Солнечные и водяные часы

Гр. ГРИГОРЬЕВ и Г. ПОПОВСКИЙ

Лучи солнца, проникая между. листьями ветвистого дерева, образуют на земле причудливые узоры, зыбкие, как колеблемая ветром поверхность озера или реки. Но освещенный солнцем неподвижный шест или острый выступ стены отбрасывают ровную полоску, кажущуюся неподвижной. С течением времени медленно движется тень неподвижного предмета. Утром она самая длинная, затем укорачивается и вовсе пропадает, когда солнце стоит над самой головой. А когда дневное светило начинает клониться к закату, тень опять постепенно удлиняется, но уже в противоположном утреннему направлении. Много веков назад длину тени воткнутого в землю шеста измеряли ступнями ног. Число ступней, укладывавшихся на тени, менялось в течение дня.

Древний грек садился за стол к обеду, когда длина тени шеста составляла ровно двенадцать ступней. При длине в шесть ступней он совершал омовение. Обозначение времени числом ступней вошло в его быт. Им пользовались древние писатели, философы, судьи. Так родились солнечные часы, получившие название гномона.

С развитием человеческого общества совершенствовался инструмент для измерения времени. Гладкая поверхность, на которую падала тень от шеста, изрезывалась линиями. Определенные точки на этой поверхности, называемой кадраном (циферблат), обозначались цифрами. Можно уж было не мерить тень ступнями, — переходя от линии к линии, от цифры к цифре, тень указывала час дня.

Освещенный солнцем вертикальный шест отбрасывает ровную полоску тени. Длина тени меняется в зависимости от высоты солнца над горизонтом. Ею люди древности меряли время. Так создались солнечные часы «гномоны». Гномонам придавали форму линейки, обелиска, пирамиды и т. д. На рисунке: один из таких гномонов — обелиск Августа в Риме.

*

Деление суток на часы было известно еще вавилонянам, — древнему народу, жившему в Вавилонии — плодородной стране между реками Тигром и Ефратом. У вавилонян была сильно развита сельскохозяйственная культура, архитектурное искусство, астрономия. Потребностями сельского хозяйства, необходимостью регулировать полевые работы было вызвано появление календаря.

За три тысячи лет до нашей эры вавилонские астрономы, наблюдая за кажущимся движением солнца, заметили, что в течение дня оно как бы описывает в небе полукруг. В равноденствие (когда день равен ночи) они подсчитали, сколько раз можно уложить на этом полукруге солнечный диск, чтобы получилась одна сплошная цепь. У этих первых астрономов не было точных инструментов, но они все же определили, что на своем дневном «пути» солнце укладывается сто восемьдесят раз. Отсюда они сделали вывод, что и ночью, когда солнце совершает свой «путь по ту сторону земли», оно также должно уложиться сто восемьдесят раз в «ночном» полукруге. Таким образом, весь суточный «путь» солнца исчислялся в триста шестьдесят «шагов».

Так получилась новая мера времени — \(\frac1{360}\) часть суток. Но эта мера была слишком мала, и ею было трудно пользоваться в быту. Тогда вавилонские астрономы решили делить на двенадцать частей день и на двенадцать частей ночь — по числу созвездий, через которые солнце проходит за год.

Поэтому у древних вавилонян продолжительность часа зависела от времени года. Летом, например, дневные часы были длиннее, чем ночные, а зимой — короче.

Первым ученым древности, который разделил сутки на двадцать четыре равных часа, был Клавдий Птоломей — греческий геометр, астроном и физик, живший в Александрии в первой половине II в.

*

Кто же был изобретатель, соорудивший первые солнечные часы? В дошедших до нас старинных записях об этом существуют противоречивые сведения. Древний историк грек Плутарх в своих знаменитых «Жизнеописаниях» рассказывает о сиракузском тиране Дионисии (IV в. до нашей эры), который построил солнечные часы в форме пирамиды. А по сообщению Диогена Лаэрция, первый гномон воздвиг в Греции философ Анаксимандр приблизительно за полтысячелетия до нашей эры. Его часы также имели форму пирамиды.

