Часы. От гномона до атомных часов - Станислав Михаль

Египтянам были известны разновидности таких часов с поступлением и с вытеканием воды. Об этом сохранились довольно детальные сообщения в обнаруженных папирусах. В них имеются и данные о шкалах, выгравированных на корпусах таких часов. Основной единицей для шкал была мера в палец (палец равен 1/4 ладони или 1/28 локтя, т.е. 18,75 мм). Шкала обычно имела 12 пальцев. Отсюда можно сравнительно легко судить об общем размере таких часов. Египетские «приточные» водяные часы были несколько сложнее аналогичных часов восточного происхождения. Обычно они имели форму цилиндра с 12-часовой шкалой на внутренней поверхности. Часовой сосуд заполнялся водой, поступающей по каплям из специального сопла. Некоторые подобные часы имели поплавок, который после повышения уровня воды до определенной степени открывал выпускной кран. У большинства античных культур длина дневных и ночных часов изменялась в зависимости от сезонов года. Напомним, что вавилоняне делили день на 12 часов, и длина этих часов зависела от времени между восходом и заходом Солнца. Измерение часов неодинаковой длины с помощью часов «втечения» или «истечения» было довольно трудным делом. Эти часы должны были иметь много шкал или специальные устройства для регулирования поступления или истечения воды. Один из таких возможных способов несколько лет назад описал в своей книге «Histoire de l'astronomie moderne» («История современной астрономии») Бэйлли. Основой этого способа было использование конического корректирующего элемента, задвигаемого в полость конического конуса «часов истечения». Изменением положения корректировочного элемента изменяли уровень воды в полости, а этим — и скорости течения жидкости и понижения уровня жидкости на часовой шкале.

Арабские, индийские и китайские водяные часы, созданные до нашей эры, были весьма примитивны. И все же древние египетские астрономы сумели с помощью таких часов измерить с приемлемой точностью диаметр Солнца. Их измерение исходило из простого метода — сравнения количества воды, истекшей из водяных часов за период одного оборота Земли, с водой, истекшей за время прохождения кажущегося диаметра Солнца через горизонт. Для полноты нужно добавить, что указанный метод приемлем лишь в тех местах, где Солнце заходит перпендикулярно горизонту, что относится к территории Египта, находящейся к югу от тропика Рака, но не относится к европейским странам.

Наличие водяных часов, не связанное с египетским влиянием, известно и у других древних культур. Примерно около 650 г. до н.э. ассирийцы строили конические водяные часы с круглыми концентрическими временными шкалами, с диапазоном от 2 до 24 ч. Эмпедокл из Акраганта упомянул примерно в 450 г. до н.э. о водяных часах, предназначенных для измерения времени, представляемого ораторам во время судебных процессов. Водяные часы древних ораторов были, по существу, большими амфорами, внутренняя поверхность которых имела форму, образованную вращением параболы или эллипсоида. В такой амфоре высотой около 1 м и шириной несколько более 40 см находилось при ее заполнении около 1 гл воды. При диаметре отверстия истечения в 1,4 мм требовалось почти 10 ч на полное опорожнение сосуда. Время, истекшее после начала истечения воды, указывалось на шкале, имевшейся на поплавке. Поплавок опускался в амфоре равномерно, поскольку уменьшение скорости истечения компенсировалось уменьшающимся внутренним диаметром сосуда.

Роль водяных часов бывала различной. Военный историк Айнаяс, писавший около 360 г. до н.э., упоминает о том, что с помощью водяных часов измерялась продолжительность ночных дозоров.

Простая форма первых водяных часов постепенно обогащалась новыми элементами. То, что «клепсидра» не зависела от света Солнца, сделало из водяных часов прибор, пригодный для непрерывного измерения времени и днем, и ночью. Отсюда вытекали и различные стремления к изобретению остроумных гидравлико-пневматических механизмов для звуковой сигнализации о времени, для освещения часов ночью и т.д. Такие элементы можно найти у целого ряда водяных часов арабского происхождения, о проникновении которых в Китай есть упоминание уже от 202 г. до н.э. в труде Чау-ли.

Самая интересная эра водяных часов связана с Грецией, куда они попали сравнительно поздно, лишь около 400 г. до н.э., и это произошло, по всей вероятности, благодаря Платону. Поистине легендарной фигурой в области изготовления «клепсидр» стал известный греческий механик Ктезибий Александрийский, живший примерно 150 лет до н.э. Тогда в Греции измеряли время планетными часами (день и ночь имели одинаковое количество часов, длина которых измерялась применительно к сезону года). Римский архитектор Витрувий даже называет Ктезибия в своей девятой книге об архитектуре изобретателем водяных часов. Хотя это утверждение неправильно, все же нельзя отрицать, что Ктезибию принадлежит решающая роль в техническом усовершенствовании водяных часов.

