Первая наука о времени – астрономия. Результаты наблюдений в древних обсерваториях использовались для ведения сельского хозяйства и отправления религиозных обрядов. Однако с развитием ремесел возникла необходимость в измерении коротких промежутков времени. Таким образом человечество пришло к изобретению часов. Процесс был долгим, наполненным напряженным трудом лучших умов.
История часов насчитывает много веков, это старейшее изобретение человечества. От воткнутой в землю палки до сверхточного хронометра – путь длиною в сотни поколений. Если составить рейтинг достижений человеческой цивилизации, то в номинации «великие изобретения» часы окажутся на втором месте после колеса.
Было время, когда людям было достаточно календаря. Но появились ремесла, возникла необходимость в фиксации длительности технологических процессов. Потребовались часы, назначение которых – измерение промежутков времени короче суток. Для этого человек на протяжении веков использовал различные физические процессы. Соответственными были и конструкции, их реализующие.
История часов делится на два больших периода. Первый – длиной в несколько тысячелетий, второй – меньше одного.
1. История возникновения часов, называемых простейшими. К этой категории относятся солнечные, водяные, огневые и песочные приборы. Период заканчивается изучением механических часов домаятникового периода. Это были средневековые куранты.
2. Новая история часов, начинающаяся с изобретения маятника и баланса, ознаменовавшего начало развития классической колебательной хронометрии. Этот период пока не закончен.
Солнечные часы
Самые древние, дошедшие до нас. Поэтому именно история солнечных часов открывает парад великих изобретений в области хронометрии. Несмотря на кажущуюся простоту, их отличало большое разнообразие конструкций.
В основу солнечных часов положено кажущееся движение Солнца на протяжении суток. Отсчет ведется по тени, отбрасываемой осью. Их использование возможно лишь в солнечный день. Древний Египет имел благоприятные климатические условия для этого. Наибольшее распространение на берегах Нила получили солнечные часы, имевшие вид обелисков. Их устанавливали у входа в храмы. Гномон в виде вертикального обелиска и шкала, нанесенная на земле, – так выглядели древние солнечные часы. Фото, представленное ниже, демонстрирует один из них. До наших дней сохранился один из египетских обелисков, перевезенных в Европу. Гномон высотой 34 метра в настоящее время возвышается на одной из площадей в Риме.
Обычные солнечные часы обладали существенным недостатком. О нем знали, но долго мирились. В разные сезоны, то есть летом и зимой, продолжительность часа была неодинаковой. Но в период, когда господствовали аграрный строй и ремесленные отношения, в точном измерении времен нужды не было. Поэтому солнечные часы благополучно просуществовали до позднего Средневековья.
На смену гномону пришли более прогрессивные конструкции. Усовершенствованные солнечные часы, в которых этот недостаток был устранен, имели шкалы криволинейной формы. Кроме этого усовершенствования, использовались различные варианты исполнения. Так, в Европе были распространены настенные и оконные солнечные часы.
Дальнейшее усовершенствование имело место в 1431 году. Заключалось оно в ориентировании теневой стрелки параллельно земной оси. Такая стрелка называлась полуосью. Теперь тень, вращаясь вокруг полуоси, двигалась равномерно, поворачиваясь за час на 15°. Подобная конструкция позволяла изготовить достаточно точные для своего времени солнечные часы. Фото демонстрирует один из таких приборов, сохранившихся в Китае.
Для правильной установки конструкцию стали снабжать компасом. Появилась возможность использовать часы повсеместно. Удалось изготовить даже переносные модели. С 1445 года солнечные часы стали строить в виде полой полусферы, снабженной стрелкой, тень от которой падала на внутреннюю поверхность.
Поиски альтернативы
Несмотря на то что солнечные часы были удобными и точными, они имели серьезные недостатки объективного характера. Они полностью зависели от погоды, а их функционирование ограничивалось частью суток, заключенной в промежуток между восходом и закатом. В поисках альтернативы ученые стремились найти другие способы измерения отрезков времени. Требовалось, чтобы они не были связаны с наблюдением движения звезд и планет.
Поиски привели к созданию искусственных эталонов времени. Например, это был интервал, необходимый для перетекания или сгорания некоторого определенного количества вещества.
Созданные на этой основе простейшие часы прошли долгий путь развития и совершенствования конструкций, тем самым подготовив почву для создания не только механических часов, но и устройств автоматики.
