Логарифмическая линейка

Логарифми́ческая лине́йка, счётная линейка — аналоговое вычислительное устройство, позволяющее выполнять несколько математических операций, в том числе умножение и деление чисел, возведение в степень (чаще всего в квадрат и куб), вычисление квадратных и кубических корней, вычисление логарифмов, потенцирование, вычисление тригонометрических и гиперболических функций и некоторые другие операции. Если разбить вычисление на три действия, то с помощью логарифмической линейки можно возводить числа в любую действительную степень и извлекать корень любой действительной степени.

До появления карманных калькуляторов этот инструмент служил незаменимым расчётным орудием инженера. Точность расчётов — около 3 значащих цифр.

Линейки, выпускавшиеся в СССР, в отличие от линейки на фото, почти всегда имели дополнительную сантиметровую шкалу у скошенного края, как и у обычной линейки. Стандартная линейка имела длину 30 см, что было удобно для геометрических работ с форматом А4. При этом логарифмические шкалы имели длину 25 см, на концах обычно наносились их обозначения. Реже встречались линейки малого размера со шкалами длиной 12,5 см и большого размера — со шкалами длиной 50 см.

Круговая логарифмическая линейка (логарифмический круг)

Выпускались также круговые логарифмические линейки (логарифмические круги), преимущество которых заключалось в их компактности. В начале XX века для вычислений с повышенной (в 10—100 раз) точностью пользовались настольными счётными вальцами — механическим устройством, в котором логарифмические шкалы нанесены на образующие цилиндров, один из которых может соосно перемещаться вдоль другого и вращаться вокруг него.

История

Идею, близкую к конструкции логарифмической линейки, высказал в начале XVII века английский астроном Эдмунд Гантер; он предложил нанести на линейку логарифмическую шкалу и с помощью двух циркулей выполнять операции с логарифмами (сложение и вычитание). В 1620-е годы английский математик Эдмунд Уингейт^[англ.] усовершенствовал «шкалу Гантера», введя две дополнительные шкалы. Одновременно (1622 год) свой вариант линейки, мало чем отличающийся от современного, опубликовал в трактате «Круги пропорций» Уильям Отред, который и считается автором первой логарифмической линейки. Сначала линейка Отреда была круговой, но в 1633 году было опубликовано, со ссылкой на Отреда, и описание прямоугольной линейки. Приоритет Отреда долгое время оспаривал Ричард Деламейн, который, вероятно, независимо реализовал ту же идею.

Дальнейшие усовершенствования сводились к появлению второй подвижной линейки-«движка» (Роберт Биссакер, 1654 и Сет Патридж, 1657), разметке обеих сторон линейки (тоже Биссакер), добавление двух «шкал Уингейта», отметке на шкалах часто используемых чисел (Томас Эверард, 1683). Бегунок появился в середине XIX века (А. Мангейм).

Устройство и принципы использования

Принцип действия логарифмической линейки основан на том, что умножение и деление чисел заменяется соответственно сложением и вычитанием их логарифмов.

Простейшая логарифмическая линейка состоит из двух шкал в логарифмическом масштабе, способных передвигаться относительно друг друга, являя собой образец транспарантной номограммы^[1]. Более сложные линейки содержат дополнительные шкалы на корпусе и движке и прозрачный бегунок (иногда он называется также ползунко́м или визи́ром) — прозрачную рамку (из стекла, плексигласа и т. п.), на которой нанесены одна или несколько рисок (визи́рных линий), позволяющих фиксировать на шкалах числа; бегунок может свободно двигаться вдоль корпуса, визирные линии нанесены перпендикулярно шкалам. На обратной стороне корпуса линейки могут находиться какие-либо справочные таблицы. Движок обычно размечается шкалами с обеих сторон, результаты с его обратной стороны (где часто размещаются шка́лы тригонометрических функций) могут считываться в специальных вырезах на обратной стороне корпуса линейки, пользователь может также извлечь движок из корпуса и вставить его обратной стороной вперёд.

