Реферат
На тему:
«История часов и часы вистории»
Введение
«Начало научного мышления, извлекшего человека из животногосостояния, связано с измерением времени» – отмечал историк античной техники Г. Дильс.Астрономия была первой наукой о времени, она зародилась еще в доисторическийпериод развития культуры.
Немыми памятниками, свидетельствующими о наличии практическогоинтереса к астрономическим знаниям у людей позднекаменного и начала бронзовоговека (XX в. до н.э.), являются мегалитические, или крупнокаменные, постройки,ориентированные по Солнцу и Луне. Некоторые из них позволяли с удивительнойточностью вести календарный счет дням, отмечать наступление начала времен годаи предсказывать наступление солнечных и лунных затмений. Такие каменныекалендари были установлены во многих частях света – на равнинах Франции,Англии, в Перу и т.д. Среди них наибольшей известностью пользуетсямегалитическое сооружение, расположенное на равнине в 13 км от г. Солсбери(Англия). Оно известно под названием Стоунхендж (Stonehenge – висячие камни) ибыло возведено на рубеже каменного и бронзового веков (XIX–XVI вв. до н.э.).Стоунхендж, имеющий такую древность, и сегодня продолжает будоражить мысльученых, как одно из удивительных достижений техники и науки в эпохупервобытнообщинного строя.
Поскольку в Древнем мире и в Средние века наука о часах – гномоника– развивалась как неотъемлемая часть астрономии, то периодизация историиразвития методов и средств измерения времени за этот период, охватывающий болеетрех тысяч лет, совпадает в основном с периодизацией истории астрономии.Соответственно можно выделить следующие этапы последовательного развитияастрономии и гномоники, конструкций солнечных и водяных часов.
1. Древневосточный, охватывающий развитие последних в ДревнемВавилоне, в Древнем Египте, в Древнем Китае и в других странах ДревнегоВостока. Достижения в области древневавилонской и древнеегипетской гномоникибыли истоками последующего, более прогрессивного ее развития в Древней Греции.
2. Античный, охватывающий развитие часов не только в ДревнейГреции, но и в период эллинистической и александрийскоримской культуры.
3. Средневековый, когда развитие астрономии и гномоникипроисходило в средневековом Китае, в Византии, на мусульманском Востоке, вИндии и в средневековой Европе.
История часов Древнего мира и Средних веков излагается в первойчасти настоящей книги. Это история солнечных, водяных, песочных и «огневых»часов; заканчивается она историей ранних механических часов, снабженныхрегулятором фолио и шпиндельным ходом (до появления маятниковых и балансовыхчасов).
В Древнем мире и в Средние века при господстве аграрного строя иремесленной техники не было нужды делить время на мелкие отрезки и точно ихизмерять, как теперь. Люди жили и определяли время по естественному движениюСолнца, по длинным летним дням и коротким зимним, которые одинаково делились на12 часов. Поэтому приходилось считать время по неравным часам, кроме днейравноденствия. С этим они мирились, поскольку хозяйственный уклад их жизни былприноровлен к естественному движению Солнца. Порядок и темп выполнениясельскохозяйственных работ регулировались медленно протекающими природнымипроцессами, связанными с возделыванием растений, уходом за животными, спереработкой растительных и животных продуктов и т.д. Отсюда вытекало крайнеэкстенсивное использование времени.
В более точном измерении времени нуждалась астрономия, получившаяразвитие в городах, ставших культурными центрами. В то время она былаединственной наукой, действительно нуждавшейся в усовершенствовании техникиизмерения времени, в наблюдении и изучении годового и суточного движенияСолнца, изменения фаз Луны, положения звезд и т.д. Не с земного мира, а снебесных тел началось первое изучение материального мира в движении, аследовательно во времени.
Вместе с астрономией развивалась гномоника – наука о часах.(Гномон – указатель перемещения тени Солнца, по длине и направлению которойизмерялось время.) Ясность неба в Вавилоне, Египте и Греции создавалаблагоприятные условия как для астрономических наблюдений, так и дляиспользования гномонов и солнечных часов для измерения времени. Однако они былинепригодны в пасмурную погоду и ночью. Поэтому наряду с солнечными получилираспространение водяные часы, часто называвшиеся ночными. Применялись такжепесочные и огневые часы. В XIV–XVII вв. появились часы механические.
Кроме астрономии и гномоники, никакая другая наука того далекоговремени не интересовалась проблемой времени и его измерением. В математикевремя даже не упоминалось. В физике, как всеобщей науке о природе, применениесредств для измерения времени было весьма ограниченно. Получили научнуюразработку геометрическая оптика и акустика по причине простоты эмпирическихданных, составляющих основание этих наук, и возможности их математическойобработки. Статическая часть механики – эта геометрия сил – была разработанаАрхимедом; она также не нуждалась в измерениях времени. Химия, минералогия ибиология носили описательный характер. Отсутствие интереса к проблеме времени и егоизмерению было связано с господством теологического взгляда на мир. Последнийрассматривался как целесообразно устроенный, пребывающий в евклидовомпространстве в состоянии покоя, т.е. в статике, а не в динамике.
Астрономия в Древнем мире и в Средние века использовалась длясоставления календаря, часто имевшего религиозный смысл. Гномоника служилатакже основой для конструирования солнечных и водяных часов, которыеустанавливались в городах – на площадях, рынках, в храмах. Хронометрия Древнегомира и Средних веков не вышла в своем развитии из рамок создания несовершенныхсредств измерения времени, какими были солнечные, водяные, песочные и огневыечасы.
Теоретические выводы древней и средневековой астрономии наибольшеепрактическое применение имели в теории солнечных часов. При кажущейся простотеизмерения времени с помощью солнечных часов в ходе разработки теоретических ееоснов возникали и решались математические задачи о трисекции угла, о коническихсечениях, о стереографической проекции и т.д.
Решение задач гномоники на мусульманском Востоке в конечном счетепривело к обоснованию и применению для этой цели формул прямолинейной исферической тригонометрии. Создание солнечных, водяных, песочных часов, а такжеводяных часов в комплексе с астрономическими приборами способствовало развитиюточной механики. Последняя служила связующим звеном между приборостроением иопытной наукой.
К. Маркс в 1863 г. писал Ф. Энгельсу, что часы «по своемухарактеру базируются на сочетании полухудожественного ремесла с теорией впрямом смысле». Эта характеристика справедлива не только в отношении часов, нои всех других научных и измерительных приборов (астролябии, армиллярной сферы ит.д.).
Развитие механических часов в XIV–VII вв. рассматривается нетолько как переходный этап от немеханических часов к механическим, но и какнеотъемлемая и существенная часть истории часов того времени, оказавшаянаибольшее влияние на развитие как техники, так и философских взглядов.Появление механических часов в Западной Европе К. Маркс ставит в прямую связь сразвитием науки и производства. «Часы порождены художественно – ремесленнымпроизводством вместе с ученостью, ознаменовавшей собой зарю буржуазногообщества». В другом месте он указывает,что «ремесленный период… оставил нам великие открытия: компас, порох,книгопечатание и автоматические часы».
Результаты изучения математики и механики в эпоху Возрождения получили разностороннее применение сначала в Италии, азатем и в других странах Западной Европы при создании башенных часов в XIV–XV вв.Даже самые ранние башенные часы были с точки зрения механики весьма сложными,основанными на синтезе разнообразных механизмов, и у их создателей предполагалиналичие обширных знаний и развитой художественно-ремесленной техники. Неслучайно немецкие писатели XVI в. часовое ремесло, как указывает Маркс,называли «ученым (не цеховым) ремеслом».
Однако распространение ранних механических часов не могловытеснить применение водяных, песочных, солнечных и огневых часов. ИтальянецДаниель Барбаро, написавший в 1556 г. Свои знаменитые комментарии к«Архитектуре» Витрувия, свидетельствует, что в его время применялись, кромесолнечных часов, «колесные часы, а также песочные; первые удивляют искусством иизобретательностью, а вторые – удобством и простотой; существуют и огневыечасы, в которых за известный промежуток сгорает известная часть фитиля,существуют и водяные часы…».
XV–XVII века оказались временем наивысшего развития в ЗападнойЕвропе гномоники, опирающейся не только на освоение учености классической древностии средних веков, но и на достижения новой гномоники. Ее выводы былииспользованы для создания солнечных часов, основанных на новых принципах.
Определяющее влияние на развитие новой гномоники оказали переходЗападной Европы на новое исчисление времени по равноденственным часам инеобходимость создания солнечных часов, приспособленных к этому новомуисчислению времени. Большое распространение в это же время имели в быту и накораблях песочные часы, которые стали использоваться для регулирования сменывахт. Начали создаваться сложного устройства водяные часы, часто сиспользованием средств механики, применявшихся тогда для устройствамеханических часов.
В XVII в. появляются карманные часы, но они оказались не настолькоточными и надежными, чтобы их можно было применять для астрономическихнаблюдений. Поэтому астрономы продолжали пользоваться водяными и песочнымичасами. Даже Ньютон еще интересовался усовершенствованием водяных часов.Астроном Тихо Браге пользовался песочными или ртутными часами, посколькуобнаружил непригодность механических часов
того времени для астрономических наблюдений. Галилей производилсвои опыты над падением тел с помощью водяных часов.
Потребность в часах с более высокой точностью хода была вызванаразвитием экспериментального естествознания со времени Галилео Галилея,необходимостью определять долготу местонахождения кораблей при плавании поАтлантическому и Индийскому океанам и бурным развитием торговли, особенно вXVII в. Назревшая потребность в часах с точным ходом быларешена путемизобретений маятника и системы баланс – Спираль, которые обладают собственнымпериодом колебания и применяются в качестве регулятора хода. Они заменилинесовершенный регулятор фолио, основанный на силовом замыкании со шпиндельнымходом путем передвижения вручную грузиков на концах коромысла. С этого временистала развиваться классическая колебательная хронометрия. Началась новаяистория часов.
Изобретение Галилеем и Гюйгенсом маятниковых часов не толькооткрыло новую эру в хронометрии, но имело далеко идущие последствия дляразвития новой механики, основанной на изучении динамических систем. Галилейобнаружил изохронное свойство колебаний маятника. Гюйгенс, обосновывая теориюколебания маятника, пришел к созданию динамики материальных точек твердого тела.Созданная трудами Ньютона классическая механика открыла блестящую перспективудля развития техники и хронометрии на новой основе. Ньютон развил учение обабсолютном времени, бесконечно продолжающемся с неизменным постоянством. Ньютонпредставлял это движение по аналогии с идеальным часовым механизмом с вечнымзаводом, имеющим непрерывный и равномерный ход. Само собой разумеется, чтотакое движение возможно лишь при условии действия одинаковой и постояннойпричины. Создание на подобной основе часов стало возможным только на высокомуровне развития науки и техники. Такими часами и являются современные атомные имолекулярные часы.
