Водяные часы или клепсидра (от др.-греч. κλεψύδρα ( klepsúdra ) « пипетка , водяные часы»; от κλέπτω ( kléptō ) «красть» и ὕδωρ ( hydor ) «вода»; букв. « вор воды » ) — это хронометр , с помощью которого время измеряется с помощью регулируемого потока жидкости в (приточный) или из (отточный) сосуд, и где затем можно измерить количество жидкости.
Водяные часы являются одним из старейших приборов для измерения времени. [1] Простейшая форма водяных часов с чашеобразным сливом существовала в Вавилоне , Египте и Персии около 16 века до н. э. Другие регионы мира, включая Индию и Китай , также предоставляют ранние свидетельства существования водяных часов, но самые ранние даты менее точны. Водяные часы использовались в Древней Греции и Древнем Риме , как описано такими техническими писателями, как Ктесибий (умер в 222 г. до н. э.) и Витрувий (умер после 15 г. до н. э.).
Водяные часы используют поток воды для измерения времени. Если пренебречь вязкостью, физическим принципом, необходимым для изучения таких часов, является закон Торричелли . Существует два типа водяных часов: приточный и отточный. В водяных часах с отточным потоком емкость заполняется водой, и вода медленно и равномерно сливается из емкости. Эта емкость имеет отметки, которые используются для отображения течения времени. Когда вода покидает емкость, наблюдатель может видеть, где вода находится на уровне линий, и определять, сколько времени прошло. Водяные часы с приточным потоком работают в основном так же, за исключением того, что вместо того, чтобы вытекать из емкости, вода заполняет отмеченную емкость. Когда емкость заполняется, наблюдатель может видеть, где вода встречается с линиями, и определять, сколько времени прошло. Некоторые современные часы называются «водяными часами», но работают иначе, чем древние. Их хронометрирование осуществляется с помощью маятника , но вода используется ими для других целей, например, для обеспечения энергии, необходимой для приведения в действие часов с помощью водяного колеса или чего-то подобного, или для размещения воды на дисплеях.
Греки и римляне усовершенствовали конструкцию водяных часов, включив в нее приточную клепсидру с ранней системой обратной связи, зубчатую передачу и спусковой механизм, которые были соединены с причудливыми автоматами и привели к повышению точности. Дальнейшие достижения были достигнуты в Византии , Сирии и Месопотамии, где все более точные водяные часы включали в себя сложную сегментную и эпициклическую зубчатую передачу , водяные колеса и программируемость , достижения, которые в конечном итоге добрались до Европы . Независимо китайцы разработали свои собственные передовые водяные часы, включив в себя зубчатые передачи, спусковые механизмы и водяные колеса, передав свои идеи Корее и Японии . [ требуется ссылка ]
Некоторые конструкции водяных часов были разработаны независимо, а некоторые знания были переданы через распространение торговли. Эти ранние водяные часы были откалиброваны с помощью солнечных часов . Хотя они так и не достигли уровня точности, сопоставимого с сегодняшними стандартами измерения времени, водяные часы были широко используемым устройством измерения времени на протяжении тысячелетий, пока их не заменили более точные механические часы с ребристым спуском в Европе около 1300 года. [2]
Самые старые водяные часы, о которых имеются вещественные доказательства, датируются примерно 1417–1379 гг. до н. э. в Новом царстве Египта , во время правления фараона Аменхотепа III , где они использовались в квартале Амона-Ра в Карнаке . [3] Самым старым документом о водяных часах является надгробная надпись египетского придворного чиновника 16 века до н. э. Аменемхета, которая идентифицирует его как их изобретателя. [3] [4] Эти простые водяные часы, которые были сливного типа, представляли собой каменные сосуды с наклонными сторонами, которые позволяли воде капать с почти постоянной скоростью из небольшого отверстия у дна. Было двенадцать отдельных колонн с последовательно расположенными отметками на внутренней стороне для измерения прохождения «часов», когда уровень воды достигал их. Колонны были для каждого из двенадцати месяцев , чтобы учесть изменения сезонных часов. Жрецы использовали эти часы для определения времени ночью, чтобы храмовые обряды и жертвоприношения могли быть выполнены в правильный час. [5]
В Вавилоне водяные часы были выливного типа и имели цилиндрическую форму. Использование водяных часов в качестве вспомогательного средства для астрономических расчетов восходит к Древневавилонской империи ( ок. 2000 – ок. 1600 до н. э.). [6] Хотя не сохранилось водяных часов из Месопотамского региона, большинство свидетельств их существования исходит из надписей на глиняных табличках . Например, два собрания табличек – это Enuma Anu Enlil (1600–1200 до н. э.) и MUL.APIN (7 век до н. э.). [7] В этих табличках водяные часы используются для оплаты ночной и дневной стражи (охраны). [8]
