Занимательная история мер измерений, или Какого роста дюймовочка - Федор Столетов Страница 43

Равные угловые промежутки (t = 15°) между соседними часовыми делениями, как на циферблате обычных часов, и перпендикулярность гномона кадрану являются основными преимуществами экваториальных солнечных часов над горизонтальными и вертикальными.

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

Сохранились горизонтальные солнечные часы в городе Перт, Австралия, с характерными для Южного полушария особенностями: тень в полдень – на юге, а Солнце – на севере; видимый путь Солнца по небосводу проходит справа налево, поэтому нумерация часов идет против часовой стрелки.

Вертикальные солнечные часы обычно размещают на стенах зданий и различных строений. Поэтому их кадран вертикален – перпендикулярен плоскости горизонта и может быть повернут в различные стороны. От стороны, в которую повернут кадран, зависит расположение на нем часовых делений. Симметричными относительно полуденного деления они будут лишь при кадране, обращенном строго на юг в Северном полушарии, или на север – в Южном полушарии, иными словами – при кадране, перпендикулярном полуденной линии. Для так направленного кадрана гномон должен лежать в плоскости небесного меридиана, иными словами – быть перпендикулярным как плоскости кадрана, так и плоскости горизонта, а одна из его сторон должна быть параллельной земной оси, откуда следует, что она должна составлять с плоскостью кадрана угол, равный 90° – φ, где φ – широта места установки.

В Московском планетарии установлены вертикальные солнечные часы, показывающие время и дату. Это редкая конструкция солнечных часов, в которых гномон, указывающий на Полярную звезду, нижним концом соединен с диоптром. Световое отверстие в виде Солнца с короной отбрасывает зайчик на вертикальный щит-циферблат, на поверхности которого нанесена система дат и часов. Плоскость часов ориентирована в направлении запад – восток.

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

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

Конические солнечные часы. В античной Греции такие часы были изобретены на основе теории конических сечений Аполлония. Суть этих часов в том, что ось вогнутого сегмента конуса находится параллельно земной оси. Конус направлен туда же, куда и горизонтальный гномон.

На основной, направленной на юг, стороне солнечных часов имелся циферблат, расположенный перпендикулярно конусной оси и параллельно экватору. Через разделенные на 12 равных частей дуги были проведены часовые линии.

Падающая тень пересекала эти дуги, и по точкам пересечения можно было узнать, который час. Несколько конических солнечных часов сейчас хранятся в Лувре.

Плоские солнечные часы появились в результате усовершенствования конических. Такие часы с вертикальным циферблатом устанавливали на башне, чтобы по ним можно было издалека видеть, который час. Так появились первые солнечные башенные часы. В Афинах на Башне Ветров находятся едва ли не самые древние вертикальные солнечные часы, сохранившиеся до наших дней. Вообще, эта башня сама по себе уникальна уже тем, что является первой метеорологической станцией. На крыше был расположен флюгер, в ней самой находились водяные часы, на фасаде первые солнечные башенные часы.

Водяные часы (клепсидра)

Водяные часы, или клепсидра, – прибор, в котором движение воды, скрытой в корпусе, используется для измерения времени. Слово это составлено из klepto – скрывать и hydor – вода, то есть в переводе с греческого «похититель воды».

В истории часов именно развитию водяных отводится довольно существенный промежуток времени.

Часы, отображающие время по солнцу, широко использовались во всем древнем мире: в Китае, Греции и Риме, арабских странах, а также на Руси. Однако их существенным недостатком была абсолютная бесполезность ночью или же в пасмурный день. Это привело к появлению огневых (огненных) часов, принцип измерения времени в которых опирался на количество сгоревшего в лампаде масла или стаявшего воска в свече. Таким образом, ночь могла измеряться в трех свечах или же в количестве делений на стекле лампады. Однако вследствие того, что скорость сгорания разных видов масла и таяния различных свечей была неодинакова, такой прибор обладал низкой точностью, к тому же его использование днем было весьма неудобным.

Необходимо было создать такой вариант прибора для измерения времени, который отличался бы точностью и удобством, а также не зависел бы от времени суток. Такими чертами обладали водяные часы.

Различные варианты конструкций часов и способы повышения их точности предлагались изобретателями самых развитых древнейших цивилизаций: индийской, шумерской, греческой, римской, египетской, перуанской.

Простейшая клепсидра представляет собой два сосуда, установленных на различных уровнях. В верхнем есть отверстие, через которое вода по капле попадает в нижний. Время определяли при помощи наблюдения за тем, как понижается уровень воды в верхнем сосуде либо как поднимается в нижнем. Кромка воды показывала на особом циферблате время. А вытекающая со дна резервуара вода вращала этот циферблат. Есть версия, что отсюда произошло выражение «течение времени».

При создании водяных часов необходимо было обеспечить равномерное снижение уровня воды в сосуде при ее истечении через донное калиброванное отверстие. Достигалось это за счет придания сосуду формы конуса, суживающегося вниз. 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 давала равномерное снижение уровня с небольшой 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