Текст книги "Часы. От гномона до атомных часов"

Автор книги: Станислав Михаль

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 12 страниц)

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.

Огневые часы

Помимо солнечных и водяных часов, с начала XIII в. появились и первые огневые – свечные часы. Эти очень простые часы в виде длинной тонкой свечи с нанесенной по ее длине шкалой, сравнительно удовлетворительно показывали время, а в ночные часы они еще и освещали жилища таких крупных сановников и правителей, какими были около 1250 г. Людовик Святой, в XIV в. – Карл V и другие тогдашние церковные и светские сановники. Свечи, применявшиеся для этой цели, были длиной около метра. Отсюда происходит и обычай измерять длину ночи количеством сгоревших за ночь свечей. Обычно за ночь выгорали три такие свечи, а зимой – больше. К боковым сторонам свечи иногда прикрепляли металлические штырьки, которые по мере выгорания и таяния воска падали, и их удар по металлической чашке подсвечника был своего рода звуковой сигнализацией времени.

В течение целых столетий растительное масло служило людям не только для питания, но и в качестве светильного материала. На основе установленной экспериментально зависимости высоты уровня масла от продолжительности горения фитиля возникли масляные лампадные часы. Как правило, это бывали простые лампады с открытой фитильной горелкой и со стеклянной колбой для масла, снабженной часовой шкалой. Объем колбы подбирали так, чтобы ее содержимого хватило для непрерывного свечения между 6 ч вечера и 8 ч утра. Толщиной и длиной горящего фитиля регулировали величину пламени и расход масла так, чтобы понижение уровня масла в колбе соответствовало имевшимся обозначениям времени. Позднее выявилось, что первоначальные цилиндрические или слегка выпуклые стеклянные сосудики под масло были источником некоторой погрешности в измерении времени. Дело в том, что при более высоком уровне масла его давление вызывало более быстрое выгорание, чем в поздние ночные часы. Поэтому лампадные часы более позднего происхождения имели стеклянную колбу в виде расширенной кверху груши, чтобы таким образом хотя бы частично выровнять скорость сгорания масла. В XVIII и XIX вв. появились другие типы лампадных часов с несколько более сложным принципом действия. Одним видом таких часов были поплавковые лампадные часы работы Ромуальда Божека (младшего сына Иосифа Божека), изготовленные им в 1875 г. и хранящиеся теперь в коллекциях Национального технического музея в Праге.

Больше всего таких лампадных часов было в Китае, который вообще считался колыбелью всех видов огневых часов. К ним относятся и всякого рода лампадные часы, а в более позднее время – газосветные часы, которые китайцы полюбили настолько, что некоторые их типы сохранились вплоть до нашего века. Еще до сих пор в Китае рассказывают, что примерно 3000 лет назад Фо-хи, «отец Китая» и его первый император, создал первые огневые часы, чтобы с их помощью измерять дневное и ночное время.

Главной частью иных огневых часов, так называемых фитильных, был фитиль в виде длинной металлической палочки, покрытой слоем дегтя с деревянными опилками. Жар тлеющих опилок, подожженных на одном конце палочки, постепенно пережигал тонкие, поперечно натянутые волокна, с подвешенными шариками, которые падали в металлическую чашку. Иногда фитиль сворачивали в спираль, форма которой уже сама по себе заменяла часовую шкалу. Наиболее типичные для Китая фитильные часы имели форму дракона, в хребте которого был специальный держатель для палочки. Скорость сгорания фитиля зависела от многих обстоятельств, и для определения ее требовался большой опыт. Такие часы никогда не относились к приборам, которые по точности можно было бы сравнить с солнечными или водяными часами.

При более точном измерении времени, главным образом при определении продолжительности годовых сезонов, месяцев и дней, китайцы исходили из данных о движении Солнца и Луны. Траекторию Луны они делили на 28 частей, а Солнце они считали часовым индикатором больших вселенских часов. Траектория Солнца разделялась 12 дисками, причем каждый диск носил имя какого-то животного, ночные диски были черными, дневные – белыми, а серые указывали заход Солнца. Полуночный диск назывался крысой, а полуденный – конем. Другие диски имели знаки дракона, змеи, овцы, обезьяны, собаки и т.п. Четыре больших квадранта, или четверти, назывались Азуровым драконом, Черным бойцом. Белым тигром и Красной птицей. Имя указателя сезонов года было Пех Тао.

Песочные часы

Дата возникновения первых песочных часов неизвестна. Однако по сохранившимся данным можно полагать, что принцип песочных часов был известен в Азии значительно раньше начала нашего летоисчисления Упоминания о часах бутылочного типа, по всей вероятности песочных, имеются уже со времен Архимеда. Античный Рим не имел упоминаний о песочных часах. Римляне, правда, умели изготовлять стекло, но в их стекле было очень много загрязнений, так что оно было непрозрачным.

