ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

ВXV—XVI вв. механические часы стали применяться в астро­ номических обсерваториях.

В1471 г. астроном и математик Региомонтан поселился в Нюрнберге и вместе с Бернгардом Вальтером, весьма богатым человеком и любителем астрономии, построил обсерваторию, снабженную превосходными инструментами, которые были из­ готовлены выдающимися нюрнбергскими механиками. Здесь в 1484 г. впервые были применены к астрономическим наблюде­ ниям механические часы, приводимые в действие гирей. Эти не­ мецкие часы были одними из первых, показывавшими минуты и секунды.

Датский астроном Тихо Браге на острове Хвен-Зунде постро­ ил великолепную по тому времени обсерваторию Ураниборг («Замок неба») с превосходными инструментами, куда со всей Европы стекались ученые и студенты. Для регистрации прохож­ дения звезд по меридиану Тихо Браге использовал двое малень­ ких механических часов и одни большие стенные; среднее время из их показаний применялось в качестве меры времени при аст­ рономических определениях.

Иост Бюрги с 1603 по 1622 г. был часовщиком — сначала ча­ совщиком императора Рудольфа II, затем поселился в Касселе. Для кассельской обсерватории он изготовил знаменитые колес­ ные часы [19, ч. 2, 186].

Выше упоминалось о применении в XVI в. механических ча­ сов в истамбульской обсерватории. Однако следует отметить, что эти механические часы не обладали нужной для астрономических наблюдений точностью и постоянством хода. Они нередко дава­ ли ошибочное показание времени и требовали ежедневной про­ верки их хода. Поэтому до изобретения маятниковых часов для астрономических определений времени чаще всего продолжали применять водяные или ртутные часы. Механизм с колесной пе­ редачей считали более пригодным для башенных часов.

Французский король Карл V первый сделал решающий шаг к введению исчисления времени по равным часам вместо «кано­ нических» неравных часов. После установки дворцовых башен­ ных часов де Вика он приказал всем церквам Парижа отбивать по ним часы и четверти часа. Так как на этих часах время отсчитывалось в равных промежутках, новый порядок исчисления времени распространился не только в Париже, но постепенно и

вевропейских странах.

Влитературе XIV в. уже встречаются упоминания о семиде­ сяти башенных часах, имевшихся в Италии, Франции, Англии, Фландрии и Швейцарии. В XV и XVI вв. они получили всеобщее распространение.

«День» сначала подразделяли на 24 часа, считая от одного заката солнца до наступления другого. Окончание дня отмеча­ лось 24 ударами колокола. Такой порядок счета времени в неко­ торых местах сохранялся до 1370 г. и позже. Во второй половине XIV в. постепенно переходят от этого счета времени к подразде-

лению дня на две равные половины, каждая по 12 часов, с отсче­ том от полуночи до полудня и обратно — от полудня до полуночи. Все часы стали равными. Первый час стали считать тотчас после полуночи и полудня. Полдень и полночь пришлись на 12 ч первой и второй половины суток. Переход на этот новый, более рацио­ нальный счет времени происходил в различных странах Запад­ ной Европы не одновременно: в одних странах — раньше, в дру­ гих— позже. Подразделение дня на две половины по 12 часов в большей мере отвечало практическим нуждам; при этом счете уже не стало надобности отбивать время 24 раза — нужно было отбивать только 12 раз. Час стал чем-то постоянным. Теперь рас­ пределять работу можно было гораздо точнее, чем со старыми изменчивыми часами. Этот переход к новому рациональному счету времени в Западной Европе был завершен в последней чет­ верти XIV в. [37, т. 3,ч. 1,717].

Счет времени от I до XXIV часов начиная с часа восхода Солнца дольше всего сохранялся в Италии и в некоторых городах Германии.

Распространение башенных часов и нового счета времени бы­ ло прямым следствием развития торговли и ремесел в городах Западной Европы в XIV в. Развитие экономики на этой основе усиливало мощь и значение этих городов и способствовало пере­ ходу инициативы из рук духовенства к светскому обществу или секуляризации общества.

