История приборов для измерения времени восходит к тому времени, когда древние цивилизации впервые наблюдали за астрономическими телами , перемещающимися по небу. Приборы и методы измерения времени постепенно совершенствовались благодаря серии новых изобретений, начиная с измерения времени с помощью непрерывных процессов, таких как поток жидкости в водяных часах , до механических часов и, в конечном итоге, повторяющихся колебательных процессов, таких как качание маятников . Колеблющиеся хронометры используются в современных часах.
Солнечные и водяные часы впервые были использованы в Древнем Египте около 1200 г. до н. э. (или, что то же самое, до н. э. ), а позднее вавилонянами , греками и китайцами . Часы с благовониями использовались в Китае к 6 веку. В средневековый период исламские водяные часы не имели себе равных по своей сложности до середины 14 века. Песочные часы , изобретенные в Европе, были одним из немногих надежных методов измерения времени в море.
В средневековой Европе чисто механические часы были разработаны после изобретения колокольного будильника, который использовался для подачи сигнала о правильном времени для звонка в монастырские колокола. Механические часы с гиревым приводом, управляемые действием верга и фолиота, были синтезом более ранних идей европейской и исламской науки. Механические часы были крупным прорывом, в частности, разработанным и построенным Генрихом де Виком в 1360 году , который установил базовую конструкцию часов на следующие 300 лет. Были добавлены незначительные разработки, такие как изобретение главной пружины в начале 15 века, что позволило впервые построить небольшие часы.
Следующим крупным усовершенствованием в часовом деле, начиная с XVII века, стало открытие того, что часы можно контролировать с помощью гармонических осцилляторов . Леонардо да Винчи создал самые ранние известные чертежи маятника в 1493–1494 годах, а в 1582 году Галилео Галилей исследовал регулярное колебание маятника, обнаружив, что частота зависит только от длины, а не от веса. Маятниковые часы , спроектированные и построенные голландским эрудитом Христианом Гюйгенсом в 1656 году, были настолько точнее других видов механических хронометров, что сохранилось лишь несколько механизмов верге и фолиота. Другие инновации в хронометрии в этот период включают изобретения для часов с боем, репетирных часов и апериодического спуска .
Факторами погрешности в ранних маятниковых часах были колебания температуры, проблема, которую в XVIII веке решали английские часовщики Джон Гаррисон и Джордж Грэм . После морской катастрофы Силли в 1707 году , после которой правительства предложили премию тому, кто сможет открыть способ определения долготы, Гаррисон построил ряд точных часов, введя термин хронометр . Электрические часы, изобретенные в 1840 году, использовались для управления самыми точными маятниковыми часами до 1940-х годов, когда кварцевые таймеры стали основой для точного измерения времени и частоты.
Наручные часы , которые были признаны ценным военным инструментом во время англо-бурской войны , стали популярными после Первой мировой войны в таких вариантах, как немагнитные, работающие от батареек и солнечных батарей, с кварцевыми, транзисторными и пластиковыми деталями. С начала 2010-х годов смартфоны и умные часы стали наиболее распространенными устройствами для измерения времени.
Самыми точными устройствами для измерения времени, используемыми на практике сегодня, являются атомные часы , точность которых может составлять несколько миллиардных долей секунды в год. Они используются для калибровки других часов и приборов для измерения времени.
Древние цивилизации наблюдали за астрономическими телами , часто за Солнцем и Луной , чтобы определять время. [1] По словам историка Эрика Брутона, Стоунхендж, вероятно, был эквивалентом астрономической обсерватории в каменном веке , использовавшейся для сезонных и ежегодных событий, таких как равноденствия или солнцестояния . [2] Поскольку мегалитические цивилизации не оставили никаких письменных свидетельств, мало что известно об их методах хронометража. [3] Памятник -календарь Уоррена Филда в настоящее время считается старейшим лунно-солнечным календарем, когда-либо найденным.
Мезоамериканцы изменили свою обычную двадцатеричную (основание 20) систему счисления при работе с календарями , чтобы получить 360-дневный год. [4] Австралийские аборигены хорошо понимали движение объектов на небе и использовали свои знания для построения календарей и помощи в навигации; в большинстве культур аборигенов были времена года, которые были четко определены и определялись естественными изменениями в течение года, включая небесные события. Лунные фазы использовались для обозначения более коротких периодов времени; Яральди из Южной Австралии были одними из немногих людей, зарегистрированных как имеющие способ измерения времени в течение дня, который был разделен на семь частей с использованием положения Солнца. [5]
Все хранители времени до 13 века полагались на методы, которые использовали что-то, что двигалось непрерывно. Ни один ранний метод измерения времени не менялся с постоянной скоростью. [6] Устройства и методы измерения времени постоянно совершенствовались посредством длинной серии новых изобретений и идей. [7]
Первыми устройствами, используемыми для измерения положения Солнца, были теневые часы , которые позже развились в солнечные часы . [8] [примечание 1] Самые старые известные солнечные часы датируются примерно 1200 годом до нашей эры (во времена 19-й династии ) и были обнаружены в Долине царей в 2013 году. [9] [10] Обелиски могли указывать, было ли это утро или полдень, а также летнее и зимнее солнцестояние . [11] Своеобразные теневые часы были разработаны примерно в 500 году до нашей эры и по форме напоминали изогнутую рейсшину . Они измеряли ход времени по тени, отбрасываемой их перекладиной, и были ориентированы на восток по утрам и поворачивались в полдень, поэтому могли отбрасывать свою тень в противоположном направлении. [12]
Солнечные часы упоминаются в Библии, в 4 Царств 20 :9–11, когда Езекия , царь Иудеи в VIII веке до н. э., был исцелен пророком Исайей и просил дать ему знак, что он выздоровеет: [13]
И сказал Исаия: вот тебе знамение от Господа, что Господь исполнит то, что Он изрек: пройти ли тени вперед на десять ступеней или вернуться назад на десять ступеней? И отвечал Езекия: легко тени пройти десять ступеней; нет, пусть возвратится тень назад на десять ступеней. И воззвал пророк Исаия к Господу, и повел тень назад на десять ступеней, на которые она прошла по ступеням Ахаза.
