Калькулятор Фуллера , иногда называемый цилиндрической логарифмической линейкой Фуллера , представляет собой цилиндрическую логарифмическую линейку с винтовой основной шкалой, совершающей 50 оборотов вокруг цилиндра. Это создает инструмент значительной точности — он эквивалентен традиционной логарифмической линейке длиной 25,40 метров (1000 дюймов). Он был изобретен в 1878 году Джорджем Фуллером, профессором инженерии в Университете Квинс в Белфасте , и, несмотря на свои размеры и цену, оставался на рынке почти столетие, поскольку превосходил почти все другие логарифмические линейки.
Как и другие логарифмические линейки, Фуллер ограничен вычислениями, основанными на умножении и делении, с дополнительными шкалами, позволяющими использовать тригонометрические и показательные функции . Механические калькуляторы, произведенные в ту же эпоху, в основном ограничивались сложением и вычитанием, и только продвинутые версии, такие как арифмометр , могли умножать и делить. Даже эти продвинутые машины не могли выполнять тригонометрию или возведение в степень, и они были больше, тяжелее и намного дороже, чем Фуллер. В середине двадцатого века появился карманный механический калькулятор Curta , который также конкурировал по удобству и цене. Однако для научных расчетов Фуллер оставался жизнеспособным до 1973 года, когда он был вытеснен карманным научным электронным калькулятором HP-35 .
По сути, калькулятор состоит из трех отдельных полых цилиндрических частей, которые могут скручиваться и скользить друг по другу вокруг общей оси без какой-либо тенденции к скольжению. Следующие детали описывают версию, сделанную между 1921 и 1935 годами. Имеется цилиндр из папье-маше (обозначенный буквой D на аннотированной фотографии) длиной около 30 сантиметров (12 дюймов) и диаметром 6,2 сантиметра (2,4 дюйма), прикрепленный к ручке из красного дерева . Второй цилиндр из папье-маше (обозначенный буквой C ) длиной 16,3 сантиметра (6,4 дюйма) и диаметром 8,1 сантиметра (3,2 дюйма) — это скользящая посадка поверх первого. Оба цилиндра покрыты бумагой, лакированной шеллаком . Второй, внешний, цилиндр напечатан с первичной логарифмической шкалой логарифмической линейки в виде 50-витковой спирали 12,70 метров; Длина 500 дюймов (41 фут 8 дюймов) с аннотациями по шкале от 100 до 1000. Латунная трубка с колпачком из красного дерева наверху вставляется в первый цилиндр. [1] [2] [3] [4]
Латунный указатель с выгравированным индексным маркером на кончике (обозначен A) прикреплен к ручке так, чтобы он указывал на место на первичной логарифмической шкале в зависимости от положения, в которое была отрегулирована шкала на цилиндре C. Второй латунный указатель (обозначен B) прикреплен к верхней крышке, направлен вниз над логарифмической шкалой, и он позиционируется путем вращения и сдвига крышки в верхней части. Этот указатель имеет четыре индексных маркера (обозначенные B1, B2, B3, B4), так что любой из них может быть использован. [1] [2] На внутреннем цилиндре D напечатаны просто таблицы данных для справочных целей. [5]
Калькулятор продавался в откидном футляре из красного дерева размером 46 на 12 на 11 сантиметров (18,1 дюйма × 4,7 дюйма × 4,3 дюйма), который при необходимости удерживал инструмент во время использования с помощью латунной подставки, которая могла быть прикреплена к внешнему концу футляра. [6] [7] Без футляра калькулятор весил около 900 граммов (32 унции). [8] Для всех, за исключением самых ранних инструментов, последние две цифры даты и серийный номер, которые, как полагают, были последовательно присвоены, проштампованы в верхней части указателя B. [9]
Калькулятор, описанный выше, назывался «Модель № 1». [6] Модель 2 имела шкалы на внутреннем цилиндре для вычисления лагов и синусов . Модель 3 «Фуллера-Бейквелла» имела две шкалы углов, напечатанные на внутреннем цилиндре, для вычисления косинуса ² и синуса ⋅ косинуса [примечание 1] для использования инженерами и геодезистами для расчетов тахеометрии . [примечание 2] [5] [12] Меньшая модель со шкалой 5,1 метра (200 дюймов) была доступна в течение короткого времени, но сохранилось очень мало таких. Примерно в 1935 году латунная трубка была заменена на трубку из фенольной смолы , а примерно в 1945 году красное дерево было заменено бакелитом . [13]
