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Manual / Guide · 1942

Der logarithmische Rechenschieber und sein Gebrauch (3rd, enlarged edition)

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Nestler's own general instruction book for its rules. § 23–25 describe the System Rietz No. 23 (scales O1/O2 = A/B, U1/U2 = D/C, C = cube scale K, R = reciprocal, L, slide reverse S, S & t, T; the 1:25 map scale and millimetre scales); §§ 92–93 give the Rietz sine and small-angle procedures, including reading sines through the cut-out in the back of the stock. No model-specific 23 R leaflet was found online; this is the closest Nestler-authored manual.

Author
Albert Nestler A.-G., Lahr (Baden)
Year
1942
Type
Manual / Guide
Language
German
Credit
Albert Nestler A.-G.; digitised copy published via museum-digital (Rheinland-Pfalz).
  • slide rule
  • Nestler

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Der logarithmische Rechenschieber und sein Gebrauch (3rd, enlarged edition)

ALBERT NESTELER A-G, LAHR (BADEN) Der logarithmische Rechenschieber und sein Gebrauch Dritte vermehrte und verbesserte Auflage 1942 Alle Rechte, auch das der Übersetzung in fremde Sprachen vorbehalten Copyright Albert Nestler AG Vorwort Der Zweck des Rechenschiebers ist es, schnell, und sicher alle Multiplikationen und Divisionen, das Quadrieren und Quadratwurzelziehen, die Berechnung von Kubikzahlen und Kubikwurzeln zu bewältigen. Ebenso leicht liefert er höhere Potenzen und Wurzeln, Logarithmen und trigonometrische Funktionen, sowie reziproke Werte, kurz, er ersetzt eine umfangreiche Tafel. Dabei wird das lästige Blättern und Interpolieren völlig vermieden, und wegen seiner handlichen Ausführung kann er leicht ins Bureau, auf die Baustelle und in den Hörsaal mitgenommen werden. Diesen Vorzügen verdankt er die große Verbreitung, welche er in Ingenieurkreisen gefunden hat. Aber auch der Kaufmann, der Chemiker, der Holzhändler, der Elektrotechniker, der Student der Mathematik, der Geometer, kurz jeder, der mit Rechnungen viel zu tun hat, kann ihn gebrauchen und wird ihn, wenn er einmal mit ihm vertraut geworden ist, nie mehr aus der Hand lassen. Wenn auch die Grundgedanken unserer Systeme sich gleichbleiben, so ist doch durch eine Reihe von Spezialkonstruktionen dafür gesorgt, daß jedem Beruf gerade die Rechnungen, die für ihn besonders in Frage kommen, nach Möglichkeit erleichtert werden. Die Genauigkeit des Rechenschiebers genügt stets den Erfordernissen der Praxis. Soll sie aus besonderen Gründen, z. B. in der Mathematik oder Astronomie, gesteigert werden, so gibt es einfache Regeln, welche dies bis zu jedem gewünschten Grade gestatten. Die betreffenden Paragraphen sind mit einem Sternchen versehen, da sie bei einer ersten Einführung in den Gebrauch des Rechenschiebers überschlagen werden können. Vorwort1 I. Kapitel Genauigkeit und Abschätzung der Zahlen.........................................................1 § 1. § 2. § 3. § 4. § 5. § 6. § 7. § 8. § 9. Wertziffern. ............................................................................................................................ 1 Genauigkeit. Näherungswerte. ................................................................................................. 1 Die Behandlung der Brüche. .................................................................................................... 2 Kennziffer und Stellenzahl. ....................................................................................................... 2 Eine bequeme Schreibweise der Zahlen. .................................................................................. 2 Abschätzung........................................................................................................................... 3 Beispiele für Abschätzungen. ................................................................................................... 3 Wie erhält man größere Genauigkeit? ...................................................................................... 4 Die Notwendigkeit bequemer Rechenhilfsmittel.......................................................................... 4 II. Kapitel Das Rechnen mit Logarithmen...........................................................................5 § 10. § 11. § 12. § 13. § 14. § 15. § 16. § 17. § 18. § 19. § 20. Das Aufsuchen des Logarithmus. ............................................................................................. 5 Multiplikation mit Logarithmen. ................................................................................................. 5 Division mit Logarithmen. ......................................................................................................... 5 Ergänzungslogarithmen. .......................................................................................................... 6 Division mit Ergänzungslogarithmen. ......................................................................................... 6 Multiplikation mit Ergänzungslogarithmen. ................................................................................. 