Сохранились сообщения о двух приборах — часах Ктезибия, которые ввиду своих особых достоинств заслуживают хотя бы краткого описания. В часах, приводимых водяным колесом, Ктезибий осуществил идею передачи сил и движения зубчатым механизмом, проект которого еще в IV в. до н.э. теоретически наметил Аристотель, но практически использовал лишь Ктезибий. Зубчатая передача соединяла ведущий механизм со шкалой времени, расположенной на цилиндрической поверхности поворотной колонны и разделенной вертикальными прямыми на четыре основных поля. Система из 24 наклонных линий образовывала, собственно говоря, часовую шкалу для измерения планетных часов. Колонна со шкалой, приводимая водяным колесом, вращаясь вокруг своей оси, совершала один оборот в год. Поэтому и камеры водяного колеса в нижней части часов заполнялись водой медленно, причем вода подавалась в небольшом количестве по особому трубопроводу. Статуэтка со стрелкой двигалась с помощью специального поплавкового механизма, управляемого другой статуэткой, находящейся на другой стороне часов. Слезы — водяные капли, — капающие из глаз статуэтки, накапливались в сборники-подставки, откуда через трубопровод текли в поплавковую камеру стрелочного механизма. Кроме того, эти часы имели еще специальное устройство, которое через определенные интервалы выбрасывало на чашку мелкие камешки (это было звуковой сигнализацией ночных часов).

Вторые часы Ктезибия усовершенствованы. Они отличаются от первых тем, что их стрелка в верхней части с циферблатом управлялась поплавком, подвешенным на цепи, навернутой вокруг вала стрелочного указателя. Лунный календарь с зодиаком в нижней части часов тоже приводился в движение водяным колесом, камеры которого были закреплены непосредственно на задней стороне зодиаковой плиты.

На аналогичном принципе построил намного позднее свои часы Оронтий Финаэус. Схема этих часов сохранилась в сочинении «De solaribus horologies», изданном в Париже в 1560 г.

Введение водяных часов в Риме тесно связано с цензором П. Корнелием Сципионом Назикой, который в 172 г. до н.э. первым ознакомил римлян с этим видом часов. То, что здесь водяные часы быстро привились, подтверждается находкой римских водяных часов с календарем, обнаруженных при раскопках в Зальцбурге и у Цайнота. И Витрувий описал примерно в 24 г. до н.э. водяные часы с поплавком, у которых движение поплавка переносилось цепью на циферблатный круг с неподвижной стрелкой.

Башня ветров в римской агоре (место собраний, площадь) в Афинах, построенная македонским геометром Андроником Кирргестом примерно в 75 г. до н.э., является одним из небольших античных сооружений, сохранившихся неповрежденными, хотя их внутреннее оборудование, естественно, не сохранилось. В детальном исследовании остатков каналов в полах и в стенах, выполненном в 1965 г. Нобелем и Прицом, было реконструировано внутреннее устройство здания, центром которого были водяные часы с поворотным краном, снабженным звездной картой и «солнцем». Весь этот комплекс приводился в движение водяным механизмом. Клепсидры в сочетании с астрономической частью, дополненной комплексом из девяти солнечных часов, сначала создавали впечатление, что речь идет о сооружении, которое когда-то выполняло роль общественных часов у входа на базарную площадь. Однако позднейшие исследования обнаружили еще другие важные задачи этого объекта. Башня ветров должна была демонстрировать принцип четырех основных стихий, на которых были построены основы античной науки.

В отличие от солнечных часов характер водяных часов позволял широко развивать некоторые их механические элементы. В руках опытных и одаренных воображением мастеров возникли выдающиеся произведения, отличающиеся высокой художественной ценностью и оригинальной функциональностью. К таким произведениям бесспорно относятся бронзовые водяные часы, изготовленные в период 799-807 гг., которые Гарун-аль-Рашид послал в подарок Карлу Великому. Эти часы с богатыми орнаментальными украшениями имели часовой циферблат и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара, который выскакивал из часов на декоративную решетку. В полдень у этих часов открывались ворота и из них выезжали рыцари. Этот необычный элемент говорит о том, что тогда была развита техника автоматических движущихся фигур, с которой мы в широком масштабе встречаемся в Европе лишь немного позднее — в период готики, а затем снова в XVIII в. во времена короля автоматических механизмов и движущихся фигур-автоматов француза Вокансона.