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如何制作計算尺

計算尺

計算尺,或稱計算尺,通常指對數計算尺。它是壹臺模擬計算機,通常由三個相互鎖定的刻度條和壹個滑動窗口(稱為光標)組成。它在1970之前被廣泛使用,後來被電子計算器取代,成為壹種過時的技術。

基本概念

在其最基本的形式中,尺子使用兩個對數標度進行乘法和除法,這是紙上的耗時且容易出錯的常見操作。用戶通過估算確定小數點在結果中的位置。在涉及加減乘除的計算中,加減是在紙上進行的,而不是在尺子上。

其實就算是最基本的學生尺子也遠不止兩個刻度。大多數直尺由三根直桿組成,它們平行排列並相互鎖定,使中間的壹根桿可以相對於另外兩根桿沿長度方向滑動。外部兩個是固定的,因此它們的相對位置保持不變。有些尺子(“雙面”型)在尺子和滑塊的兩面都有刻度,有些在外條的壹面和滑塊的兩面都有刻度,其余的只有壹面有刻度(“單面”型)。滑動標記有壹條或多條垂直對齊線,用於記錄任何刻度上的中間結果,也可用於查找非相鄰刻度上的對應點。

更復雜的標尺可以執行其他計算,如平方根、指數、對數和三角函數。

通常,通過將滑動桿上的標記與其他固定桿上的標記對齊來進行數學計算,並通過觀察桿上其他標記的相對位置來讀取結果。

計算

增加

下圖顯示了帶有兩個對數刻度的簡化規則。也就是說,在距離每把尺子的“索引”(用數字1標註)的距離與Log X成正比的地方,印上壹個數字X..

對數把乘除轉化為加減,得益於兩個定律:log(xy) = log(x)+log(y)和log(x/y) = log(x)-log(y)。將頂部刻度向右滑動log(x)的距離,將每個數字y(在頂部刻度log(y)的位置)與底部刻度log(x)+log(y)的位置對齊。因為log(x)+log(y) = log(xy),所以底部刻度的這個位置標記為xy,它是x和y的乘積。

下圖顯示了任何其他數字的2倍。上刻度的索引(1)與下刻度的2對齊。這會將整個上限向右移動log(2)的距離。上刻度上的數字(乘數)對應於下刻度上的乘積。例如,上刻度3.5和下刻度7的乘積對齊,而4和8對齊,以此類推,如圖所示:

操作可能“超出範圍”。例如,上圖顯示上刻度上的7與下刻度上的任何數字都不對齊,因此它不會給出2?7的答案。在這種情況下,用戶可以將上限向左移動壹點,並乘以0.2而不是2,如下圖所示:

這裏,尺子的使用者壹定要記得相應地調整小數點,才能得到最終的答案。我們需要找到2個?7,但我們居然算出了0.2?7 = 1.4。所以真正的答案是14而不是1.4。...

分開

下圖是5.5/2的計算。頂部刻度2位於底部刻度5.5之上。最上面的1剛好在商2.75之上。..

其他操作

除了對數刻度,壹些尺子在輔助刻度上還有其他數學功能。最常見的是三角函數,通常是正弦和正切,常用的對數(log10)(用於在乘數標度上取值的對數),自然對數(ln)和指數函數(ex)標度。壹些尺子包括用於計算三角形邊長的畢達哥拉斯尺和用於計算圓形的尺。其他的有計算雙曲函數的刻度。在尺子上,刻度及其標記是高度標準化的,主要變化在於包含哪些刻度以及出現的順序。:

a,B雙十對數標度

c,D單十對數標度

k 310對數標度

CF,DF C,D音階從π開始而不是1。

CI、DI、DIF倒數量表,從右至左

s用於查找D標度上的正弦和余弦。

t用於找到d和DI標度上的切線。

ST用於小角度的正弦和正切。

l線性標度,與C和D標度壹起用於求基數10的對數和10的冪。

對數的壹組對數標度,用於尋找自然對數和指數。

壹把k &;E 4081-3尺子正反面。

找到根源和力量

有單十(C和D)、雙十(A和B)和三十(K)音階。例如,要計算x ^ 2,我們可以在d上找到x,並從a中讀取它的平方,反過來這個過程,我們可以計算平方根,3,1/3,2/3,3/2的冪也可以。妳在尋找刻度上的底部X時必須小心,有時會有不止壹個X。例如,A刻度上有兩個9。求9的平方根,必須用前9;用第二個9將得到90的平方根。