Глиняная табличка позднего вавилонского периода описывает длину теней в разное время года. [14] Вавилонскому писателю Бероссу ( ок. 3 в. до н. э. ) греки приписывают изобретение полусферических солнечных часов, выдолбленных в камне; путь тени был разделен на 12 частей, чтобы отмечать время. [ 15] Греческие солнечные часы эволюционировали и стали весьма сложными — « Аналемма » Птолемея , написанная во 2 в. н. э., использовала раннюю форму тригонометрии для определения положения Солнца из таких данных, как час дня и географическая широта . [16] [примечание 2]
Римляне унаследовали солнечные часы от греков. [19] Первые солнечные часы в Риме появились в 264 г. до н. э., их украли из Катании на Сицилии . Эти солнечные часы предложили новшество часов «horologium» в течение дня, тогда как до этого римляне просто делили день на раннее утро и до полудня ( mane и ante merididiem). [20] Тем не менее, возникли неожиданные астрономические проблемы; эти часы показывали неправильное время в течение столетия. Эта ошибка была замечена только в 164 г. до н. э., когда римский цензор пришел проверить и отрегулировать для соответствующей широты. [21] [20]
По словам немецкого историка астрономии Эрнста Циннера , солнечные часы были разработаны в 13 веке со шкалами, которые показывали равные часы. Первые основанные на полярном времени появились в Германии около 1400 года ; альтернативная теория предполагает, что солнечные часы из Дамаска, измеряющие полярное время, можно датировать 1372 годом. [22] Европейские трактаты о конструкции солнечных часов появились около 1500 года . [23]
Египетский метод определения времени ночью, используемый по крайней мере с 600 г. до н. э., представлял собой тип отвеса, называемого мерхет . Меридиан север-юг создавался с помощью двух мерхетов, выровненных с Полярной звездой , северной полярной звездой . Время определялось путем наблюдения за определенными звездами, когда они пересекали меридиан. [24]
Джантар Мантар в Джайпуре, построенный в 1727 году Джаем Сингхом II, включает в себя Врихат Самрат Янтру, солнечные часы высотой 88 футов (27 м) . [25] Они могут показывать местное время с точностью около двух секунд. [26]
Самое древнее описание клепсидры, или водяных часов , содержится в надгробной надписи египетского придворного чиновника начала XVIII династии ( ок. 1500 г. до н. э.) по имени Аменемхет, который идентифицируется как их изобретатель. [27] Предполагается, что объект, описанный в надписи, представляет собой чашу с отметками, указывающими время. [28] Самые древние сохранившиеся водяные часы были найдены в гробнице фараона Аменхотепа III ( ок. 1417–1379 г. до н. э.). [29] Не существует признанных примеров существования вытекающих водяных часов из древней Месопотамии , но сохранились письменные упоминания. [14]
Введение водяных часов в Китай , возможно, из Месопотамии, произошло еще во 2-м тысячелетии до н. э., во времена династии Шан , и самое позднее в 1-м тысячелетии до н. э. Около 550 г. н. э. Инь Куй (殷蘷) был первым в Китае, кто написал о переливном или постоянном уровне резервуара в своей книге «Лу кэ фа (漏刻法)». Около 610 г. два изобретателя династии Суй , Гэн Сюнь (耿詢) и Юйвэнь Кай (宇文愷), создали первую балансовую клепсидру со стандартными положениями для безмена баланса . [30] В 721 г. математик И Син и правительственный чиновник Лян Линцзань отрегулировали силу воды, приводящую в движение астрономические часы , разделив силу на единичные импульсы, чтобы можно было дублировать движение планет и звезд. [31] В 976 году астроном династии Сун Чжан Сиксунь решил проблему замерзания воды в клепсидре в холодную погоду, заменив воду жидкой ртутью . [32] В 1088 году эрудитом Су Сун была построена башенная астрономическая часы, работающая на воде , [33] в которой был впервые использован бесконечный цепной привод для передачи энергии . [34]
Греческие философы Анаксагор и Эмпедокл оба упоминали водяные часы, которые использовались для соблюдения временных рамок или измерения течения времени. [35] [36] Предполагается, что афинский философ Платон изобрел будильник , в котором свинцовые шары с шумом падали на медное блюдо, чтобы разбудить его учеников. [37]
Проблема большинства клепсидр заключалась в изменении потока воды из-за изменения давления жидкости, что было решено с 100 г. до н. э., когда водяной контейнер часов был придан конической формы. Они стали более сложными, когда были включены такие инновации, как гонги и движущиеся механизмы. [33] Существуют веские доказательства того, что Башня Ветров в Афинах в 1 веке до н. э. когда-то имела водяные часы и флюгер, а также девять вертикальных солнечных часов, которые все еще видны снаружи. [38] В греческой традиции клепсидры использовались в суде , практика, позже перенятая древними римлянами . [39]