С развитием человеческого общества совершенствовался инструмент для измерения времени. На рисунке: солнечные часы Андроника из Кирра — гномон в форме чаши с линиями на ее вогнутой поверхности. В середине чаши укреплялось острие, тень которого падала на ту или иную линию. Линии указывали час дня.

Знаменитый греческий историк Геродот, посетивший много стран древнего мира и описавший их в своих многочисленных сочинениях, утверждает, что искусство строить гномоны было завезено в Грецию вавилонским жрецом Берозом в III в. до нашей эры.

Гномонами широко пользовались в государствах Малой Азии, в Греции, Риме и других странах.

«Прежде голод был для меня лучшими и наиболее верными часами, — говорится в комедии римского поэта Плавта «Беотия» (III в. до нашей эры). — Но сейчас я уже могу есть, только когда это угодно солнцу. Надо считаться с его ходом, весь город полон часов...»

Солнечным часам придавалась различная форма: линейки, треугольника, пирамиды, обелиска.

Обелиск — высокий, суживающийся кверху столб. Один из египетских обелисков — обелиск из Луксора — стоит сейчас на площади в Париже. Наполеон вывез его из «страны пирамид» как один из трофеев завоевательного похода в Египет.

Вавилонскому жрецу Берозу, жившему за три века до христианской эры, приписывается изобретение одного из наиболее распространившихся в ту пору гномонов.

Бероз, один из ученейших людей того времени, познакомил греков с вавилонской астрономией и астрологией и написал историю своей страны.

Изобретенный им гномон имел форму полусферы, выдолбленной в каменном кубе.

Знаменитый греческий астроном Аристарх, из города Самосса, в III в. до нашей эры создал учение о движении земли вокруг солнца. Он подарил своим современникам гномон, в котором линии на кадране были вычерчены на основе точных астрономических расчетов.

Уже в I в. до нашей эры архитектор Витрувий заметил, что тень, отбрасываемая гномоном, изменяется в зависимости от расположения того или иного места на земле. При переносе гномона из одного города в другой нужно было сделать новые расчеты и наносить новые линии на поверхность, куда падает полоска тени от острия солнечных часов. Эти математические расчеты были тем более сложны, что от одного дня к другому изменяется положение земли по отношению к солнцу.

В 1755 г. при раскопках города Геркуланума (в Италии, у подножия Везувия) был найден переносный, годный для путешествий гномон. Маленький кадран из посеребренной меди имел форму окорока. На поверхности его были начертаны семь вертикальных прямых линий, пересеченных семью кривыми линиями. Острием гномона, бросавшим тень на «циферблат», служил свиной хвостик. «Окорок» подвешивали за колечко и поворачивали до тех пор, пока тень от хвостика не падала на линию, обозначавшую данный месяц. По другим линиям определяли час дня.

Развитие экономики древнего общества вызвало необходимость в переносных дорожных часах. На рисунке: переносные часы — «окорок». Острием гномона, бросавшим тень на «циферблат», служил свиной хвостик. «Окорок» подвешивали за кольцо и поворачивали до тех пор, пока тень от хвостика не падала на линию, обозначавшую данный месяц. По другим линиям определяли час дня.

*

В XV в. Паоло Тосканелли устроил солнечные часы в здании Флорентийского собора. Солнечный луч проникал в здание сквозь отверстие в своде.

В XVI в. монах Игнатий Данте устроил подобный гномон в церкви св. Петрония, в Болонье. Гномоны появляются в Большом зале Парижской обсерватории, Версальском дворце и во многих других местах.

Широкое распространение находят солнечные часы в странах Европы, в Америке, на Востоке.

