Мир

Механика в часах

10.04.2023 - 06:00

Машина времени

Современность принесла в нашу жизнь много того, что не знало предыдущее поколение. Названия GPS и ГЛОНАС широко вошли в нашу жизнь на грани веков. Но их создавали не для нас, любителей выяснить, сколько километров ты пробежал или прошел на утренней тренировке, а для войны. Мы видим сейчас, как вся летающая, ездящая, плавающая техника использует спутниковую навигацию. Краеугольным камнем этой системы, помимо электронно-вычислительных узлов и космических аппаратов, являются устройства измерения времени. То, что в обиходе называют атомными часами, а специалисты – стандартами частоты и времени. Или, например, инерциальная навигация на подводных лодках или ракетах – гироскопы, акселерометры, вычислители и измерители времени. В принципе, вся навигация требует привязки к точному времени. Это сейчас, а что было раньше? Да то же самое.

Чем более точное у нас время, тем точнее определим свое местоположение. В эпоху Великих географических открытий точность определения места в Тихом океане плюс-минус 100 миль никого не удивляла. Если худо-бедно могли определить широту, то долгота зависела от точности часов. На экваторе уход часов на 1 минуту от времени нулевого меридиана давал ошибку порядка 27 километров. Представьте, насколько уходили корабельные часы за многие месяцы плавания. Вопрос точного времени стал стратегическим. Терялись открытые ранее земли и проливы, корабли тонули на рифах, которые, по мнению капитана, были далеко-далеко. Английский флот терял от навигационных ошибок больше кораблей, чем от боевых действий. В начале XVIII века был объявлен конкурс в 20 000 фунтов на создание морского хронометра. Работа над окончательным образцом велась более 50 лет.

Чтоб понять заслуги часового мастера Джона Гаррисона, нужно взглянуть в еще более ранние эпохи и понять, каким путем, какими пробами и ошибками человечество создало это произведение инженерного искусства. Очевидно, что тема измерения времени крайне объемна и многогранна, поэтому постараемся ограничить круг рассматриваемых вопросов механическими часами.

А цель статьи определим следующим образом – сформировать базовое представление о том, что послужило основой, на которой возникли часовые механизмы, какие устройства передали механическим часам свои детали, элементы, технические решения. Каковы основные принципы построения, как шаг за шагом изобретатели делали их лучше и лучше, дополняя новым функционалом, добиваясь новых возможностей. Путь к этой цели начинается с рассмотрения древних часов.

Для того, чтобы нагляднее представить генезис устройств измерения времени, выделим в них несколько подсистем, определяющих их работу:

• Узел, определяющий точность, стабильность хода. Тактовый генератор, осциллятор. В итоге таковыми стали маятник в настенных и башенных часах, балансир в наручных.

• Источник энергии – гири, медленно опускаемые вниз, закрученная пружина, вода в водяных часах.

• Узел синхронизации осциллятора с работой механической передачи и тактовой «подкачки» осциллятора реализован с помощью анкерного колеса и вилки (анкера), шагового привода.

• Сервисные устройства, например, звуковые сигналы, указатели движения планет, календарь, фигуры и иные подвижные декоративные и информационные элементы.

• Главная механическая передача, связывающая вышеуказанные подсистемы.

Попробуем на примерах рассмотреть, как развивалась каждая из этих подсистем в течение веков. Разбиение по подсистемам поможет нам выделить существенные изменения в тех случаях, когда в одном механизме сочетаются архаичные элементы и новые революционные решения.

Водяные часы Ктезибия. II в. до н. э.
Отступление

В Древней Греции клепсидры (водяные часы) были уже в V в. до н. э. Ими пользовались при судебных разбирательствах – определялось время, назначенное для произнесения речей: когда предметом разбирательства было не очень важное дело, воды наливалось немного, если же решалась судьба человека, вода наливалась до краев. Если речь прерывалась при чтении документов или опросе свидетелей, дырочки в клепсидре затыкались до тех пор, пока оратор не начинал говорить снова. Для двух ораторов наливалось одинаковое количество воды – они могли говорить одинаковое время, но двойное количество воды, налитое сразу, вытекало быстрее.