Ибн Халаф аль-Муради в средневековом Аль-Андалусе описал водяные часы, которые использовали как сегментную, так и эпициклическую передачу . Исламские водяные часы, которые использовали сложные зубчатые передачи и включали массивы автоматов , не имели себе равных по своей сложности до середины 14-го века. [40] [41] Были разработаны механизмы с жидкостным приводом (использующие тяжелые поплавки и систему постоянного напора), которые позволяли водяным часам работать с более низкой скоростью. [41] Некоторые утверждают, что первые известные часы с зубчатой передачей были скорее изобретены великим математиком, физиком и инженером Архимедом в 3-м веке до нашей эры. Архимед создал свои астрономические часы, [42] [ необходима цитата ], которые также были часами с кукушкой, в которых птицы пели и двигались каждый час. Это первые часы с карильоном, поскольку они играют музыку одновременно с человеком, моргающим глазами, удивленным пением птиц. Часы Архимеда работают с системой из четырех грузов, противовесов и струн, регулируемых системой поплавков в емкости с водой с сифонами, которые регулируют автоматическое продолжение часов. Принципы этого типа часов описаны математиком и физиком Героном, [43] который говорит, что некоторые из них работают с цепью, которая вращает шестеренку в механизме. [44]
Водяные часы Джайрун XII века в мечети Омейядов в Дамаске были построены Мухаммедом ас-Саати и позже описаны его сыном Ридваном ибн ас-Саати в его труде «О конструкции часов и их использовании» (1203). [45] Сложные астрономические часы, работающие на воде, были описаны Аль-Джазари в его трактате о машинах, написанном в 1206 году. [46] Эти замковые часы были около 11 футов (3,4 м) в высоту. [47] В 1235 году водяные часы, которые «объявляли назначенные часы молитвы и время как днем, так и ночью», стояли в вестибюле медресе Мустансирия в Багдаде . [48]
Часы с благовониями впервые были использованы в Китае около 6 века [49] , в основном для религиозных целей, но также и для общественных собраний или учеными. [50] [51] Из-за частого использования символов деванагари американский синолог Эдвард Х. Шефер предположил, что часы с благовониями были изобретены в Индии. [52] Поскольку благовония горят равномерно и без пламени, часы были безопасны для использования в помещении. [53] Для обозначения разных часов использовались благовония с разным запахом (приготовленные по разным рецептам). [54]
Используемые ароматические палочки могли быть прямыми или спиральными; спиральные предназначались для длительного использования и часто подвешивались на крышах домов и храмов. [55] Некоторые часы были сконструированы так, чтобы сбрасывать грузы через равные промежутки времени. [50]
Часы с ладаном имели диск с вытравленной одной или несколькими канавками, в которые помещали ладан. [56] Длина следа ладана, напрямую связанная с размером печати, была основным фактором, определяющим, как долго прослужат часы; для 12 часов сгорания путь ладана составлял около 20 метров (66 футов). [57] Постепенное внедрение металлических дисков, скорее всего, начавшееся во времена династии Сун, позволило мастерам легче создавать печати разных размеров, разрабатывать и украшать их более эстетично и изменять пути канавок, чтобы учесть изменяющуюся продолжительность дней в году. По мере того, как стали доступны более мелкие печати, часы с ладаном становились все популярнее и часто дарились в качестве подарков. [58]
В Персии изготавливались сложные астролябии для измерения времени с зубчатыми механизмами. Примерами служат те, что были построены эрудитом Абу Райханом Бируни в 11 веке и астрономом Мухаммадом ибн Аби Бакром аль-Фариси в 1221 году. [59] [60] Астролябия из латуни и серебра (которая также выполняет функцию календаря), изготовленная в Исфахане аль-Фариси, является самой ранней сохранившейся машиной с ее нетронутыми шестернями. Отверстия на задней стороне астролябии отображают лунные фазы и дают возраст Луны; внутри зодиакальной шкалы находятся два концентрических кольца, которые показывают относительное положение Солнца и Луны. [61]
Мусульманские астрономы построили множество высокоточных астрономических часов для использования в своих мечетях и обсерваториях , [62] например, астролябические часы Ибн аль-Шатира в начале 14 века. [63]
Одно из самых ранних упоминаний о часах со свечой содержится в китайской поэме , написанной в 520 году Ю Цзяньфу, который писал о градуированной свече как о средстве определения времени ночью. Похожие свечи использовались в Японии до начала 10 века. [64]
Изобретение свечных часов англосаксы приписывали Альфреду Великому , королю Уэссекса (годы правления 871–889), который использовал шесть свечей, размеченных с интервалом в один дюйм (25 мм), каждая из которых была сделана из 12 пеннивейтов воска и имела высоту 12 сантиметров (4,7 дюйма) и одинаковую толщину. [65]
Мусульманский изобретатель XII века Аль-Джазари описал четыре различных конструкции свечных часов в своей книге « Книга знаний об изобретательных механических устройствах » . [66] [67] Его так называемые «писцовые» свечные часы были изобретены для того, чтобы отмечать прохождение 14 часов одинаковой продолжительности: точно спроектированный механизм заставлял свечу определенных размеров медленно подниматься вверх, что заставляло указатель перемещаться по шкале.
