Історія годинника і годинник в історії

реферат

На тему:

«Історія годинника і годинник в історії»

Вступ

«Початок наукового мислення, який витягнув людину з тваринного стану, пов'язане з вимірюванням часу» - зазначав історик античної техніки Г. Дильс. Астрономія була першою наукою про час, вона зародилася ще в доісторичний період розвитку культури.

Німими пам'ятниками, що свідчать про наявність практичного інтересу до астрономічних знань у людей позднекаменного і початку бронзового століття (XX ст. До н.е.), є мегалітичні, або крупнокаменной, споруди, орієнтовані по Сонцю і Місяцю. Деякі з них дозволяли з дивовижною точністю вести календарний рахунок днях, відзначати настання початку пір року і передбачати настання сонячних і місячних затемнень. Такі кам'яні календарі були встановлені в багатьох частинах світу - на рівнинах Франції, Англії, в Перу і т.д. Серед них найбільшою популярністю користується мегалітична споруда, розташована на рівнині в 13 км від м Солсбері (Англія). Воно відоме під назвою Стоунхендж (Stonehenge - висячі камені) і було зведено на рубежі кам'яного і бронзового століть (XIX-XVI ст. До н.е.). Стоунхендж, який має таку старовину, і сьогодні продовжує розбурхувати думку вчених, як одне з дивовижних досягнень техніки і науки в епоху первіснообщинного ладу.

Оскільки в Стародавньому світі і в середні віки наука про годинники - гномоніка - розвивалася як невід'ємна частина астрономії, то періодизація історії розвитку методів і засобів вимірювання часу за цей період, що охоплює понад три тисячі років, збігається в основному з періодизацією історії астрономії. Відповідно можна виділити наступні етапи послідовного розвитку астрономії і гномонікі, конструкцій сонячних і водяних годин.

1. давньосхідних, що охоплює розвиток останніх в Стародавньому Вавилоні, в Стародавньому Єгипті, в Древньому Китаї і в інших країнах Стародавнього Сходу. Досягнення в області древневавілонской і давньоєгипетської гномонікі були джерелами наступного, більш прогресивного її розвитку в Стародавній Греції.

2. Античний, що охоплює розвиток годин не тільки в Древній Греції, а й в період еллінізму і александрійскорімской культури.

3. Середньовічний, коли розвиток астрономії і гномонікі відбувалося в середньовічному Китаї, в Візантії, на мусульманському Сході, в Індії і в середньовічній Європі.

Історія годин Стародавнього світу і Середніх віків викладається в першій частині цієї книги. Це історія сонячних, водяних, пісочних і «вогневих» годин; закінчується вона історією ранніх механічних годинників, забезпечених регулятором фоліо та шпиндельним ходом (до появи маятникових і балансових годин).

У Стародавньому світі і в середні віки за часів панування аграрного ладу і ремісничої техніки не було потреби ділити час на дрібні відрізки і точно їх вимірювати, як тепер. Люди жили і визначали час по природному руху Сонця, по довгим літнім дням і коротким зимовим, які однаково ділилися на 12 годин. Тому доводилося вважати час по нерівним годинах, крім днів рівнодення. З цим вони мирилися, оскільки господарський уклад їхнього життя був пристосований до природного руху Сонця. Порядок і темп виконання сільськогосподарських робіт регулювалися повільно протікають природними процесами, пов'язаними з обробленням рослин, доглядом за тваринами, з переробкою рослинних і тваринних продуктів і т.д. Звідси випливало вкрай екстенсивне використання часу.

У більш точному вимірі часу потребувала астрономія, яка розвинулася в містах, які стали культурними центрами. У той час вона була єдиною наукою, дійсно потребувала вдосконалення техніки вимірювання часу, в спостереженні і вивченні річного і добового руху Сонця, зміни фаз Місяця, положення зірок і т.д. Чи не з земного світу, а з небесних тіл почалося перше вивчення матеріального світу в русі, а отже в часі.

Разом з астрономією розвивалася гномоніка - наука про годинник. (Гномон - покажчик переміщення тіні Сонця, по довжині і напрямку якої вимірювалося час.) Ясність неба в Вавилоні, Єгипті та Греції створювала сприятливі умови як для астрономічних спостережень, так і для використання гномоном і сонячного годинника для вимірювання часу. Однак вони були непридатні в похмуру погоду і вночі. Тому поряд з сонячними набули поширення водяні годинник, часто називалися нічними. Застосовувалися також пісочні і вогневі годинник. У XIV-XVII ст. з'явився годинник механічні.

Крім астрономії і гномонікі, ніяка інша наука того далекого часу не цікавилася проблемою часу і його виміром. В математиці час навіть не згадувалося. У фізиці, як загальної науки про природу, застосування засобів для вимірювання часу було дуже обмежено. Отримали наукову розробку геометрична оптика і акустика через простоти емпіричних даних, що складають основу цих наук, та можливості їх математичної обробки. Статична частина механіки - ця геометрія сил - була розроблена Архімедом; вона також не потребувала в вимірах часу. Хімія, мінералогія і біологія носили описовий характер. Відсутність інтересу до проблеми часу і його виміру було пов'язано з пануванням теологічного погляду на світ. Останній розглядався як доцільно влаштований, що перебуває в евклідовому просторі в стані спокою, тобто в статиці, а не в динаміці.

Астрономія в Стародавньому світі і в середні віки використовувалася для складання календаря, часто мав релігійне значення. Гномоніка служила також основою для конструювання сонячних і водяних годин, які встановлювалися в містах - на площах, ринках, в храмах. Хронометрія Стародавнього світу і Середніх віків не вийшла в своєму розвитку з рамок створення недосконалих засобів вимірювання часу, якими були сонячні, водяні, пісочні і вогневі годинник.

Теоретичні висновки стародавньої та середньовічної астрономії найбільше практичне застосування мали в теорії сонячних годин. При уявній простоті вимірювання часу за допомогою сонячного годинника в ході розробки теоретичних її основ виникали і вирішувалися математичні задачі про трисекции кута, про конічні перетини, про стереографической проекції і т.д.

Рішення задач гномонікі на мусульманському Сході в кінцевому рахунку призвело до обгрунтування і застосування для цієї мети формул прямолінійною і сферичної тригонометрії. Створення сонячних, водяних, пісочного годинника, а також водяних годин в комплексі з астрономічними приладами сприяло розвитку точної механіки. Остання служила сполучною ланкою між приладобудуванням і досвідченої наукою.

К. Маркс в 1863 р писав Ф. Енгельсу, що годинник «за своїм характером базуються на поєднанні напівхудожньому ремесла з теорією в прямому сенсі». Ця характеристика справедлива не тільки по відношенню до годин, але і всіх інших наукових і вимірювальних приладів (астролябії, армілярні сфери і т.д.).

Розвиток механічних годинників в XIV-VII ст. розглядається не тільки як перехідний етап від немеханических годин до механічних, але і як невід'ємна і істотна частина історії годин того часу, що зробила найбільший вплив на розвиток як техніки, так і філософських поглядів. Поява механічного годинника в Західній Європі К. Маркс ставить в прямий зв'язок з розвитком науки і виробництва. «Годинник породжені художньо - ремісничим виробництвом разом з вченістю, що ознаменувала собою зорю буржуазного суспільства» .У іншому місці він вказує, що «ремісничий період ... залишив нам великі відкриття: компас, порох, книгодрукування і автоматичні годинник».

Результати вивчення математики і механіки в епоху Відродження отримали різнобічне застосування спочатку в Італії, а потім і в інших країнах Західної Європи при створенні баштового годинника в XIV-XV ст. Навіть самі ранні баштові годинники були з точки зору механіки досить складними, заснованими на синтезі різноманітних механізмів, і у їх творців припускали наявність великих знань і розвиненою художньо-ремісничої техніки. Не випадково німецькі письменники XVI в. годинне ремесло, як вказує Маркс, називали «вченим (НЕ цеховим) ремеслом».

Однак поширення ранніх механічних годинників не могло витіснити застосування водяних, пісочних, сонячних і вогневих годин. Італієць Даніель Барбаро, який написав в 1556 р Свої знамениті коментарі до «Архітектурі» Вітрувія, свідчить, що в його час застосовувалися, крім сонячного годинника, «колісні годинник, а також пісочний; перші дивують мистецтвом і винахідливістю, а другі - зручністю і простотою; існують і вогневі годинник, в яких за відомий проміжок згорає певна частина гніту, існують і водяний годинник ... ».

XV-XVII століття виявилися часом найвищого розвитку в Західній Європі гномонікі, що спирається не тільки на освоєння вченості класичної давнини і середньовіччя, а й на досягнення нової гномонікі. Її висновки були використані для створення сонячних годин, заснованих на нових принципах.

Визначальний вплив на розвиток нової гномонікі надали перехід Західної Європи на нове літочислення часу по рівноденні годинах і необхідність створення сонячних годин, пристосованих до цього нового підрахунку часу. Великого поширення в цей же час мали в побуті і на кораблях пісочний годинник, які стали використовуватися для регулювання зміни вахт. Почали створюватися складного пристрою водяний годинник, часто з використанням засобів механіки, які застосовувались тоді для пристрою механічного годинника.

У XVII ст. з'являються кишеньковий годинник, але вони виявилися не настільки точними і надійними, щоб їх можна було застосовувати для астрономічних спостережень. Тому астрономи продовжували користуватися водяними і пісочного годинника. Навіть Ньютон ще цікавився удосконаленням водяного годинника. Астроном Тихо Браге користувався пісочним або ртутними годинами, оскільки виявив непридатність механічних годинників

того часу для астрономічних спостережень. Галілей проводив свої досліди над падінням тіл за допомогою водяного годинника.

Потреба в годиннику з більш високою точністю ходу була викликана розвитком експериментального природознавства з часу Галілео Галілея, необхідністю визначати довготу місцезнаходження кораблів при плаванні по Атлантичному і Індійському океанах і бурхливим розвитком торгівлі, особливо в XVII ст. Назріла потреба в годиннику з точним ходом биларешена шляхом винаходів маятника і системи баланс - Спіраль, які володіють власним періодом коливання і застосовуються в якості регулятора ходу. Вони замінили недосконалий регулятор фоліо, заснований на силовому замиканні з шпиндельним ходом шляхом пересування вручну вантажників на кінцях коромисла. З цього часу стала розвиватися класична коливальна хронометрія. Почалася нова історія годин.

Винахід Галілеєм і Гюйгенсом маятникових годин не тільки відкрило нову еру в хронометрії, але мало далекосяжні наслідки для розвитку нової механіки, заснованої на вивченні динамічних систем. Галілей виявив ізохронними властивість коливань маятника. Гюйгенс, обгрунтовуючи теорію коливання маятника, прийшов до створення динаміки матеріальних точок твердого тіла. Створена працями Ньютона класична механіка відкрила блискучу перспективу для розвитку техніки і хронометрії на новій основі. Ньютон розвинув вчення про абсолютний час, нескінченно триваюче з незмінною постійністю. Ньютон представляв цей рух по аналогії з ідеальним годинниковим механізмом з вічним заводом, які мають безперервний і рівномірний хід. Само собою зрозуміло, що такий рух можливо лише за умови дії однаковою і постійної причини. Створення на подібній основі годин стало можливим тільки на високому рівні розвитку науки і техніки. Такими годинами і є сучасні атомні і молекулярні годинник.

