Существовавшие в древние времена автомати­ческие устройства были в большинстве своем осно­ваны на принципе действия водяных часов. Водяные часы в самом простом случае представляли собой сосуд с водой, вытекающей из него через отверстие небольшого диаметра. Такие часы назывались «клепсидра» (по гречески клепсо —похищать, обманывать, прятать, юдор — вода).

В зависимости от емкости сосуда и диаметра от­верстия, через которое вытекала вода, клепсидры рассчитывались на сутки, часы и даже минуты. Время, предоставляемое ораторам в древней Гре­ции и древнем Риме для произнесения речей в су­дебных и других учреждениях, контролировалось при помощи таких клепсидр.

Существовали и более сложные конструкции клеп­сидр, в которых вытекающая из сосуда вода падала на лопатки колеса и приводила в движение целую систему зубчатых зацеплений, связанную со стрел­ками или другими указателями, перемещающимися по циферблату.

Схема клепсидры Ктезибия с поплавковым указателем

На рис. 1 изображена клепсидра известного александрийского механика Ктезибия, умершего во втором веке до нашей эры. Из глаз фигуры мла­денца, расположенного слева от колонны, текут слезы. Младенец как бы оплакивает быстро текущее время. Вода этих слез, как видно из рисунка, по­падает на лопатки колеса и таким образом при­водит в движение довольно сложный механизм, связанный с жезлом в руке младенца, находящего­ся справа от коллоны. Этим жезлом младенец ука­зывает на часы дня, месяц и число в продолжение целого года. На рис. 2 приведена схема клепсидры Ктезибия с поплавковым указателем. Вытекающая из глаз младенца вода поднимает уровень воды в баке, и соответственно с этим поднимается поплавок со штоком, на котором укреплена фигура второго мла­денца с указкой. На своеобразном циферблате нанесено 12 кривых, соответствующих 12 месяцам.

Небесный гло­бус Архимеда (третий век до на­шей эры), на ко­тором можно было наблюдать движе­ние Солнца, Луны и известных в ту пору планет, солнечные и лунные затмения, приво­дился в движение специально сконструированной клепсидрой. Отме­тим, между про­чим, что Архи­мед придавал из­обретению своего глобуса весьма большое значение. К сожалению, на­писанная им кни­га «Об изготов­лении небесной сферы» не дошла до нас.

Петроний Ар­битр (первый век н. э.) в дошедших до нас отрывках «Сатирикона» писал о том, что в триклинии богача Тримальхиона стоят часы и к ним приставлен особый трубач, возвещающий, «сколько мгновений жизни он потерял».

В средние века часовое дело и связанная с ним автоматика интенсивно развивались. Часы исполь­зовались главным образом как основа для построения «чудодейственной» автоматики, которая должна была свидетельствовать о величии промысла божье­го или о величии и богатствах царей.

Знаменитый багдадский калиф Гарун аль Рашид (девятый век) подарил Карлу Великому часы из дамасской позолоченной бронзы. Время в них указывалось падением железных шариков. Одновре­менно в часах открывались 12 окошечек, из них выходили вооруженные рыцари, число которых соответствовало числу ударов. Показавшись на короткое мгновенье, рыцари удалялись и окошки захлопывались до следующего часа.

Сын Гаруна аль Рашида был обладателем часов в форме дерева. На золотых и серебрянных ветвях этого дерева сидели птицы, сделанные тоже из драгоценных металлов. Когда дерево колыхалось, пти­цы начинали щебетать.

Византийский историк Прокопий (шестой век н. э.) приводит описание часов в городе Газе (Па­лестина). Это было монументальное сооружение, занимавшее большую площадь в центре города.

«На четырех колонках покоилась крыша, наверху которой находилась голова Горгоны — мифическо­го чудовища, вращавшего глазами при каждом бое часов. Сами часы находились в глубине про­странства, ограниченного колоннами и мраморными карьерами с насаженными на них остриями, чтобы в помещение не могли пробраться любопытные. В просвете между колоннами зритель видел 12 око­шечек, постепенно освещавшихся ночью. Под этими окошечками ряд дверок, и на одной из них — па­рящий орел. Открывалась дверь, и из нее выходил легендарный герой Геракл, показывающий свою добычу, орел опускал на его голову венок. Появ­ляясь то из одной, то из другой дверцы, Геракл де­монстрировал свои подвиги, числом двенадцать,— и по каждому из этих выходов зритель мог опре­делить, который час».

