Воден часовник, или клепсидра, е уред за измерване на времето чрез регулиран поток на течност, навлизаща в съд (тип с приток) или изтичаща от него (тип с отток), при което количеството на течността може да бъде измерено.
Водните часовници са едни от най-старите уреди за измерване на времето. Най-простата им форма – с изтичане на вода от съд с формата на купа – е съществувала във Вавилон, Египет и Персия още около XVI в. пр.н.е. Ранни свидетелства за водни часовници се откриват и в други части на света, включително в Индия и Китай, макар датировката на най-ранните от тях да е по-несигурна. Водните часовници са се използвали в Древна Гърция и Древния Рим, както е описано от автори на технически трудове като Ктезибий (починал през 222 г. пр.н.е.) и Витрувий (починал след 15 г. пр.н.е.).
Принцип на действие
Водният часовник използва водния поток за измерване на времето. Ако се пренебрегне вискозитетът, физичният принцип, необходим за изучаването на такива часовници, е законът на Торичели. Съществуват два вида водни часовници: такива с изтичане и такива с пълнене. При часовника с изтичане един съд се пълни с вода, която след това се оттича бавно и равномерно навън. Съдът има маркировки, показващи изтичането на времето. Докато водата напуска съда, наблюдателят може да види нивото ѝ спрямо линиите и да определи колко време е изминало. Часовникът с пълнене работи по същество по същия начин, с тази разлика, че вместо да изтича, водата запълва градуирания съд. С покачването на нивото на водата наблюдателят може да следи съответствието ѝ с линиите и да прецени изминалото време. Някои съвременни часовници също се наричат „водни“, но работят по различен начин от древните си аналози. Механизмът им за отчитане на времето се управлява от махало, а водата се използва за други цели – например за осигуряване на енергия чрез водно колело или подобно устройство, или пък присъства в самите дисплеи на часовника.
Гърците и римляните усъвършенстват конструкцията на водните часовници, като въвеждат клепсидрата с пълнене и ранна система за обратна връзка, зъбни предавки и механизъм за регулиране на хода (спусков механизъм); те са свързани с ефектни автомати, което води до по-голяма точност. Допълнителен напредък е постигнат във Византия, Сирия и Месопотамия, където все по-прецизни водни часовници включват сложни сегментни и епициклични зъбни предавки, водни колела и възможности за програмиране – нововъведения, които в крайна сметка достигат до Европа. Независимо от това, китайците разработват свои собствени усъвършенствани водни часовници, използващи зъбни колела, механизми за регулиране на хода и водни колела, като предават идеите си на Корея и Япония.
Някои конструкции на водни часовници са разработени независимо една от друга, докато други знания са се разпространили чрез търговията. Тези ранни водни часовници са били калибрирани с помощта на слънчев часовник. Макар и никога да не достигат точност, съпоставима със съвременните стандарти за отчитане на времето, водните часовници са били широко използвани в продължение на хилядолетия, докато в Европа – около 1300 г. – не са изместени от по-точните механични часовници с анкерно-шпинделен механизъм.
Вавилон
Във Вавилон водните часовници са били от типа с изтичане на вода и са имали цилиндрична форма. Използването на водния часовник като помощно средство при астрономически изчисления датира още от епохата на Старовавилонското царство (ок. 2000 – ок. 1600 г. пр.н.е.). Въпреки че не са запазени екземпляри от водни часовници от района на Месопотамия, повечето сведения за тяхното съществуване идват от текстове върху глинени плочки. Примери за такива сбирки от плочки са „Енума Ану Енлил“ (1600–1200 г. пр.н.е.) и „Мул Алпин“ (VII в. пр.н.е.). В тези текстове водните часовници се споменават във връзка с определянето на заплащането за нощните и дневните стражи.
