Водяные часы или клепсидра (от древнегреческого κλεψύδρα ( klepsúdra ) « пипетка , водяные часы»; от κλέπτω ( kléptō ) «украсть» и ὕδωρ ( hydor ) «вода»; букв. «Вор воды») — это часы , изготовленные какое время измеряется регулируемым потоком жидкости в (тип притока) или из (тип оттока) сосуда, и где затем измеряется количество.
Водяные часы – один из старейших приборов для измерения времени. [1] Чашеобразный отлив — это простейшая форма водяных часов, которые, как известно, существовали в Вавилоне , Египте и Персии примерно в 16 веке до нашей эры. В других регионах мира, включая Индию и Китай , также есть ранние свидетельства существования водяных часов, но самые ранние даты менее точны. Водяные часы также использовались в Древней Греции и Древнем Риме , описанные техническими писателями, такими как Ктесибий и Витрувий .
Водяные часы используют поток воды для измерения времени. Если пренебречь вязкостью, физическим принципом, необходимым для изучения таких часов, является закон Торричелли . Водяные часы бывают двух типов: приточные и отточные. В отводных водяных часах емкость наполняется водой, и вода из емкости медленно и равномерно сливается. На этом контейнере есть маркировка, показывающая течение времени. Когда вода покидает контейнер, наблюдатель может увидеть, где вода находится на уровне линий, и определить, сколько времени прошло. Часы притока воды работают практически так же, за исключением того, что вода не вытекает из контейнера, а заполняет отмеченный контейнер. Когда контейнер наполняется, наблюдатель может увидеть, где вода встречается с линиями, и определить, сколько времени прошло. Некоторые современные часы называются «водяными часами», но работают иначе, чем древние. Их хронометраж регулируется маятником , но они используют воду для других целей, например, для обеспечения энергии, необходимой для привода часов, с помощью водяного колеса или чего-то подобного, или для использования воды на своих дисплеях. Водяные часы – один из древнейших и важнейших инструментов. [ нужна цитата ]
Греки и римляне разработали конструкцию водяных часов, включив в нее приточную клепсидру с ранней системой обратной связи, зубчатой передачей и спусковым механизмом, которые были соединены с причудливыми автоматами и привели к повышению точности. Дальнейшие успехи были достигнуты в Византии , Сирии и Месопотамии, где все более точные водяные часы включали в себя сложные сегментные и планетарные передачи , водяные колеса и программируемость — достижения, которые в конечном итоге добрались до Европы . Независимо, китайцы разработали свои собственные усовершенствованные водяные часы, включающие шестерни, спусковые механизмы и водяные колеса, передав свои идеи Корее и Японии . [ нужна цитата ]
Некоторые конструкции водяных часов были разработаны независимо, а некоторые знания были переданы посредством торговли. Эти ранние водяные часы были откалиброваны с помощью солнечных часов . Никогда не достигая уровня точности, сравнимого с сегодняшними стандартами хронометража, водяные часы были самым точным и широко используемым устройством для измерения времени на протяжении тысячелетий, пока их не заменили более точные маятниковые часы в Европе 17-го века. [ нужна цитата ]
Самые старые водяные часы, вещественные доказательства которых имеются, датируются ок. 1417–1379 гг. До н.э., во время правления Аменхотепа III , где он использовался в храме Амен-Ре в Карнаке. [2] Самая старая документация о водяных часах - это надпись на могиле египетского придворного чиновника Аменемхета, датируемая 16 веком до нашей эры, которая идентифицирует его как их изобретателя. [2] [3] Эти простые водяные часы сливного типа представляли собой каменные сосуды с наклонными стенками, которые позволяли воде капать с почти постоянной скоростью из небольшого отверстия у дна. Было двенадцать отдельных колонн с последовательно расположенными отметками внутри для измерения количества «часов», когда уровень воды достигал их. Столбцы были для каждого из двенадцати месяцев , чтобы учесть сезонные изменения часов. Эти часы использовались жрецами для определения времени в ночное время, чтобы храмовые обряды и жертвоприношения могли совершаться в нужный час. [4] Эти часы, возможно, использовались и при дневном свете. [ нужна цитата ]
В Вавилоне водяные часы были отливного типа и имели цилиндрическую форму. Использование водяных часов в качестве вспомогательного средства для астрономических расчетов восходит к периоду Старого Вавилона ( ок. 2000 – ок. 1600 до н. э.). [5] Хотя в Месопотамии не сохранилось водяных часов, большинство свидетельств их существования происходит от надписей на глиняных табличках . Например, две коллекции табличек — это Энума-Ану-Энлиль (1600–1200 до н. э.) и МУЛ.АПИН (7 век до н. э.). [6] В этих табличках водяные часы используются для оплаты ночных и дневных дежурств (охранников). [7]
