В век компьютерных технологий большинство расчетов при проектировании техники полностью автоматизировано, инженерам остается лишь ввести через удобный интерфейс требуемые параметры.
XX столетие называли по-разному. Оно было и атомным, и космическим, и информационным. Авиаконструкторы совершенствовали самолеты, и они превращались из неуклюжих бипланов в стремительные сверхзвуковые МиГи, «Миражи» и «Фантомы». Гигантские авианосцы и подводные лодки стали бороздить моря и океаны на всех широтах. В Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико) испытывали а в подмосковном Обнинске начала давать энергию первая АЭС. Взмывали ввысь ракеты…
Как рассчитывали ракеты и
Исторические хроники демонстрируют процесс работы над этими достижениями. Ученые и инженеры в белых халатах, стоя у кульманов и сидя за заваленными чертежами столами, производят сложнейшие технические и научные расчеты на арифмометрах. Порой в руках у Туполева, Курчатова или Теллера вдруг оказывалась вещь, незнакомая современному молодому человеку - логарифмическая линейка. Фото тех, чья молодость прошла в послевоенные десятилетия, вплоть до 80-х годов, также зафиксировали этот немудреный предмет, успешно заменявший им калькулятор во время учебы в институте или аспирантуре. Да и диссертации тоже считали на ней, на родненькой.
По какому принципу устроена линейка логарифмическая?
Главный принцип работы этого деревянного предмета, аккуратно оклеенного целлулоидными белыми шкалами, основан на логарифмическом исчислении, как это и следует из названия. Точнее, на Ведь каждый, кто учил знает, что их сумма равна логарифму произведения, а, следовательно, правильно нанеся деления на подвижные части, можно добиться того, что умножение (а значит, и деление), возведение в квадрат (и извлечение корня) станут делом несложным.
Линейка логарифмическая стала популярной еще в XIX веке, когда главным средством для проведения вычислений были обычные счеты. Это изобретение - настоящая находка для тогдашних ученых и инженеров. Не сразу все они разобрались в том, как пользоваться этим устройством. Чтобы научиться всем премудростям и выявить ее возможности в полной мере, поклонники нового счетного механизма должны были прочесть специальные пособия, достаточно объемные. Но дело того стоило.
Линейки бывают разные, даже круглые
Тем не менее, главное достоинство, которым обладает линейка логарифмическая - ее простота, а следовательно, надежность. По сравнению с другими способами расчетов (пока не было калькуляторов), операции выполнялись куда быстрее. Но есть и моменты, о которых не следует забывать. Производить вычисления можно лишь с мантиссами, то есть целой (до девяти) и дробной частью числа, с точностью до двух (трех, у кого очень хорошее зрение) десятичных знаков. Порядок цифры нужно было держать в голове. Был и еще один недостаток. Линейка логарифмическая хоть и небольшая, но и карманным устройством ее назвать трудно - 30 сантиметров все-таки.
Однако размеры не стали преградой для пытливых умов. Для тех, кто по роду деятельности должен иметь счетное приспособление всегда при себе, была изобретена компактная линейка логарифмическая. Круговая шкала со стрелками придавала ей сходство с часами, и некоторые модели дорогих хронометров содержали ее на своем циферблате. Конечно, возможности этого устройства и его точность несколько уступали соответствующим параметрам классической линейки, но зато его всегда можно было носить в кармане. Да и выглядело оно более эстетично!
На уроках информатики, изучая тему «История вычислительной техники», упоминается устройство логарифмическая линейка. Что это такое? Как она выглядит? Как ей пользоваться? Рассмотрим историю создания данного устройства и принцип работы.
— это счетный прибор, применявшийся до появления калькуляторов и персональных компьютеров. Это было достаточно универсальное устройство, на котором можно было умножать, делить, возводить в квадрат и куб, вычислять квадратные и кубические корни, синусы, тангенсы и другие значения. Выполнялись эти математические операции с достаточно большой точностью - до 3–4 знаков после запятой.
История логарифмической линейки
В 1622 году Уильям Отред (William Oughtred 5 марта 1575-30 июня 1660) создает, пожалуй, один из самых успешных аналоговых вычислительных механизмов - логарифмическую линейку. Отред является одним из создателей современной математической символики - автор нескольких стандартных в современной математике обозначений и знаков операций:
- Знак умножения - косой крестик: ×
- Знак деления - косая черта: /
- Символ параллельности: ||
- Краткие обозначения функций sin и cos (раньше писали полностью: Sinus, Cosinus)
- Термин «кубическое уравнение».
