Изобретение часов

      В Афинской "Башне ветров", построенной  астрономом Андроником примерно в  начале I в. до н.э., на вершине находились солнечные часы, сложные водяные часы были внутри и показывали время на циферблате, а вращающийся диск, показывал движение звезд и солнца через созвездия в течение года.

      Наблюдение  за временем уже строго контролировалось. Более важную роль водяные часы играли в греческих и римских судах, где их использовали, чтобы выступающие укладывались в отведенное им время. Если судебное разбирательство ненадолго прерывалось, например,  для изучения документов, то трубку стока перекрывали воском до тех пор, пока выступление не возобновлялось.  В спортивных состязаниях часы использовали для определения  время на соревнованиях по бегу в Римских играх.

      Великолепные  водяные часы были позднее сделаны  в исламском мире. Особенно искусный образец был доставлен из Багдада  первому императору священной Римской империи Карлу Великому (742 - 814 гг.) эмиссарами халифа Гарун аль - Рашида. Пара массивных водяных часов из двух сосудов, которые постепенно наполнялись, когда  прибывала луна,  а затем опорожнялись, когда она убывала, были сконструированы в XI в арабскими инженерами. Они были настолько искусно сделаны, что служили более 100 лет, не требуя регулировки.

      Очень старую традицию водяные часы имели  в Китае. Верхом совершенства несомненно был проект больших пагодных астрономический  водяных часов, разработанный в 1090 году  и осуществленный Су-Сунгом .  

Эти часы имели сигнальное устройство времени, похожее на то, которое имелось  у водяных часов Ктесибия. Астрономическая  часть его часов имела форму  армилярной сферы и небесного  глобуса. 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.

      Таким образом, подобно солнечным часам, и эта группа простейших часов прошла долгий путь развития, сопровождавшийся возникновением интересных принципов действия и конструктивных элементов. Некоторые из них, например циферблат с перемещающейся по нему стрелкой, груз в качестве движущей силы, зубчатые передачи, ролики, цепные подвески, механизм боя и марионетки, разыгрывавшие различные сцены нашли применение в последующей эре хронометрии - эре механических часов.

      Но, прежде чем рассматривать механические часы, на мой взгляд, было бы целесообразно коротко остановиться еще на двух разновидностях часов - огневых и песочных, что бы создать более полную картину развития часового дела.

Огневые часы 

      Первые  огневые - свечные часы появились  в начале XIII века. 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 жилище. Свечи, применявшиеся для этой цели, были длиной около метра. Отсюда и происходит обычай измерять длину ночи количеством сгоревших за ночь свечей. К боковым сторонам свечи обычно 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 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 часами вечера и 8 часами 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 веках появились и другие типы лампадных часов с несколько более сложным принципом действия.

      Песочные  часы

      Дата  возникновения песочных часов неизвестна. Однако по сохранившимся данным можно полагать, что принцип песочных часов был известен в Азии значительно раньше начала нашего летоисчисления. Обычно песочные часы рассчитывались на работу в течение получаса или часа. Реже встречались песочные часы, рассчитанные на непрерывное измерение времени в течение 3 часов, и лишь в совершенно редких случаях строили огромные песочные часы, рассчитанные на 12 часов хода.

      Производство  стеклянных колб для песочных часов  было возможно благодаря известной  уже производственной технологии прозрачного стекла и его формирования 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.

      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.  

      Шло время, научная мысль стремительно развивалась. Перед людьми вставали новые, все более сложные задачи. Водяные часы были непосредственными  предшественниками механических часов, подготовившими их изобретение. 
 
 
 
 
 

      Механические  часы 

      Первые  упоминания о башенных колесных часах  в Европе приходятся на границу XIII и XIV веков. Могли ли такие часы появиться раньше? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, из каких основных компонентов состоит часовой механизм. Таких главных узлов можно выделить шесть:

• двигатель;
• передаточный механизм из зубчатых колес;
• регулятор, создающий равномерное движение;
• распределитель, или спуск;
• стрелочный механизм;
• механизм перевода стрелок и завода часов.

      Первые  часовые механизмы приводились  в движение энергией опускающегося  груза. Приводной механизм состоял  из гладкого деревянного вала и намотанного  на него пенькового каната с каменной, а позднее металлической гирей  на конце. Благодаря силе тяжести  гири, канат начинал разматываться и вращал вал. На вал было насажено большое или главное зубчатое колесо, находившееся в сцеплении с зубчатыми колесами передаточного механизма. Таким образом, вращение от вала передавалось механизму часов.

