История часов как технической системы. Использование законов развития технических систем для развития техники

У простых водяных часов, когда из верхнего сосуда вода вытекала в нижний, был недостаток – вода вытекала неравномерно из-за того, что уровень понижался и давление снижалось. И, как следствие, трудно было определять время, трудно разметить шкалу. Чтобы избежать этого была придумана новая конструкция часов. Водяные часы могли регулировать «течение времени», при конструкции «конус в конус». В этой конструкции выполнено согласование формы сосуда и скорости истечения воды (это реализация закона согласования-рассогласования). Такие конструкции появились в Александрии в III веке до н.э.

Со временем появились и более сложные конструкции, в которых появился циферблат, более наглядный и, как следствие, более удобный для использования. Но для этого древним конструкторам пришлось научиться переводить линейное перемещение в круговое. Так появился шток с зубчатой передачей и зубчатое колесо (реализация закона развертывания технической системы) (Илл. 7.).

Илл. 7. Водяные часы с циферблатом

Вероятно, с римских времен, от водяных часов пошли выражения «Ваше время истекло», «Время течет как вода между пальцами».

Позднее конструкции стали еще более сложными, а хранителями времени стали религиозные деятели. Почему? Об этом чуть позднее.

Илл. 8. Реконструкция пагодных астрономических часов, Китай, XI В.

Религия в то время играла решающую роль в жизни общества, и все инновации внедрялись в храмах, подчеркивая божественность происходящего (Илл. 8). Касалось это и часов, которые помогали определять время молитвы. Впрочем, такие часы не стали слишком распространенными. И после появления механических часов они, постепенно, отошли в прошлое.

Оригинальное решение нашли китайцы и индусы, которые при изготовлении водяных часов использовали прием «инверсия». Не заставляли воду вытекать из сосуда, а сделали наоборот – помещали полушаровидный сосуд в бассейн и ждали, пока сосуд наполнялся водой, через тонкое отверстие. Такие часы не зависили от уровня наполнения водой верхней емкости, а значит имели более высокую точность (Илл. 9).

Илл. 9. Восточные водяные часы

2.3. Песочные часы

(третье поколение приборов для измерения времени)

Даты появления песочных часов не знает никто, хотя можно предполагать, что они были известны в Азии еще до нового летоисчисления.

Однако, только в Х веке нашей эры появились первые документы, в которых делаются предположения, что именно в это время впервые построены такие часы. А первое документальное упоминание о песочных часах относится к еще более позднему времени, к 1339 году. Это было сообщение о технологии по приготовлению песка для песочных часов.

Почему же внедрение песочных часов задержалось почти на тысячелетие?

Дело в том, что на внедрение новой системы оказывает существенное влияние уровень развития техники. Для создания песочных часов необходимо было наличие прозрачного стекла. А появилось такое стекло только в IX веке. И только с появлением прозрачного стекла стало возможным изготовление песочных часов (Илл. 10.).

Несмотря на достаточно позднее появление песочных часов, они быстро завоевали рынки. Причиной тому была их простота и удобство использования, по сравнению с водяными часами, а также более высокая точность, по сравнению солнечными часами. Быстрое внедрение песочных часов стимулировала нарастающая Потребность в точном измерения времени, которое требовала как общественная жизнь, так и развитие технологий. Технология работы с прозрачным стеклом была уже достаточно развита, поэтому изготовление стеклянного корпуса для часов уже не представляла затруднений. Технология подготовки песка также не вызывала проблем.

Илл. 10. Песочные часы

С тех пор, технология изготовления песочных часов не менялась, как и их конструкции в течении нескольких столетий. Однако, на этой системе очень хорошо видна закономерность захвата типоразмерного ряда. Часы делали рассчитанными на самое разное время, в зависимости от потребности. Обычно эти часы были рассчитаны на несколько минут, но бывали и часы, рассчитанные на 12 часов. Делали песочные часы, рассчитанные на другое время. Так, например, долгое время специализированные песочные часы применялись в морском деле – на кораблях применялись 4-х-часовые песочные часы для определения времени вахты и 30-секундные песочные часы, для определения скорости корабля (Илл. 11.).

Илл. 11. Набор корабельных склянок (песочных часов) XVIII века

И хотя песочные часы были намного точнее, чем водяные или солнечные, их основным недостатком была недостаточная точность. И повысить точность в рамках данной концепции было невозможно. Для решения нужна была новая концепция часов.

S-кривая развития песочных часов закончилась с появлением более точных механических часов. Однако песочные часы остались в ряде зон, где их использование оказалось более удобным, а особая точность не нужна. Особенно интересно превышение таких часов в тех случаях, когда нужна наглядность. Часто у детских врачей при проведении процедур время показывают именно песочные часы, что очень нравится детям.

3. Появление механических часов

С развитием науки и техники появились новые возможности по созданию инструментов для измерения времени. Появились механические часы. Это уже четвертый принцип действия часов, четвертая S-кривая.

Все началось с гиревых часов, точнее с создания механизма генерации автоколебаний под действием силы тяжести.

3.1. Гиревые часы

(четвертое поколение приборов для измерения времени)

Нет доставерных данных о том, кто придумал механические часы. Но есть предположение, что идея создания механических часов принадлежит монаху Герберту из Ориллака, ставшему впоследствие римский папой Сильвестром II (950—1003).

Зато точно известно, что первые механические башенные часы были построены англичанами в Вестминстерском аббатстве в 1288 году. С тех пор началось победоносное шествие механических часов в Европе.

За счет какой энергии работают гиревые часы? Колебания в этих часах поддерживаются периодическим подталкиванием зубцов храпового колеса, соединенного с висящей гирей. Именно гиря и обеспечивает энергией автоколебательный процесс. Неизменный вес гири и обеспечивает стационарность процесса, а работа внешних сил груза компенсирует потери механической энергии на трение в системе (Илл. 12).

Илл. 12 Схема работы гиревых башенных часов

Сначала появился самый простой часовой механизм на механическом принципе. В нем было всего три зубчатых колеса. Этого оказалось достаточно, чтобы создать автоколебательный процесс, при котором работает однострелочный циферблат. В ТРИЗ такая минимально работоспособная система называется функциональный центр. Чтобы появилась минутная стрелка, понадобилось еще одно зубчатое колесо (в терминах ТРИЗ – это уже развертывание системы). Впрочем, все это было намного позднее. А первые часы были без стрелок.

В то время религия играла большую роль в жизни людей. И большая часть общественной жизни проходила с ее участием. А главной потребностью у церкви в годы было своевременно собирать людей на службу и другие собрания. Именно поэтому проблема определения времени так волновала церковных деятелей. Именно поэтому первые часы стали устанавливать в церквях.

Сначала часы просто устанавливались в церквях, чтобы вовремя приглашать прихожан к службе. Но потом стали устанавливать на башнях, чтобы жители города могли следить за временем, и вовремя собираться на городские собрания. Но как информировать о времени людей которые не могуг видеть часы? Ведь стрелок с циферблатами еще не было.

И тогда часовщики вспомнили о ресурсе, который уже был в храмах – колоколе! Часы объединили с колоколом. Так появилась очень удобная би-система – часы на башне стали отбивать время так, что даже не глядя на башню человек мог слышать, сколько раз бьют часы, а значит узнать время.

Впервые о таких часах с боем написал флорентийский писатель Данте Алигьери. Именно такие часы были установлены на колокольне башни собора Святого Марка в Венеции в 1493 году. Созданы они были известным часовщиком Джаном Карло Ренье. Эти часы не имели циферблата и лишь звучали в определенное время. Это было время молитвы или бой через определенные интервалы времени.

Позднее система колокольного перезвона усложнилась, а колокольный перезвон стал искусством. На колоколах научились играть мелодию. А еще через некоторое время люди разработали техническую систему, что часы на башне выбивали мелодию на колоколах. Часы усложнились, но стали эффективнее – это была уже совсем другая техническая система – часы с возможностью играть музыку.

Достаточно быстро часовщики вспомнили удобство наглядности, свойственной солнечным часами и по аналогии с циферблатом солнечных часов, придумали циферблат с часовой стрелкой. Это было несложно поскольку вращение уже было в механизме генерации автоколебаний, и достаточно было установить зубчатое колесо уже чтобы установить часовую стрелку. Так появились башенные гиревые часы с часовой стрелкой.

Сначала часы строились только в храмах, спустя два-три столетия гиревые часы перестали быть атрибутом только башен и церквей. С развитием технологий работы с металлом, в XIV – XV веках они стали компактнее, после чего были созданы первые напольные и настенные часы. Но даже настенные часы были очень тяжелыми. И кроме этого они приводились в действие с помощью груза, который надо было подтягивать каждые 12 часов.

Однако, налицо прорыв в технике вызвал прорыв в рынках для часов – новые гиревые часы можно было устанавливать в домах состоятельных людей. По своей конструкции они полностью копировали большие башенные часы, но были миниатюрнее. В этих системах прослеживается реализация двух тенденций развития технических систем:

– миниатюризация технической системы и,

– развертывание типоразмерного ряда.

С развитием технологии механической обработки металлических деталей часов, появления специальной оснастки и инструментов для изготовления, они становились дешевле. С удешевлением часы становились доступными все более и более широкому кругу лиц (реализация тенденции удешевления технических систем).

К сожалению, несмотря на несомненные преимущества перед песочными часами, новая конструкция была несовершенной, а точность зависела от величины массы груза, «смазанности» механизма и других причин и плохо поддавалась регулировке. И хотя точность гиревых часов были точнее всех предыдущих видов часов (солнечных, водяных и песочных), скоро и ее стало не хватать. Нужна была конструкция более точных часов.