Текст книги "Занимательная история мер измерений, или Какого роста дюймовочка"

Водяные часы, или клепсидра, – прибор, в котором движение воды, скрытой в корпусе, используется для измерения времени. Слово это составлено из klepto – скрывать и hydor – вода, то есть в переводе с греческого «похититель воды».

В истории часов именно развитию водяных отводится довольно существенный промежуток времени.

Часы, отображающие время по солнцу, широко использовались во всем древнем мире: в Китае, Греции и Риме, арабских странах, а также на Руси. Однако их существенным недостатком была абсолютная бесполезность ночью или же в пасмурный день. Это привело к появлению огневых (огненных) часов, принцип измерения времени в которых опирался на количество сгоревшего в лампаде масла или стаявшего воска в свече. Таким образом, ночь могла измеряться в трех свечах или же в количестве делений на стекле лампады. Однако вследствие того, что скорость сгорания разных видов масла и таяния различных свечей была неодинакова, такой прибор обладал низкой точностью, к тому же его использование днем было весьма неудобным.

Необходимо было создать такой вариант прибора для измерения времени, который отличался бы точностью и удобством, а также не зависел бы от времени суток. Такими чертами обладали водяные часы.

Различные варианты конструкций часов и способы повышения их точности предлагались изобретателями самых развитых древнейших цивилизаций: индийской, шумерской, греческой, римской, египетской, перуанской.

Простейшая клепсидра представляет собой два сосуда, установленных на различных уровнях. В верхнем есть отверстие, через которое вода по капле попадает в нижний. Время определяли при помощи наблюдения за тем, как понижается уровень воды в верхнем сосуде либо как поднимается в нижнем. Кромка воды показывала на особом циферблате время. А вытекающая со дна резервуара вода вращала этот циферблат. Есть версия, что отсюда произошло выражение «течение времени».

При создании водяных часов необходимо было обеспечить равномерное снижение уровня воды в сосуде при ее истечении через донное калиброванное отверстие. Достигалось это за счет придания сосуду формы конуса, суживающегося вниз. Получить закономерность, описывающую скорость вытекания жидкости в зависимости от ее уровня и формы емкости, удалось лишь в Средневековье. До этого форма сосуда для водяных часов подбиралась опытным путем. Например, египетская клепсидра давала равномерное снижение уровня с небольшой погрешностью.

Поскольку клепсидра не зависела от времени суток и погоды, она максимально отвечала требованиям непрерывного измерения времени. Кроме того, необходимость дальнейшего усовершенствования прибора, добавления различных функций предоставляла простор для полета фантазии. Так, клепсидры арабского происхождения представляли собой настоящие художественные произведения. Они были снабжены дополнительными гидравлическими и пневматическими механизмами: звуковой сигнализатор времени, система ночного освещения.

Водяные часы занимают второе место после солнечных по количеству произведенных. Они быстро завоевали популярность в быту, в армии, в официальных учреждениях, на стадионах и в школах. В Александрии – богатейшем городе Египта – появились первые мастерские по их изготовлению. В дальнейшем эту находку взяли на вооружение и значительно усовершенствовали древние греки.

Песочные часы – одно из самых древних изобретений человечества. Можно с уверенностью утверждать, что они не могли появиться раньше изобретения стекла. Песочные часы – простейший прибор для отсчета промежутков времени, состоящий из двух прозрачных сосудов, соединенных узкой горловиной, один из которых частично заполнен песком. Время, за которое песок через горловину пересыпается в другой сосуд, может составлять от нескольких секунд до нескольких часов.

Одним из первых упоминаний о таких часах является обнаруженное в Париже сообщение, в котором содержится указание по приготовлению тонкого песка из порошка черного мрамора, прокипяченного в вине и высушенного на солнце. На кораблях применялись четырехчасовые песочные часы (время одной вахты), получасовые (интервал отбивания склянок) и 30-секундные для определения скорости корабля по лагу.

По данным, которые сохранились, можно сделать вывод, что принцип, использующийся в песочных часах, был известен в Азии задолго до возникновения нашего летоисчисления.