Ньютон писав, що «можливо, і не існує в природі абсолютно рівномірних рухів, які могли б послужити для точного визначення часу».Але їх можна технічно відтворити, для чого, на думку Н.І. Лобачевського, «ми повинні влаштувати машину, щоб бачити равноту руху». Годинники, по Лобачевському, і є таким приладом.

Теоретики і практики годинникової справи в XIX-XX ст. мали активну орієнтацію на створення годин з цілком рівномірним ходом. Це завдання вирішувалася в ході вдосконалення маятникових годин і балансових годин із спіральною пружиною на основі освоєння класичної механіки і фізики і творчих пошуків в цій галузі.

У розвитку класичної коливальної хронометрії можна виділити три етапи, що характеризують послідовний хід удосконалень маятникових годин і годин, заснованих на застосуванні системи баланс - спіраль.

На першому етапі (кінець XVII-XVIII ст.) Був створений астрономічний маятниковий годинник з точністю ходу 0,1 с, хронометр, придатний для визначення довготи на суші і на морі, винайдений вільний анкерний хід для кишенькових годинників. Цим закладена міцна основа для подальшого розвитку прецизійних годин на основі класичної коливальної хронометрії.

На другому етапі (XIX ст. - перші десятиліття XX в.) Було досягнуто подальше підвищення точності ходу маятникових годин до 0,01 с завдяки застосуванню ходу «з постійною силою» або вільного анкерного ходу, інварного маятника, підвищенню ізохронізірующего дії пружинного підвісу. Виключне значення для підвищення точності ходу маятникових годин мало застосування для цього коштів електротехніки.

Найвищим досягненням було створення в 1921 р Англійським вченим Шортом електричних астрономічних маятникових годин з двома маятника: одним - вільним, іншим - робочим. Точність їх ходу 0,001 с.

Подальше підвищення точності ходу балансових годин із спіральною пружиною було досягнуто завдяки вдосконаленню і технологічного освоєння винайденого в XVIII в. вільного анкерного ходу, який у другій 'половині XIX ст. увійшов у загальне застосування в кишенькових годинах, а в перші десятиліття XX в. - і в наречених. Чимале значення для цього мало застосування матеріалів з феронікелевий сплавів (инвара, елінвар, ніварокса і ін.) Для балансових пружин, а також досягнуті успіхи в розробці теорії ходу балансових годин на основі теоретичних і експериментальних досліджень;

На третьому етапі (після закінчення другої світової війни і до наших днів) розвиток класичної коливальної хронометрії доведено до найвищого можливого рівня; по суті, були вичерпані всі ресурси підвищення точності і надійності ходу маятникових і балансових годин на традиційно механічної основі. Стало зрозуміло про застосування в годиннику більш добротних осциляторів і нових технічних засобів. Були створені конструкції наручних годинників, придатних для масового виробництва на основі взаємозамінності і всебічної автоматизації.

Точність вимірювання секунди підвищувалася не поступово, а ступенями, у міру того як з'являлися вимоги до підвищення точності з боку мореплавства, промисловості, науки і техніки. «Що було б, - зазначає К. Маркс, - без годинника в епоху, коли вирішальне значення має вартість товарів, а тому і робочий час, необхідний для їх виробництва?».

В умовах розвитку капіталістичного виробництва реальне значення часу і контроль за його використанням Все більше і більше зростають, особливо в період розвитку пізньокапіталістичної економіки. Стало необхідним зниження середньої норми прибутку компенсувати підвищенням темпів виробництва і збільшенням експлуатації найманої праці шляхом введення швидкісних машин і засобів пересування. Виробництво внаслідок такої його інтенсифікації починає страждати хронічною нестачею часу. У міру проникнення машинної техніки в усі сфери господарства ця хвороба робиться хворобою і індустріального суспільства в цілому.

XIX-XX століття ознаменувалися бурхливим розвитком науки, що було б неможливо без застосування точних годин. У зв'язку з цим у всіх астрономічних обсерваторіях розвинулася служба точного часу, а з появою радіо - передача сигналів точного часу.

В даний час важко переоцінити значення для науки підвищення точності визначення часу, пов'язаної з розвитком техніки виміру часу. Разом з тим це завжди тягне за собою і розвиток науки.

Вимірювання коротких інтервалів часу набуло, зокрема, особливе значення, коли було виявлено існування елементарних частинок типу мезонів, гіперонів, нейтронів і антінуклонов. Час існування деяких частинок надзвичайно мало, бо нічого не досягає навіть мікросекунди, і спостереження над елементарними частинками стали можливі лише завдяки тому, що навчилися виробляти фізичні вимірювання в дуже коротких інтервалах часу.

Підвищення точності вимірювання часу на 2-3 порядки в зв'язку з з'явилася можливістю застосування для цієї мети електронної схеми в поєднанні з новими осцилляторами (кварц, камертон, атом, молекула) відкрило небачені можливості для нових відкриттів. Розвиток наукової думки не тільки ставило перед хронометр все нові і нові завдання, але рано чи пізно відкривало кошти для вирішення цих завдань. І це дуже характерно для взаємозв'язку розвитку науки і хронометрії.

Новітня і сучасна історія годин викладена в третій частині книги. Найбільший прогрес у технічному відтворенні рівномірних рухів для цілей вимірювання часу був досягнутий тільки завдяки винаходу і вдосконаленню кварцових і атомних годинників, коли наука перейшла від вивчення макросвіту до мікросвіту. Винахід і вдосконалення кварцових годин в 20-30-х роках XX ст. було викликано розвитком П'єзотехніка - нової галузі радіотехніки, що досліджує явища п'єзоелектрики і використання їх для конструювання різної радіотехнічної апаратури. За допомогою кварцового годинника точність вимірювання секунди може бути доведена до (3-4). Точність ця така, що дає можливість вловити мізерно малі коливання при обертанні Землі навколо осі. Винахід кварцових годин відкрило колосальні можливості в розвитку приладів часу з використанням засобів електроніки.

Удосконалення в області радіочастотної спектроскопії і електроніки дозволили створити в 1955 р атомний годинник, засновані на використанні квантовомеханических осциляторів - молекул і атомів. З їх появою стало можливим здійснити остаточний перехід від вимірювання часу на основі обертання Землі до вимірювання всіх інтервалів часу, включаючи тривалість доби і року, в атомних одиницях.

Сучасна наука і техніка дають можливість вимірювати резонанс атома більш точно, ніж рух зірок і планет, і цей резонанс виявився більш стійким, ніж рух планет.

В даний час найкращим еталоном часу визнаний водневий мазер, виготовлений в Швейцарії, з шириною спектра 1 Гц; його стабільність може бути доведена до 10-13. Є і інші атомні еталони одиниці часу. В Англії з 1958 р в якості бази одиниці часу прийнятий цезієвий еталон з атомно-променевою трубкою. Вимірювати час і частоту за допомогою цього годинника можна з точністю до 1 • 10 »», в той час як астрономічними засобами (по різниці між послідовними перетинами зірок меридіана) з такою точністю час не може бути визначено.

Атомний годинник воістину є дітищем атомного століття; вони дозволили підвищити точність вимірювання секунди щонайменше на три порядки і зробили справжню революцію в техніці вимірювання часу. Після цих винаходів хронометрія стала важливим напрямком сучасної науково-технічної революції і адекватної за своїми можливостями її вимогам.

Мал. 1. Діаграма зростання точності приладів часу

Розвиток радіоелектронних напівпровідникових приладів починаючи з 50-х років нашого століття відкрило нові значні перспективи щодо створення не тільки електромеханічних, а й електронно-механічних наручних годинників. Так, в 1959 р Були створені камертонні наручний годинник із застосуванням електронних схем на транзисторах, а в 1967 р - наручний годинник з кварцовим, осциллятором на інтегральних схемах з стрілочної

і цифровою індикацією. Точність ходу нових наручних годинників на кілька порядків вище, ніж у звичайних кишенькових годинників. З кожним роком значення застосування електроніки в створенні новітніх приладів часу збільшується, і в даний час точна механіка і електроніка вже цілком поріднилися в цій області між собою. Звідси тісний зв'язок електротехніки та електроніки з точною механікою в практиці сучасної годинникової промисловості. Спеціаліст в області точної механіки тепер не має права обмежувати себе тільки механічними рішеннями, а повинен вибирати оптимальний для даних умов варіант, якби він був тільки механічним або електричним або тим і іншим.

Уорд приводить діаграму зростання точності ходу годинника з часу появи механічних годинників до наших днів (рис. 1). За діаграмою можна судити про динаміку підвищення точності ходу годинника. Поки в якості регулятора шпиндельного ходу застосовували фоліо, підвищення точності ходу годинника відбувалося вкрай повільно. Тільки після винаходу маятникових годин став можливий прискорений прогрес. Він особливо збільшився після винаходу електричного годинника з двома маятника. Справжня революція в цій галузі відбулася після винаходу кварцових і атомних годинників. На діаграмі добре видно ці вузлові моменти ( «скачки»).

1. Сонячний годинник

Сонячний годинник, а якщо бути більш точним - їх різновид під назвою гномон є найдавнішим з відомих інструментів для вимірювання часу. А про такі прості сонячний годинник згадується в Книзі пророка Ісаї. Археологічні ж дослідження показують, що сонячний годинник існували і до стародавнього Вавилона. Найстаріші з знайдених годин датуються п'ятьма тисячоліттями до нашої ери. З Вавилона до нас прийшло ділення доби на двадцять чотири години, а години на 60 хвилин.

Мал. 2. Сонячний годинник. Великобританія

Прості сонячний годинник представляють собою тонкий і високий предмет (власне гномон) і спеціально підготовлену поверхню, на яку гномон відкидає тінь. Протягом дня тінь від гномона рухається, і, перетинаючи нанесені на поверхню годинні замітки, показує нам час. Кут, під яким зрізана верхня частина гномона, залежить від широти місця, для якого виготовлені годинник, а напрямок - полярної зірки, паралельно осі землі. Існували й сонячний годинник з «автоматичним настроюванням»: тінь в такому годиннику проектувалася на дві різні поверхні, і час збігалося, тільки якщо гномон був правильно встановлений.

Існувало безліч різновидів сонячних годин: горизонтальні, вертикальні (якщо площина циферблата вертикальна і спрямована із заходу на схід), ранкові або вечірні (площину вертикальна, з півночі на південь). Будувалися також конічні, кульові, циліндричні сонячний годинник. У середні століття були придумані портативні сонячний годинник, в тому числі для моряків і пастухів. Однак приблизно з 17 століття, хоча нові різновиди годин і продовжували створюватися, вони ставали швидше декоративним елементом оформлення парків або іграшкою. У такій якості сонячний годинник і дійшли до наших днів.