Тези часовници са били уникални, тъй като не са имали индикатор като стрелки (каквито се използват масово днес) или нарези (използвани в Египет). Вместо това те са измервали времето „чрез теглото на изтичащата от тях вода“. Обемът се е измервал в единици за вместимост, наречени „ка“ (qa). Теглото – „мана“ или „мина“ (гръцка единица, равняваща се на около един паунд) – представлява теглото на водата във водния часовник.
През вавилонската епоха времето се е измервало чрез променливи часове. Така, със смяната на сезоните, се е променяла и продължителността на деня. За да се определи продължителността на една „нощна стража“ по време на лятното слънцестоене, е трябвало да се налее вода с тегло две мани в цилиндрична клепсидра; изтичането ѝ е бележило края на стражата. През всяка следваща половин месец е трябвало да се добавя по една шеста от маната. По време на равноденствието за една стража е трябвало да изтекат три мани, а за всяка стража от нощта на зимното слънцестоене са изтичали по четири мани.
Египет
Най-старият воден часовник, за който съществуват материални доказателства, датира от периода ок. 1417–1379 г. пр.н.е. (епохата на Новото царство в Египет, по време на управлението на фараона Аменхотеп III) и е бил използван в светилището на Амон-Ра в Карнак. Най-ранното писмено свидетелство за водния часовник се съдържа в надпис от гробницата на Аменемхет – египетски придворен сановник от XVI в. пр.н.е., който е посочен като негов изобретател. Тези прости водни часовници, работещи на принципа на изтичането, представлявали каменни съдове с наклонени стени, позволяващи на водата да капе с почти постоянна скорост през малък отвор близо до дъното. Във вътрешността им били разположени дванадесет отделни колони с равномерно разположени деления, чрез които се отчитало изтичането на „часовете“ при достигане на нивото на водата до тях. Всяка от колоните съответствала на един от дванадесетте месеца, което позволявало да се отчетат разликите в продължителността на часовете през различните сезони. Жреците използвали тези часовници, за да определят времето през нощта и така да извършват храмовите ритуали и жертвоприношенията в точно определен час.
Китай
В древен Китай, както и в цяла Източна Азия, водните часовници са играли важна роля в изучаването на астрономията и астрологията. Най-старото писмено сведение за използването на воден часовник в Китай датира от VI в. пр.н.е. От около 200 г. пр.н.е. нататък, клепсидрата с изтичане на вода е заменена почти навсякъде в Китай с модела с пълнене, включващ показалец, монтиран върху плувка. Философът и държавник от династията Хан Хуан Тан (40 г. пр.н.е. – 30 г. сл.н.е.), който е отговарял за клепсидрите в императорския двор, пише, че е трябвало да сверява водните часовници със слънчеви, тъй като температурата и влажността са влияели на точността им; това показва, че по онова време вече са били известни ефектите на изпарението и влиянието на температурата върху скоростта на водния поток. Течността във водните часовници е била податлива на замръзване и е трябвало да се поддържа топла с помощта на факли – проблем, разрешен през 976 г. от китайския астроном и инженер Джан Съсюн. Неговото изобретение – значително усъвършенстване на часовника на И Син – използва живак вместо вода. Живакът е течен при стайна температура и замръзва при −38,83 °C (−37,9 °F), което е по-ниска стойност от всяка температура на въздуха, характерна за райони извън полярните зони. По-късно, отново вместо вода, инженерът от ранния период на династията Мин Джан Сиюен (ок. 1360–1380 г.) създава часовник с колело, задвижвано от пясък; този механизъм е усъвършенстван от Джоу Шусюе (ок. 1530–1558 г.).
