计算尺

一种计算工具

计算尺(外文名:slide rule)是一种处理繁多数目的计算工具。 普通计算尺的外形像个直尺, 长度为30厘米左右。 由上下两条相对固定的定尺、中间一条可以移动的滑尺和可在定尺上滑动的游标3个部分组成。

计算尺大约发明于1620—1630年间, 1620年, 英国 数学家埃德蒙·甘特(Edmund Gunter)发明了甘特 对数 尺。1622年,英国数学家 威廉·奥特雷德 (William Oughtred)将两把甘特尺组合成了可以视为现代计算尺的滑动设备。 1850年,一名 法国 炮兵中尉对计算尺进行了改进, 法军 在与 普鲁士王国 人作战时用它进行弹道计算。在 第二次世界大战 期间, 美国 轰炸机 也都配备了专门设计的计算尺。在20世纪70年代以前,计算尺非常流行, 自袖珍 电子计算器 问世后,计算尺开始逐渐被淘汰。

从 工业革命 到现代社会,计算尺都发挥了重要的作用。20世纪约有4000万支计算尺应用于各种行业中。在工程领域, 帝国大厦 、 胡佛水坝 、 金门大桥 、汽车液压传动装置、晶体管收音机和 波音707 、 中国“ 两弹一星 ”、美国“土星5号”助推火箭、苏联 人造卫星 “ 卫星一号 ”和“东方号”宇宙飞船的设计工作 等都应用了计算尺。在“阿波罗”太空任务中,便携式计算尺登上了太空。

历史

起源

计算尺发明于大约1620-1630年间,在John Napier对数概念发表后不久。1620年, 英国 数学家埃德蒙·甘特(Edmund Gunter)把 对数 刻在一把尺子上(称为甘特尺),将繁琐的数值改成直观的刻度,这是计算尺最原始的雏形。

1621年,英国圣公会牧师 威廉·奥特雷德 (William Oughtred)制造出世界上第一把计算尺,他用两把甘特尺巧妙地组合成了可以视为现代计算尺的滑动设备,不仅可以进行加、减、乘、除、乘方和开方运算,还能计算 三角函数 、指数函数和对数函数。几年后,他又发明了圆形计算尺,但没有公布。1630年,奥特雷德的学生理查德·德拉梅因(Richard Delamain)声称发明了圆形计算尺,并很骄傲地写道:“计算尺既适合在步行时使用,也适合在马背上使用。奥特雷德得知后怒不可遏,斥责他“窃取别人的智慧”,这场公案直到德拉梅因去世才结束。

发展

计算尺虽然构思精巧、方便实用,却经过了两个多世纪才流行起来。1850年,19岁的法国炮兵中尉阿梅代·马内姆(Amédée Mannheim)对当时的计算尺进行了改进,加了一个游标,计算尺的三套件才算功德圆满,并慢慢在欧洲各国普及起来。 第一次世界大战 后,这种计算尺传到了美国。在第二次世界大战期间,美国轰炸机也都配备了专门设计的计算尺。

为了提高精度,制造厂商通过加大长度、将刻度线变细、在计算尺上加带放大镜的游标等,其中带放大镜的游标不仅可以帮助视力差的工程师,还能将算尺的精度加倍。与此同时,各种奇形怪状的计算尺也纷纷登场。1879年,天王级的高精度计算尺——富勒尺被制造出来,它为1英尺长的圆柱体,上面盘绕着一条41英尺长的螺旋形 对数 标尺,精度可达5位数。

20世纪50至60年代,计算尺成为 科技人员 不可或缺的工具。工科院校要开设为期一周的计算尺课程;它被装入皮套,挂在工科学生的腰带上,成为一道随处可见的风景线。有些更为时髦的学生,戴着计算尺形状的领带夹招摇过市。计算尺成为工程师的象征。

淘汰

在20世纪70年代以前,计算尺几乎和 打字机 一样流行。 自袖珍 电子计算器 问世后,计算尺开始逐渐被淘汰,成为过时技术。

计算尺在中国

中国 最早使用计算尺的是 康熙 ,他使用的是一把象牙制成的甘特式计算尺。在很长一段时间,中国很少有人使用,用的也是舶来品。20世纪30年代后期,中国内地开始有人仿制计算尺。中国最早的生产厂家是1931年建成的上海四达尺厂。后来陆续有上海算器厂、上海新和文具工业社,但直至1949年,也只有十余家小厂。

1954年,中国计算尺生产已具有一定规模,厂家有鼎丰仪器厂、求范仪器图案工业社、学士工艺社等,尺面的材料改成了赛璐珞,还可以出口到东南亚和 印度 。1962年,计算尺全部改成了机器刻线。70年代生产规模可观,质地优良。

构造

普通计算尺的外形像个直尺, 长度为30厘米左右。 由上下两条相对固定的定尺、中间一条可以移动的滑尺和可在定尺上滑动的 游标 3个部分组成。游标是一个刻有极细的标线的玻璃片,用来精确判读。定尺和滑尺的正反面备有许多组 刻度 ,每组刻度构成一个尺标。尺标的数量与安排方式是多种多样的,在一般的排列形式中,从上到下刻有A尺标、B尺标、CI尺标、C尺标和D尺标,每个尺标左端的1为始点,右端的1为终点。其中A、B、C、D是10的 对数 刻度,CI是 倒数 刻度,从右到左排列。