Эти часы были уникальными, так как у них не было индикатора, такого как стрелки (которые обычно используются сегодня) или рифленые выемки (как использовались в Египте). Вместо этого эти часы измеряли время «по весу воды, вытекающей из» них. [9] Объем измерялся в единицах емкости, называемых qa . Вес, mana или mina (греческая единица измерения, равная примерно одному фунту), — это вес воды в водяных часах. [ требуется цитата ]
В вавилонские времена время измерялось временными часами. Поэтому, как менялись времена года, так же менялась и продолжительность дня. «Чтобы определить продолжительность «ночного дозора» в летнее солнцестояние , нужно было вылить две маны воды в цилиндрическую клепсидру; ее опорожнение указывало на конец дозора. Одну шестую часть маны нужно было добавлять каждую последующую половину месяца. В равноденствие нужно было опорожнить три маны, чтобы соответствовать одному дозору, и четыре маны опорожнялись за каждый дозор ночи зимнего солнцестояния ». [9]
Н. Нарахари Ачар и Субхаш Как предполагают, что водяные часы использовались в Древней Индии еще во 2-м тысячелетии до н. э., основываясь на их появлении в Атхарваведе . [10] [11] По словам Н. Камешвары Рао, горшки, выкопанные из стоянки цивилизации долины Инда Мохенджо-Даро, могли использоваться в качестве водяных часов. Они сужаются книзу, имеют отверстие сбоку и похожи на утварь, используемую для совершения абхишеки (ритуального возлияния воды) на лингамы . [12]
Джйотиша , одна из шести дисциплин Веданги , описывает водяные часы, называемые гхати или капала , которые измеряют время в единицах надика (около 24 минут). Клепсидра в форме плавающего и тонущего медного сосуда упоминается в Сурья Сиддханте (V в. н. э.). [13] В Наланда Махавихара , древнем буддийском университете , четырехчасовые интервалы измерялись водяными часами, которые состояли из похожей медной чаши, удерживающей два больших поплавка в большей чаше, наполненной водой. Чаша наполнялась водой из небольшого отверстия на дне; она тонула, когда наполнялась, и отмечалась ударами барабана в дневное время. Количество добавляемой воды менялось в зависимости от сезона, и студенты университета управляли часами. [14]
Описания подобных водяных часов также даны в Pañca Siddhāntikā полиматом Варахамихирой в 6 веке, что добавляет дополнительные детали к рассказу, данному в Sūrya Siddhānta . [ полная цитата необходима ] Дальнейшие описания записаны в Brāhmasphuṭasiddhānta математиком Брахмагуптой в 7 веке. Подробное описание с измерениями также записано астрономом Лаллой в 8 веке, который описывает гхати как полусферический медный сосуд с отверстием, которое полностью заполняется после одной надики . [15]
В Древнем Китае , а также по всей Восточной Азии, водяные часы играли очень важную роль в изучении астрономии и астрологии . Древнейшее письменное упоминание датирует использование водяных часов в Китае VI веком до н. э. [16] Примерно с 200 г. до н. э. и далее, выливные клепсидры были заменены почти повсеместно в Китае приточным типом с индикаторным стержнем, установленным на поплавке (называемым fou chien lou, 浮箭漏). [16] Философ и политик династии Хань Хуань Тань (40 г. до н. э. - 30 г. н. э.), секретарь при дворе, отвечавший за клепсидры, писал, что ему пришлось сравнивать клепсидры с солнечными часами из-за того, как температура и влажность влияли на их точность, демонстрируя, что влияние испарения, а также температуры на скорость течения воды было известно в то время. [17] Жидкость в водяных часах была подвержена замерзанию, и ее приходилось поддерживать в тепле с помощью факелов, проблема, которая была решена в 976 году китайским астрономом и инженером Чжан Сиксуном . Его изобретение — значительное улучшение часов И Сина — использовало ртуть вместо воды. Ртуть является жидкостью при комнатной температуре и замерзает при температуре -38,83 °C (-37,9 °F), что ниже любой температуры воздуха, распространенной за пределами полярных регионов. [18] [19] Опять же, вместо использования воды, инженер ранней династии Мин Чжань Сиюань (ок. 1360–1380) создал часы с песочным колесом, усовершенствованные Чжоу Шусюэ (ок. 1530–1558). [20]
