Кто создал первый часы. Кто и когда изобрел первые механические часы. История происхождения часов

История солнечных часов уже насчитывает не одно тысячелетие, но когда именно люди начали их применять достоверно неизвестно. Установлено, что в Древнем Египте, Вавилоне и Китае такими приборами пользовались ранее, чем за тысячу лет до нашей эры. Первые упоминания об определении времени по солнечным лучам с помощью специального устройства относятся к 1306-1290 гг. до н.э.

Любые солнечные часы имеют циферблат со шкалой и часовую стрелку, называемую гномоном. При этом по их ориентации солнечные часы подразделяются на горизонтальные, вертикальные и экваториальные. Существует множество их модификаций, такие как ступенчатые, кольцевые, пластинчатые, зеркальные, бифилярные и другие.

Солнечные часы это не обязательно диск, имеющий перпендикулярный гномон. Так, циферблат может быль полусферой или кольцом. Универсальными экваториальными часами можно пользоваться на всех широтах. В их конструкции участвуют два перпендикулярных друг другу кольца и гномон. Для определения времени необходимо выставить широту по шкале на одном из колец и установить дату. Затем часы поворачивают вокруг вертикальной оси, до появления на циферблате точки, показывающей время. В этот момент одно кольцо ориентировано на север вдоль меридиана, а второе - параллельно плоскости экватора.

В горизонтальных солнечных часах плоскость циферблата не перпендикулярна гномону, который должен быть параллелен земной оси, а также указывать на север, то есть угол между ними равен широте местности. Горизонтальные часы удобны и просты в установке. Для их использования на другой широте достаточно изменить угол и направить гномон на север.

В Древнем Египте были сконструированы разные модели солнечных часов, например, с горизонтальной шкалой, которая составляла угол 90 градусов с плоскостью местного меридиана, а гномонами их являлись обелиски, высота которых обычно достигала нескольких метров. Для того чтобы по ним узнать время, использовалось направление, которое указывала тень от гномона. Еще одни солнечные часы, именуемые «ступенчатыми», имели две поверхности, наклоненные на восток и на запад и поделенные на уровни. При движении солнца тень перемещалась с одной ступени на другую, и время определялось по ее длине.

В Центральной Европе до XV века широкое распространение получили настенные вертикальные солнечные часы, гномон которых был горизонтальным. Правда точность определения времени по ним была невысока.

В тоже время существовало несколько вариантов дорожных хронометров, например, кольцевые солнечные часы. Они представляли собой два кольца, в одном из которых было отверстие для прохождения солнечного луча, а на другое наносились шкалы месяцев и часов. Были еще пластинчатые часы, в конструктивное решение которых входили две, иногда три, одинаковые пластинки, имевшие прямоугольную форму и скрепленные между собой, при этом на нижней устанавливался компас.

Имеется описание средневековых восьмигранных палок с четырьмя сквозными отверстиями в ручках, в которые для определения времени надо было вставлять металлические стержни. Примерно тогда же появились оконные хронометры. Они относились к вертикальным. Принцип работы солнечных часов заключался в использовании окна ратуши или храма в качестве циферблата с нанесенной полупрозрачной шкалой. Это давало возможность узнавать время, находясь внутри помещения. Зеркальные солнечные часы использовали отраженный с помощью зеркала солнечный луч, который они направляли на стену здания, где находился циферблат.

Самым сложным и интересным механизмом, созданным в средние века, были механические часы. Кто изобрел механические часы? Есть источники, утверждающие, что такие часы впервые появились в Западной Европе. И все же первые механические часы изобрели в Китае и их создал монах, а теперь давайте обо всем по порядку.

В 723 г. буддийский монах и математик И Син сконструировал часовой механизм, названный им «сферической картой поднебесья с высоты птичьего полета», приводимый в движение водой. Вода была источником энергии, но движение регулировали механизмы. Эти часы имели своеобразное спусковое устройство, которое задерживало вращение водяного колеса до тех пор, пока каждый его ковш не наполнится в свою очередь доверху, а затем допускало его поворот на определенный угол, так и началась история механических часов.

