Kapitel III – Rechnen mit dem RechenschieberIII.I Mathematische Grundlagen III.I.I Was ist der Logarithmus? Wie schon zuvor erwähnt, wurde der Rechenschieber erst nach der Entdeckung der Logarithmen (1614) durch John Napier umgesetzt. Wichtig ist an dieser Stelle, dass der Rechenschieber eine graphische Form der Logarithmen-Tafeln von John Napier ist. Dadurch wird nun auch klar, warum es so wichtig ist, die Logarithmen und ihre Gesetze verstanden zu haben. Was der Logarithmus ist, möchte ich nun einmal am folgenden Beispiel erklären: Der Logarithmus wird definiert durch eine Basis und eine Hochzahl bzw. Potenz. Ist die Basis b = 10, so handelt es sich um einen dekadischen Logarithmus oder Briggscher Logarithmus nach Henry Briggs. Ist die Basis b= e so handelt es sich um ein „Logarithmus naturalis“ zu Deutsch „Natürlicher Logarithmus“ Die Zahl e ist die schon zuvor erwähnte Eulersche Zahl (siehe II.I).
Dabei nennt man „b“ die Basis und „x“ Hochzahl bzw. Potenz Um Beispielsweise das x berechnen zu können, bedarf es einer Umformung mit Hilfe des Logarithmus.
Man liest: „Der Logarithmus von y zur Basis b“ Beispiel:
Logarithmen besitzen einige besondere Eigenschaften. Betrachten wir dazu ein Beispiel: 1. 2. Die Zahl vor dem Komma wird auch Kennziffer genannt (blau markiert), während die Stellenfolge nach dem Komma als Mantisse (grün markiert) bezeichnet wird. Zusammengefasst bilden die Kennziffer und die Mantisse den Logarithmus einer Zahl. Kehren wir nun zurück, zu den Logarithmen-Tafeln. Auf ihnen sind nur die Mantissen abgebildet und zwar aus einem ganz einfachen Grund, nämlich weil man sich die Kennziffern ganz einfach selber berechnen kann. Die Kennziffer ergibt sich aus dem Stellenwert (Numerus) vor dem Komma, welchen man einfach um eins vermindert. Das sieht dann am folgenden Beispiel so aus: 2. Der Stellenwert (auch Numerus genannt) hier ist 128 und besteht aus drei Ziffern, vermindern wir diesen um eins so ergibt sich die Kennziffer zwei. Dieses kann man nun auch auf das erste Beispiel beziehen: 1. Vermindern wir hier den Stellenwert, der dieses Mal nur aus einer Ziffer besteht (1,28) so erhalten wir die Kennziffer null. Das gilt allerdings nur für Zahlen, die größer als eins sind. Für Zahlen die kleiner als eins sind, gilt die Kennziffer ergibt sich aus der Anzahl der Nullen rechts vom Komma. Beispiel (aus [7]):
Tabelle „Berechnung der Kennziffer bei Zahlen < 1“ III.I.II Die Logarithmengesetze[8] Da wir jetzt wissen, was Logarithmen sind, ist es wichtig näher auf ihre Rechenregeln einzugehen, weil diese nicht nur relevant für das Rechnen mit Logarithmen sind, sondern auch für das Rechen mit dem Rechenstab. Insbesondere sind dabei vier Rechenregeln von größerer Bedeutung, die im Folgenden erläutert werden sollen. Der Logarithmus eines Produktes: Erklärung: Der Logarithmus eines Produktes ist gleich der Summe der Logarithmen der einzelnen Faktoren. Also beschreibt die Addition der Teilstrecken zweier Rechenschieberskalen genau das Produkt. Der Logarithmus eines Bruches Erklärung: Der Logarithmus eines Quotienten ist gleich der Different der Logarithmen von Dividend und Divisor. Hier beschreibt, eine Subtraktion des Weges (zweier Skalen) die Division auf dem Rechenschieber. Der Logarithmus einer Potenz Erklärung: Der Logarithmus einer Potenz ist gleich dem Logarithmus der Basis multipliziert mit dem Exponenten. Also beschreibt eine Verdopplung zwei gleicher Skalen die Potenzierung auf dem Schieber. Der Logarithmus einer Wurzel Erklärung: Der Logarithmus einer Wurzel ist gleich dem Quotienten aus dem Logarithmus der Wurzel durch den Wurzelexponenten. Auf den Rechenschieber bezogen heißt das, dass das Dividieren zwei gleicher Strecken, dazu führt, dass wir die Quadratwurzel aus der gegebenen Zahl ziehen. Wie zuvor auch schon erwähnt basiert die Multiplikation auf dem Rechenschieber, auf der Addition zweier Strecken (siehe Logarithmengesetz I). Im folgenden Beispiel ist dieses einmal dargestellt, mit Hilfe zweier Lineale: Abbildung 7 Addition mit Linearen Man addiert die beiden Teilstrecken 1 und 2 und erhält dann eine Gesamtstrecke (3) auf der man das Ergebnis 8 ablesen kann (4,5 + 3,5 = 8). Das möchte ich jetzt mit Hilfe einer Multiplikation auf dem Rechenstab zeigen: Beispiel: Berechnung von 1,5 · π mit Hilfe des Rechenschiebers Dazu schieben wir die 1 der C-Skala über die 1,5 der D-Skala und den Läufer das π der C-Skala und lesen auf der D-Skala ~ 4,71 ab (genauer 4,71238…).