«Все его мысли были сосредоточены на математике, и он все время размышлял или чертил линии и фигуры на земле… Его дом был полон юных джентльменов, которые приезжали отовсюду, чтобы поучиться у него» .
Неизвестный современник Отреда
Отред внёс решающий вклад в изобретение удобной для пользования логарифмической линейки тем, что предложил использовать две одинаковые шкалы, скользящие одна вдоль другой. Саму идею логарифмической шкалы ранее опубликовал валлиец Эдмунд Гюнтер, но для выполнения вычислений эту шкалу нужно было тщательно измерять двумя циркулями.
Гюнтер ввел также общепринятое теперь обозначение log и термины косинус и котангенс. В 1620 году вышла книга Гюнтера, где дано описание его логарифмической шкалы, а также помещены таблицы логарифмов, синусов и котангенсов. Что же касается самого логарифма, то его изобрел, как известно, шотландец Джон Непер. Видя недоумение Форстера, высоко ценившего данное изобретение, Отред показал своему ученику два изготовленных им вычислительных инструмента - две логарифмические линейки.
Логарифмическая шкала Гюнтера являлась прародителем логарифмической линейки и подвергалась многократным доработкам. Так в 1624 году Эдмунд Уингейт издал книгу, в которой описал модификацию шкалы Гюнтера, позволяющую легко возводить числа в квадрат и в куб, а также извлекать квадратные и кубические корни.
Дальнейшие усовершенствования привели к созданию логарифмической линейки, однако, авторство этого изобретения оспаривают два ученых Уильям Отред и Ричард Деламейн.
Первая линейка Отреда имела две логарифмические шкалы, одна из которых могла смещаться относительно другой, неподвижной. Второй инструмент представлял собой кольцо, внутри которого вращался на оси круг. На круге (снаружи) и внутри кольца были изображены “свернутые в окружность” логарифмические шкалы. Обе линейки позволяли обходиться без циркулей.
В 1632 году в Лондоне вышла книга Отреда и Форстера “Круги пропорций” с описанием круговой логарифмической линейки (уже иной конструкции), а описание прямоугольной логарифмической линейки Отреда дано в книге Форстера “Дополнение к использованию инструмента, называемого “Кругами пропорций”, вышедшей в следующем году.
Линейка Ричарда Деламейна (который был в свое время ассистентом Отреда), описанная им в брошюре “Граммелогия, или Математическое кольцо”, появившейся в 1630 году, тоже представляла собой кольцо, внутри которого вращался круг. Потом эта брошюра с изменениями и дополнениями издавалась еще несколько раз. Деламейн описал несколько вариантов таких линеек (содержащих до 13 шкал). В специальном углублении Деламейн поместил плоский указатель, способный двигаться вдоль радиуса, что облегчало использование линейки. Предлагались и другие конструкции. Деламейн не только представил описания линеек, но и дал методику градуировки, предложил способы проверки точности и привел примеры использования своих устройств.
А в 1654 году англичанин Роберт Биссакер предложил конструкцию прямоугольной логарифмической линейки, общий вид которой сохранился до нашего времени…
В 1850 году девятнадцатилетний французский офицер Амедей Маннхейм создал прямоугольную логарифмическую линейку, ставшую прообразом современных линеек и обеспечивающую точность до трех десятичных знаков. Этот инструмент он описал в книге «Модифицированная вычислительная линейка», изданной в 1851 году. В течение 20-30 лет эта модель выпускалась только во Франции, а затем ее стали изготавливать в Англии, Германии и США. Вскоре линейка Маннхейма завоевала популярность во всем мире.
Логарифмическая линейка долгие годы оставалась самым массовым и доступным прибором индивидуального вычисления, несмотря на бурное развитие вычислительных машин. Естественно, она обладала небольшой точностью и скоростью решения по сравнению с вычислительными машинами, однако, на практике большинство исходных данных были не точные, а приближенные величины, определенные с той или иной степенью точности. А, как известно, результаты вычислений с приближенными числами будут всегда приближенные. Этот факт и высокая стоимость вычислительной техники позволили Логарифмической линейке просуществовать практически до конца 20 столетия.
Сложение
2 + 4 = 6
Вычитание
8 – 3 = 5
Умножение
a ∙ b = с при a = 2 , b = 3
Логарифмируя обе части равенства, имеем: Lg (a ) + lg (b )= lg (с ) .
Взяв две линейки с логарифмическими шкалами, видим, что сложение значений lg 2 и lg 3 дает в результате lg 6 , то есть произведение 2 на 3 .
На основной шкале корпуса линейки (вторая снизу) выбирается первый сомножитель и на него устанавливается начало основной, нижней, шкалы движка (она на лицевой стороне последнего и точно такая же, как основная шкала корпуса).