Для того чтобы вычислить произведение двух чисел, начало или конец подвижной шкалы совмещают с первым множителем на неподвижной шкале, а на подвижной шкале находят второй множитель. Напротив него на неподвижной шкале находится результат умножения этих чисел:

[math]\displaystyle{ \log(x) + \log(y) = \log(x \cdot y) }[/math]

Чтобы разделить числа, на подвижной шкале находят делитель и совмещают его с делимым на неподвижной шкале. Начало (или конец) подвижной шкалы указывает на результат:

[math]\displaystyle{ \log(x) - \log(y) = \log\left(\frac{x}{y}\right) }[/math]

С помощью логарифмической линейки находят лишь мантиссу числа, его порядок вычисляют в уме. Точность вычисления зависит от длины шкалы и для нормальных линеек (25 см) составляет 3—4 значащих цифры. Для выполнения других операций используют бегунок и дополнительные шкалы.

Несмотря на то, что у логарифмической линейки отсутствуют функции сложения и вычитания, с её помощью можно осуществлять и эти операции, воспользовавшись следующими формулами:

[math]\displaystyle{ x + y= y \left( \frac{x}{y} + 1 \right ); }[/math]

[math]\displaystyle{ x - y= y \left(\frac{x}{y} - 1 \right ). }[/math]

Следует отметить, что, несмотря на простоту, на логарифмической линейке можно выполнять достаточно сложные расчёты. Раньше выпускались довольно объёмные пособия по их использованию.

Логарифмическая линейка в XXI веке

Логарифмические линейки широко использовались для выполнения инженерных расчётов примерно до начала 1980-х годов, когда они были вытеснены калькуляторами.

Однако в начале XXI века логарифмические линейки получили второе рождение в наручных часах: следуя моде, производители некоторых марок (среди которых Breitling, Citizen, Orient) выпустили модели со встроенной логарифмической линейкой, выполненной в виде вращающихся колец со шкалами вокруг циферблата. Производители обычно называют такие устройства «навигационная линейка». Их достоинство — можно сразу, в отличие от микрокалькулятора, получить информацию, соответствующую табличной форме представления (например, таблицу расхода топлива на пройденное расстояние, перевода миль в километры, подсчёт пульса, определение скорости поезда и тому подобное). Однако в большинстве случаев логарифмические линейки, встроенные в часы, не оснащены шкалами для вычисления значений тригонометрических функций.

См. также

Примечания

↑ Номография / Пентковский М. В. // Никко — Отолиты. — М. : Советская энциклопедия, 1974. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 18).

Литература

Березин С. И. Счётная логарифмическая линейка.
Богомолов Н. В. Практические занятия с логарифмической линейкой. — М.: Высшая школа, 1977. — 103 с. (Сборник задач. Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для техникумов)
Гутер Р. С., Полунов Ю. Л. Джон Непер, 1550—1617. — М.: Наука, 1980. — С. 167—178. — 226 с. — (Научно-биографическая литература).
Кобозев Н. Н. Логарифмическая линейка.
Куликов В. В. Как изготовить самодельную логарифмическую линейку. — М.: Учпедгиз, 1958.
Линейки счётные // Товарный словарь / И. А. Пугачёв (главный редактор). — М.: Государственное издательство торговой литературы, 1958. — Т. V. — Стб. 61—64 — 588 с.
Меликов К. Логарифмическая линейка // Техническая энциклопедия / Гл. ред. Л. К. Мартенс. — М.: Советская энциклопедия; ОГИЗ РСФСР. — Т. 12. Леса сорта — Метиловый алкоголь. — Стб. 236—240
Образ К. И. Самодельная логарифмическая линейка // Математика в школе. — 1954. — № 4. — С. 67–69.
Панов Д. Ю. Счётная линейка. — 25-е изд. — М.: изд-во Наука (Гл. ред. физ.-мат. литературы), 1982. — 176 с.
Семендяев К. А. Счётная линейка. — 11-е изд. — М.: Физматгиз, 1960. — 48 с.
Хренов Л. С., Визиров Ю. В. Логарифмическая линейка. — 1968.

Ссылки

[1] Номография / Пентковский М. В. // Никко — Отолиты. — М. : Советская энциклопедия, 1974. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 18).

[1]