7 Potenzieren mit Logarithmen.................................................................................................... 7 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ......................................................................................... 7 Radizieren mit Logarithmen...................................................................................................... 7 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ......................................................................................... 8 Vorteile und Nachteile dos Logarithmenrechnens. Der Rechenschieber. ...................................... 8 III. Kapitel Die Einrichtung des Rechenschiebers. ....................................................................10 § 21. § 22. § 23. § 24. § 25. § 26. § 27. § 28. § 29. Einiges aus der Geschichte des Rechenschiebers. .................................................................. 10 Die Bestandteile des Rechenschiebers. Die Rechenwalze. ....................................................... 10 Rechenschieber Nr. 14, System Rietz, System Darmstadt ....................................................... 10 Die Skalen des Schiebers Nr. 14............................................................................................ 10 Die Skalen des "System Rietz"............................................................................................... 11 Die Skalen des "System Darmstadt"....................................................................................... 12 Graphische Addition und Subtraktion. ..................................................................................... 13 Die Entstehung einer logarithmischen Skala. ........................................................................... 13 Die Intervalle der verschiedenen Skalen. Ablesen und Einstellen. .............................................. 14 IV. Kapitel Die Multiplikation.........................................................................................................15 § 30. § 31. § 32. § 33. § 34. § 35. § 36. § 37. § 38. § 39. § 40. § 41. § 42. § 43. Die Multiplikation durch graphische Addition der Logarithmen. .................................................. 15 Beispiele zum vorhergehenden Paragraphen. .......................................................................... 16 Der Rechenschieber als Multiplikationstabelle. Kreisumfänge. .................................................. 17 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ....................................................................................... 18 Umrechnung von Münzen, Maßen und Gewichten. ................................................................... 19 Die Verschiebung der Zunge um eine Einheit. .......................................................................... 20 Wiederholte Multiplikation. ..................................................................................................... 21 Die Ermittelung der Stellenzahl ohne Abschätzung. (P-1).......................................................... 22 Hilfsmittel zur Steigerung der Genauigkeit. .............................................................................. 22 Rechenwalzen. ..................................................................................................................... 22 Steigerung der Genauigkeit ohne mechanische Hilfsmittel......................................................... 23 Abgekürzte Multiplikation. ...................................................................................................... 25 Genaues Multiplizieren großer Zahlen mit dem Rechenschieber. ............................................... 27 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ....................................................................................... 28 § 44. § 45. Multiplikation mit der Skala R. ................................................................................................ 29 Die Multiplikation dreier Faktoren bei Benutzung der Skala R.................................................... 29 V. Kapitel Die Division. .......................................................................................................31 § 46. § 47. § 48. § 49. § 50. § 51. § 52. § 53. § 54. § 55. § 56. § 57. § 58. § 59. § 60. § 61. § 62. § 63. Division durch graphische Subtraktion der Logarithmen. ........................................................... 31 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ....................................................................................... 31 Die Ermittlung der Stellenzahl ohne Abschätzung. (Q + 1). ....................................................... 33 Der Rechenschieber als Proportionalitätstabelle. ..................................................................... 33 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ....................................................................................... 33 Brüche mit verschiedenen Zählern und gleichen Nennern. ......................................................... 