Текст книги "История часов как технической системы. Использование законов развития технических систем для развития техники"

История часов как технической системы
Использование законов развития технических систем для развития техники
Лев Певзнер

© Лев Певзнер, 2017

ISBN 978-5-4485-5776-7

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Аннотация

В этой книге описано развитие часов, как технической системы, с точки зрения теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), с описанием выявленных в ТРИЗ закономерностей. Книга поможет преподавателям ТРИЗ и студентам увидеть многие закономерности развития технических систем, которые проявились при развитии часов.

К читателю

Это книга не столько о часах, сколько о законах развития технических система на примере развития часов. Я постараюсь показать, как в зависимости от развития потребностей людей с течением времени развивались различные типы часов. Вы увидите как развитие потребностей в измерении времени и повышение уровня развития техники позволяли постоянно создавать все новые и новые системы, повышая точность измерения времени и удобство работы со временем. Именно на часах хорошо просматривается переход от одного принципа действия системы к следующему (в ТРИЗ говорят переход от отдной S-кривой к другой), повышающего идеальность системы. Хорошо просматривается и взаимосвязь между потребностями и массовостью производства, а также доступностью часов, все более и более широкому кругу Потребителей.

Часы

Развитие часов – это постоянное стремление человека к более точному отсчету времени, при постоянном стремлении к уменьшению размеров устройства часов! Таким образом, наблюдаются две тенденции:

– повышение точности часов;

– миниатюризация часов.

В этой работе мы рассмотрим развитие часов, как технической системы и проявление при этом общих закономерностей развития технических систем, а также проникновения часов, как технической системы, в жизнь общества.

1. Древние времена

Не буду утверждать, что все, о чем я пишу, так и было. Свидетелей не осталось, а документы в то время люди не писали. Но можно догадаться, что, наблюдая за природой, люди, могли определить, что день сменяет ночь, а потом снова начинается день. Так и определяли время – утро, полдень, вечер. Также они заметили, что лето сменяет зиму, а потом снова наступает лето, и вполне могли определить, количество дней в году.

Одним из первых календарей создали египтяне в 4-м тысячелетии до н. э. Уже тогда они знали, что в году 365 дней, которые были разделены на 12 месяцев по 30 дней в каждом. В конце года они добавляли 5 праздничных дней, не входивших в состав месяцев. Египетский календарь стал прообразом современного календаря.

Это были грубые оценки, но они были вполне приемлемы для того времени и для начала работы человека со временем. Ниже мы немного поразмышляем о допустимой и рациональной точности определения времени.

Так или иначе, но к временам Римской империи был заложены основы работы со временем, а Римские императоры несколько уточнили их, распределив более точно число дней в каждом месяце, определив, что в году 365 дней. Однако и это было неточным, поэтому позднее сделали каждый четвертый год «високосным», то есть на день больше. А еще позднее уточнили и это, сделав раз в столетие один високосный год не високосным.

С течением времени, а точнее с развитием общества, точность измерения типа утро, полдень, вечер, ночь перестали устраивать людей. Поэтому древние Греки и вавилоняне решили разделить сутки на две части – день и ночь, в каждой из которых было по 12 равных частей – часов. Но длина ночи и дня менялась в течение года, поэтому просто разделили сутки на 24 равных по длительности промежутков времени и назвали их часами. И хотя у военных так и остались 24 часа, но мирной жизни у многих так и осталось день и ночь. И если в России часто используется исчисление в 24 часа, то, например, в США, нет времени более чем 12 часов, а четко определяется время до полуночи до полудня (АМ), и от полудня до полуночи (РМ).

Достаточно скоро и эта точность перестала устраивать, и тогда каждый час разделили на 60 минут, а затем, каждую минуту на 60 секунд. Почему 60? Доподлинно это неизвестно, но скорее всего, это пришло от шумерской культуры.

Было на самом деле или это одна из легенд? Так ли это важно! Главное, что люди пришли к необходимости измерять время и создавать приборы для этого.

2. Приборы для измерения времени в древние времена

Это было время, когда не было электронных часов, а юноша мог сказать своей девушке – «Дорогая, встретимся у пальмы, когда Солнце будет на закате!». И она приходила, может раньше, может позже, но никто не мог определить насколько она опоздала. И именно Солнце стало первым прибором определения времени.

2.1. Солнечные часы

(первое поколение приборов для измерения времени)

Первые документально подтвержденные упоминания о солнечных часах – надпись в гробнице фараона Сети I (Илл. 1 и 2). Она была сделана в 1306—1290 г.г. до н. э. Там говорится о солнечных часах, измеряющих время по отбрасываемой тени. К сожалению, сами солнечные часы не были найдены.