На основной шкале движка волосок бегунка устанавливается на втором сомножителе.
Ответ находится на основной шкале корпуса линейки под волоском. Если при этом волосок выходит за пределы шкалы, то на первый сомножитель устанавливают не начало, а конец движка (с числом 10).
Деление
a / b = с при a = 8 , b = 4
Логарифмируя обе части равенства, получим: Lg (a ) – lg (b ) = lg (с ) .
Разность логарифмов делимого и делителя дает логарифм частного, в нашем случае - 2 .
На основной шкале корпуса линейки выбирается делимое, на которое устанавливается волосок бегунка.
Под волосок подводится делитель, найденный на основной шкале движка. Результат определяется на основной шкале корпуса напротив начала или конца движка.
Возведение в степень и извлечение корня
Шкала квадратов чисел - вторая сверху, кубов - первая сверху.
Волосок устанавливается на возводимом числе на основной шкале корпуса, а под волоском на соответствующей шкале считывается результат.
При извлечении квадратного и кубического корней, наоборот, результат находится на основной шкале.
Перенос при расчетах с запятой
Если, например, один из сомножителей равен 126 , то на линейке используется значение 1,26 , а найденное произведение увеличивается в 100 раз. При возведении в куб числа 0,375 результат, найденный для числа 3,75 , уменьшается в 1000 раз и т.п.
Логарифмическая линейка или счётная линейка - вычислительное устройство, позволяющее выполнять несколько математических операций, в том числе умножение и деление чисел, возведение в степень (чаще всего в квадрат и куб) и вычисление квадратных и кубических корней, вычисление логарифмов, потенцирование, вычисление тригонометрических и гиперболических функций и другие операции. Также, если разбить вычисление на три действия, то с помощью логарифмической линейки можно возводить числа в любую действительную степень и извлекать корень любой действительной степени.
Не пугайтесь! Вам не нужно ежедневно вычислять основания и логарифмы, косинусы и арктангенсы. В большинстве случаев логарифмические линейки, встроенные в часы, не оснащены шкалами для вычисления значений тригонометрических функций.
Ряд наручных часов оснащены вычислительными линейками, функции которых приближены к повседневной жизни.
Кстати, первым придумал поместить логарифмическую школу в часы Марк Карсон - руководитель теоретического отдела в ядерном центре, США.
Итак, часы Citizen Promaster Sky – уже по обозначениям на отградуированной шкале понятно, что они прекрасно приспособлены для расчета расхода топлива при автомобильных поездках или путешествиях на моторном катере.
Начнем с самого простого. Круговая логарифмическая линейка состоит из линейки на безеле и линейки на циферблате. Поворачивайте безель до совмещения значения на линейке безеля с нужной отметкой на циферблате.
Для того, чтобы поделить 150 на 3, следует число 15 (=150) на внешней шкале установить против числа 30 (3) на внутренней шкале. Результат отсчитывается на внутренней шкале напротив "10" и равен 50.
В интернете можно найти пример Тройного правила , или расчета скорости снижения с помощью круговой вычислительной линейки на часах.
Летчик в планере, находящийся на высоте 3300 метров, определяет, что он теряет высоту со скоростью одного метра в секунду, т.е. 60 м в минуту. Сколько у него остается времени до конца полета? Для того, чтобы знать ответ, следует установить число 33 (=3300) на внешней шкале против числа 60 на внутренней шкале. Результат находится против знака "10" на внутренней шкале и составляет 55 минут.
Но оставим в покое авиационные задачи и применим это правило для расчета в более близкой сфере. На какое расстояние вам хватит 40 литров бензина при расходе топлива 8 литров на 100 километров? Устанавливаем число 40 напротив числа 8. Получаем 50, с учетом масштаба 1 к 10 – на 500 км.
На различных часах есть множество обозначений, облегчающих пересчет мер длины.
STAT означает английскую милю, NAUT - морскую милю, M – американскую милю, а на часах Citizen Promaster Sky - KM – что и в латинской, и русской транслитерации обозначает километры.
Изобретатель
: Уильям Отред и Ричард Деламейн
Страна
: Англия
Время изобретения
: 1630 г.
Изобретателями первых логарифмических являются англичане - математик и педагог Уильям Отред (William Oughtred)и учитель математики Ричард Деламейн (Richard Delamaine).