Найпоширенішим хронометричним приладом можна вважати сонячний годинник, засновані на уявній добовому, а іноді і річному русі Сонця. З'явилися такі годинник не раніше усвідомлення людиною взаємозв'язку між довжиною і положенням тіні від предметів. Але, навіть усвідомивши це, навряд чи хтось кинувся будувати годинник, треба було ще зрозуміти, що таке час. Відомо, що в своєму первісному вигляді сонячний годинник мали форму обеліска, але точна дата їх виникнення невідома. І до речі, їх могли винайти в різних місцях.

Традиційна історія вважає, що найпершим згадав сонячний годинник китаєць Чиу-пі (близько 1100 року до н.е.). У своїй рукописи він повідомив, що з їх допомогою китайці легко встановили літню і зимову висоту Сонця і визначили нахил екліптики в 23 ° 52 '. Правда, не ясно, як вони це міряли, оскільки багато знання, необхідні для цього, - зокрема, тригонометрія, - з'явилися значно пізніше. Та й навіщо вони це зробили, теж незрозуміло. Припустимо, через вроджену китайської допитливості. Причому до недавнього часу китайці вважали свою країну Серединної імперією, накритою куполом неба, і жодного уявлення ні про кулястості Землі не мали.

Найсприятливіші кліматичні умови для вимірювання часу за допомогою сонячного годинника має Єгипет, тому більш достовірним є думка, що перші сонячний годинник - гномон, вертикальний обеліск зі шкалою, нанесеною на землю біля нього, - з'явилися саме тут. Обеліски служили одночасно для шанування культу бога Сонця. Ці священні обеліски стояли, як правило, перед входами в храми. Цікаво, що традицію встановлювати сонячний годинник у храмів можна простежити і в Європі аж до XIX століття. А ось в Росії не завжди сонячно, тому у нас збирають віруючих до храму боєм дзвонів.

До сих пір зберігся єгипетський обеліск заввишки в 34 метри. Вважається, що в царювання Августа він був перевезений з Єгипту в Рим і за вказівкою імператора встановлений на Марсовому полі, а керував цією операцією математик Факундус Новус. Гномон поставили в центрі спеціальної панелі, на якій накреслили циферблат; часові лінії були викладені з бронзових частин. За словами Плінія Старшого, обеліск служив для визначення часу року і довготи дня. Він простояв кілька століть, але в епоху занепаду Стародавнього Риму був скинутий і надовго забутий. У 1463 році його знову знайшли, але тільки в 1792 році знову встановили на площі Монтечиторіо в Римі, де він стоїть і понині.

В Єгипті крім обелісків були створені й інші конструкції сонячних годин. Наприклад, що складаються з горизонтальної частини - лінійки з хронометричні шкалою довжиною близько 30 см - і перпендикулярного їй «плеча», відкидає тінь на шкалу. Ще тут були ступінчасті годинник з двома похилими поверхнями, орієнтованими по осі схід-захід і розділеними на щаблі. При сході Сонця тінь падала на край верхньої сходинки однієї з цих поверхонь, східної, потім поступово опускалася, а до полудня зникла. Після полудня тінь знову з'являлася в нижній частині західної поверхні, звідки вона піднімалася до тих пір, поки при заході Сонця не торкалася грані верхньої сходинки. У таких годин час визначалося довжиною, а не напрямком тіні.

Вимірювання часу довжиною тіні подекуди збереглося до пізнього Середньовіччя. Лікар і географ Паоло Тосканеллі побудував в 1468-1482 роках на костелі св. Марії де Фіоре у Флоренції гномом висотою 84.5 метра, за допомогою якого вдавалося вимірювати з напівсекундного точністю місцевий полудень. За допомогою цього гномона Тосканеллі уточнив дані астрономічних таблиць.

Були інші сонячний годинник, зі шкалою для визначення часу по напрямку відкидаємо тіні, хоч і з'явилися вони, напевно, пізніше. Для правильного свідчення часу верхня лінія шкали була горизонтальної, і шкала становила прямий кут з площиною місцевого меридіана. Для правильної установки годин доводилося вести спостереження за моментами сонцестояння або рівноденнями. На древніх сонячний годинник поділу наносили виходячи з практичного досвіду, потім - на основі теоретичного розрахунку, правда, невірного. Єгиптяни знали, що тінь, що відкидається гномоном, різна в залежності від пори року, але різниця не враховувалася. Абсолютно точний час тутешні гномони показували лише двічі на рік: в дні весняного і осіннього рівнодення. Щоб поліпшити точність, стали будувати сонячні годинники з особливими шкалами для різних місяців.

Створення сонячних, водяних, пісочного годинника сприяло розвитку точної механіки, а вона, в свою чергу, була сполучною ланкою між приладобудуванням і досвідченої наукою. Візантія серед всіх країн досягла високого рівня розвитку техніки. Араби вчилися у візантійців багато чому, в тому числі і конструювання та виготовлення різних видів сонячного годинника. А в самій Візантії були вельми поширені сонячні настінні вертикальні годинник. Вони були на стінах церков і громадських будівель і були приблизно такого ж типу, як на стінах Вежі вітрів в Афінах і на стіні візантійської церкви, побудованої на місці язичницького храму Грація. На циферблаті для позначення годин вперше з'являються числа.

Свідоцтва про наявність в Константинополі годин історики знаходять в документах, віднесених ними до VI століття, але, на жаль, без будь-якого пояснення їх влаштування. На підставі епіграми, що відноситься до часу царювання Юстина II (565-578), вчений Рейске робить висновок, що вже в VI столітті у візантійських греків був годинник з боєм, по крайней мере, великі міські. Датування такого повідомлення вимагає додаткової перевірки і великих роздумів.

У «Статуті» Костянтина Багрянородного (911-959) згадується професія годинникаря. Тут же йдеться про наявність в імперії спеціальних людей, відбивали годинник церковних служб і молитов. Передбачається, що в палаці відбивання годин необхідно було не стільки для молитов і церковних зібрань, скільки для позначення часу зборів воїнів, відкриття і закриття палацу, зміни варти та інших дій, що відбуваються регулярно.

Однак врахуємо, що при пануванні аграрного ладу і ремісничої техніки (будь то в Стародавньому світі або в Середні століття) не було потреби ділити час на дрібні відрізки і точно їх вимірювати, як тепер. Люди визначали час по природному освітленню Сонця, довгі літні дні і короткі зимові, однаково ділили на 12 годин, а тому літні і зимові годинник були різними.

Підкреслимо це особливо: під впливом мінливого нахилу Сонця змінювалася протягом року довжина денних і нічних годин. Погоджувати годину, який показують прилади з рівномірною шкалою (водяні, вогневі, пісочні і механічний годинник) з тривалістю години сонячного годинника - важка проблема.

Пізніші сонячний годинник отримали криволінійні шкали, що усунуло цей недолік. Такими годинами зі складними шкалами, розрахованими для квартальних або місячних інтервалів, користувалися приблизно до XV століття. Також до кінця XIV століття в Центральній Європі були досить поширені сонячні настінні вертикальні годинник з горизонтальною тіньової штангою, що прийшла спочатку з Єгипту. Але в Єгипті, завдяки порівняно малої віддаленості від екватора, час визначалося з прийнятною ступенем точності, тоді як в Греції, Італії або Чехії ця точність була значно гірше.

Нову епоху в розвитку сонячних годин відкрило важливе винахід, зроблений в 1431 році. Принцип його полягав в установці тіньової стрілки в напрямку земної осі; таку стрілку назвали полуосью. Цим простим нововведенням було досягнуто те, що тепер тінь рівномірно оберталася навколо півосі, повертаючись, кожну годину на 15 °. Якби нам знадобилося вимірювати цим годинником час, то треба було б винести годинну шкалу на еліптичну криву і при цьому одночасно змінювати положення стрілки в меридіональної площині стосовно сезону року. Опис такого годинника з'явилося в астрономічних працях XVI століття, але детальними вимірами за допомогою цього годинника став займатися лише в середині XVIII століття астроном і директор Паризької обсерваторії Джозеф Джером Лаланд.

Стало можливим ввести рівномірне час для всього року, причому відрізки, відповідні годинах, були однакової довжини незалежно від мінливих висоти Сонця. Одним з перших згадок про годинник з полуосью є рукопис Теодоріка Руффі від 1447 року. Деякі сонячний годинник того часу мали одночасно гномон і піввісь; вони описані в рукописі арабського астронома XV століття Сібт-аль-Марідіні; аналогічні годинники побудував приблизно в той же час єгипетський астроном Ібн-аль-Магді.

Прогрес, яким ознаменувалася наука в епоху Відродження, позначилося і на конструкції сонячного годинника. Порівняно швидко, приблизно за 130 років, колишні недосконалі годинник перетворилися в досить точні для свого часу хронометричні прилади, якими можна було вимірювати час в будь-якому місці земної кулі. Для правильної установки годин стали використовувати компас.

Один з перших творців сонячного годинника з коригувальним компасом - астроном і математик Региомонтан, справжнє ім'я якого Йоганн Мюллера (Müller) (1436-1476), відомий також як Жоан де Монте Регіо, який працював в середині XV століття в Нюрнберзі. Він був також автором першого спеціального праці про сонячний годинник. Поєднання сонячного годинника з компасом призвело до того, що їх стало можливо використовувати повсюдно, і з'явилися портативні, кишенькові, або дорожні, моделі годин. Сонячний годинник у вигляді порожнього півкулі зі стрілкою, що відкидає тінь на внутрішню порожнину, почали будувати з 1445 року.

Сонячні портативні годинник

Цікаві сонячні кільцеві годинник, один з варіантів дорожніх, - вони одночасно служили і в якості декоративної підвіски. Головною їх частиною було латунне кільце діаметром кілька сантиметрів, поєднане з іншим рухомим кільцем, забезпеченим отвором для сонячного променя. На зовнішній поверхні головного кільця гравірували початкові літери місяців, а проти них, на внутрішній поверхні, перебувала годинна шкала. Перед вимірюванням треба було повернути менше колечко так, щоб отвір для променя лежало у найменування потрібного місяця. Для вимірювання часу годинник виставляли так, щоб сонячний промінь проходив через отвір і вказував годину на шкалі. Перший опис такого годинника - у вигляді персня з печаткою - міститься в книзі лікаря Боні, виданої в Парижі в 1500 році.

Однією з найбільш популярних різновидів сонячних дорожніх годин були так звані пластинчасті годинник. Перші екземпляри з'явилися в Європі в 1451-1463 роках. Зазвичай вони складалися з двох, іноді з трьох однакових за величиною чотиригранних прямокутних пластинок, з'єднаних підвісками, причому в нижній пластинці обов'язково повинен був знаходитися компас.