Изобретение механических часов в Европе

Когда изобрели механические часы в Европе, сказать затруднительно. В XIII в. они, во всяком случае, они уже существовали. Данте, например, упоминает колесные часы с боем. Известно, что в 1288 г. в лондонском Вестминстере были установлены башенные часы. Они имели одну стрелку, отмечавшую только часы (минуты тогда не измеряли). Маятника в них не было, а ход не отличался точностью.

Башенные колесные часы были не только измерителями времени, но нередко представляли собой подлинное произведение искусства, являясь предметом гордости соборов и городов. Например, башенные часы Страсбургского собора (1354 г.) показывали луну, солнце, части суток и часы, отмечали праздники церковного календаря, Пасху и связанные с ней дни. В полдень перед фигуркой Богоматери склонялись трое волхвов, а петух кукарекал и бил крыльями. Специальный механизм приводил в движение маленькие цимбалы, отбивавшие время. От Страсбургских часов до наших дней остался только петух.

Механические часы в средневековье

В средние века на практике время точно не измеряли. Оно разделялось на приблизительные периоды - утро, полдень, вечер - без четких границ между ними. Французский король Людовик IX (1214-1270 гг.) измерял ночью протекшее время по длине постоянно укорачивающейся свечи.

Единственным местом, где пытались упорядочить счет времени, была церковь. Она разделяла сутки не по природным явлениям (утро, вечер и т. п.), а в соответствии с циклом богослужения, повторяющемся ежедневно. Отсчет начинался с заутрени (к концу ночи), а с рассветом отмечался первый час и дальше последовательно: третий час (утром), шестой (в полдень), девятый (послеполуденный) вечером и так называемый «завершающий час» - время, когда заканчивалось суточное богослужение. Но названия служб отмечали не только интервалы времени, а начало определенных этапов суточного богослужения, которые приходились на разное «физическое» время в разные времена года.

Церковный отсчет времени был потеснен в XIV в., когда башенные часы с боем стали воздвигаться на городских зданиях. Интересно, что в 1355 г. жителям одного французского городка было дано разрешение построить городскую колокольню, чтобы ее колокола отбивали не церковные часы, а время коммерческих сделок и работы суконщиков.

В XIV в. люди начинают старательно считать время. Распространение получили механические часы с боем, и вместе с ними прочно вошло в сознание представление о разделении суток на 24 равных между собой часа. Позднее, в XV в., вводится и новое понятие - минута.

В 1450 г. изобретены пружинные часы, а к концу XV в. вошли в употребление переносные часы, но еще слишком крупные, чтобы их можно было назвать карманными или ручными. На Руси башенные часы появились в 1404 г. и в XV-XVI вв. распространились по всей стране.

Инструкция

Самыми первыми часами, по которым появилась возможность знать примерное время - солнечные. Циферблат таких часов располагали на освещенном месте. Стрелкой на них служил стержень, от которого падала тень на циферблат. Солнечные часы называют гномон (указатель). Первые такие устройства появились в Вавилоне, более 4,5 тысяч лет до нашей эры. Солнечных часов создали множество разновидностей: горизонтальные, вертикальные, утренние, вечерние, конические, шарообразные и даже портативные для моряков. Математик Витрувий в своих статьях описал 30 типов солнечных часов. У всех этих приборов была главная проблема - они работали только при наличии освещения.

Для улучшения качества жизни человечество выдумало другие устройства для установления времени. Водяные часы (клепсидра) отмеряли промежутки времени при помощи определенного потока жидкости и замера количества воды в сосуде. Огненные часы представляли собой свечи хорошего качества или палочки с благовониями. На палочках, к примеру, наносили метки, которые сигнализировали о пройденном периоде времени. Каждая часть палочки источала различный аромат.

Широкое распространение получили песочные часы. Их использовали в большинстве своем как таймер. Первые песочные часы появились в 11 веке нашей эры. Такое стало удобным для ученых, священников, и ремесленников. В 11 веке Европа обзавелась башенными часами. На них была единственная стрелка, тяжелые гири приводили колокола в движение. На солнца стрелку устанавливали на 0 часов, а в течение дня хранитель часов сверял их с солнечными.

