Солнечные часы
Древнейшие способы измерения времени были известны за 2000 лет до нашей эры, и их развитие продолжалось до первых столетий нового времени. Хронометрические приборы того периода иногда называют простейшими, их эра заканчивается первыми важными совершенствованиями механических часов с колесной передачей. Сюда относятся многие типы солнечных, водяных, огневых, песочных и прочих часов, которые как важные элементы развития сыграли немалую роль и в истории хронометрии.
Несомненно важнейшим и самым распространенным простейшим хронометрическим прибором были солнечные часы — единственные из перечисленных видов часов, основанные на кажущемся суточном, а иногда и годовом движении Солнца. Появление этих часов связано с моментом, когда человек осознал взаимосвязь между длиной и положением солнечной тени от тех или иных предметов и положением Солнца на небе. Точная дата возникновения солнечных часов, которые в своем первоначальном виде имели форму обелиска, неизвестна. Некоторые исторические источники считают самым первым упоминанием о солнечных часах сообщение о них в рукописи китайца Чиу-пи периода около 1100 г. до н.э., в которой указывается, что с помощью солнечных часов китайцы легко установили летнюю высоту Солнца в 79°06′20″, а зимнюю — в 30°22′20″, а отсюда они определили наклон эклиптики в 23°52′. Самым старым из сохранившихся письменных документов о солнечных часах, датируемых 732 г. до н.э., мы находим в Библии, в двадцатой главе Книги Царств. Под солнечными часами Ахаза здесь понимаются обелисковые солнечные часы царя Ахаза, жившего около 732 г. до н.э. Обнаружение древнеегипетских солнечных часов XIII и XV вв. до н.э. свидетельствует о том, что действительный период возникновения солнечных часов был значительно раньше, чем это вытекает из известных до сих пор письменных памятников.
Гномон, вертикальный обелиск со шкалой, нанесенной на земле, был первыми солнечными часами, измерявшими время по длине отбрасываемой тени. О том, что египтянам эти обелиски служили одновременно для почитания культа бога Солнца, говорят записи древних писателей Аристофана, Атенея, Эвбола и других. Эти священные обелиски стояли, как правило, перед входами в храмы. Роль гномонов выполняли и прямые пилоны на общественных площадях, на рынках. Первые обелиски и пилоны, предназначавшиеся в Египте для измерения времени, были построены, по всей вероятности, уже в XIV в. до н.э. До сих пор сохранился такой обелиск высотой в 35,5 м на площади св. Петра в Риме, который был доставлен туда в 38 г. Калигулой из Гелиополиса.
По изменениям длины и направления тени можно было не только измерять время, но также наблюдать взаимные перемещения Солнца и Земли. Нет сомнения в том, что математики и астрономы допифагорейской эпохи, к которым относились также Анаксимандр и Фалес, использовали результаты измерений для изучения движения космических тел. Кроме вавилонян, египтян и греков, изучением движения Солнца занимались и другие народы, например индусы и перуанские инки. Астрономические солнечные часы инков имели различные формы. Некоторые из них были похожи на наклонно установленные каменные диски, а другие — на низкую многогранную каменную колонну. Подобные сооружения, цель которых не во всех случаях полностью выяснена, были обнаружены и в Европе. Вблизи Уатмура в Эмсланде найдена группа камней, расположенных квадратом, самый крупный из которых находился в середине. Их расположение в плане свидетельствует о том, что уже в доисторическую эпоху они служили для получения данных о времени, с которым были связаны культовые обряды. На территории Великобритании до сих пор сохранилось более 200 подобных объектов. Как правило, это круговое скопление камней с расположенным посередине алтарем. Например, при археологическом исследовании в Стаффордшайре обнаружены четыре крупных камня, расположенные в направлении главных стран света. Пространство, ограниченное этими камнями, перекрещивается наклонным камнем, видимо, являвшимся главной частью больших солнечных часов. Положение этих солнечных часов позволяет, помимо определения времени суток, узнать и время летнего и зимнего солнцестояния. Однако самым интересным объектом этого рода является Стоунхендж, расположенный на Салисбургской равнине в центральной части Великобритании в 132 км к западу от Лондона. Имеются предположения, что концентрически расположенная группа камней и колонн, окруженная двумя круглыми рядами камней, была не только местом культовых обрядов у галлов, бриттов и ирландцев, но и астрономическим устройством, определяющим время солнцестояния. Возникновение этого сооружения с осью симметрии, образуемой широкой дорожкой и каменным блоком — гномоном, называемого Friars Heels, над которым всегда точно в день летнего солнцестояния восходит Солнце, относят к периоду 1840-1680 гг. до н.э. О первоначальном виде всего объекта в Стоунхендже существует много суждений.
Особо благоприятные климатические условия для измерения времени с помощью солнечных часов имел Египет. Известия о самых древних из древнеегипетских солнечных часов относятся к эпохе правления Тутмоса III — первой половине XV в. до н.э. Это сравнительно небольшой прибор, горизонтальная часть которого — линейка с хронометрической шкалой длиной около 30 см — имеет другое, перпендикулярное плечо, отбрасывающее тень на шкалу.
При измерении времени линейка со шкалой устанавливалась так, чтобы тень вертикального плеча под линейкой падала как раз на линейку со шкалой. Расстояние конечной точки тени от нулевой прямой у основания указателя указывало время суток.
Другим видом египетских солнечных часов были ступенчатые часы в виде обелиска с двумя наклонными поверхностями, ориентированными по оси восток — запад и разделенными на ступени. При восходе Солнца тень падала на край верхней ступеньки одной из этих поверхностей — восточной, затем постепенно опускалась, пока к полудню полностью не исчезала. Затем, после полудня, тень снова появлялась в нижней части западной поверхности, откуда она все подымалась до тех пор, пока при заходе Солнца не касалась грани верхней ступеньки.