Задвижваният от вода механизъм на астрономическата часовникова кула на Су Сун, включващ резервоар тип „клепсидра“, водно колело, анкерно-маховиков механизъм и верижно предаване за задвижване на армиларна сфера и 113 фигури, които отбелязват часовете и показват информационни табели. Кредит: Wikimedia Commons
Използването на клепсидри (водни часовници) за задвижване на механизми, илюстриращи астрономически явления, започва с енциклопедиста от династията Хан – Джан Хън (78–139 г.) през 117 г., който прилага и водно колело. Джан Хън е първият в Китай, който добавя допълнителен компенсаторен резервоар между основния резервоар и съда за постъпваща вода, с което решава проблема със спадащото налягане (воден стълб) в основния резервоар. Изобретателността на Джан води до създаването през 725 г. от математика и инженер от династията Тан – И Син (683–727 г.) и Лян Лингдзан – на часовник, задвижван от механизъм със спусък и водно колело. Същият механизъм, както и верижно предаване, са използвани през 1088 г. от енциклопедиста от династията Сун – Су Сун (1020–1101 г.), за задвижване на неговата астрономическа часовникова кула.
Часовниковата кула на Су Сун, висока над 9,1 метра (30 фута), разполага с бронзова, задвижвана от механизма армиларна сфера за наблюдения, автоматично въртящ се небесен глобус и пет предни панела с вратички; те позволяват да се наблюдават сменящи се фигури, които бият камбани или гонгове и държат табелки, указващи часа или други важни моменти от денонощието. През 2000-те години в Кулата на барабана в Пекин е пусната в действие и изложена за туристите клепсидра от типа с изтичане на вода. Тя е свързана с автоматизирани фигури, така че на всеки четвърт час малка месингова статуя на мъж удря чинелите си.
Персия
Използването на водни часовници в Голям Иран, особено в пустинните райони като Язд, Исфахан, Зибад и Гонабад, датира от 500 г. пр.н.е. По-късно те са използвани и за определяне на точните дати на свещени празници в доислямските религии, като Новруз (пролетно равноденствие), Мехреган (есенно равноденствие), Тирган (лятно слънцестоене) и нощта Ялда (зимно слънцестоене) – съответно най-кратките, най-дългите и дните с равна продължителност на деня и нощта през годината. Водните часовници, наричани „пенган“ (а по-късно и „фенджан“), са били едни от най-практичните древни инструменти за отчитане на времето в рамките на годишния календар. Водният часовник е бил най-точният и широко използван уред за измерване на времето, чрез който земеделците са определяли количеството вода или продължителността на черпене на вода от кянат (подземен канал) или кладенец за напояване, преди да бъдат изместени от по-точните съвременни часовници.
Персийските водни часовници са служели на съсобствениците на „канат“ (система за водоснабдяване чрез подземни канали) да изчисляват продължителността на времето, през което могат да отклоняват вода към своите стопанства или градини. Тъй като канатът е бил единственият източник на вода за земеделие и напояване в засушливите райони, справедливото разпределение на водата е било от голямо значение. За управлението на водния часовник е бил избиран отговорник, наричан „мир аб“. Били са необходими поне двама такива служители на пълен работен ден, които да следят отчитането на часовете и да оповестяват точното време – както през деня, така и през нощта, от изгрев до залез – тъй като съсобствениците обикновено са се делели на такива, притежаващи права за ползване през деня, и такива с права за през нощта.
Древен персийски воден часовник. Кредит: Wikimedia Commons
Персийският воден часовник се е състоял от голям съд, пълен с вода, и купа с малък отвор в средата. Когато купата се напълнела с вода, тя потъвала в съда; тогава отговорникът я изпразвал и отново я поставял върху водната повърхност. Той отбелязвал броя на потъванията, като пускал малки камъчета в отделен съд. Мястото, където се е намирал часовникът, както и самите отговорници, са били известни с общото наименование „хане пенган“ (khane pengān). Обикновено това е било най-горното ниво на обществена сграда, разполагаща с прозорци към запад и изток, за да се отчитат времето на залеза и изгрева. Водният часовник в Зибад е бил в употреба до 1965 г., когато е заменен от съвременни часовници.