Часы с курантами выполнили в 14 веке, их установили в 1354 году на Страсбургском соборе. Эти часы отбивали каждый час в сутках. На них было изображено звездное небо, вечный календарь и движущиеся фигуры Богоматери с младенцем. В России башенные часы появились в 1404 году в Московском кремле. Изобретателем гиревого двигателя и механизма с боем, стал монах Лазарь Сербин. В дальнейшем башенные часы начали устанавливать в различных российских городах.

В начале 16 века механик П. Хенлейн выполнил карманные часы. Они имели шпиндельный механизм, гирю заменили на стальную пружину. Точность часов зависела от степени завода пружины. Со временем создали приспособление для выравнивания усилия пружины. Такие часы существовали до конца 19 века.

Конец 16 века стал знаменит открытием маятниковых часов. Ученый Галилео Галилей обратил внимание на движение лампад в Пизанском соборе. Он понял, что длина цепей, на которые подвешены лампады, определяет периоды их колебания. Именно Галилей и подал идею создания маятниковых часов.

Появление солнечных часов связано с моментом, когда человек осознал взаимосвязь между длиной и положением солнечной тени от тех или иных предметов и положением Солнца на небе. Древнейшим инструментом для определения времени служил гномон. Изменение длины его тени указывало время. Создание так называемых теневых (мы их называем солнечными) часов приписывают египтянам, которые придумали их еще во втором тысячелетии до нашей эры. Они представляли из себя простую деревянную доску с отметинами. Теневые часы, разделенные на двенадцать дневных промежутков, и стали первым изобретением человека, предназначенным для ОПРЕДЕЛЕНИЯ времени. Таким образом, «Солнечные часы» - это прибор для определения времени по изменению длины тени от гномона и её движению по циферблату. Небольшой стержень (гномон) укрепляли на плоском камне (кадран), разграфленном линиями, - циферблате, часовой стрелкой служила тень от гномона. Но поскольку «работали» такие часы только днем, то ночью им на замену приходила клепсидра - так греки называли водяные часы.

Различают солнечные часы горизонтальные, вертикальные (если плоскость циферблата вертикальна и направлена с запада на восток), утренние или вечерние (плоскость вертикальна, с севера на юг), экваториальные. Строились также конические, шаровые, цилиндрические солнечные часы.

Простейшие солнечные часы.

Древнейшим инструментом для определения времени служил гномон. Изменение длины его тени указывало время суток. О таких простейших солнечных часах упоминается в Библии:

Четвертая книга Царств, глава 20

9. И сказал Исаия: вот тебе знамение от Господа, что исполнит Господь слово, которое Он изрек: вперед ли пройти тени на десять ступеней, или воротиться на десять ступеней?

10. И сказал Езекия: легко тени подвинуться вперед на десять ступеней; нет, пусть воротится тень назад на десять ступеней.

11. И воззвал Исаия пророк к Господу, и возвратил тень назад на ступенях, где она спускалась по ступеням Ахазовым, на десять ступеней.

Исаия, глава 38

8. Вот, я возвращу назад на десять ступеней солнечную тень, которая прошла по ступеням Ахазовым. И возвратилось солнце на десять ступеней по ступеням, по которым оно сходило.

В библейском стихе упоминаются солнечные часы, построенные в Иерусалиме при царе Ахазе в VIII веке до н.э.

Одни из первых солнечных часов, найденных в захоронении Наут (Ирландия), датируются 5000 годом до н.э.

Первое известное описание солнечных часов в Древнем Египте - надпись в гробнице Сети I, датируемая 1306-1290 гг. до н. э. Там говорится о солнечных часах, измерявших время по длине тени и представлявших собой прямоугольную пластину с делениями. На одном конце её прикреплён невысокий брусок с длинной горизонтальной планкой, которая и отбрасывала тень. Конец пластины с планкой направлялся на восток, и по меткам на прямоугольной пластине устанавливался час дня, который в Древнем Египте определялся как 1/12 промежутка времени от восхода до заката. После полудня конец пластины направлялся на запад.

Реконструкция по описанию Египетских солнечных часов из гробницы Сети I в послеобеденном положении. Утром они были развернуты в другую сторону.