34 Mehrfache Division................................................................................................................ 35 Zusammengesetzte Multiplikation und Division. ........................................................................ 35 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ....................................................................................... 36 Die Lösung linearer Gleichungen mit mehreren Unbekannten. ................................................... 37 Näherungsweise Darstellung eines Bruches durch kleinere Zahlen. ........................................... 38 Reziproke Werte................................................................................................................... 40 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ....................................................................................... 40 Division mit der reziproken Skala............................................................................................ 42 Brüche mit gleichen Zählern und verschiedenen Nennern. Umgekehrte Proportionalität. .............. 42 Abgekürzte Division............................................................................................................... 43 Erhöhung der Divisionsgenauigkeit durch Reihenentwicklung..................................................... 45 Erhöhung der Divisionsgenauigkeit durch Umformung. .............................................................. 46 VI. Kapitel Potenzen und Wurzeln...............................................................................................47 § 64. § 65. § 66. § 67. § 68. § 69. Das Quadrieren. ................................................................................................................... 47 Steigerung der Genauigkeit beim Quadrieren. ......................................................................... 48 Die Kreisfläche. .................................................................................................................... 48 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ....................................................................................... 50 Steigerung der Genauigkeit bei der Berechnung von Kreisflächen. ............................................ 51 Berechnung von Kreisteilen. Bogenmaß. ................................................................................. 51 § 70. Ausdrücke von der Form § 71. § 72. § 73. § 74. § 75. § 76. § 77. § 78. § 79. § 80. § 81. § 82. § 83. § 84. § 85. Quadratwurzeln. ................................................................................................................... 55 Quadratwurzeln aus zusammengesetzten Ausdrücken. Kreisdurchmesser. ................................ 57 Steigerung der Genauigkeit bei Quadratwurzeln. ..................................................................... 59 Kubikzahlen. ......................................................................................................................... 60 Kugelinhalte.......................................................................................................................... 60 Erhöhung der Genauigkeit. .................................................................................................... 61 Kubikwurzeln. ....................................................................................................................... 61 Genauere Berechnung der Kubikwurzeln................................................................................. 63 Potenzen mit höheren Exponenten. Das Hornerscherna............................................................ 63 Wurzeln mit höheren Wurzelexponenten. ................................................................................. 64 Bruchpotenzen...................................................................................................................... 65 Die Potenzskalen des "Dar mst adt Nr . 21" und ihr Zusammenhang. ...................................... 65 Die Berechnung von Potenzen mit "System Darmstadt Nr. 21" für den Fall positiver Exponenten. 68 Die Berechnung von Potenzen und Wurzeln mit beliebigen Exponenten durch "System Darmstadt".70 Erweiterung des Bereiches für den Rechenschieber Nr. 21 System Darmstadt. ......................... 70 a b2 , a2 b , a² ⋅ b², a2 b2 ...................................................................... 54 VII. Kapitel. ............................................................................................................................72 Logarithmen und trigonometrische Funktionen.........................................................................72 4 § 86. § 87. § 88. § 89. § 90. § 91. § 92. § 93. § 94. § 95. § 96. § 97. § 98. § 99. § 100. Die Aufsuchung des Logarithmus............................................................................................ 72 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ....................................................................................... 