Ньютон писал, что «возможно, и не существует в природе совершенноравномерных движений, которые могли бы послужить для точного определениявремени». Но их можно технически воспроизвести, для чего, по мнению Н.И. Лобачевского,«мы должны устроить машину, дабы видеть равноту движения». Часы, поЛобачевскому, и являются таким прибором.
Теоретики и практики часового дела в XIX–XX вв. имели активнуюориентацию на создание часов с вполне равномерным ходом. Эта задача решалась входе совершенствования маятниковых часов и балансовых часов со спиральнойпружиной на основе освоения классической механики и физики и творческих поисковв этой области.
В развитии классической колебательной хронометрии можно выделитьтри этапа, характеризующие последовательный ход усовершенствований маятниковыхчасов и часов, основанных на применении системы баланс – спираль.
На первом этапе (конец XVII–XVIII в.) были созданы астрономическиемаятниковые часы с точностью хода 0,1 с, хронометр, пригодный для определениядолготы на суше и на море, изобретен свободный анкерный ход для карманныхчасов. Этим заложена прочная основа для дальнейшего развития прецизионных часовна основе классической колебательной хронометрии.
На втором этапе (XIX в. – первые десятилетия XX в.) былодостигнуто дальнейшее повышение точности хода маятниковых часов до 0,01 сблагодаря применению хода «с постоянной силой» или свободного анкерного хода,инварного маятника, повышению изохронизирующего действия пружинного подвеса.Исключительное значение для повышения точности хода маятниковых часов имелоприменение для этого средств электротехники.
Наивысшим достижением было создание в 1921 г. Английским ученымШортом электрических астрономических маятниковых часов с двумя маятниками:одним – свободным, другим – рабочим. Точность их хода 0,001 с.
Дальнейшее повышение точности хода балансовых часов со спиральнойпружиной было достигнуто благодаря усовершенствованию и технологическомуосвоению изобретенного в XVIII в. свободного анкерного хода, который во второй'половине XIX в. вошел во всеобщее применение в карманных часах, а в первыедесятилетия XX в. – и в наручных. Немалое значение для этого имело применениематериалов из ферроникелевых сплавов (инвара, элинвара, ниварокса и др.) длябалансовых пружин, а также достигнутые успехи в разработке теории ходабалансовых часов на основе теоретических и экспериментальных исследований;
На третьем этапе (после окончания второй мировой войны и до нашихдней) развитие классической колебательной хронометрии доведено до наивысшеговозможного уровня; по существу, были исчерпаны все ресурсы повышения точности инадежности хода маятниковых и балансовых часов на традиционно механическойоснове. Встал вопрос о применении в часах более добротных осцилляторов и новыхсредств техники. Были созданы конструкции наручных часов, пригодных длямассового производства на основе взаимозаменяемости и всестороннейавтоматизации.
Точность измерения секунды повышалась не постепенно, а ступенями,по мере того как появлялись требования к повышению точности со стороны мореходства,промышленности, науки и техники. «Что было бы, – отмечает К. Маркс, – без часов в эпоху, когда решающее значениеимеет стоимость товаров, а потому и рабочее время, необходимое для ихпроизводства?».
В условиях развивающегося капиталистического производства реальноезначение времени и контроль за его использованием Все более и более возрастают,в особенности в период развития позднекапиталистической экономики. Сталонеобходимым понижение средней нормы прибыли компенсировать повышением темповпроизводства и увеличением эксплуатации наемного труда путем введенияскоростных машин и средств передвижения. Производство вследствие такой егоинтенсификации начинает страдать хроническим недостатком времени. По мерепроникновения машинной техники во все сферы хозяйства эта болезнь делаетсяболезнью и индустриального общества в целом.
XIX–XX века ознаменовались бурным развитием науки, что было быневозможно без применения точных часов. В связи с этим во всех астрономическихобсерваториях развилась служба точного времени, а с появлением радио – передачасигналов точного времени.
В настоящее время трудно переоценить значение для науки повышенияточности определения времени, связанной с развитием техники измерения времени.Вместе с тем это всегда влечет за собой и развитие науки.
Измерение коротких интервалов времени приобрело, в частности,особое значение, когда было обнаружено существование элементарных частиц типамезонов, гиперонов, нейтронов и антинуклонов. Время существования некоторыхчастиц чрезвычайно мало: оно не достигает даже микросекунды, и наблюдения надэлементарными частицами стали возможны лишь благодаря тому, что научилисьпроизводить физические измерения в очень коротких интервалах времени.
Повышение точности измерения времени на 2–3 порядка в связи споявившейся возможностью применения для этой цели электронной схемы в сочетаниис новыми осцилляторами (кварц, камертон, атом, молекула) открыло невиданныевозможности для новых открытий. Развитие научной мысли не только ставило передхронометрией все новые и новые задачи, но рано или поздно открывало средствадля решения этих задач. И это весьма характерно для взаимосвязи развития наукии хронометрии.
Новейшая и современная история часов изложена в третьей частикниги. Наибольший прогресс в техническом воспроизводстве равномерных движенийдля целей измерения времени был достигнут только благодаря изобретению и совершенствованиюкварцевых и атомных часов, когда наука перешла от изучения макромира кмикромиру. Изобретение и совершенствование кварцевых часов в 20–30-х годах XX в.было вызвано развитием пьезотехники – новой области радиотехники, исследующейявления пьезоэлектричества и использование их для конструирования различнойрадиотехнической аппаратуры. С помощью кварцевых часов точность измерениясекунды может быть доведена до (3–4). Точность эта такова, что дает возможностьуловить ничтожно малые колебания при вращении Земли вокруг оси. Изобретениекварцевых часов открыло колоссальные возможности в развитии приборов времени сиспользованием средств электроники.
Усовершенствования в области радиочастотной спектроскопии иэлектроники позволили создать в 1955 г. атомные часы, основанные наиспользовании квантовомеханических осцилляторов – молекул и атомов. С ихпоявлением стало возможным осуществить окончательный переход от измерениявремени на основе вращения Земли к измерению всех интервалов времени, включаяпродолжительность суток и года, в атомных единицах.
Современная наука и техника дают возможность измерять резонансатома более точно, чем движение звезд и планет, и этот резонанс оказался болееустойчивым, чем движение планет.
В настоящее время наилучшим эталоном времени признан водородныймазер, изготовленный в Швейцарии, с шириной спектра 1 Гц; его стабильностьможет быть доведена до 10–13. Имеются и другие атомные эталоны единицы времени.В Англии с 1958 г. в качестве базы единицы времени принят цезиевый эталон сатомно-лучевой трубкой. Измерять время и частоту с помощью этих часов можно сточностью до 1 • 10»», в то время как астрономическими средствами (по разностимежду последовательными пересечениями звезд меридиана) с такой точностью времяне может быть определено.
Атомные часы поистине являются детищем атомного века; онипозволили повысить точность измерения секунды по меньшей мере на три порядка ипроизвели настоящую революцию в технике измерения времени. После этихизобретений хронометрия стала важным направлением современнойнаучно-технической революции и адекватной по своим возможностям ее требованиям.
/>
Рис. 1.Диаграмма роста точности приборов времени
Развитие радиоэлектронных полупроводниковых приборов начиная с 50-хгодов нашего столетия открыло новые значительные перспективы в отношениисоздания не только электромеханических, но и электронно-механических наручныхчасов. Так, в 1959 г. Были созданы камертонные наручные часы с применениемэлектронных схем на транзисторах, а в 1967 г. – наручные часы с кварцевым,осциллятором на интегральных схемах со стрелочной
и цифровой индикацией. Точность хода новых наручных часов нанесколько порядков выше, чем у обычных карманных часов. С каждым годом значениеприменения электроники в создании новейших приборов времени увеличивается, и внастоящее время точная механика и электроника уже вполне породнились в этойобласти между собой. Отсюда тесная связь электротехники и электроники с точноймеханикой в практике современной часовой промышленности. Специалист в областиточной механики теперь не имеет права ограничивать себя только механическимирешениями, а должен выбирать оптимальный для данных условий вариант, будь онтолько механическим или электрическим или тем и другим.
Уорд приводит диаграмму роста точности хода часов со временипоявления механических часов до наших дней (рис. 1). По диаграмме можно судитьо динамике повышения точности хода часов. Пока в качестве регуляторашпиндельного хода применяли фолио, повышение точности хода часов происходилокрайне медленно. Только после изобретения маятниковых часов стал возможенускоренный прогресс. Он особенно увеличился после изобретения электрическихчасов с двумя маятниками. Подлинная революция в этой области произошла послеизобретения кварцевых и атомных часов. На диаграмме хорошо видны эти узловыемоменты («скачки»).
1. Солнечные часы
Солнечныечасы, а если быть более точным – их разновидность под названием гномон являютсядревнейшим из известных инструментов для измерения времени. О таких простейшихсолнечных часах упоминается в Книге пророка Исайи. Археологические же исследованияпоказывают, что солнечные часы существовали и до древнего Вавилона. Самыестарые из найденных часов датируются пятью тысячелетиями до нашей эры. Из Вавилонак нам пришло деление суток на двадцать четыре часа, а часа на 60 минут.
/>
Рис. 2. Солнечныечасы. Великобритания
Простыесолнечные часы представляют собой тонкий и высокий предмет (собственно гномон)и специально подготовленную поверхность, на которую гномон отбрасывает тень. Втечение дня тень от гномона движется, и, пересекая нанесенные на поверхностьчасовые заметки, показывает нам время. Угол, под которым срезана верхняя частьгномона, зависит от широты места, для которого изготовлены часы, а направление –полярной звезде, параллельно оси земли. Существовали и солнечные часы с «автоматическойнастройкой»: тень в таких часах проецировалась на две различные поверхности, и времясовпадало, только если гномон был правильно установлен.
Существоваломножество разновидностей солнечных часов: горизонтальные, вертикальные (еслиплоскость циферблата вертикальна и направлена с запада на восток), утренние иливечерние (плоскость вертикальна, с севера на юг). Строились также конические,шаровые, цилиндрические солнечные часы. В средние века были придуманыпортативные солнечные часы, в том числе для моряков и пастухов. Однако примернос 17 века, хотя новые разновидности часов и продолжали создаваться, онистановились скорее декоративным элементом оформления парков или игрушкой. Втаком качестве солнечные часы и дошли до наших дней.