Об использовании клепсидр для установления продолжительности речи оратора в суде говорится в некоторых комедиях Аристофана, написанных за четыре века до нашей эры. В одной из комедий в качестве оратора упоминается Демосфен. Он обвиняет сторожа в «краже» воды, налитой в клепсидру. Когда в другом случае была прервана его речь, он потребовал остановить воду, подчеркнув таким образом, что он ценит каждый отведенный ему миг. Быть может наше выражение «лить воду» в разговоре, подразумевающее трату драгоценного времени, восходит к этому устройству.

В древности часы дневные и ночные были различными по длительности. День, то есть светлое время суток, независимо от времени года делился на 12 равных между собой частей, которые назывались дневными часами. Ночь – время, наступившее после захода солнца и продолжавшееся до его восхода, также делилось на 12 равных частей, каждая из которых называлась ночным часом. Таким образом сутки, как и теперь, делились на 24 часа, только они были разными по продолжительности. Понятно, что два раза в год – в периоды весеннего и осеннего равноденствия – дневные и ночные часы уравнивались, становясь равными нашим современным часам по длительности.

Итак, Ктези́бий или Ктесибий (греч. Κτησίβιος, годы деятельности 285–222 гг. до н. э.) – древнегреческий изобретатель и математик, живший в Александрии одним из первых применил законы гидравлики и механики в часах. Он построил водные часы с циферблатом и стрелками, а также повысил их точность.

Точность измерения зависела от равномерности и непрерывности процесса перетекания воды из сосуда в сосуд. Для обеспечения повторяемости процесса перетекания воды сосуд в клепсидре заполнялся только до определенного уровня. В клепсидру подавалась только очищенная вода. Из клепсидры вода непрерывной струей вытекала в другой сосуд. По количеству воды в нем и определялось время.

Водяные часы Ктезибия. Реконструкция и схема работы.
1. Емкость подачи воды. 2. Емкость с поплавком-указателем. 3. Сифон для суточного сброса воды. 4. Приводное колесо механизма поворота барабана. 5. Механизм поворота барабана. 6. Барабан со шкалой изменения дневных и ночных часов. 7. Указатель времени.

В водяных часах Ктезибия использован циферблат со шкалой, нанесенной на поворотном барабане. Поплавок с указателем двигался вертикально вдоль шкалы, которая была проградуирована в соответствии с различной длительностью дневных и ночных часов. Барабан с циферблатом был установлен на пьедестале, в котором находился механизм часов.

Кривые часовые линии, начерченные на колонне для всех 24 часов, были рассчитаны так, чтобы поднятие поплавка согласовывалось с неравными дневными и ночными часами. Для того чтобы учесть эти изменения длительности часов в зависимости от времени года, часовые линии меняли свое положение, относительно нижнего основания барабана – цилиндрического циферблата. Барабан поворачивался каждый день на 1/365 окружности так, чтобы в зимние месяцы указатель двигался над той частью циферблата, где линии дневных часов были ближе друг к другу, а линии ночных часов – дальше друг от друга, а в летнее время – наоборот.

На постаменте рядом с колонной-циферблатом находились две фигуры. Из глаз левой фигуры текли слезы, вода стекала по специальной трубе вниз в постамент и попадала в сосуд с поплавком. На штоке, присоединенном нижним концом к поплавку, сверху была установлена фигура со стрелкой указателем. По мере того как вода постепенно заполняла цилиндр, эта фигурка медленно приподнималась, и стрелка указывала время на циферблате. Когда наступал 24-й час, через сифон, установленный в сосуде с поплавком, вода быстро сливалась, позволяя указателю времени опуститься. Вода из сифона лилась на водяное колесо, которое при помощи системы шестерен поворачивало колонну на 1/365 полного оборота, чтобы привести линии часов в актуальное положение для измерения часовых интервалов следующего дня.

Посмотрим, как отразились инженерные решения, реализованные в этих часах, в пяти подсистемах механических часов, которые мы описали ранее.

