разъемами последовательного или параллельного портов связи, добавить на пустующих панельках несколько микросхем памяти, вставить в плату сопроцессор, переставить в другое положение DIP переключатели, поменять с помощью отвертки блоки, воткнуть или вынуть плату расширения из слота системной шины. В результате буквально за несколько минут всякий мог, не располагая сколько-нибудь глубокими знаниями и сложным инструментом, построить из готовых компонентов совершенно новую персональную компьютерную систему с необходимыми техническими параметрами [2].

1.2. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Разработка MS Windows - одного из самых популярных программных продуктов наших дней началась примерно 10 лет назад. Тогда считалось, что будущее принадлежит интегрированным средам, таким как FrameWork, VisiOn и DESQ, объединяющим в себе несколько программ разного класса. Все эти продукты работали в текстовом режиме. Некоторые из них позволяли использовать мышь. Microsoft заняла другую позицию - после посещения исследовательского центра Xerox PARC Билл Гейтс решил сделать ставку не графическую оболочку, предоставляющую разработчикам стандартные средства для создания интерфейса. К слову сказать, в то же время центр Xerox посетил и Стив Джобс [1].

В начале работы над Windows программистам из Microsoft был доступен лишь компьютер класса XT с процессором 8088 и максимальным объёмом памяти в 640 KB. Реальным же быль объём в 256 КВ, 2 дисковода на 360 КВ (жёсткий диск в те времена был слишком дорогой роскошью) и видеоадаптер CGA. Первые сведения о разработке Windows историки относят к 1983 году. А уже в ноябре 1984 года Microsoft дала первую отсрочку поставке, перенеся её на июнь 1985 года. Но и к этой дате работы над первой версией Windows не завершились. Официально днем рождения Windows можно считать выставку Comdex, проходившую в ноябре 1985 года в Лас-Вегасе, на которой пресс-конференция Microsoft плавно перетекла в презентацию нового продукта Microsoft Windows 1.0.

Первая версия Windows даже по тем меркам выглядела слабо: окна на экране, в отличии от операционной системы в среде Mac и графической оболочки GEM фирмы Digital Research, не перекрывались, программа работала безумно медленно, а модуль управления файлами MS DOS Executive вообще работал в текстовом режиме. Однако при всём при этом Windows требовалось всего лишь 256 КВ памяти и 2 дисковода [7].

Производительность версии 1.3 была значительно повышена за счёт поддержки расширенной памяти (LIM), спецификация которой была изначально разработана для работы Lotus 1-2-3. Windows 1.3 могла своповать код и данные в расширенную память, но задача при этом могла выполняться только на 640 КВ стандартной памяти. В это же время для Windows был переписан Aldus PageMaker 1.0 и графический пакет In-A-Vision фирмы Micrografx.

Windows 2.0 вышла в 1987 году. Тогда-то и появились кнопки максимизации и минимизации и перекрывающиеся окна (вечный спор Microsoft и Apple). Кроме того быль введён протокол динамического обмена данными (DDE).

В 1988 году Windows была разделена на 2 части: Windows/286 и Windows/386 . Первая из них использовала протокол EMS 4.0, а вторая использовала виртуальную память и V86-й режим процессора. Однако производительность системы всё еще оставляла желать лучшего [3].

Появление в мае 1990 года Windows 3.0 ознаменовало новую эру программного обеспечения персоналок. Windows 3.0 поддерживала Protected mode 286/386 и предлагала задачам до 16МВ непрерывной памяти, а так же псевдомногозадачность и выполнение DOS-программ в окне. Появились и всеми любимые Program Manager, File Manager, Control Panel и полосы прокрутки с кнопками. И всё это работало в графическом режиме! Возможность адресации большего объёма памяти позволила Windows работать значительно быстрее. И фирмы-производители ринулись на этот рынок. В Windows переносилось всё подряд: от текстовых процессоров до игр. Однако UAE - знаменитые системные ошибки - могли даже самого терпеливого и преданного пользователя довести до белого каления.

Решение этих проблем привело к созданию Windows 3.1, которая сначала задумывалась лишь как небольшое улучшение версии 3.0, но в конце концов привело к созданию совершенно самостоятельного продукта, с которым мы все в настоящий момент и общаемся. В Windows 3.1 был введён протокол OLE, а так же были предоставлены новые средства для разработчика, в частности был документирован протокол Drag-&-Drop, введены панели диалога общего назначения и многое другое [15].

В настоящее время от Windows отделился проект Windows NT, представляющий 32-разрядную многозадачную систему, поддерживающую несколько аппаратных платформ (таких как Pentium - последнее слово Intel, PowerPC - новое сердце Macintosh и Alpha - бога спустившегося на землю ПЭВМ из мира WorkStantion и суперкомпьютеров). Однако отзывы об NT не слишком лестны из-за его неповоротливости и обжорства (по отношению к ресурсам). Сейчас мир ждёт Windows 4.0 разрабатывающийся как проект Chicago, который должен быть менее требователен к ресурсам, чем NT, работать только на Intel-е, но при всем при этом, уже не быть "оболочкой дешёвой", а работать полностью независимо от DOS. Не смотря на все нововведения, пользователи настроены довольно скептически, к примеру по сети FIDO бродит вот такая картинка, посвящённая Chicago.