Илл 1. Голова статуи Сети I.

Первые инструменты для измерения времени, найденные археологами и, сделанные по этому принципу относятся еще ко времени правления фараона Тутмоса III (1479—1425 гг. до н.э.). И затем долгие годы человек не имел других часов, кроме солнечных. Точность была, прямо скажем, не самая лучшая, но вполне достаточная для нужд человека того времени.

Илл. 2. Реконструкция солнечных часов по описанию из гробницы Сети I

Первые солнечные часы были неудобно, поскольку тень изменялась линейно. Положение изменил первый циферблат, более наглядный и удобный. После того как его разметили, тень стала указывать время на круглой шкале (Илл. 3).

Илл. 3. Солнечные часы и тень, указывающая время

Солнечные часы практически не совершенствовались все время своего существования, разве что плоскость стала не горизонтальной, а наклонной, что позволяло в вечернее время более точно определять час.

С точки зрения законов развития техники – это согласование формы – наклона плоскости часов с положением Солнца на небе (Илл. 4.).

Илл. 4. Экваториальные солнечные часы в Запретном городе (Китай 1100 г до н.э).

Развитие государственности в различных уголках мира вызвало потребность в более точном измерении времени. В Римской империи, где солнечные часы появились в 293 году до н.э. они стали использоваться повсеместно. А далее они стали распространяться по всей Европе и Азии.

С точки зрения ТРИЗ, солнечные часы – почти идеальная система. Она не требует энергии, в ней почти нет элементов. Солнце, как ресурс, выполняет всю работу.

Примечание: любопытной особенностью солнечных часов в Южном полушарии является то, что тень в полдень – на юге, а Солнце – на севере; видимый путь Солнца по небосводу проходит справа налево, поэтому нумерация часов идёт против часовой стрелки (Илл. 5.).

Илл. 5. Горизонтальные солнечные часы в городе Перт, Австралия

Недостатком, правда, было то, что ими нельзя было пользоваться в пасмурную погоду (хотя это не было большой проблемой, поскольку ненастье в Египте бывает не часто). Другое дело, что ими нельзя было пользоваться в помещении, а вот это вызывало много проблем сенаторов Рима.

2.2. Водяные часы

(второе поколение приборов для измерения времени)

Недостатки солнечных часов устранили водяные часы. Хотя водяные часы были изобретены еще в древнем Египте, но широкое распространение, они приобрели только в Риме. Первые водяные часы устроил в Риме верховный жрец Сципион Назик в 157 году до н.э. (Илл.6.)

Илл. 6. Самые старые водяные часы (1414—1375 гг. до н.э., Египет, фараон Аменхотел III)

Это был достаточно удобный для своего времени прибор для измерения небольших отрезков времени (в отличие от солнечных часов). Особое удобство состояло в том, что они не зависели от погоды. Водяными часам измерялось время выступлений ораторов и другие процедуры, связанные с государственными делами. Стоит отметить, что без больших изменений, водяные часы просуществовали почти два тысячелетия (!) вплоть до XVIII века.

Концепция часов предельно простая – отрезок времени измеряется количеством воды, которое вытекает через тонкое отверстие в дне верхнего сосуда в нижний сосуд. В нижнем сосуде делались деления, по которым и определяли отрезок времени.

Если в древнем Египте это были два сосуда, и вода перетекала из верхнего в нижний, то в Риме часы стали выглядеть иначе. Появились мерные деления на верхнем сосуде, по которым можно было определять отрезок времени.

У простых водяных часов, когда из верхнего сосуда вода вытекала в нижний, был недостаток – вода вытекала неравномерно из-за того, что уровень понижался и давление снижалось. И, как следствие, трудно было определять время, трудно разметить шкалу. Чтобы избежать этого была придумана новая конструкция часов. Водяные часы могли регулировать «течение времени», при конструкции «конус в конус». В этой конструкции выполнено согласование формы сосуда и скорости истечения воды (это реализация закона согласования-рассогласования). Такие конструкции появились в Александрии в III веке до н.э.

Со временем появились и более сложные конструкции, в которых появился циферблат, более наглядный и, как следствие, более удобный для использования. Но для этого древним конструкторам пришлось научиться переводить линейное перемещение в круговое. Так появился шток с зубчатой передачей и зубчатое колесо (реализация закона развертывания технической системы) (Илл. 7.).

Илл. 7. Водяные часы с циферблатом

Вероятно, с римских времен, от водяных часов пошли выражения «Ваше время истекло», «Время течет как вода между пальцами».

