351 рік тому Християн Гюйгенс запатентував кишеньковий годинник. Відтоді носити із собою пристрій для вимірювання часу стало звичною справою. Але ще важливіше те, що саме голландський астроном запровадив у конструкцію годинника елемент, який зробив його точним і надійним.
Наскільки важливе вимірювання часу
У сучасному світі ми звикли до того, що в кожного як не в кишені, то в сумці чи на столі є смартфон, який серед іншого може виконувати роль годинника. Можливість дізнатися, котра година з точністю до хвилин та секунд — доступна усім розкіш. Ми навіть не замислюємось над тим, що за мірками людської цивілізації це достатньо нова практика. Їй лише 3–5 століть, залежно від того, яку точку відліку брати.
Одним із таких визначних моментів людської історії є патентування Християном Гюйгенсом кишенькового годинника, яке сталося 13 жовтня 1675 року. Але для того, щоб зрозуміти, наскільки дійсно революційною була ця подія, варто почати з того, як ми взагалі сприймаємо час.
Бо якщо жити своїми внутрішніми почуттями та спостерігати за природою, то жодних годин, хвилин і секунд немає. Наш внутрішній біологічний годинник просто циклічно змінює гормональний стан. При цьому існує система його підлаштування під зміну тривалості світлового дня.
Саме тому для людини існує ранок, день, вечір і ніч як час доби з різним характером освітлення. І є пори року, які повторюються. Але ще кілька тисяч років тому ніхто не замислювався над тим, скільки днів у році й чи можна поділити добу на однакові проміжки часу.
Усі ці питання виникли з початком цивілізації. Спершу стародавні астрономи винайшли календар, встановивши, скільки днів тривають рік та місяць. Потім, коли їжі стало достатньо для існування великих міст, держав та організованих релігій, виникла необхідність суворого розпорядку дня.
Не дивно, що перший поділ дня на 12 годин і ночі на стільки ж частин з’явився у 2100–1500 р. до н.е. у Стародавньому Єгипті — одній із перших цивілізацій, що славилася своїми астрономами й математиками. Проте спочатку це був саме поділ світлої та темної частин доби, а не якісь чітко виміряні та встановлені проміжки часу.
Це було пов’язано з тим, що практично єдиний спосіб відстежування протікання часу протягом доби був астрономічним. Сонячний годинник — це, по суті, стовп-ґномон і поділки на поверхні (не обов’язково горизонтальній), на який вказує його тінь. А якщо сонця на небі немає, то навіщо тобі взагалі знати точний час, спати треба!
Поява циферблата та хвилин
Тривалий час практично єдиними людьми, яких цікавив точний відлік часу вночі, залишалися саме астрономи, яким треба було проводити свої спостереження. Тут їм допомагали водяні та пісочні годинники. Взагалі-то протікання рідини чи дрібних зерен через дрібний отвір добре підходить для коротких проміжків часу, а не для довгих. Але якщо уважно слідкувати за ними, вчасно перевертати та робити помітки, то можна вимірювати час коли завгодно і навіть точніше, ніж за допомогою тіні.
Не дивно, що перший механічний пристрій для вимірювання часу без участі Сонця створили на основі саме водяного годинника. Основна ідея була зрозуміла вченим та інженерам ще в І тисячолітті нашої ери. Треба було створити спусковий механізм — щось, що приводило б шестерні й важелі до руху через чітко встановлені проміжки часу.
Першим це у 723 році н.е. зробив китайський астроном І Сін. Протягом наступних кількох століть подібні конструкції поширилися через арабський схід аж до Середземномор’я. Однак спусковий механізм, заснований на перетіканні рідини чи пересипанні піску, мав величезну ваду: потік рідини або піску був надто мінливим, тому відміряти точні проміжки часу не вдавалося.
При цьому саме від перших експериментів із водяними годинниками, навіть ще до І Сіна нам дісталася концепція циферблата. Зараз в електронних годинниках переважно використовується табло із цифрами. Проте в механічному годиннику легше і практичніше просто обертати стрілку, наслідуючи рух тіні Сонця. Різниця полягає лише в тому, що в сонячному годиннику вона може робити повне коло тільки у приполярних зонах, коли там літо, а ось у механічному її можна обертати нескінченно, аби механізм циклічно приводив стрілки в рух.
З поняттям циферблата тісно пов’язана поява хвилин і секунд. Вони виникли ще близько 2000 року до н. е. у Стародавньому Вавилоні й спочатку були кутовими мірами. Система числення у цивілізації долини Тигра та Євфрата була шістдесятковою. Тому коло вони ділили на 60 минут, а минуту — на 60 секунд.
Зараз ми також використовуємо цю систему в геометрії, тільки минута — це 1/60 градуса. І перші 3000 років свого існування минута була лише кутовою мірою. З появою перших механічних годинників вона стала означати проміжок часу, який дорівнює 1/60 довжини кола циферблата, якщо повний оберт займає цілу годину.
Перші механічні годинники
Проте моменту, коли хвилині знайдеться місце на циферблаті годинника, довелося чекати ще кілька століть. Ми не знаємо точно, де й коли саме створили перший чисто механічний спусковий механізм для годинника, але майже напевно це сталося в Європі десь між 1200 і 1300 роками, тобто приблизно в ті часи, коли на території України встановлювалося монгольське панування.