Самымраспространенным хронометрическим прибором можно считать солнечные часы,основанные на кажущемся суточном, а иногда и годовом движении Солнца. Появилисьтакие часы не раньше осознания человеком взаимосвязи между длиной и положениемтени от предметов. Но, даже осознав это, вряд ли кто-то бросился строить часы,надо было еще понять, что такое время. Известно, что в своем первоначальномвиде солнечные часы имели форму обелиска, но точная дата их возникновениянеизвестна. И кстати, их могли изобрести в разных местах.
Традиционнаяистория считает, что самым первым упомянул солнечные часы китаец Чиу-пи(около 1100 года до н.э.). В своей рукописи он сообщил, что с их помощьюкитайцы легко установили летнюю и зимнюю высоту Солнца и определили наклонэклиптики в 23°52’. Правда, не ясно, как они это мерили, поскольку многиезнания, необходимые для этого, – в частности, тригонометрия, – появилисьзначительно позже. Да и зачем они это сделали, тоже непонятно. Предположим,из-за врожденной китайской любознательности. Причем до недавнего временикитайцы считали свою страну Срединной империей, накрытой куполом неба, и никакогопредставления ни о шарообразности Земли не имели.
Самыеблагоприятные климатические условия для измерения времени с помощью солнечныхчасов имеет Египет, поэтому более достоверным представляется мнение, что первыесолнечные часы – гномон, вертикальный обелиск со шкалой, нанесенной на землювозле него, – появились именно здесь. Обелиски служили одновременно дляпочитания культа бога Солнца. Эти священные обелиски стояли, как правило, передвходами в храмы. Интересно, что традицию устанавливать солнечные часы у храмовможно проследить и в Европе вплоть до XIX века. А вот в России не всегдасолнечно, поэтому у нас собирают верующих в храм боем колоколов.
До сих порсохранился египетский обелиск высотой в 34 метра. Считается, что в царствованиеАвгуста он был перевезен из Египта в Рим и по указаниюимператора установлен на Марсовом поле, а руководил этой операцией математик ФакундусНовус. Гномон поставили в центре специальной панели, на которой начертилициферблат; часовые линии были выложены из бронзовых частей. По словам ПлинияСтаршего, обелиск служил для определения времени года и долготы дня. Он простоялнесколько веков, но в эпоху упадка Древнего Рима был сброшен и надолго забыт. В1463 году его опять нашли, но только в 1792 году вновь установили на площади Монтечиториов Риме, где он стоит и поныне.
В Египтепомимо обелисков были созданы и другие конструкции солнечных часов. Например,состоящие из горизонтальной части – линейки с хронометрической шкалой длинойоколо 30 см – и перпендикулярного ей «плеча», отбрасывающего тень на шкалу. Ещетут были ступенчатые часы с двумя наклонными поверхностями, ориентированными пооси восток-запад и разделенными на ступени. При восходе Солнца тень падала на крайверхней ступеньки одной из этих поверхностей, восточной, затем постепенноопускалась, а к полудню исчезла. После полудня тень снова появлялась в нижнейчасти западной поверхности, откуда она поднималась до тех пор, пока при заходеСолнца не касалась грани верхней ступеньки. У таких часов время определялосьдлиной, а не направлением тени.
Измерениевремени длиной тени кое-где сохранилось до позднего Средневековья. Врач и географПаоло Тосканелли построил в 1468–1482 годах на костеле св. Марии де Фиорево Флоренции гномом высотой 84.5 метра, с помощью которого удавалось измерять сполусекундной точностью местный полдень. С помощью этого гномона Тосканеллиуточнил данные астрономических таблиц.
Были другиесолнечные часы, со шкалой для определения времени по направлению отбрасываемойтени, хоть и появились они, наверное, позже. Для правильного показания времениверхняя линия шкалы была горизонтальной, и шкала составляла прямой угол с плоскостьюместного меридиана. Для правильной установки часов приходилось вести наблюденияза моментами солнцестояний или равноденствиями. На древних солнечных часахделения наносили исходя из практического опыта, потом – на основетеоретического расчета, правда, неверного. Египтяне знали, что тень,отбрасываемая гномоном, различна в зависимости от времени года, но разница не учитывалась.Абсолютно точное время здешние гномоны показывали лишь дважды в год: в днивесеннего и осеннего равноденствия. Чтобы улучшить точность, стали строитьсолнечные часы с особыми шкалами для разных месяцев.
Созданиесолнечных, водяных, песочных часов способствовало развитию точной механики, а она,в свою очередь, была связующим звеном между приборостроением и опытной наукой.Византия среди всех стран достигла высокого уровня развития техники. Арабыучились у византийцев многому, в том числе и конструированию и изготовлениюразличных видов солнечных часов. А в самой Византии были весьма распространенысолнечные настенные вертикальные часы. Они имелись на стенах церквей и общественныхзданий и были примерно такого же типа, как на стенах Башни ветров в Афинах и настене византийской церкви, построенной на месте языческого храма Грация. На циферблатедля обозначения часов впервые появляются числа.
Свидетельствао наличии в Константинополе часов историки находят в документах, отнесенных имик VI веку, но, к сожалению, без какого-либо пояснения их устройства. На основанииэпиграммы, относящейся ко времени царствования Юстина II (565–578), ученыйРейске заключает, что уже в VI веке у византийских греков были часы с боем, по крайнеймере, большие городские. Датировка такого сообщения требует дополнительнойпроверки и больших размышлений.
В «Уставе»Константина Багрянородного (911–959) упоминается профессия часовщика. Здесь жеговорится о наличии в империи специальных людей, отбивавших часы церковныхслужб и молитв. Предполагается, что во дворце отбивание часов необходимо былоне столько для молитв и церковных собраний, сколько для обозначения временисобраний воинов, открытия и закрытия дворца, смены стражи и других действий,совершающихся регулярно.
Однакоучтем, что при господстве аграрного строя и ремесленной техники (будь то в Древнеммире или в Средние века) не было нужды делить время на мелкие отрезки и точно ихизмерять, как теперь. Люди определяли время по естественному освещению Солнца,длинные летние дни и короткие зимние, одинаково делили на 12 часов, а потомулетние и зимние часы были разными.
Подчеркнемэто особо: под влиянием изменяющегося наклона Солнца изменялась в течение годадлина дневных и ночных часов. Согласовывать час, который показывают приборы с равномернойшкалой (водяные, огневые, песочные и механические часы) с длительностью часасолнечных часов – труднейшая проблема.
Болеепоздние солнечные часы получили криволинейные шкалы, что устранило этотнедостаток. Такими часами со сложными шкалами, рассчитанными для квартальныхили месячных интервалов, пользовались примерно до XV века. Также до конца XIV векав Центральной Европе были весьма распространены солнечные настенныевертикальные часы с горизонтальной теневой штангой, пришедшей первоначально из Египта.Но в Египте, благодаря сравнительно малой удаленности от экватора, времяопределялось с приемлемой степенью точности, тогда как в Греции, Италии илиЧехии эта точность была значительно хуже.
Новую эпохув развитии солнечных часов открыло важное изобретение, сделанное в 1431 году.Принцип его заключался в установке теневой стрелки в направлении земной оси;такую стрелку назвали полуосью. Этим простым нововведением было достигнуто то,что теперь тень равномерно вращалась вокруг полуоси, поворачиваясь, каждый часна 15°. Если бы нам понадобилось измерять этими часами время, то надо было бывынести часовую шкалу на эллиптическую кривую и при этом одновременно изменятьположение стрелки в меридиональной плоскости применительно к сезону года.Описание таких часов появилось в астрономических трудах XVI века, но детальнымиизмерениями с помощью этих часов стал заниматься лишь в середине XVIII векаастроном и директор Парижской обсерватории Джозеф Джером Лаланд.
Сталовозможным ввести равномерное время для всего года, причем отрезки,соответствующие часам, были одинаковой длины независимо от изменяющейся высотыСолнца. Одним из первых упоминаний о часах с полуосью является рукопись ТеодорикаРуффи от 1447 года. Некоторые солнечные часы того времени имелиодновременно гномон и полуось; они описаны в рукописи арабского астронома XV векаСибт-аль-Маридини; аналогичные часы построил примерно в то же времяегипетский астроном Ибн-аль-Магди.
Прогресс,которым ознаменовалась наука в эпоху Возрождения, отразился и на конструкциисолнечных часов. Сравнительно быстро, примерно за 130 лет, прежниенесовершенные часы превратились в весьма точные для своего временихронометрические приборы, которыми можно было измерять время в любом местеЗемного шара. Для правильной установки часов стали использовать компас.
Один из первыхсоздателей солнечных часов с корректирующим компасом – астроном и математикРегиомонтан, настоящее имя которого Иоганн Мюллера (Müller) (1436–1476),известный также как Жоан де Монте Регио, работавший в середине XV века вНюрнберге. Он был также автором первого специального труда о солнечных часах.Сочетание солнечных часов с компасом привело к тому, что их стало возможноиспользовать повсеместно, и появились портативные, карманные, или дорожные,модели часов. Солнечные часы в виде полого полушария со стрелкой, отбрасывающейтень на внутреннюю полость, начали строить с 1445 года.
Солнечныепортативные часы
Интереснысолнечные кольцевые часы, один из вариантов дорожных, – они одновременнослужили и в качестве декоративной подвески. Главной их частью было латунноекольцо диаметром несколько сантиметров, сопряженное с другим подвижным кольцом,снабженным отверстием для солнечного луча. На внешней поверхности главногокольца гравировали начальные буквы месяцев, а против них, на внутреннейповерхности, находилась часовая шкала. Перед измерением надо было повернутьменьшее колечко так, чтобы отверстие для луча лежало у наименования нужногомесяца. Для измерения времени часы выставляли так, чтобы солнечный луч проходилчерез отверстие и указывал час на шкале. Первое описание таких часов – в видеперстня с печатью – содержится в книге врача Боне, изданной в Париже в 1500году.
Одной из самыхпопулярных разновидностей солнечных дорожных часов были так называемыепластинчатые часы. Первые экземпляры появились в Европе в 1451–1463 годах.Обычно они состояли из двух, иногда из трех одинаковых по величинечетырехгранных прямоугольных пластинок, соединенных подвесками, причем в нижнейпластинке обязательно должен был находиться компас.
Солнечныечасы. Посох для паломника
Имеетсяописание деревянных восьмигранных палок длиной 160 см, с металлическим остриеми с вырезанными часовыми шкалами. Это солнечные часы (ашадах), которымипользовались в Средние века индийские паломники. В ручке такой палкипросверливали обычно четыре сквозные отверстия, в которые над шкалой длясоответствующего месяца вдвигался стержень длиной около 15 см так, чтобы егоострие при вертикальном положении палки отбрасывало тень на шкалу. На палкедолжно было быть 12 шкал. Поскольку для дней, удаленных от солнцестояния на одинаковоевремя, действовали одинаковые условия, то достаточно было иметь 8 шкал.Наименование «ашадах» эти часы получили по тому сезону (июнь – июль), в которомсовершались паломничества.