73 Logarithmen mit beliebiger Basis............................................................................................ 73 Steigerung der Genauigkeit beim Logarithmieren..................................................................... 74 Steigerung der Genauigkeit bei. Aufsuchen des Numerus. ........................................................ 75 Die trigonometrischen Funktionen. .......................................................................................... 76 Die Aufsuchung von sin α, cos α, sec α, cosec α. ................................................................... 77 Die Aufsuchung der trigonometrischen Funktionen für Winkel nahe an 0° und an 90°. ................. 78 Beispiele zu den vorigen Paragraphen. ................................................................................... 79 Tangens und Cotangens. ....................................................................................................... 81 Beispiele zum vorigen Paragraphen. ....................................................................................... 81 Zusammengesetzte Ausdrücke, die aus trigonometrischej Funktionen gebildet sind. ................... 82 Steigerung der Genauigkeit bei der Aufsuchung trigonometrischer Funktionen............................ 83 Steigerung der Genauigkeit bei der Aufsuchung der Winkel. ..................................................... 84 Beispiele zu den vorigen Paragraphen. ................................................................................... 84 VIII. Kapitel. ............................................................................................................................86 § 101. Zinseszins- und Rentenrechnung. ........................................................................................... 86 IX. Kapitel. .....................................................................................................................................90 Trigonometrie. ..............................................................................................................................90 § 102. Vorbemerkung. ..................................................................................................................... 90 § 103. Das rechtwinklige Dreieck. .................................................................................................... 90 § 104. Differentialformeln................................................................................................................. 91 § 105. Einiges über Vektoren. .......................................................................................................... 92 § 106. Komplexe Zahlen. ................................................................................................................. 94 § 107. Das schiefwinklige Dreieck. ................................................................................................... 96 § 108. Die Berechnung des schiefwinkligen Dreiecks. ........................................................................ 96 1. Grundaufgabe........................................................................................................................ 96 2. Grundaufgabe........................................................................................................................ 98 3. Grundaufgabe........................................................................................................................ 98 4. Grundaufgabe...................................................................................................................... 100 5. Grundaufgabe...................................................................................................................... 101 § 109. Differentialformein für das schiefwinklige Dreieck. ..................................................................102 Zusammenstellung von Bezeichnungen. .................................................................................105 Schlußwort. ................................................................................................................................105 I. Kapitel Genauigkeit und Abschätzung der Zahlen. § 1. Wertziffern. Ein Gußstück wiege 34,136 kg, ein zweites 24,136 kg, ein drittes 34,126 kg. Das zweite ist erheblich leichter als das erste, das dritte nur ganz unwesentlich. In beiden Fällen ist eine Ziffer der ersten Zahl (3) um 1 vermindert worden. Die sehr verschiedenartige Wirkung dieser Verkleinerung beruht darauf, daß dies Schicksal eine Ziffer von verschiedenem Stellenwert betrifft. Die Zahl, welche das Gewicht des ersten Gußstückes am wesentlichsten kennzeichnet, ist die am Anfang stehende 3, wir nennen sie die erste Wertziffer. Wird sie geändert, so macht das außerordentlich viel aus. Die zweite Wertziffer, hier 4, ist schon zehnmal weniger bedeutungsvoll, sie zählt die Einer, während die erste 3 die Anzahl der Zehner angibt. Die dritte Wertziffer ist 1, die vierte 3, die fünfte 6. Verringert man die erste Wertziffer um 1, so wird in unserm Beispiel das Gewicht um 10 kg geringer, wird die vierte Wertziffer um 1 kleiner