Beispiel: Berechnung von 50 · 3 mit Hilfe des Rechenschiebers Abbildung 8 „Die Multiplikation auf dem Rechenschieber“ Abbildung 9 „Die Multiplikation auf dem Rechenschieber“ Stellen wir die 1 der C-Skala über die 5 der D-Skala, fällt auf, dass wir das Ergebnis nicht mehr ablesen können, da wir den Läuferstrich nicht mehr über die 3 der C-Skala stellen können. Das bedeutet allerdings nicht, dass wir die Rechenoperation nicht durchführen können, sondern viel mehr, dass wir einen anderen Weg gehen müssen. In diesem Fall stellen wir die 10 der C-Skala über die 5 der D-Skala und stellen den Läuferstrich über die 3 der C-Skala. Nun können wir auf der D-Skala den Wert 1,5 ablesen. Wie auch schon vorher erwähnt (I.III) beachten wir die Stellung des Kommas während der gesamten Rechnung nicht. Hierzu lohnt es sich eine Nebenrechnung zu machen, um die Stellung des Kommas zu ermitteln. In diesem Fall ist das aber nicht nötig, denn jeder weiß, dass 50 · 3 = 150 ist. Hier haben wir einfach den Zungenanfang mit dem Zungenende getauscht, daher lesen wir das gesuchte Ergebnis nicht an der 1, sondern an der Position der 10 auf der C-Skala ab. Hierbei gehen wir den umgekehrten Weg und machen aus einer Multiplikation eine Division. Wir verwenden, wie auch bei der Multiplikation, die beiden Grundskalen C und D. Nur noch einmal zur Erinnerung, die C-Skala liegt auf der Zunge während die D-Skala auf dem Stabkörper liegt. Würden wir jetzt 50 · 2 rechnen, so würden wir die 10 der C-Skala über die 5 der D-Skala stellen und würden unter der 1 der C-Skala das Ergebnis 1 ablesen, in diesem Fall 100. Dieses Einstellung rückwärts gelesen, ergibt das Ergebnis der Division 100:2. Erläuterung des Rechenwegs: Stelle den Läufer über die 1 der D-Skala. Nun stelle die 2 der C-Skala über die 1 der D-Skala und lese das Ergebnis von 5 unter der 10 der C-Skala ab. Beachte auch hier, dass die 5 auch 0,5; 0,55; 50…etc. bedeuten kann (siehe I.III). In diesem Fall ist das Ergebnis allerdings 50. Kommen wir nun zu einem etwas schwereren Beispiel: Bestimmen Sie 775:25,4 mit Hilfe des Rechenschiebers Abbildung 10 „Die Division auf dem Rechenschieber“ Abbildung 11 „Die Division auf dem Rechenschieber“ Dazu stellen wir den Läufer auf 7-7-5 der D-Skala und 2-5-4 der C-Skala über die 7-7-5 der D-Skala. Nun können wir unter der 1 der C-Skala das Ergebnis von etwa 30 ablesen. Es stellt sich die Frage, wie viele Stellen ich vor dem Komma habe? Das lässt sich mittels einer Überschlagsrechnung herausbekommen: Wir runden die 775 auf 800 auf und die 25,4 ab auf 25. Nun dividieren wir 800:25 dieses ergibt 32. Daraus folgt, dass unser gesuchtes Ergebnis zwei Stellen vor dem Komma haben muss. Dieses passt tatsächlich denn 775:25,4= 30,518… . An diesem Beispiel kann man sehr leicht feststellen, dass, je größer die Zahlen werden, das gesuchte Ergebnis immer ungenauer wird. Um den Logarithmus einer Zahl zu berechnen benötigen wir die D und die L-Skala (siehe Abbildung I). Wir bestimmen den Logarithmus von 60 wie folgt: Wir stellen den Läufer auf die 60 der D-Skala und können über den Läufer, nämlich auf der L-Skala die Mantisse …778 ablesen. Nun müssen wir nur noch die Kennziffer berechnen. Diese muss in diesem Fall eine 1 sein, da der Numerus aus zwei Ziffern besteht. Also gilt Abbildung 12 „Die Division auf dem Rechenschieber“ Bestimmung des Logarithmus einer Zahl < 1: Beispiel: Bestimmung des Logarithmus von 0,0222 1. Stelle den Läufer (Läuferstrich) über die 222 der D-Skala 2. Nun lies auf der L-Skala den Wert .0351 3. Berechne jetzt die Kennziffer zu unserer Mantisse .0351, da unser Numerus kleiner als 1 ist gilt, wie bereits zuvor erwähnt (vgl. III.I.I), unsere Kennziffer muss negativ sein und lautet 0,….