Эти часы были уникальными, поскольку у них не было таких индикаторов, как стрелки (которые обычно используются сегодня) или рифленые насечки (которые использовались в Египте). Вместо этого эти часы измеряли время «по весу вытекающей из них воды». [8] Объем измерялся в единицах емкости, называемых qa . Вес, мана или мина (греческая единица измерения примерно одного фунта), представляет собой вес воды в водяных часах. [ нужна цитата ]
Во времена Вавилона время измерялось временными часами. Итак, по мере того, как менялись времена года, менялась и продолжительность дня. «Чтобы определить продолжительность «ночного дозора» в день летнего солнцестояния, нужно было налить две маны воды в цилиндрическую клепсидру; ее опорожнение означало конец стражи. Каждую последующую половину нужно было добавлять по одной шестой маны. -месяц. В равноденствие нужно было опустошить три маны, чтобы соответствовать одним часам, и четыре маны нужно было опустошить за каждую стражу ночи зимнего солнцестояния». [8]
Н. Нарахари Ачар и Субхаш Как предполагают, что водяные часы использовались в древней Индии еще во 2-м тысячелетии до нашей эры, основываясь на их появлении в «Атхарваведе ». [9] [10] По мнению Н. Камешвара Рао, горшки, раскопанные на территории Мохенджо-Даро в долине Инда, Пакистан, возможно, использовались в качестве водяных часов. Они сужаются внизу, имеют отверстие сбоку и похожи на посуду, используемую для совершения абхишеки (ритуального обливания водой) на лингамах . [11]
Школа Джйотиша , одна из шести дисциплин Веданги , описывает водяные часы, называемые гхати или капала , которые измеряют время в единицах надика (около 24 минут). Клепсидра в виде плавающего и тонущего медного сосуда упоминается в « Сурья Сиддханте» (5 век нашей эры). [12] В Наланде , буддийском университете, четырехчасовые интервалы измерялись с помощью водяных часов, которые представляли собой аналогичную медную чашу, в которой находились два больших поплавка в большей чаше, наполненной водой. Чаша была наполнена водой из небольшого отверстия на дне; когда он был полностью заполнен, он затонул, и днем его оповещал бой барабана. Количество добавляемой воды менялось в зависимости от сезона, а часами управляли студенты университета. [13]
Описания подобных водяных часов также даны в « Панка Сиддхантике» эрудита Варахамихиры (6 век нашей эры), что добавляет дополнительные подробности к описанию, данному в « Сурья Сиддханта» . [ необходима полная цитата ] Дальнейшие описания записаны в «Брахмаспхута Сиддханте» математика Брахмагупты (7 век нашей эры). Подробное описание с измерениями записано также у астронома Лаллы (8 век нашей эры), который описывает гхати как полусферический медный сосуд с отверстием, полностью заполняющимся после одной надики . [14]
В древнем Китае , как и во всей Восточной Азии, водяные часы имели большое значение в изучении астрономии и астрологии . Самое старое письменное упоминание датирует использование водяных часов в Китае VI веком до нашей эры. [15] Примерно с 200 г. до н.э. клепсидра оттока почти повсюду в Китае была заменена приточным типом с индикаторным стержнем, установленным на поплавке (называемом фу чиен лу, 浮箭漏). [15] Философ и политик династии Хань Хуань Тан (40 г. до н.э. – 30 г. н.э.), секретарь суда, отвечающий за клепсидры, писал, что ему приходилось сравнивать клепсидры с солнечными часами из-за того, как температура и влажность влияли на их точность, демонстрируя, что В то время было известно влияние испарения, а также температуры на скорость течения воды. [16] Жидкость в водяных часах могла замерзнуть, и ее приходилось подогревать с помощью факелов. Эта проблема была решена в 976 году китайским астрономом и инженером Чжан Сысунем . В его изобретении — значительном усовершенствовании часов И Сина — вместо воды использовалась ртуть . Ртуть представляет собой жидкость при комнатной температуре и замерзает при температуре -38,83 ° C (-37,9 ° F), что ниже любой температуры воздуха, обычной за пределами полярных регионов. [17] [18] И снова, вместо использования воды, инженер ранней династии Мин Чжань Сиюань (ок. 1360–1380) создал часы с колесом на песке, усовершенствованные Чжоу Шусюэ (ок. 1530–1558). [19]