Любопытный гномон был построен в начале XVI столетия в австралийском городке Бру. Шпиль на этом гномоне был заменен... живым человеком. Человек становился на длинную плиту с заглавными буквами названий двенадцати месяцев года. Буквы были расположены двумя параллельными линиями. Человек должен был стать близко к букве, показывающей текущий месяц, тогда тень человека падала вниз на одну из цифр, представлявших собой двадцать четыре гравированных каменных куба. Цифра указывала час дня.

В средние века можно было встретить немало гномонов, представлявших собой очень драгоценные изделия. Они имели различные очертания: круглые, квадратные, шестигранные, восьмигранные. Кадраны этих переносных солнечных часов были сделаны из золота или слоновой кости и украшены редкими камнями. Этими красивыми инструментами еще пользовались в середине XVII столетия для регулирования изобретенных уже в ту пору механических часов.

Солнечными часами пользовались не только в античную эпоху, но и в средние века и даже в новое время. Наряду с гигантскими гномонами создавались по заказу королей и придворной знати часы небольших размеров с кадраном (циферблатом) из золота и слоновой кости, украшенным драгоценными камнями. На снимке показан один из портативных гномонов XVII в.

По заказу папы Климента IX, в 1701 г. мастером Франциском Бианчини был сооружен в Риме гномон, поражавший своим великолепием. Он был украшен блестящими фигурами, представлявшими собой инкрустированные в мраморе знаки Зодиака и позолоченные бронзовые звезды.

В XVIII в. механик Ренье сконструировал солнечные часы, извещавшие людей о наступившем полдне громким звоном. Для этого Ренье использовал целую систему гномонов. Он приспособил их к пробуравленным дискам, в отверстия которых были вставлены оптические стекла специальной формы. Ровно в полдень солнечные лучи преломлялись стеклами так, что собирались в одной точке определенного уголка прибора, где находилось несколько зернышек пороха. Порох воспламенялся, и газы его приводили в движение пружины, соединенные рычажками и колесиками с колоколами. На площади поднимался трезвон.

Механика Ренье затмил мастер Руссо. Он заменил колокола пушкой, которую в полдень гномон заставлял стрелять.

*

Люди древности для определения времени не всегда могли пользоваться солнечными часами. Хорошо, когда светило солнце на безоблачном небе, когда воздух был чист и прозрачен. В сумрачный день гномон оказывался бесполезным: его острие не отбрасывало тень на площадку, исчерченную линиями и кругами; через отверстия сводов зданий проникал лишь тусклый свет. Ни солнечных пятен, ни теней... Нельзя было без солнца определить время при помощи гномона. Солнечные часы бы ли бесполезны ночью.

Еще в глубокой древности появился достойный соперник солнечных часов — водяные часы. Они получили название «клепсидры», что значит по-гречески «воровка воды».

Древняя страна северной Африки — Алжир — покрыта отрогами гор и пустынями, поэтому некогда населявши ее берберы высоко ценили воду, необходимую для орошения полей. Вода, выходившая из источников в горах, струилась по каналам, прорытым по указанию ученых. Распределением воды ведали особые лица, называвшиеся «укиль-эль-ма». Пуская воду в канал владельца сада или поля, укиль-эль-ма зачерпывал некоторое количество ее в специальный медный чан с дырочкой на дне. Когда содержимое сосуда вытекало капля за каплей, он прекращал подачу воды.

Медный чан с дырочкой на дне был не чем иным, как водяными часами.

Наряду с гномонами были распространены водяные часы — «клепсидры». На рисунке: простейшая клепсидра в форме конуса с узким отверстием внизу. Вода, которая наполняла конус, капля за каплей вытекала в приемник. На стенках приемника или конуса наносились деления. Уровень воды изменялся от одного деления до другого за определенный отрезок времени.

Водяные часы, или, как называли их, клепсидры, были широко распространены в древней Греции, Риме, Египте, Иудее, Вавилонии, Халдее, Финикии. Они составляли необходимую принадлежность греческих судебных учреждений. Когда суд в Афинах приступал к разбору дела, время для речей обвинителя, обвиняемого и его защитника регламентировалось при помощи клепсидры.