На волне повального увлечения Windows в эту среду был перенесён и широко известный текстовый процессор фирмы Microsoft - Word. Оказавшись в новой среде, Word, сохранив мощь своего DOS-овского собрата приобрёл и новые, характерные для Windows-приложений качества, которые ещё более развились к последней локализованной для России версии 2.0 (слухи о русификации MS Word 6.0 упорно ходят, но живьём его еще никто не видел). В частности, вместо загадочных комбинаций клавиш (а точнее кроме них), большинство команд доступно через Tool-Bar. Естественно, редактор отвечает принципу WYSIWYG, и использует шрифты True-Type. Корме того, Word поддерживает OLE, что делает его полноправным Windows-приложением, полностью использующим возможности системы, и позволяющим сделать работу над создаваемым документом наиболее удобной и естественной. Возможность импорта многих графических форматов, редактор формул, программа деловой графики и возможность многоколонной вёрстки приближают Word к DTP-системам, но отсутствие кернинга и заметно менее удобное управление размещаемым текстом не позволяют поставить Word на одну ступень, например, с PageMaker-ом, а следовательно и назвать полнофункциональной DTP-системой. MS Word Art, конечно, неплохое средство для экспериментов над строками текста, а MS Draw - над изображениями, но это далеко не Corel. К несомненным плюсам можно отнести наличие Тезауруса и системы проверки орфографии, делающими Word прекрасным текстовым редактором. Встроенный язык Word Basic - делает редактор исключительно гибким и удобным при обработке однотипных документов, и позволяет ему, словно AutoCAD-у настраиваться на ту предметную область, в которой он используется. Возможность вычислений в таблицах роднит Word (правда крайне отдалённо) с Exсel-ом и ему подобными программами. Резюмируя всё выше сказанное, можно заметить, что покупая Microsoft Word for Windows 2.0 (звучит, к сожалению, немного смешно для России), Вы получите за те же деньги плохенький графический редактор, электронную таблицу, пакет деловой графики, математический пакет (редактор формул - не MathCAD), настольную издательскую систему, даже интерпретатор BASIC-а и мощнейший текстовый процессор с намёком на MultiMedia (см. возможность вставки звуковых фрагментов). Короче, всё, что нужно для подготовки не слишком сложных документов дома или в офисе [6].

1.3. ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Windows - это графическая оболочка, которая откроет Вам новые возможности в использовании персонального компьютера. Windows представляет собой интегрированную среду, которая позволяет создать удобное окружение для запуска Ваших программ, обеспечив при этом одновременную работу сразу нескольких приложений.

Каждая программа в Windows имеет хотя бы одно окно, которое предназначено для связи пользователя с данной программой. Экран монитора представляется в Windows как рабочий стол, на котором располагаются окна работающих в данный момент программ. Программа также может быть представлена в виде небольшого изображения - иконки. Соответственно, любое окно (программа) может быть сжато до иконки и восстановлено в нормальных размерах. Это существенно повышает информационную емкость экрана при работе с Windows. Все это объединяется удобным управлением, рассчитанным, в основном, на применение мыши [14].

Помимо большого набора программ, характерных для интегрированной Среды, текстового и графического редактора, базы данных и т.п., - Windows поддерживает обширный программный интерфейс, что позволяет создавать свои собственные программы для работы в среде Windows. Изучение этого программного интерфейса важно уже и потому, что этот интерфейс стал стандартом и поддерживается многими производителями вычислительной техники и программного обеспечения.

Большинство обычных пользователей компьютеров сталкиваются с различными проблемами. Например: вы используете текстовый редактор одной фирмы, программу для работы с электронными таблицами - другой, программу деловой графики - третьей, а производительность вашего электронного помощника в итоге оказывается невысокой. В чем дело? Да просто эти программы не предназначены для совместной работы.

К счастью, решение у этой проблемы есть: пакет Microsoft Office, который содержит большую часть необходимого вам программного обеспечения.

Элементы интерфейса входящих в него программ оформлены одинаково и «общаются» они друг с другом на одном и том же языке.

Пакет Office - это нечто большее, чем просто набор программ в одной коробке. Уже его название подсказывает, что он должен содержать мощные прикладные программы для коммерческого применения, которые легко и непринужденно работают с текстами, числами и изображениями [12].

Но самое привлекательное в пакете Office то, что связывает эти приложения воедино: все эти программы имеют общее меню и наборы кнопок, которые выглядят очень похоже. Научившись работать с одним из приложений, вы тем самым в значительной степени продвинетесь в изучении остальных.

