В литературе часто говорится о них, как о «клепсидрах». Это наименование происходит от сочетания двух греческих слов klepto — брать, и udor — вода. Многие, судя по греческому наименованию, ошибочно считают, что именно в Греции они были придуманы. Однако дело обстоит не так: в примитивном виде водяные часы были известны уже египтянам, у которых сохранились, по всей вероятности, самые старые водяные часы в мире. Они были обнаружены в 1940 году в храме Аммона в восточных Фебах, а сейчас хранятся в музее Каира. На внутренней поверхности их алебастрового корпуса наколами обозначено 12 часовых шкал для измерения времени в соответствующих месяцах. Помните, что солнечные часы дают разную длительность часов в разные месяцы? Это и было учтено в египетских водяных часах. Сосуд заполняли до самого верха водой, которая затем вытекала через небольшое придонное отверстие.
Однако есть и загадка. Дело в том, что самой существенной проблемой при создании таких часов была отработка такой формы сосуда, которая обеспечивала бы истечение воды с равномерным понижением уровня. Так вот, упомянутые египетские часы уже давали достаточную равномерность понижения уровня, хоть и с некоторой ошибкой. Это наводит на мысль, что они хоть и древнейшие из известных, но все же не первые.
В античной Греции водяные часы применяли для регламентации времени, представляемого ораторам во время судебных процессов. Эти часы были, по существу, большими амфорами, внутренняя поверхность которых имела форму, образованную вращением параболы или эллипсоида, что опять показывает их позднее происхождение: ведь установить зависимость скорости истечения от высоты столба воды и формы сосуда смогли только в Средние века.
Амфора высотой около 1 метра и шириной несколько более 40 сантиметров вмещала около 100 литров воды. При диаметре отверстия истечения в 1,4 мм требовалось почти 10 часов на полное опорожнение сосуда. В воде находился поплавок с прикрепленным к нему длинным стержнем, выступавшем над краем сосуда. На стержне была выгравирована шкала. Время, истекшее после начала истечения воды, указывалось на этой шкале. Поплавок опускался в амфоре равномерно, поскольку уменьшение скорости истечения компенсировалось уменьшающимся внутренним диаметром сосуда.
То, что клепсидра не зависела от света Солнца, сделало из водяных часов прибор, пригодный для непрерывного измерения времени и днем, и ночью. К тому же стало возможным развивать некоторые механические элементы. Началось соревнование конструкторов в изобретении остроумных гидравлико-пневматических механизмов: для звуковой сигнализации о времени, для освещения часов ночью; такие элементы можно найти у целого ряда водяных часов арабского происхождения. В руках одаренных воображением мастеров возникли выдающиеся произведения, отличающиеся высокой художественной ценностью и оригинальной функциональностью.
Поистине легендарной фигурой среди мастеров по изготовлению «клепсидр» считается известный греческий механик Ктесибий Александрийский, живший примерно за 150 лет до н. э. Римлянин Витрувий даже называет его изобретателем водяных часов.
Сохранились сообщения о двух изготовленных Ктесибием часах, которые ввиду своих особых достоинств заслуживают хотя бы краткого описания. В часах, приводимых в действие водяным колесом, Ктесибий использовал передачу сил и движения зубчатым механизмом, проект которого теоретически наметил еще Аристотель (якобы в IV веке до н. э.). Зубчатая передача соединяла ведущий механизм со шкалой, расположенной на цилиндрической поверхности поворотной колонны и разделенной вертикальными прямыми на четыре основных поля. Система из 24 наклонных линий образовывала, собственно говоря, часовую шкалу для измерения планетных часов. Колонна со шкалой, приводимая водяным колесом, вращаясь вокруг своей оси, совершала один оборот в год. Поэтому и камеры водяного колеса в нижней части часов заполнялись водой медленно, причем вода подавалась в небольшом количестве по особому трубопроводу. Статуэтка со стрелкой двигалась с помощью специального поплавкового механизма, управляемого другой статуэткой, находящейся на другой стороне часов. Слезы — водяные капли, — капающие из глаз статуэтки, накапливались в сборники-подставки, откуда через трубопровод текли в поплавковую камеру стрелочного механизма. Кроме того, эти часы имели еще специальное устройство, которое через определенные интервалы выбрасывало на чашку мелкие камешки; это было звуковой сигнализацией.