В каталог Стэнли 1912 года и вплоть до 1958 года входил калькулятор координат Барнарда. Он очень похож по конструкции на приборы Фуллера, но его указатели имеют несколько индексов, поэтому можно использовать дополнительные тригонометрические функции. Он стоил немного меньше, чем Fuller-Bakewell, и его экземпляр 1919 года хранится в Музее науки в Лондоне . [14] [15] [16] В 1962 году был представлен калькулятор комплексных чисел Whythe-Fuller . [17] [18] Помимо возможности умножать и делить комплексные числа, он может выполнять преобразования между декартовыми и полярными координатами . [19]
Необычная конструкция калькулятора с одной шкалой [примечание 3] делает его 12,70-метровую (500-дюймовую) винтовую спираль эквивалентной шкале в два раза большей длины на традиционной логарифмической линейке – 25,40 метров (1000 дюймов) в длину. Шкала всегда может быть прочитана до четырех значащих цифр , а часто и до пяти. [21] [22] В 1900 году Уильям Стэнли , чья фирма производила и продавала научные приборы, включая калькулятор Фуллера, описал логарифмическую линейку как «возможно, наивысшее усовершенствование в этом классе линеек». [23]
Когда калькулятор Фуллера был представлен, он имел гораздо большую точность, чем другие логарифмические линейки, хотя инструмент Thacher стал доступен пару лет спустя. Он был сделан в Соединенных Штатах и был сопоставим по размеру и точности, но радикально отличался по конструкции. [24] [25] [26] [27] Однако оба этих типа логарифмических линеек требовали некоторого навыка для точной работы по сравнению с механическими калькуляторами, которые манипулировали точными числовыми цифрами , а не использовали позиционирование и считывание с градуированной шкалы. Механические калькуляторы могли только складывать и вычитать (чего Фуллер вообще не делал), хотя такие модели, как арифмометр, могли выполнять все четыре функции элементарной арифметики . [26] [28] [29] Ни один механический калькулятор не мог вычислять трансцендентные функции , для которых могли быть разработаны логарифмические линейки, и они были больше, тяжелее и намного дороже любой логарифмической линейки, включая Фуллера. [26] [28] [30]
Однако революционный миниатюрный механический калькулятор поступил в продажу в середине двадцатого века — пока Курт Герцстарк был заключен в нацистском концентрационном лагере во время Второй мировой войны, он разработал конструкцию карманного механического калькулятора Curta . Он был прост в использовании и, будучи цифровым, был абсолютно точным. [30] Благодаря этим преимуществам и несмотря на его несколько более высокую цену, его общий объем продаж составил 150 000 экземпляров — более чем в десять раз больше, чем у Fuller. Его диапазон математических вычислений считался достаточным. Однако для научных вычислений Fuller оставался жизнеспособным до 1973 года, когда, вместе с Curta, он был вытеснен из употребления карманным научным электронным калькулятором Hewlett-Packard HP-35 . [31] [26] [32]
Калькулятор был изобретен Джорджем Фуллером (1829–1907 [33] ), профессором инженерии в Королевском университете Белфаста (в то время Королевский колледж). [3] Он запатентовал его в Великобритании в 1878 году, описал его в Nature в 1879 году и в том же году он также запатентовал его в Соединенных Штатах, запатентовав модель. [34] [35]
Калькуляторы Фуллера производились производителем научных приборов WF Stanley & Co. в Лондоне, который изготовил около 14 000 экземпляров в период с 1878 по 1973 год. [8] [36] [37] [5]
В Великобритании цены, установленные WF Stanley в 1900 году, составляли для модели 1 3 фунта стерлингов (что эквивалентно 410 фунтам стерлингов в 2023 году), а для модели 3 4 фунта стерлингов 10 шиллингов. [38] [примечание 4] Модель Whythe-Fuller рекламировалась в каталоге WF Stanley 1962 года по цене 21 фунт стерлингов (566 фунтов стерлингов в 2023 году). [18] Калькулятор все еще был указан в каталоге Stanley в 1976 году [примечание 5] , когда модель 1 стоила 60 фунтов стерлингов (545 фунтов стерлингов в 2023 году), а модель 2 — 61,25 фунта стерлингов. [42]
