Bernoulli Effekt und die magnetische Speicherung von Daten

Die Speicherung von Daten auf magnetische Weise ist älter als der Personal Computer. Der PC gilt ja für die meisten von uns als Inbegriff des Computers, auch wenn dessen Vorgänger (Grosscomputer) und des Nachfolger (Handy) ebenfalls als Computer angesehen werden müssen.

Daten magnetisch zu speichern ist uns von Tonbandgeräten und Kassettenrecordern schon länger wohlbekannt. Bei diesen Geräten wird ein magnetisch beschichteter Plastikstreifen über einen Schreibkopf gezogen, wobei ein mechanischer Kontakt vorhanden ist. Der Schreibkopf ist ein kleiner Elektromagnet, also eine Spule mit Ringkern, die diesen mehr oder weniger magnetisch werden lässt. Ist er stark magnetisch, so wird auch das Material der Streifen stark magnetisiert, wenn nicht, so bleibt der Streifen weniger oder gar nicht magnetisch. Das Grossartige daran ist, dass der Schreibkopf auch als Lesekopf genutzt werden kann. Dann fliesst ein Strom im Lesekopf, wenn  ein magnetisierter Bereich des  Bandes über ihn fährt. Das Prinzip war auch schon lange vorher bekannt: Elektromotor und Stromgenerator sind ja eigentlich dasselbe Gerät, nur jeweils in der anderen Richtung betrieben.

Bei den ersten PCs griff man anfangs auf diese Technik der Aufzeichnung von Informationen zurück. So waren diese zunächst mit ganz gewöhnlichen Kassettenrecordern ausgerüstet, wie man sie bei unseren PET u.a.m. in unserem Museum sehen kann.

Es gab aber einen entscheidenden Unterschied: Während bei der Aufzeichnung von Musik eine analoge Technik verwendet wurde (die Magnetisierung erfolgt analog zu den Frequenzen und Amplituden der Töne) wurde (und wird noch heute) die Aufzeichnung von Daten digital vorgenommen, also in einer Folge von Nullen und Einsen. Diese waren vorher bei den Lochkarten Loch oder Nichtloch, oder später bei der  Diode ein/aus, oder wie man schön bei unserem Kügelispiel sehen kann, Weiche nach links oder nach rechts. Beim Magnetband des Kassettenrecorders beim PC wurde nun die Polarisierung der Magnetisierung des Streifens entsprechend als Null und Eins interpretiert.

Kassettenrecorder sind brauchbar für Musikstücke. Für die Anwendung beim PC stören zwei Effekte: Sie sind sehr langsam und sie sind eindimensional. Das kann man gut bei unserem alten HP 9830A Rechner sehen, bei dem erst einmal das Band der Kassette zurückgespult (rewind) werden muss, ehe das Programm geladen werden kann.

Da war die Floppy Disk ein gewaltiger Entwicklungssprung, denn diese ist zweidimensional und auf jeden Punkt der Diskettenfläche kann unmittelbar zugegriffen werden.

An dieser Stelle muss noch ein Zwischenschritt erwähnt werden, denn es gab bei den ersten Floppy Disketten zwei Varianten.

Als nämlich die 3,5-Zoll-Diskette und das Laufwerk von Sony eingeführt wurden, existierte bereits eine alternative 3-Zoll-Diskette und ein Laufwerk, wie sie von anderen Herstellern wie Amstrad/Schneider produziert wurden. Diese waren noch nicht echt zweidimensional, sondern folgten ähnlich wie bei einer Schallplatte einer vorgegeben Spiralspur

Eine Zeit lang waren beide Varianten im Spiel. Und tatsächlich, vor Atari ST/Amiga/PC waren diese 3“ Disketten wahrscheinlich das gängigste Format, besonders in Großbritannien (und in der BRD als Schneider Computer bzw. Robotron in der DDR). Zu erwähnen wäre auch das Famicom Disk System in Japan, ebenfalls 3“ -  in spezieller „Verpackung“ und recht preisgünstig. Bis dann das 3,5-Zoll-Schema von Sony gewann.