      Однако, чтобы часы могли служить для измерения времени, стрелка должна совершать свои обороты с одной и той же периодичностью. Между тем груз движется под действием сил притяжения с ускорением. Если бы гиря опускалась свободно, то вал вращался бы ускоренно, соответственно стрелка делала бы каждый следующий оборот за более короткое время, чем предыдущий. Столкнувшись с этой проблемой, средневековые механики сообразили, что ход часов не может зависеть только от движения груза. Механизм необходимо было дополнить еще одним устройством. Это устройство должно было обладать собственным, независимым "чувством времени" и в соответствии с этим управлять движением всего механизма. Так родилась идея регулятора.   

      В первых механических часах регулятором  служило коромысло (билянец). Коромысло с древних времен применялось в таком широко распространенном устройстве, как весы. Если на каждое  плечо таких коромысловых весов поместить равные грузы, а потом вывести весы из состояния равновесия, коромысло будет совершать достаточно равные колебания наподобие маятника. Но любой регулятор, если постоянно не поддерживать его колебания, рано или поздно остановится. Для того чтобы часы работали, необходимо, чтобы часть двигательной энергии от главного колеса постоянно поступало к маятнику. Эту задачу в часах выполняет устройство, которое называется распределителем, или спуском. Спуск всегда был и остается самым сложным узлом в механических часах. Через него осуществляется связь между регулятором и передаточным механизмом. С одной стороны, спуск передает толчки от  двигателя к регулятору, необходимые для поддержания колебаний последнего, а с другой стороны, подчиняет движение передаточного механизма (а, следовательно, и действие двигателя) закономерности движения регулятора. Правильный ход часов зависит главным образом от спуска. Именно над его конструкцией больше всего ломали голову изобретатели. Самый первый спуск представлял собой шпиндель.

      В первых часах не было специального механизма завода. Вследствие этого  подготовка часов к работе требовала  очень больших усилий. Мало того, что по несколько раз в день приходилось поднимать на значительную высоту очень тяжелую гирю, надо было еще и преодолевать огромное сопротивление всех зубчатых колес передаточного механизма. Поэтому уже во второй половине XIV века главное колесо стали крепить таким образом, что при обратном вращении вала (против часовой стрелки) оно оставалось неподвижным.

      Таким образом, из шести описанных мною главных узлов часового механизма  большая часть по отдельности  уже использовалась в античности. Новыми были только два изобретения: идея подвешивать груз в качестве  двигателя для часов и идея использовать шпиндель в качестве спуска. Любопытно, что обе эти технические находки средневековая легенда приписывает одному человеку -  ученому монаху Герберту, который позже сделался римским папой под именем Сильвестра II.

      Но  как бы то ни было, эра механических часов в Европе началась только в  конце XIII века. В 1288 году башенные часы были установлены в Вестминстерском аббатстве в Англии. В 1292 году часами обзавелся храм в Кентербери. В 1300 году встречается сообщение о том, что башенные часы сооружены во Флоренции (упоминание об этих часах сохранилось в "Божественной комедии" Данте). В 1314 году часы были уже во французских Каннах.

      Ни  один из этих ранних механизмов не сохранился до наших дней, имена их создателей тоже неизвестны. Однако мы можем достаточно точно представить себе их устройство. Самый простой часовой механизм может включать в себя всего три зубчатых колеса. Очевидно, что все упомянутые ранее часы представляли собой пример простого трехколесного механизма с однострелочным циферблатом.

      Такой была концепция ранних механических часов. Но уже очень скоро  устройство их заметно усложнилось. Прежде всего, увеличилось число колес передаточного  механизма. Вызвано это было тем, что при значительной разнице в числе зубьев между ведущим и ведомым колесами получались очень большие передаточные отношения, механизм испытывал сильную нагрузку и быстро изнашивался. Груз в таких часах опускался очень быстро и его приходилось поднимать по пять, шесть раз в сутки. К тому же для создания больших передаточных отношений требовались колеса слишком большого диаметра, что увеличивало габариты часов. Поэтому стали вводить промежуточные дополнительные колеса, в задачу которых входило плавно увеличивать передаточные отношения.