8.3.3. Часы и механизмы Средневековья

Образование городов, торговых центров, регулярных армий и разнообразных чиновных и монастырских служб вызвало потребность их синхронизации, то есть потребность в едином времени и в доступных и точных средствах его определения. Казалось бы, исчезающая Римская империя имела такие средства – в ней весьма широко использовались как солнечные, так и водяные часы. Однако, общая деградация светской культуры, падение грамотности и образования, снижение мастерства в строительном и ремесленном деле привели к тому, что изготовление сколь-нибудь удобных часов стало серьезной проблемой, доступной лишь очень немногим мастерам и изобретателям. Особую сложность представляло создание и правильная установка гномонов – солнечных часов, – требующих познаний в астрономии и гномонике (науке о солнечных часах и их модификациях). Поэтому основным типом европейских часов в эпоху «темных веков» стали часы водяные. Но даже они были весьма дорогими и обычно преподносились в дар царям и императорам. Так в 490г. король западных готов Теодорих презентовал водяные часы королю Бургундии, в середине VIII в. папа Павел I преподнес высокохудожественно исполненные часы французскому королю Пипину Короткому и т.д. Особой роскошью и качеством изготовления отличались водяные часы, преподносимые восточными правителями европейским монархам: это дар халифа Гарун-аль-Рашида Карлу Великому (см. п.8.4.1), это большие астрономические часы, подаренные в 1232г. багдадским султаном императору Фридриху II. Техника и технология построения различных часов была подробно описана в 1206г. арабским мастером Аль-Язари в его книге по механике часовых механизмов, снабженных подвижными фигурами. Эта книга намного опередила аналогичные европейские описания.

На протяжении своей более чем 3-тысячелетней истории клепсидры оставались одним из важнейших астрономических приборов. Хотя их погрешность редко удавалось снизить до 10 мин. в сутки, они верно служили вавилонским халдеям, астрономам Греции, римским астрологам и первым учёным-экспериментаторам эпохи Возрождения. С помощью клепсидр знаменитый датский астроном Тихо Браге составил подробные и точные эфемериды Марса, позволившие И. Кеплеру открыть его эпохальные законы движения планет.

Весьма благополучным состояние часового дела было в Византии, где уже в VI в. появилась профессия часовщика и где совершенствование часов различных типов шло параллельно с развитием астрономической техники. Большую известность приобрели изделия византийского учёного и изобретателя, ректора Константинопольского университета Льва Математика (815 – 870гг.), который, будучи первоклассным инженером-механиком, создал целый театр подвижных фигур и механизмов, окружающих царский трон.

Ко времени Каролингского Возрождения европейская гномоника получила серьезное развитие, и солнечные часы стали неотъемлемой частью большинства храмов, дворцов и даже частных домов. Большую роль в популяризации и развитии гномоники сыграл папа Сильвестр II (938 – 1003гг.), который был одним из самых образованных и прогрессивных деятелей Средневековья. Некоторые авторы именно ему приписывают изобретение первых колесных (механических) часов с гиревым приводом и шпинделем. Однако реально механические часы с одной стрелкой (часовой) впервые появились в Италии только в XIII в. и их циферблат был разделен на 24 часа. Отсюда началось их распространение по всей Европе. В 1288г. башенные колесные часы были установлены в Вестминстерском аббатстве в Англии, в 1292г. – в Кентерберийском храме, а в 1314гг – во французских Каннах. В 1364г. на здании парижского парламента были установлены первые колесные часы с боем, после чего подобные часы стали атрибутом многих европейских городов, особенно в Германии. С этого же времени (конец XIV в.) в Европе начинается переход к уравниванию продолжительности ночных и дневных часов (переход к городскому времени), чему способствовало изобретение солнечных часов с осью гномона параллельной оси мира (на Востоке такие часы появились намного раньше). Распространение башенных часов с боем привело к тому, что для лучшей видимости шкалы циферблат делился на 12 частей вместо 24-х, а максимальный бой состоял из 12 ударов. В середине XVI в. на наиболее крупных часах появляется минутная, а иногда и секундная стрелки. В домашнем обиходе уже используются первые будильники различных модификаций. Разработка малогабаритных домашних часов стимулировала появление первых пружинных приводов (вместо гиревых). Изобретателем этого привода стал нюрнбергский слесарь Петр Генлейн, предложивший плоскую спиральную пружину (1510 г.), применяемую и в настоящее время.

Слабым местом колесных (механических) часов различных типов была низкая точность хода, т.к. его регулятором служили крайне нестабильные силы трения в зубчатых передачах от привода к стрелке. Особенно заметно эта нестабильность проявлялась в условиях морской качки, отчего на судах применялись в основном песочные часы. И только после выдающихся работ Г. Галилея и Х. Гюйгенса началась новая эра – эра маятниковых часов и хронометров, радикально улучшивших точность хода механических часов.