Песочные часы были одним из немногих надежных методов измерения времени в море, и предполагалось, что они использовались на борту кораблей еще в 11 веке, когда они дополняли компас в качестве вспомогательного средства для навигации. Самое раннее недвусмысленное свидетельство использования песочных часов появляется на картине «Аллегория хорошего правительства » итальянского художника Амброджо Лоренцетти 1338 года. [68]
Португальский мореплаватель Фернан Магеллан использовал 18 песочных часов на каждом судне во время своего кругосветного плавания в 1522 году. [ 69] Хотя песочные часы использовались в Китае, их история там неизвестна, [70] но, по-видимому, они не использовались до середины XVI века, [71] поскольку песочные часы подразумевают использование стеклодувного дела , которое в то время было исключительно европейским и западным искусством. [72]
Начиная с 15 века песочные часы использовались в широком спектре применений на море, в церквях, в промышленности и в кулинарии; они были первыми надежными, многоразовыми, достаточно точными и легко изготавливаемыми устройствами для измерения времени. Песочные часы приобрели символические значения, такие как смерть, умеренность , возможность и Отец Время , обычно представленный в виде бородатого старика. [73]
Английское слово clock впервые появилось в среднеанглийском языке как clok , cloke или clokke . Происхождение слова точно неизвестно; оно может быть заимствованием из французского или голландского языка , и, возможно, восходит к постклассическому латинскому clocca ('колокол'). Ирландские источники VII века и германские источники IX века записали clock как значение 'колокол'. [74]
Иудаизм, христианство и ислам — все они имели время, отведенное для молитвы, хотя только христиане должны были посещать молитвы в определенные часы дня и ночи — то, что историк Джо Эллен Барнетт описывает как «жесткую приверженность повторяющимся молитвам, произносимым много раз в день». [75] Сигнализация с ударом колокола предупреждала дежурного монаха , чтобы он позвонил в монастырский колокол. Его сигнализация была таймером, который использовал форму спускового механизма, чтобы звонить в небольшой колокол. Этот механизм был предшественником спускового устройства, обнаруженного в механических часах. [76] [77]
.png/1280px-Water_clock_(representing_a_clock_at_the_royal_court_in_Paris,_c.1250).png)
Первые нововведения, направленные на повышение точности песочных и водяных часов, появились в X веке, когда были предприняты попытки замедлить скорость их хода с помощью трения или силы тяжести. [78] Самое раннее изображение часов, приводимых в движение подвешенным грузом, содержится в Библии Святого Людовика , иллюминированной рукописи , созданной между 1226 и 1234 годами, на которой изображены часы, замедляемые водой, действующей на колесо. Иллюстрация, по-видимому, показывает, что часы с приводом от груза были изобретены в Западной Европе. [79] Трактат, написанный Робертом Англиканцем в 1271 году, показывает, что средневековые мастера пытались спроектировать чисто механические часы (т. е. приводимые в движение только силой тяжести) в этот период. [80] Такие часы были синтезом более ранних идей, полученных из европейской и исламской науки, таких как зубчатые передачи, приводы от груза и ударные механизмы. [81]
В 1250 году художник Виллар де Оннекур проиллюстрировал устройство, которое было шагом к развитию спускового механизма . [ 82] Другим предшественником спускового механизма были horologia nocturna , которые использовали ранний вид механизма верге для управления молоточком, который непрерывно ударял по колоколу. [83] Часы с грузом, вероятно, были западноевропейским изобретением, поскольку на рисунке часов изображен груз, тянущий ось, его движение замедлялось системой отверстий, которые медленно выпускали воду. [84] В 1271 году английский астроном Роберт Англикус писал о своих современниках, что они находились в процессе разработки формы механических часов. [85] [примечание 3]
Изобретение спускового механизма с верге и фолиотом в ок. 1275 г. [87] было одним из важнейших изобретений как в истории часов [88], так и в истории технологий . [89] Это был первый тип регулятора в часовом деле . [6] Верге, или вертикальный вал, заставляет вращаться коронное колесо, приводимое в движение грузом, но останавливается от свободного вращения фолиотом. Фолиот, который не может свободно вибрировать, качается вперед и назад, что позволяет колесу вращаться на один зуб за раз. [89] [90] Хотя верге и фолиот были шагом вперед по сравнению с предыдущими хронометристами, было невозможно избежать колебаний в такте, вызванных изменениями приложенных сил — самые ранние механические часы регулярно переустанавливались с помощью солнечных часов. [91] [92]
Примерно в то же время, что и изобретение спускового механизма, флорентийский поэт Данте Алигьери использовал образы часов, чтобы изобразить души блаженных в « Рае» , третьей части « Божественной комедии» , написанной в начале XIV века. Это может быть первое известное литературное описание механических часов. [93] Существуют упоминания о домашних часах с 1314 года; можно предположить, что к 1325 году произошло развитие механических часов. [94]
Большие механические часы были построены, которые устанавливались на башнях так, чтобы звонить напрямую в колокол. Башенные часы собора Нориджа, построенные около 1273 года (ссылка на оплату механических часов, датированную этим годом), являются самыми ранними из известных больших часов. Часы не сохранились. [95] Первые известные часы, которые регулярно били по часам, часы с механизмом грань и фолиот, были зарегистрированы в Милане в 1336 году. [96] К 1341 году часы, приводимые в движение гирями, были достаточно известны, чтобы их можно было приспособить для зерновых мельниц , [97] а к 1344 году часы в старом соборе Святого Павла в Лондоне были заменены на часы со спусковым механизмом. [98] Фолиот был впервые проиллюстрирован Донди в 1364 году, [99] и упомянут придворным историком Жаном Фруассаром в 1369 году. [100]
