Логарифмическая линейка – устройство, предназначенное для упрощения и ускорения работы с логарифмическими таблицами. Использование логарифмической линейки значительно упрощало операции умножения, деления, возведение в степень, извлечения корня и расчет тригонометрических и логарифмических функций. Различного вида логарифмические линейки широко использовались вплоть до начала восьмидесятых годов, пока небыли вытеснены электронными калькуляторами.
История создания логарифмической шкалы
Первую попытку упростить и ускорить работу с логарифмическими таблицами предпринял Эдмунд Гюнтер, профессор астрономии Грэшемского колледжа. Он разработал шкалу, состоящую из нескольких отрезков, располагающихся параллельно на деревянной или медной пластине. На каждый отрезок наносились деления, соответствующие логарифмам чисел или тригонометрических величин.
Рассмотрим пример построения логарифмической шкалы. Возьмем за основу отрезок АВ (рисунок ниже) и примем его за единицу. Следовательно, его можно принять за lg 10, так как lg 10 = 1; Теперь рассчитаем длины отрезков, соответствующих десятичным логарифмам чисел 1,2,…9, c точностью до тысячных долей:
lg 1 = 0.000; lg 2 = 0.301; lg 3 = 0.477; lg 4 = 0.602; lg 5 = 0.699;
lg 6 = 0.778; lg 7 = 0.845; lg 8 = 0.903; lg 9 = 0.954; lg 10= 1.000
Нанесем эти отрезки на шкалу, учитывая, что отрезок АВ = 1:
Для вычисления с помощью этой шкалы необходимо определить сумму или разность длин от начала шкалы до логарифмов исходных чисел. Далее находим логарифм, соответствующий полученной длине, и по его значению определяем произведение или частное. Например, для умножения 2 на 4 надо сложить длину отрезка для числа 2 (0.301) с длинной отрезка для числа 4 (0.602). Далее находим значение, соответствующее длине отрезка 0.903. Это будет число 8. Таким образом, 2*4 = 8. Обычно такая шкала использовалась вместе с двумя циркулями, позволяющими быстро и точно определять длину результирующего отрезка.
Описание логарифмической шкалы Эдмунд Гюнтер опубликовал в 1620 году, так же в этой книге были опубликованы таблицы логарифмов синусов и котангенсов. Изобретение Гюнтера пользовалось большой популярностью и описывалось во многих книгах. Так, например, описание логарифмической шкалы встречается в книге французского механика Н. Биона «Конструкция и применение математических инструментов», опубликованной в 1723 году. Шкала, описанная в этой книге, имела длину 600 мм и ширину 37. Она состояла из шести частей, предназначавшихся для операций с числами, синусами, тангенсами, синусами-верзусами (sin ver a = 1 – cos a), синусами и тангенсами малых углов, синусами и тангенсами румбов. Так же на шкале предусматривались участки для работы с равномерными величинами – «линия меридиана» и «линия равных частей».
В России о логарифмической шкале Гюнтера стало известно в 1739 году из книги Андреа Фархварсона «Книжица о сочинении и описании сектора, скал плоской и гунтеровской со употреблением оных инструментов в решении разных математических проблем от профессора математики Андреа Фархварсона - изданная»
История создания логарифмической 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. Для этого Уингейт поместил две шкалы, построенные в масштабе 1:2, на одной прямой и три шкалы в масштабе 1:3 – на другой. Перенося с помощью измерительного циркуля отрезки с обычной шкалы на шкалу с масштабом 1:2 или 1:3 и наоборот, можно возводить числа в квадрат или в куб и извлекать квадратные или кубические корни.
Дальнейшие усовершенствования привели к созданию логарифмической линейки, однако, авторство этого изобретения оспаривают два ученых Уильям Отред и Ричард Деламейн.
Впервые о своем изобретении Отред рассказал в 1630 году своему ученику и другу Уильяму Фостеру, учителю математики из Лондона. На тот момент Отред изготовил два типа логарифмических линеек – прямоугольную и круглую. Эти изобретения настолько поразили Фостера, что он уговорил передать ему описание изобретения для последующей публикации.
Осенью этого же года Отред рассказал об изобретении круговой логарифмической линейки своему бывшему ассистенту и учителю математики Ричарду Деламейну, который в ответ на рассказ заявил: «Подобное изобретение сделал и я!» и в этом же 1930ом году опубликовал книгу «Граммелогия, или Математическое кольцо», в которой описал круговую логарифмическую линейку и правила ее использования.
Линейка Деламейна содержала до 13 шкал и состояла из вращающегося внутри кольца круга. Так же на линейке располагался указатель, который передвигался вдоль радиуса, облегчая использование инструмента. В книге так же описывалась методика гравировки таких линеек и способы проверки их точности.