Водяными часами широко пользовались в домашнем быту для счета ночных часов. Специально приставленный раб наполнял клепсидру и всякий раз, как сосуд опорожнялся, делал мелом знак на доске. По числу этих знаков можно было судить о количестве часов, протекших после захода солнца. Одна из клепсидр представляла собой сосуд в форме конуса, сделанный из глины и подвешенный в особой нише в стене. К вершине конуса была приделана узкая трубка, по которой капля за каплей вытекала вода в приемник. Стенки приемника имели деления; каждое деление — час. Иногда деления наносили не на приемнике, а на самом конусе. Но такие клепсидры были неточным инструментом для измерения времени, так как вода вытекала не равномерно, а тем скорей, чем выше был ее уровень в сосуде, т. е. чем больше было давление.

*

Впервые точные водяные часы сконструировал и построил даровитый изобретатель и ученый Ктезибий из египетского города Александрии. Он жил приблизительно за сто лет до нашей эры.

Сын цирюльника, Ктезибий в юности сам занимался ремеслом отца. В ранние годы проявились у него склонности к изобретательству. Он смастерил некоторые инструменты, облегчавшие работу цирюльника. Но дух изобретательства толкал его на открытия, выходившие за пределы несложного цирюльного ремесла.

Наблюдая за течением воды под разными давлениями, Ктезибий пришел к мысли о гидравлической машине. Его идея претворяется в жизнь, и одна за другой из рук изобретателя выходят гидравлические машины различных конструкций. Одна из замечательных конструкций Ктезибия — водяные часы.

Это уже довольно сложный аппарат, в котором была применена система колесиков, приводимых в движение водой.

Клепсидра Ктезибия представляла собой широкий футляр, соединенный с вертящимся валом. Вал, служивший циферблатом, был разделен по высоте своей на двенадцать частей (часов), а по окружности — на триста шестьдесят пять частей (дней). По обеим сторонам вала находились фигурки крылатых мальчиков. Один из них непрерывно ронял из глаз «слезы», которые падали к его ногам, и капля по капле струились по трубке внутрь футляра в особый сосуд. Из этого сосуда по коленчатой трубке «слезы» выливались в другой сосуд с плавающим в нем поплавком. От поплавка шла трубка, на конце которой находилась фигурка другого крылатого мальчика со стрелкой в руке. Вода притекала от плачущего мальчика и заставляла поплавок постепенно подниматься и поднимать все выше и выше мальчика со стрелкой, скользившей по циферблату. Когда стрелка доходила до последней черточки на верху сосуда, вода перетекала через через коленчатую трубку, и мальчик со стрелкой падал вниз в первоначальное положение.

Клепсидра, которую сделал Ктезибий, живший за сто лет до нашей эры. Она представляет собой сложный аппарат, в котором применена система зубчатых колес.

Затем начинался второй рейс мальчика со стрелкой, третий и так далее. Каждые двадцать четыре часа из коленчатой трубки падала вода на колесо с лопастями, поворачивая его. От колеса с лопастями вращение передавалось зубчатым колесам, а от зубчатых колес — валу с циферблатом. Вал поворачивался на некоторый угол, — показывал наступление нового дня, и в то время, когда один крылатый мальчик поднимался, а затем опускался, совершая рейс за рейсом, другой мальчик непрерывно ронял «слезы», которыми его снабжала трубка, соединенная с водопроводом.

Ктезибий изобрел и другие остроумные водяные часы — клепсидру с барабаном, отдаленно напоминающую наши часы. Весь механизм этой клепсидры был заключен в большой футляр. Круглый циферблат, разделенный на двенадцать частей (часов), находился снаружи футляра.