gemacht, so sinkt das Gewicht nur um 10 Gramm, trotzdem die beiden Ziffern denselben Wert (3) haben. Man kann das erste Gewicht auch gleich 34.136 g oder 0,034136 t schreiben. In beiden Fällen ist die erste Wertziffer 3; wir wollen also bei Zahlen, die mit 0, oder mit 0,0; 0,00 usw. beginnen, die Nullen am Anfang nicht mitzählen, sondern die erste von 0 verschiedene Zahl als erste Wertziffer bezeichnen. Entnimmt man z. B. einer Tafel lg 2 = 0,30103, so ist die erste Wertziffer 3, die zweite 0, die dritte 1, die vierte 0, die fünfte 3. § 2. Genauigkeit. Näherungswerte. Die Anzahl der als richtig verbürgten Wertziffern gibt uns Aufschluß über die Genauigkeit der betreffenden Zahl. Bekanntlich wird der Umfang eines Kreises gefunden, wenn man den Durchmesser mit der Zahl π multipliziert. Man hat gefunden, daß π = 3,14159265358979... ist. Diese Zahl ist hier auf 15 Wertziffern genau angegeben worden. Man hat sie sogar auf mehr als 700 Wertziffern berechnet. Indessen ist es sinnlos, mit so hoher Genauigkeit zu rechnen, weil die höheren Wertziffern den Betrag der Zahl kaum merkbar beeinflussen, also in der Praxis ganz belanglos sind und nur unnötige Rechenarbeit verursachen. Man arbeitet deshalb mit Näherungswerten. In alter Zeit mußte man es tun, weil die Methoden der Mathematik noch nicht genügend entwickelt waren, um genauere Zahlen zu liefern, in neuerer Zeit benutzt man sie, um bei der Rechnung keine unnötigen Zahlen mitzuschleppen. Solche Näherungswerte sind (das Zeichen ∼ bedeutet "ungefähr gleich"): π∼3 (1. Könige 7, 23) 16 2 256 ) = = 3,160... 9 81 22 1 = 3 = 3,1428... π∼ 7 7 (Papyrus Rhind, 2000 Jahre v. Chr.) π ∼ 3,14 (in der Technik üblich) π∼ ( (Archimedes, 287-212 v. Chr.) 333 = 3,1415094... 106 355 π∼ = 3,14159292... 113 π∼ Der erste Wert hat nur eine, der zweite 2, der dritte und vierte 3, der fünfte 5, der sechste 7 richtige Wertziffern. Die Archimedische Zahl ist noch ein wenig genauer, als die in der Technik übliche, und dabei für das Kopfrechnen bequemer. Hat ein Kreis den Durchmesser 1 m, so macht man bei Benutzung des ersten Näherungswertes bei der Berechnung des Umfanges einen Fehler (Wahrer Wert - Rechnung) von 14,2 cm; für die folgenden 1 Näherungszahlen erhält man: 2) -1,84 cm; 3) -1,21 mm; 4) + 1,59 mm; 5) 0,0832 mm ∼ mm; 12 6) -0,000267 mm ∼ 1 mm. 3750 In der Praxis kommt man fast ohne Ausnahme mit einer Genauigkeit von drei Wertziffern aus. Man verwendet z. B. bei graphischen Darstellungen Millimeterpapier, auf dem man eine Strecke von 4,2 cm 1 In der Praxis kommt man fast ohne Ausnahme mit einer Genauigkeit von drei Wertziffern aus. Man verwendet z. B. bei graphischen Darstellungen Millimeterpapier, auf dem man eine Strecke von 4,2 cm genau, 4,24 cm nach Augenmaß (Abschätzung der Zehntelmillimeter) abtragen kann. Technische Messungen sind meistens prozentual viel ungenauer, bei Temperaturangaben erhält man, wenn nicht gerade Präzisionsinstrumente benutzt werden, und man noch Zehntelgrade schätzt, Angaben wie 12,4°, 17,7° usw., aber nicht 12,4021° u. dgl. Die Angabe dreier Wertziffern genügt für die Praxis. Gerade diese Genauigkeit liefert der Rechenschieber, unnötige Zahlen läßt er automatisch verschwinden. § 3. Die Behandlung der Brüche. Aufgaben, wie 2 3 17 −1 5 19 , 30 1 7 ⋅3 5 1 5 , 311 : 18 u. dgl sind recht lästig. Sie werden viel einfacher, wenn 16 6 29 man die gewöhnlichen Brüche in Dezimalbrüche verwandelt. Das ist bei Benutzung des Rechenschiebers eine Kleinigkeit1. Es ist wirklich kein Zufall, daß die Maßeinheiten, welche in neuerer Zeit eingeführt wurden, wie Meter, Kilogramm u. dgl. dezimal geteilt wurden, da man mit Dezimalbrüchen ebenso bequem rechnen kann, wie mit ganzen Zahlen, wenn man nur die einfachen Regeln über die Stellung des Kommas, welche in jedem Rechenbuch stehen, richtig anwendet. Hier darf allerdings nie ein Versehen vorkommen, weil dadurch das Ergebnis, dessen Ziffern richtig gefunden sein mögen, gleich zehn- oder hundertmal zu groß oder zu klein wird. Würde z. B. jemand den Inhalt eines Kreises vom Radius 4 cm (r²π) gleich 48 setzen, so würde das Ergebnis von der Wahrheit (J = 50,265...) wegen des ungenauen Näherungswertes der Zahl π (π ∼ 3) natürlich abweichen, aber der Fehler ist nicht entfernt so schlimm, als daß man J = 5,0265 oder 502,65 setzen würde. § 4. Kennziffer und Stellenzahl. Die erste Ziffer einer bestimmten Zahl spielt in ihr die wichIgste Rolle. Ob die Zimmertemperatur 12,3° oder 22,3° ist, das bedeutet einen großen Unterschied. Die zweite Wertziffer hat eine zehnmal so geringe Bedeutung usf. Vergleicht man aber zwei verschiedene Zahlen miteinander; so kommt es auf die Stellenzahl an. Hat z. B. jemand 13457 RM., ein anderer 134,57 RM., so werden beide verhältnismäßig dieselbe Freude empfinden, wenn eine unerwartete Einnahme die erste Wertziffer von 1 auf 2 emporschnellen läßt. Absolut genommen hat aber der erste einen Gewinn von 10000 RM. zu buchen, der zweite nur einen von 100. Das Vermögen des ersten wird durch eine fünfstellige Zahl ausgedrückt, das des zweiten nur durch eine dreistellige. Wir wollen einer Zahl, welche mit Einern beginnt, die Stellenzahl (SZ) 1 