В основі багатьох годинникових механізмів лежить анкерне колесо — зубчасте колесо з асиметричними зубцями. Їхня форма дає змогу колесу рухатися вперед, водночас перешкоджаючи зворотному руху. Воно передає рух іншим деталям механізму, забезпечуючи роботу годинника. Приводів для цього колеса існує багато, найпримітивніший із них напряму передає качання маятника на зубці. Енергією для тривалої роботи його забезпечує гиря, яка повільно опускається на ланцюгу.
Однак ще в середні віки майстри винайшли інший елемент, який рівномірніше передавав коливання — баланс, що являв собою горизонтальне колесо без зубців, але з товстим ободом, якому достатньо ходити вперед-назад на неповний оберт, аби рівномірно рухати анкерне колесо.
При цьому джерелом коливань у більшості таких конструкцій залишалися маятник та гиря на ланцюгу, пізніше в конструкціях стали використовувати пружини. Однак навіть цього виявилося достатньо, щоб запустити еволюцію годинників.
Спочатку механічні годинники були величезними: їх установлювали на вежах, а механізми часто приводили в дію дзвони. Однак уже в 1314 році згадується домашній годинник, вочевидь, розміром із невелику шафу. У 1480 році у французького короля Людовика ХІ вже був годинник достатньо зручний, аби брати його із собою в подорож. Його можна вважати одним із найтехнологічніших приладів того часу.
У 1510 році стався новий прорив. Майстер на ім’я Петер Генляйн створив годинник, який можна було носити на шиї на ланцюжку. Він іще був досить важким, але його вже можна вважати першим справді портативним приладом для вимірювання часу.
Християн Гюйгенс
Однак увесь цей прогрес практично не зачепив однієї особливості годинників. У них все ще переважно була тільки годинникова стрілка. Це й не дивно з огляду на те, що їхні механізми давали похибку у 15 хвилин на добу. За такої точності вимірювати щось коротше за години просто не мало сенсу.
Але така потреба в той час вже була. Розпочалася доба океанічного судноплавства, а за відсутності GPS у морі можна покладатися тільки на астрономію. Координати визначали за кутом Сонця чи полярної зорі в точно визначений момент, і похибка у кілька хвилин вже вносила величезні зміни у результат.
Саме тому задачею у середині XVII століття так зацікавився Християн Гюйгенс. Він був не тільки механіком, а й математиком та астрономом. Спочатку він розв’язував теоретичну задачу: чому наявні годинники дають таку велику похибку. Виявилося, що причина полягає у маятнику. Його період сильно змінюється залежно від довжини, й це важко врахувати.
Учений почав шукати траєкторію маятника, за якої його період не залежав би від амплітуди коливань. У 1657 році він дійшов висновку, що це має бути не дуга кола, а циклоїда — крива, яку описує точка на ободі колеса під час його руху по прямій.
Гюйгенс почав міркувати, як реалізувати цю ідею в годиннику, і вирішив замінити гирі та маятник спіральною металевою пружиною. Пружини вже певний час використовували в годинниках, але саме голландський астроном запропонував використовувати спіральну пружину як регулятор ходу годинника.
Хоча така ідея спала на думку не одному йому. Англієць Роберт Гук, той самий, ім’ям якого названо закон пружної деформації, теж створив дуже схожу концепцію годинника. Саме тому Гюйгенсу і довелося патентувати свій, хоча, скоріш за все, не він був першим.
Головна перевага нової конструкції полягала у точності. Новий спусковий механізм давав похибку вже не 15 хв, а 15 секунд на добу. За таких умов ставала актуальною хвилинна, а потім і секундна стрілка.
Водночас спрощення конструкції дало змогу зменшити сам механізм до звичних нам розмірів. У моду саме увійшли жилети, тож майстри почали робити на їхній внутрішній поверхні маленьку кишеню. Туди й клали годинник. Так персональний вимірювач часу з незручного ексклюзиву став недешевим, але цілком доступним і популярним аксесуаром.
Цікаво, що жінки саме в цей час почали носити мініатюрні годинники на шиї. Наручні годинники винайшли значно раніше, але вони залишалися незручними й непрактичними, доки у XX столітті не стали модними.
Робочий зразок морського хронометра, тобто годинника, здатного забезпечувати секундну точність, тоді так і не змогли створити. Він з’явився лише у XVIII столітті й спочатку був розміром із невеличку скриньку, і тільки потім зменшився до розміру годинника.
А спусковий механізм, розроблений Християном Гюйгенсом, залишався найкращим генератором ритмічних коливань для годинників впродовж трьох століть. Тільки у 1970-х його почали замінювати кристали кварцу та коливання атомів цезію.
Однак якщо взяти, наприклад, старий будильник — той самий, що під час спрацювання видає нестерпний звук, — то всередині нього буде механізм зі спіральною пружиною, який запатентував Гюйгенс.
Саме цю пружину ми скручуємо щоразу, як підзаводимо механічний годинник. І нехай електронні пристрої значною мірою витіснили механічні, сама звичка носити прилад для вимірювання часу в кишені залишилася незмінною.