Часы одинаковой продолжительности, по которым стал осу­ ществляться счет времени в Западной Европе, называли «город­ ским временем». Однако и при новом счете времени часы про­ должали соразмерять и контролировать по истинному солнеч­ ному времени, и это продолжалось до появления маятниковых часов. Показания механических часов переводили на солнечное время.

Даже в первой половине XVIII в., несмотря на большие успе­ хи в усовершенствовании маятниковых часов, имелась недооцен­ ка среднего времени; солнечному времени отдавалось предпоч­ тение перед средним солнечным временем. На практике продол­ жали пользоваться истинным солнечным временем. Необходимо было по равномерно идущим часам, показывающим среднее вре­ мя, получать неравномерно изменяющееся истинное солнечное время.

Циферблаты роскошных часов XVIII в. одновременно показывали истинное солнечное и среднее солнечное время. Первое признавалось главным и отмечалось позолоченными стрелками, а среднее время указывалось под надписью: «Для премудрых».

Сохранению привычки приноравливать счет времени к истин­ ному солнечному времени способствовало еще и то обстоятель­ ство, что в быту в XVI—XVII вв. продолжали применяться не только механические, но и солнечные часы.

Часть II

РАЗВИТИЕ КЛАССИЧЕСКОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ ХРОНОМЕТРИИ

Глава I

РАЗВИТИЕ МАЯТНИКОВЫХ ЧАСОВ

Со времени изобретения маятниковых часов и часов с регули­ рующей системой баланс — спираль начинается история класси­ ческой колебательной хронометрии. Последняя достигла значи­ тельного успеха в XVIII—XIX вв. и развивалась вместе с раз­ витием культуры как неотъемлемая часть науки и техники.

История маятниковых часов берет начало у арабов в средние века. В исторической литературе стало обычным утверждение, что арабский ученый Ибн Юнис в 1008 г. первый стал применять маятник для измерения времени, но остался неизвестным способ его использования [198, 34]. Историю маятника в Западной Европе связывают с трудами итальянских инженеров XV в. Они считали возможным использовать тяжелый маятник для полу­ чения возвратно-поступательного движения в насосах [42, 197].

Ш. Фремонт в трактате «История развития часов» [251] вос­ производит ряд эскизов из рукописей Леонардо да Винчи, иллю­ стрирующих использование возвратно-поступательного движения маятника тяжелого веса для приведения в действие двойного плунжера насоса. На гравюрах, имеющихся в работе Бессона «Леатр математических и механических инструментов» («Theatre des instruments rnathematiques et mecaniques»), опубликован­ ной в Лионе в 1578 г., приводятся и другие примеры использова­ ния маятника. Следовательно, является бесспорно установлен­ ным, что маятник задолго до исследования его свойств Галилеем применялся в качестве составной части машин. В то же время имеются основания утверждать, что до Галилея маятник исполь­ зовался не в качестве регулятора механических процессов, а только как исполнительный механизм наряду с другими меха­ низмами.

Однако идея применения маятника в качестве регулятора шпиндельного хода уже имелась у Леонардо да Винчи (1452— 1519). В библиотеке Амброзиани в Милане хранится большое количество листков различных размеров, исписанных рукой Лео­ нардо да Винчи. Установлено, что они написаны на рубеже XV— XVI столетия. Они содержат ряд набросков, иллюстрирующих устройство различных механических приборов, часто без какоголибо пояснительного текста. На листке 257 рукой Леонардо на-

Леонардо да Винчи

бросан эскиз применения маятника в качестве регулятора хода часов (рис. 123). Вокруг оси намотана веревка с гирей на конце. Видно, каким образом приводится в действие зубчатая передача, а также как осуществляется связь движущей силы со спусковым устройством, но нет никаких объяснений действия спускового устройства и регулирования зубчатой передачи [157, 137—138].

Новонайденные рукописи Леонардо да Винчи «Мадридский кодекс I» и «Мадридский кодекс II» добавили 700 страниц к рукописному наследию ученого. Они открывают новые страницы его творческой биографии, и, что для нас особенно важно, в них имеются новые данные о работе Леонардо над применением ма­ ятника в часах. «Мадридский кодекс I» наиболее систематизиро­ ван и почти целиком посвящен одной теме — механике, а в ней — внешней баллистике (движению пуль и ядер) и движению маят­ ника, а также детальному анализу и описанию различных машин и механизмов.