Сын священника, Уильям Отред учился сначала в Итоне, а затем в Кембриджском королевском колледже, специализировался в области математики. В 1595 году Отред получил первую ученую степень и вошел в совет колледжа. Ему было тогда чуть больше 20 лет. Позже Отред стал совмещать занятия математикой с изучением богословия и в 1603 году стал священником. Вскоре он получил приход в Олбьюри, близ Лондона, где и прожил большую часть жизни. Однако настоящим призванием этого человека являлось преподавание математики.
Летом 1630 года у Отреда гостил его ученик и друг, лондонский учитель математики Уильям Форстер. Коллеги разговаривали о математи
ке и, как бы сказали сегодня, о методике ее преподавания. В одной из бесед Отред критически отозвался о шкале Гюнтера, отметив, что манипулирование двумя отнимает много времени и дает низкую точность.
Валлиец Эдмунд Гюнтер построил логарифмическую шкалу, которая использовалась вместе с двумя циркулями-измерителями. Шкала Гюнтера представляла собой отрезок с делениями, соответствующими логарифмам чисел или тригонометрических величин. С помощью циркулей-измерителей определяли сумму или разность длин отрезков шкалы, что в соответствии со свойствами логарифмов позволяло находить произведение или частное.
Гюнтер ввел также общепринятое теперь обозначение log и термины косинус и котангенс.
Первая ли
нейка Отреда имела две логарифмические шкалы, одна из которых могла смещаться относительно другой, неподвижной. Второй инструмент представлял собой кольцо, внутри которого вращался на оси круг. На круге (снаружи) и внутри кольца были изображены “свернутые в окружность” логарифмические шкалы. Обе линейки позволяли обходиться без циркулей.
В 1632 году в Лондоне вышла книга Отреда и Форстера “Круги пропорций” с описанием круговой логарифмической (уже иной конструкции), а описание прямоугольной логарифмической линейки Отреда дано в книге Форстера 
“Дополнение к использованию инструмента, называемого “Кругами пропорций”, вышедшей в следующем году. Права на изготовление своих линеек Отред передал известному лондонскому механику Элиасу Аллену.
Линейка Ричарда Деламейна (который был в свое время ассистентом Отреда), описанная им в брошюре “Граммелогия, или Математическое кольцо”, появившейся в 1630 году, тоже представляла собой кольцо, внутри которого вращался круг. Потом эта брошюра с изменениями и дополнениями издавалась еще несколько раз. Деламейн описал несколько вариантов таких линеек (содержащих до 13 шкал). В 
специальном углублении Деламейн поместил плоский указатель, способный двигаться вдоль радиуса, что облегчало использование линейки. Предлагались и другие конструкции. Деламейн не только представил описания линеек, но и дал методику градуировки, предложил способы проверки точности и привел примеры использования своих устройств.
Логарифмическая линейка (фото см. ниже) была придумана как прибор для экономии умственных затрат и времени, связанных с математическими расчетами. Особое распространение она получила в практике инженеров в институтах, ориентированных на научно-исследовательскую деятельность, и в статистических бюро до момента внедрения электронной вычислительной техники.
Линейка логарифмическая: история
Прообразом счетного устройства была шкала для вычислений английского математика Э. Гантера. Он придумал ее в 1623 г., вскоре после открытия логарифмов, для упрощения работы с ними. Шкала использовалась в сочетании с циркулем. Им отмеривались необходимые градуированные отрезки, которые потом складывались или вычитались. Операции с числами заменялись действиями с логарифмами. Используя их основные свойства, умножить, делить, возводить в степень или вычислять корень числа оказалось намного проще.
В 1623 году линейка логарифмическая была усовершенствована У. Отредом. Он добавил вторую подвижную шкалу. Она перемещалась вдоль основной линейки. Отмерять отрезки и считывать результаты исчислений стало легче. Для повышения точности устройства в 1650 году была реализована попытка увеличения длины шкалы за счет ее расположения по спирали на вращающемся цилиндре.
Добавление в конструкцию бегунка (1850 г.) сделало процесс исчисления еще более удобными. Дальнейшее усовершенствование механизма и способа нанесения логарифмических шкал на стандартную линейку не добавили точности прибору.
Устройство
Линейка логарифмическая (стандартная) изготавливалась из плотной древесины, стойкой к истиранию. Для этого в промышленных масштабах использовалось грушевое дерево. Из него изготавливался корпус и движок - планка меньшего размера, монтируемая во внутреннем пазе. Ее можно перемещать параллельно основанию. Бегунок изготавливался из алюминия или стали со смотровым окошком из стекла или пластика. На него нанесена тонкая вертикальная линия (визир). Бегунок двигается по боковым направляющим и подпружинивается стальной пластинкой. Корпус и движок облицованы светлым целлулоидом, на котором тиснением нанесены шкалы. Их деления заполнены типографской краской.