Клепсидры
За водяными часами закрепилось название «клепсидры», поэтому бытует заблуждение о том, что впервые изобрели их в Греции. В действительности было не так. Самая древняя, очень примитивная клепсидра была найдена в храме Амона в Фебах и хранится в музее Каира.
При создании водяных часов необходимо обеспечить равномерное снижение уровня воды в сосуде при ее истечении через донное калиброванное отверстие. Достигалось это за счет придания сосуду формы конуса, суживающегося ближе ко дну. Получить закономерность, описывающую скорость вытекания жидкости в зависимости от ее уровня и формы емкости, удалось лишь в Средневековье. До этого форма сосуда для водяных часов подбиралась опытным путем. Например, египетская клепсидра, о которой говорилось выше, давала равномерное снижение уровня. Пусть и с некоторой погрешностью.
Поскольку клепсидра не зависела от времени суток и погоды, она максимально отвечала требованиям непрерывного измерения времени. Кроме того, необходимость дальнейшего усовершенствования прибора, добавления различных функций предоставляла простор для полета фантазии конструкторам. Так, клепсидры арабского происхождения представляли собой художественные произведения в сочетании с высокой функциональностью. Они были снабжены дополнительными гидравлическими и пневматическими механизмами: звуковой сигнализатор времени, система ночного освещения.
Не много имен создателей водяных часов сохранила история. Их изготовлением занимались не только в Европе, но и в Китае, в Индии. До нас дошла информация о греческом механике по имени Ктесибий Александрийский, жившем за 150 лет до новой эры. В клепсидрах Ктесибий использовал зубчатые передачи, теоретические разработки которых были выполнены еще Аристотелем.
Огневые часы
Эта группа появилась в начале 13 века. Первыми огневыми часами были тонкие свечи до 1 метра высотой с нанесенными на них метками. Иногда определенные деления оснащали металлическими штырьками, которые, падая на металлическую подставку при выгорании вокруг них воска, издавали отчетливый звук. Такие устройства послужили прообразом будильника.
С появлением прозрачного стекла огневые часы трансформируются в лампадные. На стенке наносилась шкала, по которой, по мере выгорания масла, и определялось время.
Наибольшее распространение такие устройства получили в Китае. Наряду с лампадными в этой стране была распространена другая разновидность огневых часов - фитильные. Можно сказать, что это была тупиковая ветвь.
Песочные часы
Когда они появились на свет, точно не известно. Можно с уверенностью утверждать лишь то, что они не могли появиться раньше изобретения стекла.
Песочные часы представляют собой две прозрачные стеклянные колбы. Через соединительную горловину содержимое пересыпается из верхней колбы в нижнюю. И в наше время все еще можно встретить песочные часы. Фото изображает одну из моделей, стилизованную под старину.
Средневековые мастера при изготовлении приборов украшали песочные часы изысканным декором. Их использовали не только для измерения отрезков времени, но и в качестве украшения интерьера. В домах многих вельмож и сановников можно было увидеть роскошные песочные часы. Фото представляет одну из таких моделей.
В Европу песочные часы попали достаточно поздно – в конце Средневековья, однако распространение их было стремительным. Благодаря простоте, возможности использования в любое время они быстро стали очень популярными.
Один из недостатков песочных часов – довольно короткий отрезок времени, измеряемый без их переворачивания. Не прижились кассеты, составленные из них. Тормозили распространение таких моделей их невысокая точность, а также износ при длительной эксплуатации. Происходило это следующим образом. Калиброванное отверстие в диафрагме между колбами истиралось, увеличиваясь в диаметре, частицы песка – наоборот, дробились, уменьшаясь в размере. Скорость истечения увеличивалась, время – уменьшалось.
Механические часы: предпосылки появления
Потребность в более точном измерении отрезков времени с развитием производства и общественных отношений неуклонно возрастала. Лучшие умы работали над решением этой проблемы.
Изобретение механических часов – эпохальное событие, которое произошло в Средние века, ведь они – самый сложный прибор, созданный в те годы. В свою очередь, это послужило толчком к дальнейшему развитию науки и техники.
Изобретение часов и их совершенствование требовало более совершенного, точного и высокопроизводительного технологического оборудования, новых методов расчета и конструирования. Это стало началом новой эпохи.