Западноевропейские страны стали иметь дело с песочными часами, по-видимому, лишь в конце средневековья. Одним из самых старых упоминаний о таких часах является сообщение от 1339 г., обнаруженное в Париже, содержащее указание по приготовлению тонкого песка из просеянного порошка черного мрамора, прокипяченного в вине и высушенного на солнце.

Несмотря на то что песочные часы (рис. 7) появились в Европе поздно, они быстро распространились. Этому способствовали их простота, надежность, низкая цена и не в последнюю очередь возможность измерять с их помощью время в любой момент дня и ночи. Недостатком, мешавшим широкому применению этих часов, был сравнительно короткий интервал времени, который можно было измерить, не переворачивая эти часы. Обычно песочные часы рассчитывались на работу в течение получаса или часа. Реже встречались песочные часы, рассчитанные на непрерывное измерение времени в течение 3 ч, и лишь в совершенно редких случаях строили огромные песочные часы, рассчитанные на 12 ч хода. Не давало решающего улучшения и соединение нескольких песочных часов в одно целое. Например, набор из четырех песочных часов в едином футляре был устроен так, что содержимое первой колбы высыпалось за четверть часа, второй – за полчаса и т.д.

Производство стеклянных колб для песочных часов было возможно благодаря известной уже производственной технологии прозрачного стекла и его формования в полые сферические колбы. В суженное горлышко в месте стыка обеих колб после заполнения песком вкладывалась небольшая горизонтальная металлическая диафрагма с отверстием, регулирующая количество и скорость пересыпания зернышек песка. Место стыка перевязывалось плотной ниткой и закреплялось смолой. Точность песочных часов зависела от технологии изготовления самого песка. Колбы заполняли отожженным тонкозернистым песком, просеянным многократно через тонкие сита и тщательно высушенным. Обработанный таким образом песок имел красноватую окраску; светлые беловатые пески происходили из жареных тонкомолотых яичных скорлуп; сероватый песок изготовлялся из цинковой и свинцовой пыли.

Точность песочных часов зависела также от формы колб, от гладкости их внутренних стенок, от равномерности прохождения песка через регулирующую диафрагму в горлышке, но прежде всего – от равномерной зернистости и сыпучести данного песка. В этом отношении самые лучшие результаты давали колбы, заполненные свинцовым песком, зернистость которого бывала более равномерной. Свинцовый песок отличался также тем, что при долгом использовании он меньше, чем другие виды песка, нарушал гладкость внутренних стенок стеклянной колбы.

Как и огневые часы, песочные часы никогда не достигали точности солнечных часов. Кроме того, при длительном пользовании такими часами их точность изменялась, поскольку зерна песка постепенно дробились на более тонкие, а отверстие в середине диафрагмы постепенно истиралось и увеличивалось, так что скорость прохождения песка через них становилась большей.

Чтобы конкурировать с механическими часами и при измерении длинных интервалов времени или даже при непрерывном измерении времени, в XVII и XVIII вв. главным образом в Нюрнберге и в Аугсбурге начали изготовлять песочные часы с четырьмя системами колб в одном футляре. Некоторые изготовители в первой половине XVII в. применяли хитроумное устройство для переворачивания часов. Математик Де ля Хире изготовил песочные часы для измерения секундных интервалов, а астроном Тихо Браге пытался заменить песок ртутью.

Автоматическое опрокидывание песочных часов было проблемой, привлекавшей внимание многих математиков и физиков. Стефан Фарфлер из Альтдорфа использовал для своих часов, построенных им во второй половине XVII в., пружинный механизм.

Другое решение этой проблемы, учитывающее изменение положения центра тяжести при пересыпании песка, изображено на рисунке Лани в книге «Inventione nuove», изданной в 1670 г. Француз Гроллье де Сервье из Лиона, автор многих других замечательных приборов, живший примерно на 100 лет позднее, создал автоматическое опрокидывающее устройство, пригодное для песочных часов. Много своеобразных решений этого рода появилось в Германии.

Стремление к изысканию новых более совершенных видов часов, способных конкурировать с механическими часами, описано в литературе, посвященной теории и практическому изготовлению хронометрических приборов. Наряду с уже упомянутыми книгами Архангело Марии Ради и известным трудом Шотта «Technica curiosa» подобную книгу написал итальянец Доменико Мартинелли, которую он назвал «Horologi elementari». В этой книге он описывает не только водяные и огневые часы, но и пневматические часы, приводимые небольшим мехом – элементом.

Несмотря на то что механизмы для автоматического опрокидывания песочных часов не дали ожидаемого результата, все же эти часы благодаря своей форме и простоте работы сохранили некоторое значение вплоть до последнего времени, например, ими пользовались телефонные станции для учета времени коротких телефонных разговоров, в залах судебных заседаний и для некоторых нужд в домашнем хозяйстве.