Сонячний годинник. Посох для паломника

Є опис дерев'яних восьмигранних палиць довжиною 160 см, з металевим вістрям і з вирізаними вартовими шкалами. Це сонячний годинник (Ашадом), якими користувалися в середні віки індійські паломники. У ручці такий палиці просвердлювали зазвичай чотири наскрізні отвори, в які над шкалою для відповідного місяця вдвигался стрижень довжиною близько 15 см так, щоб його вістря при вертикальному положенні палиці відкидало тінь на шкалу. На палиці повинно було бути 12 шкал. Оскільки для днів, віддалених від сонцестояння на однаковий час, діяли однакові умови, то досить було мати 8 шкал. Найменування «Ашадом» цей годинник отримали по тому сезону (червень - липень), в якому відбувалися паломництва.

З початку XVI століття теорію сонячних годин почали викладати в університетах Віттенберга, Тюбінгена, Інгольдштадт, в Празі і в Штірском Градце як складову частину математики.

Приблизно в цей же час з'явилися віконні сонячний годинник. Вони були вертикальними, їх циферблатом була поверхню вікна храму або ратуші. Циферблат зазвичай складався з мозаїчною фільонки, залитої свинцем. Стрілка відкидала тінь на циферблат, влаштований так, щоб кінець тіні вказував не тільки годинник, але і положення Сонця в зодіаку. Прозора шкала дозволяла спостерігати час, не виходячи з будинку.

Були і дзеркальні сонячний годинник, які відображали сонячне проміння дзеркалом на циферблат, розташований на стіні будинку. Першим такий годинник описав Й.Б. Бенедиктус в книзі, виданій в Турині в 1574 році. За деякими відомостями, конструюванням дзеркальних годин займався і Микола Коперник, чому можна повірити, бо до сих пір зберігся циферблат дзеркальних годин на замку в Ольштині імовірно його роботи.

З точністю сонячних годин не могли зрівнятися механічні до того, як в них стали застосовувати маятниковий осцилятор.Але і після його появи сонячний годинник зберігали свою популярність. Найбільшого розквіту їх виробництво досягло в XVI і XVII століттях; їх створенням займалися передові європейські математики та астрономи. До того ж вони дуже довго залишалися обов'язковою приналежністю всіх обсерваторій. Ще й в XVIII столітті їх будували в астрономічних обсерваторіях країн Сходу, наприклад в Індії. Яи Сінг II, князь Джайпуру, заснувавши в 1708-1710 роках велику обсерваторію в Діллі, поставив там гномон висотою 18 метрів. Незабаром після цього він наказав побудувати подібний годинник в Бенаресі, Муттрже, Уйгаіне і в Джайпурі.

Але люди вишукували, і примітивні способи вимірювання часу за допомогою Сонця; іноді єдиним «інструментом» для цього була людська рука. Перші повідомлення про такі «годиннику» відносяться до початку XVI століття. Ліву руку повертали долонею вгору, і її спрямований вгору великий палець виконував функцію тіньової стрілки. Залежно від довжини цієї тіні в порівнянні з іншими пальцями руки можна було приблизно визначити час. Цей простий спосіб вимірювання часу у Франції, Південної Німеччини та деяких інших місцях був добре відомий навіть в XIX столітті.

В далеких морських плаваннях визначення точного часу було дуже важливою справою, без цього не можна зрозуміти, де знаходиться судно. Водяні або пісочний годинник треба постійно коригувати, але як? За допомогою сонячного годинника, якого б досконалості вони не досягли, робити це в умовах качки і постійних розворотів неможливо.

Залишалося використовувати для визначення часу «природні годинник» - зоряне небо. Можна припустити, що дуже довго це робили «вручну» люди, що володіють величезним досвідом. Але розвиток мореплавання йшло швидко, були потрібні прилади. А оскільки першими реальними мореплавцями були не міфічні аргонавти, а моряки-візантійці і араби, які здійснювали плавання по Червоному і Аравійському морях в Індію, природно, що їх учені і зайнялися цим питанням.

Найважливіший прилад, створений ними, - астролябія. Цей кутомірний прилад служив до XVIII століття для визначення широти і довготи місцевості, а також горизонтальних кутів при землемірних роботах. До наших днів дійшов трактат про астролябії, написаний візантійським вченим Філопоном (Іоанн Граматик) в 625 році. Приблизно в цей же час трактат на ту ж тему написав сирієць Себохта, а Сирія входила до складу Візантійської імперії. Тим часом винайшов астролябію, як вважають, стародавній грек, астроном Гіппарх в 150 році до н.е., за 775 років до того, як Філопон взявся писати про цей прилад перший відомий нам трактат. Взагалі Гиппарху (180 або 190-125 до н.е.), приписують винаходу, які могли бути реалізовані лише в VI-VII століттях н.е., а в деяких випадках навіть в XV столітті. Наприклад, він визначав довготу, спостерігаючи одне і те ж місячне або сонячне затемнення з різних по довготі місць. Для цього йому треба було б мати уявлення про наскрізному часу, тобто використовувати механічний годинник, синхронізовані для таких спостерігачів.

Такі ж точно міркування можна привести з приводу багатьох так званих давньогрецьких вчених. На наш погляд, це візантійці VI-XII століть, дійсні винахідники багатьох корисних речей, чиї прізвиська міфологізований, а дати життя значно пізніше були сильно відсунуті. До того ж «автори» історії приписали цим вченим відкриття більш пізнього часу.

Судіть самі: Птоломей Клавдій (бл. 90 - бл. 160 н.е.) знав про Східну Африку, про Індокитаї і Східному Китаї, про Британських островах і Балтійському морі. І це за півтора тисячоліття до широкого мореплавання, до появи компаса, корабельного керма і механічних годинників! Так ось, Птолемей теж винайшов мідну астролябію, а користуватися нею стали чомусь лише з XVI століття. На відміну ж від міфічної давньогрецької історії, в Візантії розвиток військової техніки і реальне створення астролябії і годин сприяли вдосконаленню механічного мистецтва.

До появи астролябії були вже прилади для фіксування положення зірок при спостереженнях: це візирна дошка і схил. Роботу виконували дві людини. Спостерігач сідав обличчям на північ і тримав перед собою дощечку і схил; навпроти нього сідав його помічник, який також тримав схил. Уявна лінія від ока спостерігача до Полярної зірки повинна була проходити через розщеп візирної дощечки, і обидва схилу. Час проходження зірки через площину, яка визначається цією уявною лінією і схилами, було моментом проходження нею меридіана місцевості, на підставі чого і складалися зоряні карти, зразки яких нам відомі.

Потім з'явилася астролябія, і на протязі століть вона була найпоширенішим астрономічним приладом; нею користувалися на суші і на морі. За заміряному з її допомогою положення зірки можна визначити час. Араби з допомогою астролябії визначали час з похибкою лише в 1-2 хвилини. Вимірювання часу методом визначення висот зірок застосовувалося до середини XVII століття багатьма астрономами, в тому числі і Тихо Браге, який досяг точності вимірювання до декількох секунд.

В середні віки бронзові астролябії, що мали підставу у вигляді круглої плити, розділеної на 360 °, зазвичай вкладали в пакети з астрономічними таблицями або картами земної поверхні, складеними для різних географічних широт. Астролябію доповнювала зоряна карта зі знаками зодіаку.

Найстаріший і найбільш довго вживався зоряний каталог називають каталогом Гіппарха: в ньому були дані про рух +1022 зірок, а середня похибка досягала чотирьох хвилин. Західні європейці довгий час користувалися так званими Толедські таблицями Альфонса, названими так по імені іспанського короля Альфонса X, який доручив скласти їх в 1252 році. Прусські планетарні таблиці, видані у 1551 році Еразм Рейнгольдом, були створені задля уточнення даних цих таблиць. Однак найбільшої точності досяг в своєму зоряному каталозі Тихо Браге; в ньому згадувалося лише 997 зірок, але середня похибка не перевищувала однієї дугового хвилини.

У першій половині XVI століття поширилося в Європі будівництво «армілярную» сфер, що складаються з системи кіл. Ці кола зображували екватор, меридіани, тропіки, висотні кола і екліптики зі знаками зодіаку, світової осі, траєкторій і положень Сонця і Місяця. Як правило, армілярні сфери мали місячні календарі і схему розташування планет і служили для демонстрації положень сузір'їв і планет в певний момент часу в різних координатних системах. Існували й спостережні армілярні сфери, призначені для вимірювання, однак вони були досить рідкісними, і збереглося їх дуже мало. Ці прилади так і не замінили астролябію. Вважається, що єдиним виробником їх був Тихо Браге.

2. Водяний годинник

Сонячний годинник були простим і надійним дороговказом часу, але страждали деякими серйозними недоліками: їх робота залежала від погоди і була обмежена часом між сходом і заходом Сонця. Немає сумнівів, що через це вчені стали вишукувати інші шляхи вимірювання часу, не пов'язані з наглядом небесних тіл. Також зрозуміло, що нові прилади вимірювань часу повинні були принципово відрізнятися від сонячного годинника.

Одиниця часу для сонячного годинника виводилася з обертання Землі і її руху навколо Сонця, для зіркових - з видимого руху зірок. Нові хронометричні прилади (рідинні, пісочний, повітряні, вогневі та ін.) Мали штучний еталон одиниці часу у вигляді його інтервалу, необхідного для витікання, втекания або згоряння певної кількості речовини. Подібно сонячним годинником, ця група найпростіших годин пройшла довгий шлях розвитку, що супроводжувався відкриттям цікавих принципів дії і конструктивних елементів. Адже вимір часу за допомогою годинника «втекания» або «витікання» було досить важкою справою: вони повинні були мати багато шкал або спеціальних пристроїв, для регулювання надходження або закінчення води. Деякі з них, наприклад зубчасті передачі, ролики, ланцюгові підвіски і гирі, знайшли застосування в подальшій ері хронометрії - ері механічних годинників. Водяний годинник зайняли після сонячних друге місце за кількістю і були найважливішими в цій групі найпростіших годин.

У літературі часто говориться про них як про «клепсидрою». Це найменування походить від поєднання двох грецьких слів klepto - брати і idor - вода. Багато, судячи по грецькому найменуванню, помилково вважають, що саме в Греції вони були придумані. Однак справа йде не так: в примітивному вигляді водяний годинник були відомі вже єгиптянам, у яких збереглися, по всій ймовірності, найстаріші водяний годинник в світі. Вони були виявлені в 1940 році в храмі Амона в східних Фебах, а зараз зберігаються в музеї Каїра. На внутрішній поверхні їх алебастрового корпусу наколками позначено 12 часових шкал для вимірювання часу у відповідних місцях. Пам'ятайте, що сонячний годинник дають різну тривалість годин в різні місяці? Це і було враховано в єгипетських водяних годинниках. Посудина заповнювали до самого верху водою, яка потім витікала через невелике придонне отвір. Однак є і загадка. Справа в тому, що найсуттєвішою проблемою при створенні такого годинника була - відпрацювання такої форми посудини, яка забезпечувала б витікання води з рівномірним зниженням рівня. Згадані Єгипетські годинник вже давали достатню рівномірність зниження рівня, хоч і з деякою погрішністю. Це наводить на думку, що вони хоч і найдавніші, але все ж не перші.