Самым известным примером устройства для измерения времени в средневековый период были часы, разработанные и построенные часовщиком Генрихом де Виком в 1360 году , [88] [101] которые, как говорили, отличались до двух часов в день. В течение следующих 300 лет все усовершенствования в измерении времени были по сути разработками, основанными на принципах часов де Вика. [102] Между 1348 и 1364 годами Джованни Донди дель'Оролоджио , сын Якопо Донди , построил сложный астрариум во Флоренции. [103] [примечание 4]
В XIV веке часы с боем стали появляться в общественных местах все чаще, сначала в Италии, немного позже во Франции и Англии — между 1371 и 1380 годами общественные часы появились в более чем 70 европейских городах. [105] Часы собора Солсбери , датируемые примерно 1386 годом, являются одними из старейших работающих часов в мире, а возможно, и самыми старыми; они до сих пор сохранили большую часть своих оригинальных частей. [106] [примечание 5] Часы собора Уэллса , построенные в 1392 году, уникальны тем, что они до сих пор имеют свой оригинальный средневековый циферблат. Над часами находятся фигуры, которые бьют в колокола, и группа рыцарей-соревнований, которые вращаются по дорожке каждые 15 минут. [107] [примечание 6]
.png/1280px-Fusee_for_clocks_(Leonardo_da_Vinci).png)
Изобретение главной пружины в начале XV века — устройства, впервые использованного в замках и кремневых замках в ружьях — позволило впервые построить небольшие часы. [109] Потребность в спусковом механизме, который постоянно контролировал бы высвобождение накопленной энергии, привела к разработке двух устройств: стекфрида (который, хотя и был изобретен в XV веке, может быть задокументирован не ранее ок. 1535 г.) и фузеи , которая впервые возникла из средневекового оружия, такого как арбалет . [109] Фузея есть в самых ранних сохранившихся пружинных часах, камерных часах, изготовленных для Филиппа Доброго примерно в 1430 г. [ 109] Леонардо да Винчи , который создал самые ранние известные чертежи маятника в 1493–1494 гг., [110] проиллюстрировал фузею примерно в 1500 г., через четверть века после того, как впервые появилась спиральная пружина. [111]
Часовые башни в Западной Европе в Средние века отбивали время. Ранние циферблаты часов показывали часы; часы с минутным циферблатом упоминаются в рукописи 1475 года. [112] В течение XVI века хранители времени стали более утонченными и изощренными, так что к 1577 году датский астроном Тихо Браге смог получить первые из четырех часов, которые измеряли в секундах, [113] а в Нюрнберге немецкий часовщик Петер Генлейн получил плату за изготовление того, что считается самым ранним образцом часов , изготовленным в 1524 году. [114] К 1500 году использование фолиота в часах начало снижаться. [115] Самые старые сохранившиеся пружинные часы — это устройство, сделанное богемцем Якобом Цехом в 1525 году. [111] [116] Первым человеком, который предложил путешествовать с часами для определения долготы , в 1530 году, был голландский изготовитель инструментов Джемма Фризиус . Часы устанавливались на местное время отправной точки, долгота которой была известна, а долгота любого другого места могла быть определена путем сравнения его местного времени с временем на часах. [117] [118]
Османский инженер Таки ад-Дин описал часы с гиревым приводом, спусковым механизмом с гранью и фолиантом, ударной передачей шестеренок, будильником и отображением фаз Луны в своей книге « Самые яркие звезды для строительства механических часов» ( Al-Kawākib al-durriyya fī wadh' al-bankāmat al-dawriyya ), написанной около 1565 года. [119] Иезуитские миссионеры привезли первые европейские часы в Китай в качестве подарков. [120]
Считается, что итальянский эрудит Галилео Галилей первым понял, что маятник можно использовать в качестве точного хронометриста, наблюдая за движением подвесных ламп в Пизанском соборе . [121] В 1582 году он исследовал регулярное колебание маятника и обнаружил, что оно зависит только от его длины. Галилей так и не построил часы на основе своего открытия, но перед смертью он продиктовал инструкции по созданию маятниковых часов своему сыну Винченцо . [122]
Первые точные хронометры зависели от явления, известного как гармоническое движение , при котором восстанавливающая сила, действующая на объект, перемещенный из положения равновесия , например, маятник или растянутая пружина, возвращает объект в это положение и заставляет его колебаться . [123] Гармонические осцилляторы могут использоваться в качестве точных хронометров, поскольку период колебания не зависит от амплитуды движения, и поэтому для завершения одного колебания всегда требуется одно и то же время. [124] Период гармонического осциллятора полностью зависит от физических характеристик колебательной системы, а не от начальных условий или амплитуды . [125]
Период, когда часы контролировались гармоническими осцилляторами, был самой продуктивной эпохой в хронометрировании. [102] [примечание 7] Первым изобретением этого типа были маятниковые часы , которые были разработаны и построены голландским эрудитом Христианом Гюйгенсом в 1656 году. Ранние версии ошибались менее чем на одну минуту в день, а более поздние — всего на 10 секунд, что было очень точно для своего времени. Циферблаты, показывающие минуты и секунды, стали обычным явлением после повышения точности, которое стало возможным благодаря маятниковым часам. Браге использовал часы с минутами и секундами для наблюдения за положением звезд. [112] Маятниковые часы превзошли все другие виды механических хронометристов до такой степени, что их обычно переоборудовали с помощью маятника — задача, которая могла быть выполнена без труда [127] — так что лишь немногие устройства спуска грани сохранились в своем первоначальном виде. [128]
