2. Приборы для измерения времени в древние времена
Это было время, когда не было электронных часов, а юноша мог сказать своей девушке – «Дорогая, встретимся у пальмы, когда Солнце будет на закате!». И она приходила, может раньше, может позже, но никто не мог определить насколько она опоздала. И именно Солнце стало первым прибором определения времени.
2.1. Солнечные часы
(первое поколение приборов для измерения времени)
Первые документально подтвержденные упоминания о солнечных часах – надпись в гробнице фараона Сети I (Илл. 1 и 2). Она была сделана в 1306—1290 г.г. до н. э. Там говорится о солнечных часах, измеряющих время по отбрасываемой тени. К сожалению, сами солнечные часы не были найдены.
Илл 1. Голова статуи Сети I.
Первые инструменты для измерения времени, найденные археологами и, сделанные по этому принципу относятся еще ко времени правления фараона Тутмоса III (1479—1425 гг. до н.э.). И затем долгие годы человек не имел других часов, кроме солнечных. Точность была, прямо скажем, не самая лучшая, но вполне достаточная для нужд человека того времени.
Илл. 2. Реконструкция солнечных часов по описанию из гробницы Сети I
Первые солнечные часы были неудобно, поскольку тень изменялась линейно. Положение изменил первый циферблат, более наглядный и удобный. После того как его разметили, тень стала указывать время на круглой шкале (Илл. 3).
Илл. 3. Солнечные часы и тень, указывающая время
Солнечные часы практически не совершенствовались все время своего существования, разве что плоскость стала не горизонтальной, а наклонной, что позволяло в вечернее время более точно определять час.
С точки зрения законов развития техники – это согласование формы – наклона плоскости часов с положением Солнца на небе (Илл. 4.).
Илл. 4. Экваториальные солнечные часы в Запретном городе (Китай 1100 г до н.э).
Развитие государственности в различных уголках мира вызвало потребность в более точном измерении времени. В Римской империи, где солнечные часы появились в 293 году до н.э. они стали использоваться повсеместно. А далее они стали распространяться по всей Европе и Азии.
С точки зрения ТРИЗ, солнечные часы – почти идеальная система. Она не требует энергии, в ней почти нет элементов. Солнце, как ресурс, выполняет всю работу.
Примечание: любопытной особенностью солнечных часов в Южном полушарии является то, что тень в полдень – на юге, а Солнце – на севере; видимый путь Солнца по небосводу проходит справа налево, поэтому нумерация часов идёт против часовой стрелки (Илл. 5.).
Илл. 5. Горизонтальные солнечные часы в городе Перт, Австралия
Недостатком, правда, было то, что ими нельзя было пользоваться в пасмурную погоду (хотя это не было большой проблемой, поскольку ненастье в Египте бывает не часто). Другое дело, что ими нельзя было пользоваться в помещении, а вот это вызывало много проблем сенаторов Рима.
2.2. Водяные часы
(второе поколение приборов для измерения времени)
Недостатки солнечных часов устранили водяные часы. Хотя водяные часы были изобретены еще в древнем Египте, но широкое распространение, они приобрели только в Риме. Первые водяные часы устроил в Риме верховный жрец Сципион Назик в 157 году до н.э. (Илл.6.)
Илл. 6. Самые старые водяные часы (1414—1375 гг. до н.э., Египет, фараон Аменхотел III)
Это был достаточно удобный для своего времени прибор для измерения небольших отрезков времени (в отличие от солнечных часов). Особое удобство состояло в том, что они не зависели от погоды. Водяными часам измерялось время выступлений ораторов и другие процедуры, связанные с государственными делами. Стоит отметить, что без больших изменений, водяные часы просуществовали почти два тысячелетия (!) вплоть до XVIII века.
Концепция часов предельно простая – отрезок времени измеряется количеством воды, которое вытекает через тонкое отверстие в дне верхнего сосуда в нижний сосуд. В нижнем сосуде делались деления, по которым и определяли отрезок времени.
Если в древнем Египте это были два сосуда, и вода перетекала из верхнего в нижний, то в Риме часы стали выглядеть иначе. Появились мерные деления на верхнем сосуде, по которым можно было определять отрезок времени.