Часы в Газе указывали время и посредством боя. Другая фигура Геракла была установлена на пло­щадке с колонками под рядами дверок и окон. Палицей он бил по медному гонгу каждый час. С двух сторон центральной площадки помещались еще две меньших площадки-часовенки. На них тоже были расположены небольшие фигурки Геракла в раз­личных позах. Его окружали другие персонажи греческой мифологии. Сатиры корчили забавные рожицы. Трубач Диамед каждые 12 часов возве­щал зорю.

История средних веков изобилует описаниями такого рода часов со сложной автоматикой.

Примечательно, что все эти головоломные авто­матические устройства имели в своей основе клеп­сидру, т. е. устройство для отсчета времени по ско­рости истечения воды из сосудов. Для приведения в движение отдельных механизмов в клепсидрах подобного рода использовалась сила давления во­ды, накоплявшейся в различных сосудах.

Многие механики и математики и в том числе Галилей, Ньютон, Вариньон, Даниил Бернулли и др. решали задачу о форме сосуда, которая обес­печивала бы равномерность вытекания из него воды.

На конкурсе, объявленном французской Акаде­мией Наук в 1725 г., премию за работу о принципах действия клепсидры получил Даниил Бернулли, бывший, как известно, членом Российской Академии Наук.

На смену водяным часам пришли колесные часы. Наиболее яркой иллюстрацией автоматики, осуще­ствленной на принципе колесных часов, были ба­шенные часы Страсбургского собора. Постройка их началась в XIV веке и длилась несколько де­сятков лет. К усовершенствованию конструкции этих часов привлекались ученые того времени и, в частности, математик Дазиподий (XVI век).

Приводим краткое описание этих часов.

Часы состояли из «вечного» календаря, плане­тария по системе Коперника, показывали движения планет, фазы луны, затмение солнца, равноден­ствия. Снаружи и внутри механизма находились циферблаты, отмечающие часы с их делениями, дни, недели, положение звезд. Внутренний цифер­блат, имевший в окружности 9 м, служил для ука­заний числа месяцев и имен святых, связанных с данным днем. По обе стороны маленького цифербла­та были расположены два крылатых гения. Каждую четверть часа правый гений бил по колоколу. Тогда начинали действовать четыре автомата, символизирующие четыре периода человеческой жизни. Фигура Детства отбивала первую, фигура Юности — вторую, фигура Возмужалости — третью и фигура Старости—последнюю четверть. После этого высту­пала Смерть, возвышающаяся на пьедестале рядом со Старостью. Смерть отбивала полные часы. Крыла­тый гений, расположенный слева от циферблата, поворачивал песочные часы и содержимое их высы­палось. В полдень после двенадцатого удара выхо­дила церковная процессия, состоящая из двенад­цати апостолов, склонявшихся ниц. Одновременно восседавший на левой башне петух начинал хло­пать крыльями и издавал свое «кука-реку». Из облаков над циферблатом показывалась колесница с фигурками. Они указывали на богов, обозначав­ших дни недели.

Как видно из этого описания, часы служили для автоматического выполнения своего рода техноло­гического процесса по заданной программе, где все отдельные элементы строго рассчитаны и скоордини­рованы в пространстве и во времени.

Вся эта «хитрая» автоматика колесных часов поко­илась на следующем принципе действия. «На го­ризонтальный вал наматывалась длинная веревка с гирей на конце. Гиря тянула веревку книзу, заставляла ее разматываться и от этого вращался вал. Вращение вала, благодаря целой системе колес, передавалось основному храповому колесу с зуб­цами, похожими на зубья пилы. Для обеспечения равномерности движения храпового колеса, соеди­ненного со стрелкой часов, служил специальный ре­гулятор — металлический брус, расположенный на оси храпового колеса параллельно его поверхности. К металлическому брусу прикреплялись две ло­патки, образующие между собой прямой угол. На концы бруса насаживались тяжелые чугунные шары, которые могли перемещаться.

