Часы. От гномона до атомных часов - Станислав Михаль

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.

Упомянутый дорогой подарок калифа не был в истории водяных часов единственным. Значительно раньше, еще в 490 г., король западных готов Теодерик выбрал именно водяные часы для подарка королю Гундебальду в Бургундии. Подобная идея пришла в голову в середине VIII в. папе Павлу I, подарившему французскому королю Пипину Короткому художественно украшенные водяные часы. В 1232 г. император Фридрих II получил в подарок от султана Саладина из Багдада большие астрономические водяные часы. Многочисленные упоминания о водяных часах и их популярности в средневековых королевских дворцах встречаются и в письмах различных правителей. Из них мы узнаем, например, что Альфонс X пользовался при своих астрономических исследованиях не только свечечными и ртутными часами, но и водяными часами.

Рис. 4а. Реконструкция пагодных астрономических часов, XI в.

Очень старую традицию водяные часы имели в Китае. Сооружением таких часов здесь начали заниматься примерно в то же время, когда в Греции Герон изобретал свои гидравлические и пневматические механизмы. Тогда Чанг Хенг построил небесный глобус, приводимый в движение силой воды. Значительно более сложным часовым прибором с водяным приводным механизмом, изобретенным уже в христианскую эру около 725 г., являются водяные часы И-Хсинга. Верхом совершенства несомненно был проект больших пагодных астрономических водяных часов, разработанный в 1090 г. и осуществленный Су-Сунгом с сотрудниками в Кай фенге в провинции Хонан — в тогдашней столице китайской империи. Эти часы имели сигнальное устройство времени, похожее на то, которое имелось у водяных часов Ктезибия. Астрономическая часть часов Су-Сунга имела форму армилярной сферы и небесного глобуса. Внешний вид и общая схема этих часов видны на реконструкции, выполненной Христиансеном и приведенной на рис. 4а, б. Особенностью этих часов является большое водяное колесо с замкнутым кругооборотом воды, приводящее в движение часы в целом и являющееся некоторой аналогией механического спуска, появившегося позднее в Европе у первых механических часов. Существуют пока еще неподтвержденные предположения о какой-то связи водяного «спускового» механизма Су-Сунга со спусковым механизмом механических часов. Во всяком случае многие считают, что принцип регулятора хода пагодных астрономических часов Су-Сунга является важным соединительным звеном между водяными и механическими хронометрическими приборами.

Рис. 4б. Реконструкция пагодных астрономических часов, XI в.

Средневековый арабский инженер Аль-Язари написал в 1206 г. книгу, в которой он, помимо описания различных механизмов, уделил существенную часть водяным часам для измерения текущего солнечного времени и других постоянных интервалов времени. В шести из десяти глав книги он детально описывает водяные часы с различными фигурными элементами, а в остальных главах он знакомит читателей с некоторыми видами огневых свечных часов. Книга Аль-Язари является свидетельством высокого уровня средневековой механики на Ближнем Востоке. Необычайное исполнение этих часов и их остроумная конструкция заслуживают того, чтобы мы описали хотя бы один из хронометрических приборов Аль-Язари — водяные часы с флейтовым сигнальным устройством для измерения постоянных интервалов времени.

Как и Су-Сунг, Аль-Язари исходит из фигурального изображения времени в отличие от конструкторов последующих периодов, которые перешли на цифровые индикаторы. Указательный механизм водяных часов Аль-Язари (рис. 5) представляет собой скульптурные изображения четырех павлинов — павлин, два молодых павлина и над ними пава. Эта фигурная часть дополняется сверху 15 стеклянными шарами в полукруглом междукружье. Во время рассвета пава занимает положение, указанное на рисунке, а затем она медленно поворачивается клювом и движется до тех пор, пока не доходит до противоположного положения. Это движение она совершает за полчаса. Специальный механизм, управляющий движением стеклянных шариков, поворачивает первый из них так, чтобы стала видной красная половина его поверхности. В этот момент оба павлина под павой начинают двигаться, издают громкий свист, после чего находящийся внизу павлин начинает медленно поворачиваться и раскрывает веер своего пестрого хвоста. Затем пава снова возвращается в свое первоначальное положение. Этот процесс повторяется каждые полчаса до захода солнца, а количество стеклянных шаров с виднеющейся красной поверхностью указывает количество прошедших за это время получасов. Для различения ночных и дневных часов служил источник света, который ночью освещал стеклянные шары.