На описанных выше солнечных часах время измерялось длиной, а не направлением отбрасываемой тени. Однако египтяне имели солнечные часы и со шкалой для определения направления отбрасываемой тени. Самым старым доказательством этого являются, конечно, вертикальные солнечные часы из слоновой кости, украшенные мифологическими рельефами, найденные при раскопках в месте Гезер в Палестине. Они восходят к эпохе правления фараона Мернефта в начале XIII в. до н.э. Другие настенные вертикальные солнечные часы были обнаружены тоже при раскопках в Луксоре. Хронометрические шкалы этих часов были различными. Портативные часы с перпендикулярной плоскостью тени имели деления через 13°, а стационарные часы — через 15°. Для получения правильного показания времени было необходимо, чтобы верхняя линия шкалы была горизонтальной и чтобы шкала составляла прямой угол с плоскостью местного меридиана. Поскольку египтянам того времени компас еще не был известен, они с этой целью вынуждены были вести наблюдения за моментами солнцестояний или равноденствиями.
Египетские гномоны были весьма неточными хронометрическими приборами. Они показывали время правильно лишь дважды в год — в дни весеннего и осеннего равноденствия. Позднее под влиянием греков египтяне стали строить солнечные часы с особыми шкалами для разных месяцев.
Первая встреча греков с солнечными часами произошла, по-видимому, на острове Додеканес, куда их занесли халдеи. Завоевание Вавилона Александром Великим способствовало слиянию халдейской и эллинской культур. И Анаксимандр Милетский, который будто бы установил в Греции первый гномон в конце V в. до н.э., черпал свои знания, по-видимому, в Египте, где он изучал астрономию. Указывают, что именно Анаксимандр построил в Спарте в 547 г. до н.э. первые солнечные часы. Однако первоначально эти часы были предназначены не для измерения времени суток, а для контроля и корректирования календарных данных.
Среди простого народа распространился обычай измерять время длиной тени от собственного тела. Знание времени имело для грека весьма важное значение, так как, помимо срока его трудовых обязанностей, время указывало на приближение желанного момента для подкрепления пищей и для отдыха. В книге «Де ре рустика», написанной примерно около 400 г., Палладий указывает, что длина тени измерялась также длиной человеческой стопы. Правильность этого утверждения Палладия подтверждают и таблички, вытесанные на античном храме V-VI вв. в Техсе в Нубии. Известный римский архитектор и зодчий Маркус Витрувий, работавший во времена правлений Цезаря и Августа, описывает в своем сочинении «Архитектура» не менее 13 видов солнечных часов. К ним относятся и не совсем обычные для северных областей Европы горизонтальные полые полусферические часы — так называемые гемисферы. Внутренняя поверхность полушария представляла небесную полусферу с линией экватора, двумя линиями солнцестояния и с двенадцатичасовой шкалой времени. Изобретение таких часов приписывают известному античному астроному Аристарху из Самеса, жившему в 320-250 гг. до н.э., который изготовил также солнечные часы с полукруглыми шкалами, разделенными на пять частей (часов) неодинаковой длины. В совершенствовании греческих солнечных часов большое участие принимал и известный математик, врач, основатель греческой астрономии Евдокс из Книдоса, живший в 408-356 гг. до н.э. Бывший ранее учеником Платона, он написал свое знаменитое сочинение о небесных явлениях, движениях звезд и атмосферных явлениях, склоняясь в этой работе к геоцентрической теории.
Острый конец гномона, служивший первоначально египтянам для четкого ограничения тени на шкале, греки позднее заменили небольшим круглым отверстием, так называемым солнечным оком, бросавшим на шкалу небольшую световую точку. Кроме указанных выше горизонтальных часов, греки имели еще и более совершенные вертикальные солнечные часы, так называемые гемоциклы, которые они располагали на общественных зданиях.
В Рим солнечные часы попали из Греции. Римский военачальник Папириус Курсор приказал в 93 г. до н.э. построить солнечные часы в храме Квиринал, а через 30 лет после этого консул Манлиус Валериус Мессала привез из Сицилии другие солнечные часы, которые затем установили на Римском форуме рядом с ораторской трибуной. Хотя эти часы были сконструированы для параллели, находившейся на 4° южнее, они все же служили в Риме почти 100 лет — до 164 г. до н.э., пока Квинтий Марцин Филиппус не построил рядом с ними другие солнечные часы, которые уже были приспособлены к географическому положению Рима. Около 250 г. до н.э., и позднее в Риме появились портативные солнечные часы в виде пластинок из бронзы или слоновой кости. При раскопках в 1755 г. там нашли портативные бронзовые солнечные часы римского происхождения, засыпанные в Портице при извержении Везувия в 79 г. На поверхности часов имелось семь горизонтальных и вертикальных кругов, а под ними — названия 12 месяцев. На правой стороне был стержень, выполнявший роль гномона.
Около 24 г. до н.э. Витрувий упомянул о дорожных солнечных часах. Правдивость его сообщения подтвердили раскопки, произведенные в 1894 г. у Форбаха, при которых были обнаружены такие часы в виде бронзовой пластинки диаметром 47 мм с пятимиллиметровым ободом и двумя отверстиями: одним — для подвески, а вторым — для прохождения солнечного луча.
Все древние солнечные часы были основаны на простом принципе гномона, у которого длина и направление отбрасываемой тени зависели не только от положения Солнца в данный момент на небосводе, но и от времени года. При римском способе деления дня и ночи на 12 часов весной и летом удлиняли дневные часы, а осенью и зимой их укорачивали. Античные солнечные часы вследствие своего несовершенства указывали такое время, главной чертой которого было то, что под влиянием изменяющегося наклона Солнца изменялась в течение года длина дневных и ночных часов.
Более поздние античные и многие средневековые солнечные часы имели криволинейные шкалы, устраняющие этот недостаток. Такими часами с более сложными и более точными шкалами времени, вычисленными для квартальных или месячных интервалов, пользовались примерно до XV в. Еще в конце XIV в. в Центральной Европе были весьма распространены настенные вертикальные солнечные часы с горизонтальной теневой штангой, перенятой первоначально из Египта, где благодаря сравнительно малой удаленности от экватора время указывалось с приемлемой степенью точности, тогда как в Греции или Италии эта точность была значительно хуже.