Осциллятор еще не родился, до него далеко. Но был найден способ, повышающий стабильность истечения воды из самого первого сосуда. Глаза плачущей фигурки были из драгоценных камней с отверстием, а они отличались большей стойкостью к воздействию воды.

В качестве источника энергии для работы механизмов использовался вес воды.
Нет осциллятора, нет и синхронизатора. Ждем еще больше 1 000 лет.

В определенном смысле поворотный барабан с подстройкой под летнее/зимнее время повышал точность и являлся сервисным устройством. В ряде модификаций в таких часах использовался звуковой сигнал, как в водяном будильнике Платона, или механический ударный механизм.

Механическая передача совместно с гидравликой обеспечивала движение стрелки и циферблата. Модификации подобных устройств снабжались звуковыми сигналами, например, свистками, звенящими колоколами, падающими на гонг металлическими шарами.

Арабские часы. Середина XIII в.

Большой интерес представляют часы с ртутным регулятором, приведенные в «Книге астрономических знаний» (Libros del Saber Astronomie), составленной по арабским источникам группой ученых для Альфонса X Кастильского. Из трех научных сборников, которые Альфонсо X заказал между 1276 и 1279 годами, это единственное, которое сохранилось с полным нетронутым оригинальным текстом. Около четырехсот страниц описаний, таблиц расчетов, схем и чертежей, посвященных астрономическим инструментам, способам наблюдения за небесными объектами, обработке данных, карт звездного неба, в том числе описание часов.

Лист из рукописи Libros del Saber Astronomie с изображением схемы часов. 1. Емкость с ртутью, разделена перегородками с отверстиями и закрепленная на барабане. 2. Барабан с намотанной цепью, приводимый во вращение гирей. 3. Груз. 4. Некая механическая передача. 5. Ведущая шестерня. 6. Ведомая шестерня с циферблатом.

Груз, подвешенный к веревке, намотанной на барабан, уравновешивается весом ртути в отсеках ртутной емкости, поднятой при вращении барабана. Ртуть медленно перетекает из отсека в отсек, стремясь занять равновесное положение. Но это нарушает баланс всей системы и приводит к новому повороту барабана. Скорость вращения барабана зависит от объема ртути и размера отверстий. Перетекающая в емкости ртуть стабилизировала вращение барабана, пока веревка, обмотанная вокруг него, полностью не разматывалась.

Схема и описание часов с ртутным регулятором вращения из Libros del Saber Astronomie. Рисунок интересен в качестве примера первичного документа, с которым работают историки.

Надо отметить, что в современной литературе описания древних часов порой противоречат друг другу и сильно отличаются от схем и рисунков, представленных в этих же трудах. Схемы довольно приблизительные, не всегда рабочие или не полные. Оно и понятно, ведь эти механизмы до нас не дошли, а известны лишь в литературе. На примере с этими арабскими часами видно, насколько ограниченным оказывается материал, с которым приходится работать исследователям. Поэтому трудно утверждать ряд фактов со 100-процнетной точностью. Всегда есть вероятность ошибки, недопонимания информации, представленной в документе, да и на руках оказывается схема, лишенная многих важных деталей.

Еще одна иллюстрация часов представлена в трактате «Книга знаний об остроумных механических устройствах» (1206 год) выдающегося исламского механика, изобретателя, математика и астронома Аль-Джазари. В книге описаны конструкции десятков сложных технических изобретений, которые использовались в XII–XIII веках: часы, кодовые замки, фонтаны и музыкальные роботы.

Иллюстрация из трактата «Книга знаний об остроумных механических устройствах» Аль-Джазари.

Есть несколько реконструкций этих часов, но их реальность не стопроцентная. Поэтому в соответствии с описанием можно сказать, что зодиакальный круг поворачивался, в определенные моменты открывались дверцы с фигурками и надписями (самые левые дверцы на рисунке открыты, сверху фигурка, ниже табличка с надписью), расположенные под зодиаком, время от времени фигурки музыкантов начинали бить в барабаны, издавать звуковые сигналы. В более короткие промежутки из клюва птиц выпадали металлические шары, которые со звоном падали в чаши. Сами механизмы находились с задней стороны часов, были довольно сложными, чтоб обеспечивать весь этот функционал.