Сделанные по такому принципу инструменты также были найдены. Один из них восходит ко времени правления Тутмоса III и датируется 1479-1425 гг. до н. э., второй - из Саиса, он на 500 лет моложе. На конце у них есть только брусок, без горизонтальной планки, а также имеется желобок для отвеса для придания устройству горизонтального положения.

Солнечные часы времен правления Тутмоса III. Эти часы так же требовалось разворачивать после полудня.

Другими двумя типами древнеегипетских часов, измерявших время по длине тени, были часы, в которых тень падала на наклонную плоскость или на ступени. Они были лишены недостатка часов с ровной поверхностью: в утренние и вечерние часы тень выходила за пределы пластины. Эти типы часов были объединены в модели из известняка, хранящейся в Каирском египетском музее и датируемой несколько более поздним временем, нежели часы из Саиса. С одной стороны модели - две наклонные плоскости со ступенями, одна из них была ориентирована на восток, другая при этом указывала на запад. До полудня тень падала на первую плоскость, постепенно опускаясь по ступеням сверху вниз, а после полудня - на вторую плоскость, постепенно поднимаясь снизу-вверх, в полдень тени не было. С другой стороны модели - две наклонные плоскости без ступеней, этот тип часов действовал аналогично часам со ступенями.

Конкретной реализацией типа солнечных часов с наклонной плоскостью были переносные часы из Кантары, созданные около 320 до н. э. с одной наклонной плоскостью, на которой были нанесены деления, и отвесом. Плоскость ориентировалась на Солнце.

Рисунок часов с наклонной плоскостью. Примерно так выглядели часы из Кантары.

В 2013 году учёные Базельского университета сообщили о находке солнечных часов, предположительно вертикальных, возрастом в 3,3 тысячи лет, нарисованных на остраконе известняка. Они были обнаружены в Долине царей возле жилища рабочих между гробницами KV29 и KV61.

Часы – скафис.

По рассказу Витрувия, вавилонский астроном Берос, поселившийся в VI в. до н. э. на острове Косе, познакомил греков с вавилонскими солнечными часами, имевшими форму сферической чаши - так называемым скафисом. Эти солнечные часы были усовершенствованы Анаксимандром и Анаксименом. В середине XVIII столетия при раскопках в Италии нашли именно такой инструмент, какой описан у Витрувия. Древние греки и римляне, как и египтяне, делили промежуток времени от восхода до заката Солнца на 12 часов, и поэтому их час (как мера времени) был различной длины в зависимости от времени года. Поверхность выемки в солнечных часах и «часовые» линии на них подбирались так, чтобы конец тени прута указывал час. Угол, под которым срезана верхняя часть камня, зависит от широты места, для которого изготовлены часы. Последующие геометры и астрономы (Евдокс, Аполлоний, Аристарх) придумывали разнообразные формы солнечных часов. Сохранились описания таких инструментов, носивших самые странные названия сообразно их виду. Иногда гномон, отбрасывающий тень, располагался параллельно оси земли.

Из Греции солнечные часы достигли Рима. В 293 г. до н. э. Папирий Курсор велел соорудить солнечные часы в храме Квиринал, а в 263 г. до н. э. другой консул, Валерий Мессала, привёз солнечные часы из Сицилии. Устроенные для более южной широты, они показывали час неверно. Для широты Рима первые часы устроены около 170 г. до н. э. Марцием Филиппом.

Скафис - солнечные часы древних. На сфероидальной выемке нанесены линии часов. Тень бросал горизонтальный или вертикальный прут, или шарик в центре инструмента. Угол, под которым срезана верхняя часть камня, зависит от широты места, для которого изготовлены часы. Поэтому строились такие часы в том месте, где должны были и использоваться.

Горизонтальные солнечные часы.

Горизонтальные солнечные часы состоят из кадрана и гномона . Кадран устанавливается параллельно плоскости горизонта. Чаще всего гномон представляет собой треугольник, перпендикулярный плоскости кадрана, а одна из его сторон наклонена к ней на угол, равный географической широте места установки часов. Линия пересечения гномона и кадрана направляется параллельно полуденной линии - линии, вдоль которой в данном месте направлена тень вертикального стержня в истинный полдень.