Измерение времени длиной тени кое-где сохранилось до позднего средневековья. Известный путешественник Марко Поло упоминает в одном месте описания своего путешествия на Восток в 1298 г., что: «... определяли часы дня по длине тени, отбрасываемой стоящей мужской фигурой». В ту пору были отдельные попытки построения гигантских солнечных часов. Врач и географ Паоло Тосканелли построил в 1468-1482 гг. на костеле св. Марии де Фиоре во Флоренции гномон высотой 84,5 м, с помощью которого удавалось измерять с полусекундной точностью местный полдень. С помощью этого гномона Тосканелли удалось уточнить данные астрономических таблиц.
Новую эпоху в развитии солнечных часов открыло важное изобретение, датирующееся 1431 г. Принцип его заключался в установке теневой стрелки в направлении земной оси. Этим простым нововведением, которому предшествовали длительные обсуждения, было достигнуто то, что тень стрелки, называемой «полуосью», после этого нововведения равномерно вращалась вокруг «полуоси», поворачиваясь каждый час на 15°. Это дало возможность ввести равномерное время, которым можно было пользоваться в течение всего года, причем отрезки, соответствующие часам, были одинаковой длины независимо от изменяющейся высоты Солнца. Одним из первых упоминаний о часах с «полуосью» является рукопись Теодорика Руффи от 1447 г. Некоторые солнечные часы того времени имели одновременно гномон и «полуось». Такие часы описаны в рукописи арабского астронома XV в. Сибт-аль-Маридини. Аналогичные часы построил примерно в то же время египетский астроном Ибн-аль-Магди.
Прогресс, которым ознаменовалась наука в эпоху Возрождения, отразился и на конструкциях солнечных часов. Сравнительно быстро, примерно за 130 лет, прежние несовершенные хронометрические приборы превратились в весьма точные для своего времени приборы, которыми можно было измерять время в любом месте земного шара. Это достижение связано с именами известных европейских астрономов и математиков, ему способствовали дальнейшие совершенствования и других приборов, что позволило, например, сочетать солнечные часы с компасом, используемым для их правильной установки.
Сами по себе солнечные часы без компаса указывали правильное время лишь тогда, когда они были построены с учетом географической широты места измерения, календарной даты и угла наклона Солнца во время измерения времени. Все это отошло с введением экваториальных часов с компасом. Для правильного наклона «полуоси» относительно горизонтальной плоскости достаточно было знать географическую широту места измерения. Например, для Праги, лежащей на географической широте φ = 50°05′19″ (данные, относящиеся к бывшей обсерватории в Клементине), «полуось» составляет с горизонтальной плоскостью именно такой угол. Для вертикальных часов, к которым относится большинство настенных солнечных часов, необходимо отклонить «полуось» от стены на дополнительный угол φ = 90° — 50°05′19″ = 39°54′41″.
Следующим обязательным условием для правильного отсчета времени в экваториальных часах была точная установка солнечных часов относительно плоскости местного меридиана: «полуось», наклоненная в направлении земной оси, должна была лежать в плоскости меридиана. Однако определить направление север — юг без подходящего пособия было довольно трудно, а потому до введения компаса измерение времени солнечными часами было связано с рядом сложностей.
Изобретение компаса до начала нашего летоисчисления приписывается китайцам. Первые сообщения о появлении в Европе этого весьма важного прибора появились лишь в 1195 г. и относятся к морскому компасу. Сочетание компаса с солнечными часами является, по всей вероятности, делом рук немецких астрономов середины XV в.
Довольно быстро выяснилось, что стрелка компаса указывает не прямо на север, а отклоняется от него под определенным углом к западу. Об этом магнитном отклонении знали уже до 1490 г., и известно, что Колумб в одном из своих плаваний в 1498 г. корректировал показания компаса. Однако маловероятно, чтобы о магнитном отклонении знал французский ученый Пьер де Марику, который одним из первых занялся изучением магнетизма и его влияний уже в начале второй половины XIII в.
К первым создателям солнечных часов с корректирующим компасом относится астроном и математик Региомонтан, настоящее имя которого Йоганнес Мюллер (1436-1476), известный также под именем Жоан де Монте Регио (де Региомонт), работавший в середине XV в. в Нюрнберге. Он был автором первого специального труда о солнечных часах.
В его время возникли также первые учебники по солнечным часам. С начала XVI в. теорию солнечных часов стали преподавать в университетах Виттенберга, Тюбингена, Ингольд-штадта, в Праге и в Штирскем Градце как составную часть математики. Так возникли труды «Gnomonices libri octo», изданные в 1581 г. в Риме, и другие, авторами которых в XVII в. были Христиан Клавиус, Атанасиус Кирхер, Каспар Шотт, Эберхард Вельцер, Й.П. Штенгель, а в XVIII в. — Дж.У. Мюллер, И.Ф. Пентер и др.
Экваториальные солнечные часы с циферблатом, параллельным плоскости земного экватора, и гномоном, перпендикулярным ей, были, по существу, простейшими часами с равномерной шкалой времени. Создатели таких часов обычно исходили из того, что ими будут пользоваться в различных географических широтах. Иногда такие часы имели стрелку с зубчатой передачей и малый циферблат со стрелкой для отсчета минутных интервалов с точностью от 1 до 3 мин. Такие часы назывались гелиохронометрами. Были и экваториальные часы, устроенные так, что их циферблат указывал непосредственно среднее солнечное время, а не именно местное солнечное время, как у обычных экваториальных часов.
Из большого количества различных солнечных часов, подвергшихся в течение весьма длительного периода развития различным изменениям, обусловленным временем, а также вкусом и способностями их создателей, с которыми пришлось долго соревноваться более современным и более всесторонним механическим часам, мы вкратце охарактеризуем лишь те из них, с которыми читатель может чаще всего встретиться в музейных и дворцовых коллекциях.
