Тень, отбрасываемая гномоном, зависела от времени года, но сначала разница не учитывалась. Абсолютно точное время эти часы показывали лишь в дни равноденствия. Позже стали строить солнечные часы со шкалами для разных месяцев. С развитием солнечных часов возникали и решались математические задачи о трисекции угла, конических сечениях, тригонометрической проекции.
Позже в Византии были распространены настенные вертикальные солнечные часы. Они размещались на стенах церквей и общественных зданий. На циферблате для обозначения времени впервые появились цифры. Из-за изменяющегося наклона Солнца в течение года изменялась продолжительность дневных и ночных часов. Поэтому более поздние солнечные часы получили криволинейные шкалы.
С удалением от экватора точность определения времени по Солнцу ухудшалась. Эту проблему решило появление теневой стрелки в направлении земной оси. Теперь тень равномерно вращалась вокруг полуоси, поворачиваясь каждый час на 15°. Это позволило ввести равномерное время для всего года. Вскоре несовершенные солнечные часы превратились в весьма точные для своего времени хронологические приборы. Они позволяли измерять время в любой точке земного шара. Для их правильной установки стали использовать другое изобретение – компас. Это сочетание позволило создать портативные, карманные или дорожные модели солнечных часов. Интересны кольцевые солнечные часы. Главной их частью было латунное кольцо, сопряженное с другим, подвижным. На внешней поверхности главного кольца гравировали начальные буквы месяцев, а против них на внутренней поверхности находилась часовая шкала. Перед измерением необходимо было поместить отверстие для луча у наименования нужного месяца. Чтобы узнать время, часы выставляли так, чтобы солнечный луч проходил через отверстие и указывал время на шкале.
Любопытную конструкцию имели дорожные солнечные часы «ашадах», которыми в Средние века пользовались индийские паломники. Они представляли собой деревянную восьмигранную палку с металлическим острием На ней вырезались часовые шкалы. В ручке этой палки просверливали четыре сквозных отверстия, которые над шкалой для соответствующего месяца вдвигался стержень длиной 15 см, чтобы его острие в вертикальном положении отбрасывало тень на шкалу.
С начала XVI века теория солнечных часов преподавалась в некоторых университетах как составная часть математики.
В то же время появились оконные солнечные часы. Они были вертикальными, их циферблатом была поверхность окна храма или ратуши. Конец тени указывал не только время, но и положение Солнца в зодиаке. Прозрачная шкала позволяла узнавать время, не выходя из здания. Зеркальные солнечные часы отражали солнечный луч зеркалом на циферблат, расположенный на стене дома.
С точностью солнечных часов долгое время не могли сравниться даже механические. Своего наибольшего расцвета они достигли в XVI–XVII веках, когда над их созданием работали ведущие математики и астрономы.
Солнечные часы были простым и надежным указателем времени, но обладали серьезными недостатками: их работа зависела от погоды и была ограничена временем между восходом и заходом Солнца. Поэтому ученые стали изыскивать иные пути измерения времени, не связанные с наблюдением небесных тел. Водяные часы были вторыми по распространению после солнечных. Часто их называют греческим словом «клепсидра» (в переводе «брать воду»). Но в примитивном виде они были известны уже египтянам. В музее Каира хранятся самые старые водяные часы в мире. Они представляют собой алебастровый сосуд с придонным отверстием, через которое вытекает вода. На внутренней стороне корпуса были 12 часовых шкал для измерения времени в соответствующих месяцах.
В Древней Греции клепсидры применяли для регламентации времени выступления ораторов в судах. Они были, по существу, амфорами высотой около метра и шириной чуть более 40 см и вмещали около 100 литров воды. При диаметре отверстия истечения в 1,4 мм на полное опорожнение требовалось почти 10 часов. В воде находился поплавок с прикрепленным к нему длинным стержнем, который выступал над краем сосуда. На стержне была выгравирована шкала, показывавшая время, истекшее после начала истечения воды. Поплавок опускался равномерно, поскольку уменьшение скорости истечения компенсировалось уменьшающимся внутренним диаметром сосуда.
