Солнечные, водяные и огневые часы средневекового Китая
Гномоника продолжала развиваться наряду с астрономией и совершенствованием календарной системы. Были найдены более совершенные способы определения времени. Лю Чжо, живший в годы правления императора Ян-ди (начало правления 605 г.), доказал наличие расхождения между временем, определявшимся до него с помощью гномона («тугуй»), и установленным им фактическим отношением длины тени на земле к пути перемещения Солнца по эклиптике. Для доказательства выдвинутых им теоретических положении он предлагал измерить длину земного меридиана. Это было сделано, однако, не при его жизни, а только через столетие в эпоху династии Тан (618—907 гг.) буддийским монахом астрономом И. Синем. Он блестяще подтвердил теоретические положения Лю Чжо, которые остаются верными и сегодня.
Особенно значительные успехи в создании астрономических приборов со сложным механическим устройством, приводимым в действие водой, были достигнуты именно в эту эпоху. Эти приборы служили также и целям определения времени. В «Астрономических записях» («Тяньвэнь цзи») «Истории династии Цзинь» содержится самое раннее свидетельство о том, что Чжан Хэн (78—139 гг. н. э.) для приведения в движение астрономических приборов и прибора времени использовал вес воды. Он же создал и установил наряду с армиллярной сферой небесный глобус, также приводившийся в действие водой. Движение звезд на небесном глобусе соответствовало движению звезд на небе, наблюдаемому в обсерватории. Это достигалось, надо полагать, благодаря использованию системы зубчатых колес
и кулачков. После Чжан Хэна продолжали создавать армиллярные сферы и глобусы, приводимые в действие водой. Их создателями были Ван Фань (около 260 г. н. э.), Ге Хэн (династия У в эпоху троецарствия), Лу Цзи (династия Цзинь) и Цзе Лоцзи (династия Сун, 436 г. н. э.). После 650 г. н. э. к астрономическим приборам стали присоединять довольно сложное устройство для измерения и показа времени. Профессор Лю Сяньчжоу считает, что на «развитие часового механизма оказало значительное влияние изобретение и усовершенствование китайского адометра», поскольку «устройство этого прибора полностью совпадало с конструкцией системы передачи усилия и механизма счета времени в часах».
В 721 г. н. э. астроном И. Хонг изготовил водяные часы очень сложного устройства из латуни; они даже привлекли внимание императора Сюань-цзуна. Часы показывали относительную долготу дня и ночи, высоты полюсов и звезд, видимых и невидимых на горизонте. Два штифта указывали дневные и ночные часы — «ке» (китайский час «ке» равен двум нашим). Когда штифт был на «ке», выскакивала маленькая деревянная статуэтка; она ударяла один раз в барабан и исчезала. Когда штифт был на часе, появлялась другая статуэтка, ударяла по колоколу и исчезала.
В «Астрономических записях» «Новой истории династии Тан» (725 г.) содержится упоминание о создании комплекса из армиллярной сферы, глобуса и устройств для показания времени. Приборы приводились в действие водой. За сутки небесный глобус делал один оборот. На каждом из двух зубчатых колец, окружавших небесный глобус, находилось по небольшому шарику: один изображал Солнце, второй - Луну. Кольца вращались от двух разных зубчатых передач. Когда небесный глобус совершал полный оборот в западном направлении, Солнце передвигалось на восток на один градус, а Луна - на 137/19 градуса в том же направлении. После того как небесный глобус совершал около 29 оборотов, Солнце и Луна встречались. За 365 оборотов небесного глобуса Солнце совершало один полный оборот.
Крышка деревянного ящика служила полом. Одна половина небесного глобуса находилась ниже уровня пола, другая же возвышалась над ним. На крышке ящика стояли две деревянные фигуры. Одна фигура каждые четверть часа автоматически ударяла по барабану, находившемуся перед ней. Другая фигура через каждый час ударяла висевший против нее колокол. На небесном глобусе были установлены зубчатые передачи и кулачки, и часть усилия передавалась на деревянные фигуры для указания времени. Зубчатая передача должна была быть очень сложной, чтобы небесный глобус мог совершать полный оборот за сутки, а Луна и Солнце могли вращаться значительно медленнее и чтобы можно было координировать их движения.