分类

按用途分

计算尺除了通用尺,最多的是特种尺(也叫专用尺),这些特种尺经常把常用计算直接用特殊刻度表示,例如贷款计算、最佳买入数量或特殊的工程方程。20世纪五六十年代,不少单位、个人都动手制作或仿制计算尺。可分为工业、农业、军事、航空、生活、学习等大类,每大类至少包含十几种小类,如化工、无线电、热处理、 测绘学 、侦察、爆破药量、防原子、领航、气象、风速、风压、视距、水土保持、畜禽生产、井水消毒、刑侦、 乐理 、服装裁剪、孕周计算、袖珍心电图等。

按形状分

计算尺的形状有圆盘形、圆柱形、棱柱形、螺旋形、钟表形等,最多的还是直拉尺,其次是圆形。

按材质分

传统上,算尺由硬木制成,如 桃花心木 或 黄杨 ,加上玻璃或金属滑槽。 锣鼓标旗 用赛璐珞、塑料或铝制成;算尺上的数字和刻度,一般填上漆、 聚丙烯酸 或 聚碳酸酯 。1895年,因为竹子对温度和湿度不敏感,稳定、坚固,且润滑自然,一家日本公司开始用竹制作算尺。后来用得最多的还是硬塑料。

按使用对象和尺寸分

最常见的高端算尺是10英寸双工尺,而学生尺经常是10英寸单工。袖珍尺通常是5英寸长。通常分隔记号标到两位有效数字的精度,然后用户估算第三位数字。

常见计算尺介绍

标准直算尺

一般标准直算尺是由上尺、下尺、滑尺、滑标组成,上尺和下尺是用连接板联结而成固定的尺身。滑尺嵌在上尺和下尺的滑槽间,可以左右滑动,滑标套在计算尺的外面,也可以左右滑动,滑标的正反面各有玻璃一块,玻璃上标有红色发线一条。其基本操作是找 刻度 、拉滑尺、对刻度,移滑标( 游标 ),对红线,读结果。因此,尺长易于读准些。

富勒计算尺

富勒计算尺( 剑樋 's Slide Rule)是一种高精度滑动计算尺,由三个同心圆筒组成。最外面的圆筒有1 英尺(约合0.35米)长,上面盘绕着一条41英尺(约合12.5米)长的螺旋形刻度 标尺 ,它可以沿着中间圆筒的长度而推、拉和旋转;中间的圆筒有12英寸长,上面可以附着不同类型的纸质算表(比如本展品上具有 正弦 和 对数 刻度 );内筒完全没有刻度,用于允许附着在其上的 游标 相对于其它两个圆筒旋转、推动和拉动。算尺的底部还有一个把手,方便携带。尺身用 PF 和 黄铜 制成。

富勒 计算尺上有一个金属指针F和两个游标A、B。指针F固定在中间圆筒的底座上。游标A和B同一块金属的一部分,每次计算仅使用到A和B中的一个,可以旋转、拉动或推动它们以改变其在圆筒上的位置。比如计算X乘以Y,首先旋转外圆筒,使X指向固定指针F;然后推动内圆筒,使外圆筒上的A(或B)为1;再后旋转外圆筒,将Y指向B(或A);最后在固定指针F处读取结果。利用富勒计算尺进行算术运算的精度可达5位数字,与长度为83 英尺(约合25.3米)的 对数 标尺 精度相仿。

富勒计算尺由 贝尔法斯特女王大学 的教授乔治•富勒(George Fuller)于1878年发明并申请专利。

双面重对数计算尺

双面重对数计算尺(Log Log Duplex Slide Rule)是美国库菲尔和埃瑟公司生产的4080-3型双面重对数计算尺,由三个直尺条组成,平行对齐,中间尺条能够沿长度方向滑动;一个 玻璃 游标 套在尺条上,读数或对齐读字主要靠玻璃上的黑线,叫发线。

1002型矢量自然对数双面计算尺

1002型矢量 自然对数 双面计算尺为上海计算尺厂1968年研制。材质为木材和塑料,尺寸: 24cm×4.8cm×1cm。本尺的固定尺身中间嵌着一根可以左右抽动的尺,叫滑尺。另用两块玻璃组成滑标,套在尺身上,也可以左右滑动。读数或对齐读字主要靠玻璃上的红线,叫发线。本尺在黑尺度名字和黑数字都向右斜,表示数值向右递增;在红尺度名字和红数字都向左斜,表示数值向左递增。本尺材质为 化学 塑料,尺面色泽始终保持白色,尺身遇水不会变形。

使用方法

把 游标 上的标线和其他固定尺上的 刻度 对齐,观察尺子上其他记号的相对位置,即可实现数学运算。计算尺上的刻度都是按 对数 增长分布的,数 到左端起始刻线位置的距离与 成正比,由于对数满足 、 ,因此乘或除的结果就可以用定尺和滑尺上的两段长度相加或相减来求得。