geben, fängt sie mit Zehnern an, so sei ihre Stellenzahl 2, bei Hunderten 3 usw. Bei 0,4 setzen wir SZ = 0, bei 0,032 SZ = -1, bei 0,00625 SZ = -2 usf. Bei echten Brüchen verstehen wir also unter der Stellenzahl die Anzahl der Nullen, welche rechts vom Komma vor der ersten von 0 verschiedenen Ziffer stehen, wir müssen sie aber mit einem negativen Vorzeichen versehen. Beispiele: Zahl 3,14 273 0,434 0,009 86400 Stellenzahl 1 3 0 -2 5 Kennziffer 0 2 -1 -3 4 Die in der letzten Rubrik aufgeführte Kennzif f er entsteht einfach dadurch, daß wir die Stellenzahl um 1 vermindern. § 5. Eine bequeme Schreibweise der Zahlen. Man darf wohl als bekannt voraussetzen, daß unter a² das Produkt a • a verstanden wird, unter a³ der Ausdruck a • a • a usw. Es ist zweckmäßig, a1 = a zu setzen, a −1 = 1 a ,a −2 = 1 a 2 usf. Nimmt man für a den Wert 10 an, so ist 100 = 1; 101 = 10; 10² = 100; 10³ = 1000; 104 = 10000 usf. 10 −1 = 1 10 = 0,1; 10 −2 = 1 10 2 = 0, 01; 10 −3 = 0, 001; 10 −4 = 0, 0001 usw. Die Zahl 318,25 = 300 + 10 + 8 + 0,2 + 0,05 kann also geschrieben werden: 3 ⋅ 10² + 1 ⋅ 101 + 8 ⋅ 100 + 2 ⋅ 10-1 + 5 ⋅ 10-2. Aus diesem Beispiel ersieht man, warum die Kennziffern so festgesetzt werden, wie es eben geschah. Man kann auch sagen: 318,25 = 3,1825 ⋅ 102 oder 31,825 ⋅ 101 oder 318,25 ⋅ 100 oder 3182,5 ⋅ 10-1 oder 31825 ⋅ 10-2 oder 318250 ⋅ 10-3. Es ist meistens am zweckmäßigsten, die vor der Potenz 2 von 10 stehende Zahl einstellig anzunehmen, also etwa 0,062 = 6,2 ⋅ 10-2 zu setzen; ebenso 6370000 = 6,37 ⋅ 106. § 6. Abschätzung. Oft will man nur einen ganz ungefähren Näherungswert wissen, besonders dann, wenn die Zahlen, welche der Aufgabe zugrunde liegen, recht unsicher sind, oder wenn es sich um eine Ueberschlagsrechnung handelt. In diesem Fall genügt es, wenn man alle Zahlen auf eine, höchstens auf zwei Wertziffern abrundet. Gerade bei Abschätzungen ist die soeben vorgeschlagene Schreibweise der Zahlen, welche die Potenzen von 10 benutzt, sehr zweckmäßig. § 7. Beispiele für Abschätzungen. Beispiel 1. Ein Grundstück ist 32 m lang und 15 m breit. Die Baugrube soll 1,8 m tief sein. Wieviel wiegt ungefähr die herauszuschaffende Erde, wenn 1 cdm davon 1,9 kg wiegt? Lösung: Der Inhalt der Grube ist 32 ⋅ 15 ⋅ 1,8 cbm. 1 cbm Erde wiegt 1,9 t, also die gesamte Erdmasse 32 ⋅ 15 ⋅ 1,8 ⋅ 1,9 t. Abschätzung: 3 ⋅ 101 ⋅ 1,5 ⋅ 101 ⋅ 2 ⋅ 2 = 18 ⋅ 102 = 1800 t. Da 1 t = 20 Zentner ist, müssen ungefähr 36 000 Zentner Erdreich entfernt werden. Der genaue Wert ist 1641,6 t = 32832 Zentner. Die Größenordnung ist also bei der Abschätzung richtig getroffen, sie illustriert die hohen Kosten der Erdbewegung. Beispiel 2. Das Licht legt in jeder Sekunde 300000 km zurück Welche Strecke durchläuft es in einem Jahr? Lösung: Eine Minute hat 60 sec, 1 Stunde 3600 sec, 1 Tag 24 ⋅ 3600 sec, ein Jahr 365,25 ⋅ 24 ⋅ 3600 sec. Um die gesuchte Entfernung x zu erhalten, muß man die Zahl der Sekunden mit 300000 multiplizieren, also ist x = 365,25 ⋅ 24 ⋅ 3600 ⋅ 300 000 km x = 3,6525 ⋅ 102 ⋅ 2,4 ⋅ 101 ⋅ 3,6 ⋅ 103 ⋅ 3 ⋅ 105 km x ∼ 4 ⋅ 102 ⋅ 2 ⋅ 101 ⋅ 4 ⋅ 103 ⋅ 3 ⋅ 105 km = 96 ⋅ 1011 km = 9,6 ⋅ 1012 km . Der genauere Wert ist 9,467 ⋅ 1012 km, also etwa 9½ Billionen km. Beispiel 3. Die Erde ist angenähert eine Kugel vom Radius r = 6370 km. Ihr Eigengewicht ist etwa s = 5,5 g/ccm. Wieviel wiegt sie? Lösung: Der Inhalt einer Kugel ist 4 3 3 ⋅ r ⋅ π ihr Gewicht also 4 3 3 ⋅ r ⋅ π ⋅ s. Wollen wir die Lösung in Gramm haben, so müssen wir den Radius in cm umrechnen. 6370 km = 6,370 ⋅ 103 km = 6,370 ⋅ 103 ⋅ 103 m = 6,370 ⋅ 103 ⋅ 103 ⋅ 102 cm. Das Gewicht ist: G= 4 3 8 3 ⋅ 3,14 ⋅ (6, 37 ⋅ 10 ) ⋅ 5, 5 Gramm . Wir setzen π ∼ 3, also 4 3 24 ⋅ π ∼ 4 , g ∼ 4 ⋅ 6,37³ ⋅ 10 ⋅ 6. Da 6 ⋅ 6 = 36, können wir 6,37² ∼ 40 setzen 6,36³ ∼ 40 ⋅ 6,37 ∼ 250. g ∼ 4 ⋅ 250 ⋅ 1024 ⋅ 6 = 6000 ⋅ 1024 = 6 ⋅ 1027 g. Das sind 6 ⋅ 1024 kg oder 6 ⋅ 1021 t (6000 Trillionen Tonnen). Der genauere Wert ist 5,95 ⋅ 1021 t. Beispiel 4. Wieviel wiegt die Lufthülle der Erde, wenn auf 1 qcm ihrer Oberfläche ein Druck von 1,033 kg ausgeübt wird? Lösung: Die Oberfläche einer Kugel ist 4 ⋅ r² ⋅ π, also in qcm: O = 4 ⋅ π ⋅ 6,37² ⋅ 1016 qcm. Da auf jedem qcm 1033 g lasten, ist das gesuchte Gewicht G1 = 4 ⋅ π ⋅ 6,37² ⋅ 1016 ⋅ 1,033 ⋅ 103 g ∼ 12 ⋅ 40 ⋅ 1016 ⋅ 1⋅ 103 g G1 ∼ 480 ⋅ 1019 ∼ 5 ⋅ 1021 g (genauer G1 ∼ 5,27 ⋅ 1021 Gramm). Natürlich ist die Erdmasse viel schwerer als ihre Lufthülle, das Verhältnis ist ungefähr 6 ⋅ 10 27 5 ⋅ 10 21 6 ∼ 10 27 = 1 Million. (Der genauere Wert ist 5, 95 ⋅ 10 5, 27 ⋅ 10 21 = 1,13 ⋅ 106 Beispiel 5. Ein stromführender Draht soll den Querschnitt 6 qmm haben. Jemand entnimmt einer technischen Tabelle, daß der Durchmesser d = 8,74 mm ist. Stimmt das? Lösung: Q = π ⋅ d 2 4 , also in unserm Fall Q ∼ 3⋅9 4 2 ∼ 3 ⋅ 80 4 = 60 . 3 Das Ergebnis ist falsch, es gehört zu Q = 60 qmm. Der richtige Wert ist d = 2,76 mm. § 8. Wie erhält man größere Genauigkeit? Man könnte einwenden, daß die eben gelehrte Methode des Abschätzens nur sehr rohe Resultate liefere. Mehr soll sie aber auch gar nicht leisten; will man größere Schärfe haben, so wird man an die Regeln des gewöhnlichen Rechnens denken. Vereinigen wir einmal die willkürlich angenommenen Zahlen 412,9 und 3,2655 durch die vier Grundrechnungsarten! Die Addition und Subtraktion ist spielend ausgeführt: 1. 