С началаXVI века теорию солнечных часов начали преподавать в университетах Виттенберга,Тюбингена, Ингольдштадта, в Праге и в Штирском Градцекак составную часть математики.
Примерно в этоже время появились оконные солнечные часы. Они были вертикальными, ихциферблатом была поверхность окна храма или ратуши. Циферблат обычно состоял измозаичной филенки, залитой свинцом. Стрелка отбрасывала тень на циферблат,устроенный так, чтобы конец тени указывал не только часы, но и положение Солнцав зодиаке. Прозрачная шкала позволяла наблюдать время, не выходя из здания.
Были и зеркальныесолнечные часы, которые отражали солнечный луч зеркалом на циферблат,расположенный на стене дома. Первым такие часы описал Й.Б. Бенедиктус в книге,изданной в Турине в 1574 году. По некоторым сведениям, конструированиемзеркальных часов занимался и Николай Коперник, чему можно поверить, ибо до сихпор сохранился циферблат зеркальных часов на замке в Ольштыне предположительноего работы.
С точностьюсолнечных часов не могли сравниться механические до того, как в них сталиприменять маятниковый осциллятор. Но и после его появления солнечные часысохраняли свою популярность. Наибольшего расцвета их производство достигло в XVIи XVII веках; их созданием занимались передовые европейские математики и астрономы.К тому же они очень долго оставались обязательной принадлежностью всехобсерваторий. Еще и в XVIII веке их строили в астрономических обсерваторияхстран Востока, например в Индии. Яи Синг II, князь Джайпура,основав в 1708–1710 годах большую обсерваторию в Дилли, поставил там гномонвысотой 18 метров. Вскоре после этого он приказал построить подобные часы в Бенаресе,Муттрже, Уйгаине и в Джайпуре.
Но людиизыскивали, и примитивные способы измерения времени с помощью Солнца; иногдаединственным «инструментом» для этого была человеческая рука. Первые сообщенияо таких «часах» относятся к началу XVI века. Левую руку поворачивали ладоньювверх, и ее направленный вверх большой палец выполнял функцию теневой стрелки.В зависимости от длины этой тени в сравнении с остальными пальцами руки можнобыло примерно определить время. Этот простой способ измерения времени во Франции,Южной Германии и некоторых других местах был хорошо известен даже в XIX веке.
В дальнихморских плаваниях определение точного времени было очень важным делом, безэтого нельзя понять, где находится судно. Водяные или песочные часы надо постояннокорректировать, но как? При помощи солнечных часов, какого бы совершенства онини достигли, делать это в условиях качки и постоянных разворотов невозможно.
Оставалосьиспользовать для определения времени «естественные часы» – звездное небо. Можнопредположить, что очень долго это делали «вручную» люди, обладающие громаднымопытом. Но развитие мореплавания шло быстро, требовались приборы. А посколькупервыми реальными мореходами были не мифические аргонавты, а моряки-византийцыи арабы, совершавшие плавания по Красному и Аравийскому морям в Индию,естественно, что их ученые и занялись этим вопросом.
Важнейшийприбор, созданный ими, – астролябия. Этот угломерный прибор служил до XVIII векадля определения широты и долготы местности, а также горизонтальных углов приземлемерных работах. До наших дней дошел трактат об астролябии, написанныйвизантийским ученым Филопоном (Иоанн Грамматик) в 625 году.Примерно в это же время трактат на ту же тему написал сириец Себохта, а Сириявходила в состав Византийской империи. Между тем изобрел астролябию, какполагают, древний грек, астроном Гиппарх в 150 году до н.э., за 775 летдо того, как Филопон взялся писать об этом приборе первый известный намтрактат. Вообще Гиппарху (180 или 190–125 г. до н.э.), приписывают изобретения,которые могли быть реализованы лишь в VI–VII веках н.э., а в некоторых случаяхдаже в XV веке. Например, он определял долготу, наблюдая одно и то же лунноеили солнечное затмение из разных по долготе мест. Для этого ему надо было быиметь представление о сквозном времени, то есть использовать механические часы,синхронизированные для таких наблюдателей.
Такие жеточно соображения можно привести по поводу многих так называемыхдревнегреческих ученых. На наш взгляд, это византийцы VI–XII веков, действительныеизобретатели многих полезных вещей, чьи прозвища мифологизировались, а датыжизни много позже были сильно отодвинуты. Вдобавок «сочинители» историиприписали этим ученым открытия более позднего времени.
Судитесами: Птоломей Клавдий (ок. 90 – ок. 160 н.э.) знал о Восточной Африке,об Индокитае и Восточном Китае, о Британских островах и Балтийском море. И этоза полтора тысячелетия до широкого мореплавания, до появления компаса,корабельного руля и механических часов! Так вот, Птолемей тоже изобрел меднуюастролябию, а пользоваться ею стали почему-то лишь с XVI века. В отличие же от мифическойдревнегреческой истории, в Византии развитие военной техники и реальноесоздание астролябии и часов способствовали совершенствованию механическогоискусства.
Допоявления астролябии были уже приборы для фиксирования положения звезд принаблюдениях: это визирная доска и отвес. Работу выполняли два человека.Наблюдатель садился лицом к северу и держал перед собой дощечку и отвес;напротив него садился его помощник, который также держал отвес. Воображаемаялиния от глаза наблюдателя к Полярной звезде должна была проходить через расщепвизирной дощечки, и оба отвеса. Время прохождения звезды через плоскость,определяемую этой воображаемой линией и отвесами, было моментом прохождения ею меридианаместности, на основании чего и составлялись звездные карты, образцы которых намизвестны.
Затемпоявилась астролябия, и на протяжении столетий она была самым распространеннымастрономическим прибором; ею пользовались на суше и на море. По замеренному с еепомощью положению звезды можно определить время. Арабы с помощью астролябииопределяли время с погрешностью лишь в 1–2 минуты. Измерение времени методомопределения высот звезд применялось до середины XVII века многими астрономами,в том числе и Тихо Браге, который достиг точности измерения до несколькихсекунд.
В Средниевека бронзовые астролябии, имевшие основание в виде круглой плиты, разделеннойна 360°, обычно вкладывали в пакеты с астрономическими таблицами или картами земнойповерхности, составленными для различных географических широт. Астролябиюдополняла звездная карта со знаками зодиака.
Самыйстарый и наиболее долго употреблявшийся звездный каталог называют каталогомГиппарха: в нем имелись данные о движении 1022 звезд, а средняя погрешностьдостигала четырех минут. Западноевропейцы долгое время пользовались такназываемыми Толедскими таблицами Альфонса, названными так по имени испанскогокороля Альфонса X, который поручил составить их в 1252 году. Прусские планетарныетаблицы, изданные в 1551 году Эразмом Рейнгольдом, были созданы ради уточненияданных этих таблиц. Однако наибольшей точности достиг в своем звездном каталогеТихо Браге; в нем упоминалось лишь 997 звезд, но средняя погрешность не превышалаодной дуговой минуты.
В первойполовине XVI века распространилось в Европе строительство «армиллярных» сфер,состоящих из системы кругов. Эти круги изображали экватор, меридианы, тропики,высотные круги и эклиптику со знаками зодиака, мировой оси, траекторий и положенийСолнца и Луны. Как правило, армиллярные сферы имели лунные календари и схемурасположения планет и служили для демонстрации положений созвездий и планет в определенныймомент времени в различных координатных системах. Существовали и наблюдательныеармиллярные сферы, предназначенные для измерения, однако они были весьмаредкими, и сохранилось их очень мало. Эти приборы так и не заменили астролябию.Считается, что единственным изготовителем их был Тихо Браге.
2. Водяные часы
Солнечныечасы были простым и надежным указателем времени, но страдали некоторымисерьезными недостатками: их работа зависела от погоды и была ограниченавременем между восходом и заходом Солнца. Нет сомнений, что из-за этого ученыестали изыскивать иные пути измерения времени, не связанные с наблюдениемнебесных тел. Также понятно, что новые приборы измерений времени должны былипринципиально отличаться от солнечных часов.
Единицавремени для солнечных часов выводилась из вращения Земли и ее движения вокругСолнца, для звездных – из видимого движения звезд. Новые хронометрическиеприборы (жидкостные, песочные, воздушные, огневые и др.) имели искусственныйэталон единицы времени в виде его интервала, необходимого для вытекания,втекания или сгорания определенного количества вещества. Подобно солнечнымчасам, эта группа простейших часов прошла долгий путь развития,сопровождавшийся открытием интересных принципов действия и конструктивныхэлементов. Ведь измерение времени с помощью часов «втекания» или «истекания»было довольно трудным делом: они должны были иметь много шкал или специальныхустройств, для регулирования поступления или истечения воды. Некоторые из них,например зубчатые передачи, ролики, цепные подвески и гири, нашли применение в последующейэре хронометрии – эре механических часов. Водяные часы заняли после солнечныхвторое место по количеству и были самыми важными в этой группе простейшихчасов.
В литературечасто говорится о них как о «клепсидрах». Это наименование происходит от сочетаниядвух греческих слов klepto – брать и idor – вода. Многие, судя по греческомунаименованию, ошибочно считают, что именно в Греции они были придуманы. Однакодело обстоит не так: в примитивном виде водяные часы были известны ужеегиптянам, у которых сохранились, по всей вероятности, самые старые водяныечасы в мире. Они были обнаружены в 1940 г. в храме Амона в восточных Фебах, а сейчасхранятся в музее Каира. На внутренней поверхности их алебастрового корпусанаколками обозначено 12 часовых шкал для измерения времени в соответствующихмесяцах. Помните, что солнечные часы дают разную длительность часов в разныемесяцы? Это и было учтено в египетских водяных часах. Сосуд заполняли до самоговерха водой, которая затем вытекала через небольшое придонное отверстие. Однакоесть и загадка. Дело в том, что самой существенной проблемой при создании такихчасов была – отработка такой формы сосуда, которая обеспечивала бы истечениеводы с равномерным понижением уровня. Упомянутые Египетские часы уже давалидостаточную равномерность понижения уровня, хоть и с некоторой погрешностью.Это наводит на мысль, что они хоть и древнейшие, но все же не первые.