Старинные горизонтальные солнечные часы.

Вертикальные солнечные часы.

Вертикальные солнечные часы обычно размещают на стенах зданий и различных строений. Поэтому их кадран вертикален - перпендикулярен плоскости горизонта, но может быть повёрнут в различные стороны. От стороны, в которую повёрнут кадран, зависит расположение часовых делений на кадране. Симметричными относительно полуденного деления они будут лишь при кадране, обращённом строго на юг (географический, а не магнитный!) - в северном полушарии, или на север - в южном полушарии, иными словами - при кадране, перпендикулярном полуденной линии. Для так направленного кадрана гномон должен лежать в плоскости небесного меридиана, иными словами - быть перпендикулярным как плоскости кадрана, так и плоскости горизонта, а одна из его сторон должна быть параллельной земной оси.

Вертикальные солнечные часы.

Вертикальные Солнечные Часы на фасаде храма Мерафима Саровского в Помосковье. Инаерманский известняк, медь, 100х50см.

Вертикальные Солнечные часы, 1623. Реконструкция в 1991г.

В Московском планетарии установлены вертикальные солнечные часы, показывающие время и дату.

Это редкая конструкция солнечных часов, в которых гномон, указывающий на Полярную звезду, нижним концом соединен с диоптром. Световое отверстие в виде Солнца с короной отбрасывает зайчик на вертикальный щит-циферблат, на поверхности которого нанесена система дат и часов. Плоскость часов ориентирована в направлении запад-восток.

Сверху вниз по стенду идет веер прямых линий, размеряющих часы и минуты, а по горизонтали – пучок гипербол, вдоль которых тень от Солнца скользит в разные месяцы на разной высоте. Солнечный зайчик одновременно указывает время суток и время года.

Хорошо видно, что в день летнего солнцестояния, когда Солнце отдаляется максимально высоко от небесного экватора и достигает тропика Рака, зайчик ходит по нижней кромке координатной сетки. В дни весеннего и осеннего равноденствий солнечный круг пройдет по средней горизонтальной линии, по экватору. А зимой зайчик будет ходить по верхам.

Экваториальные часы.

Экваториальные солнечные часы так же состоят из кадрана (плоскость с часовыми делениями) и гномона. Часовые деления на кадран наносятся через равные угловые промежутки, как на циферблате обыкновенных часов, а гномон обычно представляет собой металлический стержень, устанавливаемый на кадране перпендикулярно его поверхности. Затем кадран ориентируется в горизонтальной плоскости так, чтобы прямая, соединяющая основание гномона и часовое деление, соответствующее полудню, была направлена параллельно полуденной линии в сторону юга - для Северного полушария, или в сторону севера - для Южного полушария, и наклоняется относительно плоскости горизонта, соответственно, в сторону севера или сторону юга на угол α=90°-φ, где φ - географическая широта места установки солнечных часов. Кадран будет параллелен небесному экватору (отсюда - название этого типа солнечных часов), а поскольку небесная сфера в течение дня вращается равномерно, то и тень от гномона за любой час дня будет описывать равные углы (поэтому часовые деления и проводятся так же, как на циферблате обычных часов).

Схема Экваториальных солнечных часов. Их еще называют наклонными.

Равные угловые промежутки (t=15°) между соседними часовыми делениями, как на циферблате обычных часов, и перпендикулярность гномона кадрану являются основными преимуществами экваториальных солнечных часов над горизонтальными и вертикальными. Главный недостаток экваториальных солнечных часов - то, что они, в отличие от горизонтальных, будут работать только от дня весеннего равноденствия до дня осеннего равноденствия (в Северном полушарии весеннее равноденствие - в марте, осеннее - в сентябре, в Южном полушарии весеннее равноденствие - в сентябре, осеннее - в марте). В остальную часть года они работать не будут, поскольку Солнце будет находиться по другую сторону от плоскости небесного экватора, и вся верхняя поверхность кадрана будет в тени. Конечно, этот недостаток можно устранить, если сделать кадран в виде пластины, нанести часовые деления и на верхнюю, и на нижнюю поверхность, а гномон продолжить под пластину, но и тогда в дни, близкие к дню весеннего или осеннего равноденствия солнечные часы не будут работать - Солнце будет светить на пластину не сверху и не снизу, а сбоку.