Материалы, содержащиеся в «Мадридском кодексе I», не­ опровержимо свидетельствуют, что Леонардо положительно ре-

Рис. 123. Схематически набросанный рисунок маятнико­ вых часов Леонардо да Винчи

шал вопрос о возможности применения маятника в часах. Уче­ ный-исследователь Ладислао Рети на многих страницах «Мад­ ридского кодекса I» обнаружил значительное число записей и рисунков. Тщательно изучив их, он пришел к выводу, что они имеют прямое отношение к применению маятника в часах, с его выводами согласился Сильвио Бедини — один из западноевропей­ ских авторитетов в области истории часовых механизмов.

Бедини и Рети указывают, что некоторые страницы «Мад­ ридского кодекса I» (л. 9; л. 61, левая сторона; л. 157, левая сторона) содержат материалы, убедительно доказывающие, что у Леонардо были весьма оригинальные идеи относительно ис­ пользования маятника в часах, намного опередившие исследо­ вания в этой области Галилео Галилея. На л. 157 (левая сторо­ на) , по утверждению Бедини и Рети, можно видеть — почти за сто лет до Галилея — первый чертеж часового механизма с маят­ ником.

В статье «Мадридские кодексы. Новонайденные страницы — новые грани таланта Леонардо» Анна Мария Брицио отметила, что эти рукописи можно датировать 1493 г. По ее свидетель­ ству, «Леонардо всегда интересовали часовые механизмы. Он обнаруживает огромные познания и проявляет глубокий интерес к большим часовым устройствам и планетариям, которые в то время существовали в Ломбардии. Особенно его интересовали башенные часы аббатства Кьяровалле недалеко от Милана, а также астрономические часы Джованни де Донди, установлен-

ные в библиотеке герцогского замка в Павии. Леонардо сделал множество рисунков наиболее сложных узлов этих механизмов» [191, 14]. В «Мадридском кодексе I» содержится также много иллюстраций, касающихся применения маятника в часах.

Кроме того, Леонардо наряду с различными типами механиз­ мов анализирует часовые пружины, механизмы с пружинным приводом, зубчатые колеса для передачи движения и т. д. Боль­ шое внимание он уделяет проблеме уменьшения силы трения и в связи с этим предлагает ряд интересных решений.

Теория маятника, разработанная Леонардо да Винчи, основы­ вается на его учении о «естественном» и «вынужденном» движе­ ниях и наблюдениях над колебанием маятника. По его мнению, движение маятника является частным случаем движения тела, брошенного в воздух. Тогда «всякое тело стремится упасть по направлению к центру Земли по кратчайшему пути» или имеет тенденцию к естественному движению тел, у которых движение от a до п тем больше, чем оно ближе к завершению. Скорость же насильственного или вынужденного движения (от п до т) тем меньше, чем оно ближе к завершению.

Своим острым глазом Леонардо усмотрел истинную (по иде­ альной параболе) траекторию движения брошенных тел и пра­ вильно изобразил ее на своих рисунках. Из наблюдений над ко­ лебанием маятника он сделал ряд обобщающих выводов. Когда маятник качается, то дуга, по которой он движется к крайней верхней точке, всегда короче той, по которой он двигался вниз, и нисходящая дуга становится все короче с течением времени, т. е. по мере затухания колебания. Кроме того, он заметил, что чем короче становится дуга, тем более однородными становятся колебания маятника, т. е. тем медленнее изменяется период его колебания.

Начиная с XVII в. имеются сведения о применении маятника в медицине. Так, в одной книге, вышедшей в 1602 г., дано опи­ сание особого инструмента, состоявшего из свинцового шара, который врач держал на длинном шнуре. Колебание маятника использовали для измерения пульса.

Однако свободные затухающие колебания маятника не мо­ гут служить для измерения длительных промежутков времени. Создание маятниковых часов состояло в соединении маятника с устройством для поддержания его колебаний и их отсчета. Со­ хранились сведения (правда, недостоверные), будто маятниковые часы в 1612 г. изготовил Иост Бюрги из Праги (в настоящее вре­ мя они хранятся в Венском казначействе) [19, 189]. Бюрги был астрономом и талантливым часовщиком. Однако в конце XVII в. многие часы были реконструированы, так что их современный вид не обязательно соответствует их первоначальному виду.

