Прошлое

   Солнечные часы

   Несомненно, важнейшим и самым распространенным простейшим хронометрическим прибором были солнечные часы – гномоны. Точная дата возникновения солнечных часов, которые в своем первоначальном виде имели форму обелиска, неизвестна. Некоторые исторические источники считают самым первым упоминанием о солнечных часах – рукопись  китайца Чиу-пи периода около 1100 г. до н.э. В ней указывается, что с помощью солнечных часов китайцы легко установили летнюю высоту Солнца в 79^o06'20", а зимнюю – в 30^o22'20", а отсюда они определили наклон эклиптики в 23^o52'.

     Для устройства гномонов устанавливали шест, палку, колонну в центре круга, разделенного на части, каждая из которых соответствовала одному часу. Таких частей было двенадцать. Тень от шеста в течение дня перемещалась по делениям этого своеобразного циферблата, показывая время. Устройство солнечных часов основано на постоянном, равномерном вращении Земли вокруг своей оси.

     Роль гномонов выполняли и прямые пилоны на общественных площадях, на рынках. Первые обелиски и пилоны, предназначавшиеся в Египте для измерения времени, были построены, по всей вероятности, уже в XIV в. до н.э. До сих пор сохранился такой обелиск высотой в 35,5 м на площади св. Петра в Риме, который был доставлен туда в 38 г. Калигулой из Гелиополиса.

     Особо благоприятные климатические условия для измерения времени с помощью солнечных часов имел Египет. Там ученые обнаружили несколько видов солнечных часов. Например, сравнительно небольшой прибор, горизонтальная часть которого – линейка с хронометрической шкалой длиной около 30 см – имеет другое, перпендикулярное плечо, отбрасывающее тень на шкалу.

     Другим видом египетских солнечных часов были ступенчатые часы в виде обелиска с двумя наклонными поверхностями, ориентированными по оси восток – запад и разделенными на ступени. При восходе Солнца тень падала на край верхней ступеньки одной из этих поверхностей – восточной, затем постепенно опускалась, пока к полудню полностью не исчезала. Затем, после полудня, тень снова появлялась в нижней части западной поверхности, откуда она все подымалась до тех пор, пока при заходе Солнца не касалась грани верхней ступеньки.

     На описанных выше солнечных часах время измерялось длиной, а не направлением отбрасываемой тени. Однако египтяне имели солнечные часы и со шкалой для определения направления отбрасываемой тени. Самым старым доказательством этого являются вертикальные солнечные часы из слоновой кости, украшенные мифологическими рельефами, найденные при раскопках в месте Гезер в Палестине. Они восходят к эпохе правления фараона Мернефта в начале XIII в. до н.э. Египетские гномоны были весьма неточными хронометрическими приборами. Они показывали время правильно лишь дважды в год – в дни весеннего и осеннего равноденствия. Позднее под влиянием греков египтяне стали строить солнечные часы с особыми шкалами для разных месяцев.

     Известный римский архитектор и зодчий Маркус Витрувий, работавший во времена правлений Цезаря и Августа, описывает в своем сочинении «Архитектура» не менее 13 видов солнечных часов. К ним относятся и не совсем обычные для северных областей Европы горизонтальные полые полусферические часы – так называемые гемисферы. Внутренняя поверхность полушария представляла небесную полусферу с линией экватора, двумя линиями солнцестояния и с двенадцатичасовой шкалой времени. Изобретение таких часов приписывают известному античному астроному Аристарху из Самеса, жившему в 320 - 250 гг. до н.э., который изготовил также солнечные часы с полукруглыми шкалами, разделенными на пять частей (часов) неодинаковой длины.

     Острый конец гномона, служивший первоначально египтянам для четкого ограничения тени на шкале, греки позднее заменили небольшим круглым отверстием, так называемым солнечным оком, бросавшим на шкалу небольшую световую точку. Кроме указанных выше горизонтальных часов, греки имели еще и более совершенные вертикальные солнечные часы, так называемые гемоциклы, которые они располагали на общественных зданиях.

     В Рим солнечные часы попали из Греции. Римский военачальник Папириус Курсор приказал в 93 г. до н.э. построить солнечные часы в храме Квиринал, а через 30 лет после этого консул Манлиус Валериус Мессала привез из Сицилии другие солнечные часы, которые затем установили на Римском форуме рядом с ораторской трибуной.

