В течение целых столетий растительное масло служило людям не только для питания, но и в качестве светильного материала. На основе установленной экспериментально зависимости высоты уровня масла от продолжительности горения фитиля возникли масляные лампадные часы. Как правило, это бывали простые лампады с открытой фитильной горелкой и со стеклянной колбой для масла, снабженной часовой шкалой. Объем колбы подбирали так, чтобы ее содержимого хватило для непрерывного свечения между 6 ч вечера и 8 ч утра. Толщиной и длиной горящего фитиля регулировали величину пламени и расход масла так, чтобы понижение уровня масла в колбе соответствовало имевшимся обозначениям времени. Позднее выявилось, что первоначальные цилиндрические или слегка выпуклые стеклянные сосудики под масло были источником некоторой погрешности в измерении времени. Дело в том, что при более высоком уровне масла его давление вызывало более быстрое выгорание, чем в поздние ночные часы. Поэтому лампадные часы более позднего происхождения имели стеклянную колбу в виде расширенной кверху груши, чтобы таким образом хотя бы частично выровнять скорость сгорания масла. В XVIII и XIX вв. появились другие типы лампадных часов с несколько более сложным принципом действия. Одним видом таких часов были поплавковые лампадные часы работы Ромуальда Божека (младшего сына Иосифа Божека), изготовленные им в 1875 г. и хранящиеся теперь в коллекциях Национального технического музея в Праге.
Больше всего таких лампадных часов было в Китае, который вообще считался колыбелью всех видов огневых часов. К ним относятся и всякого рода лампадные часы, а в более позднее время — газосветные часы, которые китайцы полюбили настолько, что некоторые их типы сохранились вплоть до нашего века. Еще до сих пор в Китае рассказывают, что примерно 3000 лет назад Фо-хи, «отец Китая» и его первый император, создал первые огневые часы, чтобы с их помощью измерять дневное и ночное время.
Главной частью иных огневых часов, так называемых фитильных, был фитиль в виде длинной металлической палочки, покрытой слоем дегтя с деревянными опилками. Жар тлеющих опилок, подожженных на одном конце палочки, постепенно пережигал тонкие, поперечно натянутые волокна, с подвешенными шариками, которые падали в металлическую чашку. Иногда фитиль сворачивали в спираль, форма которой уже сама по себе заменяла часовую шкалу. Наиболее типичные для Китая фитильные часы имели форму дракона, в хребте которого был специальный держатель для палочки. Скорость сгорания фитиля зависела от многих обстоятельств, и для определения ее требовался большой опыт. Такие часы никогда не относились к приборам, которые по точности можно было бы сравнить с солнечными или водяными часами.
При более точном измерении времени, главным образом при определении продолжительности годовых сезонов, месяцев и дней, китайцы исходили из данных о движении Солнца и Луны. Траекторию Луны они делили на 28 частей, а Солнце они считали часовым индикатором больших вселенских часов. Траектория Солнца разделялась 12 дисками, причем каждый диск носил имя какого-то животного, ночные диски были черными, дневные — белыми, а серые указывали заход Солнца. Полуночный диск назывался крысой, а полуденный — конем. Другие диски имели знаки дракона, змеи, овцы, обезьяны, собаки и т.п. Четыре больших квадранта, или четверти, назывались Азуровым драконом, Черным бойцом. Белым тигром и Красной птицей. Имя указателя сезонов года было Пех Тао.
Дата возникновения первых песочных часов неизвестна. Однако по сохранившимся данным можно полагать, что принцип песочных часов был известен в Азии значительно раньше начала нашего летоисчисления Упоминания о часах бутылочного типа, по всей вероятности песочных, имеются уже со времен Архимеда. Античный Рим не имел упоминаний о песочных часах. Римляне, правда, умели изготовлять стекло, но в их стекле было очень много загрязнений, так что оно было непрозрачным.
Западноевропейские страны стали иметь дело с песочными часами, по-видимому, лишь в конце средневековья. Одним из самых старых упоминаний о таких часах является сообщение от 1339 г., обнаруженное в Париже, содержащее указание по приготовлению тонкого песка из просеянного порошка черного мрамора, прокипяченного в вине и высушенного на солнце.
Несмотря на то что песочные часы (рис. 7) появились в Европе поздно, они быстро распространились. Этому способствовали их простота, надежность, низкая цена и не в последнюю очередь возможность измерять с их помощью время в любой момент дня и ночи. Недостатком, мешавшим широкому применению этих часов, был сравнительно короткий интервал времени, который можно было измерить, не переворачивая эти часы. Обычно песочные часы рассчитывались на работу в течение получаса или часа. Реже встречались песочные часы, рассчитанные на непрерывное измерение времени в течение 3 ч, и лишь в совершенно редких случаях строили огромные песочные часы, рассчитанные на 12 ч хода. Не давало решающего улучшения и соединение нескольких песочных часов в одно целое. Например, набор из четырех песочных часов в едином футляре был устроен так, что содержимое первой колбы высыпалось за четверть часа, второй — за полчаса и т.д.