Вторые часы Ктесибия отличались от первых тем, что их стрелка в верхней части с циферблатом управлялась поплавком, подвешенным на цепи, навернутой вокруг вала стрелочного указателя. Лунный календарь с зодиаком в нижней части часов тоже приводился в движение водяным колесом, камеры которого были закреплены непосредственно на задней стороне зодиаковой плиты.
По синусоиде А. М. Жабинского время этих изобретений приходится на линию № 8, реальный XVI век. И в самом деле, такие часы были сделаны и описаны в сочинении «De solaribus horologies», изданном в Париже в 1560 году.
К произведениям высшего художественного творчества бесспорно относятся бронзовые водяные часы, изготовленные в период 799–807 годов, которые Гарун-аль-Рашид послал в подарок Карлу Великому. Эти часы с богатыми орнаментальными украшениями имели циферблат, и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара, который выскакивал из часов на декоративную решетку, а в полдень в часах открывались ворота и из них выезжали рыцари. Подобная техника автоматических движущихся фигур была развита в Европе много позднее — в период готики, со второй половины XII века. А кстати рыцари, как сословие, со всеми присущими им атрибутами, появились не раньше XI века.
В Индии водяные часы назывались «яла-янтра». Это были преимущественно часы «истечения» с небольшим отверстием в дне. При восходе Солнца их заполняли водой, которая затем вытекала, так что до вечера процесс заполнения и истечения воды повторялся пять-шесть раз.
Арабский инженер Аль-Язари написал в 1206 году книгу, в которой описал различные механизмы. В шести из десяти глав книги он описывает водяные часы с различными фигурными элементами, а в остальных главах знакомит читателей с некоторыми видами огневых свечных часов. Аль-Язари предпочитал фигурное изображение времени, в отличие от последующих конструкторов, которые перешли на цифровые индикаторы. Указательный механизм водяных часов Аль-Язари состоял из скульптурных изображений четырех павлинов: старый павлин, два молодых павлина и над ними пава. Эта фигурная часть дополнялась сверху 15 стеклянными шарами.
Как же работал механизм управления павлинами? Вода вытекает из бака в сосуд, закрепленный в подвеске так, чтобы после его наполнения он в определенный момент опрокинулся, причем его содержимое переливалось бы в нижнюю ванну и текло бы оттуда на лопасти водяного колеса. Водяное колесо приводит в движение передаточный механизм, соединенный с павлином, и он начинает свое движение. От воды действует и звуковой механизм флейт, и приводное устройство молодых павлинов. Водяное колесо отклоняет с помощью тяг павлинов от их первоначальных положений, а вода, вытекающая из ванны под водяным колесом в нижний бак, выжимает из него воздух на язычок флейт.
Это описание дает представление об остроумии авторов и сложности приборов, которые арабский мир знал намного раньше, чем подобные элементы появились в Европе.
Огневые часы
Помимо солнечных и водяных, с начала XIII века появились и первые огневые, или свечные часы. Это тонкие свечи длиной около метра с нанесенной по всей длине шкалой. Они сравнительно точно показывали время, а в ночные часы еще и освещали жилища церковных и светских сановников, в том числе таких правителей, какими были в середине XIII века Людовик Святой, а в XIV веке — Карл V. К боковым сторонам свечи иногда прикрепляли металлические штырьки, которые по мере выгорания и таяния воска падали, и их удар по металлической чашке подсвечника был своего рода звуковой сигнализацией времени.
В течение целых столетий также и растительное масло служило людям не только для питания, но и в качестве светильного материала, и как основа для масляных лампадных часов. Как правило, это бывали простые лампады с открытой фитильной горелкой и со стеклянной колбой для масла, снабженной часовой шкалой. Объем колбы подбирали так, чтобы ее содержимого хватило для непрерывного свечения между 6 часами вечера и 8 часами утра. Толщиной и длиной горящего фитиля регулировали величину пламени и расход масла так, чтобы понижение уровня масла в колбе соответствовало нанесенным на нее обозначениям времени.
Первоначальные цилиндрические или слегка выпуклые стеклянные сосудики под масло были источником некоторой погрешности в измерении времени. Дело в том, что вечером из-за более высокого уровня масла его давление вызывало более быстрое выгорание, чем ближе к утру. Поэтому лампадные часы более позднего происхождения имели стеклянную колбу в виде расширенной кверху груши, чтобы таким образом хотя бы частично выровнять скорость сгорания масла и обеспечить точность определения времени.