Использование клепсидры для приведения в действие механизмов, иллюстрирующих астрономические явления, началось с эрудита династии Хань Чжан Хэна (78–139) в 117 году, который также использовал водяное колесо . [21] Чжан Хэн был первым в Китае, кто добавил дополнительный компенсационный бак между резервуаром и приточным сосудом, что решило проблему падения напора в резервуаре. [16] Изобретательность Чжана привела к созданию математиком и инженером династии Тан И Сином (683–727) и Лян Линцзанем в 725 году часов, приводимых в движение рычажным спусковым механизмом водяного колеса . [ 22] Тот же механизм будет использоваться эрудитом династии Сун Су Сун (1020–1101) в 1088 году для питания его астрономической часовой башни, а также в качестве цепного привода . [23] Часовая башня Су Сонга , высотой более 30 футов (9,1 м), имела бронзовую армиллярную сферу с электроприводом 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 таблички, указывающие час или другие особые времена дня. В 2000-х годах в пекинской Барабанной башне действует и демонстрируется туристам отточная клепсидра. Она подключена к автоматам, так что каждую четверть часа небольшая латунная статуя человека хлопает в цимбалы. [24]
Использование водяных часов в Большом Иране , особенно в пустынных районах, таких как Йезд , Исфахан , Зибад и Гонабад , восходит к 500 г. до н. э. [25] Позже они также использовались для определения точных священных дней доисламских религий, таких как Новруз ( мартовское равноденствие ), Ночь Ялда ( сентябрьское равноденствие ), Тирган ( летнее солнцестояние ) и Ночь Ялда ( зимнее солнцестояние ) — самые короткие, самые длинные и равные по длине дни и ночи в году. Водяные часы, называемые пенган (а позже фенджан ), использовались как один из самых практичных древних инструментов для измерения времени годового календаря. [26] [27] Водяные часы были самым точным и широко используемым устройством для измерения времени для расчета количества или времени, которое фермер должен взять из кяриза или колодца для орошения, пока более точные современные часы не заменили их. [28] [29]
Персидские водяные часы были практичным, полезным и необходимым инструментом для акционеров кяриза, чтобы рассчитать продолжительность времени, в течение которого они могли отводить воду на свои фермы или в сады. Кяриз был единственным источником воды для сельского хозяйства и орошения в засушливых районах, поэтому справедливое и честное распределение воды было очень важно. Поэтому очень справедливый и умный старый человек был избран управляющим водяными часами или мир абом , и по крайней мере два штатных управляющих были необходимы для контроля и наблюдения за количеством часов и объявления точного времени дней и ночей от восхода до заката, потому что акционеры обычно делились между дневными и ночными владельцами. [30]
Персидские водяные часы состояли из большого горшка, полного воды, и чаши с небольшим отверстием в центре. Когда чаша наполнялась водой, она опускалась в горшок, а управляющий опорожнял чашу и снова ставил ее на поверхность воды в горшке. Он записывал, сколько раз чаша опускалась, помещая в банку небольшие камни. [30] Место, где находились часы, и их управляющие были известны как хане пенган . Обычно это был верхний этаж общественного дома с окнами, выходящими на запад и восток, чтобы показывать время заката и восхода солнца. Водяные часы Зибад использовались до 1965 года, [27] когда их заменили современные часы. [26]
Слово «клепсидра» происходит от греческого слова, означающего «вор воды». [32] Греки значительно усовершенствовали водяные часы, решив проблему уменьшающегося потока. Они ввели несколько типов приточных клепсидр, один из которых включал самую раннюю систему управления с обратной связью. [33] Ктесибий изобрел систему индикаторов, типичную для более поздних часов, таких как циферблат и стрелка. [34] Римский инженер Витрувий описал ранние будильники, работающие с гонгами или трубами. [34] Обычно используемыми водяными часами были простые выливные клепсидры. Этот небольшой глиняный сосуд имел отверстие сбоку около основания. И в греческие, и в римские времена этот тип клепсидры использовался в судах для распределения периодов времени между ораторами. В важных случаях, например, когда на карту была поставлена жизнь человека, он заполнялся полностью, но в более незначительных случаях — только частично. Если заседание прерывалось по какой-либо причине, например, для изучения документов, отверстие в клепсидре затыкалось воском до тех пор, пока оратор не мог возобновить свою речь. [35]
Некоторые ученые предполагают, что клепсидра могла использоваться в качестве секундомера для ограничения времени посещения клиентов в афинских публичных домах. [36] Чуть позже, в начале 3-го века до н. э., эллинистический врач Герофил использовал портативную клепсидру во время своих визитов на дом в Александрии для измерения пульса своих пациентов. Сравнивая частоту по возрастным группам с эмпирически полученными наборами данных, он смог определить интенсивность расстройства. [36]