К тому же в пакете имеется простой в использовании управляющий центр Диспетчер Microsoft Office, позволяющий запускать отдельные программы и выходить из них, либо получать подробные указания и оперативную помощь простым щелчком кнопки мыши.

В состав пакета Office входят: Большие прикладные программы WORD - мощный текстовый редактор, позволяющий быстро создать документ любой сложности из разрозненных заметок и довести до совершенства информационный бюллетень или брошюру.

Это уже общепризнанно - редактор Word фирмы Microsoft является сегодня самой популярной в мире программой. Word начинен «быстрыми «командами и самыми современными средствами, такими как встроенная программа проверки правописания и словарь синонимов, которые помогают вам грамотно составлять документы, и готовыми шаблонами, позволяющими вам сводить воедино заметки, письма, счета и брошюры без больших усилий.

Пользователю доступны разнообразные средства редактирования: изменение типа и стиля шрифта, выравнивание абзацев, установка межстрочных интервалов, выделение рамками, многоколонный текст, выделение абзацев, висячие отступы, авто нумерация и многое-многое другое. В текст можно вставлять таблицы, ячейки которых могут содержать как текст, так и числа. Встроенное средство построения диаграмм позволяет с легкостью выбирать любой из множества доступных типов графиков. Более того, в ячейки можно вставлять формулы, автоматически пересчитывающие результат при изменении параметров [8].

Текст может сопровождаться графикой, которую можно вставлять из уже существующих файлов в различных форматах или создавать, используя встроенный графический редактор. Если документ имеет большой размер, то для удобства работы с ним можно автоматически создавать оглавление или алфавитный указатель.

Большое внимание в Word для Windows уделено работе с письмами. Для любого письма можно автоматически создавать конверт, адрес для которого будет выбран из базы данных фактически любого формата. При необходимости отправить одно письмо по нескольким адресам, достаточно просто указать в базе данных соответствующие адреса, и они будут автоматически напечатаны на конвертах. Поддерживается режим динамической проверки орфографии. Каждое написанное вами слово будет проверяться немедленно, и если оно содержит ошибку - вы сразу заметите это по специальной маркировке, которой отмечается слово, написанное неправильно. Для того чтобы произвести коррекцию неверно написанного слова, достаточно будет щелкнуть по нему правой кнопкой мыши, и Вам будет предложен список возможных замен.

Пользователи также по достоинству оценят возможность автоматического форматирования текста. Сколько приходилось раньше тратить времени и сил на то, чтобы плоский текст, подготовленный в каком-нибудь простом текстовом редакторе, отформатировать с учетом используемых шрифтов, стилей и видов выделения. Теперь достаточно нажать только одну кнопку на панели инструментов, и через несколько секунд текст превратится в отлично отформатированный документ. В том случае, если в оригинальном тексте каждая строка заканчивалась символом переноса на новую строку, в автоматически отформатированном документе эти символы будут исключеныm [5].

EXCEL - производит с числами то же, что Word с существительными и глаголами. Каждый, кто работает с цифрами, почувствует себя в среде Excel как рыба в воде. Пользуйтесь программой Excel для составления бюджетов и финансовых отчетов, превращения сухих цифр в наглядные диаграммы и графики, проведения анализа типа “А что будет, если? “практически по любому вопросу, а также для сортировки длиннейших списков в считанные секунды.

С помощью электронных таблиц Excel можно впечатывать числа строку за строкой и столбец за столбцом, будучи вполне уверенным в том, что Excel правильно сложит, вычтет, умножит, разделит и вообще обойдется с ними как следует.

В Excel можно использовать более 400 математических, статистических, финансовых и других специализированных функций, связывать различные таблицы между собой, выбирать произвольные форматы представления данных, создавать иерархические структуры. Воистину безграничны методы графического представления данных: помимо нескольких десятков встроенных типов диаграмм, можно создавать свои, настраиваемые типы, помогающие наглядно отразить тематику диаграммы. Те, кто только осваивает работу с Excel, по достоинству оценят помощь «мастеров» - вспомогательных программ, помогающих при создании диаграмм. Они, как добрые волшебники, задавая наводящие вопросы о предполагаемых дальнейших шагах и показывая, в зависимости от намечаемого ответа, результат, проведут пользователя «за руку» по всем этапам построения диаграммы кратчайшим путем [16].

Использование механизма связи и внедрения объектов (OLE2) позволяет широко использовать дополнительные графические редакторы, редактор формул и многие другие утилиты, поддерживающие механизм OLE2. Особенностью данного механизма является то, что любой объект в документе (рисунок, видеоизображение, текст) можно редактировать непосредственно в основном документе, не прибегая к помощи дополнительных программ. Впечатляет и механизм динамического обмена данными между Excel и другими приложениями Windows. Допустим, что в Word для Windows готовится квартальный отчет. В качестве основы отчета используются данные в таблице Excel. Если обеспечить динамическую связь между таблицей Excel и документом Word, то в отчете будут всегда самые последние данные. Можно даже написать текст "рыбы" отчета, вставить в него связи с таблицами и, таким образом, значительно сократить время подготовки квартальных отчетов. Удобство работы с таблицей сказывается на Вашей производительности, поэтому в Excel таблицы и работа с ними организованы таким образом, чтобы обеспечить максимальные возможности при минимуме усилий со стороны пользователя. Все таблицы сразу объединены в рабочие книги. Доступ к нужной таблице осуществляется путем щелчка по корешку этой таблицы, на котором написано ее имя. Имя таблицы можно изменить в любой момент, причем не нужно ограничиваться принятыми для имен файлов соглашениями. Пользователи, несомненно, оценят возможность редактирования таблицы непосредственно в ячейке, что позволяет указать в ней одновременно различные шрифты и их стили.