В Соединенных Штатах инструмент продавался фирмой Keuffel and Esser , которая поставляла только модель 1. Они описали его как «Спиральная логарифмическая линейка Фуллера», и за период его продажи с 1895 по 1927 год его цена выросла с 28 до 42 долларов (упав с 1025 до 737 долларов в ценах 2023 года). [43] [примечание 6]
С момента первой маркировки серийных номеров (около 1900 г.) и до прекращения производства в 1973 г. было изготовлено около 14 000 инструментов. [примечание 7] Производство составляло около 180 инструментов в год, но снизилось примерно после 1955 г. [9] [45] В 1949 г. Британская энциклопедия , отметив, что Фуллер был разработан в 1878 г., сообщила, что он «широко используется до настоящего времени». [46]
В 1958 году математик и физик Дуглас Хартри [примечание 8] писал, что Fuller «... дёшев по сравнению с настольной машиной [примечание 9] и может оказаться очень полезным в работе, для которой его точность достаточна, и в обстоятельствах, в которых стоимость настольной машины непомерно высока. [...] С одной из этих логарифмических линеек и арифмометром можно выполнить много полезной числовой работы...». [49] В 1968 году стандартный Fuller стоил около 50 долларов, в то время как электронный настольный калькулятор Hewlett-Packard HP 9100A (весом 40 фунтов (18 кг)) стоил чуть менее 5000 долларов. [50] [51] Но в 1972 году Hewlett-Packard представила HP-35 , первый карманный калькулятор с научными функциями, по цене 395 долларов — Fuller был снят с производства в следующем году. [52] [31]
Инструмент работает по принципу, что два указателя устанавливаются на соответствующем расстоянии на винтовой шкале калькулятора. Соответствующие числа индексируются путем отдельной регулировки как подвижного цилиндра, так и подвижного указателя. Поскольку шкала логарифмическая, разделение представляет собой отношение чисел. Если затем цилиндр перемещается без изменения положения указателей, это же отношение применяется к любой другой паре адресованных чисел. [53] Другими словами, это логарифмическая шкала Гюнтера , свернутая в спираль, при этом точки компаса Гюнтера определяются указателями A и B. [54]
Чтобы умножить два числа, p и q , цилиндр C вращается и сдвигается до тех пор, пока указатель A не укажет на p, а затем указатель B перемещается так, чтобы B1 указывал на 100. Затем цилиндр C перемещается так, чтобы B1 указывал на q. [примечание 10] Затем произведение считывается с указателя A. Десятичная точка определяется как с помощью обычной логарифмической линейки. В конце вычисления логарифмическая линейка уже установлена для продолжения дальнейших умножений ( p x q x r ... ). [1]
Чтобы разделить p на q , цилиндр C поворачивается и сдвигается до тех пор, пока указатель A не укажет на p , B1 переносится на q , цилиндр C перемещается так, чтобы перенести 100 на B1, и частное считывается с указателя A. [56] Оказывается, особенно эффективно чередовать умножение с делением. [57]
На калькуляторе есть еще две шкалы, которые позволяют вычислять логарифмы и делать такие оценки, как p q и . [58] [53] Шкалы линейные , и одна выгравирована по длине указателя B, а другая напечатана по окружности верхней части цилиндра C. Индекс B1 устанавливается на соответствующее значение на цилиндре C, а затем снимаются два показания. Первое показание берется со шкалы на указателе B, где он пересекает самую верхнюю спираль винтовой шкалы на цилиндре. Второе показание берется со шкалы на верхней окружности цилиндра C, где он пересекает левый край указателя B. Сумма показаний дает мантиссу логарифма значения. [примечание 11] [60]
Для приборов модели 2 со шкалами на внутреннем цилиндре D имеется индексная метка, нанесенная как на верхний, так и на нижний края цилиндра C. В качестве примера использования, когда нижняя индексная метка установлена на угол, напечатанный на нижней шкале на цилиндре D, указатель A указывает на соответствующее значение синуса на цилиндре C. Тот же подход применим для логарифмической шкалы на верхней части цилиндра D. [примечание 12] Модель 3 Фуллера-Бейквелла используется таким же образом, но ее шкалы на цилиндре D предназначены для косинуса² и синуса ⋅ косинуса [примечание 1] [примечание 2] (см. фотографию) . [61]