Средневековые мастера при изготовлении приборов украшали песочные часы изысканным декором. Их использовали не только для измерения отрезков времени, но и в качестве украшения интерьера. В домах многих вельмож и сановников можно было увидеть роскошные песочные часы. В Европу песочные часы попали достаточно поздно – в конце Средних веков, однако распространение их было стремительным. Благодаря простоте, возможности использования в любое время они быстро стали очень популярными. Один из недостатков песочных часов – довольно короткий отрезок времени, измеряемый без их переворачивания. Тормозили распространение таких моделей их невысокая точность, а также износ при длительной эксплуатации. Происходило это следующим образом. Калиброванное отверстие в диафрагме между колбами истиралось, увеличиваясь в диаметре, частицы песка – наоборот, дробились, уменьшаясь в размере. Скорость истечения увеличивалась, время – уменьшалось.

Одно из самых старых упоминаний о часах принадлежит к XIV веку, в нем содержатся советы по приготовлению особого, мелкого песка для использования в песочных часах.

Приготовление песка для часов считалось в старину делом, требующим особого умения. Его изготавливали из обожженного мелкозернистого песка, или из жареных перетертых яичных скорлупок, или из цинковой и свинцовой пыли. Такой песок должен быть просеян через многочисленные сита, тщательно высушен и отожжен.

Точность песочных часов зависит от равномерной зернистости и сыпучести песка, формы колбы, качества ее поверхности.

Временной интервал, на который рассчитываются часы, обычно составлял от пары секунд до одного часа, реже несколько часов. Однако есть и исключения. Песочные часы в Будапеште (Венгрия) и Ниме (Япония) достигают в высоту нескольких метров, а их цикл составляет один год.

Самые большие в мире песочные часы имеют высоту 11,9 м, и их цикл составляет 1 год. Эти часы в июле 2008 года можно было увидеть в Москве на

Красной площади. Самые маленькие часики высотой всего 2,5 см создали в Германии, в Гамбурге, песок из верхней колбы этих часов высыпается всего за 5 секунд.

Часы, получившие распространение в Европе, обычно были рассчитаны на работу в течение получаса или часа. Встречались часы, работающие в течение 3 часов, очень редко – 12 часов. Для увеличения интервала измерения составлялись наборы песочных часов в одном корпусе (футляре).

Песочные часы благодаря своей форме и простоте работы использовались до последнего времени, например, ими пользовались телефонные станции для учета времени коротких телефонных разговоров, в залах судебных заседаний и для некоторых нужд в домашнем хозяйстве.

Большое значение песочные часы имели на кораблях: в пасмурную погоду, когда по небесным светилам нельзя было определить время, его узнавали по песочным часам. На российских судах их называли «склянками». Каждые полчаса, при переворачивании «склянки», били в колокол. Отсюда, собственно, и пошло выражение – «бить склянки». Юнги отмеряли получасовые отрезки времени и били в колокол.

Раньше люди носили песочные часы даже на ноге, пристегнув их ниже колена. Лучший песок для таких часов был из толченого мрамора.

На протяжении сотен лет песочные часы не раз пытались усовершенствовать. Так, астроном Тихо Браге заменил песок ртутью. Стефан Фарфлер и Гроллье де Сервье изготовили пружинные механизмы для переворачивания часов. Но все эти новшества не прижились.

Несмотря на активное развитие часового дела и появление более совершенных механизмов, песочные часы используются и сейчас при проведении некоторых врачебных процедур, в фотографии, а также в качестве сувениров.

В Европе и Китае существовали так называемые «огневые» часы – в виде свечей с нанесенными на них делениями.

Примерно 3000 лет назад Фо-хи, «отец Китая» и его первый император, создал первые огневые часы, чтобы с их помощью измерять дневное и ночное время.

Из древесной муки, смешанной с благовониями, лепили, как из теста, длинные спирали и палочки. На них делали отметки, указывающие время. Месяцами могли работать огневые китайские часы. Они могли работать и в качестве будильника. Тогда на определенных местах палочки подвешивались металлические шарики, и при сгорании свечи они падали в фарфоровую вазу, издавая громкий звон.

Так называемые огневые часы делились на свечные, фитильные и лампадные.