В модифицированном виде башенные колесные часы сохранились и у нас. Часы на Спасской башне, которые были построены в начале XV века и про которые летописец писал: «Часомерье самозванно, самодвижно указует время, ударяя часы дневные и нощные», работают, как известно, до сих пор без каких бы то ни было перебоев.

Водяные и колесные часы принципиально мало от­личались друг от друга. Существенно отличает их лишь наличие в колесных часах регулятора. В конце XV века появляются пружинные часы, где сила тяжести груза заменена упругой силой пружины. И наконец, в XVII веке великий гол­ландский физик и математик X. Гюйгенс (1629— 1695) завершает часовое искусство применением маятника⁵ в качестве измерителя времени. Патент на свое изобретение — часы с маятником Гюйгенс получил 16 июня 1657 г. Гюйгенс не только создал новую конструкцию часов, но обосновал ее теоре­тически, разработав математическую теорию маят­ника (в том числе и конического маятника, прото­типа современного регулятора паровой машины). «До Гюйгенса часы были грубыми, топорно и наугад построенными машинами, после Гюйгенса они стали, точными приборами и механизмами, основанными . на выводах науки и служащими ей».

Надо отметить, что возникшая в связи с вопросом об усовершенствовании часов и разработанная Гюй­генсом теория физического маятника является ис­торически первой разрешенной задачей динамики системы. Мы подчеркиваем это потому, что в совре­менной технике проблемы динамики систем зани­мают центральное место.

Работы Гюйгенса по конструированию первых часов с маятником были вызваны, в частности, по­требностью в точном измерении времени при астрономических наблюдениях.

Отметим, что часовые механизмы применялись в астрономии не только для измерения времени. Важное применение нашли эти механизмы для та­кого перемещения трубы телескопа, которое поз­воляло бы удерживать непрерывно в поле зрения изображение наблюдаемого светила.

Однако нелегко было добиться необходимой точ­ности и равномерности хода часового механизма, который вращал бы трубу телескопа около поляр­ной оси экваториала вслед за суточным перемеще­нием светила относительно горизонта.

Для регулирования хода этого часового меха­низма английский естествоиспытатель Р.Гук (1635— 1703), воспользовавшись идеей X. Гюйгенса, при­менил регулятор скорости. Это был конический маят­ник, длина которого могла изменяться в соответ­ствии с требованиями процесса.

Однако попытка Гука так и осталась попыткой. Только через 150 лет выдающемуся немецкому физику Й. .Фраунгоферу (1787—1826) удалось ре­шить этот вопрос в технически приемлемой форме при постройке телескопа для университета в Юрье­ве — Дерпте (теперь Тарту). Часовой механизм, получающий движение от падающего груза и управ­ляемый регулятором, приводил в движение чер­вячный винт, который был сцеплен с зубцами вра­щающегося круга, связанного с телескопом.

Но все, же Фраунгофер не смог добиться требуемой точности и равномерности движения. Эту задачу решил выдающийся английский астроном Дж. Эйри (1801—1892). На основе теоретического анализа динамики регулятора он осуществил удовлетворяв­шую требованиям систему автоматического регули­рования.

Наблюдатель мог теперь продолжительное время вести свои наблюдения и измерения, в то время как труба без его участия точно следовала за суточным перемещением исследуемого светила.

Отметим, что исследование автоматического ре­гулятора, выполненное Эйри (1840—1851), являет­ся одним из первых исследований, посвященных важнейшему вопросу современной науки — автома­тики — динамике регулируемых систем.

В XVIII веке развитие мореплавания предъя­вило особые требования к технике часового дела. Достижение точности хода часов было центральной технической проблемой этого времени.

Регулятор хода часов — баланс не давал еще полного решения задачи. Необходимо было найти способ регулировать ход часов в зависимости от тем­пературных влияний. Оказалось, что эти последние сильно снижают точность хода часов.

Похожие статьи:

1. История подводной лодки
2. Бурение. История добычи нефти
3. Телескоп. История телескопа
4. ТЕЛЕВИДЕНИЕ. История телевидения
5. История современных ракет