В античнойГреции водяные часы применяли для регламентации времени, предоставляемогоораторам во время судебных процессов. Эти часы были, по существу, большимиамфорами, внутренняя поверхность которых имела форму, образованную вращениемпараболы или эллипсоида, что опять показывает их позднее происхождение: ведьустановить зависимость скорости истечения от высоты столба воды и формы сосудасмогли только в средние века. Похоже на бред Фоменко!
Амфоравысотой около 1 м и шириной несколько более 40 см вмещала около 100 л воды. Придиаметре отверстия истечения в 1.4 мм требовалось почти 10 часов на полноеопорожнение сосуда. В воде находился поплавок с прикрепленным к нему длиннымстержнем, выступавшим над краем сосуда. На стержне была выгравирована шкала.Время, прошедшее после начала истечения воды, указывалось на этой шкале.Поплавок опускался в амфоре равномерно, поскольку снижение скорости истечениякомпенсировалось уменьшающимся внутренним диаметром сосуда.
То, чтоклепсидра не зависела от света Солнца, сделало из водяных часов прибор,пригодный для непрерывного измерения времени и днем, и ночью. К тому же сталовозможным развивать некоторые механические элементы. Началось соревнованиеконструкторов в изобретении остроумных гидравлических и пневматическихмеханизмов: для звуковой сигнализации о времени, для освещения часов ночью;такие элементы можно найти у целого ряда водяных часов арабского происхождения.В руках одаренных воображением мастеров возникли выдающиеся произведения,отличающиеся высокой художественной ценностью и оригинальной функциональностью.
Поистинелегендарной фигурой среди мастеров по изготовлению «клепсидр» считаетсяизвестный греческий механик Ктесибий Александрийский, живший примерно за 150 летдо н.э. Римлянин Витрувий даже называет его изобретателем водяных часов.
Сохранилисьсообщения о двух изготовленных Ктесибием часах, которые ввиду особых достоинствзаслуживают хотя бы краткого описания. В часах, приводимых в действие водянымколесом, Ктесибий использовал передачу сил и движения зубчатым механизмом,проект которого теоретически наметил еще Аристотель (как считают, в IV веке до н.э.).Зубчатая передача соединяла ведущий механизм со шкалой, расположенной на цилиндрическойповерхности поворотной колонны и разделенной вертикальными прямыми на четыреосновных поля. Система из 24 наклонных линий образовывала, часовую шкалу дляизмерения планетных часов. Колонна со шкалой, приводимая водяным колесом,вращаясь вокруг своей оси, совершала один оборот в год. Поэтому и камерыводяного колеса в нижней части часов заполнялись водой медленно, причем водаподавалась в небольшом количестве по особому трубопроводу. Статуэтка со стрелкойдвигалась с помощью специального поплавкового механизма, управляемого другойстатуэткой, находящейся на другой стороне часов. Слезы, капли воды, падающие изглаз статуэтки, – накапливались в сборники подставки, откуда через трубопроводтекли в поплавковую камеру стрелочного механизма. Кроме того, эти часы имелиеще специальное устройство, которое через определенные интервалы выбрасывало начашку мелкие камешки, что являлось звуковой сигнализацией.
Вторые часыКтесибия отличались от первых тем, что их стрелка в верхней части с циферблатомуправлялась поплавком, подвешенным на цепи, навернутой вокруг вала стрелочногоуказателя. Лунный календарь с зодиаком в нижней части часов тоже приводился в движениеводяным колесом, камеры которого были закреплены непосредственно на заднейстороне зодиакальной плиты. Но самое интересное, что точно такие часы былисделаны и описаны в сочинении «De dolaribus horologies», изданном в Париже в 1560г.
К произведениямвысокого художественного творчества, бесспорно, относятся бронзовые водяные часы,изготовленные в период 799–807 гг., которые Гарун-аль-Рашид послал в подарокКарлу Великому. Эти часы с богатыми орнаментальными украшениями, имелициферблат, и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара,который выскакивал из них на декоративную решетку, а в полдень в часахоткрывались ворота, и из них выезжали рыцари. Подобная техника автоматическихдвижущихся фигур была развита в Европе много позднее – в период готики, со второйполовины XII века. А кстати, рыцари как сословие, со всеми присущими иматрибутами, появились не раньше XI века.
В Индииводяные часы назывались «яла-янтра». Это были преимущественно часы «истечения»с небольшим отверстием в дне. При восходе Солнца их заполняли водой, котораязатем вытекала, так что до вечера процесс заполнения и истечения водыповторялся 5–6 раз.
Считается,что около 725 г. появились водяные часы в Китае, их сделал И-Хсинга. Верхомсовершенства, несомненно, был проект больших пагодных астрономических водяныхчасов, разработанный в 1090 г. и осуществленный Су-Сунгом в провинции Хонан,тогдашней столице Китайской империи. Эти часы имели сигнальное устройство,похожее на то, которое имелось у водяных часов Ктесибия. Астрономическая же ихчасть имела форму армиллярной сферы и небесного глобуса. Многие считают, чтопринцип регулятора хода пагодных астрономических часов Су-Сунга сталсоединительным звеном между водяными и механическими хронометрическимиприборами. Но не следует забывать, какую дикость встретили в Китае иезуиты,придя туда. Так что все эти чудесные часы, скорее всего либо более позднегопроисхождения, либо выдумка. И снова вторгся бред Фоменковцев!
Арабскийинженер Аль-Язари написал в 1206 г. книгу, где описал различныемеханизмы. В шести из десяти глав книги он описывает водяные часы с различнымифигурными элементами, а в остальных главах знакомит читателей с некоторымивидами огневых свечных часов. Аль-Язари предпочитал фигурное изображениевремени, в отличие от последующих конструкторов, которые перешли на цифровыеиндикаторы. Указательный механизм водяных часов Аль-Язари состоял из скульптурныхизображений четырех павлинов: старый павлин, два молодых павлина и над нимипава. Эта фигурная часть дополнялась сверху 15 стеклянными шарами.
Как жеработал механизм управления павлинами? Вода вытекает из бака в сосуд,закрепленный в подвеске так, чтобы после его наполнения он в определенныймомент опрокинулся, причем его содержимое переливалось бы в нижнюю ванну и теклобы оттуда на лопасти водяного колеса. Водяное колесо приводит в движениепередаточный механизм, соединенный с павлином, и он начинает свое движение. От водыдействует и звуковой механизм флейт, и приводное устройство молодых павлинов.Водяное колесо с помощью тяг отклоняет павлинов от их первоначальных положений,а вода, вытекающая из ванны под водяным колесом в нижний бак, выжимает из неговоздух на язычок флейт. Это описание дает представление об остроумии авторов и сложностиприборов, которые арабский мир знал намного раньше, чем подобные элементыпоявились в Европе.
3. Огневые часы
Помимосолнечных и водяных, с начала XIII века появились и первые огневые, илисвечные, часы. Это тонкие свечи длиной около метра с нанесенной по всей длинешкалой. Они сравнительно точно показывали время, а в ночные часы еще и освещалижилища церковных и светских сановников, в том числе таких правителей, какимибыли в середине XIII века Людовик Святой, а в XIV веке – Карл V.К боковым сторонам свечи иногда прикрепляли металлические штырьки, которые по меревыгорания и таяния воска падали, и их удар по металлической чашке подсвечникабыл своего рода звуковой сигнализацией времени.
В течениецелых столетий также и растительное масло служило людям не только для питания,но и в качестве светильного материла, и как основа для масляных лампадныхчасов. Как правило, это бывали простые лампады с открытой фитильной горелкой и состеклянной колбой для масла, снабженной часовой шкалой. Объем колбы подбирали так,чтобы ее содержимого хватило для непрерывного свечения между 6 часами вечера и 8часами утра. Толщиной и длиной горящего фитиля регулировали величину пламени и расходмасла так, чтобы понижение уровня масла в колбе соответствовало нанесенным на нееобозначениям времени. Первоначальные цилиндрические или слегка выпуклыестеклянные сосудики под масло были источником некоторой погрешности в измерениивремени. Дело в том, что вечером из-за более высокого уровня масла его давлениевызывало более быстрое выгорание, чем ближе к утру. Поэтому лампадные часыболее позднего происхождения имели стеклянную колбу в виде расширенной кверхугруши, чтобы таким образом хотя бы частично выровнять скорость сгорания масла иобеспечить точность определения времени.
Определитьвремя появления таких часов сложно, однако можно сказать наверняка, чтопроизошло это не раньше, чем научились производить в достаточном количествестекло.
Большевсего лампадных часов было в Китае, который вообще считается колыбелью всехвидов огневых часов. Помимо всякого рода лампадных часов, тут в более позднеевремя появились газосветные часы, которые китайцы полюбили настолько, чтонекоторые их типы сохранялись вплоть до XX века. До сих пор в Китаерассказывают, что примерно 3000 лет назад Фо-хи, «отец Китая» и его первыйимператор, создал первые огневые часы, чтобы с их помощью измерять дневное и ночноевремя.
Существовали другой тип огневых часов, так называемые фитильные. Их главной частью былфитиль в виде длинной металлической палочки, покрытой слоем дегтя с деревяннымиопилками. Жар тлеющих опилок, подожженных на одном конце палочки, постепеннопережигал тонкие, поперечно натянутые волокна с подвешенными к ним шариками,которые падали в металлическую чашку. Иногда фитиль сворачивали в спираль,форма которой уже сама по себе заменяла часовую шкалу.
Наиболеетипичные для Китая фитильные часы имели форму дракона, в хребте которогоукреплялся специальный держатель для палочки. Скорость сгорания фитиля зависелаот многих обстоятельств, и для определения ее требовался большой опыт. Такиечасы никогда не относились к приборам, которые по точности можно было бысравнить с солнечными или водяными часами. Причем наличие всех этих часов в Китаене дает никакой хронологической отметки и, во всяком случае, не означает ихдревности.
/>
Рис. 3.Водяные часы. Австралия, Сидней
4. Песочные часы
Датавозникновения первых песочных часов тоже неизвестна. Но и они, как и масляныелампадные, появились не раньше, чем прозрачное стекло. Считается, что в ЗападнойЕвропе о песочных часах узнали лишь в конце средневековья; одним из самыхстарых упоминаний о них является сообщение от 1339 г., обнаруженное в Париже.Оно содержит указание по приготовлению мелкого песка из просеянного порошкачерного мрамора, прокипяченного в воде и высушенного на солнце.
Несмотря нато, что песочные часы появились в Европе столь поздно, они быстрораспространились. Этому способствовали их простота, надежность, низкая цена и нев последнюю очередь возможность измерять с их помощью время в любой момент дняи ночи. Их недостатком был сравнительно короткий интервал времени, которыйможно было измерить, не переворачивая прибора. Обычные часы были рассчитаны на полчасаили час, реже – на 3 часа, и лишь в совершенно редких случаях строили огромныепесочные часы на 12 часов хода. Не давало улучшения и соединение несколькихпесочных часов в одно целое.