Dies ist vollständig nachvollziehbar. Die Verfolgung der Spur ist kritisch, wie wir in unserem Museum bei den Schneider Disketten immer wieder sehen, wenn die Antriebsgummis ausleiern. Deshalb haben wir schon früh angefangen, die Daten von diesen Disketten auf 3.25“ Disketten zu übertragen.

Was aber immer noch ein Problem ist, das ist der Verschleiss der magnetischen Oberfläche.

Der nächste Entwicklungsschritt war der schwebende Schreib/Lesekopf, wie er in den modernen Festplatten (HDD Hard Disk Drive) verwendet wird. Die magnetische Platte dreht sich mit sehr hoher Geschwindigkeit. Typisch sind 7200 UpM, was dem Rand bei einer kleinen Festplatte eine Bahngeschwindigkeit ca. 150 km/h bewirkt. Nach dem Bernoulli Effekt bildet sich dabei ein Luftpolster unter dem sog. Slider und hält damit den S/L-Kopf in einem konstanten Abstand von einigen Nanometern. Der Effekt ist vergleichbar mit dem Auftrieb der Tragflächen bei einem Flugzeug. Eine  Abstandsregelung etwa mit einem Schrittmotor ist nicht nötig.

Aber auch diese Technik wird allmählich durch die neuen SSD (Solid State Disk) verdrängt, die ähnlich funktionieren wie die schon lange verwendeten internen Speicher  (RAM) und bei denen die aufwändige Drehung der Platte, die Bewegung des S/L-Kopf und die Empfindlichkeit auf Verschmutzung hinfällig wird.

Die ersten dieser zuvor beschriebenen HDDs wurden Bernoulli Laufwerke genannt, wegen des zum Einsatz kommenden Effekts, erstmals beschrieben vor fast 300 Jahren von dem Basler Physiker Bernoulli. Wir haben eine solche Platte  jetzt in unserem Besitz und Franz hat sie dankenswerter Weise zum Laufen gebracht. Das hat mich zu diesem Aufsatz animiert.

Franz hat darüber hinaus eine konventionelle Harddisk geöffnet, auf welcher man beobachten kann, wie sich der Lesekopf superschnell über die Oberfläche der Platte bewegt. Und gleichzeitig sieht man, wie ein Muster von kleinen Rauten über den zugehörigen Bildschirm läuft. Die Daten für die Rautenpositionen werden auf der HD gelesen und man kann sehr schön erkennen, wie die Bewegung des Lesekopfes synchron mit der Bewegung der Rauten auf abläuft -  mit bemerkenswerter Geschwindigkeit. Die folgenden Videos sollen dies dokumentieren.

HD Lesekopf und Bildschirmanzeige1

HD Lesekopf und Bildschirmanzeige2

Je schneller sich der Lesekopf bewegt, desto grösser ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Bildpunkte (die kleinen Rauten) über den Bildschirm bewegen. 

Die offene HD ist eigentlich sehr empfindlich gegen Staubteilchen. Franz sagte, es nähme ihn Wunder, wie lange es noch dauert, bis die HD dann stirbt. 

Eigentlich gibt es bei der sich drehenden Scheibe wegen des Bernoulli Effekts eine gewisse Schutzwirkung, denn Staubteilchen sind 1000 mal grösser als der Abstand zwischen Lesekopf und Platte. Kritischer ist, dass Teilchen im Stillstand dazwischen geraten könnten. Warten wir also ab. Wir haben ja noch viele unbenutzte HDs. 

Das alte Bernoulli Laufwerk selbst wird bald in unser Ausstellung zu sehen sein und ausführlich unter Maschinenportraits beschrieben werden. Hier ein erster Erfahrungsbericht von Franz.

Bernoulli Box

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