В античній Греції водяний годинник застосовували для регламентації часу, наданого ораторам під час судових процесів. Цей годинник був, по суті, великими амфорами, внутрішня поверхня яких мала форму, утворену обертанням параболи або еліпсоїда, що знову показує їх пізніше походження: адже встановити залежність швидкості витікання від висоти стовпа води і форми посудини змогли тільки в середні століття. Схоже на марення Фоменко!

Амфора висотою близько 1 м і шириною трохи більше 40 см вміщала близько 100 л води. При діаметрі отвору закінчення в 1.4 мм потрібно майже 10 годин на повне спорожнення судини. У воді знаходився поплавок з прикріпленим до нього довгим стрижнем, який виступав над краєм посудини. На стрижні було викарбувано шкала. Час, що минув після початку закінчення води, вказувалося на цій шкалі. Поплавок опускався в амфорі рівномірно, оскільки зниження швидкості витікання компенсувалося зменшуваним внутрішнім діаметром судини.

Те, що клепсидра не залежала від світла Сонця, зробило з водяних годин прилад, придатний для безперервного вимірювання часу і вдень, і вночі. До того ж стало можливим розвивати деякі механічні елементи. Почалося змагання конструкторів у винаході дотепних гідравлічних і пневматичних механізмів: для звукової сигналізації про час, для освітлення годин вночі; такі елементи можна знайти у цілого ряду водяних годин арабського походження. В руках обдарованих уявою майстрів виникли видатні твори, що відрізняються високою художньою цінністю і оригінальною функціональністю.

Воістину легендарною постаттю серед майстрів з виготовлення «клепсидр» вважається відомий грецький механік Ктесібій Олександрійський, що жив приблизно за 150 років до н.е. Римлянин Вітрувій навіть називає його винахідником водяних годин.

Збереглися повідомлення про двох виготовлених Ктесибієм годинах, які з огляду на особливі достоїнств заслуговують хоча б короткого опису. У годиннику, що приводяться в дію водяним колесом, Ктесібій використовував передачу сил і руху зубчастим механізмом, проект якого теоретично намітив ще Аристотель (як вважають, в IV столітті до н.е.). Зубчаста передача з'єднувала провідний механізм зі шкалою, розташованої на циліндричній поверхні поворотної колони і розділеною вертикальними прямими на чотири основних поля. Система з 24 похилих ліній утворювала, годинну шкалу для вимірювання планетних годин. Колона зі шкалою, що приводиться водяним колесом, обертаючись навколо своєї осі, робила один оборот в рік. Тому і камери водяного колеса в нижній частині годин заповнювалися водою повільно, причому вода подавалася в невеликій кількості по особливому трубопроводу. Статуетка зі стрілкою рухалася за допомогою спеціального поплавкового механізму, керованого інший статуеткою, що знаходиться на іншій стороні годин. Сльози, краплі води, що падають з очей статуетки, - накопичувалися в збірники підставки, звідки через трубопровід текли в камеру поплавця стрілочного механізму. Крім того, цей годинник мали ще спеціальний пристрій, який через певні інтервали викидало на чашку дрібні камінчики, що було звуковою сигналізацією.

Другий годинник Ктесібія відрізнялися від перших тим, що їх стрілка у верхній частині з циферблатом управлялася поплавцем, підвішеним на ланцюзі, навернути навколо вала стрілочного покажчика.Місячний календар з зодіаком в нижній частині годин теж наводився в рух водяним колесом, камери якого були закріплені безпосередньо на задній стороні зодіакальною плити. Але найцікавіше, що точно такий годинник були зроблені і описані в творі «De dolaribus horologies», виданому в Парижі в 1560 р

До творів високого мистецького творчості, безперечно, відносяться бронзові водяний годинник, виготовлені в період 799-807 рр., Які Гарун-аль-Рашид послав в подарунок Карлу Великому. Цей годинник з багатими орнаментальними прикрасами, мали циферблат, і кожну годину проголошували звуковим ударом металевої кулі, який вискакував з них на декоративну решітку, а в полудень в годиннику відкривалися ворота, і з них виїжджали лицарі. Подібна техніка автоматичних рухомих фігур була розвинена в Європі багато пізніше - в період готики, з другої половини XII століття. А до речі, лицарі як стан, з усіма притаманними їм атрибутами, з'явилися не раніше XI століття.

В Індії водяний годинник називалися «яла-янтра». Це були переважно годинник «закінчення» з невеликим отвором в дні. При сході Сонця їх заповнювали водою, яка потім витікала, так що до вечора процес заповнення і закінчення води повторювався 5-6 разів.

Вважається, що близько 725 р з'явилися водяний годинник в Китаї, їх зробив І-Хсінга. Вершиною досконалості, безсумнівно, був проект великих пагодних астрономічних водяних годин, розроблений в 1090 року і здійснений Су-Сунгом в провінції Хонан, тодішній столиці Китайської імперії. Цей годинник мали сигнальний пристрій, схоже на те, яке було у водяних годин Ктесібія. Астрономічна ж їх частина мала форму армілярні сфери і небесного глобуса. Багато хто вважає, що принцип регулятора ходу пагодних астрономічних годин Су-Сунга став сполучною ланкою між водяними і механічними хронометричними приладами. Але не слід забувати, яку дикість зустріли в Китаї єзуїти, прийшовши туди. Так що всі ці чудові годинник, швидше за все або більш пізнього походження, або вигадка. І знову вторгся марення Фоменковцев!

Арабська інженер Аль-Язарі написав в 1206 р книгу, де описав різні механізми. У шести з десяти глав книги він описує водяний годинник з різними фігурними елементами, а в інших розділах знайомить читачів з деякими видами вогневих свічкових годин. Аль-Язарі вважав за краще фігурне зображення часу, на відміну від наступних конструкторів, які перейшли на цифрові індикатори. Вказівний механізм водяного годинника Аль-Язарі складався з скульптурних зображень чотирьох павичів: старий павич, два молодих павича і над ними пава. Ця фігурна частина доповнювалася зверху 15 скляними кулями.

Як же працював механізм управління павичами? Вода витікає з бака в посудину, закріплений в підвісці так, щоб після його наповнення він в певний момент перекинувся, причому його вміст переливалося б в нижню ванну і текло б звідти на лопаті водяного колеса. Водяне колесо приводить в рух передавальний механізм, з'єднаний з павичем, і він починає свій рух. Від води діє і звуковий механізм флейт, і приводний пристрій молодих павичів. Водяне колесо за допомогою тяг відхиляє павичів від їх початкових положень, а вода, що витікає з ванни під водяним колесом в нижній бак, вичавлює з нього повітря на язичок флейт. Це опис дає уявлення про дотепність авторів і складності приладів, які арабський світ знав набагато раніше, ніж подібні елементи з'явилися в Європі.

3. Вогневі годинник

Крім сонячних і водяних, з початку XIII століття з'явилися і перші вогневі, або свічкові, годинник. Це тонкі свічки довжиною близько метра з нанесеною по всій довжині шкалою. Вони порівняно точно показували час, а в нічні години ще й висвітлювали житла церковних і світських сановників, в тому числі таких правителів, якими були в середині XIII століття Людовик Святий, а в XIV столітті - Карл V. До бічних сторонах свічки іноді прикріплювали металеві штирі, які в міру вигоряння і танення воску падали, і їх удар по металевій чашці свічника був свого роду звуковою сигналізацією часу.

Протягом цілих століть також і рослинне масло служило людям не тільки для харчування, але і в якості светильного матеріалу, і як основа для масляних лампадним годин. Як правило, це бували прості лампади з відкритою гнотовим пальником і зі скляною колбою для олії, забезпеченою часовий шкалою. Обсяг колби підбирали так, щоб її вмісту вистачило для безперервного світіння між 6 годинами вечора і 8 годинами ранку. Товщиною і довжиною палаючого гноту регулювали величину полум'я і витрата масла так, щоб зниження рівня масла в колбі відповідало нанесеним на неї позначенням часу. Початкові циліндричні або злегка опуклі скляні судини під масло були джерелом деякої погрішності у вимірюванні часу. Справа в тому, що ввечері через більш високого рівня масла його тиск викликало більш швидке вигоряння, чим ближче до ранку. Тому лампадним годинник пізнішого походження мали скляну колбу у вигляді розширеної догори груші, щоб таким чином хоча б частково вирівняти швидкість згоряння масла і забезпечити точність визначення часу.

Визначити час появи такого годинника складно, однак можна сказати напевно, що сталося це не раніше, ніж навчилися виробляти в достатній кількості скло.

Найбільше лампадним годин було в Китаї, який взагалі вважається колискою всіх видів вогневих годин. Крім всякого роду лампадним годин, тут в більш пізній час з'явилися газосветние годинник, які китайці полюбили настільки, що деякі їх типи зберігалися аж до XX століття. До сих пір в Китаї розповідають, що приблизно 3000 років тому Фо-хі, «батько Китаю» і його перший імператор, створив перші вогневі годинник, щоб з їх допомогою вимірювати денний і нічний час.

Існував і інший тип вогневих годин, так звані ґнотові. Їх головною частиною був гніт у вигляді довгої металевої палички, покритої шаром дьогтю з дерев'яними тирсою. Жар тліючих тирси, підпалених на одному кінці палички, поступово перепалювати тонкі, поперечно натягнуті волокна з підвішеними до них кульками, які падали в металеву чашку. Іноді гніт згортали в спіраль, форма якої вже сама по собі заміняла годинну шкалу.

Найбільш типові для Китаю ґнотові годинник мали форму дракона, в хребті якого зміцнювався спеціальний утримувач для палички. Швидкість згоряння гніту залежала від багатьох обставин, і для визначення її був потрібний великий досвід. Такі годинники ніколи не ставилися до приладів, які за точністю можна було б порівняти з сонячними або водяними годинниками. Причому наявність всіх цих годин в Китаї не дає ніякої хронологічній позначки і, у всякому разі, не означає їх давнину.

Мал. 3. Водяний годинник. Австралія, Сідней

4. Пісочний годинник

Дата виникнення перших пісочного годинника теж невідома. Але і вони, як і масляні лампадним, з'явилися не раніше, ніж прозоре скло. Вважається, що в Західній Європі про пісковому годиннику дізналися лише наприкінці середньовіччя; одним з найстаріших згадок про них є повідомлення від 1339 р виявлене в Парижі. Воно містить вказівку з приготування дрібного піску з просіяного порошку чорного мармуру, прокипяченного в воді і висушеного на сонце.