В 979 г. Чжан Сысюань сконструировал водяные часы с боем, представлявшие собой уже сложный механизм. Для размещения прибора пришлось соорудить многоэтажную башню. В конструкцию прибора входило двенадцать фигур богов, каждый из которых отмечал определенный сдвоенный китайский час «ке» и появлялся в нужный момент, неся дощечку с указанием времени, и ударял в колокол или в барабан.
Около 990 г. Чжан-си-Хьюн создал часы, в которых было также двенадцать статуэток для двенадцати часов. Барабан был помещен между двумя колоколами, из которых один —маленький, другой —большой, и, так же как в часах И. Хонга, статуэтки исчезали, как только производили удар то для «ке», то для часа.
Особо выдающимся сооружением и весьма характерным для средневекового Китая были башенные астрономические часы, воздвигнутые в эпоху династии Сун (960—279) в 1088 г. астрономами Су Суном и Хань Кунлянем. Они построили модель небесной сферы («тяньхэн»), движение которой соответствовало движению видимой небесной сферы. Она представляла собой весьма сложную конструкцию, состоящую из армиллярной сферы, небесного глобуса и механического приспособления для измерения времени. Основой этого комплекса была трехэтажная башня высотой 9 м.
Движущаяся армиллярная сфера была установлена на помосте и увенчивала собой строение. С ее помощью определяли координаты и азимуты небесных светил: Солнца, Луны, пяти планет и звезд. В среднем этаже помещался небесный глобус, на поверхности которого были нанесены звезды, Млечный Путь, эклиптика и экватор. Этажи пятиярусной «часовой башни» имели форму пагод. Внутри самой башни находилось большое водяное колесо, по окружности которого имелось 36 ковшей 1 в каждый из них по очереди вливалась вода из резервуара с постоянным уровнем.
Полный цикл наполнения ковшей составлял 9 ч; за это время расходовалось около полутонны воды. Движение колеса регулировалось посредством спускового механизма, называвшегося «небесным рычагом включения», или особого спускового устройства весового типа (2—6). Он предотвращал падение ковша до заполнения его водой. После взвешивания каждого наполненного ковша в соответствующем порядке колесо могло сделать движение вперед на один шаг под действием силы веса наполненных ковшей. Центральное спусковое колесо поворачивается на один шаг после наполнения водой каждого из 36 ковшей, его движение прерывается только на время наполнения ковша. Таким образом, вращение колеса носит равномерно-прерывистый характер, а его ход регулируется спусковым устройством весового типа, состоящим из верхнего рычага с грузом на конце и нижнего рычага типа безмен, которые вместе образуют кинематическую цепь. В этой цепи связь между верхним и нижним рычагами осуществляется через штифт ковша, а переход колеса в новое положение по окончании наполнения и взвешивания ковша регулируется контрольным устройством в форме вилки.
Здесь изображены отдельно контрольное устройство, ковш и штифт и последовательное движение ходового колеса в пять этапов.
I. Храповой механизм предотвращает обратный отход колеса. Груз на конце верхнего рычага не может поднять верхний уравновешенный рычаг. Ковш находится в процессе наполнения водой.
II. Ковш наполнен, нижний рычаг-безмен занял наклонное положение, храповой механизм (верхняя блокировка) продвигается
над следующим штифтом ковша.
III. Верхний стопор приподнялся, открыв проход и обеспечив прохождение ковшовому штифту; следующий ковш (еще пустой) подошел и встал на место; приводится в действие расцепляющий (trip) рычаг, оттягивая вниз цепь.
IV. Верхний стопор снова зацепляет штифт ковша; нижний рычаг-безмен опускается довольно далеко; расцепляющий рычаг возвращается в прежнее положение.
V. Нижний рычаг-безмен возвращается в горизонтальное положение, и другой ковш начинает наполняться; в это время колесо находится в покое.
Отсчет и показание времени соответствующим механическим прибором и регулирование хода небесного глобуса и армиллярной сферы было кинематически связано с движением водяного колеса при помощи сложного механизма, состоящего из зубчатых колес и трибов, а также кулачков и толкателей. Кинематическая схема взаимодействия отдельных частей этого механического комплекса приведена на данном рисунке.
