8.3.2. Часы в Древнем и Античном мире
История часов – важная ветвь в истории человеческой культуры, и она отчетливо отражает ход развития различных цивилизаций, их научно-технические и технологические возможности, а также цели и направления такого развития. На протяжении тысячелетий вопросы измерения времени были тесно связаны с запросами астрономии, астрологии, календарного счисления, мореплавания и т.д. Можно выделить 4 основных этапа в истории часов: древневосточный (ХХ в. до н.э. – VI в. до н.э.), античный (VI в.. до н.э. – VI в н.э.), средневековый (VI – XV вв.. н.э.) и период научно-технической революции Нового времени (XVI – XVIII вв.).
Разумеется, первые часы были солнечными, и зародились они в Месопотамии вместе с астрономией и астрологией. Там же возникло и дошедшее до нашего времени деление дня и ночи на 12 часовых интервалов. Оттуда часы пришли в Древний Египет в виде гномонов – обелисков, тень которых отражала на размеченном горизонтальном циферблате ход Солнца по небесной сфере. Иногда вместо плоского циферблата использовался полусферический. Наиболее древнее упоминание о солнечных часах в Египте относится к XVI – XV вв. до н.э., а в Китае – к ХII в. до н.э. В Библии в 20-й главе книги Царств говорится об обелисковых часах царя Ахаза (732г. до н.э.). Кроме солнечных часов в Месопотамии и Египте использовались и звездные часы (для определения времени ночью), для которых потребовалось составление специальных звездных карт, где отмечалось время прохождения той или иной звезды через меридиан.
Водяные часы – клепсидры – появились позднее, чем солнечные, однако достоверно известно об их существовании уже в царствование вавилонского царя Ашшурбанипала {640г. до н.э.). В Египте клепсидры использовались ещё в царствование фараона Аменхотепа III (1415 – 1380гг. до н.э.), и они выполняли роль ночных часов. Второй этап – античный – начался в 547г. до н.э., когда первый гномон был построен и установлен Анаксимандром в Спарте. Полусферические солнечные часы с гномоном были придуманы и изготовлены знаменитым астрономом Аристархом Самосским.
Водяные часы попали в Грецию довольно поздно – около 400г. до н.э.. (по-видимому, благодаря Платону), и там начался процесс их активного совершенствования. Во времена древнегреческой демократии, когда потребовалось точно дозировать продолжительность выступления ораторов и адвокатов, были построены крупногабаритные клепсидры в виде амфор высотой 1м и шириной 0.4м. При диаметре выпускного отверстия 1.4мм такая амфора работала около 10 часов. Чтобы обеспечить равномерное понижение уровня воды в клепсидре, грекам пришлось отказаться от традиционной египетской конусообразной формы и заменить ее параболоидальной. Конкретный вид этого параболоида вращения был найден в XVIII веке Даниилом Бернулли из следующих соображений. (Рис. 8.1)
Полагая, что меридиональное сечение параболоида есть у(х), выделим из жидкого объёма тонкий слой объёмом
(8.1)
Считая, что выпускное отверстие сечением S расположено при у=0, а скорость истекающей из него жидкой струи есть
(8.2)
выразим ее секундный расход как vS. Тогда время dt истечения объёма dV определится соотношением
откуда из
требования
находим
(8.3)
и в результате имеем:
(8.4)
Таким образом оптимальная геометрия амфоры – это параболоид четвёртой степени. Нахождение такой формы демонстрирует высокий уровень греческой геометрии, хотя конкретный конструктор таких клепсидр остался неизвестным. Следующий большой шаг в конструировании и совершенствовании водяных часов был сделан знаменитым древнегреческим инженером и изобретателем Ктесибием (п. 5.4.3).
Римляне познакомились с водяными часами только в 172г. до н.э., после чего они получили у них широкое распространение. Однако никаких особых усовершенствований римляне в них не привнесли, так что дальнейшее развитие клепсидры получили уже в эпоху Средневековья, когда отказ от рабского труда резко стимулировал развитие техники и технологии и в первую очередь – техники измерительной. Важнейшей новинкой Средневековой механики стало изобретение механических часов, породивших и новую профессию – часовщиков. Возникшее благодаря им часовое мастерство оказало большое влияние на становление как прикладной, так и теоретической механики, постепенно выдвинув ее на ведущий рубеж средневековой науки и техники.