Незважаючи на те, що пісочний годинник з'явилися в Європі настільки пізно, вони швидко поширилися. Цьому сприяли їх простота, надійність, низька ціна і не в останню чергу можливість вимірювати з їх допомогою час в будь-який момент дня і ночі. Їх недоліком був порівняно короткий інтервал часу, який можна було виміряти, не перегортаючи приладу. Звичайні годинник були розраховані на півгодини або годину, рідше - на 3 години, і лише в зовсім рідкісних випадках будували величезні пісочний годинник на 12 годин ходу. Чи не давало поліпшення і з'єднання декількох пісочного годинника в одне ціле.

Як і вогневі, пісочний годинник ніколи не досягали точності сонячних. Крім того, при тривалому користуванні ними їх точність змінювалася, оскільки зерна піску поступово дробилися на більш дрібні, а отвір в середині діафрагми, навпаки, поступово стирається і збільшувалася, так що швидкість проходження піску через них ставала більшою.

Мал. 3. Пісочний годинник

5. Механічні годинники

Сонячні, водяні і вогневі хронометричні прилади завершили першу фазу в розвитку приладів для вимірювання часу. Поступово виробилися чіткіші уявлення про час, і стали вишукувати більш досконалі способи його вимірювання. Революційним винаходом, що ознаменував абсолютно нові етапи розвитку в цьому напрямку, було створення перших колісних годин, з появи яких почалася сучасна епоха хронометрії.

Механічний годинник був потрібні всім, церкви - для уточнення початку часу богослужіння. Спочатку з цим завданням успішно справлялися сонячний годинник, але з часом їх замінили баштові механічні годинники з боєм. Можна припустити, що перший механічний годинник не мали циферблата, а мали один тільки церковний бій, звуком оповіщаючи наступ години молитви.

Але і в світських справах було потрібно знати точний час! За переказами, королівський намісник в Артуа, що у Франції, дав в 1355 році дав жителям містечка Ерсюр-ля-Лис дозвіл побудувати міську дзвіницю, щоб її механічний годинник відбивали не церковними служби, а час комерційних угод і годинник роботи ткачів і сукноробів. Точний час хотіли знати і на виробництвах, де результат роботи залежав від часу тривалості технологічних процесів.

У всіх таких випадках не можна було обійтися без механічних годинників. Міжнародна торгівля, теж, без механічних годинників обійтися не могла, значне розширення морських торговельних шляхів вимагало точних методів навігації. Широту місцевості визначали за допомогою астрономії, але для визначення довготи за допомогою розрахунку за зірками потрібно прив'язка до часу. Необхідна для цього точність вимірювань часу була недосяжною навіть у XVIII столітті. І тільки з появою механічних годинників, налаштованих на астрономічний час в відомій точці Землі, порівнюючи його з часом на судні, розрахувати довготу місцевості.

Для виробництва механічних годинників, якими були перші зразки, були потрібні набагато більш точні верстати, ніж весь колишній інструментарій. Сучасне точне машинобудування народилося з майстерності механіків годинникарів.

Автор і дата винаходу механічного годинника невідомі. З деяких повідомлень Х століття робляться припущення, що саме тоді вперше побудував такий механізм монах Герберт з Оріллака, майбутній римський папа Сильвестр II (950 - 1003). Дійсно, в техніці він був великим талантом, до того ж мав можливість під час своїх навчальних поїздок знайомитися з принципами побудови різних арабських астрономічних приладів і водяних годин. І все ж висновок про створення Гербертом механічних годинників не має достатніх підстав, і ось чому.

По перше; араби були дуже вправні у виготовленні водяного годинника, і годинник Герберта теж могли бути водяними. Адже що міститься в документах термін «хорологія» (horologium) ставився тоді до всяких роду приладів для вимірювання часу. По-друге, в подальшому не було згадок про досягнення Герберта або про те, що його ідею хто-небудь розвивав при його житті або після неї. До речі, саме Герберт ввів в Європі «арабські» цифри.

Більшість істориків бачать спадкоємність: адже й справді механічний годинник стали результатом ускладнення механічної частини водяних, в яких застосовувалися вже циферблат, колісна передача, механізм бою, маріонетки, які розігрують різні сцени ... Різниця була в рушійну силу: в одному випадку - струмінь води, в іншому - важка гиря. Бракувало тільки механічного спускового пристрою і регулятора ходу. Автор шпиндельного спуску ( «сторожка»), який через певні проміжки часу перериває рух годинникового механізму, невідомий.

Зазвичай історики посилаються на механізм, креслення якого наведено в альбомі французького архітектора Вілларда де Синекура, як на першу згадку спускового пристрою для регулювання ходу годинника: він описав (приблизно 1250 р) Грубе пристрій, що дозволяло фігурці ангела завжди показувати рукою на Сонце. Цей механізм, як вважають багато хто, не був винайдений Виллардом; швидше за все, він познайомився з ним і змалював його під час своїх подорожей. До того ж намальований в альбомі Вілларда механізм все-таки мало нагадує шпиндельний спуск.
Як видно з ескізу цього пристрою, тут в якості рушійної сили застосована гиря, підвішена на кінці мотузки, обмотаним навколо осі колеса. Падіння гирі і щодо рівномірне обертання вертикального стрижня, на якому на підставці укріплена фігура ангела, регулювалося коливанням колеса взад і вперед. Період коливання обумовлювався багатьма факторами, включаючи момент інерції, тертя в опорах, сили, що діють на мотузку.

Відомі старовинні французькі та англійські баштовий годинник простого пристрою з боєм, але без циферблата. Англійське слово clock - годинник, походить від латинського clocca; іншим його еквівалентом є саксонське clugge французьке cloche і древньогерманська (тевтонське) glocke, але спочатку всі ці слова позначали не годинник, а дзвін.

Виробництво залізних баштового годинника починається з англійських Вестмінстерського годинника 1288 р Наступне повідомлення від 1292 р говорить про годинник храму в Кентербері. Далі є повідомлення про годинник, побудованих в 1300 року у Флоренції, на 14 років пізніше - в Каннах, в 40-х рр. XIV століття - в Модені, Падуї, про бельгійських годиннику в Брюгге і про англійських годиннику в Дуврі. У 1352 р були побудовані монументальні куранти в кафедральному соборі Страсбурга, чотирма роками пізніше - баштовий годинник в Нюрнберзі, 1370 р такі ж в Парижі, в 1381 - перші подібні в Базелі, і, нарешті, в 1410 р з'явилися такі годинник в Празі, стали основою пізніших празьких курантів.

Збереглися, звичайно, й інші повідомлення про будівництво годин, але вони не цілком обгрунтовані. По одному з таких повідомлень, баштовий годинник з боєм виготовив Вісконті в 1335 р для костелу Беата Вірджинія (нині Готтард) в Мілані. За іншими даними, Генрі де Вик з Поррена виготовив близько 1370 р баштовий годинник з боєм для королівського палацу Карла V.

Результатом застосування механічних годинників став перехід по всій Європі від церковних канонічних годин, нерівних по пори року, до рівних годинах нашої сучасної системи обчислення часу. Зміна було радикальним, а тому перехід відбувався поступово, у міру поширення в містах баштового годинника. Французький король Карл V першим зробив крок до цієї реформи. Після установки палацових баштового годинника де Віка він наказав усім церквам Парижа відбивати по ним годинник і чверті години. Так як на цьому годиннику час відраховується в рівних проміжках, новий порядок обчислення часу поширився не тільки в Парижі, але поступово і в європейських країнах.

Доба спочатку підрозділяли на 24 години, рахуючи від одного заходу сонця до іншого. Закінчення дня відзначалося 24 ударами дзвону, і такий порядок відліку часу в деяких місцях зберігався до 1370 г. Потім почався поступовий перехід до підрозділу доби на дві рівні половини, кожна по 12 годин, з відліком від півночі до полудня і назад - від полудня до півночі . Тепер не стало потреби відбивати час 24 рази - вистачало 12 разів. Перехід на цей, більш раціональний, відлік часу відбувався в різних країнах Західної Європи не одночасно; відлік часу від 1 до 24 годин, починаючи з години сходу сонця, найдовше зберігався в Італії і в деяких містах Німеччини.

Годинники однакової тривалості називали «міським часом». Однак і при новому рахунку годинник продовжував співставляти і контролювати по сонячному часу, це робили до появи маятникових годин. Крім уніфікації тривалості години, другим і довгостроковим результатом винаходу годин став прогрес у механіці. Очевидно, наприклад, що зубчасті колеса широко поширилися в техніці багато в чому завдяки винаходу годин.

Найстарішим документом про механічному годиннику, що містить опис і креслення і опублікованому в 11 різних рукописах (одна принаймні виходить безпосередньо від автора годин), є, по всій видимості, повідомлення про «астраріі» - астрономічному годиннику, які після 16 років праці закінчив 1364 р професор астрономії та медицини Джіованні де Донді для Палаццо дель Капітана в Падуї. Цей годинник показували рух Сонця, Місяця і п'яти планет, містили в собі вічний календар і давали можливість визначати зоряне і середній сонячний час; вони були відомі далеко за межами Італії, доставили де Донді велику славу за життя і обезсмертили його ім'я.

У 1529 р ці знамениті годинник зіпсувалися і зупинилися. Після довгих пошуків знайшли годинникаря, який зумів їх відновити, - це був Джуанелло Турріано (1500-1585). Сучасники проголосили його генієм, адже він і сам зумів створити астрономічний годинник складної конструкції. Для їх пристрою потрібно 1800 коліс, за допомогою яких відтворювалося 30-денний рух Сатурна, годинник дня, річне рух Сонця, рух Місяця, а також всіх планет в їх «звичайному русі» відповідно птолемеевой системі світобудови. За свідченням сучасника, Джуанелло витратив 20 років тільки на попередню розробку проекту свого годинника. Він же відомий як будівельник водопроводу, який вважався одним з найбільших технічних чудес XVI століття.

6. Електричні годинник

У самому кінці XVIII ст. були зроблені спроби використовувати можливість передачі статичної електрики на відстань. Однак отримані результати мали дуже малу практичну цінність, поки в 1800 р Алессандро Вольта не винайшли елемент, який отримав назву Вольтова стовпа.

Найперша звістка про створення електричного годинника відноситься до1830 року, коли професор фізики Веронского університету (Італія) Замбоні створив годинник, подробиці пристрою яких, на жаль, не дійшли до нас. Збереглися лише відомості, що коливальний рух маятника годин поддержізалось за допомогою послідовних електростатичних притягання і відштовхувань металевої лінзи маятника між гвумя полюсами елементу Замбоні, що володіє більшою ерс в порівнянні з елементом Вольта. За свідченням професора де-ла-Ріва, годинник Замбоні були виставлені в 1832 р в промисловому відділі Societe des Arts в Женеві.

В результаті відкриття Ерстеда в 1820 р, робіт Ампера і інших учених було створено вчення про електромагнетизм. Першим практичним результатом застосування електромагнетизму було винахід електромагнітного телеграфу і електричного годинника.