Первые маятниковые часы использовали спусковой механизм с гранями, который требовал широких колебаний около 100° и поэтому имел короткие, легкие маятники. [129] Качание было уменьшено примерно до 6° после того, как изобретение анкерного механизма позволило использовать более длинные, тяжелые маятники с более медленными ударами, которые имели меньше вариаций, поскольку они больше напоминали простое гармоническое движение, требовали меньше энергии и вызывали меньшее трение и износ. [130] Первые известные часы с анкерным спуском были построены английским часовщиком Уильямом Клементом в 1671 году для Королевского колледжа в Кембридже, [131] сейчас находятся в Музее науки в Лондоне . [132] Анкерный спуск был изобретен Гуком, хотя утверждалось, что он был изобретен Клементом, [133] или английским часовщиком Джозефом Книббом . [132]
Иезуиты внесли большой вклад в развитие маятниковых часов в XVII и XVIII веках, «необычайно глубоко осознавая важность точности». [134] Например, при измерении точного секундного маятника итальянский астроном отец Джованни Баттиста Риччоли убедил девять товарищей-иезуитов «сосчитать почти 87 000 колебаний за один день». [135] Они сыграли решающую роль в распространении и проверке научных идей того периода и сотрудничали с Гюйгенсом и его современниками. [136]
_-_detail.jpg/1280px-French_longcase_equation_regulator_(c.1752)_-_detail.jpg)
Гюйгенс впервые использовал часы для вычисления уравнения времени (разницы между кажущимся солнечным временем и временем, показанным часами), опубликовав свои результаты в 1665 году. Это соотношение позволило астрономам использовать звезды для измерения звездного времени , что обеспечило точный метод установки часов. Уравнение времени было выгравировано на солнечных часах, чтобы часы можно было устанавливать с помощью Солнца. В 1720 году Джозеф Уильямсон заявил, что изобрел часы, которые показывали солнечное время , снабженные кулачком и дифференциальной передачей , так что часы показывали истинное солнечное время. [137] [138] [139]
Другие инновации в хронометрии в этот период включают изобретение реечного и улиткового механизма боя для часов с боем английским механиком Эдвардом Барлоу , изобретение Барлоу или Дэниелом Куэром , лондонским часовщиком, в 1676 году репетирных часов , которые отбивали количество часов или минут, [140] и апериодический спусковой механизм , изобретенный около 1675 года астрономом Ричардом Таунли . [141]
Париж и Блуа были ранними центрами часового дела во Франции, и французские часовщики, такие как Жюльен Ле Рой , часовщик из Версаля , были лидерами в дизайне корпусов и декоративных часах. [142] Ле Рой принадлежал к пятому поколению семьи часовщиков и был описан своими современниками как «самый искусный часовщик во Франции, возможно, в Европе». Он изобрел специальный репетирный механизм, который улучшил точность часов и наручных часов, циферблат, который можно было открыть, чтобы увидеть внутренний часовой механизм, и изготовил или руководил более чем 3500 часами за свою карьеру, длившуюся почти пять десятилетий и закончившуюся его смертью в 1759 году. Конкуренция и научное соперничество, возникшие в результате его открытий, еще больше побудили исследователей искать новые методы более точного измерения времени. [143]
Любые присущие погрешности в ранних маятниковых часах были меньше, чем другие погрешности, вызванные такими факторами, как изменение температуры. [144] В 1729 году йоркширский плотник и часовщик-самоучка Джон Харрисон изобрел маятник с решетчатой структурой , в котором использовались по крайней мере три металла разной длины и свойств расширения , соединенных таким образом, чтобы поддерживать общую длину маятника при его нагревании или охлаждении окружающей средой. [145] В 1781 году часовщик Джордж Грэм компенсировал изменение температуры в железном маятнике, используя грузик, сделанный из стеклянной банки с ртутью — жидким металлом при комнатной температуре , который расширяется быстрее стекла. Более точные версии этого нововведения содержали ртуть в более тонких железных банках, чтобы сделать их более чувствительными. Этот тип температурно-компенсирующего маятника был еще больше усовершенствован, когда ртуть содержалась внутри самого стержня, что позволяло двум металлам быть термически связанными более плотно. [146] В 1895 году изобретение инвара , сплава из железа и никеля , который расширяется очень мало, в значительной степени устранило необходимость в более ранних изобретениях, предназначенных для компенсации колебаний температуры. [147]
Между 1794 и 1795 годами, после Французской революции , французское правительство ввело обязательное использование десятичного времени , при котором день делился на 10 часов по 100 минут каждый. Часы во Дворце Тюильри сохраняли десятичное время вплоть до 1801 года. [148]
После морской катастрофы Силли в 1707 году , в которой четыре корабля потерпели крушение из-за навигационных ошибок, британское правительство предложило премию в размере 20 000 фунтов стерлингов, что эквивалентно миллионам фунтов стерлингов сегодня, тому, кто сможет определить долготу с точностью до 50 километров (31 миля) на широте к северу от экватора. [149] Местоположение корабля в море можно было определить с точностью до 100 километров (62 мили), если штурман мог свериться с часами, которые отставали или спешили менее чем на шесть секунд в день. [150] Предложения были рассмотрены недавно созданным Советом по долготе . [151] Среди многих людей, пытавшихся получить премию, был йоркширский часовщик Джереми Такер , который впервые использовал термин «хронометр» в брошюре, опубликованной в 1714 году. [152] Гюйгенс построил первые морские часы, предназначенные для того, чтобы оставаться в горизонтальном положении на борту движущегося корабля, но которые переставали работать, если корабль внезапно двигался. [152]
В 1715 году, в возрасте 22 лет, Джон Харрисон использовал свои навыки плотника, чтобы построить деревянные восьмидневные часы. [153] Его часы имели инновации, которые включали использование деревянных деталей, чтобы устранить необходимость в дополнительной смазке (и чистке), ролики для уменьшения трения, новый вид спуска и использование двух разных металлов, чтобы уменьшить проблему расширения, вызванного изменением температуры. [154] Он отправился в Лондон, чтобы обратиться за помощью в Совет по долготе в создании морских часов. Его отправили навестить Грэхема, который помог Харрисону, организовав финансирование его работы по созданию часов. Через 30 лет его устройство, теперь называемое «H1», было построено, и в 1736 году оно было испытано в море. Затем Харрисон продолжил проектировать и изготавливать двое других морских часов, «H2» (завершенные около 1739 года) и «H3», которые были готовы к 1755 году. [155] [156]