Английский часовщик XVII в. П. Вебстер сообщает, что через его руки прошли маленькие стенные часы с маятником, изготов­ ленные в 1656 г.— на год раньше получения Гюйгенсом патента на свои маятниковые часы. Поскольку рукописи Леонардо да

Винчи находились в библиотеке Аброзиани с 1637 г., то не исключена возможность, что эскизы, касающиеся применения маятника в качестве регулятора хода часов, могли стать извест­ ными итальянским часовщикам.

Таким образом, изобретение маятниковых часов нельзя при­ писать кому-то одному. Но все же основоположниками теории и практики создания часов можно считать Галилео Галилея и Христиана Гюйгенса.

Теория маятника и маятниковые часы Галилея

Галилей (1564—1642) считается основоположником эксперимен­ тального естествознания и современной механики, физики и аст­ рономии. Одним из важных результатов переворота в методике научно-исследовательской работы, произведенного им благодаря введению эксперимента и математического исчисления, было установление точных законов движения тяжелых тел как сво­ бодных, так и связанных, в том числе законов колебания маят­ ника.

По свидетельству Вивиани, первого биографа Галилео Гали­ лея, в 1583 г. 19-летний юноша Галилей, находясь в Пизанском соборе, обратил внимание на раскачивание люстры. Он заметил, отсчитывая удары пульса, что время одного колебания люстры остается постоянным, хотя размахи колебаний делаются все меньше и меньше. Эти наблюдения побудили Галилея приступить к исследованиям, в результате которых он установил главный за­ кон колебания маятника — независимость периода колебания при малых амплитудах. Этот закон, известный под названием изохронизма, имел не только теоретическое, но и большое прак­ тическое значение. Галилей сразу понял, какие важные послед­ ствия можно извлечь из сделанного им открытия. Первое прак­ тическое применение закон получил в медицине. Галилей устроил маятник, длину которого можно было изменять, и находил ту длину, при которой колебания совпадали с биением пульса. Удли­ няя или укорачивая маятник, Галилей достигал согласования колебания маятника с биением пульса. Изохронным колебанием маятника, согласно свидетельству Вивиани, Галилей «восполь­ зовался во многих опытах для измерения времени и движений и первый применил его к наблюдению небесных светил» [272, т. 16,332].

Исследуя колебание маятника, Галилей установил, что время качаний маятников разной длины пропорционально квадратным корням из их длин. Сам Галилей сформулировал этот закон в книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей...» (1638) следующим образом: «Что каса­ ется отношения времени качания тел, подвешенных к нитям раз­ личной длины, то промежутки времени относятся между собой,

как корни квадратные из длин маятников, и, обратно, длины ма­ ятников... относятся друг к другу, как квадраты времени кача­ ния» [189, т. 2, 190]. Сын Галилея, Винченцо, впоследствии утверждал, что этот закон отец установил уже в 1583 г. в Пизе и при его помощи определил высоту собора.

Галилей установил также существование независимости пе­ риода колебаний маятника от его массы или что маятники оди­ наковой длины имеют колебания одинаковой продолжительно­ сти независимо от того, из какого материала они сделаны —из дерева, камня или металла. Однако Галилей не дал математиче­ ской формулы для определения периода колебаний маятника. Это было сделано потом Гюйгенсом, которому удалось доказать, что малые колебания физического маятника можно сделать так­ же изохронными, как и у математического маятника.

Свойство изохронности колебания делало маятник весьма удобным средством для создания часов с таким регулятором. Га­ лилей живо интересовался решением проблемы определения дол­ готы (ему принадлежит идея определения долготы по наступле­ нию моментов затмений спутников Юпитера); он был заинтере­ сован в создании хороших часов для целей механических, физи­ ческих и астрономических исследований. Галилей, безусловно, не мог упустить из виду практической возможности использования установленного им закона изохронизма колебаний маятника для устройства часов с этим регулятором.