Древна Гърция и Рим
Думата „клепсидра“ произлиза от гръцки език и означава „крадец на вода“. Древните гърци значително усъвършенстват водния часовник, като решават проблема с намаляващия дебит на водата. Те въвеждат няколко вида клепсидри с пълнене (при които водата навлиза в съда), като един от тях включва най-ранната система за управление с обратна връзка. Ктезибий изобретява система с индикатори – като циферблат и стрелка, – характерна за по-късните часовници. Римският инженер Витрувий описва ранни модели будилници, задействани чрез гонгове или тръби. Широко разпространен вид воден часовник е била простата клепсидра с изтичане. Този малък глинен съд е имал отвор в стената си, близо до дъното. Както в Гърция, така и в Рим, този тип клепсидра се е използвал в съдилищата за определяне на времето, позволено на ораторите за изказване. При важни дела, например когато е бил заложен човешки живот, съдът се е пълнил догоре, докато при по-маловажни случаи се е пълнил само частично. Ако съдебното заседание е било прекъсвано по някаква причина – например за преглед на документи, – отворът на клепсидрата се е запушвал с восък, докато ораторът не е можел да продължи защитата си.
Илюстрация от началото на XIX век, изобразяваща клепсидрата на Ктезибий (285–222 г. пр.н.е.) от III в. пр.н.е. Показалецът за часа се издига с навлизането на водата, а система от зъбни колела завърта цилиндър, така че той да съответства на променливите часове. Кредит: Wikimedia Commons
Някои изследователи предполагат, че клепсидрата може да е била използвана като уред за отчитане на времето, с който се е налагало ограничение на продължителността на посещенията на клиенти в атинските публични домове. Малко по-късно, в началото на III в. пр.н.е., елинистическият лекар Херофил използвал преносима клепсидра при посещенията си по домовете в Александрия, за да измерва пулса на своите пациенти. Чрез съпоставяне на честотата на пулса при различните възрастови групи с емпирично получени данни, той успявал да определи тежестта на заболяването.
В периода между 270 г. пр.н.е. и 500 г. от н.е. елинистическите (Ктезибий, Херон от Александрия, Архимед) и римските майстори на часовници и астрономи разработват по-сложни механизирани водни часовници. Тази повишена сложност има за цел да регулира водния поток и да осигури по-атрактивно представяне на хода на времето. Например, някои водни часовници задействат камбани и гонгове, докато други отварят врати и прозорци, за да покажат фигурки на хора, или задвижват стрелки и циферблати. Някои дори възпроизвеждат астрологични модели на Вселената. Инженерът от III в. пр.н.е. Филон Византийски споменава в трудовете си водни часовници, вече снабдени със спусков механизъм – най-ранния известен от този вид
Най-значимото постижение, свързано с изобретяването на клепсидрите през този период, обаче принадлежи на Ктезибий, който въвежда зъбни колела и циферблат, позволяващи автоматично отчитане на времето при промяна на продължителността на деня през годината – съобразно използваната тогава система за измерване на времето. Освен това, през първата половина на I в. пр.н.е. гръцкият астроном Андроник от Кир ръководи изграждането на своя „Хорологион“ – известен днес като Кулата на ветровете – на атинския пазар (агората). Тази осмоъгълна часовникова кула е разполагала със слънчеви часовници и ветропоказател, видими както за учените, така и за посетителите на пазара. Вътре в нея е бил инсталиран механизиран воден часовник (клепсидра), макар начинът, по който той е показвал времето, да не е известен със сигурност. Сред възможните варианти са: движещ се нагоре-надолу прът, показващ часа; задвижван от вода механизъм, удрящ камбана за отбелязване на часовете; или въртящ се звезден диск на тавана.