На лицевой стороне линейки располагаются семь шкал: четыре- на корпусе и три - на движке. На боковых гранях нанесена простая измерительная разметка (25 см) с делениями 1 мм. Шкалы (C) на движке внизу и (D) на корпусе сразу под ней считаются главными. На основании сверху располагается кубическая разметка (K), под ней - квадратичная (A). Ниже (сверху на движке) есть точно такая же симметричная вспомогательная шкала (B). Внизу на корпусе еще есть разметка для значений логарифмов (L). В самом центре лицевой части линейки между разметками (B) и (C) нанесена обратная шкала чисел (R). С другой стороны движка (планку можно вынуть из пазов и перевернуть) присутствуют еще три шкалы для расчета тригонометрических функций. Верхняя (Sin) - предназначена для синусов, нижняя (Tg) - тангенсов, средняя (Sin и Tg) - общая.
Разновидности
Стандартная линейка логарифмическая имеет длину измерительной шкалы 25 см. Выпускался еще карманный вариант длиной 12,5 см и устройство повышенной точности 50 см. Существовало деление линеек на первый и второй сорта в зависимости от качества исполнения. Внимание уделялось четкости наносимых штрихов, обозначений и вспомогательных линий. Движок и корпус должны были быть ровными и идеально подогнаны друг к другу. Изделия второго сорта могли иметь незначительные царапины и точки на целлулоиде, но они не искажали обозначений. Также мог присутствовать незначительный люфт в пазах и прогиб.
Существовали и другие карманные (похожие на часы диаметром 5 см) варианты устройства - логарифмическая дисковая (типа «Спутник») и круговая (КЛ-1) линейки. Они отличались и конструкцией, и меньшей точностью измерений. В первом случае для установки чисел на замкнутых круговых логарифмических шкалах использовалась прозрачная крышка с линией-визиром. Во втором - механизм управления (две вращающиеся ручки) был смонтирован на корпусе: одной управлялся дисковый движок, другая управляла стрелкой-визиром.
Возможности
Логарифмической линейкой общего назначения можно было осуществлять деление и умножение чисел, возведить их в квадрат и куб, извлекать корень, решать уравнения. Кроме этого, по шкалам производились тригонометрические вычисления (синус и тангенс) по заданным углам, определялись мантиссы логарифмов и обратные действия - находились числа по их значениям.
Правильность вычислений во многом зависела от качества линейки (длинны ее шкал). В идеале можно было надеяться на точность до третьего знака после запятой. Такие показатели были вполне достаточными для технических расчетов в XIX веке.
Возникает вопрос: как пользоваться логарифмической линейкой? Одного знания назначения шкал и способов нахождения на них чисел еще не достаточно для произведения расчетов. Чтобы использовать все возможности линейки, нужно понимать, что такое логарифм, знать его характеристики и свойства, а также принципы построения и зависимости шкал.
Для уверенной работы с устройством требовались определенные навыки. Сравнительно простые вычисления с одним бегунком. Для удобства движок (чтобы не отвлекал) можно удалять. Установив черту на значения любого числа на основной (D) шкале можно сразу же по визиру получить результат возведения его в квадрат на шкале выше (A) и в куб - на самой верхней (K). Внизу (L) будет значение его логарифма.
Деление и умножение чисел производится с помощью движка. Применяются свойства логарифмов. Согласно им, итог умножения двух чисел равен результату сложения их логарифмов (аналогично: деление и разница). Зная это, можно достаточно быстро производить расчеты, используя графические шкалы.
Чем сложна логарифмическая линейка? Инструкция по ее правильному использованию шла в комплекте с каждым экземпляром. Кроме знания свойств и характеристик логарифмов, нужно было уметь правильно находить исходные числа на шкалах и уметь в нужном месте считывать результаты, в том числе самостоятельно определять точное место расположения запятой.
Актуальность
Как пользоваться логарифмической линейкой, в наше время знают и помнят немногие, и с уверенностью можно утверждать, что число таких людей будет снижаться.
Логарифмическая линейка из разряда карманных счетных приспособлений давно стала раритетом. Для уверенной работы с ней нужна постоянная практика. Методика расчетов с примерами и разъяснениями тянет на брошюру в 50 листов.
Для среднестатистического человека, далекого от высшей математики, логарифмическая линейка может представлять какую-то ценность разве что справочными материалами, размещенными на обратной стороне корпуса (плотность некоторых веществ, температура плавления и пр.). Преподаватели даже не утруждаются вводить запрет на ее наличие при сдаче экзаменов и зачетов, понимая, что разобраться с тонкостями ее использования современному студенту очень сложно.