Книга Фостера и Отреда, посвященная описанию круглой логарифмической линейки, была издана в Лондоне только в 1632 году и называлась «Круги пропорций». Линейка, описанная в этой книге, содержала восемь шкал (одна шкала была равномерная, а семь остальных – шкалы логарифмов чисел, синусов и тангенсов), выгравированных на медной пластинке. Для облегчения счета на пластинке закреплялись два указателя (см. рисунок справа).
В следующей книге Фореста «Дополнение к использованию инструмента, называемого Кругами Пропорций», изданной в 1633 году, описывалась прямоугольная логарифмическая линейка Отреда. Она состояла из двух частей, на каждой из которой была нанесена логарифмическая шкала. При вычислении эти части линейки зажимались левой рукой, и правой рукой одна из частей сдвигалась относительно другой.
Авторы логарифмических линеек оспаривали первенство изобретения. Так Деламейн обвинял Отреда в воровстве, утверждая, что он не изобрел круговую линейку, а все сведения о ней почерпнул из его (Деламейна) книги. В ответ на подобные заявления Отред подробно описал историю своего изобретения и заметил, что оно было сделано около 12 лет назад. Кто из них прав так и не удалось выяснить. Видимо придется признать, что изобретение логарифмической линейки было сделано независимо друг от друга Уильямом Отредом и Ричардом Деламейном.
Примерно в те же годы Томасом Брауном была разработана плоская спиральная логарифмическая линейка, позволяющая, благодаря увеличению длины шкалы, повысить точность вычислений. Однако, это изобретение не получило широкой известности и вскоре было забыто. Вновь этот тип логарифмических линеек был изобретен в 1748 году Джорджем Адаме. Линейка Адаме размещалась на медной пластинке диаметром 305 мм и имела 10 витков шкалы.
Примерно 1650 году Милбурн предложил способ увеличения длины шкалы логарифмической линейки путем нанесении спиралевидной шкалы на боковую поверхность цилиндра.
В 1654 году англичанин Роберт Биссакер разработал прямоугольную логарифмическую линейку, состоящую из трех частей длинной 60 см, закрепленных параллельно друг другу. Две внешние части были неподвижно закреплены с помощью медных оправ, а третья (движок) свободно передвигалась между ними. Каждой шкале на неподвижных частях соответствовала аналогичная шкала на движке. Причем шкалы были на обоих сторонах логарифмической линейки.
Независимо от Роберта Биссакера аналогичную структуру линейки разработал в 1657 году Сет Патридж, учитель математике из Лондона.
Следующее усовершенствование линейки произвел Томас Эверард. Во-первых, он применил на практике идеи Уингента, расположив на линейке двойные и тройные шкалы для возведения чисел в квадрат и куб, извлечения квадратного и кубического корней.
Во-вторых, он отметил на шкалах особые точки – числа, наиболее часто встречающиеся при расчетах:
- сторона квадрата, вписанного в круг диаметра 1 (0,707);
- сторона квадрата, равновеликого кругу диаметра 1 (0,886);
- длина окружности с диаметром 1 (3.14);
- объем стандартного галлона вина в кубических дюймах (231);
- объем стандартного бушеля солода (2150,42);
- объем стандартного галлона эля (282).
Основное предназначение линейки Эверарда было определение объема сосудов. Универсальная линейка была разработана в 1779 году Джейсом Уаттом, шотландским изобретателем-механиком.
Джеймс Уатт в то время занимался разработкой паровых машин и для их расчета пользовался логарифмическими шкалами, нанесенными на линейки. Подобные линейки были широко известны, однако, их точность оставляла желать лучшего. Мистер Уатт и мистер Соутерн разработали удобное расположение логарифмических шкал для универсального использования и пригласили опытнейших специалистов своего времени для градуировки первого образца. Копии этого образца были переданы мастерам, работающим над паровой машиной.
Вскоре преимущества вычислений с помощью новых логарифмических линеек стали известны инженерам других фабрик, и они стали весьма популярными. Сведения об этой линейки попали и в Россию, где в 1837 году была издана книга «Наставление к употреблению числительной линейки Коллардо». Коллардо - французский механик, организовавший в Париже выпуск логарифмических линеек.
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.
Виды логарифмических линеек
Часто на логарифмические линейки наносили дополнительные шкалы со значениями функций часто употребляемых на практике, например, в электротехнических, геодезических и других расчетах. Большое распространение имели и дисковые логарифмические линейки. Ниже приведены различные виды логарифмических линеек.
На логарифмических линейках закончим обзор домеханического этапа и перейдем к следующему этапу истории развития ЭВМ – Механическому этапу.... в следующий раз.
Свежие комментарии