Средновековният ислямски свят
В средновековния ислямски свят (632–1280 г.) използването на водни часовници води началото си от епохата на Архимед и възхода на Александрия в Египет, като традицията се запазва и през византийския период. Въпреки това се смята, че водните часовници на арабския инженер Ал-Джазари надминават „далеч всичко“, създадено преди тях. В своя трактат от 1206 г. Ал-Джазари описва един от своите водни часовници – „часовника със слона“. Часовникът отчитал изтичането на т.нар. „временни часове“ (променливи часове, зависещи от продължителността на деня), което налагало ежедневна промяна на скоростта на водния поток, за да се компенсира неравната продължителност на деня през различните сезони. За целта устройството разполагало с два резервоара: горният бил свързан с механизмите за отчитане на времето, а долният – с регулатора на потока. На практика, при изгрев слънце се отварял кран и водата преминавала от горния към долния резервоар през поплавков регулатор, който поддържал постоянно налягане в приемащия резервоар.
Най-усъвършенстваният астрономически часовник, задвижван от вода, е „часовникът-крепост“ на Ал-Джазари (създаден през 1206 г.), който от някои се смята за ранен пример за програмируем аналогов компютър. Това е било сложно устройство с височина около 3,4 метра (11 фута), изпълняващо множество функции освен отчитането на времето. То е включвало индикация за зодиака и за слънчевата и лунната орбита, както и показалец във формата на полумесец, който се е движил над входа, задвижван от скрита количка; това движение е предизвиквало отварянето на автоматични врати, като всяка от тях е разкривала фигура на човек на всеки кръгъл час. Било е възможно да се препрограмира продължителността на деня и нощта, за да се отчете промяната им през годината; устройството е включвало и пет автоматични фигури на музиканти, които са свирили автоматично, задвижвани от лостове, управлявани от скрит вал с гърбици, свързан с водно колело. Други компоненти на часовника-крепост са включвали главен резервоар с поплавък, камера с поплавък и регулатор на потока, улей с пластина и клапа, две макари, диск във формата на полумесец, показващ зодиака, както и две автоматични фигури на соколи, пускащи топчета във вази.
Водният часовник със слон на Ал-Джазари (1206 г.). Кредит: Wikimedia Commons
Първите водни часовници, използващи сложни сегментни и епициклични зъбни предавки, са изобретени по-рано от арабския инженер Ибн Халаф ал-Муради в ислямска Иберия около 1000 г. Неговите водни часовници се задвижват от водни колела – както и някои китайски водни часовници от XI век. Подобни водни часовници са изградени в Дамаск и Фес. Последният (Дар ал-Магана) е запазен и до днес, а механизмът му е реконструиран. Първият европейски часовник, използващ тези сложни зъбни предавки, е астрономическият часовник, създаден от Джовани де Донди около 1365 г. Подобно на китайците, арабските инженери по това време също разработват механизъм за регулиране на хода (спусков механизъм), който прилагат в някои от своите водни часовници. Този механизъм представлява система с постоянно ниво на водата, при която като тежести се използват масивни поплавъци.
Корея
През 718 г. Обединена Сила въвежда система за измерване на времето с воден часовник (клепсидра) – за първи път в корейската история, по модела на династията Тан. През 1434 г., по време на управлението на династията Чосон, Чанг Йонг-сил – дворцов страж, а по-късно главен дворцов инженер – конструира за крал Седжон Велики „Боругак Джагьонг-ну“ (Borugak Jagyeongnu), представляващ самобиващ воден часовник, разположен в павилиона Боругак.
Характерната особеност, която е правела водния му часовник самобиващ (или автоматичен), е била употребата на механизми с фигури: три дървени фигури са удряли по предмети, за да отбележат часа. Благодарение на това нововъведение вече не е било необходимо да се разчита на хора – наричани „петли“ (rooster men), – които постоянно да го зареждат с вода.
Уникалността на часовника се състои във възможността му автоматично да отчита и обявява времето по две системи едновременно, използвайки визуални и звукови сигнали. Чанг разработва техника за преобразуване на сигналите, която позволява едновременното измерване на времето по аналогов начин и обявяването му по цифров, както и отделянето на механизмите, задвижвани от вода, от тези за биене на камбаната, задвижвани от топки. Устройството за преобразуване, наречено „пангмок“, е разположено над съда за постъпваща вода, служещ за измерване на времето, и представлява първото по рода си съоръжение в света. Така водният часовник „Боругак“ се превръща в първия хидромеханичен часовник с двойна система за отчитане на времето в историята на хорологията.