Позднее конструкции стали еще более сложными, а хранителями времени стали религиозные деятели. Почему? Об этом чуть позднее.

Илл. 8. Реконструкция пагодных астрономических часов, Китай, XI В.

Религия в то время играла решающую роль в жизни общества, и все инновации внедрялись в храмах, подчеркивая божественность происходящего (Илл. 8). Касалось это и часов, которые помогали определять время молитвы. Впрочем, такие часы не стали слишком распространенными. И после появления механических часов они, постепенно, отошли в прошлое.

Оригинальное решение нашли китайцы и индусы, которые при изготовлении водяных часов использовали прием «инверсия». Не заставляли воду вытекать из сосуда, а сделали наоборот – помещали полушаровидный сосуд в бассейн и ждали, пока сосуд наполнялся водой, через тонкое отверстие. Такие часы не зависили от уровня наполнения водой верхней емкости, а значит имели более высокую точность (Илл. 9).

Илл. 9. Восточные водяные часы

2.3. Песочные часы

(третье поколение приборов для измерения времени)

Даты появления песочных часов не знает никто, хотя можно предполагать, что они были известны в Азии еще до нового летоисчисления.

Однако, только в Х веке нашей эры появились первые документы, в которых делаются предположения, что именно в это время впервые построены такие часы. А первое документальное упоминание о песочных часах относится к еще более позднему времени, к 1339 году. Это было сообщение о технологии по приготовлению песка для песочных часов.

Почему же внедрение песочных часов задержалось почти на тысячелетие?

Дело в том, что на внедрение новой системы оказывает существенное влияние уровень развития техники. Для создания песочных часов необходимо было наличие прозрачного стекла. А появилось такое стекло только в IX веке. И только с появлением прозрачного стекла стало возможным изготовление песочных часов (Илл. 10.).

Несмотря на достаточно позднее появление песочных часов, они быстро завоевали рынки. Причиной тому была их простота и удобство использования, по сравнению с водяными часами, а также более высокая точность, по сравнению солнечными часами. Быстрое внедрение песочных часов стимулировала нарастающая Потребность в точном измерения времени, которое требовала как общественная жизнь, так и развитие технологий. Технология работы с прозрачным стеклом была уже достаточно развита, поэтому изготовление стеклянного корпуса для часов уже не представляла затруднений. Технология подготовки песка также не вызывала проблем.

Илл. 10. Песочные часы

С тех пор, технология изготовления песочных часов не менялась, как и их конструкции в течении нескольких столетий. Однако, на этой системе очень хорошо видна закономерность захвата типоразмерного ряда. Часы делали рассчитанными на самое разное время, в зависимости от потребности. Обычно эти часы были рассчитаны на несколько минут, но бывали и часы, рассчитанные на 12 часов. Делали песочные часы, рассчитанные на другое время. Так, например, долгое время специализированные песочные часы применялись в морском деле – на кораблях применялись 4-х-часовые песочные часы для определения времени вахты и 30-секундные песочные часы, для определения скорости корабля (Илл. 11.).

Илл. 11. Набор корабельных склянок (песочных часов) XVIII века

И хотя песочные часы были намного точнее, чем водяные или солнечные, их основным недостатком была недостаточная точность. И повысить точность в рамках данной концепции было невозможно. Для решения нужна была новая концепция часов.

S-кривая развития песочных часов закончилась с появлением более точных механических часов. Однако песочные часы остались в ряде зон, где их использование оказалось более удобным, а особая точность не нужна. Особенно интересно превышение таких часов в тех случаях, когда нужна наглядность. Часто у детских врачей при проведении процедур время показывают именно песочные часы, что очень нравится детям.

3. Появление механических часов

С развитием науки и техники появились новые возможности по созданию инструментов для измерения времени. Появились механические часы. Это уже четвертый принцип действия часов, четвертая S-кривая.

Все началось с гиревых часов, точнее с создания механизма генерации автоколебаний под действием силы тяжести.

3.1. Гиревые часы

(четвертое поколение приборов для измерения времени)

Нет доставерных данных о том, кто придумал механические часы. Но есть предположение, что идея создания механических часов принадлежит монаху Герберту из Ориллака, ставшему впоследствие римский папой Сильвестром II (950—1003).

Зато точно известно, что первые механические башенные часы были построены англичанами в Вестминстерском аббатстве в 1288 году. С тех пор началось победоносное шествие механических часов в Европе.