Создание механических часов стало возможным с изобретением шпиндельного спуска. Это устройство преобразовывало поступательное движение висящей на веревке гири в колебательное движение взад-вперед часового колеса. Здесь четко прослеживается преемственность – ведь сложные модели клепсидр уже имели и циферблат, и зубчатую передачу, и бой. Нужно было только поменять движущую силу: заменить струю воды тяжелой гирей, с которой проще было обращаться, и добавить спусковое устройство и регулятор хода.
На этой основе были созданы механизмы для башенных часов. Куранты со шпиндельным регулятором вошли в обиход примерно с 1340 года и стали гордостью многих городов и соборов.
Становление классической колебательной хронометрии
История возникновения часов сохранила для потомков имена ученых и изобретателей, которые сделали возможным их создание. Теоретической базой послужило открытие, которое сделал Галилео Галилей, озвучив законы, описывающие колебания маятника. Он же - автор идеи механических маятниковых часов.
Реализовать идею Галилея удалось в 1658 году талантливому голландцу Христиану Гюйгенсу. Он же - автор изобретения балансового регулятора, что позволило создать карманные, а затем и наручные часы. В 1674 году Гюйгенс разработал усовершенствованный регулятор за счет присоединения к колесику-маховику спиральной пружинки в виде волоска.
Другое знаковое изобретение принадлежит часовому мастеру из Нюрнберга по имени Петер Генлейн. Он изобрел заводную пружину, а в 1500 году на ее основе создал карманные часы.
Параллельно происходили изменения внешнего вида. Сначала было достаточно одной стрелки. Но так как часы стали очень точными, они требовали соответствующей индикации. В 1680 году была добавлена минутная стрелка, и циферблат обрел привычный нам вид. В восемнадцатом веке стали устанавливать секундную стрелку. Вначале боковую, а позже она стала центральной.
В семнадцатом веке создание часов было переведено в категорию искусства. Изысканно декорированные корпуса, украшенные эмалью циферблаты, которые к тому времени накрывали стеклом, - все это превращало механизмы в предмет роскоши.
Работа по усовершенствованию и усложнению приборов продолжалась непрерывно. Повышалась точность хода. В начале восемнадцатого века стали использовать в качестве опор для балансира и шестерен камни – рубиновые и сапфировые. Это позволило снизить трение, повысить точность и увеличить запас хода. Появились интересные усложнения – вечный календарь, автоматический завод, указатель запаса хода.
Толчком к развитию маятниковых часов послужило изобретение английского часовщика Клемента. Примерно в 1676 году он разработал якорно-анкерный спуск. Это устройство хорошо подходило к маятниковым часам, которые имели небольшую амплитуду колебаний.
Кварцевые часы
Дальнейшее совершенствование приборов для измерения времени происходило лавинообразно. Развитие электроники и радиотехники подготовило почву для появления кварцевых часов. Их работа основана на пьезоэлектрическом эффекте. Он был обнаружен в 1880 году, но кварцевые часы изготовили лишь в 1937 году. От классических механических вновь созданные кварцевые модели отличались поразительной точностью. Началась эра часов электронных. В чем их особенность?
Кварцевые часы имеют механизм, состоящий из электронного блока и так называемого шагового электродвигателя. Как это работает? Двигатель, получая сигнал от электронного блока, передвигает стрелки. Вместо привычного циферблата в кварцевых часах может использоваться цифровой дисплей. У нас их называют электронными. На Западе - кварцевыми с цифровой индикацией. Сути это не меняет.
Фактически, кварцевые часы – это мини-компьютер. Очень легко добавляются дополнительные функции: секундомер, указатель фаз Луны, календарь, будильник. Цена часов при этом, в отличие от механики, возрастает не так сильно. Это делает их более доступными.
Кварцевые часы очень точные. Их погрешность составляет ±15 секунд/месяц. Корректировать показания приборов достаточно дважды в год.
Настенные электронные часы
Цифровая индикация и компактность – вот отличительная особенность такого рода механизмов. Электронные часы повсеместно используются в качестве интегрированных. Их можно увидеть на приборной доске автомобиля, в мобильном телефоне, в микроволновке и телевизоре.
Как элемент интерьера чаще можно встретить более популярное классическое исполнение, то есть со стрелочной индикацией.
Часы электронные настенные органично вписываются в интерьер в стиле хай-тек, модерн, техно. Они привлекают прежде всего своей функциональностью.
По типу дисплея электронные часы бывают жидкокристаллическими и светодиодными. Последние более функциональны, так как имеют подсветку.