三角函數

對於5.7到90度之間的角度,可以通過比較S刻度與C或d來確定正弦值。S刻度有第二組角度(有時顏色不同),它們從相反的方向增加,用於計算余弦值。切線可以與T刻度和C、D刻度進行比較,或者,對於大於45°的角度,可以與CI刻度進行比較。小於5.7度的角的正弦和正切值可以用ST標度求出。反三角函數可以通過反過程求出。

對數和指數

以10為基數的對數和指數可以用L標度求,線性。底為e時用LL音階。

結構設計

標準直接規則

尺子的長度是根據標尺的長度,而不是整個設備的長度。最常見的高端直尺是10寸雙聯直尺,而學生直尺往往是10寸單聯。袖珍尺子通常有5英寸長。

通常分隔線標記到兩位有效數字的精度,然後用戶估計第三位數字。壹些高端的尺子有帶放大鏡的光標,可以把精度提高壹倍,讓10寸的尺子和20寸的尺子壹樣好用。

有壹些技巧可以用來增加便利性。三角尺有時有兩個標記,壹黑壹紅,表示余角,這就是所謂的“達姆施塔特”式。復式尺子經常在背面抄壹些刻度。校準通常被“分割”以實現更高的精度。

特殊的尺子被設計成適合不同的工程、商業和銀行用途。這些通常用特殊的比例直接表示常見的計算,例如,貸款計算、最佳采購量或特殊的工程方程。

圓形尺

圓形標尺有兩種基本類型。壹個有兩個光標,另壹個有壹個可移動磁盤和壹個光標。圓規的基本優點是將最長維度縮減到3倍左右(即π倍)。比如壹把10 cm的圓尺,精度和壹把30 cm的普通尺子壹樣。圓規也省去了“出界”的計算,因為刻度是設計成“左右”的;當結果接近1.0時,它們永遠不需要重定向——標尺總是在界內。

圓形尺子在機械上比直尺子更堅固、更平滑、更精確,因為它們只依靠壹個中心軸承。中央支架很少脫落。軸承也避免刮傷表面和光標。只有最昂貴的直尺提供這些功能。

最高精度的刻度放在最外面的環上。高端圓規不使用“分體式”刻度,更難的刻度使用螺旋刻度(如雙對數刻度)。壹把八寸的高級圓尺可以有50寸的雙對數刻度!

從技術上講,圓規真正的缺點是不太重要的刻度更靠近中心,所以精度差。從歷史上看,圓形標尺的主要缺點是不標準。大部分同學都是在直尺上學會如何使用直尺,然後就覺得沒必要換成圓尺了。

當今世界仍在使用的規則是E6B。這是壹個在1930年代首次制作的圓形標尺,用於幫助飛機飛行員計算航位推算算法。這在所有的飛行商店裏仍然可以買到,並且仍然被廣泛使用。雖然GPS減少了航位推算在航空中的使用,但E6B仍然被用作首選或航位推算儀器,大多數飛行學校都將其掌握程度作為自己的學習要求。

1952年,瑞士鐘表公司百年靈(Breitling)推出了壹款集成圓形標尺用於計算飛行時間的飛行員手表:百年靈Navitimer。被百年靈稱為“航空計算機”的Navitimer circle ruler,其特點是具有飛行速度、爬升速度、飛行時間、距離和油耗功能,以及公裏-海裏和加侖-升燃油容量轉換功能。

材料

傳統上,尺子由硬木制成,如桃花心木或黃楊木,加上玻璃或金屬滑槽。1895年,日本壹家公司開始用竹子做尺子,竹子的優點是對溫度和濕度不太敏感。這些竹尺子是1933年的秋天傳入瑞典的[/P/Articles/MI _ QA 3950/IS _ 200401/AI _ n 9372466]。