На корпусах солнечных часов обычно указывалась траектория Солнца (эклиптика), эклиптикальные точки, календарные дни и соответствующие высоты Солнца в каждый час дня. Как правило, горизонтальную стрелку можно было подать внутрь или же передвинуть в положение для соответствующей дневной кривой.
Известны и другие варианты солнечных часов: с закругленными поверхностями циферблатов, коническими, колончатыми, в форме кубка и др. В развитии солнечных часов большие заслуги принадлежат известному чешскому математику и астроному Яну Шинделю, который написал труд о пражских курантах перед своим переездом в Нюрнберг в 1423 г. Солнечные часы в виде полого полушария со стрелкой, отбрасывающей тень на внутреннюю полость, начали строить с 1445 г. На основе этих часов через некоторое время стали изготовлять кубковые солнечные часы, в чем особенно отличился в период около 1530 г. Г. Гартманн из Нюрнберга.
Солнечные часы встречались не только в виде часов, расположенных на открытом воздухе — на земле, колоннах и т.п., но и в виде небольших настольных часов. Их изготовляли из древесины, стекла, а начиная с XVI в. и из известняка, мрамора, сланцев, или же их циферблаты гравировали на бронзе, меди, серебре, железе, цинке и других металлах. В Чехии такие часы изготовлял около 1600 г. один из первых мировых мастеров по строительству солнечных часов Эразм Габермель, а позднее, в 1787-1803 гг., — мастер Йоганн Энгельбрахт. Эти часы обычно имели деление шкал на четверти часов, кривые высот Солнца и т.п. В XVIII в. некоторые солнечные часы имели и шкалы для отсчета минут.
Разновидности солнечных часов были весьма многообразны.
Сочетание солнечных часов с компасом привело к тому, что солнечные часы стало возможным использовать повсеместно и появились их портативные, карманные или дорожные модели.
Интересны кольцевые солнечные часы — один из вариантов дорожных солнечных часов, — которые очень часто одновременно служили и в качестве декоративной подвески. Главной частью таких часов было латунное кольцо диаметром в несколько сантиметров (рис. 1а) с другим передвижным кольцом, снабженным отверстием для солнечного луча. На внешней поверхности главного кольца обычно гравировали начальные буквы наименований месяцев, а против них, на внутренней поверхности, находилась часовая шкала. Перед измерением надо было повернуть меньшее, обычно железное, колечко так, чтобы отверстие для луча лежало у наименования соответствующего месяца. При измерении времени держали часы в положении, позволяющем солнечному лучу проходить через отверстие в шкале. Первое описание часов подобного рода в виде перстня с печатью содержится в книге «De compositione annuli astronomici», написанной врачом Боне и изданной в Париже в 1500 г.
Рис. 1. Кольцевые солнечные часы: высотные (слева); экваториальные (справа)
На подобном принципе строились и так называемые «экваториальные кольца» — аналогичные часы, на главном кольце которых имелись еще два пересекающихся друг с другом круга. Позднее возник новый вариант (рис. 1б) с поперечиной вместо третьего кольца. На одной стороне этой поперечины были указаны месяцы, а на другой — знаки зодиака. Посередине имелась перемычка с малым отверстием для прохождения солнечного луча. Правильное положение этих часов при измерении времени было таким, когда солнечный луч, проходящий через отверстие, попадал на центральную линию экваториального круга.
Существовали также простые кольцевые часы со шкалами, относящимися лишь к определенной географической широте, но для различных месяцев. Некоторые кольцевые солнечные часы английского происхождения (XVIII в.) имели по два солнечных отверстия с отдельными шкалами для зимнего и летнего периодов.
Одной из самых популярных разновидностей дорожных солнечных часов были так называемые пластинчатые солнечные часы. Первые экземпляры таких часов появились в Европе в 1451-1463 гг. Обычно они состояли из двух, а в исключительных случаях — из трех одинаковых по величине четырехгранных прямоугольных пластинок, соединенных подвесками, причем в нижней пластинке обязательно должен был находиться компас. Эти часы изготовлялись из самых различных материалов: меди, бронзы, весьма часто — из древесины, а позднее — и из слоновой кости. К самым старым изготовителям пластинчатых солнечных часов относился известный венский часовщик Георг Пейербах. В XVIII в. изготовили много таких деревянных часов с бумажными шкалами, наклеенными на вертикальные и горизонтальные поверхности. Кроме правильной четырехгранной формы или овала, такие часы иногда имели форму щита или какого-либо музыкального инструмента.
Индийские путешественники, которые, отправлялись в Бенарес, обычно носили с собой деревянные восьмигранные палки с металлическим острием длиной 160 см с вырезанными часовыми шкалами, представляющие собой также дорожные солнечные часы (ашадах). Ручка такой палки просверливалась обычно четырьмя сквозными отверстиями. В отверстие над шкалой для соответствующего месяца вдвигался стержень длиной около 15 см так, чтобы его острие при вертикальном положении палки отбрасывало тень на шкалу.
На палке должно было быть 12 шкал. Поскольку для дней, удаленных от солнцестояния на одинаковое время, действовали одинаковые условия, то достаточно было иметь 8 шкал. Наименование «ашадах» эти часы получили по тому сезону (июнь — июль), в котором совершались путешествия.
К дорожным часам относились и футлярные солнечные часы самых разнообразных форм. Очень часто они состояли из нескольких пластинок, соединенных подвесками, и располагались в общем футляре из позолоченной или посеребренной латуни или меди. Иногда к ним добавляли лунные часы, которые указывали изменения положения Луны. Главной частью лунных часов была поворотная пересчетная шкала, называвшаяся вольвелой, которая служила в качестве переводной таблицы для определения среднего солнечного времени.
Для дорожных нужд футлярные часы снабжались таблицами или шкалами для различных географических широт. Такие часы имели четырехгранную, шестигранную, восьмигранную, круглую или же иную форму. Эразм Габермель, работавший в конце XVI и начале XVII в. при пражском дворе императора Рудольфа II, был одним из немногих, кто изготовлял такие часы в виде книги (рис. 2). Солнечные часы в виде книги делали также У. Шнип и Х. Кенинг, оба — мастера XVI в. На некоторых часах этого рода шкалы были весьма сложными. Помимо вечного григорианского или юлианского календаря, продолжительностей дня и ночи, времени восхода и захода Солнца, некоторые из часов этого рода указывали и лунные или звездные часы.