За счет какой энергии работают гиревые часы? Колебания в этих часах поддерживаются периодическим подталкиванием зубцов храпового колеса, соединенного с висящей гирей. Именно гиря и обеспечивает энергией автоколебательный процесс. Неизменный вес гири и обеспечивает стационарность процесса, а работа внешних сил груза компенсирует потери механической энергии на трение в системе (Илл. 12).

Илл. 12 Схема работы гиревых башенных часов

Сначала появился самый простой часовой механизм на механическом принципе. В нем было всего три зубчатых колеса. Этого оказалось достаточно, чтобы создать автоколебательный процесс, при котором работает однострелочный циферблат. В ТРИЗ такая минимально работоспособная система называется функциональный центр. Чтобы появилась минутная стрелка, понадобилось еще одно зубчатое колесо (в терминах ТРИЗ – это уже развертывание системы). Впрочем, все это было намного позднее. А первые часы были без стрелок.

В то время религия играла большую роль в жизни людей. И большая часть общественной жизни проходила с ее участием. А главной потребностью у церкви в годы было своевременно собирать людей на службу и другие собрания. Именно поэтому проблема определения времени так волновала церковных деятелей. Именно поэтому первые часы стали устанавливать в церквях.

Сначала часы просто устанавливались в церквях, чтобы вовремя приглашать прихожан к службе. Но потом стали устанавливать на башнях, чтобы жители города могли следить за временем, и вовремя собираться на городские собрания. Но как информировать о времени людей которые не могуг видеть часы? Ведь стрелок с циферблатами еще не было.

И тогда часовщики вспомнили о ресурсе, который уже был в храмах – колоколе! Часы объединили с колоколом. Так появилась очень удобная би-система – часы на башне стали отбивать время так, что даже не глядя на башню человек мог слышать, сколько раз бьют часы, а значит узнать время.

Впервые о таких часах с боем написал флорентийский писатель Данте Алигьери. Именно такие часы были установлены на колокольне башни собора Святого Марка в Венеции в 1493 году. Созданы они были известным часовщиком Джаном Карло Ренье. Эти часы не имели циферблата и лишь звучали в определенное время. Это было время молитвы или бой через определенные интервалы времени.

Позднее система колокольного перезвона усложнилась, а колокольный перезвон стал искусством. На колоколах научились играть мелодию. А еще через некоторое время люди разработали техническую систему, что часы на башне выбивали мелодию на колоколах. Часы усложнились, но стали эффективнее – это была уже совсем другая техническая система – часы с возможностью играть музыку.

Достаточно быстро часовщики вспомнили удобство наглядности, свойственной солнечным часами и по аналогии с циферблатом солнечных часов, придумали циферблат с часовой стрелкой. Это было несложно поскольку вращение уже было в механизме генерации автоколебаний, и достаточно было установить зубчатое колесо уже чтобы установить часовую стрелку. Так появились башенные гиревые часы с часовой стрелкой.

Сначала часы строились только в храмах, спустя два-три столетия гиревые часы перестали быть атрибутом только башен и церквей. С развитием технологий работы с металлом, в XIV – XV веках они стали компактнее, после чего были созданы первые напольные и настенные часы. Но даже настенные часы были очень тяжелыми. И кроме этого они приводились в действие с помощью груза, который надо было подтягивать каждые 12 часов.

Однако, налицо прорыв в технике вызвал прорыв в рынках для часов – новые гиревые часы можно было устанавливать в домах состоятельных людей. По своей конструкции они полностью копировали большие башенные часы, но были миниатюрнее. В этих системах прослеживается реализация двух тенденций развития технических систем:

– миниатюризация технической системы и,

– развертывание типоразмерного ряда.

С развитием технологии механической обработки металлических деталей часов, появления специальной оснастки и инструментов для изготовления, они становились дешевле. С удешевлением часы становились доступными все более и более широкому кругу лиц (реализация тенденции удешевления технических систем).

К сожалению, несмотря на несомненные преимущества перед песочными часами, новая конструкция была несовершенной, а точность зависела от величины массы груза, «смазанности» механизма и других причин и плохо поддавалась регулировке. И хотя точность гиревых часов были точнее всех предыдущих видов часов (солнечных, водяных и песочных), скоро и ее стало не хватать. Нужна была конструкция более точных часов.

3.2. Маятниковые часы

(пятое поколение приборов для измерения времени)

Для решения проблемы повышения точности была предложена конструкция маятниковых часов. Как известно, период колебания маятника не зависит от его веса. Он зависит только от длины маятника. Именно это и позволило повысить точность часов.

Возможность регулировать высоту подвеса позволяла достаточно эффективно регулировать период колебаний. Хитрость новых часов состояла в конструкции спускового механизма, который позволял сделать колебания маятника незатухающими, и в то же время не менял периода его колебаний.