Использование клепсидр для привода механизмов, иллюстрирующих астрономические явления, началось с эрудита династии Хань Чжан Хэна (78–139) в 117 году, который также использовал водяное колесо . [20] Чжан Хэн был первым в Китае, кто добавил дополнительный компенсационный бак между резервуаром и приточным резервуаром, что решило проблему падения давления в резервуаре-резервуаре. [15] Изобретательность Чжана привела к созданию математиком и инженером династии Тан И Сином (683–727) и Ляном Линцаном в 725 году часов, приводимых в движение спусковым механизмом с водяным колесом. [21] Тот же механизм будет использоваться эрудитом Су Сун из династии Сун (1020–1101) в 1088 году для питания своей башни с астрономическими часами , а также для цепного привода . [22] Башня с часами Су Суна высотой более 30 футов (9,1 м) имела бронзовую армиллярную сферу с механическим приводом для наблюдений, автоматически вращающийся небесный глобус и пять передних панелей с дверцами, которые позволяли наблюдать за меняющимися манекенами , которые звонили в колокола или гонги и держали в руках таблички, указывающие час или другое особое время дня. В 2000-х годах в Барабанной башне в Пекине действует отточная клепсидра, которую выставляют на обозрение туристам. Он подключен к автоматам так, что каждые четверть часа маленькая медная статуя человека хлопает в цимбалы. [23]
Использование водяных часов в Персии или Большом Иране , особенно в пустынных районах Ирана , таких как Йезд , Исфахан , Зибад и Гонабад , восходит к 500 году до нашей эры. [24] Позже они также использовались для определения точных святых дней доисламских религий, таких как Навруз ( мартовское равноденствие ), Ночь Челле ( сентябрьское равноденствие ), Тирган ( летнее солнцестояние ) и Ночь Ялда ( зимнее солнцестояние ) — самый короткий, самые длинные и равные по длине дни и ночи в году. Водяные часы, использовавшиеся в Иране, были одним из самых практичных древних инструментов для определения годового календаря. [25] [26] Водяные часы были наиболее точным и широко используемым устройством для измерения времени для расчета количества или времени, в течение которого фермер должен брать воду из каната или колодца для орошения, пока они не были заменены более точными современными часами. [27] [28] Персидские водяные часы были практичным, полезным и необходимым инструментом для акционеров каната, позволяющим рассчитать продолжительность времени, в течение которого они могли отводить воду на свои фермы или сады. Канат был единственным источником воды для сельского хозяйства и орошения в засушливой зоне, поэтому справедливое и справедливое распределение воды было очень важно. Поэтому управляющим водяными часами был избран очень справедливый и умный старик (по имени Мир Ааб), и понадобилось как минимум два штатных менеджера, чтобы контролировать и наблюдать за количеством фенджанов или пенганов (часов) и объявлять часы. точное время дня и ночи от восхода до заката, поскольку акционеры обычно делились на дневных владельцев и ночных владельцев. [29] Фенджаан состоял из большого горшка, наполненного водой, и чаши с небольшим отверстием в центре. Когда миска наполнялась водой, она погружалась в кастрюлю, а управляющий опорожнял миску и снова ставил ее поверх воды в кастрюле. Он записывал, сколько раз чаша тонула, складывая в банку мелкие камни. [29] Место, где располагались часы, и их менеджеры были известны под общим названием ханэ Фенджаан (дом времени). Обычно это верхний этаж трактира с окнами, выходящими на запад и восток, чтобы показывать время заката и восхода солнца. Водяные часы Зибад -Гонабад использовались до 1965 года [26] , когда их заменили современные часы. [25]
Слово «клепсидра» происходит от греческого и означает «вор воды». [31] Греки значительно продвинули водяные часы, решив проблему уменьшения стока. Они представили несколько типов приточной клепсидры, один из которых включал самую раннюю систему управления с обратной связью. [32] Ктесибий изобрел систему индикаторов, типичную для более поздних часов, такую как циферблат и указатель. [33] Римский инженер Витрувий описал ранние будильники, работающие с гонгами или трубами . [33] Обычно используемыми водяными часами была простая клепсидра с оттоком. Этот небольшой глиняный сосуд имел отверстие в боку возле основания. И в греческие, и в римские времена этот тип клепсидры использовался в судах для выделения периодов времени выступающим. В важных случаях, например, когда на карту была поставлена жизнь человека, она заполнялась полностью, а в более мелких случаях — лишь частично. Если разбирательство прерывалось по какой-либо причине, например для изучения документов, отверстие в клепсидре закрывалось воском до тех пор, пока оратор не мог возобновить свою речь. [34]
Некоторые ученые подозревают, что клепсидра могла использоваться в качестве секундомера для ограничения времени посещения клиентами афинских публичных домов. [35] Чуть позже, в начале 3-го века до нашей эры, эллинистический врач Герофил использовал портативную клепсидру во время своих визитов на дом в Александрии для измерения пульса своих пациентов. Сравнивая показатели по возрастным группам с эмпирически полученными наборами данных, он смог определить интенсивность расстройства. [35]