Механические часы стали главным техническим устройством средневековой техники, породив многоступенчатые зубчатые передачи с большим передаточным отношением, разнообразные кулачковые и храповые механизмы. В 1340 г. неизвестным автором был предложен шпиндельный ход (спуск), предназначенный для кратковременного прерывания движения часового механизма, и получивший широкое применение в часовой, а позднее, и в приборостроительной технике. Развитие часовой техники создало целый ряд новых профессий (часовщиков, изобретателей и мастеров точной механики и пр.), а также стимулировало развитие таких разделов механики как статика и кинематика механизмов, теория зубчатых зацеплений, трибология и др. В 1544 г. в Париже цех часовщиков получил свой первый официальный статус, утвержденный декретом короля. Прямым «детищем» механических часов стали и первые модели «механических людей» – андроиды, получившие широкое распространение в Европе в Новое время и ставшие первыми прототипами будущих роботов и манипуляторов. Резюмируя сказанное о механических часах, можно заключить, что на протяжении 3-х столетий (XIV – XVII вв.) они оставались самым сложным европейским механическим устройством и тем самым активно стимулировали становление и развитие целого ряда механических дисциплин – кинематики, динамики, теории механизмов и пр.

В ХIII в. в Европе появляются огневые часы в виде длинной (до 1м) тонкой свечи, размеченной часовыми отметками. Обычно за ночь сгорали 3 таких свечи. Позднее появились лампадные, и даже газосветные часы. Что касается песочных часов, то они начали применяться в Европе только с началом XIVb. (тогда же, когда и в Китае) и они предназначались для измерения небольших промежутков времени (1 – 3 часа). Конструкция их оставалась практически неизменной на протяжении веков, приобретя, в конце концов, «блочную» схему в виде комплекта из 4 сосудов для измерения разных временных интервалов, циферблата и даже автоматическго устройства для переворачивания склянок. Кстати, само выражение «бить склянки» родилось в морском деле, где именно песочные часы оказались наиболее удобными, а переворот склянок с песком сопровождался боем колокола. Недостаток песочных часов состоял в том, что постепенно песок в них измельчался и начинал пересыпаться быстрее, что искажало их показания. В городской жизни песочные часы продержались до XVIIb., а в морском деле даже до Х1Хв. В Москве первые городские часы были построены и установлены в 1404г. афонским монахом сербом Лазарем. На их циферблате славянскими цифрами были обозначены часы от 1 до 12, и каждый час отбивался ударом молотка в колокол. Народ называл их «часником» или «часомиром».

В завершение стоит упомянуть об огневых часах, нашедших наиболее широкое применение в Китае в северных районах которого клепсидры не всегда могли функционировать из-за замерзания воды. Конструкция этих часов предельно проста – тлеющий стержень или спираль, установленные над металлическим поддоном и размеченные по китайским часам «ке» (которые вдвое длиннее европейских). Такие часы удобны для ночного времени (т.к. они светятся) и кроме того легко превращаются в будильник – достаточно на нужной часовой отметке подвесить на нитке металлический шарик, который упадет в поддон, когда тлеющий огонь подойдет к шариковой подвеске.

Помимо часов средневековые изобретатели большое внимание уделяли и другим техническим устройствам. Так к ХIII в. существенно преобразился ткацкий станок, резко повысивший производительность труда (в 3 – 5 раз) и качество продукции. Коренные изменения претерпело веретено, завершившиеся изобретением прядильного станка. Постепенно начался переход этих станков на механический привод от водяного колеса. Большие успехи были достигнуты в гончарном деле – было освоено изготовление глазурованного фаянса (от названия северо-итальянского города Фаэнцы, где качество гончарных изделий было наивысшим).

Одним из важнейших технических достижений Средневековья стало изобретение кулачка и кривошипно-шатунного механизма (КШМ), авторы которых остались неизвестными (возможно, это были варвары). Первоначально (Хв.) КШМ использовался в конструкциях шарманок, однако в XIV – XV вв. он становится ножным приводом гончарного круга и других роторных станков. В ХШв. появляются первые прообразы коленчатого вала и входят в жизнь отдельные шарнирные кинематические пары. На смену смычковой дрели приходят коловорот и сверло. До изобретения КШМ ножной привод гончарного круга или токарного станка производился в одну сторону – нажимом ноги на педаль (рабочий ход), а в обратную – за счет упругих или квазиупругих элементов. Применение КШМ устранило необходимость холостого хода и повысило равномерность вращательного движения обрабатываемого изделия (особенно после появления маховика). Все эти новшества совместно с уже освоенными зубчатыми зацеплениями позволили создать самую эффективную и сложную машину Средневековья – токарный станок с водяным приводом и с жестким креплением станины и бабки (XV в.). Впоследствии появился и подвижной суппорт. В Х в. была придумана волочильная доска для получения проволоки, которая в XIV в. была оснащена водяным двигателем. Так были заложены «средневековые камни» в фундамент будущей технической революции XVII – XVIII вв.

Резюме: Каролингское Возрождение и градостроительный бум, рост ремесленничества, рождение цеховых структур, первые мануфактуры. Начало готической архитектуры, солнечные и водяные часы в Древности и в Средневековье. Гномоника, часовые мастера, огневые, песочные и механические часы. Изобретение КШМ,создание токарного станка.