Первые устройства для измерения времени были созданы еще в Древнем мире. Они представляли собой колышек, вбитый в землю, освещенную солнцем. Такое устройство называли солнечными часами. Однако подобный способ определения времени не всегда являлся действенным, так как солнце имеет обыкновение периодически скрываться за облаками.
Изобретение песочных часов стало следующим шагом на пути совершенствования прибора, используемого для определения времени. Дата их точного создания неизвестна, однако ученые предполагают, что принцип действия песочных часов был известен в Азии задолго до нашего летоисчисления. В Европе они появились лишь в конце Средневековья. Одно из самых первых упоминаний о песочных часах было обнаружено в Париже, в документе, датированном 1339 годом. В нем содержался способ приготовления тонкого песка из порошка черного мрамора, который нужно прокипятить в вине и высушить на солнце.
Песочные часы довольно быстро приобрели популярность в европейских странах благодаря тому, что с их помощью время можно было измерять в любое время суток. К тому же они отличались сравнительно простым устройством, надежностью и имели низкую цену. Первоначально часы рассчитывались на работу в течение получаса или часа. За тем появились часы, рассчитанные на действие в течение 3 и даже 12 часов.
Можно добавить, что точность песочных часов зависела от многих составляющих, в частности от качества песка. Чаще всего использовался предварительно обожженный тонкозернистый песок, многократно просеянный через тончайшее сито и тщательно просушенный. Кроме песка, для часов использовали молотую яичную скорлупу и цинковую или свинцовую пыль. Точность зависела также от формы колб, от гладкости их внутренней поверхности, от равномерности прохождения песка через отверстие в горлышке и от сыпучести самого песка. Самым лучшим считался свинцовый песок, так как даже при длительном использовании он меньше нарушал гладкую поверхность внутренних стенок колбы.
Но все же песочные часы никогда не достигали такой точности, как солнечные, а при длительном использовании их точность нарушалась, так как зерна песка измельчались, а отверстие в середине диафрагмы постепенно увеличивалось от трения, и скорость прохождения песка увеличивалась.
Первые циферблаты с перемещающейся стрелкой появились у водяных часов, которые принципиально отличались от солнечных и сыграли важную роль в развитии хронометрических приборов. Их еще называли клепсидрами (от греческого klepto — «брать»
и udor — «вода»).
Простейшие водяные часы, придуманные в Индии и Китае, имели форму полусферической чаши. В ее дне было небольшое отверстие, из которого медленно вытекала вода. Принцип действия этих клепсидров, измеряющих время между моментами помещения чаши на водную поверхность и ее погружением в воду, был аналогичен песочным.
У египтян тоже были подобные часы, о чем свидетельствуют сообщения в обнаруженных папирусах. Кроме того, египетские водные часы имели шкалу, выгравированную на корпусе. Единицей измерения для шкалы была мера в палец.
Простые по форме водяные часы со временем стали усложняться, украшаться различными элементами; особенно интересными были приспособления для звуковой сигнализации и для освещения часов в темное время суток. Механизм действия клепсидров был достаточно сложным, а некоторые детали и принципы действия, например зубчатые передачи, ролики, цепные подвески и гири, нашли применение в механических часах. В качестве движущей силы в водяных часах использовался груз. Самые сложные из водяных часов оснащались марионетками, разыгрывающими различные сценки.
Довольно интересны в этом отношении бронзовые многофункциональные водные часы, изготовленные в подарок Карлу Великому. Кроме того, что эти клепсидры имели великолепный, орнаментально украшенный циферблат, каждый час из них выскакивал на декоративную решетку металлический шар и звонил. В полдень у часов открывались ворота и из них выезжали рыцари. Последний факт свидетельствует о том, что уже в те времена мастерам была известна техника автоматических движущихся фигур, которая получит широкое распространение в Европе в эпоху готики.
Не менее оригинальны водяные часы, напоминающие скорее скульптурное изображение, чем механизм, сделанные средневековым инженером Аль-Язари. Показателями времени на этих часах были четыре павлина, расположенные ромбом: внизу — павлин, над ним — два молодых павлина и сверху — пава. Верхняя фигурная часть украшена 15 стеклянными шарами, расположенными полукругом.
С рассветом пава занимала определенное положение (клювом на запад), а затем медленно поворачивалась в обратную сторону и начинала двигаться. Это движение она совершала за полчаса. В это время управляющий движением стеклянных шаров механизм поворачивал первый из них красной стороной, и оба молодых павлина поднимались над павой, издавая громкий свист.
В это же время находящийся внизу павлин начинал медленно поворачиваться и раскрывать веер своего хвоста. После этого пава снова возвращалась на свое первоначальное место, процесс начинался заново и повторялся каждые полчаса до захода солнца. Количество стеклянных шаров с красной поверхностью указывало на количество прошедших получасов.
Довольно оригинальные часы описал Соломон де Каус, принцип действия которых основывался на использовании воды для управления движением регуляторов колесных часов. Этот хронометрический механизм состоял из висящего на двух струнах замкнутого металлического барабана с неподвижными перемычками, расположенными лучеобразно. Барабан наполнялся водой, которая медленно стекала вниз через отверстия в перемычках внешнего контура. В результате взаимоуравновешивания веса воды и барабана струна начинала медленно отматываться, и барабан опускался. В результате ось барабана или связанный с ним стрелочный индикатор указывали время на шкале, расположенной сбоку.
Огромный шаг в развитии хронометрических механизмов был сделан после изобретения колесных механических часов. Первые такие часы приводились в движение посредством груза. На гладкий вал, выполненный из дерева, была намотана пеньковая веревка с каменным грузом на конце. Некоторое время спустя камень заменили металлом. Под действием груза веревка раскручивалась и вращала вал, на который было насажено большое зубчатое колесо, сцеплены с зубчатыми колесами передаточного механизма.
Первые конструкции часового механизма были оснащены только часовой стрелкой, проходящей полный круг обращения за двенадцать часов. Часы, оснащенные секундной и минутной стрелками, появились в XVIII веке. Было установлено, что скорость вращения колеса, двигающего стрелку, зависит от его диаметра и количества зубьев. Подбирая колеса с учетом данного обстоятельства, изобретатели нашли соотношение параметров деталей, позволявшее стрелкам проходить полный круг по циферблату за одну минуту и за один час.
Однако, несмотря на кажущееся совершенство данной конструкции, часы имели один недостаток. По законам физики падающее тело движется с ускорением. Этот закон действовал и на гирю часов. При ускорении движения падающей гири усиливалось и вращение вала. Вследствие этого стрелка часов совершала один оборот за меньшее время. В поисках решения этой проблемы древние мастера пришли к выводу о необходимости регулятора, который обладал бы «чувством времени».
Таким регулятором стало коромысло, прежде использовавшееся в весах. Если на каждое плечо таких весов положить равный груз а затем вывести из равновесия, то коромысло будет совершать равные колебания. Но и этот тип регулятора имел небольшой недостаток, вполне объяснимый с точки зрения законов физики.
Дело заключалось в том, что колебание, не поддерживаемое регулярно, обладает способностью рано или поздно прекращаться. Необходимо было сделать так, чтобы часть двигательной энергии от главного колеса поступала к коромыслу. Эту функцию древние мастера наложили на спусковое устройство, от которого зависел правильный ход часов. Этот механизм еще называл и распределителем, и над его созданием мастера трудились дольше всего.
В первых механических часах использовалось всего три передаточных колеса, однако их конструкция быстро приходила в негодность из-за высокой скорости вращения . Поэтому в начале XIV века часовой механизм стали дополнять промежуточными колесами.
Первые пружинные часы появились во второй половине XV века. Такая конструкция позволила изготавливать часовой механизм маленького размера. В качестве пружины использовалась закаленная стальная лента, завернутая вокруг вала барабана и стремящаяся развернуться. Раскручиваясь, она приводил а в движение барабан, к которому было подсоединено зубчатое колесо, в свою очередь, передающее вращение всему механизму. Во избежание стремительного раскручивания пружины был изобретен запор, представляющий собой щеколду, упирающуюся в зубья колес.
Значительные усовершенствования в механизме часов произошли в конце XVII века. Тогда были сконструированы регуляторы нового типа (маятники). Они подходили как для пружинных, так и для гиревых часов. Впервые идея использования маятника в механизме приборов для измерения времени пришла в голову знаменитому ученому Галилео Галилею.
Одновременно с усовершенствованием часового механизма часовщики продолжали разрабатывать идею соединения сигнального устройства, или будильников. За основу мастера взяли уже известные им по водяным и другим часам механизмы боя. Новые будильники имели циферблат с цифрами, расположенный посередине главного циферблата, показывающего время и вращающегося во время работы. Час сигнала устанавливался путем поворота циферблата по направлению часовых стрелок таким образом, чтобы длинный конец часовой стрелки был направлен на соответствующий час.
Значительному усовершенствованию подвергся и механизм боя. В частности, были изобретены специальные системы боя, значительно экономящие энергию. Это было очень важным новшеством, так как, по подсчетам, часы с длительным ходом отбивали около 5 тысяч ударов в месяц. А это тоже входило в расчет пружинного механизма или гири. Практически вышли из употребления часы с колокольчиками, так как они увешивали толщину часов. Вместо них появились часы со спиральными пружинами боя Бреге, а также струнным, стержневым или арфовыми гонгами.
В XIX веке появились сложные в конструктивном плане хронометрические приборы с календарными механизмами: годовыми и даже вечными календарями, регистрировавшими и високосные года. На некоторых часах имелись также второстепенные циферблаты для измерения мирового времени, времени восхода и закат а солнца, шкала взаимного расположения планет Солнечной системы, термометры, компасы и многое другое.
На основе механических часов были созданы секундомеры и хронографы. Современные секундомеры не имеют часового циферблата и начинают работать при спуске секундной стрелки. При ее остановке механизм тоже останавливался. Первые секундомеры выглядели как обычные часы, механизм которых можно было легко остановить.
Хронограф — хронометрический прибор с основным двустрелочным часовым циферблатом и центральной секундной стрелкой, указывающей время на специальной шкале с мелкими делениями. Изобретателем первого хронографа является швейцарец Жан Мойзе Пузиат (1743—1793). В 1776 году он создал часы с центральной секундной стрелкой, которую можно было останавливать и пускать в ход независимо от хода часов.
В XIX веке Александр Бэйн (1811—1877), создатель электромеханического печатающего телеграфа, изобрел первые электрические часы. В принципе это были те же самые механические часы, приводимые в действие пружиной, однако индикатор времени был решен на основе суммирования электрических импульсов, подаваемых маятником часов.
Не менее важный вклад в развитие часового дела внес X. Шортт, автор электрических часов с электромагнитными маятниками. Его часы отличались такой точностью, что в 1921 году были установлены на обсерватории в Эдинбурге, а вскоре их приобрели практически все крупные астрономические обсерватории. Погрешность часов Шортта составляла всего 1 с в год. Благодаря этим часам были сделаны и другие открытия, например пересмотрена абсолютная единица времени.
В середине X X века появились электронные часы, стрелочные и цифровые, точность которых почти в 10 раз больше, а их погрешность составляла примерно ± 1 мин. в месяц. Главное отличие электронных часов от электрических заключалось в том, что в первых вместо электрического контакта механического типа появился электронный полупроводниковый элемент – транзистор.
Вторая половина XX века ознаменована появлением атомных, или кварцев часов. В таких хронометрических устройствах имелся кварцевый генератор, управляемый стандартом чистоты, а роль маятников играли атомы. Действие атомных часов регулировалось частотой излучения атомов при переходе их с одного уровня энергии на другой.
Атомные часы выгодно отличались от своих предшественников тем, что не «старели», как, например, кварцевые, у которых со временем происходили изменения в структуре кристалла кварца.
Благодаря появлению атомных часов ученые получил и возможность измерять время намного точнее, чем с помощью астрономических методов. В ходе разработки этих часов была открыта атомная секунда, которая стала основной единицей времени в Международной системе единиц. От астрономического определения единицы времени отказались.