Харрисон сделал двое часов, «H4» и «H5». Эрик Брутон в своей книге «История часов и наручных часов » описал H4 как «вероятно, самый замечательный хронометр, когда-либо созданный». [157] После завершения его морских испытаний зимой 1761–1762 годов было обнаружено, что он был в три раза точнее, чем требовалось для присуждения Харрисону приза за долготу. [158] [159]
В 1815 году плодовитый английский изобретатель Фрэнсис Рональдс создал предшественника электрических часов — электростатические часы. Они питались от сухих свай , высоковольтной батареи с чрезвычайно долгим сроком службы , но недостатком ее электрических свойств, изменяющихся в зависимости от температуры и влажности воздуха . Он экспериментировал со способами регулирования электричества, и его усовершенствованные устройства оказались более надежными. [160]
В 1840 году шотландский часовщик и производитель инструментов Александр Бейн впервые использовал электричество для поддержания движения маятниковых часов, и поэтому ему можно приписать изобретение электрических часов. [161] 11 января 1841 года Бейн и производитель хронометров Джон Барвайз получили патент, описывающий часы с электромагнитным маятником. Английский ученый Чарльз Уитстон , с которым Бейн встретился в Лондоне, чтобы обсудить свои идеи относительно электрических часов, создал свою собственную версию часов в ноябре 1840 года, но Бейн выиграл судебную тяжбу, чтобы утвердить себя в качестве изобретателя. [162] [163]
В 1857 году французский физик Жюль Лиссажу показал, как электрический ток может быть использован для бесконечной вибрации камертона , и, вероятно, был первым, кто использовал это изобретение в качестве метода точного измерения частоты. [164] Пьезоэлектрические свойства кристаллического кварца были открыты французскими физиками братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. [165]
Самые точные маятниковые часы управлялись электрически. [166] Часы Шортта-Синхронома , маятниковые часы с электрическим приводом, разработанные в 1921 году, были первыми часами, которые были более точными хронометристами, чем сама Земля. [167]
Последовательность инноваций и открытий привела к изобретению современного кварцевого таймера. Ламповый генератор был изобретен в 1912 году . [168] Электрический генератор был впервые использован для поддержания движения камертона британским физиком Уильямом Экклзом в 1919 году; [169] его достижение устранило большую часть затухания, связанного с механическими устройствами, и максимально увеличило стабильность частоты колебаний. [169] Первый кварцевый генератор был построен американским инженером Уолтером Г. Кэди в 1921 году, а в октябре 1927 года первые кварцевые часы были описаны Джозефом Хортоном и Уорреном Маррисоном в Bell Telephone Laboratories . [170] [примечание 8] В последующие десятилетия кварцевые часы развивались как точные устройства измерения времени в лабораторных условиях — громоздкая и чувствительная счетная электроника, построенная с помощью вакуумных ламп , ограничивала их практическое использование в других местах. В 1932 году были разработаны кварцевые часы, способные измерять небольшие еженедельные изменения скорости вращения Земли. [172] Присущая им физическая и химическая стабильность и точность привели к последующему распространению, и с 1940-х годов они стали основой для точных измерений времени и частоты во всем мире. [173]
Первые наручные часы были сделаны в XVI веке. Елизавета I Английская в 1572 году составила опись приобретенных ею часов, все из которых считались частью ее коллекции драгоценностей. [174] Первые карманные часы были неточными, так как их размер не позволял им иметь достаточно хорошо сделанные движущиеся части. [175] Часы без украшений начали появляться около 1625 года . [176]
Циферблаты, показывающие минуты и секунды, стали обычным явлением после того, как точность хода увеличилась благодаря пружине баланса (или волосковой пружине). [112] Изобретенная отдельно в 1675 году Гюйгенсом и Гуком, она позволила колебаниям балансировочного колеса иметь фиксированную частоту . [177] Изобретение привело к значительному повышению точности хода механических часов , с примерно получаса до нескольких минут в день. [178] Остаются некоторые споры о том, была ли пружина баланса впервые изобретена Гюйгенсом или Гуком; оба ученых утверждали, что первыми придумали идею пружины баланса. Конструкция пружины баланса Гюйгенса является типом, используемым практически во всех часах до настоящего времени. [178]
Томас Томпион был одним из первых часовщиков, осознавших потенциал пружины баланса и успешно использовавших ее в своих карманных часах; [179] улучшенная точность позволила часам работать так же хорошо, как они обычно используются сегодня, поскольку секундная стрелка была добавлена к циферблату , что произошло в 1690-х годах. [180] Концентрическая минутная стрелка была более ранним изобретением, но Кваре изобрел механизм, который позволял стрелкам работать одновременно . [181] Николя Фатио де Дюйе , швейцарскому натурфилософу , приписывают разработку первых подшипников для драгоценных камней в часах в 1704 году. [182]
Другими известными английскими часовщиками XVIII века были Джон Арнольд и Томас Эрншоу , посвятившие свою карьеру созданию высококачественных хронометров и так называемых «палубных часов» — уменьшенных версий хронометра, которые можно было носить в кармане. [183]
