Клепсидра Ктесибия
Древнейшим «инструментом» измерения времени было солнце. Проходя свой ежедневный путь по небу, солнце безошибочно указывало время суток. Но с развитием общества потребовались более точные временные указатели. Египтяне разделили сутки на 2 периода (день, ночь), по 12 часов каждый. А вавилоняне применили свою шестидесятеричную систему счисления к отсчёту времени, разделив час на 60 минут. Отслеживать время по часам помогли солнечные часы, а затем и водяные часы — клепсидры.
Жить по солнцу
Солнечные часы — первый прибор для измерения времени. Изобрели их, вероятно, египтяне в XV в. до н. э. Стрелка этих часов — тень от стержня (гномона), меняющая направление и длину в течение светового дня в зависимости от положения солнца на небе. Солнце встаёт в восточной части неба, а заходит — в западной, поэтому утром тени тянутся в западную сторону, днём (в северном полушарии) — на север, а вечером — в восточную.
Тень от гномона скользит по циферблату с делениями, обозначающими часы, перекрывая деление текущего часа. В некоторых солнечных часах время отмечали по изменению длины тени — утром и вечером, когда солнце ещё близко к горизонту, тени длинные, а в полдень, когда солнце в зените, тени короткие.
В разные месяцы года солнце встаёт и заходит в разное время — для сохранения точности солнечных часов, для каждого месяца на циферблате наносили свои деления.
Течение времени, течение воды
У солнечных часов есть большой недостаток — ими нельзя пользоваться ночью, в пасмурную погоду и в помещении. Универсальным прибором для отсчёта времени стали водяные часы. Считается, что древнейшие водяные часы появились в Египте в 1417-1379 гг. до н. э. Это была каменная чаша с отверстием внизу, из которого равномерно вытекала вода. Уровень воды в чаше понижался, и по меткам внутри её определяли, сколько времени прошло. Древние греки называли водяные часы клепсидрой — «воровкой воды» — и отмеряли ею время выступления ораторов в суде и на собраниях.
Недостаток клепсидр — неточность. Из полного сосуда вода течёт под давлением и вытекает быстрее, а по мере опустошения сосуда, давление падает, и ток воды замедляется. Чем крупнее сосуды в часах, тем сильнее эти часы «отстают».
Хитроумный механизм
Древнегреческий математик и механик Ктесибий, работавший в египетском городе Александрии в 285-222 гг. до н. э., поражал своих современников хитроумными клепсидрами собственной конструкции с двигающимися фигурками, указывающими текущий час, день и месяц.
Движение фигурок и вращение цилиндра с делениями, обозначающими часы, дни и месяцы, обеспечивалось законами гидравлики и не требовало участия человека. Ктесибий так точно рассчитал действие всего механизма, что цилиндр совершал полный оборот ровно за год, всегда указывая правильное время.
Гидравлика (от греч. «гилра» — вода) — раздел физики, прикладная наука о законах движения и равновесия жидкостей и о применении этих законов для решения инженерных задач.
Реконструкция клепсидры Ктесибия
Внутри фигурки амура (1) спрятана трубка подачи воды (2) из источника (3). Вода по трубке вытекала из глаз амура каплями, как слёзы, сливаясь в трубку (4), и по ней перетекала в резервуар (5) — отделение каменной «тумбы» часов с пробкой — поплавком (6). По мере повышения уровня воды в резервуаре (5) поднимался и поплавок. К поплавку штырём (7) крепилась фигура амура (8), указывающего пальчиком на деление на вращающемся цилиндре (9). Изогнутые горизонтальные линии (10) на цилиндре обозначали часы. У древних греков сутки были разделены на день — от восхода до заката, и ночь — от заката до восхода. 1 час равнялся 1/12 дня или ночи. Летом дни длиннее ночей, а зимой — наоборот, и длительность дневных и ночных часов менялась в течение года. Кривизна часовых линий была рассчитана так, чтобы указывать верный час в любой день года. Вертикальными линиями (11) цилиндр делился на 365 частей — по числу дней в году. По мере наполнения резервуара (5) по закону сообщающихся сосудов наполнялась трубка — сифон (12). Когда уровень воды достигал изгиба сифона, вода из резервуара (5) сливалась в сосуд (13) на одной из лопастей вращающегося колеса (14). Под тяжестью наполненного сосуда колесо проворачивалось, вращая и сцепленное с ним зубчатое колёсико (15). Это колёсико проворачивало ось (16) и цилиндр (9) на 1/365 часть окружности так, что пальчик амура (8) указывал следующий день. Сосуд (13) на лопасти при повороте колеса (14) опрокидывался и опустошался. Запускался новый виток работы механизма.
Развитие идеи
Водяные часы были самым точным прибором измерения времени до появления механических часов, да и первые механические часы были слишком дороги, и клепсидры оставались в ходу вплоть до XVII в.
Песочные часы действуют по тому же принципу, что и клепсидры, но вместо воды время в них отмеряет песок, равномерно пересыпающийся из верхнего стеклянного сосуда в сообщающийся с ним нижний. После опустошения верхнего сосуда часы переворачивали, и отсчёт временного промежутка начинался снова. Песочные часы появились в конце I в. до н. э., когда из стекла научились выдувать настолько гладкие сосуды, что песчинки не застревали в неровностях их стенок. Песочные часы неудобны тем, что за ними надо следить, вовремя переворачивая. Однако на кораблях ими пользовались до XIX в., отмеряя время несения вахты (корабельного дежурства).
Из-за стеклянных колб моряки прозвали песочные часы «склянками», а о смене вахты на корабле оповещал удар колокола — отсюда и выражение «бить склянки». Китайцы издревле пользовались солнечными и водяными часами и изобрели огненные часы — свечку с делениями, обозначающими часы. На сколько делений свечка сгорела, столько часов прошло. Храмовые свечи достигали нескольких метров и горели месяцами. Китайцы изобрели и будильник — ставили свечку в медную плошку и к нужному делению привязывали нитку с шариком. Свеча догорала до этого деления, пережигала нитку, и шарик со звоном падал в плошку.