Работа с таблицей не ограничивается простым занесением в нее данных и построением диаграмм. Трудно представить себе область, где бы не требовался анализ этих данных. В Excel включен мощный инструмент анализа - Сводная таблица. С её помощью можно анализировать широкоформатные таблицы, содержащие большое количество несистематизированных данных, и лишь несколькими щелчками кнопкой мыши приводить их в удобный и читаемый вид. Освоение этого инструмента упрощается наличием соответствующей программы-мастера.

Исследования показали, что более половины людей, часто использующих Microsoft Excel в своей деятельности, держат на рабочем столе обычный калькулятор! Причина оказалась проста: чтобы произвести операцию суммирования двух или более ячеек для получения промежуточного результата (а такую операцию, как показывает практика, большинству людей приходится выполнять довольно часто), необходимо выполнить два лишних действия. Найти место в текущей таблице, где будет располагаться итоговая сумма, и активизировать операцию суммирования, нажав кнопку S (сумма). И лишь после этого можно выбрать те ячейки, значения которых предполагается просуммировать [13].

Режим автоматической фильтрации позволяет быстро производить выборки из записей таблицы, просто указывая нужный механизм фильтрации. Новый диалог открытия и поиска документа предоставляет более удобный интерфейс, позволяющий осуществлять предварительный просмотр и фильтрацию документов по нескольким критериям: дате создания, длине файла и т.д.

ACCESS - представляет собой мощную программу управления данными, предназначенную главным образом для программистов. Access поставляется только в составе профессионального издания пакета Office.

Программы-помощники: · Программа Graph, позволяет ввести несколько чисел и быстро превратить их в график.

· Программа Organization Chart поможет создать штатное расписание вашей фирмы.

· Программа Equation Editor покажется довольно утомительной, если только вы не профессор математики.

· Программа WordArt поможет изменить почти до неузнаваемости форму букв или цифр, чтобы использовать их при создании привлекательных логотипов или заголовков.

· Программа ClipArt Gallery может просмотреть несколько сотен рисунков в поисках наилучшей иллюстрации для вашего информационного бюллетеня или презентации.

Система оперативной помощи: Пакет Office и его приложения изобилуют полезными подсказками и пошаговыми указаниями того, как выполнять ту или иную операцию.

Ш Талантливые Мастера (Wizards) проведут вас шаг за шагом к решению сложных задач.

Ш Карточки - шпаргалки (Cue Cards) предложат подробные указания, которые постоянно будут у вас перед глазами во время работы.

Ш Функция Просмотр (Preview) и Примеры (Demos) продемонстрируют выполнение сложных задач.

Ш Диспетчер Microsoft Office (MOM): МОМ позволяет запустить любую программу пакета Office. Если он вам очень понравится, можете даже использовать его для управления всей работы вашего ПК.

ГЛАВА II. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ В СРЕДЕ СИСТЕМЫ ПАСКАЛЬ

2.1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЯЗЫКА ПРОГРАММИРОВАНИЯ ПАСКАЛЬ

В основе того или иного языка программирования лежит некоторая руководящая идея, оказывающая существенное влияние на стиль соответствующих программ.

Исторически первой была идея структурирования программ, в соответствии с которой программист должен был решить, какие именно процедуры он будет использовать в своей программе, а затем выбрать наилучшие алгоритмы для реализации этих процедур. Появление этой идеи было следствием недостаточной изученности алгоритмической стороны вычислительных процессов, столь характерной для ранних программных разработок (сороковые -- пятидесятые годы). Типичным примером процедурно-ориентированного языка является Фортран - первый и всё ещё один из наиболее популярных языков программирования. Последовательное использование идеи процедурного структурирования программ привело к созданию обширных библиотек программирования, содержащих множество сравнительно небольших процедур, из которых, как из кирпичиков, можно строить «здание» программы.

По мере прогресса в области вычислительной математики акцент в программировании стал смещаться с процедур в сторону организации данных. Оказалось, что эффективная разработка сложных программ нуждается в действенных способах контроля правильности использования данных. Контроль должен осуществляться как на стадии компиляции, так и при прогоне программ, в противном случае, как показала практика, резко возрастают трудности создания крупных программных проектов. Отчётливое осознание этой проблемы привело к созданию Ангола-60, а позже Паскаля, Модулы-2, Си и множества других языков программирования, имеющих более или менее развитые структуры типов данных. Логическим следствием развития этого направления стал модульный подход к разработке программ, характеризующийся стремлением «спрятать» данные и процедуры внутри модуля.