     Около 250 г. до н.э., и позднее в Риме появились портативные солнечные часы в виде пластинок из бронзы или слоновой кости. При раскопках в 1755 г. там нашли портативные бронзовые солнечные часы римского происхождения, засыпанные в Портице при извержении Везувия в 79 г. На поверхности часов имелось семь горизонтальных и вертикальных кругов, а под ними – названия 12 месяцев. На правой стороне был стержень, выполнявший роль гномона.

     Около 24 г. до н.э. Витрувий упомянул о дорожных солнечных часах. Правдивость его сообщения подтвердили раскопки, произведенные в 1894 г. у Форбаха, при которых были обнаружены такие часы в виде бронзовой пластинки диаметром 47 мм с пятимиллиметровым ободом и двумя отверстиями: одним – для подвески, а вторым – для прохождения солнечного луча.

     Новую эпоху в развитии солнечных часов открыло важное изобретение, датируемое 1431 г. Принцип его заключался в установке теневой стрелки в направлении земной оси. Этим было достигнуто то, что тень стрелки, называемой «полуосью», равномерно вращалась вокруг «полуоси», поворачиваясь каждый час на 15^o. Это дало возможность ввести равномерное время, которым можно было пользоваться в течение всего года, причем отрезки, соответствующие часам, были одинаковой длины независимо от изменяющейся высоты Солнца. Одним из первых упоминаний о часах с «полуосью» является рукопись Теодорика Руффи от 1447 г. Некоторые солнечные часы того времени имели одновременно гномон и «полуось». Такие часы описаны в рукописи арабского астронома XV в. Сибт-аль-Маридини. Аналогичные часы построил примерно в то же время египетский астроном Ибн-аль-Магди.

     Прогресс, которым ознаменовалась наука в эпоху Возрождения, отразился и на конструкциях солнечных часов. Достижения того времени позволили, например, сочетать солнечные часы с компасом.

     Сами по себе солнечные часы без компаса указывали правильное время лишь тогда, когда они были построены с учетом географической широты места измерения, календарной даты и угла наклона Солнца во время измерения времени. Все это отошло с введением экваториальных часов с компасом. Для правильного наклона «полуоси» относительно горизонтальной плоскости достаточно было знать географическую широту места измерения.

   Следующим обязательным условием для правильного отсчета времени в экваториальных часах была точная установка солнечных часов относительно плоскости местного меридиана: «полуось», наклоненная в направлении земной оси, должна была лежать в плоскости меридиана. Однако определить направление север – юг без подходящего пособия было довольно трудно, а потому до введения компаса измерение времени солнечными часами было связано с рядом сложностей.
 

      К первым создателям солнечных часов с корректирующим компасом относится астроном и математик Региомонтан. Он был автором первого специального труда о солнечных часах.
Экваториальные солнечные часы с циферблатом, параллельным плоскости земного экватора, и гномоном, перпендикулярным ей, были простейшими часами с равномерной шкалой времени. Иногда такие часы имели стрелку с зубчатой передачей и малый циферблат со стрелкой для отсчета минутных интервалов с точностью от 1 до 3 мин. Такие часы назывались гелиохронометрами.

    Известны и другие варианты солнечных часов: с закругленными поверхностями циферблатов, коническими, колончатыми, в форме кубка и др. Солнечные часы встречались не только в виде часов, расположенных на открытом воздухе – на земле, колоннах и т.п., но и в виде небольших настольных часов. Их изготовляли из древесины, стекла, а, начиная с XVI в., и из известняка, мрамора, сланцев, или же их циферблаты гравировали на бронзе, меди, серебре, железе, цинке и других металлах. В Чехии такие часы изготовлял около 1600 г. один из первых мировых мастеров по строительству солнечных часов Эразм Габермель, а позднее, в 1787 - 1803 гг., – мастер Йоганн Энгельбрахт.

     Интересны кольцевые солнечные часы – один из вариантов дорожных солнечных часов, – которые очень часто одновременно служили и в качестве декоративной подвески. Главной частью таких часов было латунное кольцо диаметром в несколько сантиметров (рис. а) с другим передвижным кольцом, снабженным отверстием для солнечного луча. На внешней поверхности главного кольца обычно гравировали начальные буквы наименований месяцев, а против них, на внутренней поверхности, находилась часовая шкала. Перед измерением надо было повернуть меньшее колечко так, чтобы отверстие для луча лежало у наименования соответствующего месяца. При измерении времени держали часы в положении, позволяющем солнечному лучу проходить через отверстие в шкале. Первое описание часов подобного рода в виде перстня с печатью содержится в книге «De compositione annuli astronomici», написанной врачом Боне и изданной в Париже в 1500 г.
 