Независимость водяных часов от света Солнца делало их прибором, пригодным для непрерывного измерения времени в любое время суток. Конструкторы изобретали остроумные механизмы: для звуковой сигнализации о времени, для освещения часов ночью. Помимо прикладного значения они имели и художественную ценность.
Легендарной личностью среди мастеров по изготовлению клепсидр считается греческий механик Ктесибий Александрийский, живший во II–I в. до н. э. Сохранились сообщения о двух изготовленных им часах. Одни приводились в движение водяным колесом. Зубчатая передача соединяла ведущий механизм со шкалой, располагавшейся на цилиндрической поверхности поворотной колонны. Шкала разделялась вертикальными прямыми на четыре основных поля. Система из 24 наклонных линий образовывала часовую шкалу для измерения планетных часов. Колонна со шкалой приводилась в движение водяным колесом. Вращаясь вокруг своей оси, она совершала один оборот в год. Эти часы имели специальное устройство, через определенные интервалы выбрасывавшее на чашку мелкие камешки. Это было звуковой сигнализацией времени.
Вторые часы Ктесибия отличались от первых тем, что их стрелка в верхней части циферблата управлялась поплавком, подвешенным на цепи, навернутой вокруг вала стрелочного указателя. Лунный календарь с зодиаком в нижней части часов тоже приводился в движение водяным колесом, камеры которого были закреплены непосредственно на задней стороне зодиаковой плиты.
Бронзовые водяные часы, которые Гарун-аль-Рашид прислал в подарок Карлу Великому, имели не только прикладную, но и художественную ценность. Эти часы с богатыми орнаментальными украшениями имели циферблат и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара, который выскакивал из часов на декоративную решетку, а в полдень в часах открывались ворота и из них выезжали рыцари.
В Индии водяные часы назывались «яла-янтра». Это были преимущественно часы «истечения» с небольшим отверстием в дне. При восходе Солнца их заполняли водой, которая затем вытекала, так что до вечера процесс заполнения и истечения воды повторялся пять-шесть раз.
Помимо солнечных и водяных, в начале XII века появились и первые огневые, или свечные, часы. Это тонкие свечи длиной около метра с нанесенной по всей длине шкалой. Они сравнительно точно показывали время, а в ночные часы еще и освещали жилища церковных и светских сановников. К боковым сторонам свечи иногда прикрепляли металлические штырьки, которые, по мере выгорания и таяния воска, падали, и их удар сообщал об истечении определенного промежутка времени.
В течение столетий растительное масло служило людям не только для питания, но и в качестве светильного материала, основой для масляных лампадных часов. Как правило, это были простые лампады с открытой фитильной горелкой и со стеклянной колбой для масла, снабженной часовой шкалой. Объем колбы подбирали так, чтобы ее содержимого хватило для непрерывного свечения между 6 часами вечера и 8 часами утра. Величину пламени и расход масла регулировали при помощи горящего фитиля так, чтобы понижение уровня масла в колбе соответствовало нанесенным на нее обозначениям времени.
Существовал и другой тип огневых часов – фитильные. Их главной частью был фитиль в виде длинной металлической палочки, покрытой слоем дегтя, смешанного с деревянными опилками. Жар тлеющих опилок, подожженных на одном конце палочки, постепенно пережигал тонкие, поперечно натянутые волокна с подвешенными к ним шариками. Шарики падали в металлическую чашку. Иногда фитиль сворачивали в спираль, форма которой сама по себе заменяла часовую шкалу.
Песочные часы стали известны в Западной Европе в конце Средних веков. Так, в Париже обнаружено сообщение, датированное 1339 годом. Оно содержит указание по приготовлению тонкого песка из просеянного порошка черного мрамора, прокипяченного в вине и высушенного на солнце. Быстрому распространению песочных часов способствовала их простота, надежность, низкая цена и возможность измерять время в любой момент суток. Их недостатком был сравнительно короткий интервал времени, который можно было измерить, не переворачивая часов. Обычные часы были рассчитаны на полчаса или час, реже – на 3 часа. Огромные песочные часы были рассчитаны на 12 часов хода.
Как и огневые, песочные часы никогда не достигали точности хода солнечных. При длительном использовании зерна песка дробились на более тонкие, отверстие в середине диафрагмы постепенно