Между 270 г. до н. э. и 500 г. н. э. эллинистические ( Ктесибий , Герой Александрии , Архимед ) и римские часовщики и астрономы разрабатывали более сложные механизированные водяные часы. Добавленная сложность была направлена на регулирование течения и более красивое отображение течения времени. Например, некоторые водяные часы звонили в колокола и гонги , а другие открывали двери и окна, показывая фигурки людей, или перемещали указатели и циферблаты. Некоторые даже демонстрировали астрологические модели Вселенной. Инженер III века до нашей эры Филон Византийский в своих работах упоминал водяные часы, уже оснащенные спусковым механизмом, самым ранним из известных в своем роде. [36]
Однако самым большим достижением в изобретении клепсидр в это время было изобретение Ктесибием механизма и циферблатного индикатора для автоматического показа времени при изменении продолжительности дней в течение года из-за временного хронометража, использовавшегося во время его работы. день. Также греческий астроном Андроник Киррский руководил строительством своего Часослова, известного сегодня как Башня Ветров , на афинской рыночной площади (или агоре ) в первой половине I века до нашей эры. Эта восьмиугольная башня с часами демонстрировала ученым и покупателям солнечные часы и механические индикаторы часов. На ней была 24- часовая механизированная клепсидра и индикаторы восьми ветров, от которых башня получила свое название, а также отображались времена года , астрологические даты и периоды. [ нужна цитата ]
В средневековом исламском мире (632-1280 гг.) использование водяных часов берет свое начало от Архимеда во время возвышения Александрии в Египте и продолжается в Византии . Однако считается, что водяные часы арабского инженера Аль-Джазари превзошли все, что им предшествовало. В трактате аль-Джазари 1206 года он описывает одни из своих водяных часов, часы со слоном . Часы фиксировали течение временных часов, а это означало, что скорость потока приходилось менять ежедневно, чтобы соответствовать неравномерной продолжительности дней в течение года. Для этого часы имели два бака: верхний бак был соединен с механизмами индикации времени, а нижний — с регулятором расхода . Обычно на рассвете кран открывался и вода перетекала из верхнего бака в нижний через поплавковый регулятор, который поддерживал постоянное давление в приёмном баке. [38]
Самыми сложными астрономическими часами с водяным приводом были часы в замке Аль -Джазари , которые некоторые считали ранним примером программируемого аналогового компьютера , созданные в 1206 году. [39] Это было сложное устройство длиной около 11 футов (3,4 м). ) высокий и имел множество функций помимо хронометража. Он включал в себя отображение зодиака , солнечной и лунной орбит, а также указатель в форме полумесяца, который перемещался по верху ворот, перемещался скрытой тележкой и вызывал автоматические двери, открывающиеся, за каждой из которых был манекен. каждый час. [40] [41] Можно было перепрограммировать продолжительность дня и ночи, чтобы учесть изменение продолжительности дня и ночи в течение года, а также было установлено пять автоматов-музыкантов, которые автоматически воспроизводят музыку при перемещении с помощью рычагов. приводится в действие скрытым распределительным валом, прикрепленным к водяному колесу. [39] Другие компоненты замковых часов включали в себя основной резервуар с поплавком, поплавковую камеру и регулятор потока, пластину и желоб с клапаном, два шкива, серповидный диск с изображением зодиака и два соколиных автомата , бросающих шары в вазы. [42] [ ненадежный источник ]
Первые водяные часы, в которых использовалась сложная сегментная и планетарная передача, были изобретены ранее арабским инженером Ибн Халафом аль-Муради в исламской Иберии ок. 1000. Его водяные часы приводились в движение водяными колесами , как и несколько китайских водяных часов в 11 веке. [43] Аналогичные водяные часы были построены в Дамаске и Фесе . Последний ( Дар аль-Магана ) сохраняется до сих пор и его механизм реконструирован. Первыми европейскими часами, в которых использовались эти сложные механизмы, были астрономические часы, созданные Джованни де Донди в ок. 1365. Как и китайцы, арабские инженеры в то время также разработали спусковой механизм, который они использовали в некоторых своих водяных часах. Спусковой механизм имел форму системы постоянного напора, а в качестве грузов использовались тяжелые поплавки. [43]
В 1434 году, во время правления Чосона , Чан Ён Сил ( корейский : 장영실 ; Ханджа : 蔣英實), дворцовая стража, а затем главный придворный инженер, построил Чагённу ( водяные часы с автоматическим боем или боящую клепсидру) для короля Седжона .