В музейных или частных коллекциях мы часто встречаемся с полиэдрическими солнечными часами, основой которых было многоплоскостное тело, обычно в виде куба или квадрата. Большинство поверхностей таких часов бывают функциональными, и каждая из них представляет собой определенный тип часов. Здесь можно найти, например, наряду с горизонтальными часами полярные, северные, часы равнодействия и т.д. Конструкция полиэдрических часов позволяла их творцам фантазировать. Они имели разнообразные формы в виде крестов, щитов, кубков и т.д.
Из полиэдрических часов были созданы после 1500 г. призматические солнечные часы восьмигранной формы.
К многоповерхностным часам относятся и пирамидальные солнечные часы с горизонтальными солнечными часами, расположенными на скошенной поверхности усеченной пирамиды, или четырехгранные часы в виде двойной пирамиды. Эти часы изготовляли из различных металлов, древесины, бумаги, а для больших часов применяли и камень.
Рис. 3. Аналемматические солнечные часы
Другими интересными экваториальными часами являются аналемматические солнечные часы (рис. 3), стрелка которых также направлена перпендикулярно плоскости часовой шкалы, но эта шкала лежит не в плоскости, параллельной экватору, а в горизонтальной плоскости, например непосредственно на земле. Если бы нам понадобилось измерять этими часами время, то надо было бы вынести часовую шкалу на эллиптическую кривую и при этом одновременно изменять положение стрелки в меридиональной плоскости применительно к сезону года. Описание этих часов появилось в астрономических трудах XVI в., но детальными измерениями с помощью этих часов стал заниматься лишь в середине XVIII в. астроном и директор Парижской обсерватории Джозеф Джаром Лаланд.
Известны и оригинальные так называемые рефракционные солнечные часы, которые имеют чашу с часовой шкалой и теневую стрелку. Их работа основана на том известном явлении, что световой луч, падающий наклонно на плоскость раздела двух различных сред, преломляется. Перед измерением надо чашу наполнить до определенной высоты водой. Теневой луч стрелки преломляется на линии разграничения воздуха и воды, и лишь этот преломленный луч указывает на погруженной в воду временной шкале данное время. Рефракционные часы имели формы кубков и различных сосудов.
Приблизительно в начале XVI в. появились оконные солнечные часы. Они были вертикальными, и их циферблатом была поверхность окна храма или ратуши. Циферблат этих часов, встречающихся довольно часто в Германии и в Англии, обычно состоит из мозаичной филенки, залитой свинцом. Прозрачная шкала позволяла наблюдать время, не выходя из здания, и облегчала контроль других хронометрических приборов, например водяных или кольцевых часов, находящихся внутри здания. Техника изготовления прозрачного циферблата была различной. Наряду с мозаикой применялся непосредственный рисунок на стекле, а позднее стали гравировать шкалы на стекле или же наклеивать на него бумажные циферблаты. Внешняя стрелка отбрасывала тень на циферблат, устроенный так, чтобы конец тени указывал не только часы, но и положение Солнца в зодиаке.
Были и зеркальные солнечные часы, которые отражали солнечный луч зеркалом на циферблат, расположенный на стене дома. Первым такие часы описал Й.Б. Бенедиктус в своей книге «De gnomonum umbrarumque solarium usus liber», изданной в Турине в 1574 г. По неподтвержденным сведениям, конструированием зеркальных часов занимался будто бы и Николай Коперник, о чем свидетельствует и циферблат зеркальных часов, сохранившийся на замке в Ольштыне. О практике строительства таких часов говорят сведения о том, что в 20-х и 30-х годах XVII в. этим занимались Шенбергер, Г. Таглиани и Атанасиус Кирхер, который опубликовал свои данные об этих часах в книге «Primitiae gnomonicae catoptricae hoc est Horologiographiae novae specularis», изданной в 1635 г. в Авиньоне.
Кроме часов из драгоценных и обычных металлов, камня, дерева и бумаги, люди изыскивали и примитивные способы измерения времени по тени, когда единственным пособием для этого была человеческая рука с пятью пальцами. Первые сообщения о таких солнечных часах относятся к началу XVI в. Теневым указателем были палец, палка, стебель или ствол цветка. В литературе описание этого примитивного способа измерения времени встречается под названием manuale horoloqium. Простейшим способом измерения времени с помощью так называемых сельских часов было то, что левую руку поворачивали ладонью вверх и ее направленный вверх большой палец выполнял роль теневой стрелки. В зависимости от длины этой тени в сравнении с остальными пальцами руки можно было примерно определить время. Этот простой способ измерения времени сохранялся среди сельского населения весьма долгое время. Во Франции, в Южной Германии и некоторых других местах этот способ хорошо был известен даже в прошлом веке. В качестве теневого указателя достаточно было короткой веточки длиной с мизинец, которую держали перпендикулярно между мизинцем и безымянным пальцем.