В следующей части этого же рисунка приведена схема ведущего водяного механизма, управляющего движением павлина. Вода здесь вытекает из бака в сосуд, закрепленный в подвеске так, чтобы после его наполнения он в определенный момент опрокинулся, причем его содержимое переливалось бы в нижнюю ванну и текло бы оттуда на лопасти водяного колеса. Водяное колесо приводит в движение передаточный механизм, соединенный с павлином. Другая схема изображает звуковой механизм флейт и приводное устройство молодых павлинов. Водяное колесо, приведенное в регулярное движение, отклоняет с помощью тяг павлинов от их первоначальных положений, а вода, вытекающая из ванны под водяным колесом в нижний бак, выжимает из него воздух на язычок флейт.

В действительности механизм этих часов Аль-Язари был намного сложнее. Приведенное описание работы некоторых его частей дает представление об остроумии авторов и сложности приборов, которые арабский мир знал намного раньше, чем подобные элементы появились в Европе.

Эпоха Возрождения, которая сопровождалась возвратом к античному искусству, античной философии и науке, воскресила и интерес к механике, построенной на основе достижений Архимеда, Ктезибия и Герона. Составной частью этого наследия античной механики были и водяные часы, которые в конце средних веков были в монастырях незаменимы для определения времени богослужений, трапез, а также для сложных астрономических наблюдений (рис. 6). Растущий интерес к механике и механизмам отразился также в сочинениях ученых того времени, в эскизах Леонардо да Винчи, в знаменитом произведении Каспара Шотта «Technica curiosa», в трудах Кирхера и т.д. Мы можем найти в них анализ различных принципов водяных часов, что свидетельствует о том большом интересе, который в ту пору вызывали такие часы.

Оригинальная конструкция водяных часов описана Соломоном де Каусом. Это водяные часы барабанного типа, главными частями которых являются замкнутый металлический барабан с лучеобразно расположенными неподвижными перемычками. Барабан частично заполнен водой. Через небольшие отверстия в перемычках у внешнего контура вода течет из верхних камер вниз. Ее вес компенсирует вес барабана, висящего на двух струнах, наматывающихся на концы его оси. Результатом взаимодействия сил является медленное отматывание струн и опускание барабана. Ось барабана или связанный с ним специальный стрелочный индикатор указывают время на вертикальной боковой шкале. Описываемые Соломоном часы имели к тому же сигнальное устройство. Известный экспериментатор Гаспар Шотт описал аналогичные часы, в которых вода заменена тонким песком. Принципа, описанного Соломоном, придерживался и доминиканец Архангеле Мария Ради, который, будучи соучастником работ Шотта, детально описал в 1665 г. устройство и работу водяных барабанных часов.

Идеей использования воды для управления движением регуляторов колесных часов занимался в первой половине XVII в. француз Клод Перро. Значительно позднее, в 60-х годах XIX в., эту идею снова развил и разработал итальянец Эмбриако из Рима.

Водяные часы были важной вехой в историческом развитии хронометрических приборов. Выражение «aquam perdo» (теряю воду), которое было крылатым в эпоху Цицерона, подтверждает, какую важную роль играли водяные часы при ораторских выступлениях, судебных заседаниях и в общественной жизни вообще. Исключительно большая заслуга греков в совершенствовании этих часов удивительно контрастирует с пассивным отношением к этим техническим новинкам со стороны римлян, которые ознакомились с первыми водяными часами лишь по сообщениям Плиния, в 172 г. до н.э.