Рис. а. Кольцевые солнечные часы: высотные (слева);
б. экваториальные (справа)

     На подобном принципе строились и так называемые «экваториальные кольца» – аналогичные часы, на главном кольце которых имелись еще два пересекающихся друг с другом круга. Позднее возник новый вариант (рис. б) с поперечиной вместо третьего кольца. На одной стороне этой поперечины были указаны месяцы, а на другой – знаки зодиака. Посередине имелась перемычка с малым отверстием для прохождения солнечного луча. Правильное положение этих часов при измерении времени было таким, когда солнечный луч, проходящий через отверстие, попадал на центральную линию экваториального круга.
Одной из самых популярных разновидностей дорожных солнечных часов были так называемые пластинчатые солнечные часы. Первые экземпляры таких часов появились в Европе в 1451 - 1463 гг. Обычно они состояли из двух одинаковых по величине четырехгранных прямоугольных пластинок, соединенных подвесками, причем в нижней пластинке обязательно должен был находиться компас.

     Индийские путешественники обычно носили с собой деревянные восьмигранные палки с металлическим острием длиной 160 см с вырезанными часовыми шкалами, представляющие собой также дорожные солнечные часы (ашадах). Ручка такой палки просверливалась обычно четырьмя сквозными отверстиями. В отверстие над шкалой для соответствующего месяца вдвигался стержень длиной около 15 см так, чтобы его острие при вертикальном положении палки отбрасывало тень на шкалу.

     К дорожным часам относились и футлярные солнечные часы самых разнообразных форм. Футлярные часы снабжались таблицами или шкалами для различных географических широт. Такие часы имели четырехгранную, шестигранную, восьмигранную, круглую или же иную форму. Эразм Габермель, работавший в конце XVI и начале XVII в. при пражском дворе императора Рудольфа II, был одним из немногих, кто изготовлял такие часы в виде книги. На некоторых часах этого рода шкалы были весьма сложными. Помимо вечного григорианского или юлианского календаря, продолжительностей дня и ночи, времени восхода и захода Солнца, некоторые из часов этого рода указывали и лунные или звездные часы.
 

Рис.  Аналемматические солнечные часы

     Другими интересными экваториальными часами являются аналемматические солнечные часы, стрелка которых также направлена перпендикулярно плоскости часовой шкалы, но эта шкала лежит не в плоскости, параллельной экватору, а в горизонтальной плоскости, например, непосредственно на земле.

     Известны и оригинальные так называемые рефракционные солнечные часы, которые имеют чашу с часовой шкалой и теневую стрелку. Их работа основана на том известном явлении, что световой луч, падающий наклонно на плоскость раздела двух различных сред, преломляется. Перед измерением надо чашу наполнить до определенной высоты водой. Теневой луч стрелки преломляется на линии разграничения воздуха и воды, и лишь этот преломленный луч указывает на погруженной в воду временной шкале данное время. Рефракционные часы имели формы кубков и различных сосудов.

     Приблизительно в начале XVI в. появились оконные солнечные часы. Они были вертикальными, и их циферблатом была поверхность окна храма или ратуши. Прозрачная шкала позволяла наблюдать время, не выходя из здания, и облегчала контроль других хронометрических приборов, например водяных или кольцевых часов, находящихся внутри здания. Внешняя стрелка отбрасывала тень на циферблат, устроенный так, чтобы конец тени указывал не только часы, но и положение Солнца в зодиаке.

     Были и зеркальные солнечные часы, которые отражали солнечный луч зеркалом на циферблат, расположенный на стене дома. Первым такие часы описал Й.Б. Бенедиктус в своей книге «De gnomonum umbrarumque solarium usus liber», изданной в Турине в 1574 г. По неподтвержденным сведениям, конструированием зеркальных часов занимался будто бы и Николай Коперник, о чем свидетельствует и циферблат зеркальных часов, сохранившийся на замке в Ольштыне.
 

     Солнечные часы строили вплоть до XVI века, но пользоваться ими было не всегда удобно: ночью и в пасмурную погоду они бездействовали, их нельзя было брать с собой в путешествия или на поля сражений.