Творения мастеров гномоники
Солнечные часы в свое время пользовались большой популярностью, поскольку они были простыми, надежными и сравнительно точными. Они сохранили свою популярность и тогда, когда уже широко развилось производство механических часов. Наибольшего расцвета солнечные часы в качестве научных измерительных приборов и подлинных художественных произведений, драгоценностей достигли в XVI и XVII вв., когда их созданием занимались передовые европейские математики и астрономы. В ту пору, когда гелиоцентрическая система Коперника начала сменять прежние представления о составе и структуре Вселенной, в Европе возникло несколько центров, в которых работали ученые и мастера по изготовлению научных приборов. В Ураниборге на острове Хвен начал в 1576 г. работать Тихо Браге, примерно в то же время швейцарец Йост Бурги изготовил для Кассельской обсерватории ряд астрономических хронометрических приборов, которыми он привлек к себе внимание императора Рудольфа II (позднее он полностью перешел на службу к этому императору при пражском дворе). Важные центры возникли также в Южной Германии — в Нюрнберге, в Аугсбурге и в Тюбингене. В XV в. здесь начали традиционное изготовление часов Региомонтан, Георг Пейербах, его ученик Йоганнес Штеффлер, Георг Гартман. Изготовлением малых солнечных часов прославился Йоганн Праэториус из Альтдорфа. Целый ряд художественных солнечных часов построил во второй половине XVI в. Христофор Шисслер. Занимались изготовлением таких часов и другие мастера, например Ганс Трошер, Ганс Духер, Ульрих и Тобиас Клеберы, Ульрих Шнип, Христиан Хайден из Нюрнберга, Йоганн Бухнер, Герхард Гульденхауэр, Герхард Меркатор, Георг Филипп и Николай Ругендасы.
Другим центром производства солнечных часов в Западной Европе во второй половине XVI в. была Бельгия, где в Ловане работал выдающийся астроном Райнер Фризиус. Известна была и Прага, где во времена Рудольфа жили выдающиеся ученые и мастера из различных стран Европы. В период 1599-1601 гг. здесь работали Тихо Браге, а также знаменитые творцы солнечных часов и других астрономических приборов Эразм Габермель, ранее работавший в Касселе, Йост Бурги, а с 1600 г. — Йоганнес Кеплер. Важнейшее значение для пражского центра имели приборы Габермеля, теперь рассеянные по музейным и частным коллекциям в Европе и заморских странах. Часть этих коллекций была приобретена позднее Чехословакией и частично хранится в Национальном техническом музее в Праге. Наряду с научными солнечными хронометрическими приборами, изготовленными Габермелем во время его работы в Праге, в Чехии производством солнечных часов занимались и позднее многие часовщики. В этом отношении наиболее прославились мастерские произведения Йоганна Энгельбрехта, изготовленные им в период 1797-1803 гг. Работу Йоганна Энгельбрехта, жившего в Бероуне, продолжал в новой традиции и Антонин Энгельбрехт, живший в конце 20-х годов XIX в. в Мельнике.
Солнечные часы не утратили своего первоначального значения как надежные приборы для астрономических измерений и после изобретения и распространения механических шестеренчатых часов. Это объяснялось прежде всего большой точностью солнечных часов, с которой не могли сравниться механические часы до того, как для них стали применять маятниковый осциллятор. Однако и после этого солнечные часы оставались обязательной принадлежностью всех обсерваторий. Многие солнечные часы были построены в прошлые века в астрономических обсерваториях стран Востока, например в Индии, где Яи Синг II, князь Джайпура, основал в 1708-1710 гг. большую обсерваторию в Дилли с гномоном высотой 18 м. Вскоре после этого он приказал построить подобные часы в Бенаресе, Муттрже, Уйгаине и в Джайпуре.
Прочие способы измерения времени
Определение времени по положению звезд
Уже древние астрономы обладали большими знаниями в области движения звезд и умели использовать эти знания для измерения времени с помощью специальных астрономических приборов, называвшихся в то время звездными часами. Одним из самых древних приборов для наблюдения за движением звезд была астролябия, впервые описанная греческим астрономом и математиком Птолемеем. В своем описании он говорит о двух кольцах, представляющих эклиптику и экватор, и о еще одном кольце с вращающейся световой осью. Однако в действительности астролябия Птолемея в конструктивном отношении не имеет ничего общего с теми астролябиями, которые появились позднее.
Астролябия относилась к весьма распространенным астрономическим приборам, которыми пользовались на суше и при плавании по морям. В средневековые бронзовые астролябии, имевшие основание в виде круглой плиты, разделенной на 360°, обычно вкладывались пакеты с астрономическими таблицами или картами земной поверхности, составленными для различных географических широт. Астролябию дополняла звездная карта со знаками зодиака. Астролябией измерялось положение Солнца, его высота над горизонтом, определялись направление восток — запад, длительность дня и ночи. Подобные данные можно было получить путем наблюдения за движением Луны или звезд. По замеренному с помощью астролябии положению звезды можно определить время, если точно известно положение места измерений. Открытие такого способа определения времени путем измерения высот звезд приписывается греку Гиппарху, жившему во II в. до н.э. От греков этот метод переняли арабы, которые своими астролябиями измеряли время с погрешностью лишь 1-2 мин. Измерение времени методом определения высот звезд применялось до середины XVII в. многими астрономами, в том числе и Тихо Браге, который с помощью этих приборов достиг точности измерения времени до нескольких секунд.
В первой половине XVI в. распространилось в Европе строительство «армилярных» сфер, состоящих из системы кругов. Эти круги изображали экватор, меридианы, тропики, высотные круги и эклиптику со знаками зодиака, мировой оси, траекторий и положений Солнца и Луны и т.п. Как правило, армилярные сферы имели лунные календари и схему расположения планет. Армилярная сфера служила для изображения положений созвездий и планет в определенный момент времени в различных координатных системах. Это было задачей так называемых демонстрационных армилярных сфер. Кроме того, изготовляли и наблюдательные армилярные сферы, предназначенные для измерения, однако они были весьма редкими и сохранилось их очень мало. (Представляется, что единственным изготовителем их был Тихо Браге.)
Все это стимулировало развитие солнечных часов и звездных часов, предназначенных для точного измерения времени в ночные часы. Для ночных измерений времени по положению звезд прибор направляли визиром на Полярную звезду и одновременно устанавливали вращающуюся линейку в положение, параллельное линии соединения нижних звезд Большой Медведицы. Одним из простейших видов звездных часов была, собственно говоря, уже описанная астролябия.