И действительно, в конце жизни, когда Галилей уединился в Арчетри, он вплотную занялся проблемой определения долготы, а в связи с этим и вопросом применения маятниковых часов, о чем свидетельствует его письмо генеральным штатам Нидерлан­ дов от 15 августа 1636 г. Оно было извлечено из национального архива Гааги и опубликовано в 16-м томе трудов Галилея [272] и в 3-м томе собрания сочинений Гюйгенса [284]. «У меня есть,— писал Галилей генеральным штатам,— такой измеритель време­ ни, что если бы сделать 4 или 6 таких приборов и запустить их, то мы бы обнаружили (в подтверждение их точности), что изме­ ряемое и показываемое ими время не только из часу в час, но изо дня в день, из месяца в месяц не отличалось бы на различ­ ных приборах даже на секунду, настолько одинаково они шли» [272, т. 16, с. 467].

Идея Галилея о создании маятниковых часов, высказанная им в письме 1636 г., по-видимому, весьма заинтересовала гене­ ральные штаты Нидерландов. Известно, что ученый по этому поводу вступил с ними в переговоры. Голландская делегация в составе Гортензиуса и Блау посетила Галилея, когда он усиленно занимался разработкой проекта создания маятниковых часов. Генеральные штаты Нидерландов послали в подарок ученому золотую цепь — знак особого внимания.

В письме от 6 июня 1637 г. к Лоренцо Реалю, бывшему губер­ натору Голландской Индии, Галилей сообщил об изобретении им особого устройства для счета колебаний маятника, предна-

значенного для определения долготы. Этот прибор не был собст­ венно часами, а был только счетчиком колебаний маятника. Зубчатое колесо под действием растяжения и сокращения сви­ ной щетины приводилось в движение толчками — зуб за зубом. Щетина в данном случае действовала как храповик с собачкой [106, 39]. По-видимому, Галилей тогда еще не считал для себя возможным взяться за конструирование механизма маятниковых часов, поскольку был убежден, что опытные голландские часов­ щики сами сумеют решить эту техническую задачу.

Реаль в то время был членом комиссии, которой голландское правительство поручило рассмотреть предложение Галилея об определении долготы по наблюдению затмения спутников Юпи­ тера.

Содержание письма Галилея генеральным штатам от 1636 г. с его сообщением о маятниковых часах, идущих из месяца в ме­ сяц, определенно свидетельствует, что такие часы тогда уже бы­ ли задуманы, но еще не были воплощены ни в чертежах, ни в моделях. К конструктивной разработке идеи о своих часах Га­ лилей смог приступить лишь в 1641 г.; на этом пути самым круп­ ным его достижением было изобретение совершенного спусково­ го регулятора хода маятниковых часов. Об этом эпизоде жизни и творчестве Галилея рассказывает его ученик и близкий друг Вивиани.

20 августа 1659 г. в письме к герцогу Леопольду он сообщил подробности, связанные с реализацией изобретения Галилея в реальной конструкции маятниковых часов. «В один из дней 1641 г., когда я находился в вилле Арчетри,— писал Вивиани,— Галилей поделился со мной своими мыслями о возможности при­ соединить маятник к часам, приводимым в движение грузом или пружиной, и что маятник, как точный регулятор хода часов, может корректировать до известной степени действие на ход не­ совершенств механической конструкции. Но,- будучи лишен зре­ ния и уже слаб для того, чтобы выполнить план, созревший в его голове, Галилей ознакомил со своими мыслями сына Винченцо в один из его приездов в Арчетри из Флоренции. После этого они не раз обсуждали вопрос о создании реальной модели маятни­ ковых часов: в итоге был составлен чертеж конструкции этих ча­ сов. Решено было сразу приступить к делу, с тем чтобы опреде­ лить могущие быть трудности в этом деле, но которые невоз­ можно заранее предвидеть при теоретической разработке конструкции. Винченцо был против того, чтобы привлекать к этому посторонних ремесленников, из боязни, что они могут раз­ болтать секрет устройства часов для определения долготы еще до представления их герцогу и в генеральные штаты. Поэтому он имел намерения изготовить модель часов собственными рука­ ми, но не мог исполнить этого сразу и долго откладывал выпол­ нение работы. Но через несколько месяцев Галилей — автор это­ го замечательного изобретения — заболел и 8 января 1642 г. умер. После этого события у Винченцо пропал энтузиазм к вы-