Начиная с языка Симула-67, в программировании наметился новый подход, который получил название объектно-ориентированного программирования (в дальнейшем ООП). Его руководящая идея заключается в стремлении связать данные с обрабатывающими эти данные процедурами в единое целое - объект. Характерной чертой объектов является инкапсуляция (объединение) данных и алгоритмов их обработки, в результате чего и данные, и процедуры во многом теряют самостоятельное значение. Фактически ООП можно рассматривать как модульное программирование нового уровня, когда вместо во многом случайного, механического объединения процедур и данных акцент делается на их смысловую связь.

Какими мощными средствами располагает ООП наглядно демонстрирует библиотека Turbo Vision, входящая в комплект поставки Турбо Паскаля. В этой работе рассмотрены основные идеи ООП и способы их использования.

Следует заметить, что преимущества ООП в полной мере проявляются лишь при разработке достаточно сложных программ. Более того, инкапсуляция придаёт объектам совершенно новое свойство «самостоятельности», максимальной независимости от остальных частей программы. Правильно сконструированный объект располагает всеми необходимыми данными и процедурами их обработки, чтобы успешно реализовать требуемые от него действия. Попытки использовать ООП для программирования несложных алгоритмов, связанных, например, с расчетными вычислениями по готовым формулам, чаще всего выглядят искусственными нагромождениями ненужных языковых конструкций. Такие программы обычно не нуждаются в структуризации, расчленении алгоритма на ряд относительно независимых частей, их проще и естественнее разрабатывать традиционными способами Паскаля. При разработке сложных диалоговых программ программист вынужден структурировать программу, так как только в этом случае он может рассчитывать на успех: «критической массой» неструктурированных программ является объём в 1000-1200 строк исходного текста - отладка неструктурированных программ большего объёма обычно сталкивается с чрезмерными трудностями. Структурирование программы ведёт, фактически, к разработке собственной библиотеки программирования - вот в этот момент на помощь приходят новые средства ООП.

2.2. СИСТЕМА КОМАНД ЯЗЫКА ПАСКАЛЬ

Классический язык Pascal позволяет программисту определять свои собственные сложные типы данных -- записи (records). Object Pascal, поддерживая концепцию объектно-ориентированного программирования, дает возможность определять классы. Класс -- это сложная структура, включающая в себя помимо описания данных описание процедур и функций, которые могут

быть выполнены над представителем класса -- объектом.

Вот пример описания простого класса:

TTPerson=class

Private

fname: string [15] ;

f address: string [35] ;

public

procedure show;

end;

Данные класса называются полями, процедуры и функции -- методами. В приведенном примере TTPerson -- это имя класса, fname и faddress -- имена полей, show -- имя метода.

В программе описание класса помещают в раздел описания типов (type).

В программе представители класса -- объекты, объявляются в разделе var. Например, так:

var

student: TTPerson;

professor: TTPerson;

Следует обратить особое внимание на то, что в Object Pascal объект -- это динамическая структура. Переменная-объект содержит не данные, а ссылку на данные объекта. Поэтому программист должен позаботиться о выделении памяти для этих данных. Выделение памяти осуществляется при помощи специального метода класса -- конструктора, которому обычно присваивают имя create (создать). Чтобы подчеркнуть особую роль и поведение конструктора, в описании класса вместо слова procedure используется слово constructor. Ниже приведено описание класса TTPerson, в состав которого введен конструктор.

TTPerson = class

private

fname: string [ 15] ;

f address: string [35] ;

constructor create; // конструктор

public

procedure show; // метод

end;

Выделение памяти для данных объекта происходит присваиванием значения результата применения метода-конструктора к типу (классу) объекта. Например, после выполнения инструкции professor: =TTPerson.create; выделяется необходимая память для данных объекта professor. Помимо выделения памяти, конструктор, как правило, решает задачу присваивания полям объекта начальных значений, т. е. осуществляет инициализацию объекта. Ниже приведен пример реализации конструктора для объекта TTPerson.

constructor TTPerson.create;

begin

fname: = ' ' ;

faddress:=''' ;

end;

Реализация конструктора несколько необычна. Во-первых, в теле конструктора нет привычных инструкций New, обеспечивающих выделение динамической памяти (всю необходимую работу по выделению памяти выполняет компилятор). Во-вторых, формально, конструктор не возвращает значения, хотя в программе обращение к конструктору осуществляется как к методу-функции. После объявления и инициализации объект можно использовать, например, установить значение поля объекта. Доступ к полю объекта осуществляется указанием имени объекта и имени поля, которые отделяются друг от друга точкой. Хотя объект является ссылкой, однако