Водяные часы. Китай. 1066 г. н. э.

Древнюю традицию водяные часы имели в Китае. Сооружением таких часов здесь начали заниматься примерно в I–II веке н. э., в то же время, когда Герон Александрийский работал над своими изобретениями. Тогда Чанг Хенг построил небесный глобус, приводимый в движение силой воды. Позднее в 725 году И-Хсингом создан значительно более сложный часовой прибор с водяным приводным механизмом.

Наиболее совершенный проект был реализован в пагодных астрономических водяных часах, разработанных и построенных в 1090 году Су-Сунгом в провинции Хонан. Основой этого комплекса была трехэтажная башня высотой 9 м.

Эти часы имели сигнальное устройство времени, похожее на то, которое имелось у водяных часов Ктезибия. Тактовое движение колеса регулировалось посредством спускового механизма, называвшегося «небесным рычагом включения». В 1090 году Су-Сунг установил в столице империи астрономические водяные часы в восточных воротах города.

Астрономическая часть часов Су-Сунга имела форму армиллярной сферы* и небесного глобуса**.

*Армиллярная сфера (от лат. armilla – браслет, кольцо) – астрономический инструмент, употреблявшийся для определения экваториальных или эклиптических координат небесных светил. Армиллярная сфера – это символ Санкт-Петербурга, украшает башню Кунсткамеры.

**Глобус небесный, шар, изображающий небесную сферу с сеткой экваториальных координат, эклиптикой и наиболее яркими звёздами.

Внешний вид и общая схема этих часов видны на реконструкции, выполненной Христиансеном, и приведены на рисунке. Привод этих часов осуществлялся от большого водяного колеса, обеспечивающего движение часов в целом. Существуют предположения о некой аналогии водяного «спускового» механизма Су-Сунга со спусковым устройством механических часов. Во всяком случае, многие считают, что принцип регулятора хода астрономических часов Су-Сунга является важным соединительным звеном между водяными и механическими приборами измерения времени. Можно предположить, что главное водяное приводное колесо работало как шаговый привод, а стабильность тактов осуществлялась системой связанных емкостей, наполненных водой, и устройствами, стабилизирующими время их заполнения.

Пагодные астрономические часы Су-Сунга. Реконструкция

Пятиэтажная пагода представляла собой механическое устройство для отсчета и показа времени с помощью деревянных фигур. В определенный момент времени эти фигуры появлялись в одном из этажей пагоды и указывали время.

На первом этаже пагоды три дверцы. Из левой по истечении каждых двух часов появлялась фигура в красном одеянии и звонила в колокол; вторая фигура, одетая в зеленое, появлялась из средней дверцы через каждые четверть часа и ударяла в бубен. Третья фигура в фиолетовом показывалась в правой дверце и била в колокол через каждые полчаса.

На втором этаже пагоды фигура показывалась в дверцах каждый час, а на третьем – через каждые четверть часа. На четвертом и пятом этажах были размещены фигуры, которые показывали время восхода и захода Солнца, время года и соотношение дневных и ночных часов для данного сезона года.

Через 30 лет после создания часы попытались перевезти в Пекин, но собрать вновь и заставить работать их не удалось. Строители посчитали, что Су-Сунг намеренно упустил важные детали в своем трактате, чтобы другие не украли его идеи.

Схема привода пагодных часов.
1. Водовзводный механизм, реализовано «безотходное производство». Использованная вода возвращалась в систему с помощью внешнего привода. 2. Система предварительного дозирования воды. 3. Водяное колесо, обеспечивающее привод всего механизма. На нем использовалась система рычагов и защелок, позволяющих колесу повернуться лишь на один шаг при заполнении ковша, так называемого «небесного рычага включения». 3. Угловая передача и главный распределительный вал. 5. Комплекс механизмов, отвечающих за работу устройств пагоды. 6 и 7. Варианты механизма поворота небесного глобуса. 8. Механизм привода армиллярной сферы.