Как и огневые,песочные часы никогда не достигали точности солнечных. Кроме того, придлительном пользовании ими их точность изменялась, поскольку зерна пескапостепенно дробились на более мелкие, а отверстие в середине диафрагмы,наоборот, постепенно истиралось и увеличивалось, так что скорость прохожденияпеска через них становилась большей.
/>
Рис. 3. Песочныечасы
5. Механические часы
Солнечные,водяные и огневые хронометрические приборы завершили первую фазу в развитияприборов для измерения времени. Постепенно выработались более четкиепредставления о времени, и стали изыскиваться более совершенные способы егоизмерения. Революционным изобретением, ознаменовавшим совершенно новые этапыразвития в этом направлении, было создание первых колесных часов, с появлениякоторых началась современная эра хронометрии.
Механическиечасы были нужны всем, церкви – для уточнения начала времени богослужения.Сначала с этой задачей успешно справлялись солнечные часы, но со временем ихзаменили башенные механические часы с боем. Можно предположить, что первыемеханические часы не имели циферблата, а имели один только колокольный бой,звуком оповещая наступление часа молитвы.
Но и в светскихделах требовалось знать точное время! По преданиям, королевский наместник в Артуа,что во Франции, дал в 1355 году дал жителям городка Эрсюр-ля-Лисразрешение построить городскую колокольню, чтобы ее механические часы отбивалине церковные службы, а время коммерческих сделок и часы работы ткачей и суконщиков.Точное время хотели знать и на производствах, где результат работы зависел от временипродолжительности технологических процессов.
Во всехтаких случаях было нельзя обойтись без механических часов. Международнаяторговля, тоже, без механических часов обойтись не могла, значительноерасширение морских торговых путей требовало точных методов навигации. Широтуместности определяли с помощью астрономии, но для определения долготы с помощьюрасчета по звездам требуется привязка ко времени. Необходимая для этоготочность измерений времени была недостижимой даже в XVIII веке. И только с появлениеммеханических часов, настроенных на астрономическое время в известной точкеЗемли, сравнивая его со временем на судне, рассчитать долготу местности.
Дляпроизводства механических часов, какими были первые образцы, требовалисьгораздо более точные станки, чем весь прежний инструментарий. Современноеточное машиностроение родилось из мастерства механиков часовщиков.
Автор и датаизобретения механических часов неизвестны. Из некоторых сообщений Х векаделаются предположения, что именно тогда впервые построил такой механизм монах Гербертиз Ориллака, будущий римский папа Сильвестр II (950 – 1003).Действительно, в технике он был большим талантом, к тому же имел возможность вовремя своих учебных поездок знакомиться с принципами построения различныхарабских астрономических приборов и водяных часов. И все же вывод о созданииГербертом механических часов не имеет достаточных оснований, и вот почему.
Во-первых;арабы были весьма искусны в изготовлении водяных часов, и часы Герберта тожемогли быть водяными. Ведь содержащийся в документах термин «хорология»(horologium) относился тогда ко всяким рода приборам для измерения времени.Во-вторых, в дальнейшем не было упоминаний о достижении Герберта или о том, чтоего идею кто-либо развивал при его жизни или после нее. Кстати, именно Гербертввел в Европе «арабские» цифры.
Большинствоисториков видят преемственность: ведь и в самом деле механические часы сталирезультатом усложнения механической части водяных, в которых применялись ужециферблат, колесная передача, механизм боя, марионетки, разыгрывающие различныесцены… Разница была в движущей силе: в одном случае – струя воды, в другом – тяжелаягиря. Недоставало только механического спускового устройства и регулятора хода.Автор шпиндельного спуска («сторожка»), который через определенные промежуткивремени прерывает движение часового механизма, неизвестен.
Обычноисторики ссылаются на механизм, чертеж которого приведен в альбоме французскогоархитектора Вилларда де Синекура, как на первое упоминание спусковогоустройства для регулирования хода часов: он описал (приблизительно в 1250 г.)грубое устройство, позволявшее фигурке ангела всегда показывать рукой на Солнце.Этот механизм, как полагают многие, не был изобретен Виллардом; скорее всего,он познакомился с ним и срисовал его во время своих путешествий. К тому женарисованный в альбоме Вилларда механизм все-таки мало напоминает шпиндельныйспуск.
Как видно из эскиза этого устройства, здесь в качестве движущей силы примененагиря, подвешенная на конце веревки, обмотанной вокруг оси колеса. Падение гирии относительно равномерное вращение вертикального стержня, на котором на подставкеукреплена фигура ангела, регулировалось колебанием колеса взад и вперед. Периодколебания обусловливался многими факторами, включая момент инерции, трение в опорах,силы, действующие на веревку.
Известныстаринные французские и английские башенные часы простого устройства с боем, нобез циферблата. Английское слово clock – часы, происходит от латинского clocca;другим его эквивалентом является саксонское clugge французское cloche и древнегерманское(тевтонское) glocke, но первоначально все эти слова обозначали не часы, а колокол.
Производствожелезных башенных часов начинается с английских Вестминстерских часов 1288 г.Следующее сообщение от 1292 г. говорит о часах храма в Кентербери. Далееесть сообщения о часах, построенных в 1300 г. во Флоренции, на 14 лет позднее –в Каннах, в 40-х гг. XIV века – в Модене, Падуе, о бельгийскихчасах в Брюгге и об английских часах в Дувре. В 1352 г. были построенымонументальные куранты в кафедральном соборе Страсбурга, четырьмя годамипозже – башенные часы в Нюрнберге, в 1370 г. такие же в Париже, в 1381 – первыеподобные в Базеле, и, наконец, в 1410 г. появились такие часы в Праге,ставшие основой позднейших пражских курантов.
Сохранились,конечно, и другие сообщения о строительстве часов, но они не вполнеобоснованны. По одному из таких сообщений, башенные часы с боем изготовилВисконти в 1335 г. для костела Беата Вирджинни (ныне Сен-Готард)в Милане. По другим данным, Генри де Вик из Поррэна изготовил около 1370г. башенные часы с боем для королевского дворца Карла V.
Результатомприменения механических часов стал переход по всей Европе от церковныхканонических часов, неравных по времени года, к равным часам нашей современнойсистемы исчисления времени. Изменение было радикальным, а потому переходсовершался постепенно, по мере распространения в городах башенных часов.Французский король Карл V первым сделал шаг к этой реформе. После установкидворцовых башенных часов де Вика он приказал всем церквям Парижа отбивать по нимчасы и четверти часа. Так как на этих часах время отсчитывалось в равныхпромежутках, новый порядок исчисления времени распространился не только в Париже,но постепенно и в европейских странах.
Суткисначала подразделяли на 24 часа, считая от одного заката солнца до другого.Окончание дня отмечалось 24 ударами колокола, и такой порядок счета времени в некоторыхместах сохранялся до 1370 г. Затем начался постепенный переход к подразделению сутокна две равные половины, каждая по 12 часов, с отсчетом от полуночи до полудня иобратно – от полудня до полуночи. Теперь не стало надобности отбивать время 24 раза– хватало 12 раз. Переход на этот, более рациональный, счет времени происходилв различных странах Западной Европы не одновременно; счет времени от 1 до 24 часов,начиная с часа восхода Солнца, дольше всего сохранялся в Италии и в некоторыхгородах Германии.
Часыодинаковой продолжительности называли «городским временем». Однако и при новомсчете часы продолжали соразмерять и контролировать по солнечному времени, этоделали до появления маятниковых часов. Помимо унификации длительности часа,вторым и долгосрочным результатом изобретения часов стал прогресс в механике.Очевидно, например, что зубчатые колеса широко распространились в технике во многомблагодаря изобретению часов.
Самымстарым документом о механических часах, содержащим описание и чертеж и опубликованномв 11 различных рукописях (одна по крайней мере исходит непосредственно от авторачасов), является, по всей видимости, сообщение об «астрарии» – астрономическихчасах, которые после 16 лет труда закончил в 1364 г. профессор астрономии и медициныДжиованни де Донди для Палаццо дель Капитане в Падуе. Эти часы показывалидвижение Солнца, Луны и пяти планет, содержали в себе вечный календарь и даваливозможность определять звездное и среднее солнечное время; они были известныдалеко за пределами Италии, доставили де Донди большую славу при жизни и обессмертилиего имя.
В 1529 г.эти знаменитые часы испортились и остановились. После долгих поисков нашличасовщика, который сумел их восстановить, – это был Джуанелло Турриано (1500–1585).Современники провозгласили его гением, ведь он и сам сумел создатьастрономические часы сложнейшей конструкции. Для их устройства потребовалось1800 колес, с помощью которых воспроизводилось 30-дневное движение Сатурна,часы дня, годичное движение Солнца, движение Луны, а также всех планет в их«обычном движении» соответственно птолемеевой системе мироздания. По свидетельствусовременника, Джуанелло потратил 20 лет только на предварительную разработкупроекта своих часов. Он же известен как строитель водопровода, который считалсяодним из величайших технических чудес XVI века.
6. Электрические часы
В самом конце XVIII в. были предприняты попытки использоватьвозможность передачи статического электричества на расстояние. Однакополученные результаты имели весьма малую практическую ценность, пока в 1800 г.Алессандро Вольта не изобрел элемент, получивший название Вольтова столба.
Самое раннее известие о создании электрических часов относится к1830 г., когда профессор физики Веронского университета (Италия) Замбони создалчасы, подробности устройства которых, к сожалению, не дошли до нас. Сохранилисьлишь сведения, что колебательное движение маятника часов поддержизалось припомощи последовательных электростатических притяжений и отталкиванийметаллической линзы маятника между гвумя полюсами элемента Замбони, обладающегобольшей эдс по сравнению с элементом Вольта. По свидетельству профессораде-ла-Рива, часы Замбони были выставлены в 1832 г. в промышленном отделеSociete des Arts в Женеве.
В результате открытия Эрстеда в 1820 г., работ Ампера и другихученых было создано учение об электромагнетизме. Первым практическимрезультатом применения электромагнетизма было изобретение электромагнитноготелеграфа и электрических часов.
Инициаторами создания электрических часов на основе использованияЭлектромагнетизма были изобретатели электротелеграфа Штейнгель (1801–1870) иУитстон (1802–1875). Работа над электромагнитным телеграфом привела К.А. Штейнгеляк созданию в 1839 г. Электрических часов. Уитстон в 1840 г. Сделал вКоролевском обществе доклад об электрических часах. Их конструкция, приведеннаяв этом докладе, имеет лишь исторический интерес.