Вторая клепсидра изобретателя Ктезибия снабжена барабаном, напоминающим современные часы. Барабан служил для того, чтобы устанавливать соответствие между движением стрелок и длиной часов, которая зависела от продолжительности дня и ночи.

Вода поступала в резервуар и затем по трубке вытекала в большой барабан, являвшийся фасадом часов. Вытекая из отверстия, расположенного на верху барабана, вода проникала в маленький барабан, входивший в первый. Маленький барабан имел неодинаковую емкость в верхней и нижней частях, поэтому он получал то большее, то меньшее количество воды в зависимости от занимаемого им положения. Из маленького барабана вода возвращалась по трубке в резервуар и оттуда через рот фигуры вытекала в приемник, на поверхности которого находился поплавок, подвешенный на цепочке. Цепочка была намотана на ось и заканчивалась противовесом. Поплавок поднимался по мере повышения уровня воды в приемнике, а противовес опускался, заставляя вращаться ось, на которую были насажены стрелки циферблата.

Большой и малый барабаны регулировали поступление воды в приемник. В ту эпоху, две тысячи лет назад, продолжительность каждого часа зависела от длины дня — промежутка времени между восходом и заходом солнца. Мы уже знаем, что этот промежуток времени, какова бы ни была его величина, делился на двенадцать равных частей, от чего продолжительность часа менялась из месяца в месяц и даже от одного дня к другому. Вот почему древние изобретатели — часовщики —- так усложняли свою конструкцию. Нужно было установить соответствие между движением стрелок и длиной часа, зависящей от продолжительности дня или ночи. Для этого и служили барабаны в описанной нами клепсидре.

*

Даровитый Ктезибий был не единственным изобретателем водяных часов, построенных на основе точных научных расчетов.

Нам известно, что знаменитый древний философ Платон изобрел гидравлический прибор, издававший звуки. Этот прибор собирал учеников философа на занятия в Академию. Нам известна и «сфера» великого ученого древности Архимеда, показывающая точно не только часы, но и движение солнца, луны и других известных в ту пору планет. Упоминания о водяных часах мы встречаем во многих литературных памятниках.

Большинство этих замечательных водяных часов, подлинных шедевров античной техники, было разрушено с падением Римской империи. Но и в следующую эпоху раннего средневековья, менее богатую изобретениями и научными открытиями, чем древние века, мы встречаемся с клепсидрами. В VI в. два философа Боэций и Кассиодор соорудили по принципам Ктезибия клепсидры, показывавшие и часы, и дни, и месяцы.

В начале IX в., как говорят нам старинные рукописи, калиф абассидов Гарун аль Рашид подарил королю Карлу Великому самую великолепную из всех известных клепсидр. Она была сделана из дамасской позолоченной бронзы и обладала очень остроумным механизмом: к концу каждого часа падали маленькие железные шарики и раздавалось столько ударов, сколько часов показывала стрелка на циферблате; затем в приборе открывалось двенадцать окошечек и из них выходило столько рыцарей, сколько было ударов; совершив тур, рыцари возвращались, и окошечки захлопывались.

*

В алжирском городе Тлемсене математик Ибн-ил-Фаам соорудил часы, представлявшие собой куст. На кусте сидела птица, пряча под крылом своих птенцов. Снизу, из своего убежища, выползала и двигалась к птенцам змея. К концу каждого часа из двух больших дверей сооруженного у куста домика выходили орлы и роняли из клювов своих по медному шарику в бассейн с водой. В этот момент змея, успевшая уже добраться до верхушки куста, издавала пронзительный свист и кусала одного из птенцов. Тогда открывалась маленькая дверь домика и выходила фигурка девушки. Левая рука девушки поднималась к кустам, а в правой она держала тетрадь с выгравированными на ней стихами. В стихах говорилось о данном часе и выражалась хвала калифу.