На конце водяного колеса имелась зубчатка 1, предназначенная для передачи усилия на шестерню 2 вертикального вала (он назывался «небесным столбом») и приведения этого вала во вращение. На валу имелось еще два зубчатых колеса 3, 5. Одно из них — «среднее колесо» 3 с 600 зубцами, другое — «верхнее колесо» 5 приводило в движение армиллярную сферу 7; 4, 8, 9, 10 — зубчатая передача для вращения небесного глобуса 6. Армиллярная сфера могла создавать полную иллюзию звездного неба в течение каждой единицы времени: восход, движение и заход светил. Показание этого прибора, как и небесного глобуса, совпадало с реальным движением небесных светил. Внешний вид механического прибора отсчета показан на данном рисунке.
В середине башни проходил вертикальный вал, верхний конец которого удерживался горизонтальной рамой («небесной Рамой»), а нижний конец был установлен в подпятнике; на валу было смонтировано восемь колес. Имелось «небесное колесо» с 600 зубцами, либо входившими непосредственно в зацепление с зубьями экватора глобуса, либо приводившими в движение небесный глобус посредством конической шестерни. Под «небесной рамой» находилось еще другое зубчатое колесо, тоже имевшее 600 зубцов. Остальные шесть колес можно разделить на два вида, каждый из которых выполнял функции измерения времени. Колеса первого вида были снабжены определенным количеством толкателей. Через каждый час или четверть часа толкатели при помощи рычага или шнуров приводили в действие указатель времени в виде деревянной фигуры. Колеса второго типа имели определенное количество «хранителей времени» в виде деревянных фигур с дощечкой с обозначением соответствующего часа и четверти часа согласно китайскому счету времени. В определенный момент времени эти фигуры появлялись в одном из этажей пагоды и указывали время. На первом этаже пагоды три дверцы. Из левой по истечении каждых двух часов появлялась фигура в красном одеянии и звонила в колокол; вторая фигура, одетая в зеленое, появлялась из средней дверцы через каждые четверть часа и ударяла в бубен. Третья фигура в фиолетовом показывалась в правой дверце и била в колокол через каждые полчаса. На втором этаже пагоды фигура показывалась в дверцах каждый час, а на третьем — через каждые четверть часа. На четвертом и пятом этажах были размещены еще две фигуры, которые показывали время восхода и захода Солнца, время года и соотношение дневных и ночных часов для данного сезона года. Таким образом, механизм указывал больше моментов времени, чем даже современные часы.
Если принять во внимание наличие в астрономических башенных часах Су Суна только устройства, предназначенного для выполнения функции измерения времени, то и тогда эти часы можно было бы считать сложной конструкцией. Весьма замечателен в их устройстве спусковой механизм, регулирующий ход водяного колеса; он является одним из недостающих звеньев в развитии часов при переходе от водяных часов к механическим, получившим развитие в Западной Европе в XIV—XV вв.
В средневековом Китае создавались также часы, независимые от астрономического прибора. В 1279 г. Го Шоуцзин построил так называемую ламповую клепсидру, которая была потом помещена во дворце Дамин. «На приборе было установлено двенадцать фигур. Каждая фигура появлялась в соответствующий момент в одной из четырех дверей, неся деревянную дощечку с обозначением сдвоенного часа. У дверей стояла другая фигура и указывала пальцем на цифру, соответствующую четверти двойного часа. В четырех нижних углах находились четыре фигуры, которые держали колокол, барабан, гонг и цимбалы. В первую четверть бил колокол, во вторую — барабан, в третью—гонг, в четвертую звучали цимбалы».
Простейшие приспособления автоматически показывали состояние прибора во время работы, а фигуры животных также автоматически двигались, указывая таким образом время.
Император Шунь-ди, правивший с 1333 по 1368 г., имел в своем дворце большой шкаф, над которым помещалась ниша, носившая название ниши «трех мудрецов». В средней части шкафа находилась фигура молодой девушки, держащей иглу, предназначенную для указания часа дня и ночи, а также «ке». Когда игла попадала на соответствующий час, вырывался столб воды. По обеим сторонам прибора находились два ангела; один из них держал в руке колокольчик, а другой — медную чашу. Когда наступала ночь, фигуры отбивали ночные часы сообразно времени, указываемому иглой. По обеим сторонам прибора несколько статуэток, изображавших львов и орлов, приходили в движение; на восточной и западной сторонах шкафа был виден путь Солнца и Луны в зодиаке.
Существовали в Китае и часы с песочным двигателем. В отличие от песочных часов, применявшихся на Западе, китайские часы представляли собой сложное механическое устройство, основанное на использовании зубчатой передачи, и, следовательно, могли показывать время непрерывно и автоматически. Часы с песочным двигателем были созданы на принципе действия водяных часов («капельницы») с той, однако, разницей, что вместо воды, замерзавшей на морозе, для приведения в действие зубчатой передачи было использовано истечение песка. Часы такого устройства под названием «пятиколесная песочная Клепсидра» были созданы Чжан Сиюанем в эпоху династии Мин (около 1360 г.)
Песок поступал через воронку 3. Первое колесо 4, на котором имелось 16 ковшей 5, приводило в движение второе колесо 7 с 33 зубцами, второе — колесо 8 с 36 зубцами. Шестерня, установленная на конце вала колеса 9, приводила в движение центральное колесо 10, вращавшееся горизонтально. Горизонтальный указатель 1, смонтированный на верхнем конце вертикального вала центрального колеса 11, проходил через середину циферблата 2. На нем были написаны названия двенадцати китайских сдвоенных часов, которые, в свою очередь, делились на 100 четвертей. По обе стороны циферблата находились две фигуры в желтых одеждах, причем одна из них била в барабан, а другая — в гонг. Видимо, движение первого колеса управлялось «небесным рычагом включения», который нам известен по астрономическим башенным часам Су Суна.
В позднейшей конструкции песочной клепсидры вместо пяти колес было применено шесть, каждая с 36 зубцами, а отверстие для истечения песка было несколько увеличено, чтобы обеспечить более свободное его истечение.
Наиболее часто в исторической литературе упоминаются независимые от комплекса астрономических приборов общественные водяные часы Китая, сохранившиеся до наших дней в Кантоне (рис. 41). Они состоят из четырех латунных сосудов диаметром 33, 23, 22, 21 дюймов, расположенных один над другим. На дне каждого из трех сосудов проделаны отверстия так, чтобы вода, наполнявшая верхний сосуд, перетекала через всю систему в нижний. Положение поплавка в нижнем сосуде служило показателем времени. Бронзовый человек держал стержень, крепившийся на прилавке, свободно скользящем у него в руках вверх—вниз по мере изменения уровня воды в нижнем водосборном сосуде.
Отметки на стержне, этом своеобразном циферблате, обозначали китайские часы «ке» — 6 дневных и 6 ночных. При начале каждого нового «ке» сторож вывешивал щиток с названием наступающего часа; число истекших часов днем показывалось ударами колокола, а ночью — гонга. Эти водяные часы были весьма совершенны
В то время как солнечные, водяные и песочные часы употреблялись астрономами главным образом для определения дневных часов, огневые часы использовались для измерения ночного времени. Огонь как средство измерения времени особенно широко применялся в Китае.
Из специального дерева путем его растирания и толчения изготовлялось нечто вроде теста, из которого затем делали палочки и шнуры различных форм. Для знатных особ палочки изготовлялись из редких сортов дерева. В этом случае они не превышали длины среднего пальца, а когда делались из более простых сортов, достигали 2—3 м, а толщиной были с гусиное перо. Их жгли перед храмами (пагодами) и пользовались для перенесения огня из одного места в другое. Часто эти палочки вертикально вставлялись в металлические вазы, наполненные золой: это позволяло следить за их сгоранием. Поскольку при сгорании (а точнее, тлении) палочки не давали света, они служили только для определения времени внутри помещения, наполняя при этом его благоуханием.
Когда палочки или шнурки имели значительную длину, их свертывали в кольца, образуя таким образом спиральную и коническую фигуру, расширяющуюся с каждым оборотом и достигающую иногда двух-трех пядей в диаметре, подвешивали над особым сосудом и зажигали с нижнего конца. Отметки, сделанные на палочках или на спирали, служили указанием пяти частей ночи. Такой способ измерения времени был достаточно точен. Одновременно эти спирали и палочки могли служить будильником. Когда хозяин хотел проснуться ночью в определенный час, он подвешивал маленькую металлическую гирьку точно в то место спирали или палочки, куда огонь должен подойти в указанный час. В нужный момент нитка сгорала — гирька с шумом падала в медную чашку.