/>
Рис. Электрические часы Уитстона
В первых электрических часах Уитстона (рис. 230) устройствопередачи импульса вторичным часам (коммутатор) представляло собой катушку,качающуюся вдоль двух симметрично расположенных магнитных сердечников. Катушка,выполнявшая роль маятника, передавала импульс тока вторичным часам ежесекундно.Однако при этом ход часов нарушался, так как давление в момент контакта былозначительным. Уитстон пытался преодолеть этот недостаток путем устройства цепис электромагнитной связью.
В другом варианте его электрочасов маятник приводился в действиеот завода ключом. Отличие этих часов от обыкновенных заключалось в том, чтоздесь маятник использовался еще в качестве электромагнитного генератора. Вмаятник вместо линзы был вставлен намагниченный цилиндрический стальнойстержень. При передвижении стержня в магнитном поле в легких стальных дискахциферблата вторичных часов возбуждался ток. Вращение этих дисков вызываловращение стрелок. Стальными дисками циферблата электрические импульсыпосылались ежесекундно.
Таким образом, маятник выступал в роли генератора соответствующейчастоты, а вторичные часы были как бы двигателем, приводимым в действие током.Маятник выполнял не свойственные ему функции, что создавало крайненеблагоприятные условия для его работы. Маятник, раскачивающийся в магнитномполе, испытывал сопротивление своему колебанию, и в нем не всегда получалисьдостаточной силы электрические импульсы, чтобы управлять трелками часов. Этасистема позволяла преодолеть трудности осуществления контакта, но чрезмернонарушался свободный ход маятника.
Прав Хоуп-Джонс, давший отрицательную характеристику часамУитстона. «Мы не сомневаемся в том, – пишет этот автор, – что Уитстон изучалГалилея, Гюйгенса, что он был знаком с теорией маятника, с достижениямиТомпиона, Гаррисона, Мюджа и Арнольда, которые жили и работали до него, в веке,предшествовавшем его веку. Но такого безжалостного вмешательства в свободумаятника было бы достаточно для того, чтобы они перевернулись в своих гробах».
Часы Уитстона были установлены в Королевском обществе в 1873 г.,но ими перестали пользоваться уже вскоре после смерти изобретателя.
После Уитстона нерациональное использование маятника вэлектрических часах продолжалось в течение довольно долгого времени. Маятникрассматривался только как источник энергии, необходимой для замыкания цепи, икогда какой-либо изобретатель пытался осуществить лучшее контактное устройство,он использовал в этих целях маятник, хотя это было связано с нарушениемэлементарных законов его колебаний. Немалую роль в этих неудачах играло то, чтомногие изобретатели электрочасов на раннем этапе их развития не обладалидостаточными знаниями в часовом деле. Первые значительные успехи в создании электрическихчасов были достигнуты тогда, когда за это дело взялись часовщики, знакомые сэлектротехникой, такие, как Александр Бен, Матиас Гипп и др.
Процесс развития электрохронометрии в XIX в. был весьма медленными малообнадеживающим. Даже в начале XX в. Имелось немало специалистов,связанных с часовым делом, которые не верили в возможность дальнейшегопрогресса электрохронометрии.
Лорд Гримторп писал, что у него нет «никаких оснований допускать,что можно прямо электричеством поддерживать точный ход часов в течениедлительного времени».
В новом издании своей книги Гримторп указывает причину, вследствиекоторой электрические часы не обеспечивают необходимую точность: «Всякий, ктоприступает к конструированию электрических часов, должен иметь в виду, чтовремя от времени
происходят изменения в напряжении тока, поступающего от источникатока. А это сказывается на точности хода часов».
Все эти затруднения были преодолены в ходе дальнейшего развития электрохронометрии.
7. Кварцевые часы
Точность астрономических часов Шорта была превзойдена кварцевымичасами, условия для появления которых были подготовлены развитием радиотехникии электроники.
История применения пьезоэлектрического кристалла кварца. Изучение физико-технических свойств кварца и их использование в технике (в частности, в областихронометрии) имеют свою небольшую, но интересную и во многом поучительную историю. Изучение свойств кварца привелок открытию пьезоэлектрического эффекта, который заключается в появлении наповерхности кристалла кварца при его сжатии или растяжении одинаковых по величине, но разноименныхэлектрических зарядов. Этот эффект впервые обнаружили и изучили в 1880 г.братья П. и Ж. Кюри на кристаллах турмалина и кварца; он получил название прямогопьезоэлектрического эффекта. В 1881 г. немецкий ученый Липпман, ознакомившись сработами Кюри, предположил существование обратного пьезоэлектрического эффекта, или механической деформациикристалла кварца, пропорциональной напряженности электрического поля. В том жегоду братья Кюри экспериментально подтвердили существование такого эффекта. Внастоящее время он используется в системе кварцевых часов.
Первая серьезная попытка использовать пьезоэлектрический эффект вэлектрической цепи была сделана в 1917 г. А.М. Никольсоном. Он применил сегментсегнетовой соли (пьезоэлектрик), чтобы создать устройство для превращенияэлектрической энергии в звук и обратно. На этой основе он создалгромкоговоритель и микрофон. Никольсон был одним из первых, кто сумелиспользовать пьезоэлектрические свойства кварца для контроля частоты. В 1918 г.французский физик П. Ланжевен применил пьезоэлектрический эффект кварца дляподводной сигнализации при помощи ультразвуковых колебаний.
Исследовательские работы по использованию пьезоэффекта кварца втехнике в качестве эталона частоты и времени были начаты в 1921 г. американскимученым Кеди, однако лишь в 1927–1930 гг. В.А. Маррисону – сотруднику телефоннойлаборатории Белла (США) – первому удалось применить высокочастотные колебаниякварца для создания часов. С этой целью был вырезан кусок кварца в форме кольцаиз кристалла таким образом, чтобы изменения частоты его колебаний с изменениемтемпературы были возможно малы. Кристаллическое кольцо было установлено вкамере с управляемой температурой, ее колебания допускались только в пределах ,01°С. В камере, где помещался кварц, атмосферное давление поддерживали напостоянном уровне. Камера находилась под герметическим колпаком. Колеба-ниякристалла были отрегулированы на частоту 100 кГц.
В 1937 г. большая работа по усовершенствованию конструкциикварцевых часов была проведена в Германии А. Шейбе и У. Адельсбергом,обратившими особое внимание на выбор наиболее рационального способаизготовления кварцевой пластинки. Они доказали существова-ние зависимостичастоты резонанса от ориентации и форм волн упругих колебаний кварцаотносительно кристаллографических осей. Выводы из этих исследований позволилиустановить нужные направления среза кусков кварца для уменьшения влиянияизменения температуры на резонансные частоты колебаний кварца.
В кварцевых часах, созданных Шейбе и Адельсбергом, примененыкварцевые бруски длиной 91 мм со сторонами сечения 11,4 мм; частота ихпродольных колебаний составляла 60 кГц.: Кварцевый стержень помещался в трубкус разреженным водородом, где прикреплялся в узлах упругих волн. Опытами былоустановлено, что если вырезать стержни так, чтобы их ось была параллельнаэлектрической оси кварца, то можно добиться весьма малого температурногокоэффициента, меняющего при температуре 36° С свой знак.
Когда первый каскад установки помещали в совершенный термостат притемпературе 36° С, то удавалось значительно снизить влияние колебаниятемпературы на частоту колебаний кварца. Благодаря этому и другим усовершенствованиямкварцевые часы Шейбе и Адельсберга оказались высокого качества.
Исключительное значение для дальнейшего усовершенствованияконструкции кварцевых часов имели результаты исследований Дайя и Эссена,проведенные в Англии в Национальной физической лаборатории над кварцем,вырезанным из кристаллического кварца в виде кольца. Эти исследования позволилианглийским инженерам в 1934 г. создать весьма совершенные кварцевые часы сосциллятором в виде кварцевого кольца, плоскость которого перпендикулярна оси Z. В том же году они былиприменены в Гринвичской обсерватории в качестве эталона частоты и временивместо маятниковых часов Шорта.
Отличительные свойства кварца как осциллятора. Кварц является веществом физически и химически весьма стойким. Онимеет твердость, почти равную рубину и сапфиру. Кроме физической и химическойстойкости, кварц обладает малым упругим гистерезисом и малым внутреннимтрением. Поэтому для поддержания его колебаний требуется небольшая энергия.Обладая слабым затуханием колебаний, кварц, как осциллятор, имеет высокуюдобротность (Q), равную 10–6 и более. В настоящее время нет другойколебательной системы, которая могла бы обладать такой остротой и стабильностьюрезонанса, как кварц.
Кристалл кварца имеет сложную структуру, которая характеризуетсярядом кристаллографических осей: оптической (Z), трех электрических (X) и трех механических (У).
8. Атомные часы
До 40-х годов XX в. приборы времени были основаны только наиспользовании колебаний механических осцилляторов – маятника, баланса соспиральной пружиной и кристалла кварца. У этих и других осцилляторов, имеющихмакроразмеры, собственная частота колебаний в значительной степени зависит отряда дестабилизирующих факторов (температуры, барометрического давления,степени старения материалов и т.д.). Поэтому они не могут обладать такойвысокой стабильностью, какая нужна для точного измерения времени.
Эталон времени и частоты, основанный на астрономическомопределении его, также оказался величиной непостоянной. Было установлено, что угловаяскорость вращения Земли изменяется, в результате чего продолжительность суток втечение года может отличаться от средней их продолжительности за год на Ѓ} 0,001с. Поэтому пришлось отказаться от меры времени–секунды как основного эталонавремени (1/86 400 доли солнечных суток).
В последние десятилетия развитие атомной физики и микроволновойрадиоспектроскопии привело к созданию принципиально нового эталона частоты ивремени на атомных постоянных, разработанного на основе изобретениямолекулярных и атомных часов. Последние основаны на применении такихосцилляторов, как атом и молекула, частота колеба-ний которых в микромирестрого стабильна и не зависит от внешних воздействий и для которых справедливызаконы квантовой механики. В молекулярных часах в качестве осцилляторовиспользуются группы молекул, в атомных часах – группы отдельных атомов. Крометого, эти квантово-механические приборы времени можно разделить, в зависимостиот выбранного вида осциллятора, на аммиачные, цезиевые, водородные, рубидиевыеи др.
Появление и развитие этих приборов времени произвело революцию вобласти измерения времени. Она явилась одним из важных направленийнаучно-технической революции XX в.