412,9 2. 412,9 +3,2655 -3,2655 416,1644 409,6345 Enthalten die Ergebnisse mehr Wertziffern, als man braucht, so ist die Abrundung im Augenblick geschehen; auf vier Wertziffern genau erhält man 416,2 und 409,6; auf drei Wertziffern 416 und 410. Addition und Subtraktion machen also keine neuen Rechenmethoden notwendig, sie sind schon einfach genug. Nun aber Multiplikation und Division! Wir rechnen zunächst so, wie wir es in der Schule gelernt haben: 3. 412,9 4. 412,90 : 3,2655 = 126,4431... X 3,2655 326,55 20645 86350 140800 20645 65310 130620 24774 210400 101800 8258 195930 97965 12387 144700 38350 1348,32495 130620 32655 140800 5695 § 9. Die Notwendigkeit bequemer Rechenhilfsmittel. Wir sehen, daß diese beiden Rechnungsarten eine gewaltige Mehrarbeit erfordern, die rein mechanisch, geisttötend und daher auch wirtschaftlich unrationell ist. Wie leicht kann ein einziger Rechenfehler sich einschleichen und die ganze Mühe vergeblich machen! Beim Pot enzier en ist es noch schlimmer, da es eine wiederholte Multiplikation ist und erst recht bei der Umkehrung dieser Operation, dem Wurzelziehen oder Radizieren. Alle diese Rechnungsarten sind von hervorragender praktischer Bedeutung; Flächen- und Körperberechnungen, Umwandlung von Maßen, Gewichten und Geldsorten der verschiedenen Länder, die Ermittlung der einfachen Zinsen und der Zinseszinsen usw. erfordern Multiplikation und Division, oft auch Potenzieren und Radizieren. So hat man sich schon lange nach Hilfsmitteln umgesehen, welche dem Rechner den größten Teil seiner mühsamen Arbeit abnehmen. Die Praxis benutzt fast ausschließlich Nestlers Rechenschieber. Derartig fein durchkonstruierte Instrumente sind nicht auf einmal fertig da; sie haben ihre Vorläufer, nämlich die Logarithmentafeln, welche früher fast ausschließlich zur Erleichterung des Rechnens dienten. Um die Einrichtung des Rechenschiebers zu verstehen, muß man die wichtigsten Sätze der Logarithmenrechnung kennen. Sie seien hier ohne Beweise (die sich in jedem Lehrbuch der elementaren Algebra finden) angegeben. 4 II. Kapitel Das Rechnen mit Logarithmen. § 10. Das Aufsuchen des Logarithmus. Der Logarithmus einer Zahl besteht aus zwei Teilen, der Kennzif f er und dem Dezimalbr uch (Mantisse). Wie man die Kennziffer findet, ist auf S. 2 schon angegeben, die Mantissen sind ein für allemal berechnet und in den Logarithmentafeln niedergelegt. Da diese Dezimalbrüche im allgemeinen nie abbrechen, so müssen sie abgerundet werden. je nach der Anzahl der Wertziffern, die dabei verbürgt werden, unterscheidet man vier-, fünf-, . zehn- und mehrstellige Tafeln. Die vielstelligen Tafeln sind genauer, aber auch bei weitem unbequemer als die, welche nur 4 oder 5 Wertziffern haben. Aber auch deren Genauigkeit ist in der Praxis nur selten erforderlich, meist genügen, wie schon früher erwähnt, drei Wertziffern. Wir teilen hier einen kleinen Auszug aus einer vierstelligen Tafel mit: Zahl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Mantisse 0 3010 4771 6021 6990 7782 8451 9031 9542 0 0414 0792 1139 Zahl 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Mantisse 1461 1761 2041 2304 2553 2788 3010 3222 3424 3617 3802 3979 Will man z. B. lg 20 finden, so entnimmt man der Tafel die Mantisse 3010; die Kennziffer ist 1, also erhält man lg 20 = 1,3010. Entsprechend ist lg 2 = 0,3010; lg 200 = 2,3010; lg 2000 = 3,3010; lg 0,2 = 0,3010 - 1; lg 0,02 = 0,3010 - 2 usw. Dieselbe Ziffernfolge (hier 20...) hat dieselbe Mantisse (3010); der Unterschied der absoluten Größe (0,2; 2; 200 u. dgl.) wird allein durch die Kennziffer zum Ausdruck gebracht. Man kann natürlich aus einer Logarithmentafel auch die Zahl (Numer us ) finden, die zu einem gegebenen Logarithmus gehört. § 11. Multiplikation mit Logarithmen. Satz 1. Der Logarithmus eines Produktes wird gifunden, indem man die Logarithmen der Faktoren addiert. [lg (a ⋅ b) = lg a + lg b] Z. B. ist lg 8 = 0,9031; lg 2 = 0,3010. Die Summe beider ist 1,2041. Das ist aber gerade lg 16. Ist x = 4 ⋅ 50, so ist lg x = lg 4 + lg 50 = 0,6021 + 1,6990 = 2,3011. Das ist lg 200. Die kleine Abweichung der letzten Dezimale ist dadurch entstanden, daß wegen der Abrundung die letzte Ziffer bei beiden Logarithmen etwa zu groß angegeben wurde (genauere Werte sind 0,60206 und 1,69897). Die kleinen Fehler haben sich summiert. Natürlich macht eine derartige winzige Abweichung praktisch nichts aus. Man bilde selbst weitere Beispiele! Satz 1a. Ist eine Zahl zehnmal so groß wie eine andere, so ist ihr Logarithmus um 1 höher. Es ist z. B. lg 40 = lg (4 ⋅ 10)=lg 4 + lg10 = 0,6021 + 1 = 1,6021, dagegen ist lg 0,4 = 0,6021 - 1. Unsere Ausführungen über Kennziffer und Mantisse werden also durch Satz 1a bestätigt, Kennt man durch Abschätzung den ungefähren Wert einer Zahl, so genügt die Angabe der Mantisse allein. Es sei etwa bekannt, daß bei einer Aufgabe die gesuchte Zahl x ungefähr 200 ist, ihr Logarithmus ...,2788. Dann kann nur x = 190 in Frage kommen (nicht 1,9 oder 19). Wir wollen daher in Zukunft die Kennziffern im allgemeinen (nicht immer!) unberücksichtigt lassen und nur mit den Mantissen rechnen. Die absolute Größe der Zahl läßt sich stets durch Abschätzung finden. § 12. Division mit Logarithmen. Satz 2. Der Logarithmus eines Bruches wird gefunden, wenn man den Logarithmus des Zählers um den des Nenners vermindert. Beispiele: 6.) lg 24 8 = lg 24 - lg 8 = 1,3802 - 0,9031 = 0,4771. Dies ist genau lg 3, wie es nach unserm Satze auch sein muß. 7.) lg 80 5 ist, wenn wir nur die Mantissen hinschreiben, = ...,9031 - ...,6990 = ...,2041. Hierzu gehören die Zahlen ...,0,016; 0,16; 1,6; 16; 160; 1600... Wie aber die Abschätzung ergibt (100 : 5 = 20), kommt nur 16 in Betracht. 