В книге Су 1092 года описан самый старый из известных вариант бесконечной передачи энергии с помощью цепного привода. Она называлась «небесной лестницей» и использовалась для соединения главного ведущего вала его часовой башни с редуктором армиллярной сферы (который был установлен наверху башни). Парадокс в том, что есть вышеуказанная информация, даже есть некий рисунок этой передачи, но ни в реконструкциях часов, ни в кинематических схемах её найти не удалось. Такая же история со спусковым механизмом. Есть отдельные схемы, даже с описанием тактов работы, но на общих видах этот узел отсутствует. Поэтому приходится подходить к материалам с определенной долей скепсиса.

Замечание. В Китае случаются похолодания с температурой ниже ноля градусов. Для борьбы с остановкой часов в таких условиях ученый Чжан Сиксун (976 г. н. э.) использовал ртуть вместо воды в водяном колесе его башни с астрономическими часами, поскольку ртуть замерзает при температуре –39 градусов.

Резюмируем

Продолжается упорная борьба за стабильность процессов, определяющих работу механизмов.

В качестве источника энергии для работы механизмов использовался вес воды.
Создается впечатление, что китайским мастерам все-таки удалось создать тактовый привод часов на основе механики и гидравлики.

Кроме индикации времени, были смоделированы движение небесной сферы и иные астрономические явления.

Механическая передача совместно с гидравликой обеспечивала работу всего комплекса.

Регулятор подачи воды для водяных часов

Интересным примером технического решения, направленного на повышение точности водяных часов, является регулятор скорости подачи воды. Его задача обеспечивать постоянство давления в точке излива посредством поддержания заданного уровня воды в подающей емкости.

Схема регулировки подачи воды в водяных часах.

Первичный бак 1 оборудован поплавком с индикацией наполнения. Эта емкость должна быть всегда наполнена, неважно до какого уровня. Дальше идет кран грубой регулировки. Судя по описаниям, использовался притертый бронзовый поворотный кран (у нас подобные раньше применялись на газовых сетях). Дальше установлен сосуд с клапаном, обеспечивающим постоянный уровень жидкости, а значит и постоянство давления на выпускном отверстии (дозаторе) системы. Понятно его функционирование – вода уходит из емкости 2, поплавок опускается, клапан открывается, вода поступает, повышая уровень, что приводит, в свою очередь, к отключению подачи воды. Каждый из нас знаком с подобным устройством у себя дома.

Устройство 3 предназначено для точной настройки системы подачи воды и позволяет произвести окончательную калибровку водяных часов. Диск с трубкой установлен на выходной штуцер емкости 2. Поворачивая его вокруг горизонтальной оси, можно установить излив системы на разном уровне относительно стабильного уровня воды в сосуде 2, тем самым получить разное давление и различный объем вытекающей воды.

Завершая первую часть статьи, нужно отметить, что в древности одновременно использовались различные типы часов: солнечные, водяные, песочные, на основе горючих материалов.

Водяные являлись наиболее сложными в инженерном смысле и отличались богатством украшений. Они были имиджевыми изделиями для общественного использования, требовали дорогого обслуживания и ремонта.

Солнечные же в большей степени являлись элементом городского устройства, украшали храмы, площади, дворцы. Были наиболее точными, но работали днем, не являлись мобильными, требовали высокого уровня научных знаний для изготовления. Было создано множество очень интересных конструкций, и именно они сохранились более всего.

Песочные и часы на основе горючих материалов использовались для измерения временных отрезков, были дешевы, лучше подходили для частного использования.

Среди археологических находок нет артефактов, которые однозначно можно было бы считать часовым механизмом, кроме одного. Правда, и это устройство не часы, часто его называют античным компьютером и древней вычислительной машиной, однако оно показывает уровень точной механики, достигнутой в древности. Имеется в виду антикитерский механизм, уникальное устройство, созданное в 150 году до н. э., которое не было повторено еще полторы тысячи лет. Про это в следующей части.

Одна из реконструкций антикитерского механизма