Производство стеклянных колб для песочных часов было возможно благодаря известной уже производственной технологии прозрачного стекла и его формования в полые сферические колбы. В суженное горлышко в месте стыка обеих колб после заполнения песком вкладывалась небольшая горизонтальная металлическая диафрагма с отверстием, регулирующая количество и скорость пересыпания зернышек песка. Место стыка перевязывалось плотной ниткой и закреплялось смолой. Точность песочных часов зависела от технологии изготовления самого песка. Колбы заполняли отожженным тонкозернистым песком, просеянным многократно через тонкие сита и тщательно высушенным. Обработанный таким образом песок имел красноватую окраску; светлые беловатые пески происходили из жареных тонкомолотых яичных скорлуп; сероватый песок изготовлялся из цинковой и свинцовой пыли.
Точность песочных часов зависела также от формы колб, от гладкости их внутренних стенок, от равномерности прохождения песка через регулирующую диафрагму в горлышке, но прежде всего — от равномерной зернистости и сыпучести данного песка. В этом отношении самые лучшие результаты давали колбы, заполненные свинцовым песком, зернистость которого бывала более равномерной. Свинцовый песок отличался также тем, что при долгом использовании он меньше, чем другие виды песка, нарушал гладкость внутренних стенок стеклянной колбы.
Как и огневые часы, песочные часы никогда не достигали точности солнечных часов. Кроме того, при длительном пользовании такими часами их точность изменялась, поскольку зерна песка постепенно дробились на более тонкие, а отверстие в середине диафрагмы постепенно истиралось и увеличивалось, так что скорость прохождения песка через них становилась большей.
Чтобы конкурировать с механическими часами и при измерении длинных интервалов времени или даже при непрерывном измерении времени, в XVII и XVIII вв. главным образом в Нюрнберге и в Аугсбурге начали изготовлять песочные часы с четырьмя системами колб в одном футляре. Некоторые изготовители в первой половине XVII в. применяли хитроумное устройство для переворачивания часов. Математик Де ля Хире изготовил песочные часы для измерения секундных интервалов, а астроном Тихо Браге пытался заменить песок ртутью.
Автоматическое опрокидывание песочных часов было проблемой, привлекавшей внимание многих математиков и физиков. Стефан Фарфлер из Альтдорфа использовал для своих часов, построенных им во второй половине XVII в., пружинный механизм.
Другое решение этой проблемы, учитывающее изменение положения центра тяжести при пересыпании песка, изображено на рисунке Лани в книге «Inventione nuove», изданной в 1670 г. Француз Гроллье де Сервье из Лиона, автор многих других замечательных приборов, живший примерно на 100 лет позднее, создал автоматическое опрокидывающее устройство, пригодное для песочных часов. Много своеобразных решений этого рода появилось в Германии.
Стремление к изысканию новых более совершенных видов часов, способных конкурировать с механическими часами, описано в литературе, посвященной теории и практическому изготовлению хронометрических приборов. Наряду с уже упомянутыми книгами Архангело Марии Ради и известным трудом Шотта «Technica curiosa» подобную книгу написал итальянец Доменико Мартинелли, которую он назвал «Horologi elementari». В этой книге он описывает не только водяные и огневые часы, но и пневматические часы, приводимые небольшим мехом — элементом.
Несмотря на то что механизмы для автоматического опрокидывания песочных часов не дали ожидаемого результата, все же эти часы благодаря своей форме и простоте работы сохранили некоторое значение вплоть до последнего времени, например, ими пользовались телефонные станции для учета времени коротких телефонных разговоров, в залах судебных заседаний и для некоторых нужд в домашнем хозяйстве.
Глава 2. Механические часы
Первые механические часы
Солнечные, водяные и огневые хронометрические приборы завершили первую фазу развития хронометрии и ее методов. Постепенно выработались более четкие представления о времени и стали изыскиваться более совершенные способы измерения времени. Революционным изобретением, ознаменовавшим совершенно новые этапы развития в этом направлении, было создание первых колесных часов, с появлением которых началась современная эра хронометрии. Наименование «колесные часы», пущенное в ход старыми чешскими часовщиками, было, по-видимому, выведено из немецкого слова «Raderuhr», но оно не полностью отражало сущность этих часов. Тут речь шла о механических часах со спусковым механизмом и осциллятором, которыми эти часы принципиально отличаются от всех прежних часов.
Иронией судьбы является то, что именно крупные открытия и изобретения зачастую не имеют авторов. В этом отношении не являются исключением и механические часы. Самыми старыми, документально не подтвержденными сообщениями о механических часах считают косвенные упоминания о них, идущие еще из X в. Изобретение приписывают римскому папе Сильвестру II (950-1003), который, еще будучи простым монахом Гербертом из Ориллака, имел возможность во время своих учебных поездок не раз знакомиться с принципами построения различных арабских астрономических приборов, и прежде всего водяных часов. Если вспомнить о том, что арабы были весьма передовыми в этом отношении, то можно с основанием предполагать, что часами Герберта были скорее всего водяные часы. Конечно, не исключено, что имеющееся сообщение могло касаться и некоторых особых конструкций солнечных часов, поскольку, по другим источникам, Герберт был автором солнечных часов, изготовление которых было в 996 г. закончено для города Магдебурга. Впрочем, использованный при этом термин «хорология» (horologium) имел тогда широкое значение и относился ко всякого рода приборам для измерения времени. Неправдоподобность приоритета Герберта в изобретении механических часов подтверждается также тем, что ни в одном более позднем источнике нет упоминания о том, что идею Герберта кто-то стал развивать после его смерти.