В развитии квантовой колебательной хронометрии до наших дней можновыделить два периода, из которых начальный приходится на подготовку и созданиев 1948 г.: первый – молекулярных (на аммиаке) часов, а второй падает уже на нашидни, так как именно за последние тридцать лет были созданы все моделимолекулярных и атомных часов.
Первые молекулярные часы, 1948 г. Вмолекулах возможны такие энергетические состояния, для которых изменениеэнергии (Еп – Ет), входящей в уравнения Бора,настолько мало, что частоты, соответствующие этим энергетическим разностям,лежат в области миллиметровых и сантиметровых волн.
В сантиметровом диапазоне радиоволн систематические исследованияначались с 1946 г., после освоения этого диапазона в результате развитиярадиолокации. Особенное значение для создания первых молекулярных часов имелоизучение радиоспектра газообразного аммиака в области сантиметровых имиллиметровых радиоволн. В газообразном аммиаке имеет место сильноеизбирательное поглощение на волне 1,25 см и существует еще ряд частот, прикоторых оно происходит. В разреженном газе эти области поглощения настолькоузки, что образуют спектральные линии поглощения. Совокупность спектральныхлиний дает радиоспектр газа.
В 1947 г. спектральные линии поглощения аммиака были применены длястабилизации частоты отражательного клистрона – широко распространенной электроннойлампы для генерации радиоволн сантиметрового диапазона, а в 1948 г. – длясоздания молекулярных (аммиачных) часов. Колебания атомов в молекуле происходятс относительно меньшей частотой, поэтому их легче было связать с механическойили электрической системой, показывающей время. Этим и объясняется то, чтораньше всего появились молекулярные, а не атомные часы.
Первые практические результаты, показавшие возможность созданиямолекулярных часов, постоянных в качестве эталона времени и частоты, были достигнутыв Национальном комитете стандартов в Вашингтоне на основе использованияпринципа, разработанного Гарольдом Лайонсом – сотрудникомнаучно-исследовательской лаборатории по изучению микроволн.
Опытным путем было обнаружено, что в волноводных трубках,заполненных аммиаком при атмосферном давлении 10 – 2, т.е. в сильно разреженномсостоянии, на волне 1,25 см можно получать довольно узкие спектры поглощенияаммиака. Впервые это явление было замечено в отношении газов в 1934 г.Клеетоном и Вильямсом.
9. Электрические и электронные наручныечасы
В последние десятилетия в развитии наручных часов отчетливонаметились две основные тенденции. Одна связана с дальнейшимусовершенствованием традиционных механических наручных часов с целью повышенияточности и стабильности их хода, другая направлена на создание новыхконструкций электрических и электронных наручных часов.
Основная идея совершенствования механических наручных часовзаключается в стабилизации импульса, сообщаемого часовым механизмом, и вобеспечении изохронизма колебательной системы в различных положениях. Так, часыс автоматическим заводом, непрерывно подзаводящим пружину, часы состабилизатором, выравнивающим момент на оси анкерного колеса, отличаются болеестабильным режимом работы, чем часы, не имеющие их. Однако на этом пути трудноожидать каких-либо кардинально новых технических решений, поскольку задлительный период существования механические часы в большей мере исчерпалиресурсы своего развития. Поэтому особый интерес представляет быстро развивающаясяобласть электрохронометрии. Электрические наручные часы способны работать втечение года (и более) от одной батареи. Увенчались успехом и усиленные поискипутей и средств для замены классической системы баланс–спираль новымивысокочастотными осцилляторами (камертон, кварц). Наручные камертонные часы выпускаютсяв США фирмой Бюлова миллионами штук. В настоящее время кварцевые наручные часымогут считаться уже вполне освоенными, серийное их производство налажено вомногих странах (Швейцария, Япония, СССР и др.). Добротность новых осцилляторовзначительно выше, чем добротность системы баланс–спираль. Необходимостьпреобразования относительно высокой частоты таких осцилляторов в сравнительномедленное движение стрелок связано с рядом трудностей. Они стали причиной того,что малогабаритные часы с такими осцилляторами появились с большим запозданием.
Однако в настоящее время основные проблемы, стоящие на путисоздания электронно-механических часов, получили более или менееудовлетворительное решение.
Электрические наручные часы. Отдельныепопытки использовать достижения электротехники для создания электромеханическиххронометров (с балансовым регулятором) имели место еще во второй половине XIX в.Именно к 1872 г. относится создание электромеханических хронометров И.А. Данишевскими к 1882 г.-И.А. Тимченко [19, 192–197] на основе работ русскойэлектротехнической школы, во главе которой тогда стояли Р.Н. Яблочков, А.Н. Лодыгини др. В 1904 г. в Женеве был выдан Н.А. Комприче патент на электрическийморской хронометр. К концу XIX в. среди изобретателей разных стран появляетсяинтерес к созданию карманных часов с электрическим приводом. В 1899 г. патентна электромеханические часы обычного типа был выдан Д. Бютхеру (США), а в 1900 г.– на электромеханический спусковой регулятор И. Купцову (Россия) [19, 200]. В1920 г. два французских изобретателя изготовили электрические карманные часы.Хотя в данной области было заявлено множество патентов, их реализациязадерживалась из-за непреодолимых в то время Трудностей, связанных сотсутствием миниатюрных батарей и с проблемой осуществления контактов инадежного спускового регулятора.
Исследования с целью создания наручных часов с электрическимприводом становятся более интенсивными начиная с 1945 г. В США и Франции на проведениеэтих исследований были вложены значительные средства. В печати того временивысказывались оптимистические прогнозы о том, что в 1953 г. появятся электронныенаручные часы и часовая промышленность переключится на их изготовление взаменмеханических часов. К сожалению, производство таких наручных часов вызвалобольшие трудности; их выпуск был на время прекращен. Тем не менее впроизводстве электрических часов крупного калибра были достигнуты значительныеуспехи; эти часы стали вытеснять даже механические часы.
Производство нового типа наручных часов началось не с электронных,а с электромеханических контактных часов. Они были созданы на основетрадиционной, хорошо освоенной часовщиками системы баланс–спираль с применениемв качестве источника энергии миниатюрной батареи. Первые промышленноизготовленные образцы наручных электрических часов появились во Франции в 1954 г.,а серийное их изготовление впервые осуществила в январе 1957 г. американскаяфирма Гамильтон. Особенно интенсивно производство наручных электрических часовстало развиваться с 1965 г.
10. Электронно-механические наручные часы
Рассмотренные конструкции электромеханических часов из-за наличияконтакта не могут обеспечить надежность в работе в течение длительного срокаслужбы. Другим принципиальным их недостатком является значительное рассеиваниемагнитного потока, что приводит к большим энергетическим потерям. Это вызвалопоиски других конструктивных решений, в первую очередь таких, где нетребовались бы электрические контакты. Дальнейший прогресс и заключался вприменении в наручных часах бесконтактного спускового механизма натранзисторах.
В 1918 г. В. Экклс и Ф, Джордан в Англии и в 1919 г. Г. Абрахам и Э.Блох во Франции применили трехэлектродные вакуумные радиолампы длябесконтактного управления импульс-ной катушкой маятника. Одновременно же онипредложили первую схему электронно-механического камертонного регулятора. Нотакая схема привода не нашла широкого примене-ния из-за малого срока службыэлектронных ламп и других причин. Положение изменилось после изобретениятранзисторов – кристаллических триодов точечного типа.
Джон Бардин и Уолтер Бреттейн 23 декабря 1947 г. обнаружили, чтогерманий может выполнять функции выпрямителя. В 1951 г. им удалось осуществитьразработку конструкции германиевого плоскостного триода – транзисторакакосновного элемента современной полупроводниковой техники. В 1956 г. этиизобретатели за открытие способности транзистора осуществлять все функцииприемно-усилительных ламп получили Нобелевскую премию. Это открытие имело своимследствием возникновение и развитие полупроводниковой техники и, в частности,применение германиевых транзисторов для создания электронно-механических часов.В электронно-механических часах имеется электронная система – формирования импульсадля приведения осциллятора в колебательное состояние. В качестве осцилляторараньше всего был применен маятник и баланс, а затем камертон.
Система привода в электронно-механических регуляторах представляетсобой электронно-механическое устройство, преобразующее электрическую энергиютока источника питания в механическую энергию импульса привода.
В настоящее время основное отличие электромеханических часов отэлектронно-механической практики сводится к способу переключения цепи источникатока в момент передачи энергии часовому осциллятору. В электромеханическихчасах это переключение осуществляется путем замыкания обычных контактов, а вэлектронно-механических – переключением транзистора, т.е. процесс формированияимпульса в этих часах осуществляется не с помощью контакта, а с помощьютранзистора. Соответственно этому электромеханические часы называютконтактными, а электронно-механические – бесконтактными.
Первые сведения об электронно-механических регуляторах натранзисторах, предложенных в 1953 г. французскими инженерами М. Лаве и Ж. Дитчем,появились в печати в 1957 г. На этом принципе в течение 1953–1956 гг.французская фирма Ато сконструировала электронно-механический хронометр типаХроностат, который стал выпускаться серийно фирмой Леруа. В нем в качестверегулятора применена система баланс – спираль с магнитно-электрической системойпривода, каскад формирования импульса собран на плоском германиевом триоде.
Списокиспользуемой литературы
1. Канн Г. Краткая история часового искусства. Л., 1926.
2. Завельский Ф.С. Время и его измерение. М.: Наука, 1977.
3. Время и современнаяфизика: (Сб. статей). Пер. с фр. М.: Мир, 1970
4. Бакулин П.И.,Блинов С.Н. Служба точного времени. М.: Наука, 1968.
5. Бек Т. Очерки по историимашиностроения. М.; Л.: Гостехиздат, 1933.Т. 1.
6. Бернал Дж. Наука в истории общества.М.: ИЛ, 1956.
7. Берри А. Краткая история астрономии.М.; Л.: Гостехиздат, 1946.
8. McCarthy J. Remington:A matter of time. N.Y.;.L., 1947.
9. Milham W.J. Time andtimekeepers. N.Y., 1945.
10. Агафонов В.К. Современная техника. М., 1915. Т. 3. Ч. II.
11. Геродот. История в девяти книгах. Л.: Наука, 1972.
12. Добиаш-РождественскаяО.А. Как люди научились узнавать время? Берлин, 1924.
13. Аксельрод3. М. Часовые механизмы: Теория, расчет и проектирование.
М.; Л.: Машгиз, 1947.
14. ШишеловЛ.П. Механика часового механизма. Л.: Кубуч, 1933. Ч. 1; Л.: ОНТИ,1935. Ч. 2.