Что сделало Чагённу самоударным (или автоматическим), так это использование домкратных механизмов, с помощью которых три деревянные фигурки (домкраты) ударяли по объектам, чтобы сигнализировать время. Это нововведение больше не требовало использования людей-рабочих, известных как «люди-петухи», для постоянного пополнения запасов. [ нужна цитата ]
Уникальность часов заключалась в их способности автоматически объявлять двойное время с помощью визуальных и звуковых сигналов. [44] Джанг разработал технику преобразования сигналов, которая позволила одновременно измерять аналоговое время и объявлять цифровое время, а также отделять водные механизмы от ударных механизмов с шаровым приводом. [45] Преобразовательное устройство называлось « пангмок» и размещалось над приточным сосудом, измеряющим время, и являлось первым устройством такого рода в мире. [46] Таким образом, Striking Palace Clepsydra — первые гидромеханические часы с двойным временем в истории часового искусства. [47] [48]
Император Тэндзи изготовил первые в Японии водяные часы под названием Рококу (漏刻) . Они имели высокую социальную значимость и управлялись Докторами Водяных Часов
Когда вязкостью можно пренебречь, скорость истечения воды определяется законом Торричелли или, в более общем плане, принципом Бернулли . Вязкость будет доминировать над скоростью истечения, если вода вытекает через достаточно длинное и тонкое сопло, как указано уравнением Хагена-Пуазейля . [49] Приблизительно скорость потока для такой конструкции обратно пропорциональна вязкости, которая зависит от температуры . Жидкости обычно становятся менее вязкими при повышении температуры. В случае воды вязкость варьируется примерно в семь раз от нуля до 100 градусов Цельсия. Таким образом, водяные часы с такой насадкой будут работать примерно в семь раз быстрее при 100 °C, чем при 0 °C. Вода примерно на 25 процентов более вязкая при 20 °C, чем при 30 °C, а изменение температуры на один градус Цельсия в этом диапазоне « комнатных температур » приводит к изменению вязкости примерно на два процента. [50] Таким образом, водяные часы с такой насадкой, которая показывает хорошее время при некоторой заданной температуре, прибавят или потеряют около получаса в день, если они будут на один градус Цельсия теплее или холоднее. Чтобы заставить его показывать время с точностью до одной минуты в день, необходимо, чтобы его температура контролировалась с точностью до 1 ⁄ 30 °C (около 1 ⁄ 17 °F). Нет никаких свидетельств того, что это делалось в древности, поэтому древние водяные часы с достаточно тонкими и длинными соплами (в отличие от описанных выше современных часов с маятниковым управлением) не могли быть надежно точными по современным меркам. Однако, хотя современные часы не могут быть сброшены в течение длительного времени, водяные часы, вероятно, сбрасывались каждый день при повторном наполнении, основываясь на солнечных часах, поэтому совокупная ошибка не была бы большой. [ нужна цитата ]
Похоже, что этим двум инструментам могут соответствовать два артефакта из Мохенджо-Даро и Хараппы.
Джоши и Парпола (1987) перечисляют несколько горшков, сужающихся книзу и имеющих отверстие сбоку, из раскопок в Мохенджадаро (рис. 3).
Горшок с небольшим отверстием для слива воды очень похож на клепсидру, описанную Охаши для измерения времени (похож на посуду, используемую над лингумом в храме Шивы для абхишекам).
Греки называли водяные часы клепсидрой (KLEP-suh-druh), что означает «похититель воды».
