Солнечные и водяные часы появились тогда, когда людям стало недостаточно приблизительно различать утро, полдень и вечер. Солнечный прибор превращал движение тени в шкалу времени, а водяной позволял измерять промежутки ночью и в помещении. Единственного изобретателя первых часов назвать нельзя: разные конструкции постепенно создавались и улучшались в нескольких древних обществах.
Что вообще делает прибор часами
Часы должны связывать равномерно повторяющийся или постепенно изменяющийся процесс со счётом времени. У солнечных часов таким процессом кажется движение Солнца по небу, которое на самом деле вызвано вращением Земли. У водяных часов используется течение жидкости. В обоих случаях нужна шкала, позволяющая сопоставить наблюдаемое изменение с условными частями суток.
До приборов люди уверенно узнавали рассвет и закат, следили за небом и сезонами. Но эти ориентиры давали лишь приблизительный ответ. Подробнее этот этап описан в статье о том, как узнавали время в древности.
Как работают солнечные часы
Простейшая идея солнечных часов понятна из обычной тени от палки. Пока Солнце перемещается по видимому небосводу, направление тени меняется. Если поставить указатель в рассчитанном положении и нанести вокруг него отметки, тень будет последовательно пересекать шкалу.
Указатель называется гномоном. Его ориентация зависит от конструкции и широты места. В хорошо рассчитанных горизонтальных солнечных часах гномон направляют параллельно земной оси. Тогда тень движется по циферблату предсказуемо, хотя расстояния между часовыми линиями получаются неодинаковыми.
Древние устройства могли быть проще. Египетские теневые часы и обелиски помогали делить светлую часть суток, а направление и длину тени сопоставляли с известными периодами дня. Существовали горизонтальные, вертикальные и переносные варианты.
Почему солнечные часы показывают местное время
Солнечный полдень наступает, когда Солнце проходит местный меридиан и находится наиболее высоко. В городе, расположенном западнее, это произойдёт немного позже, чем в городе восточнее. Поэтому солнечные часы естественно показывают местное солнечное время, а не единое время большого региона.
Кроме того, видимое движение Солнца в течение года не идеально равномерно относительно обычных часов. Земная орбита не является точным кругом, а ось наклонена. Разница между истинным солнечным и средним временем может достигать заметных минут. Для древней повседневности это было приемлемо, но для поздней навигации и связи потребовались поправки.
Главный недостаток очевиден: без прямого солнечного света тени нет. Прибор не работает ночью, в густой облачности и внутри здания. Поэтому люди искали процесс, который продолжался бы независимо от неба.
Как устроены водяные часы
В простом варианте вода медленно вытекает из сосуда через небольшое отверстие. По снижению уровня и отметкам на стенке определяют прошедшее время. Возможна обратная схема: вода равномерно поступает в ёмкость, а поднимающийся поплавок показывает значение на шкале.
Такие часы называют клепсидрой. Известны древнеегипетские водяные сосуды, а греческие, эллинистические, китайские и другие мастера создавали более сложные механизмы с поплавками, указателями, колёсами и звуковыми сигналами.
Водяной прибор мог работать ночью и в помещении. Он был полезен там, где нужно ограничить продолжительность речи, распределить смены или назначить ритуал. Но равномерность потока добиться трудно.
Почему вода течёт не совсем равномерно
Если вода вытекает снизу, давление у отверстия зависит от высоты столба жидкости. Полный сосуд обычно опустошается быстрее, чем почти пустой. Форма ёмкости и положение отметок должны компенсировать это изменение.
На результат влияют диаметр отверстия, загрязнение, температура и свойства жидкости. На холоде вода может замёрзнуть. Испарение тоже создаёт ошибку. Поэтому хороший древний водяной прибор требовал не только красивой шкалы, но и практической калибровки.
Мастера использовали сосуды особой формы, поддерживали постоянный уровень в питающей ёмкости и передавали движение поплавка на указатель. Так часы постепенно превращались из простого сосуда в систему регулирования.
Были ли древние часы точными
Точность нужно оценивать относительно задачи. Солнечные часы в ясный день могли достаточно хорошо разделить время работы или обряда. Водяные часы позволяли сравнивать интервалы там, где раньше оставалось полагаться на ощущение длительности. Но ни один из этих приборов не давал современной стабильности.
Древний «час» также не всегда был равен нынешним 60 минутам. Если дневное и ночное время делили на двенадцать частей, продолжительность часа менялась вместе с сезоном. Для такой системы шкалу водяных часов иногда приходилось корректировать по месяцам.
Почему нельзя назвать одного изобретателя часов
Часы не возникли готовым устройством в одной мастерской. Наблюдение за тенью доступно множеству культур, а истечение жидкости является очевидным повторяемым процессом. Археологическая находка показывает, что конкретная конструкция существовала не позднее определённой даты, но не всегда раскрывает момент первой идеи.
Правильнее говорить о длинной цепочке усовершенствований. Один мастер размечал шкалу, другой стабилизировал поток, третий добавлял поплавок или сигнал. Знания распространялись между регионами и соединялись с местными традициями астрономии и ремесла.
Похожим образом развивались первые календари: общество постепенно согласовывало природные циклы с удобными правилами счёта.
Как ранние часы привели к механическим
Водяные устройства уже содержали идеи, важные для будущей механики: источник движения, регулятор, передачу и указатель. В сложных башенных системах поток мог поворачивать колёса, приводить в движение фигуры и подавать сигнал.
Следующий решающий шаг состоял в том, чтобы заменить течение воды механическим источником энергии и дозировать движение с помощью спускового механизма. Так началась эволюция механических часов.
Между водяными и механическими приборами распространился ещё один простой измеритель интервала. Статья о том, почему появились песочные часы, объясняет, почему пересыпающийся материал оказался особенно удобен в дороге и на корабле.
Что изменило изобретение часов
Часы отделили измерение времени от одного непосредственного взгляда на небо. Впервые продолжительность можно было задавать прибором, повторять и сравнивать. Это помогло согласовывать действия внутри храмов, мастерских, городов и судов.
Третий шаг маршрута «От солнечной тени до атомной секунды» показывает важный переход: человек перестал только наблюдать природный ритм и начал воспроизводить его в устройстве. Все последующие часы развивают тот же принцип – находят устойчивый процесс и считают его изменения.