При измерении времени по положению звезд надо было очень точно и детально знать движения звезд в различные времена года. Эти данные содержались в звездных каталогах, картах и таблицах. Самым старым и самым долго употреблявшимся звездным каталогом был каталог Гиппарха, составленный в конце II в. до н.э., в котором имелись данные о движении 1022 звезд. В Европе долгое время пользовались так называемыми толедскими таблицами (Альфонса), которые поручил составить в 1252 г. испанский король Альфонс X. Попыткой уточнения данных этих таблиц были прусские планетарные таблицы, изданные в 1551 г. Эразмом Рейнгольдом. Однако наибольшей точности достиг звездный каталог, составленный Тихо Браге, содержавший лишь 997 звезд, но у него средняя погрешность не превышала одной дуговой минуты (тогда как у каталога Гиппарха эта погрешность достигала четырех минут).
Водяные часы
Солнечные часы с передвижным по высоте «полюсом», компасом и шкалами с минутным делением были простым и надежным указателем солнечного времени, но страдали и некоторыми серьезными недостатками. Их работа была связана с солнечной погодой и с ограниченным периодом работы — между восходом и заходом Солнца. Нет сомнений, что это было одной из причин того, что уже древние культурные народы стали изыскивать иные пути измерения времени, не связанные с наблюдением небесных тел. Поэтому новые приборы для измерения времени принципиально отличались от солнечных часов. В то время как единица времени по солнечным часам выводилась из вращения Земли и ее движения вокруг Солнца, а для звездных — из видимого движения звезд, для хронометрических приборов (жидкостных, песочных, воздушных, огневых и др.) надо было создать искусственный эталон единицы времени, например, в виде интервала времени, необходимого для вытекания или сгорания определенного количества вещества в хронометрическом устройстве.
Подобно солнечным часам, и эта группа простейших часов прошла долгий путь развития, сопровождавшийся возникновением интересных принципов действия и конструктивных элементов. Некоторые из них, например зубчатые передачи, ролики, цепные подвески и гири, нашли применение в последующей эре хронометрии — эре механических часов. Это относится главным образом к водяным часам, которые после солнечных часов занимали второе место по количеству и были самыми важными в этой группе простейших часов.
В литературе часто говорится о водяных часах как о «клепсидрах». Это наименование происходит от сочетания двух греческих слов klepto — брать и udor — вода. Судя по греческому наименованию этих часов, можно было бы ошибочно считать, что именно Греция является колыбелью водяных часов. Однако дело обстоит вовсе не так. В значительно более примитивном виде водяные часы были известны уже египтянам и некоторым культурным народам Дальнего Востока. Греческое происхождение наименования водяных часов свидетельствует о том, что в Древней Греции они как бы «обжились», стали считаться сугубо греческим предметом и что именно греки сделали многое для усовершенствования этих часов.
Представляется, что простейшими водяными часами были китайские и индийские часы этого рода. Они имели форму полусферической чаши с небольшим отверстием в дне, через которое медленно вытекала вода. Эти водяные часы, способные измерять продолжительность интервалов времени между моментом помещения чаши на водную поверхность и ее погружением в воду, были, собственно говоря, аналогией одного типа песочных часов, о которых мы упомянем ниже. В Индии водяные часы под названием «яла-янтра» были известны по меньшей мере за 300 лет до нашей эры. Это были преимущественно часы «истечения» с небольшим отверстием в дне. Сначала при восходе Солнца заполняли эти часы водой, которая затем вытекала, так что до вечера процесс заполнения и истечения воды повторялся пять-шесть раз. Первыми, кто пользовался водяными часами, были египтяне, и у них сохранились, по всей вероятности, самые старые водяные часы в мире. Это были часы «истечения», относящиеся к эпохе владычества Аменхотепа III (1414-1375 гг. до н.э.), хранящиеся в музейных коллекциях в Каире. Они были обнаружены в 1940 г. в храме Аммона в восточных Фебах. На внутренней поверхности их алебастрового корпуса наколами обозначено 12 часовых шкал для измерения времени в соответствующих месяцах. Сосуд заполняли до самого верха водой, которая затем вытекала через небольшое придонное отверстие.
Египтянам были известны разновидности таких часов с поступлением и с вытеканием воды. Об этом сохранились довольно детальные сообщения в обнаруженных папирусах. В них имеются и данные о шкалах, выгравированных на корпусах таких часов. Основной единицей для шкал была мера в палец (палец равен 1/4 ладони или 1/28 локтя, т.е. 18,75 мм). Шкала обычно имела 12 пальцев. Отсюда можно сравнительно легко судить об общем размере таких часов. Египетские «приточные» водяные часы были несколько сложнее аналогичных часов восточного происхождения. Обычно они имели форму цилиндра с 12-часовой шкалой на внутренней поверхности. Часовой сосуд заполнялся водой, поступающей по каплям из специального сопла. Некоторые подобные часы имели поплавок, который после повышения уровня воды до определенной степени открывал выпускной кран. У большинства античных культур длина дневных и ночных часов изменялась в зависимости от сезонов года. Напомним, что вавилоняне делили день на 12 часов, и длина этих часов зависела от времени между восходом и заходом Солнца. Измерение часов неодинаковой длины с помощью часов «втечения» или «истечения» было довольно трудным делом. Эти часы должны были иметь много шкал или специальные устройства для регулирования поступления или истечения воды. Один из таких возможных способов несколько лет назад описал в своей книге «Histoire de l'astronomie moderne» («История современной астрономии») Бэйлли. Основой этого способа было использование конического корректирующего элемента, задвигаемого в полость конического конуса «часов истечения». Изменением положения корректировочного элемента изменяли уровень воды в полости, а этим — и скорости течения жидкости и понижения уровня жидкости на часовой шкале.
Арабские, индийские и китайские водяные часы, созданные до нашей эры, были весьма примитивны. И все же древние египетские астрономы сумели с помощью таких часов измерить с приемлемой точностью диаметр Солнца. Их измерение исходило из простого метода — сравнения количества воды, истекшей из водяных часов за период одного оборота Земли, с водой, истекшей за время прохождения кажущегося диаметра Солнца через горизонт. Для полноты нужно добавить, что указанный метод приемлем лишь в тех местах, где Солнце заходит перпендикулярно горизонту, что относится к территории Египта, находящейся к югу от тропика Рака, но не относится к европейским странам.