8.) lg 1 273 = lg 1 - Ig 273 = 0 - 2,4362.Wir setzen, 0 = 3 - 3, also 5 1 lg 273 = 3 - 2,4362 - 3 = 0,5638 - 3. Wegen ihrer Kennziffer (-3) beginnt die gesuchte Zahl mit 0,00. Die kleine Tabelle auf S. 5 zeigt, daß die folgende Ziffer 3 ist (Ig 3 = ...,4771). Eine ausführlichere Tafel liefert 1 273 = 0,003663. Ohne Kennziffer: lg 1 = ...,0000, lg 273 = ...,4362; lg 1 273 = ...,5638. (Man denkt sich bei lg 1 links vom Komma eine Zahl, die so groß ist, daß die Subtraktion ausgeführt werden kann). Abschätzung: 1 : 300 = 0,00333... Satz 2a. Ist eine Zahl zehnmal so klein wie eine andere, so ist der Logarithmus um 1 geringer. DieserSatz sagt eigentlich nichts weiter aus, wie1a, er läßt sich aber auch aus 2 herleiten, wenn man b = 10 setzt. § 13. Ergänzungslogarithmen. Unter Ergänzungslogarithmen wollen wir Zahlen verstehen, welche die Logarithmen zu 1 vervollständigen. Von der Angabe der links vom Komma stehenden Zahl sehen wir ab; wir beschäftigen uns nur mit der Mantisse. So erhält man aus unserer Tafel auf S. 5 folgende Zusammenstellung: Zahl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ergänzungslogarithmus 0 6990 5229 3979 3010 2218 1549 0969 0458 0 Zahl 11 12 13 14 15 19 20 18 19 20 Ergänzungslogarithmus 9586 9208 8861 8539 8239 7212 6990 7447 7212 6990 Zahl 21 22 23 24 25 Ergänzungslogarithmus 6778 6576 6383 6198 6021 § 14. Division mit Ergänzungslogarithmen. Satz 3. Der Logarithmus eines Bruches wird gefunden, indem man zu dem Logarithnrus des Zählers den Ergänzungslogarithmus des Nenners hinzufügt. Gehört zu einer Zahl a der Logarithmus lg a, so ist der Ergänzungslogarithmus E = 1 - lg a = lg 10 lg a = lg 10 a . Es ist also lg b + E = lg b + lg 10 - Ig a = lg (10 b) - Ig a = Ig ( 10 b a sich aber nur durch die Kennziffer (die wir doch unbeachtet lassen wollten) von lg Bruches b a ) . Diese Zahl unterscheidet b a . Der Logarithmus des wird also gefunden, wenn man den Logarithmus des Zählers (Ig b) um den Ergänzungslogarithmus E des Nenners a vermehrt. Besonders einfach ist die Sache, wenn b = 1 ist. Den Ausdruck 1 a nennt man den r ezipr oken W er t von a. Der Logarithmus des reziproken Wertes von a ist einfach der Ergänzungslogarithmus E, welcher zu a gehört, denn die Zahl, zu der er im allgemeinen Fall hinzuaddiert werden muß, lg b, ist hier gleich Null. Beispiel 9. Wie groß ist x= 24 15 ? Lösung: b = 24, a = 15. Aus der Tabelle auf S. 5 findet man lg b = ...,3802. Aus S. 6 entnimmt man E = ...,8239. Die Addition der beiden Zahlen liefert lg x = ...,3802 + ...,8239 = ...,2041. Dazu gehört als Numerus 0,16; 1,6; 16; ...; da aber Beispiel 10. Es soll x = 1 5 30 15 = 2 ist so kommt nur x = 1,6 in Betracht. mit Ergänzungslogarithmen gefunden werden. Lösung: Zu a = 5 gehört E = 3010; der zugehörige Numerus ist nach der Tabelle auf S. 5 gleich 2; also 1 5 = 0,2. Beispiel 11. Wie groß ist x = 6 1 7 ? Lösung: E = ...,1549. Eine vollständige Tafel der vierstelligen Logarithmen belehrt uns, daß dazu x = 0,1429 gehört. Sie besitzen diese Tafe! nicht? Unser Rechenschieber macht sie entbehrlich. (§ 86.) § 15. Multiplikation mit Ergänzungslogarithmen. Satz 4. Der Logarithmus eines Produktes wird dadurch gefunden, daß man den Logarithmus des einen Faktors um den Ergänzungslogarithmus des andern vermindert. Beispiel 12. x = 20 ⋅ 4 Lösung. lg x = lg (20: 1 4 ) = lg 20 - Ig ( 1 4 ). Der erste Bestandteil ist nach S. 5 ....,3010. Der zweite Term ist der Ergänzungslogarithmus von 4; man erhält nach S. 6: E = ...,3979. Somit ist lg x= ...,3010 ...,3979 = ...,9031. Zu diesem Logarithmus gehört nach S. 5 der Numerus x = 8. § 16. Potenzieren mit Logarithmen. Satz 5. Der Logarithmus einer Potenz (ab) wird erhalten, wenn man den Logarithmus der Grundzahl (a) mit dem Exponenten (b) multipliziert. [lg (ab) = b ⋅ lg a] Eine Potenz ist ein Produkt aus gleichen Faktoren; vgl. S. 2; den gemeinsamen Faktor nennt man G r undzahl, die Anzahl der Glieder Exponent . So ist in a² = a ⋅ a und in a³ = a ⋅ a ⋅ a die Zahl a Grundzahl, während der Exponent im ersten Fall 2, im zweiten 3 ist. In der Praxis kommen eigentlich nur zweite und dritte Potenzen vor mit alleiniger Ausnahme der Zinseszins- und Rentenrechnung. Wendet man Satz 1 wiederholt an, so ergibt sich die in Satz 5 ausgesprochene Behauptung. Z. B. ist lg (a²) = lg (a ⋅ a) = lg a + lg a = 2 ⋅ lg a; lg (a³)=lg (a ⋅ a ⋅ a) = lg a + Ig a + Ig a = 3 ⋅ lg a usf. § 17. Beispiele zum vorigen Paragraphen. Beispiel 13. Man berechne die Potenzen von 2 logarith