Время можно измерить при помощи горящей свечи с надрезами по краям. Ведь за равные промежутки времени сгорают равные части свечи. И если зарубками отметить часть, сгорающую за, допустим, минуту, то с помощью свечи можно будет довольно точно измерять время. Эти очень простые часы в виде длинной тонкой свечи с нанесенной по ее длине шкалой сравнительно удовлетворительно показывали время, а в ночные часы они еще и освещали жилище.

Свечи, применявшиеся для этой цели, были длиной около метра. К боковым сторонам свечи обычно прикрепляли металлические штырьки, которые по мере выгорания и таяния воска падали, и их удар по металлической чашке подсвечника был своего рода звуковой сигнализацией времени. В Китае в фитиль могли добавлять пахучие травы, чтобы каждый час свеча издавала различный запах.

Отсюда происходит и обычай измерять длину ночи количеством сгоревших за ночь свечей. Обычно за ночь выгорали три такие свечи, а зимой – больше.

В часовне короля Карла V день и ночь горела большая свеча, разделенная черными полосками. Специально приставленные слуги обязаны были время от времени сообщать королю, до которой метки догорела свеча. Делали ее как раз такой длины, чтобы она сгорала в двадцать четыре часа.

Главной частью фитильных часов был фитиль в виде длинной металлической палочки, покрытой слоем дегтя с деревянными опилками. Жар тлеющих опилок, подожженных на одном конце палочки, постепенно пережигал тонкие, поперечно натянутые волокна с подвешенными шариками, которые падали в металлическую чашку, производя громкий звук. Это был будильник. Иногда фитиль сворачивали в спираль, форма которой уже сама по себе заменяла часовую шкалу.

Наиболее типичные для Китая фитильные часы имели форму дракона, в хребте которого был специальный держатель для палочки. Скорость сгорания фитиля зависела от многих обстоятельств, и для определения ее требовался большой опыт. Такие часы никогда не относились к особо точным приборам.

Растительное масло в прежние времена служило не только для питания, но и в качестве часового механизма. На основе установленной экспериментально зависимости высоты уровня масла от продолжительности горения фитиля возникли масляные лампадные часы. Как правило, это бывали простые лампады с открытой фитильной горелкой и со стеклянной колбой для масла, снабженной часовой шкалой. Время в таких часах определялось по мере сгорания масла в колбе.

Объем колбы подбирали так, чтобы ее содержимого хватило для непрерывного свечения между 6 часами вечера и 8 часами утра. Толщиной и длиной горящего фитиля регулировали величину пламени и расход масла так, чтобы понижение уровня масла в колбе соответствовало имевшимся обозначениям времени.

Цилиндрические или слегка выпуклые стеклянные сосудики под масло были источником некоторой погрешности в измерении времени, так как при более высоком уровне масла его давление вызывало более быстрое выгорание, чем в поздние ночные часы.

Больше всего этими часами пользовались рудокопы: тогда в лампу наливалось масло на 10 часов горения. Когда заканчивалось масло, заканчивался и рабочий день. Лампадные часы часто делались расширяющимися кверху для равномерного понижения уровня масла: когда масла много, давление его больше и горит оно быстрее, чем когда масла мало, значит, за одно и то же время выгорает больший объем, но ввиду расширения лампы вверху масло уменьшается равномерно.

Лампадные часы более позднего происхождения имели стеклянную колбу в виде расширенной кверху груши, чтобы таким образом хотя бы частично выровнять скорость сгорания масла.

Парижский кавалер Габри де Леанкур в 1815 году изобрел масляный ночник с циферблатом и имел большой успех. В его часах вместе с уровнем масла опускался поплавок, тянувший прикрепленную к нему нить. Нить была намотана на валик, служивший осью стрелки, указывающей час.

Масляные часы, которые были по карману небогатым людям, продолжали производить вплоть до конца XIX века.

Часы стали первым автоматом, созданным для практических целей и получившим повсеместное распространение. Целых три столетия они оставались самым сложным техническим устройством. Не было другой такой области техники, где было бы приложено столько гениальной изобретательности, знания и остроумия, как при создании и усовершенствовании часового механизма.

Изобретение часов и их улучшение требовало более совершенного, точного и высокопроизводительного технологического оборудования, новых методов расчета и конструирования. Это стало началом новой эпохи.