У простых водяных часов, когда из верхнего сосуда вода вытекала в нижний, был недостаток – вода вытекала неравномерно из-за того, что уровень понижался и давление снижалось. И, как следствие, трудно было определять время, трудно разметить шкалу. Чтобы избежать этого была придумана новая конструкция часов. Водяные часы могли регулировать «течение времени», при конструкции «конус в конус». В этой конструкции выполнено согласование формы сосуда и скорости истечения воды (это реализация закона согласования-рассогласования). Такие конструкции появились в Александрии в III веке до н.э.
Со временем появились и более сложные конструкции, в которых появился циферблат, более наглядный и, как следствие, более удобный для использования. Но для этого древним конструкторам пришлось научиться переводить линейное перемещение в круговое. Так появился шток с зубчатой передачей и зубчатое колесо (реализация закона развертывания технической системы) (Илл. 7.).
Илл. 7. Водяные часы с циферблатом
Вероятно, с римских времен, от водяных часов пошли выражения «Ваше время истекло», «Время течет как вода между пальцами».
Позднее конструкции стали еще более сложными, а хранителями времени стали религиозные деятели. Почему? Об этом чуть позднее.
Илл. 8. Реконструкция пагодных астрономических часов, Китай, XI В.
Религия в то время играла решающую роль в жизни общества, и все инновации внедрялись в храмах, подчеркивая божественность происходящего (Илл. 8). Касалось это и часов, которые помогали определять время молитвы. Впрочем, такие часы не стали слишком распространенными. И после появления механических часов они, постепенно, отошли в прошлое.
Оригинальное решение нашли китайцы и индусы, которые при изготовлении водяных часов использовали прием «инверсия». Не заставляли воду вытекать из сосуда, а сделали наоборот – помещали полушаровидный сосуд в бассейн и ждали, пока сосуд наполнялся водой, через тонкое отверстие. Такие часы не зависили от уровня наполнения водой верхней емкости, а значит имели более высокую точность (Илл. 9).
Илл. 9. Восточные водяные часы
2.3. Песочные часы
(третье поколение приборов для измерения времени)
Даты появления песочных часов не знает никто, хотя можно предполагать, что они были известны в Азии еще до нового летоисчисления.
Однако, только в Х веке нашей эры появились первые документы, в которых делаются предположения, что именно в это время впервые построены такие часы. А первое документальное упоминание о песочных часах относится к еще более позднему времени, к 1339 году. Это было сообщение о технологии по приготовлению песка для песочных часов.
Почему же внедрение песочных часов задержалось почти на тысячелетие?
Дело в том, что на внедрение новой системы оказывает существенное влияние уровень развития техники. Для создания песочных часов необходимо было наличие прозрачного стекла. А появилось такое стекло только в IX веке. И только с появлением прозрачного стекла стало возможным изготовление песочных часов (Илл. 10.).
Несмотря на достаточно позднее появление песочных часов, они быстро завоевали рынки. Причиной тому была их простота и удобство использования, по сравнению с водяными часами, а также более высокая точность, по сравнению солнечными часами. Быстрое внедрение песочных часов стимулировала нарастающая Потребность в точном измерения времени, которое требовала как общественная жизнь, так и развитие технологий. Технология работы с прозрачным стеклом была уже достаточно развита, поэтому изготовление стеклянного корпуса для часов уже не представляла затруднений. Технология подготовки песка также не вызывала проблем.
Илл. 10. Песочные часы
С тех пор, технология изготовления песочных часов не менялась, как и их конструкции в течении нескольких столетий. Однако, на этой системе очень хорошо видна закономерность захвата типоразмерного ряда. Часы делали рассчитанными на самое разное время, в зависимости от потребности. Обычно эти часы были рассчитаны на несколько минут, но бывали и часы, рассчитанные на 12 часов. Делали песочные часы, рассчитанные на другое время. Так, например, долгое время специализированные песочные часы применялись в морском деле – на кораблях применялись 4-х-часовые песочные часы для определения времени вахты и 30-секундные песочные часы, для определения скорости корабля (Илл. 11.).
Илл. 11. Набор корабельных склянок (песочных часов) XVIII века
И хотя песочные часы были намного точнее, чем водяные или солнечные, их основным недостатком была недостаточная точность. И повысить точность в рамках данной концепции было невозможно. Для решения нужна была новая концепция часов.
S-кривая развития песочных часов закончилась с появлением более точных механических часов. Однако песочные часы остались в ряде зон, где их использование оказалось более удобным, а особая точность не нужна. Особенно интересно превышение таких часов в тех случаях, когда нужна наглядность. Часто у детских врачей при проведении процедур время показывают именно песочные часы, что очень нравится детям.