правило доступа к данным с помощью ссылки, согласно которому после имени переменной, являющейся ссылкой, надо ставить значок ^ на объекты не распространяется. Например, для доступа к полю fname объекта professor вместо professor^. Fname надо писать professor.fname Очевидно, что такой способ доступа к полям объекта более естественен. Если в программе некоторый объект больше не используется, то можно освободить память,

занимаемую полями этого объекта. Для выполнения этого действия используют метод-деструктор free. Например, чтобы освободить память занимаемую полями объекта professor, достаточно записать professor.free; Метод Методы класса (процедуры и функции, объявление которых включено в описание класса) выполняют действия над объектами класса. Чтобы метод был выполнен, надо указать имя объекта и имя метода, отделив одно имя от другого точкой. Например, инструкция professor.Show; вызывает применение метода show к объекту professor. Фактически инструкция применения метода к объекту -- это специфический способ записи инструкции вызова процедуры. В программе методы класса определяются точно так же, как обычные процедуры и функции, за исключением того, что имя процедуры или функции, являющейся методом, состоит из двух частей: имени класса, к которому принадлежит метод, и имени метода. Имя класса от имени метода отделяется точкой. Ниже приведен пример определения метода show приведенного выше класса TTPerson.// метод show класса TTPerson

procedure TTPerson. show;

begin

ShowMessage('Имя:'+fname+#13+'Адрес: '+faddress) ;

end;

Следует обратить внимание на то, что в инструкциях метода доступ к полям объекта осуществляется без указания имени объекта. Инкапсуляция и свойства объекта Под инкапсуляцией понимается скрытие полей объекта с целью обеспечения доступа к ним только посредством методов класса. В Object Pascal ограничение доступа к полям объекта реализуется при помощи свойств объекта. Свойство объекта характеризуется полем, хранящем значение свойства, и двумя методами, обеспечивающими доступ к полю свойства. Метод установки значения свойства называется методом записи свойства (write), метод получения значения свойства называется методом чтения свойства (read).

В описании класса перед именем свойства записывают слово property (свойство). После имени свойства указывается его тип, затем имена методов, обеспечивающих доступ к значению свойства. После слова read указывается имя метода, обеспечивающего чтение свойства, после слова write -- записи свойства имя метода. Ниже приведен пример описания класса TTPerson, содержащего два свойства: Name и Address.

type

TName=string[15] ;

TAddress=string[35] ;

TTPerson = class

Private

FName:Tname; // значение св-ва Name

Faddress:TAdress; // значение св-ва Address

Constructor Create (Name :Tname) ;

Procedure Show;

Function GetName:TName;

Function GetAddress:TAddress;

Procedure SetAddress (NewAddress: TAddress ) ;

Public

Property Name: Tname

read GetName;

Property Address: Taddress

read GetAddress

write SetAddress;

end;

2.3. ЗАДАЧИ ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ, РЕШАЕМЫЕ ПОСРЕДСТВОМ ЯЗЫКА ПРОГРАММИРОВАНИЯ ПАСКАЛЬ

Скорости точек плоской фигуры.

Скорости точек плоской фигуры могут быть определены аналитическими, графическими или же графоаналитическими методами.

Аналитический метод. При аналитическом методе должны быть заданы уравнения движения плоской фигуры (рис.1)

Хo₁=f ₁(t) , Yо₁ =f ₂(t) , ц = f₃ (t). (1*)

Проекции скорости точки М на неподвижные оси координат определяется равенствами:

V_x=Vо₁Х-W _z(Y-Yo₁) (2*)

V_y=Vо₁Y + W_z (Х-Хo₁) (3*)

В этих формулах V_x , V_y - искомые проекции скорости точки М на неподвижные оси координат;

Vо₁x = Хo₁ , Vо₁y = Yo₁ - проекции скорости полюса, начала подвижной системы координат Х Y на неподвижные оси координат;

W_z =ц -проекция угловой скорости на ось Z , перпендикулярную к плоскости движения;

Х и У координаты точки М в неподвижной системе координат;

Хо₁ ,Yо₁ - координаты полюса О₁ в неподвижной системе осей. Определение координат Х ,Y точки М, по заданным уравнениям движения плоской фигуры (1*) производится по формулам:

Х=Хо₁+Х₁ cosц - Y₁sin ц

Y= Yо₁+ Х₁ sin ц +Y₁ cos ц

Проекции скорости точки М на неподвижные оси координат находятся по формулам:

Vx₁ =Vo₁ x cos ц + Vo₁ у sin ц - Wzy₁ (4*)

Vу ₁= -Vo₁ x sin ц + Vo₁ у сos ц - Wz х₁ (5*)

В этих формулах Vx , Vу - искомые проекции скорости точки М на оси х, у подвижной системы координат, жестко связанной с плоской фигурой; х и у - координаты точки М в подвижной системе осей, остальные величины имеют то же значение, что и в уравнениях (2*), (3*).