Наличие водяных часов, не связанное с египетским влиянием, известно и у других древних культур. Примерно около 650 г. до н.э. ассирийцы строили конические водяные часы с круглыми концентрическими временными шкалами, с диапазоном от 2 до 24 ч. Эмпедокл из Акраганта упомянул примерно в 450 г. до н.э. о водяных часах, предназначенных для измерения времени, представляемого ораторам во время судебных процессов. Водяные часы древних ораторов были, по существу, большими амфорами, внутренняя поверхность которых имела форму, образованную вращением параболы или эллипсоида. В такой амфоре высотой около 1 м и шириной несколько более 40 см находилось при ее заполнении около 1 гл воды. При диаметре отверстия истечения в 1,4 мм требовалось почти 10 ч на полное опорожнение сосуда. Время, истекшее после начала истечения воды, указывалось на шкале, имевшейся на поплавке. Поплавок опускался в амфоре равномерно, поскольку уменьшение скорости истечения компенсировалось уменьшающимся внутренним диаметром сосуда.
Роль водяных часов бывала различной. Военный историк Айнаяс, писавший около 360 г. до н.э., упоминает о том, что с помощью водяных часов измерялась продолжительность ночных дозоров.
Простая форма первых водяных часов постепенно обогащалась новыми элементами. То, что «клепсидра» не зависела от света Солнца, сделало из водяных часов прибор, пригодный для непрерывного измерения времени и днем, и ночью. Отсюда вытекали и различные стремления к изобретению остроумных гидравлико-пневматических механизмов для звуковой сигнализации о времени, для освещения часов ночью и т.д. Такие элементы можно найти у целого ряда водяных часов арабского происхождения, о проникновении которых в Китай есть упоминание уже от 202 г. до н.э. в труде Чау-ли.
Самая интересная эра водяных часов связана с Грецией, куда они попали сравнительно поздно, лишь около 400 г. до н.э., и это произошло, по всей вероятности, благодаря Платону. Поистине легендарной фигурой в области изготовления «клепсидр» стал известный греческий механик Ктезибий Александрийский, живший примерно 150 лет до н.э. Тогда в Греции измеряли время планетными часами (день и ночь имели одинаковое количество часов, длина которых измерялась применительно к сезону года). Римский архитектор Витрувий даже называет Ктезибия в своей девятой книге об архитектуре изобретателем водяных часов. Хотя это утверждение неправильно, все же нельзя отрицать, что Ктезибию принадлежит решающая роль в техническом усовершенствовании водяных часов.
Сохранились сообщения о двух приборах — часах Ктезибия, которые ввиду своих особых достоинств заслуживают хотя бы краткого описания. В часах, приводимых водяным колесом, Ктезибий осуществил идею передачи сил и движения зубчатым механизмом, проект которого еще в IV в. до н.э. теоретически наметил Аристотель, но практически использовал лишь Ктезибий. Зубчатая передача соединяла ведущий механизм со шкалой времени, расположенной на цилиндрической поверхности поворотной колонны и разделенной вертикальными прямыми на четыре основных поля. Система из 24 наклонных линий образовывала, собственно говоря, часовую шкалу для измерения планетных часов. Колонна со шкалой, приводимая водяным колесом, вращаясь вокруг своей оси, совершала один оборот в год. Поэтому и камеры водяного колеса в нижней части часов заполнялись водой медленно, причем вода подавалась в небольшом количестве по особому трубопроводу. Статуэтка со стрелкой двигалась с помощью специального поплавкового механизма, управляемого другой статуэткой, находящейся на другой стороне часов. Слезы — водяные капли, — капающие из глаз статуэтки, накапливались в сборники-подставки, откуда через трубопровод текли в поплавковую камеру стрелочного механизма. Кроме того, эти часы имели еще специальное устройство, которое через определенные интервалы выбрасывало на чашку мелкие камешки (это было звуковой сигнализацией ночных часов).
Вторые часы Ктезибия усовершенствованы. Они отличаются от первых тем, что их стрелка в верхней части с циферблатом управлялась поплавком, подвешенным на цепи, навернутой вокруг вала стрелочного указателя. Лунный календарь с зодиаком в нижней части часов тоже приводился в движение водяным колесом, камеры которого были закреплены непосредственно на задней стороне зодиаковой плиты.
На аналогичном принципе построил намного позднее свои часы Оронтий Финаэус. Схема этих часов сохранилась в сочинении «De solaribus horologies», изданном в Париже в 1560 г.
Введение водяных часов в Риме тесно связано с цензором П. Корнелием Сципионом Назикой, который в 172 г. до н.э. первым ознакомил римлян с этим видом часов. То, что здесь водяные часы быстро привились, подтверждается находкой римских водяных часов с календарем, обнаруженных при раскопках в Зальцбурге и у Цайнота. И Витрувий описал примерно в 24 г. до н.э. водяные часы с поплавком, у которых движение поплавка переносилось цепью на циферблатный круг с неподвижной стрелкой.
Башня ветров в римской агоре (место собраний, площадь) в Афинах, построенная македонским геометром Андроником Кирргестом примерно в 75 г. до н.э., является одним из небольших античных сооружений, сохранившихся неповрежденными, хотя их внутреннее оборудование, естественно, не сохранилось. В детальном исследовании остатков каналов в полах и в стенах, выполненном в 1965 г. Нобелем и Прицом, было реконструировано внутреннее устройство здания, центром которого были водяные часы с поворотным краном, снабженным звездной картой и «солнцем». Весь этот комплекс приводился в движение водяным механизмом. Клепсидры в сочетании с астрономической частью, дополненной комплексом из девяти солнечных часов, сначала создавали впечатление, что речь идет о сооружении, которое когда-то выполняло роль общественных часов у входа на базарную площадь. Однако позднейшие исследования обнаружили еще другие важные задачи этого объекта. Башня ветров должна была демонстрировать принцип четырех основных стихий, на которых были построены основы античной науки.
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.