Часы носили во время Франко-прусской войны (1870–1871), а ко времени Бурской войны (1899–1902) часы были признаны ценным инструментом. [184] Ранние модели были по сути стандартными карманными часами, прикрепленными к кожаному ремешку, но к началу 20 века производители начали выпускать специально изготовленные наручные часы. В 1904 году Альберто Сантос-Дюмон , один из первых летчиков , попросил своего друга французского часовщика Луи Картье разработать часы, которые могли бы быть полезны во время его полетов. [185]
Во время Первой мировой войны наручные часы использовались офицерами артиллерии . [186] Так называемые траншейные часы , или «наручные часы», были практичными, поскольку они освобождали одну руку, которая обычно использовалась для управления карманными часами, и стали стандартным снаряжением. [187] [188] Требования траншейной войны означали, что солдатам нужно было защищать стекло своих часов, и иногда использовался предохранитель в виде откидной клетки. [188] Предохранитель был разработан для того, чтобы цифры можно было легко прочитать, но он закрывал стрелки — проблема, которая была решена после введения в действие ударопрочного плексигласа в 1930-х годах. [188] До появления их военного использования наручные часы обычно носили только женщины, но во время Первой мировой войны они стали символами мужественности и бравады. [188]
Часы с брелоками начали заменять на рубеже 20-го века. [189] Швейцарцы, сохранявшие нейтралитет во время Первой мировой войны, производили наручные часы для обеих сторон конфликта. Появление танка повлияло на дизайн часов Cartier Tank , [190] а дизайн часов в 1920-х годах находился под влиянием стиля ар-деко . [191] Автоматические часы , впервые представленные с ограниченным успехом в 18-м веке, были повторно представлены в 1920-х годах английским часовщиком Джоном Харвудом . [192] После того, как он обанкротился в 1929 году, ограничения на автоматические часы были сняты, и такие компании, как Rolex, смогли их производить. [193] В 1930 году Tissot выпустила первые в истории немагнитные наручные часы . [194]
Первые часы с батарейным питанием были разработаны в 1950-х годах. [195] Высококачественные часы производились такими фирмами, как Patek Philippe , примером чего являются Patek Philippe ref. 1518, представленные в 1941 году, возможно, самые сложные наручные часы, когда-либо сделанные из нержавеющей стали , которые достигли мирового рекорда цены в 2016 году, когда они были проданы на аукционе за 11 136 642 доллара. [196] [197] [198]
Часы Speedmaster Professional с ручным заводом или «Moonwatch» носили во время первого выхода США в открытый космос в рамках миссии NASA Gemini 4 , а также это были первые часы, которые носил астронавт, ступивший на Луну во время миссии Apollo 11. [199] В 1969 году Seiko выпустила первые в мире кварцевые наручные часы Astron . [200]
В 1970-х годах внедрение цифровых часов , изготовленных с использованием транзисторов и пластиковых деталей, позволило компаниям сократить рабочую силу. К 1970-м годам многие из тех фирм, которые поддерживали более сложные методы металлообработки, обанкротились. [201]
Умные часы , по сути носимые компьютеры в форме часов , появились на рынке в начале 21 века.
Атомные часы являются наиболее точными устройствами для измерения времени, которые используются на практике сегодня. Имея точность в несколько секунд на протяжении многих тысяч лет, они используются для калибровки других часов и приборов для измерения времени. [202] Национальное бюро стандартов США (NBS, теперь Национальный институт стандартов и технологий (NIST)) изменило способ, которым оно основывало стандарт времени Соединенных Штатов с кварцевых на атомные часы в 1960-х годах. [203]
Идея использования атомных переходов для измерения времени была впервые предложена британским ученым лордом Кельвином в 1879 году [204] , хотя только в 1930-х годах с развитием магнитного резонанса появился практический метод измерения времени таким образом. [205] Прототип аммиачного мазера был построен в 1948 году в NIST. Хотя он был менее точным, чем существующие кварцевые часы, он послужил доказательством концепции атомных часов. [206]
Первые точные атомные часы, цезиевый стандарт , основанный на определенном переходе атома цезия-133 , были построены английским физиком Луисом Эссеном в 1955 году в Национальной физической лаборатории в Лондоне. [207] Они были откалиброваны с использованием астрономической шкалы времени эфемеридного времени (ET). [208]
В 1967 году Международная система единиц (СИ) стандартизировала свою единицу времени, секунду, на основе свойств цезия. [206] СИ определила секунду как 9 192 631 770 циклов излучения , что соответствует переходу между двумя уровнями энергии электронного спина основного состояния атома 133 Cs. [209] Атомные часы на основе цезия, поддерживаемые NIST, имеют точность до 30 миллиардных долей секунды в год. [206] В атомных часах использовались другие элементы, такие как пары водорода и рубидия , обеспечивающие большую стабильность (в случае водородных часов) и меньший размер, меньшее энергопотребление и, следовательно, меньшую стоимость (в случае рубидиевых часов). [206] Последние достижения в технологии часов в значительной степени основывались на платформах с захваченными ионами , при этом рекорд самой низкой систематической неопределенности был присвоен часам с ионами алюминия [210] и часам с оптической решеткой стронция. [211] Часы следующего поколения, вероятно, будут основаны на ядерных переходах в ядре 229m Th, поскольку ядра защищены от внешних воздействий сопутствующим электронным облаком, а частота перехода намного выше, чем у оптических и ионных часов, что обеспечивает гораздо меньшую систематическую неопределенность в частоте часов. [212]
Боги позорят того, кто первым узнал,
Как различать часы! Позорят и его,
Кто в этом месте установил солнечные часы,
Чтобы так жалко делить мои дни
На маленькие части — Когда я был мальчиком,
Моими солнечными часами был мой живот: они вернее,
вернее и точнее любых из них.
Эти часы говорили мне, когда пора
идти обедать, когда я что-нибудь ел —
Но теперь, почему, даже когда я ел,
Я не могу приступить к ним, если только солнце не позволит.
Город так полон этих проклятых часов,
Большая часть его жителей,
Съежившись от голода, ползает по улицам.