-2 4. Das Ergebnis lautet: Abbildung 13 „Berechnung des Logarithmus von 0,0222“ IV. ZusammenfassungDer Rechenschieber zählte wohl zu einem der populärsten Rechenhilfsmittel, der ca. 350 Jahre lang Tag für Tag Anwendung gefunden hat. Jedoch wurde dieses Gerät durch die Erfindung des Taschenrechners nahezu verdrängt. Heute ist er kaum noch jemandem bekannt. Der Rechenstab basiert auf Logarithmen und die Rechenregeln der Logarithmen finden bei ihm Anwendung. Aus diesem Grunde sollte er zumindest im Rahmen des Mathematikunterrichts erwähnt und vielleicht als Anschauungsobjekt wieder eingeführt werden. Denn es ist doch schließlich bedauerlich, dass wir diesem Gerät kaum noch einen Gedanken gebühren. Dass wir den Rechenschieber irgendwann ganz vergessen haben werden ist wahrscheinlich. Denn in einer Zeit, in der die Technik von Tag zu Tag weiterentwickelt wird, findet ein mechanisches Rechengerät wie der Rechenschieber irgendwann keinen Platz mehr in unserer Gesellschaft, so dass ich vermute, dass wir ihn in absehbarer Zeit nur noch aus Museen oder durch Sammler kennenlernen können. AbbilungsverzeichnisAbbildung 4 „Russischer Militär-Piloten-Rechenschieber“ Abbildung 5 Der „Artillerie“-Rechenschieber Abbildung 6 Die Parkscheibe zur Berechnung des Spritverbrauches Abbildung 7 Addition mit Linearen Abbildung 8 „Die Multiplikation auf dem Rechenschieber“ Abbildung 9 „Die Multiplikation auf dem Rechenschieber“ Abbildung 10 „Die Division auf dem Rechenschieber“ Abbildung 11 „Die Division auf dem Rechenschieber“ Abbildung 12 „Die Division auf dem Rechenschieber“ Abbildung 13 „Berechnung des Logarithmus von 0,0222“ Quellenverzeichnis· Marks, Robert Walter ,Der Rechenschieber Schritt für Schritt, Humbolt-Taschenbuch-Verl. München, 1973 · Fricke, Hans Werner, Der Rechenschieber, Fachbuchverl., Leipzig, 1957, 5.Aufl. · Mayer-Sidd, Eugen, Technisches Rechnen und seine Hilfsmittel, Union Deutsche Verlagsgesellschaft Berlin Roth & CO, Band 3, München, 1940 · Nestler, Albert(Hrsg.), Der logarithmische Rechenschieber und sein Gebrauch, Lahr(Baden), um 1915 · Prof.Dr.Lütjens, Jöhn, zuletzt verändert Februar 2008, abgerufen am 15.01.2008 http://www.hh.schule.de/metalltechnik-didaktik/users/luetjens/rechenschieber/militaer/rs12.htm · Arbeiter, Willy, abgerufen am 10.02.2008 http://www.mathe.arbeiters.de/html/begriff.html · abgerufen am 23.01.2008 http://wapedia.mobi/de/Rechenschieber · abgerufen am 13.02.2008 http://www.binaryessence.de/mth/de000154.htm AnhangRechtlich vorgeschriebene Seiten 1. Erklärung zur Selbstständigkeit der Arbeit Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Facharbeit selbstständig angefertigt, keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und die Stellen der Facharbeit, die im Wortlaut oder wesentlichen Inhalt aus anderen Quellen entnommen wurden, mit genauer Quellenangabe kenntlich gemacht habe. ___________________________________ Moritz Engel 2. Einverständnis zur (schulinternen) Veröffentlichung Hiermit erkläre ich, dass ich damit einverstanden bin, wenn die von mir verfasste Facharbeit der schulinternen Öffentlichkeit zugänglich gemacht wird. ___________________________________ Moritz Engel
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