Ініціаторами створення електричного годинника на основі використання Електромагнетизму були винахідники електротелеграфії Штейнгель (1801-1870) і Уитстон (1802-1875). Робота над електромагнітним телеграфом привела К.А. Штейнгеля до створення в 1839 р електричних годин. Уитстон в 1840 р Зробив в Королівському суспільстві доповідь про електричні годиннику. Їх конструкція, наведена в цій доповіді, має лише історичний інтерес.

Мал. Електричні годинник Уитстона

У перших електричних годинниках Уитстона (рис. 230) пристрій передачі імпульсу вторинним годинах (комутатор) являло собою котушку, що коливається вздовж двох симетрично розташованих магнітних сердечників. Котушка, яка виконувала роль маятника, передавала імпульс струму вторинним годинах щомиті. Однак при цьому хід годинника порушувався, так як тиск в момент контакту було значним. Уитстон намагався подолати цей недолік шляхом влаштування ланцюга з електромагнітної зв'язком.

В іншому варіанті його Електронний годинник маятник приводився в дію від заводу ключем. Відмінність цього годинника від звичайних полягало в тому, що тут маятник використовувався ще в якості електромагнітного генератора. В маятник замість лінзи був вставлений намагнічений циліндричний сталевий стержень. При пересуванні стержня в магнітному полі в легких сталевих дисках циферблата вторинних годин збуджувався струм. Обертання цих дисків викликало обертання стрілок. Сталевими дисками циферблата електричні імпульси посилалися щомиті.

Таким чином, маятник виступав в ролі генератора відповідної частоти, а вторинні годинник були як би двигуном, що приводиться в дію струмом. Маятник виконував невластиві йому функції, що створювало вкрай несприятливі умови для його роботи. Маятник, що розгойдується в магнітному полі, відчував опір своєму коливанню, і в ньому не завжди виходили достатньої сили електричні імпульси, щоб управляти трелкамі годин. Ця система дозволяла подолати труднощі здійснення контакту, але надмірно порушувався вільний хід маятника.

Прав Хоуп-Джонс, що дав негативну характеристику годинах Уитстона. «Ми не сумніваємося в тому, - пише цей автор, - що Уитстон вивчав Галілея, Гюйгенса, що він був знайомий з теорією маятника, з досягненнями Томпіона, Гаррісона, Мюджа і Арнольда, які жили і працювали до нього, в столітті, що передував його століття. Але такого безжалісного втручання в свободу маятника було б достатньо для того, щоб вони перекинулися в своїх трунах ».

Годинники Уитстона були встановлені в Королівському суспільстві в 1873 р, але ними перестали користуватися вже незабаром після смерті винахідника.

Після Уитстона нераціональне використання маятника в електричних годинниках тривало протягом досить довгого часу. Маятник розглядався тільки як джерело енергії, необхідної для замикання ланцюга, і коли який-небудь винахідник намагався здійснити краще контактний пристрій, він використовував в цих цілях маятник, хоча це було пов'язано з порушенням елементарних законів його коливань. Чималу роль в цих невдачах відігравало те, що багато винахідників Електронний годинник на ранньому етапі їх розвитку не мали достатніми знаннями в годинниковій справі. Перші значні успіхи в створенні електричного годинника були досягнуті тоді, коли за цю справу взялися годинникарі, знайомі з електротехнікою, такі, як Олександр Бен, Матіас Гіппо і ін.

Процес розвитку електрохронометріі в XIX в. був вельми повільним і малообнадежівающім. Навіть на початку XX ст. Малося чимало фахівців, пов'язаних з годинниковим справою, які не вірили в можливість подальшого прогресу електрохронометріі.

Лорд Грімторп писав, що у нього немає «ніяких підстав припускати, що можна прямо електрикою підтримувати точний хід годинника протягом тривалого часу».

У новому виданні своєї книги Грімторп вказує причину, внаслідок якої електричний годинник не забезпечують необхідну точність: «Всякий, хто приступає до конструювання електричних годин, повинен мати на увазі, що час від часу

відбуваються зміни в напрузі струму, що надходить від джерела струму. А це позначається на точності ходу годинника ».

Всі ці труднощі були подолані в ході подальшого розвитку електрохронометріі.

7. Кварцові годинники

Точність астрономічних годин Шорта була перевершена кварцовим годинником, умови для появи яких були підготовлені розвитком радіотехніки й електроніки.

Історія застосування п'єзоелектричного кристала кварцу. Вивчення фізико-технічних властивостей кварцу і їх використання техніки (зокрема, в області хронометрії) імеютсвою невелику, але цікаву і багато в чому поучітельнуюісторію. Вивчення властивостей кварцу призвело до відкриття п'єзоелектричного ефекту, який полягає в появі на поверхні кристала кварцу при його стисненні або растяженііодінакових за величиною, але різнойменних електричних зарядів. Цей ефект вперше виявили і вивчили в 1880 році брати П. і Ж. Кюрі на кристалах турмаліну і кварцу; онполучіл назву прямого п'єзоелектричного ефекту. У 1881 р німецький вчений Ліппман, ознайомившись з роботами Кюрі, припустив існування зворотного пьезоелектріческогоеффекта, або механічної деформації кристала кварцу, пропорційної напруженості електричного поля. У тому ж році брати Кюрі експериментально підтвердили існування такого ефекту. В даний час він використовується в системі кварцових годин.

Перша серйозна спроба використовувати п'єзоелектричний ефект в електричному ланцюзі була зроблена в 1917 рА.М. Нікольсоном. Він застосував сегмент сегнетової солі (п'єзоелектрик), щоб створити пристрій для перетворення електричної енергії в звук і назад. На цій основі він створив гучномовець і мікрофон. Никольсон був одним з перших, хто зумів використовувати п'єзоелектричні властивості кварцу для контролю частоти. У 1918 р французький фізик П. Ланжевен застосував п'єзоелектричний ефект кварцу для підводного сигналізації за допомогою ультразвукових коливань.

Дослідницькі роботи по використанню п'єзоефекту кварцу в техніці як еталон частоти і часу були розпочаті в 1921 р американським ученим Кеди, однак лише в 1927-1930 рр. В.А. Маррісону - співробітнику телефонної лабораторії Белла (США) - першому вдалося застосувати високочастотні коливання кварцу для створення годин. З цією метою був вирізаний шматок кварцу в формі кільця з кристала таким чином, щоб зміни частоти його коливань зі зміною температури були можливо малі. Кристалічна кільце було встановлено в камері з керованою температурою, її коливання допускалися тільки в межах, 01 ° С. У камері, де містився кварц, атмосферний тиск підтримували на постійному рівні. Камера знаходилася під герметичним ковпаком. Колеба-ня кристала були відрегульовані на частоту 100 кГц.

У 1937 р велика робота по удосконаленню конструкції кварцових годин була проведена в Німеччині А. Шейбі і У. Адельсбергом, обратившими особливу увагу на вибір найбільш раціонального способу виготовлення кварцової пластинки. Вони довели существова-ня залежності частоти резонансу від орієнтації і форм хвиль пружних коливань кварцу щодо кристалографічних осей. Висновки з цих досліджень дозволили встановити потрібні напрямки зрізу шматків кварцу для зменшення впливу зміни температури на резонансні частоти коливань кварцу.

У кварцових годиннику, створених Шейбі і Адельсбергом, застосовані кварцові бруски довжиною 91 мм зі сторонами перетину 11,4 мм; частота їх поздовжніх коливань становила 60 кГц .: Кварцовий стрижень містився в трубку з розрідженим воднем, де прикріплювався в вузлах пружних хвиль. Дослідами було встановлено, що якщо вирізати стрижні так, щоб їх вісь була паралельна електричної осі кварцу, то можна домогтися вельми малого температурного коефіцієнта, що змінює при температурі 36 ° С свій знак.

Коли перший каскад установки поміщали в досконалий термостат при температурі 36 ° С, то вдавалося значно знизити вплив коливання температури на частоту коливань кварцу. Завдяки цьому та іншим удосконаленням кварцові годинники Шейбі і Адельсберга виявилися високої якості.

Виключне значення для подальшого удосконалення конструкції кварцових годин мали результати досліджень Дайя і Ессена, проведені в Англії в Національній фізичній лабораторії над кварцом, вирізаним з кристалічного кварцу у вигляді кільця. Ці дослідження дозволили англійським інженерам в 1934 р створити досить досконалі кварцові годинники з осцилятором у вигляді кварцового кільця, площина якого перпендикулярна осі Z. У тому ж році вони були застосовані в Грінвічській обсерваторії як еталон частоти і часу замість маятникових годин Шорта.

Відмінні властивості кварцу як осцилятора. Кварц є речовиною фізично і хімічно досить стійким. Він має твердість, майже рівну рубіну і сапфіру. Крім фізичної і хімічної стійкості, кварц володіє малим пружним гістерезисом і малим внутрішнім тертям. Тому для підтримки його коливань потрібна невелика енергія. Володіючи слабким загасанням коливань, кварц, як осцилятор, має високу добротність (Q), що дорівнює 10-6 і більш. В даний час немає іншої коливальної системи, яка могла б мати таку гостротою і стабільністю резонансу, як кварц.

Кристал кварцу має складну структуру, яка характеризується рядом кристалографічних осей: оптичної (Z), трьох електричних (X) і трьох механічних (У).

8. Атомний годинник

До 40-х років XX ст. прилади часу були засновані тільки на використанні коливань механічних осциляторів - маятника, балансу зі спіральною пружиною і кристала кварцу. У цих та інших осциляторів, що мають макроразмери, власна частота коливань в значній мірі залежить від ряду дестабілізуючих факторів (температури, барометричного тиску, ступеня старіння матеріалів і т.д.). Тому вони не можуть мати таку високу стабільність, яка потрібна для точного вимірювання часу.

Еталон часу і частоти, заснований на астрономічному визначенні його, також виявився величиною непостійною. Було встановлено, що кутова швидкість обертання Землі змінюється, в результаті чого тривалість доби протягом року може відрізнятися від середньої їх тривалості за рік на Ѓ} 0,001 с. Тому довелося відмовитися від міри часу-секунди як основного еталона часу (1/86 400 частки сонячної доби).

В останні десятиліття розвиток атомної фізики і мікрохвильової радіоспектроскопії призвело до створення принципово нового зразка частоти і часу на атомних постійних, розробленого на основі винаходу молекулярних і атомних годин. Останні засновані на застосуванні таких осциляторів, як атом і молекула, частота колеба-ний яких в мікросвіті строго стабільна і не залежить від зовнішніх впливів і для яких справедливі закони квантової механіки. У молекулярних годинниках як осциляторів використовуються групи молекул, в атомних годинниках - групи окремих атомів. Крім того, ці квантово-механічні прилади часу можна розділити, в залежності від обраного виду осцилятора, на аміачні, цезієві, водневі, рубідієві і ін.

Поява і розвиток цих приладів часу зробила революцію в області вимірювання часу. Вона стала одним з важливих напрямків науково-технічної революції XX ст.