Механический орел и фигурки героев греческой мифологии принимают участие в работе часов города Газы (Сирия). Это было монументальное сооружение, украшавшее площадь города. Четыре колонны поддерживали крышу, на которой находилась голова Горгоны — мифического чудовища, — безумно вращавшая глазами при бое часов. В одном из пространств между колоннами была стена с двенадцатью окошечками, а под ними — ряд дверок, над одной из которых — фигура парящего орла.

Каждый час одна из дверей открывалась и из нее выходил легендарный герой Геракл, показывавший свою добычу. При этом орел опускал на его голову венок. Появляясь в течение дня из двенадцати дверей, Геракл демонстрировал двенадцать своих подвигов, и по каждому из этих выходов зритель мог определить, который час.

Другая фигура Геракла была установлена на площадке с колоннами над дверьми и возвещала о наступлении нового часа ударами по медному гонгу. С двух сторон центральной площади находились две часовенки. В них также были расположены небольшие фигурки Геракла, окруженные другими персонажами греческой мифологии. Трубач Диомед каждые двенадцать часов возвещал зорю.

Геракловы часы в Газе. Каждый час открывалось одно из двенадцати окошечек и показывалась фигура легендарного героя Геракла. Другая фигура Геракла — в центре — била каждый час палицей по медному гонгу.

Очень сложную клепсидру мы встречаем в VIII в. в Китае. Ее построил астроном И Ганг по повелению китайского императора Хиуан Тонга. Клепсидра показывала движение солнца, луны, лунные затмения и даже положение звезд, не видимых на горизонте.

*

Клепсидры в течение многих веков выполняли свое полезное назначение. В ряде стран они были очень широко распространены, о чем можно судить хотя бы по тому, что в Египте, например, имелся специальный иероглиф, обозначающий клепсидру.

Даже в XVII—XVIII вв. некоторые ученые пытались вернуть клепсидре ту роль, которую она играла в древние и средние века. Так, например, знаменитый датский астроном Тихо Браге (1546—1601) пользовался клепсидрой в своих наблюдениях за движениями небесных тел.

Одно из самых последних усовершенствований внес в клепсидру в 1690 году Дом Шарль Вайи. По его чертежам и расчетам Реньяр, занимавшийся в бургундском городе Сансе отливкой свинцовых горшков, изготовил остроумный аппарат. Плоский барабан был насажен на ось. Внутри он был разделен семью перегородками. Барабан наполнялся водой, которая через маленькие отверстия в перегородках постепенно переходила из одного отделения в другое. При этом барабан вращался вокруг оси, на которой с обеих сторон были намотаны тонкие шнурки. Свободными концами шнурки были привязаны к вершинам двух столбиков с цифрами.

Клепсидра Дом Шарли Вайи. Насаженный на ось барабан разделен внутри семью перегородками. Вода, которой наполнялся барабан, постепенно просачивалась через, маленькие отверстия в перегородках из одного отделения в другое. При этом барабан вращался вокруг своей оси, на которой с обеих сторон были намотаны тонкие шнурки. Столбики с цифрами служили циферблатами, а концы оси барабана — стрелками.
Справа — разрез барабана клепсидры Дом Шарля Вайи.

Под влиянием собственного веса барабан, конечно, быстро опустился бы вниз и шнурки тотчас бы размотались. Но вода, находившаяся во внутренних отделениях барабана, играла роль противовеса, поэтому сила тяжести действовала постепенно, по мере того как опорожнялось одно отделение и наполнялось другое. Опускание барабана происходило поэтому медленно и регулярно, с незаметными и всегда размеренными интервалами. Концы оси, скользя по циферблату, служили стрелками этих часов.

Легко представить себе, сколько времени пришлось затратить на конструирование этой клепсидры: надо было вычислить толщину оси, диаметр барабана, емкость каждого отделения, размер отверстий, количество воды и многое другое.

Все это было очень сложно, но в конце концов во всем этом не было никакой практической надобности: на смену клепсидре пришел уже другой аппарат для измерения времени — механические часы.