Величины скорости точки М по известным проекциям определяются формулой:

V= vVx ²+ Vу² =v Vx₁² + Vу₁² (6*)

Направляющие косинусы даются равенствами:

cos (V,X)= Vx/V , cos (V,У)= Vy/V (7*)

cos (V,X)= Vx/V , cos (V,У)= Vy/V (8*)

Графоаналитические методы. Первый графоаналитический способ определения скоростей точек плоской фигуры основан на формуле распределения скоростей (рис.1).

V=Vo₁+W r , (9*)

В этой формуле V - искомая скорости точки М;

Vo₁ - скорость полюса О,

W - угловая скорость плоской фигуры;

r - радиус -вектор, проведенный из полюса О в Рис. 1 точку М. Таким образом, зная скорость какой-либо точки плоской фигуры, выбираем эту точку за полюс. Далее откладываем от точки М, скорость которой подлежит определению, вектор, равный скорости полюса, и вектор W r₁, направлен перпендикулярно к r₁, и равный по величине W r₁.Векторная сумма этих слагаемых и дает искомую скорость точки М, Если скорость точки М известна по направлению, то можно не знать величины вращательной скорости W r₁, так как и эта скорость, и искомая скорость точки М определяется пересечением прямой, совпадающей с направлением скорости точки М, и прямой, перпендикулярной к линии О М, проведенной из конца вектора Vо, отложенного из точки М. После того, как треугольник или параллелограмм скоростей выражающий равенство (9*), построен, задача может считаться решенной. Величина и направление скорости точки М могут быть найдены по рис.(2) или получены из решения этого треугольника.

Формула распределения скоростей (9*)записывается часто в виде:

V_b=V_a+V_ba (9**)

где V - искомая скорость точки В, V_a-известная скорость точки А, избранной за полюс, а

V_ba= W АВ, V_ba = W AB, (9***)

- вращательная скорость точки В вокруг точки А, равная по модулю, произведению мгновенной угловой скорости плоской фигуры на расстояние от точки до полюса и направленная перпендикулярно к отрезку прямой ВА в сторону мгновенного вращения фигуры.

Многие задачи могут быть решены при помощи теоремы о равенстве проекции скоростей концов отрезка плоской фигуры на направление отрезка (рис.1). Второй графоаналитический метод определения скоростей плоской фигуры основан на использовании мгновенного центра скоростей этой фигуры. При не поступательном движении плоской фигуры (W=0) в каждый данный момент существует точка тела, скорость которой равна нулю. Эта точка называется мгновенным центром скоростей и обычно обозначается через P. Единственным исключением является случай так называемого мгновенно поступательного движения (W=0), который будет рассмотрен отдельно. Выбирая мгновенный центр за полюс, имеем закон распределения скоростей в плоской фигуре.

V=W r ₁, V=W М Р , (10*)

где V-искомая, скорость произвольной точки М; W-угловая скорость плоской фигуры, r₁-радиус-вектор, проведенный из мгновенного центра скоростей в точку М, называемый мгновенным радиусом. Таким образом, скорости всех точек плоской фигуры являются в данный момент вращательными скоростями вокруг мгновенного центра скоростей. Их величина равна произведению величин угловой скорости на модуль мгновенного радиуса, а направлены они перпендикулярно к мгновенному радиусу. Таким образом, величина скоростей точки плоской фигуры пропорциональны величине мгновенных радиусов:

V_b/ВР=V_a/АР=...=W, (11*)

Методы нахождения положения мгновенного центра скоростей:

а) известны скорость одной точки О и угловая скорость плоской фигуры (рис.2); мгновенный центр скоростей находящихся на перпендикуляре, восставленном к скорости точки О, на расстоянии

ОР = Vo / W , (12*)

направление перпендикуляра находим, поворачивая Vo на угол р/2 в сторону вращения;

б) известны направления скорости двух точек плоской фигуры А и В (рис.4); мгновенный центр скорости находящейся в точке пересечения перпендикуляров, восставленных в точке А и В к скоростям этих точек;

в) скорости двух точек А и В плоской фигуры параллельны друг другу, перпендикулярны к отрезку АВ, направлены в одну сторону и не равны; мгновенный центр, находящийся на продолжении АВ со стороны той точки, чья скорость меньше; расстояния от точки до мгновенного центра скоростей пропорциональны скоростям точек; для определения мгновенного центра скоростей необходимо знать не только направления, но и величины скоростей точек А и В (рис. 4).

г) скорости двух точек А и В плоской фигуры параллельны друг другу, перпендикулярны к отрезку АВ и направлены в разные стороны;

Аналитический метод определения скоростей целесообразно применять, если известны по условию или могут быть без особых затруднений составлены уравнения движения плоской фигуры (1*).

Аналитический метод позволяет найти скорость точки плоской фигуры как функцию времени. Однако получить такое решение в обозримом виде не всегда возможно.