В средние века арабские астрономы (Сабит ибн Корра, Ибн аш-Шатир, Абу-л-Хасан ибн Юнис) оставили обширные трактаты по гномонике, или искусству строить солнечные часы. Основанием служили правила тригонометрии. Кроме «часовых» линий, на поверхности арабских часов наносилось ещё направление к Мекке, так называемая кибла. Особенно важным считался момент дня, когда конец тени вертикально поставленного гномона приходился на линию киблы.

С введением равных часов дня и ночи (не зависящих от времени года) задача гномоники значительно упростилась: вместо того, чтобы замечать место конца тени на сложных кривых, стало достаточно замечать направление тени. Если штифт расположен по направлению земной оси, то тень его лежит в плоскости часового круга солнца, а угол между этой плоскостью и плоскостью меридиана есть часовой угол Солнца или истинное время. Остаётся только находить пересечение последовательных плоскостей с поверхностью «циферблата» часов. Чаще всего это была плоскость, перпендикулярная штифту, то есть параллельная небесному экватору (экваториальные, или равноденственные часы); на ней направление тени изменяется на 15° за каждый час. При всех других положениях плоскости циферблата углы, образуемые на ней направлением тени с линией полудня, не растут равномерно.

Гномоника занималась составлением правил нахождения различных положений тени на этих поверхностях. Солнечные часы, как уже сказано, дают не среднее, но истинное солнечное время. Одной из специальных задач гномоники было строить кривую на циферблате солнечных часов, которая указывала бы «средний» полдень в различное время года. В средневековой Европе гномоникой занимались: Апиан, Альбрехт Дюрер, Кирхер. Живший в начале XVI в. Мюнстер был признан «отцом гномоники».

В Китае, в эпоху Чжоу применялись экваториальные солнечные часы в виде каменного диска, устанавливаемого параллельно небесному экватору и пронизывающего его в центре стержня, устанавливаемого параллельно земной оси. В эпоху Цин в Китае изготавливали портативные солнечные часы с компасом: либо экваториальные - опять-таки со стержнем в центре диска, устанавливаемого параллельно небесному экватору, либо горизонтальные - с нитью в роли гномона над горизонтальным циферблатом.

В древнерусских летописях часто указывался час какого-то события, это наводило на мысль, что в то время на Руси уже использовались определённые инструменты или объекты для измерения времени по крайней мере днём. Черниговский художник Георгий Петраш обратил внимание на закономерности в освещении Солнцем ниш северо-западной башни Спасо-Преображенского собора в Чернигове, и на странный узор («меандры») над ними. На основании более подробного их изучения он высказал предположение, что башня представляет собой солнечные часы, в которых час дня определяется освещением соответствующей ниши, а меандры служат для определения пятиминутного интервала. Подобные особенности были отмечены и у других храмов Чернигова, и был сделан вывод, что солнечные часы в Древней Руси применяли ещё в XI веке.

Во время царствования Анны Иоанновны, 23 августа 1739 года вышел сенатский указ, в соответствии с которым на дороге из Санкт-Петербурга в Петергоф устанавливались деревянные верстовые столбы-обелиски, в 1744 году был издан указ о столблении дороги из Санкт-Петербурга в Царское Село. Вместо верстовых столбов-обелисков впоследствии поставили «мраморные пирамиды» с оформлением по работам Антонио Ринальди. Некоторые из них имели солнечные часы, и путник мог узнать по ним расстояние и время. «Мраморные пирамиды» с солнечными часами сохранились в следующих местах: в Санкт-Петербурге на углу набережной реки Фонтанки и Московского проспекта (отмечающий одну версту от здания Почтамта) и в Пушкине у Орловских ворот, расположенных на южной границе Екатерининского парка. На «мраморной пирамиде» у Орловских ворот указана дата установки - 1775 год.