Глава 2. Механические часы

Первые механические часы

Солнечные, водяные и огневые хронометрические приборы завершили первую фазу развития хронометрии и ее методов. Постепенно выработались более четкие представления о времени и стали изыскиваться более совершенные способы измерения времени. Революционным изобретением, ознаменовавшим совершенно новые этапы развития в этом направлении, было создание первых колесных часов, с появлением которых началась современная эра хронометрии. Наименование «колесные часы», пущенное в ход старыми чешскими часовщиками, было, по-видимому, выведено из немецкого слова «Raderuhr», но оно не полностью отражало сущность этих часов. Тут речь шла о механических часах со спусковым механизмом и осциллятором, которыми эти часы принципиально отличаются от всех прежних часов.

Иронией судьбы является то, что именно крупные открытия и изобретения зачастую не имеют авторов. В этом отношении не являются исключением и механические часы. Самыми старыми, документально не подтвержденными сообщениями о механических часах считают косвенные упоминания о них, идущие еще из X в. Изобретение приписывают римскому папе Сильвестру II (950-1003), который, еще будучи простым монахом Гербертом из Ориллака, имел возможность во время своих учебных поездок не раз знакомиться с принципами построения различных арабских астрономических приборов, и прежде всего водяных часов. Если вспомнить о том, что арабы были весьма передовыми в этом отношении, то можно с основанием предполагать, что часами Герберта были скорее всего водяные часы. Конечно, не исключено, что имеющееся сообщение могло касаться и некоторых особых конструкций солнечных часов, поскольку, по другим источникам, Герберт был автором солнечных часов, изготовление которых было в 996 г. закончено для города Магдебурга. Впрочем, использованный при этом термин «хорология» (horologium) имел тогда широкое значение и относился ко всякого рода приборам для измерения времени. Неправдоподобность приоритета Герберта в изобретении механических часов подтверждается также тем, что ни в одном более позднем источнике нет упоминания о том, что идею Герберта кто-то стал развивать после его смерти.

С другим, намного более поздним, сообщением о механических часах мы встречаемся и в «Божественной комедии» Данте Алигьери (1265-1321).

Современная специальная литература считает колыбелью механических часов страны Западной Европы, откуда, согласно различным источникам, распространялось в конце XIII в. производство железных башенных часов, начиная с английских Вестминстерских часов 1288 г. Следующее сообщение от 1292 г. говорит о часах храма в Кентербери, далее есть сообщения о часах, построенных в 1300 г. во Флоренции, на 14 лет позднее – в Каннах, в 40-х годах XIV в. – в Модене, Падуе, о бельгийских часах – в Брюгге и об английских часах – в Дувре. В 1352 г. были построены монументальные куранты в кафедральном соборе Страсбурга, на 4 года позднее появились башенные часы в Нюрнберге, в 1370 г. появились такие часы в Париже, в 1381 г. появились первые подобные часы в Базеле и, наконец, в 1410 г. появились такие часы в Праге, ставшие основой позднейших пражских курантов.

Самым старым документом о механических часах, содержащим описание и чертеж и опубликованном в 11 различных рукописях (из них по крайней мере одна исходит непосредственно от автора часов), является, по всей видимости, сообщение об «астрарии» – астрономических часах, которые после 16 лет труда над ними закончил в 1364 г. профессор астрономии и медицины Джиованни де Донди для Палаццо дель Капитане в Падуе.

Сохранились, конечно, и сообщения о других часах более ранней эры, но они не вполне обоснованны. По одному из таких сообщений, Генри де Вик из Поррэна изготовил примерно около 1370 г. башенные часы с боем для королевского дворца Карла V. По Другим данным, первые башенные часы с боем изготовил Висконти в 1335 г. для башни костела Беата Вирджинни (ныне Сен-Готард) в Милане.

В наши страны механические часы попали несколько позднее, вероятнее всего, в люксембургскую эпоху, скорее всего, во времена правления Карла IV, когда при его дворе появились около 1376 г. первые упоминания о часовщиках и о строителях курантов. Введение пружинного привода в начале XVI в. существенно расширило возможности использования механических часов. В ходе постепенных совершенствовании благодаря открытиям Галилея, Гюйгенса и других ученых XVII в. этот новый тип часов стал все больше преобладать над прочими часами, которые, несмотря на наличие у них ряда достоинств, не могли долго конкурировать с современными им конструкциями механических часов.

Механические часы развивались в течение сравнительно долгого времени, не менее чем в течение пяти веков, а поэтому, по крайней мере когда речь идет об истории, рассмотрим только важнейшие ступени развития этих часов. Сначала познакомимся с их главными элементами, с их функциями и с некоторыми данными о часовых механизмах и о часовщиках, имена помогут интересующимся определять происхождение и возраст тех или иных часов.

Как уже было сказано, с изобретением механических часов началась новая эра хронометрии. Время начали измерять по новому принципу, который сохранил свое значение в течение ряда столетий. Из него вышли затем системы всех позднейших типов часов, независимо от того, использована ли для привода часов энергия механическая, электрическая или даже ядерная[7]7
  Автор, по-видимому, имеет в виду атомные часы или электрочасы с радиоизотопными источниками энергии, но ни в тех, ни в других «ядерная» энергия (энергия ядерного распада) не используется. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть].