Определить время появления таких часов сложно, однако можно сказать наверняка, что произошло это не раньше, чем научились производить в достаточном количестве стекло.
Больше всего лампадных часов было в Китае, который вообще считается колыбелью всех видов огневых часов. Помимо всякого рода лампадных часов тут в более позднее время появились газосветные часы, которые китайцы полюбили настолько, что некоторые их типы сохранялись вплоть до ХХ века. До сих пор в Китае рассказывают, что примерно 3000 лет назад Фо-хи, «отец Китая» и его первый император, создал первые огневые часы, чтобы с их помощью измерять дневное и ночное время.
Существовал и другой тип огневых часов, так называемые фитильные. Их главной частью был фитиль в виде длинной металлической палочки, покрытой слоем дегтя с деревянными опилками. Жар тлеющих опилок, подожженных на одном конце палочки, постепенно пережигал тонкие, поперечно натянутые волокна, с подвешенными к ним шариками, которые падали в металлическую чашку. Иногда фитиль сворачивали в спираль, форма которой уже сама по себе заменяла часовую шкалу.
Наиболее типичные для Китая фитильные часы имели форму дракона, в хребте которого укреплялся специальный держатель для палочки. Скорость сгорания фитиля зависела от многих обстоятельств, и для определения ее требовался большой опыт. Такие часы никогда не относились к приборам, которые по точности можно было бы сравнить с солнечными или водяными часами. Причем наличие всех этих часов в Китае не дает никакой хронологической отметки, и во всяком случае не означает их древности.
Дата возникновения первых песочных часов тоже неизвестна. Но и они, как и масляные лампадные, появились не раньше, чем прозрачное стекло. Считается, что в Западной Европе о песочных часах узнали лишь в конце Средневековья; одним из самых старых упоминаний о них является сообщение от 1339 года, обнаруженное в Париже. Оно содержит указание по приготовлению тонкого песка из просеянного порошка черного мрамора, прокипяченного в вине и высушенного на солнце.
Несмотря на то, что песочные часы появились в Европе столь поздно, они быстро распространились. Этому способствовали их простота, надежность, низкая цена и не в последнюю очередь возможность измерять с их помощью время в любой момент дня и ночи. Их недостатком был сравнительно короткий интервал времени, который можно было измерить, не переворачивая прибора. Обычные часы были рассчитаны на полчаса или час, реже - на 3 часа, и лишь в совершенно редких случаях строили огромные песочные часы на 12 часов хода. Не давало улучшения и соединение нескольких песочных часов в одно целое.
Как и огневые, песочные часы никогда не достигали точности солнечных. Кроме того, при длительном пользовании ими их точность изменялась, поскольку зерна песка постепенно дробились на более тонкие, а отверстие в середине диафрагмы, наоборот, постепенно истиралось и увеличивалось, так что скорость прохождения песка через них становилась большей.
Солнечные, водяные и огневые хронометрические приборы завершили первую фазу развития хронометрии и ее методов. Постепенно выработались более четкие представления о времени и стали изыскиваться более совершенные способы его измерения. Революционным изобретением, ознаменовавшим совершенно новые этапы развития в этом направлении, было создание первых колесных часов, с появления которых началась современная эра хронометрии.
Автор и дата изобретения механических часов неизвестны. Из некоторых сообщений Х века делаются предположения, что именно тогда впервые построил такой механизм монах Герберт из Ориллака, будущий римский папа Сильвестр II (950–1003). Действительно, в технике он был большим талантом, к тому же имел возможность во время своих учебных поездок знакомиться с принципами построения различных арабских астрономических приборов и водяных часов. И все же вывод о создании Гербертом механических часов не имеет достаточных оснований, и вот почему.
Во-первых, арабы были весьма искусны в изготовлении водяных часов, и часы Герберта тоже могли быть водяными. Ведь содержащийся в документах термин «хорология» (horologium) относился тогда ко всякого рода приборам для измерения времени. Во-вторых, в дальнейшем не было упоминаний о достижении Герберта или о том, что его идею кто-либо развивал при его жизни или после нее.
Кстати, именно Герберт ввел в Европе «арабские» цифры.
Большинство историков видят преемственность: ведь и в самом деле механические часы стали результатом усложнения механической части водяных, в которых применялись уже циферблат, колесная передача, механизм боя, марионетки, разыгрывающих различные сцены… Разница была в движущей силе: в одном случае струя воды, в другом - тяжелая гиря. Недоставало только механического спускового устройства и регулятора хода.
Автор шпиндельного спуска («сторожка»), который через определенные промежутки времени прерывает движение часового механизма, неизвестен.
Обычно историки ссылаются на механизм, чертеж которого приведен в альбоме французского архитектора Вилларда де Оннекура, как на первое упоминание спускового устройства для регулирования хода часов: он описал (приблизительно в 1250 году) грубое устройство, позволявшее фигурке ангела всегда показывать рукой на солнце. Этот механизм, как полагают многие, не был изобретен Виллардом; скорее всего, он познакомился с ним и срисовал его во время своих путешествий. К тому же нарисованный в альбоме Вилларда механизм все-таки мало напоминает шпиндельный спуск.
Примитивное спусковое устройство Вилларда де Оннекура: а - общий вид: б - спусковое устройство
Как видно из эскиза этого устройства, здесь в качестве движущей силы применена гиря, подвешенная на конце веревки, обмотанной вокруг оси колеса. Падение гири и относительно равномерное вращение вертикального стержня, на котором на подставке укреплена фигура ангела, регулировалось колебанием колеса взад и вперед. Период колебания обусловливался многими факторами, включая момент инерции, трение в опорах, силы, действующие на веревку.
С другим, несколько более поздним сообщением о механических часах встречаемся в «Божественной комедии» («Рай», песнь X) Данте Алигьери (1265–1321):
И как часы, которых бой знакомый
Нас будит в миг, как к утрене встает
Христа невеста звать нас в божьи домы,
Часы, где так устроен ход,
Что звук: динь-динь как звуки струн на лире.
В песне XXI «Рая» читаем:
И как в часах колеса с их прибором
Так движутся, что чуть ползет одно,
Другое же летит пред взором…
Но и в этих стихах речь может идти о сложных водяных часах, а не о механических.
Поэтому остается нам, оставив надежду на определение автора и точной даты, констатировать только одно: кто-то неизвестный и в неизвестное время - вероятно, в конце XIII века, изобрел шпиндельный ход и сделал возможным появление механических часов. И этот ходоставался затем в употреблении в течение пяти с половиной веков. Самая же ранняя дата, которую можно достоверно назвать, говоря о применении шпиндельных механических часов, относится приблизительно к 1340 году или несколько позже (с точностью до нескольких лет). С тех пор они быстро вошли в общее употребление и стали предметом гордости городов и соборов. В 1450 году появились пружинные часы, а к концу XV столетия - переносные часы, но еще слишком крупные, чтобы их можно было назвать карманными или наручными.
Известны весьма старинные французские и английские башенные часы простого устройства с боем, но без циферблата. Английское слово clock - часы, происходит от латинского clocca; другим его эквивалентом является саксонское clugge, французское cloche и древнегерманское (тевтонское) glocke, но первоначально все эти слова обозначали не часы, а колокол.
Производство железных башенных часов начинается с английских Вестминстерских часов 1288 года. Следующее сообщение от 1292 года говорит о часах храма в Кентербери, далее есть сообщения о часах, построенных в 1300 году во Флоренции. На 14 лет позднее появились часы в Каннах, в 1340-х годах - в Модене и Падуе, в бельгийском Брюгге и английском Дувре. В 1352 году построены монументальные куранты в кафедральном соборе Страсбурга, четырьмя годами позже - башенные часы в Нюрнберге, в 1370 году такие же в Париже, в 1381 - первые подобные в Базеле и, наконец, в 1410 году появились такие часы в Праге, ставшие основой позднейших пражских курантов.
Сохранились, конечно, и другие сообщения о строительстве часов, но они не вполне обоснованны. По одному из таких сообщений, башенные часы с боем изготовил Висконти в 1335 году для костела Беата Вирджинни (ныне Сен-Готард) в Милане. По другим данным, Генри де Вик из Поррэна изготовил около 1370 года башенные часы с боем для королевского дворца Карла V.
Результатом применения механических часов стал переход по всей Европе от церковных канонических часов, неравных по времени года, к равным часам нашей современной системы исчисления времени. Изменение было радикальным, а потому переход совершался постепенно, по мере распространения в городах башенных часов. Французский король Карл V первым сделал шаг к этой реформе. После установки дворцовых башенных часов де Вика он приказал всем церквам Парижа отбивать по ним часы и четверти часа. Так как на этих часах время отсчитывалось в равных промежутках, новый порядок исчисления времени распространился не только в Париже, но постепенно и в европейских странах.
Сутки сначала подразделяли на 24 часа, считая от одного заката солнца до другого. Окончание дня отмечалось 24 ударами колокола, и такой порядок счета времени в некоторых местах сохранялся до 1370 года. Затем начался постепенный переход к подразделению суток на две равные половины, каждая по 12 часов, с отсчетом от полуночи до полудня и обратно - от полудня до полуночи. Теперь не стало надобности отбивать время двадцать четыре раза - хватало двенадцати раз. Переход на этот, более рациональный счет времени происходил в различных странах Западной Европы не одновременно; счет времени от 1 до 24 часов, начиная с часа восхода Солнца, дольше всего сохранялся в Италии и в некоторых городах Германии.
Часы одинаковой продолжительности называли «городским временем». Однако и при новом счете часы продолжали соразмерять и контролировать по истинному солнечному времени; это делали до появления маятниковых часов.
Помимо унификации дилтельности часа, вторым и долгосрочным результатом изобретения часов стал прогресс в механике. Очевидно, например, что зубчатые колеса столь широко распространились в технике во многом благодаря изобретению часов.
Самым старым документом о механических часах, содержащим описание и чертеж, и опубликованном в 11 различных рукописях (из которых по крайней мере одна исходит непосредственно от автора часов), является, по всей видимости, сообщение об «астрарии» - астрономических часах, которые после 16 лет труда закончил в 1364 году профессор астрономии и медицины Джиованни де Донди для Палаццо дель Капитане в Падуе. Эти часы показывали движение Солнца, Луны и пяти планет, содержали в себе вечный календарь и давали возможность определять звездное и среднее солнечное время; они были известны далеко за пределами Италии, доставили Донди большую славу при жизни и обессмертили его имя.
У часов Джиованни Донди рама была изготовлена из бронзы, а валы, колеса, циферблат - из латуни. Из 297 частей этих часов 100 составляли колеса и шестерни, зубцы которых были нарезаны вручную. Зубцы были треугольной формы, но для различных астрономических зубчатых передач употреблялись тупые зубья - округленные, со срезанными краями. Для воспроизведения движения Луны нужно было иметь колесо со 157 зубцами, нарезка которых представляла задачу весьма трудную. Не менее трудной была нарезка на одном колесе 365 зубцов.
В 1529 году эти знаменитые часы испортились и остановились. После долгих поисков нашли часовщика, который сумел их восстановить, это был Джуанелло Турриано (1500–1585). Современники провозгласили его гением, ибо он сам сумел создать астрономические часы сложнейшей конструкции. Для их устройства потребовалось 1800 колес, с помощью которых воспроизводилось 30-дневное движение Сатурна, часы дня, годичное движение Солнца, движение Луны, а также всех планет в их «обычном движении» соответственно птолемеевой системе мироздания. По свидетельству современника, Джуанелло потратил двадцать лет только на предварительную разработку проекта своих часов.
Он же известен как строитель водопровода, который считался одним из величайших технических чудес XVI века.
В башенных часах впервые нашли применение сложные многоступенчатые колёсные передачи - кинематические цепи с большими передаточными отношениями, а также кулачковые и храповые механизмы и муфты. В XIV–XVII веках более сложного технического объекта, чем башенные часы, не было. Они по количеству, разнообразию и точности механизмов, подлежащих монтажу, превосходили любые технические объекты того времени.
Часовое дело требовало знания важнейших кинематических соотношений, например числа оборотов колес и трибов (колесо с осью) при определенном количестве зубцов колес и трибов. Возникла необходимость в разработке кинематики механизмов. Зубчатыми передачами заинтересовался Леонардо да Винчи. Джеронимо Кардано (1501–1576), занимаясь часовыми механизмами, также уделял внимание кинематике зубчатого зацепления.
Весьма привлекательной частью башенных часов, кроме движения разнообразных по назначению стрелок, было наличие затейливых фигур, совершающих движение по определенной программе и весьма оживляющих часы. Затем, циферблаты часто располагались на всех четырех сторонах башни, и на всех циферблатах стрелки должны были показывать одно и то же время. Это достигалось путем устройства соответствующей колесной передачи, соединенной с часовым колесом и позволявшей одновременно перемещать стрелки часов на одно деление на всех четырех циферблатах.
Самую раннюю историю механических часов индивидуального пользования невозможно восстановить с полной достоверностью. Но есть основания утверждать, что часы такого рода появились почти сразу по изобретению механических часов, то есть в конце XIII или в начале XIV века, в жилищах итальянских князей и во дворце Филиппа IV Красивого во Франции. В описи имущества последнего упоминаются комнатные часы с двумя свинцовыми гирями.
Другое упоминание об индивидуальных часах имеется в поэме «Роман о Розе» Жана де Мена, написанной в XIII веке. В четверостишии, относящемся к часам, говорится:
«И тогда он заставил часы звонить в своих залах и в своих комнатах посредством хитроумно изобретенных колесиков, двигающихся непрерывно».
Большим недостатком комнатных часов XV века была величина колес: некоторые были таких размеров, что выступали за раму.
В XV–XVI веках механические часы стали применяться в астрономических обсерваториях. В 1471 году астроном и математик Региомонтан поселился в Нюрнберге и вместе с Бернгардом Вальтером, меценатом и любителем астрономии, построил обсерваторию, снабженную превосходными инструментами, которые были изготовлены выдающимися нюрнбергскими механиками. Здесь в 1484 году впервые были применены к астрономическим наблюдениям механические часы, приводимые в действие гирей.
В середине XVI века в некоторых больших часах появляется минутная стрелка, а иногда и секундная. Примерно в то же время входит в употребление будильник. Тогда же наметилась широкая потребность в часах индивидуального пользования, в XVII веке спрос на них возник не только среди знати, но и среди буржуазии, а особенную потребность в надежных небольших часах высказывали мореходы. Однако удовлетворить спрос стало возможным лишь после применения в часах ходовой пружины.
Явление упругости было невозможно обнаружить при изучении физических свойств камня и возведенных из него сооружений. Свойство упругости рельефно проступает лишь при функционировании конструкций из стали. Теперь на это обратили внимание, и именно из стали многими учеными-механиками XVII века были впервые изготовлены пружины для часовых механизмов.
С этого момента в области часового дела начался действительный прогресс и значительное распространение часов среди широкого круга горожан. Первые переносные механические часы изготовил, по всей вероятности около 1510 года нюрнбергский слесарь Петр Генлейн, когда он заменил гирю плоской спиральной пружиной. Так пружинный привод часов, принцип которого был заимствован от механизмов движущихся фигур-автоматов XIII века, открыл путь к миниатюризации часов. Однако задача создания точных часов для нужд мореплавания еще долго не была решена.
Попытки создать механические часы для кораблей предпринимались уже в 1530 году. Но часы с балансовым шпиндельным спуском не обеспечивали достаточно точного хода в условиях морской качки. Первым шагом к созданию надежных часов стало включение в их механизм маятника в качестве регулятора. В 1581 году Галилео Галилей (Италия) открыл, что период колебаний маятника с небольшим размахом не зависит от амплитуды этого размаха. В 1641 году он сконструировал маятниковые часы для использования в навигации, а после его смерти их частично построил его сын.
Гюйгенс (Голландия) посвятил работе над маятниковыми часами около двадцати лет своей жизни, пытаясь приспособить их к нуждам мореплавания. Он дополнил их многими ценными приспособлениями, и начиная с 1657 года создал несколько часов повышенной точности. Но все его попытки, как и усилия многих других механиков, не приводили вплоть до 1726 года к достижению основной цели: заставить маятник правильно качаться в условиях качки судна.
Мы видим, что механические часы развивались стараниями сотен людей - ученых, механиков, слесарей в течение долгого времени, не менее чем пяти веков. Профессия часовщика стала очень почетной. Цех часовщиков образовался в Париже ещё в 1453 году, но только через столетие (в 1544) получил свой первый статут, утвержденный декретом короля; тогда имелись уже три категории часовщиков: специалисты по башенным часам, специалисты по настольным часам и будильникам и специалисты по изготовлению пружинных переносных часов.
Большинство изобретателей машин в XVIII века были часовщиками или были близко знакомы с устройством часов. Увлечение в XVII и XVIII веках часами определялось не только тем, что они имели широкое практическое применение, но и тем, что они заключали в себе принцип автоматизма, который стали переносить на различные объекты фабричной техники.
Часы являются чрезвычайно важной «машиной» как с точки зрения механической, так и социальной. В середине XVIII века, еще до наступления индустриальной революции, они стали уже весьма совершенными и точными. Как первый автомат, примененный для практических целей, и как образец точности, часы неизменно привлекали внимание всех изобретателей. В их устройстве искали ключ к решению многих технических вопросов.
Уже Коперник находил возможным, по аналогии с часами, судить об устройстве мироздания. Философы XVII века стали прибегать для объяснения механической закономерности физического мира к сравнению ее «с искусственными механизмами, сделанными рукой человеческой»: нередко Вселенную сравнивали с затейливым механизмом страсбургских часов.
Можно констатировать, что распространение башенных часов и нового счета времени было прямым следствием развития торговли и ремесел в городах Западной Европы в XIV веке. Развитие экономики усиливало мощь и значение этих городов и способствовало переходу инициативы из рук духовенства к светскому обществу или секуляризации общества. Но само появление часов ускорило технический прогресс, и, кстати, дало новый товар торговле.
Ускорение прогресса
Появление новых средств передвижения, надежной навигации, производство товара в массовом количестве привели к началу так называемой «торговой революции», наступившей в последние столетия средних веков. Здесь опять все закономерно. Прогрессивные методы хозяйствования дали большее количество прибавочного продукта. Больше прибавочного продукта - больше людей, свободных от производства пищи.
В доисторические времена пахали сохой без колес, которую сам пахарь поддерживал на нужной высоте и под нужным углом. Соха давала неровную борозду, но даже и для этого пахарю приходилось прилагать огромные усилия. В отличие от современного плуга, который отрезает стерню и переворачивает ее, соха просто царапала почву. Таким первобытным орудием, только оснащенным железным лемехом, в странах Средиземноморья пользовались очень долго. Для обработки мягкой почвы она еще как-то годилась, но для твердого грунта на большей части северной и западной Европы была просто бесполезна.
Варварские племена, населявшие территорию между Данией и Баварией, изобрели значительно более производительный тяжелый плуг, который разрезал и переворачивал стерню. Новый плуг получил с VI столетия широкое распространение в Европе. В своем окончательном виде он был снабжен вертикальным ножом, разрезавшим почву, лемехом, подрезавшим пласт, отвалом, переворачивавшим этот пласт, и колесами, позволявшими пахарю вести более ровную борозду и облегчавшими его труд, делая ненужным поддержку плуга руками на нужной высоте. Неясно, когда плуг оснастили всеми этими приспособлениями. Колеса в общий обиход вошли лишь с XI столетия, отвал был изобретен, видимо, еще позже.
К XIII веку последовательное усовершенствование плуга придало ему почти современный вид. Помимо более производительного переворачивания почвы, этот плуг позволял проводить борозды, чередующиеся с гребнями, что улучшало дренаж и позволяло возделывать плодородные почвы на низменностях. Резко повысилась урожайность продовольственных культур. Избыток питания освободил людей для других занятий - ремесла, торговли и изобретательства.
Стало больше материальных ценностей, техники, производственных помещений, - понадобились сырье и новые устройства для его переработки. Новые устройства требуют неких специальных комплектующих, которых начинает не хватать. Нехватка комплектующих требует развития торговли. И всему, в том числе самой торговле, нужны новые технические решения.
Однако мировая торговля, превратившаяся в двигатель культуры и цивилизации, сама по себе вовсе не самодостаточна. Византия, оседлав основные торговые пути, не испытывала дефицита в ресурсах, и жила за счет торговой прибыли, пренебрегая вложениями в производство. В конце концов, из-за этого началось ее технологическое отставание от Европы, жители которой, не имея возможности самостоятельно обеспечивать себя всем необходимым, начали ввозить сырье и продукцию из всех стран мира. А это дало сильный толчок росту промышленности, а вместе с ней и развитию все более мощных машин, причем энергия воды, ветра и тягловая сила животных оставались основой всех крупных механизмов вплоть до XVIII столетия, когда перешли к использованию энергии пара.
Итак, средневековое изобретательство и торговля положили реальное начало развитию нашего современного мира машин.
Поскольку среди предметов первой необходимости, интересующих торговлю, непосредственно за продовольствием идет одежда, постольку вполне естественно, что в эту эпоху коренным образом должны были измениться и текстильные машины. Раньше ткацкий станок был примитивным легким устройством, состоящим из ряда связанных или скрепленных между собой, а иногда просто воткнутых в землю прутьев, почти без всяких механических приспособлений, облегчающих труд ткачей.
Теперь он превратился в прочную станину, снабженную вальцами (делавшими ткачество непрерывным процессом), подвесным бердом(он обеспечивал плотную и регулярную прибивку уточины педальными ремизками) и многими другими приспособлениями. Это уже была сложная машина, по сравнению с которой древний ткацкий станок выглядел детской игрушкой. В Европе такой почти совершенный станок появился в XIII столетии.
Улучшения в производстве тканей требовали улучшений в производстве нити. Веретено, каким его знали пряхи самых древних времен, претерпело коренные изменения, которые увенчались изобретением прядильного станка. Затем процессы кручения и перематывания шелка (возможно, по образцу византийских станков конца XI века) были механизированы в Болонье в 1272 году. В XIV веке такой станок с водяным колесом в качестве привода стал весьма производительным и под присмотром двух-трех мастеровых заменял труд прежних нескольких сотен рабочих. Именно производство шелковой нити сделало возможным быстрое развитие мануфактурного прядильного производства.
При производстве льняной, бумажной и шерстяной пряжи столь же быстрый рост был невозможен, так как здесь в непрерывную нить приходилось скручивать короткие волокна. Но изобретатели превратили простое веретено в прядильное колесо, которое еще пару столетий назад можно было встретить во всех деревенских домах. На первых порах его использовали только для наматывания на катушку нити, которую уже скрутили примитивным веретеном. Но уже к 1280 году колесо начали применять для прядения, а в XIV столетии оно получило широкое распространение.