По типу источника питания часы электронные (настенные и настольные) делятся на сетевые, работающие от сети 220В, и батареечные. Более удобны приборы второго типа, так как не требуют наличия поблизости розетки.
Настенные часы с кукушкой
Германские мастера начали изготавливать их с начала восемнадцатого века. Традиционно настенные часы с кукушкой изготавливались из древесины. Богато декорированные резьбой, выполненные в виде домика для птички, они были украшением богатых особняков.
В свое время недорогие модели были популярны в СССР и на постсоветском пространстве. Долгие годы настенные часы с кукушкой марки «Маяк» выпускал завод в российском городе Сердобск. Гирьки в виде еловых шишек, украшенный незамысловатой резьбой домик, бумажные меха звукового механизма – такими запомнились они представителям старшего поколения.
Сейчас классические настенные часы с кукушкой – редкость. Связано это с высокой ценой качественных моделей. Если не принимать во внимание кварцевые поделки азиатских умельцев, изготовленные из пластика, сказочные кукушки кукуют только в домах истинных ценителей часовой экзотики. Точный, сложный механизм, кожаные меха, изысканная резьба на корпусе – все это требует большого объема ручного высококвалифицированного труда. Лишь самые солидные производители могут выпускать такие модели.
Часы-будильник
Это самые распространенные «ходики» в интерьере.
Будильник – первая дополнительная функция, которая была реализована в часах. Запатентован в 1847 году французом Антуаном Редье.
В классическом механическом настольном будильнике звук производится за счет ударов молоточком по металлическим тарелочкам. Электронные модели более мелодичны.
По исполнению будильники разделяются на малогабаритные и крупногабаритные, настольные и дорожные.
Настольные часы-будильник изготавливают с раздельными двигателями для часового механизма и сигнала. Заводятся они по отдельности.
С появлением кварцевых часов популярность механических будильников упала. Причин тому несколько. Настольные часы-будильник с кварцевым механизмом имеют перед классическими механическими приборами ряд преимуществ: они более точные, не требуют ежедневного завода, их легко подобрать под дизайн помещения. Кроме того, они легкие, не так боятся ударов и падений.
Наручные механические часы с будильником обычно называют «сигнал». Подобные модели выпускают немногие фирмы. Так, коллекционерам известна модель под названием «президентский сверчок»
«Сверчок» (по англ. cricket) – под этим названием швейцарская компания Vulcain выпускала наручные часы с функцией будильника. Известны они тем, что их владельцами были американские президенты: Дуайт Эйзенхауэр, Гарри Трумэн, Ричард Никсон и Линдон Джонсон.
История часов для детей
Время – сложная философская категория и одновременно физическая величина, требующая измерения. Человек живет во времени. Уже с детского сада программой обучения и воспитания предусмотрено развитие у детей навыков ориентирования во времени.
Приучать ребенка к пользованию часами можно, как только он усвоил счет. Помогут в этом макеты. Можно совместить часы из картона с распорядком дня, разместив все это для большей наглядности на листе ватмана. Организовать занятия можно с элементами игры, используя для этого загадки с рисунками.
История часов для детей в возрасте 6-7 лет изучается на тематических занятиях. Материал подавать необходимо так, чтобы вызвать интерес к теме. Детей в доступной форме знакомят с историей часов, их видами в прошлом и настоящем. Затем закрепляют полученные знания. Для этого демонстрируют принцип работы простейших часов – солнечных, водяных и огневых. Эти занятия пробуждают у детей интерес к исследованиям, развивают творческое воображение и любознательность. Они воспитывают бережное отношение ко времени.
В школе, в 5-7 классах, изучается история изобретения часов. Она базируется на знаниях, полученных ребенком на уроках астрономии, истории, географии, физики. Таким образом закрепляется усвоенный материал. Часы, их изобретение и совершенствование рассматриваются как часть истории материальной культуры, достижения которой направлены на удовлетворение потребностей общества. Тему занятия можно сформулировать так: «Изобретения, изменившие историю человечества».
В старших классах целесообразно продолжить изучение часов как аксессуара с точки зрения моды и эстетики интерьера. Важно познакомить детей с часовым этикетом, рассказать об основных принципах подбора интерьерных часов. Одно из занятий можно посвятить тайм-менеджменту.
История изобретения часов наглядно показывает преемственность поколений, ее изучение - эффективное средство формирования мировоззрения молодого человека.