Между 270 г. до н.э. и 500 г. н.э. эллинистические ( Ктесибий , Герон Александрийский , Архимед ) и римские часовщики и астрономы разрабатывали более сложные механизированные водяные часы. Дополнительная сложность была направлена на регулирование потока и обеспечение более причудливых отображений течения времени. Например, некоторые водяные часы звонили в колокола и гонги , в то время как другие открывали двери и окна, чтобы показать фигурки людей, или перемещали указатели и циферблаты. Некоторые даже отображали астрологические модели вселенной. Инженер 3-го века до н.э. Филон Византийский упоминал в своих работах водяные часы, уже оснащенные спусковым механизмом, самые ранние из известных в своем роде. [37]
Однако самым большим достижением изобретения клепсидры в это время было изобретение Ктесибия с его включением шестеренок и циферблатного индикатора для автоматического показа времени, поскольку продолжительность дней менялась в течение года, из-за временного хронометража, используемого в течение его дня. Кроме того, греческий астроном Андроник из Кирра руководил строительством своего Хорологиона, известного сегодня как Башня Ветров , на Афинской рыночной площади (или агоре ) в первой половине I века до н. э. Эта восьмиугольная часовая башня показывала ученым и покупателям как солнечные часы , так и флюгер . Внутри нее находилась механизированная клепсидра, хотя тип используемого ею дисплея не может быть известен наверняка; некоторые возможности: стержень, который двигался вверх и вниз, чтобы показывать время, работающий на воде автомат , который ударял в колокол, чтобы отмечать часы, или движущийся звездный диск на потолке. [38]
В средневековом исламском мире (632-1280) использование водяных часов берет свое начало от Архимеда во время подъема Александрии в Египте и продолжается в Византии . Водяные часы арабского инженера Аль-Джазари , однако, считаются выходящими «далеко за пределы всего», что им предшествовало. В трактате Аль-Джазари 1206 года он описывает одни из своих водяных часов, слоновьи часы . Часы регистрировали течение временных часов, что означало, что скорость потока должна была меняться ежедневно, чтобы соответствовать неравномерной продолжительности дней в течение года. Для этого часы имели два резервуара, верхний резервуар был соединен с механизмами индикации времени, а нижний был соединен с регулятором контроля потока . По сути, на рассвете кран открывался, и вода текла из верхнего резервуара в нижний резервуар через поплавковый регулятор, который поддерживал постоянное давление в приемном резервуаре. [40]
Самыми сложными астрономическими часами на воде были замковые часы Аль-Джазари , которые некоторые считают ранним примером программируемого аналогового компьютера , в 1206 году. [41] Это было сложное устройство высотой около 11 футов (3,4 м), которое имело множество функций наряду с хронометрированием. Оно включало отображение зодиака , солнечной и лунной орбит, а также указатель в форме полумесяца, который перемещался по верхней части ворот, перемещаемый скрытой тележкой и заставляющий автоматически открываться двери, каждая из которых показывала манекен, каждый час. [42] [43] Можно было перепрограммировать продолжительность дня и ночи, чтобы учесть изменение продолжительности дня и ночи в течение года, и в нем также было пять музыкантов-автоматов, которые автоматически воспроизводили музыку при перемещении рычагами, управляемыми скрытым кулачковым валом, прикрепленным к водяному колесу. [41] Другие компоненты замковых часов включали в себя главный резервуар с поплавком, поплавковую камеру и регулятор расхода, пластину и клапанный желоб, два шкива, полумесяц с изображением зодиака и два автомата- сокола, бросающих шары в вазы. [44] [ ненадежный источник ]
Первые водяные часы, в которых использовалась сложная сегментная и эпициклическая передача, были изобретены ранее арабским инженером Ибн Халафом аль-Муради в исламской Иберии около 1000 года. Его водяные часы приводились в движение водяными колесами , как и несколько китайских водяных часов в 11 веке. [45] Схожие водяные часы были построены в Дамаске и Фесе . Последний ( Дар аль-Магана ) сохранился до наших дней, а его механизм был реконструирован. Первыми европейскими часами, в которых использовались эти сложные передачи, были астрономические часы, созданные Джованни де Донди около 1365 года. Как и китайцы, арабские инженеры в то время также разработали спусковой механизм, который они использовали в некоторых своих водяных часах. Спусковой механизм был в форме системы с постоянной головкой, в то время как тяжелые поплавки использовались в качестве грузов. [45]
В 718 году Объединенное Силла впервые в корейской истории установило систему клепсидры, подражая династии Тан. [46] В 1434 году, во время правления Чосон , Чан Ён Силь ( кор . 장영실 ; ханча蔣 英實), дворцовый стражник, а позднее главный придворный инженер, построил Боругак Чагённу или самоходные водяные часы павильона Боругак для Седжона Великого .