費米超長計算尺

在20世紀40年代,李政道從費米那裏學習理論物理。為了計算太陽中心的溫度,費米幫助李政道制作了壹把2米長的特殊尺子。

優點和缺點

該規則傾向於糾正“假精度”和有效數字的錯誤。通常情況下,尺子用戶的精度是3位數。這與大多數工程公式中使用的數據是壹致的(比如材料強度精確到2-3位數,有大量的安全系數——典型值大於1.5倍——作為建築水平的誤差和變化以及材料的變化的附加修正)。使用現代袖珍計算器時,精度顯示為7到10位,但實際上,結果不可能比輸入的數字更精確。

統治者需要時刻估計結果的數量級。尺子上,1.5?30 (45)和1,500,000?0.03(等於45,000)給出了相同的結果。它取決於工程師對結果“有效性”的持續評估:這在計算機程序或計算器的使用中往往不存在,例如,壹個無法判斷數字合理性的員工可能正在操作計算器。

當計算壹系列乘法或除法,且因子相同時,可以直接從尺子上掃出答案,無需任何運算。比如上圖的尺子上,可以算出任意乘以2,只要看,不用手。這在計算百分比(如考試成績)時很有用。

這把尺子不需要電池。

尺子和電子計算器不壹樣,是高度標準化的,換另壹個就不用再學什麽了。

除了電子計算器之外使用尺子的好處是:壹個重要的計算,計算兩次就可以檢查;因為兩個儀器差別太大,不太可能兩次犯同樣的錯誤。

缺點:計算尺最大的缺點是不能加減,必須用算盤或其他輔助工具加減。

計算尺在中國。

康熙皇帝是中國歷史上第壹個使用計算尺的人。他用象牙做的甘特計算尺。

20世紀70年代以前,中國的理工科學生都有壹只手,這是壹種必不可少的計算工具。上海計算尺廠生產的“天然雙人計算尺”是對科菲爾& amp;埃塞式,另壹種短計算尺是仿德國費伯-卡斯特爾的,制造精確美觀。

柯計算尺沒有厘米和毫米刻度;德國費伯-卡斯特爾計算尺的優點是有厘米和毫米兩種刻度,既可以計算也可以繪圖。

尋找和收集尺子

由於上面給出的原因,壹些人仍然喜歡使用計算尺而不是電子計算器作為實用的計算工具。其他許多人出於懷舊保留他們的舊尺子,或者作為愛好或特殊的裝飾品收集它們。

最受歡迎的型號是Keuffel &;埃塞的Deci-Lon是壹種先進的科學和工程計算尺,分為10英寸“普通”型(Deci-Lon 10)和5英寸“袖珍”型(Deci-Lon 5)。另壹種流行的美國型號是8英寸的科學儀器圓尺。在歐洲車型中,費伯-卡斯特爾的高端車型最受收藏者歡迎。

雖然市面上有大量的尺子在流通,但保存完好的標本往往貴得驚人。網上拍賣網站上賣的很多尺子都是破損或者缺零件的。替換零件很少,所以很貴,通常只在個人收藏者的網站上零星出售。科菲爾& ampEsser1950之前的型號問題特別大,因為光標末端會隨著時間的推移被化學反應損壞。在很多情況下,得到壹把可用的尺子最經濟的方法就是多買幾把同壹型號的尺子,然後把它們的零件組裝起來。

尋找計算尺的最佳地點是“跳蚤市場”,妳通常可以花2美元買到壹把保存完好的柯或費伯-卡斯特爾計算尺。

附註

..重設音階不是像2壹樣處理?7.這種超範圍倍增的唯壹途徑;其他方法有:(1)使用雙十進制。(2)使用折疊秤。在本例中,將C音階的1與D音階的2對齊就足夠了。將光標移動到CF的7,然後從DF中讀取結果。(3)使用CI量表。將CI上的7置於D刻度上的2之上,然後從與CI刻度對齊的D刻度上的1讀取結果。因為1在CI上出現兩次,所以範圍內總有壹個。方法1容易理解,但會帶來精度的損失。方法3的優點是它只使用兩個標尺。

..有幾種劃分方式。這裏給出的方法的好處是最後的結果不會越線,因為可以選擇兩端1中的壹個。

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