计算尺可以计算乘除,但加减运算的过程需要在纸上自行完成。乘方、开方、 正切 、 余切 、 向量 运算等问题,只要有相应的辅助函数 刻度 ,可以通过让滑尺上的一点对准定尺上的另一点,然后移动 游标 ,借助指示线迅速读出运算结果。

计算尺的计算结果有3位 有效数字 ,能满足一般工程计算的精度要求。 高级计算尺的有效数字可达到6位。

计算流程

1.选尺: 现代计算尺分为加减和乘除两个尺度,首先根据计算需要选择尺度。

2.缩放: 在实际计算中,由于计算尺本身的长度有限,需要对所算的数据进行缩放,以适应计算尺本身的刻度限制。

3.画点: 根据加减乘除的不同特性,将点画在对应的尺子上。

4.移动: 根据计算要求移动计算尺。

5.读数: 读出缩放后的计算结果。

6.还原: 将读书按缩放 倍数 还原,得到一定精度的计算结果。

乘法

例1:求2×3=?;

利用C、D尺作乘法;

方法:C:1对D:2,对C:3读D:6,参看下图:

例2:求4×2=?

利用CI、D尺作乘法.

方法:移准线到D:4,置CI:2于准线下,移准线到CI:1,看准线读D:8,参看下图:

除法

例3:求6÷1.5=2

利用C、D尺作除法;

方法:C:1.5对D:6,对C:1读D:4,参看下图:

平方运算

利用D、A尺进行平方运算。

例:求122=?

方法:移准线到D:12,看准线读A 1 :144,参看下图:

开平方运算

利用 A、D进行开平方运算:

例:求

方法:移准线到A 1 :289,看准线读D:17,参看下图:

立方运算

利用D、K尺进行立方运算.

例:5 3 =?

方法:移准线到D:5,看准线读K 1 :125,参看下图:

主要特点

计算尺的计算原理与算盘完全不同,它是运用 对数 原理来进行数学运算的,能趋向于使“假精度”和 有效数字 的错误得到纠正。但它在科学计算上有强大的优势,故而普及、流行甚广。

计算尺的缺陷在于:精度只能达到3位数字;没有小数位,计算结果先要大致估算一下;不能直接进行加减运算;学习和使用有一定难度。所以,计算尺从始至终只是用于 科技人员 ,不曾进入大众视野。

应用

从 工业革命 到现代社会,计算尺都发挥了重要的作用。20世纪约有4000万支计算尺应用于各种行业中。在工程领域, 帝国大厦 、 胡佛水坝 、 金门大桥 、汽车液压传动装置、晶体管收音机和 波音707 、 中国“ 两弹一星 ”、 美国 “土星5号”助推火箭、苏联 人造卫星 “ 卫星一号 ”和“东方号”宇宙飞船的设计工作 等都应用了计算尺。在“阿波罗”太空任务中,便携式计算尺登上了太空。来自奥特雷德学会的文献指出,“在三个半世纪长的时间里,几乎所有在地球上建造的主要建筑和产品都是用计算尺来设计计算的”。

相关事件

钱学森用稿酬为学生购买计算尺

1958年,钱学森在美国出版的《 工程控制论 》一书被翻译成中文,由科学出版社出版,该书同时获得中国国家 自然科学 一等奖 。当时,作为 中国科学技术大学 力学和机械工程系系主任的钱学森发现,很多学生家庭贫困,买不起计算尺,于是他将《工程控制论》一书的稿酬和奖金共计1.15万元,捐赠给中国科大力学和机械工程系,为每个学生购买了一把计算尺。

计算尺算出中国首颗氢弹

20世纪60年代,中国科学家所接触到的 氢弹 知识非常有限。在研究刚开始时,中国缺少 计算机 与手摇机。没有电子设备的辅助,氢弹研究人员只能凭借计算尺计算相关数据。终于在1965年10月,研究人员摸清了氢弹原理的基本思路。

参考资料

  1. 古老算具算出中国首艘核潜艇 科技日报 2024-02-21
  2. 我的计算机收藏之旅(3):渐行渐远的尺类 中国计算机学会 2024-02-21
  3. 父亲那把印制有交大校徽的计算尺-西安交通大学档案馆 西安交通大学档案馆 2024-02-22
  4. 富勒计算尺 | 清华大学科学博物馆(筹) 清华大学科学博物馆 2024-02-22
  5. 双面重对数计算尺 | 清华大学科学博物馆(筹) 清华大学科学博物馆(筹) 2024-02-22
  6. 1002型矢量自然对数双面计算尺 | 清华大学科学博物馆(筹) 清华大学科学博物馆(筹) 2024-02-22
  7. 当年科技工作者的“好伙伴”——计算尺 华东理工大学档案馆 2024-02-21
  8. 会说话的档案 20210208期第A1版:要闻版 中煤地质报 2024-02-21
  9. 中国科大:“隐形翅膀”暖学生 钱学森用稿酬为学生买计算尺 百家号 2024-02-18
  10. 灯塔传承 | “跨界科学家”杜祥琬:用计算尺算出中国首颗氢弹 澎湃新闻 2024-02-18