У розвитку квантової колебательной хронометрії до наших днів можна виділити два періоди, з яких початковий доводиться на підготовку і створення в 1948 р .: перший - молекулярних (на аміаку) годин, а другий падає вже на наші дні, так як саме за останні тридцять років були створені всі моделі молекулярних і атомних годин.

Перші молекулярні годинник, 1948 р молекулах можливі такі енергетичні стану, для яких зміна енергії (Еп - Ет), що входить в рівняння Бора, настільки мало, що частоти, які відповідають цим енергетичним різницям, лежать в області міліметрових і сантиметрових хвиль.

У сантиметровому діапазоні радіохвиль систематичні дослідження почалися з 1946 р, після освоєння цього діапазону в результаті розвитку радіолокації. Особливе значення для створення перших молекулярних годин мало вивчення радіоспектра газоподібного аміаку в області сантиметрових і міліметрових радіохвиль. У газоподібному аміаку має місце сильне виборче поглинання на хвилі 1,25 см і існує ще ряд частот, при яких воно відбувається. У розрідженому газі ці області поглинання настільки вузькі, що утворюють спектральні лінії поглинання. Сукупність спектральних ліній дає радіоспектр газу.

У 1947 р спектральні лінії поглинання аміаку були застосовані для стабілізації частоти відбивного клістрона - широко поширеною електронної лампи для генерації радіохвиль сантиметрового діапазону, а в 1948 р - для створення молекулярних (аміачних) годин. Коливання атомів в молекулі відбуваються з відносно меншою частотою, тому їх легше було пов'язати з механічною або електричною системою, яка б показала час. Цим і пояснюється те, що раніше всього з'явилися молекулярні, а не атомний годинник.

Перші практичні результати, які показали можливість створення молекулярних годин, постійних в якості еталону часу і частоти, були досягнуті в Національному комітеті стандартів у Вашингтоні на основі використання принципу, розробленого Гарольдом Лайонсом - співробітником науково-дослідної лабораторії з вивчення мікрохвиль.

Досвідченим шляхом було виявлено, що в хвилеводних трубках, заповнених аміаком при атмосферному тиску 10 - 2, тобто в сильно розрідженому стані, на хвилі 1,25 см можна отримувати досить вузькі спектри поглинання аміаку. Вперше це явище було відмічено щодо газів в 1934 р Клеетоном і Вільямсом.

9. Електричні і електронні наручний годинник

В останні десятиліття в розвитку наручних годинників чітко позначилися дві основні тенденції. Одна пов'язана з подальшим удосконаленням традиційних механічних наручних годинників з метою підвищення точності і стабільності їх ходу, інша спрямована на створення нових конструкцій електричних і електронних наручних годинників.

Основна ідея вдосконалення механічних наручних годинників полягає в стабілізації імпульсу, повідомляється годинниковим механізмом, і в забезпеченні ізохронізма коливальні системи в різних положеннях. Так, годинник з автоматичним заводом, безперервно подзаводящім пружину, годинник зі стабілізатором, що вирівнює момент на осі анкерного колеса, відрізняються більш стабільним режимом роботи, ніж годинник, що не мають їх. Однак на цьому шляху важко очікувати якихось кардинально нових технічних рішень, оскільки за тривалий період існування механічний годинник в більшій мірі вичерпали ресурси свого розвитку. Тому особливий інтерес представляє швидко розвивається область електрохронометріі. Електричні наручний годинник здатні працювати протягом року (і більше) від однієї батареї. Увінчалися успіхом і посилені пошуки шляхів і засобів для заміни класичної системи баланс-спіраль новими високочастотними осцилляторами (камертон, кварц). Наручний камертонні годинник випускаються в США фірмою Бюлова мільйонами штук. В даний час кварцові наручні годинники можуть вважатися вже цілком освоєними, серійне їх виробництво налагоджено в багатьох країнах (Швейцарія, Японія, СРСР і ін.). Добротність нових осциляторів значно вище, ніж добротність системи баланс-спіраль. Необхідність перетворення щодо високої частоти таких осциляторів в порівняно повільний рух стрілок пов'язано з рядом труднощів. Вони стали причиною того, що малогабаритні годинник з такими осцилляторами з'явилися з великим запізненням.

Однак в даний час основні проблеми, що стоять на шляху створення електронно-механічних годинників, отримали більш-менш задовільний рішення.

Електричні наручний годинник. Окремі спроби використовувати досягнення електротехніки для створення електромеханічних хронометрів (з балансовими регулятором) мали місце ще в другій половині XIX ст. Саме до 1872 р відноситься створення електромеханічних хронометрів І.А. Данішевська і до 1 882 г.-І.А. Тимченко [19, 192-197] на основі робіт російської електротехнічної школи, на чолі якої тоді стояли Р.Н. Яблочков, А.Н. Лодигін і ін. У 1904 р в Женеві був виданий Н.А. Компріче патент на електричний морської хронометр. До кінця XIX в. серед винахідників різних країн з'являється інтерес до створення кишенькових годинників з електричним приводом. У 1899 р патент на електромеханічні години звичайного типу був виданий Д. Бютхеру (США), а в 1900 р - на електромеханічний спусковий регулятор І. Купцову (Росія) [19, 200]. У 1920 р два французьких винахідника виготовили електричні кишеньковий годинник. Хоча в даній області було заявлено безліч патентів, їх реалізація затримувалася через непереборні в той час Труднощів, пов'язаних з відсутністю мініатюрних батарей і з проблемою здійснення контактів і надійного спускового регулятора.

Дослідження з метою створення наручного годинника з електричним приводом стають більш інтенсивними починаючи з 1945 р В США і Франції на проведення цих досліджень були вкладені значні кошти. У пресі того часу висловлювалися оптимістичні прогнози про те, що в 1953 р з'являться електронні наручний годинник і годинна промисловість переключиться на їх виготовлення замість механічного годинника. На жаль, виробництво таких наручних годинників викликало великі труднощі; їх випуск був на час припинено. Проте у виробництві електричного годинника великого калібру були досягнуті значні успіхи; цей годинник стали витісняти навіть механічний годинник.

Виробництво нового типу наручних годинників почалося не з електронних, а з електромеханічних контактних годин.Вони були створені на основі традиційної, добре освоєної годинникарями системи баланс-спіраль із застосуванням в якості джерела енергії мініатюрної батареї. Перші промислово виготовлені зразки наручних електричного годинника з'явилися у Франції в 1954 році, а серійне їх виготовлення вперше здійснила в січні 1957 р американська фірма Гамільтон. Особливо інтенсивно виробництво наручних електричного годинника стало розвиватися з 1965 р

10. Електронно-механічний наручний годинник

Розглянуті конструкції електромеханічних годин через наявність контакту не можуть забезпечити надійність в роботі протягом тривалого терміну служби. Іншим принциповим їх недоліком є ​​значне розсіювання магнітного потоку, що призводить до великих енергетичних втрат. Це викликало пошуки інших конструктивних рішень, у першу чергу таких, де не потрібні були б електричні контакти. Подальший прогрес і полягав у застосуванні в наручних годинниках безконтактного спускового механізму на транзисторах.

У 1918 р В. Екклс і Ф, Джордан в Англії і в 1919 р Г. Абрахам і Е. Блох у Франції застосували трьохелектродні вакуумні радіолампи для безконтактного управління імпульс-ний котушкою маятника. Одночасно ж вони запропонували першу схему електронно-механічного камертона регулятора. Але така схема приводу не знайшла широкого застосований-ня через малого терміну служби електронних ламп та інших причин. Положення змінилося після винаходу транзисторів - кристалічних тріодів точкового типу.

Джон Бардін і Уолтер Бреттейн 23 грудня 1947 р виявили, що германій може виконувати функції випрямляча. У 1951 р їм вдалося здійснити розробку конструкції германієвого площинного тріода - транзісторакак основного елемента сучасної напівпровідникової техніки. У 1956 р ці винахідники за відкриття здатності транзистора здійснювати всі функції приймально-підсилювальних ламп отримали Нобелівську премію. Це відкриття мало своїм наслідком виникнення і розвиток напівпровідникової техніки і, зокрема, застосування германієвих транзисторів для створення електронно-механічних годинників. В електронно-механічному годиннику є електронна система - формування імпульсу для приведення осцилятора в коливальний стан. Як осцилятора раніше всього було застосовано маятник і баланс, а потім камертон.

Система приводу в електронно-механічних регуляторах є електронно-механічний пристрій, що перетворює електричну енергію струму джерела живлення в механічну енергію імпульсу приводу.

В даний час основна відмінність електромеханічних годин від електронно-механічної практики зводиться до способу перемикання ланцюга джерела струму в момент передачі енергії часовому осцилятора. В електромеханічних годиннику це перемикання здійснюється шляхом замикання звичайних контактів, а в електронно-механічних - перемиканням транзистора, тобто процес формування імпульсу в цьому годиннику здійснюється не за допомогою контакту, а за допомогою транзистора. Відповідно до цього електромеханічні годинник називають контактними, а електронно-механічні - безконтактними.

Перші відомості про електронно-механічних регуляторах на транзисторах, запропонованих в 1953 р французькими інженерами М. Лаві і Ж. Дітч, з'явилися у пресі в 1957 р На цьому принципі протягом 1953-1956 рр. французька фірма Ато сконструювала електронно-механічний хронометр типу Хроностати, який став випускатися серійно фірмою Леруа. У ньому в якості регулятора застосована система баланс - спіраль з магнітно-електричної системою приводу, каскад формування імпульсу зібраний на плоскому германієвої триоде.

Список використаної літератури

1. Канн Г. Коротка історія годинникового мистецтва. Л., 1926.

2. Завельскій Ф.С. Час і його вимірювання. М .: Наука, 1977.

3. Час і сучасна фізика: (Зб. Статей). Пер. з фр. М .: Мир, 1970

4. Бакулін П.І., Блінов С.Н. Служба точного часу. М .: Наука, 1968.

5. Бек Т. Нариси з історії машинобудування. М .; Л .: Гостехиздат, 1933.Т. 1.

6. Бернал Дж. Наука в історії суспільства. М .: ІЛ, 1956.

7. Беррі А. Коротка історія астрономії. М .; Л .: Гостехиздат, 1946.

8. McCarthy J. Remington: A matter of time. NY; .L., 1947.

9. Milham WJ Time and timekeepers. NY, 1945.

10. Агафонов В.К. Сучасна техніка. М., 1915. Т. 3. Ч. II.

11. Геродот. Історія в дев'яти книгах. Л .: Наука, 1972.

12. Добіаш-Різдвяна О.А. Як люди навчилися дізнаватися час? Берлін, 1924.

13. Аксельрод 3. М. Вартові механізми: Теорія, розрахунок і проектування.

М .; Л .: Машгиз, 1947.

14. Шішелов Л.П. Механіка годинникового механізму. Л .: Кубуч, 1933. Ч. 1; Л .: ОНТИ, 1935. Ч. 2.