Создание механических часов стало возможным с изобретением шпиндельного спуска. Это устройство преобразовывало поступательное движение висящей на веревке гири в колебательное движение взад-вперед часового колеса.

Механические часы, применяющие штыревой спусковой механизм, были созданы в XIV веке и стали стандартным инструментом для измерения времени вплоть до появления пружинных часовых механизмов и карманных часов в XVI веке. Следом появились маятниковые часы, и на протяжении трех веков они были наиболее точным устройством измерения времени. В XX веке были созданы кварцевые часы и следом атомные. Последние дают погрешность порядка 1 миллисекунды за 3000 лет и используются для синхронизации всех остальных часовых механизмов, ложась в основу Всемирного координированного времени.

Механические часы совершили революцию в определении времени. Их усовершенствовали в течение пяти веков.

Прототипом первых механических часов можно считать Антикитерский механизм, обнаруженный археологами в начале XX века среди обломков античного торгового судна и датируемый II веком до н. э.

Первые механические часы с анкерным механизмом были изготовлены в Танском Китае в 725 году н. э. мастерами И Сином и Лян Линцзанем. Из Китая секрет устройства, по-видимому, попал к арабам. Анкер или анкерный механизм – это часть часового механизма, которая преобразует энергию заводной пружины в импульсы – они передаются балансу для поддержания нужного периода колебаний. Это нужно для равномерного и четкого вращения шестереночного механизма. Анкерный механизм – это конструкция из вилки, двойного маятника, баланса и анкерного колеса.

Первые маятниковые часы изобретены в Германии около 1000 года аббатом Гербертом – будущим папой Сильвестром II, но широкого распространения не получили. О колесных часах с боем рассказывает Данте Алигьери в «Божественной комедии».

Первые в Западной Европе механические часы, устанавливаемые на башнях для того, чтобы можно было разместить гиревой движитель их механизма, имели всего одну стрелку – часовую. Минуты тогда не измерялись вообще; зато такие часы нередко отмечали церковные праздники. Маятника в таких часах также не было. С восходом Солнца их ставили на 0 часов. Зимой на цепь вешали тяжелую гирю, а летом легкую. Чем тяжелее гиря, тем быстрее, преодолевая трение колес, шли эти заводные часы без маятника. Сторож несколько раз в день поправлял их по солнечным часам.

В первых механических часах не было циферблата, они лишь через определенные временные отрезки подавали звуковые сигналы. По сути это был колокол, по которому через определенные промежутки времени наносились удары. Особенно удобной эта конструкция оказалась для канонических часов в соборах. В XIV веке ударное устройство приобретает форму человеческих или животных фигурок, которые в нужный момент ударяли в колокол.

Башенные часы, установленные в 1354 году в Страсбурге, не имели маятника, зато отмечали часы, части суток, праздники церковного календаря, включая Пасху и зависящие от нее дни. В полдень перед фигуркой Девы Марии склонялись фигурки трех волхвов, а позолоченный петух кукарекал и бил крыльями; специальный механизм приводил в движение маленькие цимбалы, отбивавшие время. К настоящему времени от Страсбургских часов уцелел только петух.

Наиболее ранний из сохранившихся до наших дней башенный часовой механизм находится в соборе английского города Солсбери и относится к 1386 году.

В 1657 году голландский ученый Христиан Гюйгенс, изучив свойства маятника, изготовил механические часы с маятником.

Он предложил использовать в качестве регулятора колебаний крутильный маятник – балансир со спиралью. Маятник, раскачиваясь вправо и влево, не позволял колесу перемещаться при каждом размахе больше, чем на один зубчик. Позднее были изобретены часы с минутной и секундной стрелками. Точность часов возросла многократно, но перевозить такие часы все равно было невозможно.

Позже появились карманные часы, которые Гюйгенс запатентовал в 1675 году.

Много позже появились часы наручные. Вначале наручные часы были только женские, богато украшенные драгоценными камнями ювелирные изделия отличались низкой точностью хода. Ни один уважающий себя мужчина того времени не надел бы часы себе на руку. Но войны изменили порядок вещей, и в 1880 году массовое производство наручных часов для армии начала фирма Girard-Perregaux.