Индия
Изследователите Н. Нарахари Ачар и Субхаш Как предполагат, че в Древна Индия са се използвали водни часовници още през II хилядолетие пр.н.е., въз основа на споменаването им в „Атхарваведа“. Според Н. Камесвара Рао съдове, открити при разкопки на обекта Мохенджо-даро (от цивилизацията на долината на Инд), може да са служили като водни часовници. Те са стеснени в долната си част, имат отвор отстрани и приличат на съда, използван за извършване на „абхишека“ (ритуално поливане с вода) върху лингамите.
Джотиша – една от шестте дисциплини на Веданга – описва водни часовници, наречени „гхати“ или „капала“, които измерват времето в единици, известни като „надика“ (около 24 минути). В „Суря Сидханта“ (V в. сл. н.е.) се споменава клепсидра под формата на меден съд, който потъва, след като се напълни с вода. В Наланда Махавихара – древен будистки университет – интервали от по четири часа са се измервали с воден часовник, състоящ се от подобна медна купа с два големи поплавъка, поставена в по-голям съд с вода. Купата се е пълнела с вода през малък отвор на дъното; когато се напълнела, тя потъвала, а моментът се отбелязвал с биене на барабан през деня. Количеството на постъпващата вода се е променяло според сезоните, а с часовника са боравили студентите в университета.
Температура, вискозитет на водата и точност на часовниците
Когато вискозитетът може да бъде пренебрегнат, скоростта на изтичане на водата се определя от закона на Торичели или, по-общо, от принципа на Бернули. Вискозитетът ще бъде определящ за скоростта на изтичане, ако водата преминава през достатъчно дълга и тясна дюза, както описва уравнението на Хаген-Поазьой. Приблизително погледнато, при такава конструкция дебитът е обратнопропорционален на вискозитета, който зависи от температурата. Като цяло, с повишаване на температурата течностите стават по-малко вискозни. В случая с водата вискозитетът се променя приблизително седем пъти в интервала от нула до 100 градуса по Целзий. Следователно, воден часовник с такава дюза би работил около седем пъти по-бързо при 100 °C, отколкото при 0 °C. Водата е с около 25 процента по-вискозна при 20 °C, отколкото при 30 °C, а температурна промяна от един градус по Целзий в този диапазон (около „стайна температура“) води до изменение на вискозитета с около два процента. Поради това, воден часовник с такава дюза, който отчита точно времето при определена температура, би избързал или изостанал с около половин час на денонощие, ако температурата се повиши или понижи с един градус по Целзий. За да се постигне точност в рамките на една минута на денонощие, би било необходимо температурата да се поддържа с точност до 1/30 от градуса по Целзий (около 1/17 от градуса по Фаренхайт). Няма данни това да е било правено в древността, така че древните водни часовници с достатъчно тесни и дълги дюзи (за разлика от описания по-горе съвременен часовник с махало) не биха могли да бъдат надеждно точни според съвременните стандарти. Въпреки това, докато съвременните часовници може да не се сверяват продължително време, водните часовници вероятно са били сверявани всеки ден при повторното им пълнене, като за целта се е използвал слънчев часовник; по този начин натрупаната грешка не би била значителна.
Източници:
Water Clocks and Whistling Wakeups - https://www.hellenic.org.au/post/water-clocks-and-whistling-wakeups
Water clock - https://en.wikipedia.org/wiki/Water_clock#China
Chronometry - https://en.wikipedia.org/wiki/Chronometry
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Комита
1000-годишен амулет, открит в Русия, съчетава християнски светец с Горгона Медуза
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Необикновена космическа експлозия, случваща се веднъж на хилядолетие
Памет на водата или как ни промиват мозъка