То, что делало его водяные часы самозапускающимися (или автоматическими), было связано с использованием механизмов домкрата: три деревянные фигурки или «домкрата» ударяли по предметам, чтобы подать сигнал о времени. Это нововведение больше не требовало зависимости от рабочих-людей, известных как «петушиные люди», для постоянного пополнения запасов. [ необходима цитата ]
Уникальность часов заключалась в их способности автоматически объявлять двойное время с помощью визуальных и звуковых сигналов. [47] Джанг разработал технику преобразования сигнала, которая позволила измерять аналоговое время и объявлять цифровое время одновременно, а также отделить водяные механизмы от шаровых ударных механизмов. [48] Устройство преобразования называлось пангмок и размещалось над впускным сосудом, который измерял время, первое устройство такого рода в мире. [49] Таким образом, водяные часы Боругак являются первыми гидромеханическими часами двойного времени в истории часового дела. [50] [51]
Император Тэндзи создал первые в Японии водяные часы, которые назывались Рококу (漏刻) . Они имели большое социальное значение и управлялись Докторами Водяных Часов
Когда вязкостью можно пренебречь, скорость истечения воды регулируется законом Торричелли или, в более общем смысле, принципом Бернулли . Вязкость будет доминировать над скоростью истечения, если вода вытекает через сопло, которое достаточно длинное и тонкое, как указано в уравнении Хагена-Пуазейля . [52] Приблизительно, скорость потока для такой конструкции обратно пропорциональна вязкости, которая зависит от температуры . Жидкости обычно становятся менее вязкими по мере повышения температуры. В случае воды вязкость изменяется примерно в семь раз между нулем и 100 градусами Цельсия. Таким образом, водяные часы с таким соплом будут идти 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, и изменение температуры на один градус Цельсия в этом диапазоне « комнатной температуры » приводит к изменению вязкости примерно на два процента. [53] Следовательно, водяные часы с таким соплом, которые показывают хорошее время при некоторой заданной температуре, будут отставать или спешить примерно на полчаса в день, если они будут на один градус Цельсия теплее или холоднее. Чтобы заставить их показывать время в пределах одной минуты в день, их температура должна контролироваться в пределах 1 ⁄ 30 °C (около 1 ⁄ 17 °F). Нет никаких доказательств того, что это делалось в древности, поэтому древние водяные часы с достаточно тонкими и длинными соплами (в отличие от современных маятниковых, описанных выше) не могут быть надежно точными по современным стандартам. Однако, в то время как современные часы не могут быть сброшены на длительные периоды, водяные часы, вероятно, сбрасывались каждый день, когда их заполняли, на основе солнечных часов, поэтому совокупная ошибка не была бы большой. [ необходима цитата ]
, что два артефакта из Мохенджо-Даро и Хараппы могут соответствовать этим двум инструментам. Джоши и Парпола (1987 г.) перечисляют несколько горшков, сужающихся книзу и имеющих отверстие сбоку из раскопок в Мохенджа-Даро (рис. 3). Горшок с небольшим отверстием для слива воды очень похож на клепсидры, описанные Охаши для измерения времени (похожи на утварь, используемую над лингамом в храме Шивы для абхишекама).
называли водяные часы «клепсидра» (KLEP-suh-druh), что означает «вор воды».
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