При аналитическом методе решение задач рекомендуется вести в следующем порядке:

1) выбрать неподвижную и подвижную системы координат; начало подвижной системы осей взять в такой точке, уравнения движения которой известны или могут быть составлены без особых затруднений;

2) составить уравнения движения плоской фигуры: два уравнения движения полюса и уравнение вращения фигуры вокруг полюса;

3) пользуясь уравнениями движения плоской фигуры, получить уравнения точки, скорость которой требуется найти;

4) определить проекции скорости на неподвижные или подвижные оси координат и найти величину и направление искомой скорости.

Графоаналитические способы нахождения скоростей точек плоской фигуры целесообразно применять в тех случаях, когда требуется найти скорости различных точек плоской фигуры в данный момент времени при определенном положении плоской фигуры.

Решение задач при помощи мгновенного центра скоростей при этом эффективнее других графоаналитических методов, если требуется определить скорости нескольких точек, причем вычисления мгновенных радиусов может быть произведено без сложных выкладок. Если же согласно условию задачи необходимо найти скорость, какой либо одной точки плоской фигуры, то обычно быстрее к цели ведет применение теоремы о распределении скоростей или теоремы о равенстве проекции скоростей концов отрезка плоской фигуры на направление самого отрезка.

При графоаналитических методах решения задач рекомендуется такая последовательность действий:

1) выбрать за полюс ту точку плоской фигуры, направление скорости которой известно;

2) найти другую точку плоской фигуры, направление скорости которой известно;

3) пользуясь формулой распределения скоростей, найти скорость этой точки плоской фигуры;

4) исходя из формулы распределения скоростей определить значение угловой скорости плоской фигуры в данный момент времени;

5) зная угловую скорость фигуры и скорость полюса, найти с помощью формулы распределения скоростей искомые скорости других точек фигуры.

При графоаналитическом методе решения задач может быть применен метод проекции. В этом случае может быть рекомендован следующий порядок решения задач:

1. Выбрать за полюс точку плоской фигуры, скорость которой известна;

2. Пользуясь формулой распределения скоростей, построить скорость другой точки плоской фигуры, у которой известно направление ее скорости;

3. Спроектировать полученный треугольник скоростей на направление прямой, соединяющей обе точки, и найти скорость второй точки;

4. Спроектировать треугольник скоростей на направление, перпендикулярное к прямой, соединяющей обе точки, и найти вращательную скорость второй точки по отношению к полюсу;

5. Разделив вращательную скорость на расстояние от точки до полюса, найти мгновенную угловую скорость плоской фигуры;

6. Зная мгновенную угловую скорость фигуры, можно найти скорости любых точек плоской фигуры, пользуясь формулой распределения скоростей.

Если задача решается при помощи мгновенного центра скоростей, рекомендуется такая последовательность:

1) определить положение мгновенного центра плоской фигуры;

2) найти величину мгновенного радиуса той точки плоской фигуры, скорость которой известна и определить угловую скорость плоской фигуры, разделив величину скорости точки на величину мгновенного радиуса;

Теперь рассмотрим конкретную задачу по кинематике.

Задача №1:

Шарнирный четырехзвенник (рис. а) состоит из неподвижного звена АВ=l, кривошипов AD=a, BE = b и стержня DE=d, соединенных шарнирно. Кривошип BE вращается с постоянной угловой скоростью w. При этом точка D движется по дуге окружности между двумя крайними положениями (рис. в и г). Определить углы, которые образуют кривошипы
с прямой АВ в крайних положениях. Найти угловую скорость кривошипа AD.

Решение:

В первом положении углы ц₀₁ и б₀₁ определяются из уравнений (см. рис. в):

(d+b) cosj₀₁ = -- a cos б₀₁ + l

(а+b) sin ц₀₁ = -- a sin б₀₁

которые получаются проектированием сторон треугольника АВD на горизонталь и вертикаль. Из этих уравнений находим:

cosj_о1 =((d+b)² - a²+ l²)/ (2 l (d+b));

cos a_{_1} = ((d+b)² - a² - l²)/ (2 la);

Во втором положении углы Јp₀₂ и a₀₂ определяются аналогично из системы уравнении (см. рис. г):

-- (d -- b) cos j₀₂ =l - a cosa--₀₂

-- (d -- b) sin j₀₂ = a sin a₀₂,

Переходим, далее, к определению угловой скорости кривошипа AD

Рис. 5.Шарнирный четырехзвенник.

(рис. б). Проведем прямую АЕ, обозначив ее длину через к. Прямая АЕ делит угол a на составляющие

--------------a=a₁ + a₂

Эта же прямая образует угол b₁ с кривошипом BE и угол b₂ , со звеном DE. Обозначим через g угол ADE и буквой d угол между направлением скорости точки Е и продолжением прямой DE.

Тогда скорости точек D и Е будут:

V_D = W₁ a,

V_E = W b

где w ₁ -- искомая угловая скорость кривошипа AD. Спроектируем скорости точек D и Е на направление прямой DE и приравниваем эти проекции

w₁ а sin g = wb cos d,

откуда искомая угловая скорость будет:

w₁ =(b cos d /a sin g ) w , (1)