Такой механизм придумал в 1656 году английский часовщик Клемент – это якорно-анкерный спуск, которые великолепно подошел к маятниковым часам с небольшой амплитудой колебания маятника.

В его конструкции спускового механизма происходило следующее: на ось маятника насаживался анкер – якорь с палетами. Раскачиваясь вместе с маятником, палеты попеременно внедрялись в ходовое колесо, подчиняя его вращение периоду колебания маятника. При каждом колебании колесо поворачивалось только на один зуб. Благодаря такому спусковому механизму маятник постоянно получал энергию (периодическими толчками), которые не давали ему остановиться. Толчок происходил каждый раз, когда ходовое колесо, освободившись от одного из зубьев якоря, ударялось с определенной силой о другой зуб. Этот толчок передавался от якоря к маятнику.

Изобретение анкерного механизма стало прорывом в развитии конструкции часов. Часы стали намного точнее, а главное, появилась возможность сделать новый шаг в реализации тенденции миниатюризации технических систем – возможность уменьшения размеров часов.

Если ранее огромные гиревые башенные часы превратились сначала в напольные (Илл. 13.), а затем в настенные (Илл. 14), то анкерный механизм маятниковых часов позволил в разы уменьшить их сохраняя высокую точность.

Илл. 13. Напольные маятниковые часы

Илл. 14. Настенные маятниковые часы

Маятниковые часы прожили долгую жизнь, и до сих пор украшают многие исторические здания и архитектурные памятники.

В начале своей эпохи (S-кривой), в XVI – XVII веках они изготавливались штучно, вручную в единичных экземплярах, поэтому многие маятниковые часы стали уникальными произведениями искусства того времени (Илл. 15—16.). Так появилось большое разнообразие часов. Мастера варьировали конструкцию часов. Шло активное развертывание конструкции – являлись новые шестерни, варьировались размеры, конфигурация…. Часовщики искали оптимальное соотношение размеров, точности и сложности конструкции.

Илл. 15. Напольные маятниковые часы

Илл. 16. Напольные маятниковые часы

Илл. 17. Каминные маятниковые часы

Несмотря на рост потребности в часах она все еще оставалась недостаточной для серийного производства. Крестьяне вставали с рассветом, и ложились с закатом, и их мало интересовало время. Ремесленники так же трудились от рассвета до заката, поскольку в темное время суток работать было невозможно, а свечи стоили дорого. И только для состоятельных людей время имело значение. Но для удовлетворения этой потребности вполне хватало ручных технологий и мастеров-часовщиков, которые штучно, по ручным технологиям изготавливали часы. Разумеется, что чем богаче был заказчик, тем в большей степени он был заинтересован в красоте часов. Поэтому высоко ценился не только механизм часов, но и его оформление (Илл. 17—19).

Илл. 18. Изящные каминные маятниковые часы

Впрочем, с развитием общества, потребность в контроле за временем возрастала, чиновники должны были вовремя являться на службу, заводы – синхронизировать работу часов, гимназии и университеты – начинать и заканчивать уроки…. В конце XIX и начале XX века маятниковые часы перестали быть предметом роскоши. Для удовлетворения возрастающей потребности в контроле за временем возникла необходимость серийного производства часов. Разумеется изобретатели и производственники откликнулись на нее. Так появились серийно выпускаемые настенные часы (Илл. 20, 21).

Илл. 19. Изящные каминные маятниковые часы

Илл. 20. В начале XX века стали часы с «кукушкой», которые отбивали каждый час

Илл. 21. Серийные маятниковые часы начала XX века.

В середине XX века в СССР самые простые маятниковые часы стали удобным детским конструктором практически для каждого школьника. Часто эти часы, на которых дети учились собирать свои первые технические системы висели в домах и квартирах во вполне утилитарных целях – показывали время.

Маятниковые часы решали многие проблемы, но у них был большой недостаток – они могли работать только в строго вертикальном положении и должны были быть неподвижными. Связано это с действием силы тяжести, создающей потенциальную энергию, которую используют маятниковые часы.

Но как быть, если необходимо носить часы с собой, чтобы постоянно определять время, контролировать его? Как заставить часы ходить, даже если они не находятся в вертикальном положении. Налицо противоречие – часы должны быть в вертикальном положении, чтобы маятник надежно работал, и не должны находиться в вертикальном положении, так как их в этом положении неудобно носить!

Чтобы устранить эту проблему, необходимо было найти потенциальную энергию, которая не зависила бы от положения механизма часов. И решение было найдено – новым источником энергии стала пружина.