Водяные часы с разными жидкостями

Жизнь современного человека невозможно представить без часов. Если бы не было часов, если бы все часы сломались, люди не смогли бы определять время. Они стали бы опаздывать в школу и на работу. Поезда и самолеты прибывали бы не вовремя. Никто ни с кем не мог бы договориться о встрече. И даже Новый год все встречали бы в разное время.

Чтобы этого не случилось, люди еще в древности придумали часы. В разные века они были разными: водяными, солнечными, песочными. И наконец, были изобретены часы со стрелками, а потом и с электронным табло. И теперь стоит только взглянуть на циферблат – и ты будешь всюду успевать, и все будешь делать вовремя.

Но обо всем по порядку.

Времена года. Первобытный человек не имел четкого представления о времени. Каждый день он смотрел на рассвет и закат, видел, как растения расцветают, покрываются листьями, затем созревают плоды, а после этого листья желтеют и опадают. Наблюдая за растениями, люди открыли для себя смену времен года. Растение начинало цвести – значит, прошел год.

Луна. Наблюдая за ночным небом, люди обратили внимание на то, что луна сначала похожа на тоненький серп, затем становится более круглой, после чего уменьшается и почти исчезает, чтобы потом опять начать расти. Люди посчитали, сколько раз в год этот цикл повторяется – всегда 12 раз.

Месяцы. Отправляясь на охоту, человек говорил: «Вернусь через два солнца», имея в виду два дня. Когда же он уходил в дальнюю дорогу, то говорил: «Я вернусь через одну – две луны», и это означало через один-два месяца.

Тень. Люди научились узнавать время дня при помощи тени, отбрасываемой верти-кально стоящей палкой. Однажды человек вбил в землю колышек и заметил, что с утра до вечера от него падает тень в разные стороны.

Календарь. Первый календарь был каменным. Человек заметил, что зимой, весной, летом и осенью солнце отбрасывает разную тень: в холодное время года длиннее, в теплое - короче. Вбив в землю колышек, человек разными камешками отмечал точки, до которых доходила тень в один и тот же час в разные периоды: когда появлялись листья, когда созревали плоды, когда листья опадали и глубокой зимой. Таким образом, появились четыре деления для измерения времени в течение года. Это и был первый календарь.

Лишь много позже появились первые часы для разделения времени на маленькие части. Это были солнечные часы.

Достоверно известно, что самые первые указатели времени появились в 3-ем тысячелетии до нашей эры в Греции. Были они очень простыми: в землю втыкали палку, а вокруг чертили временную шкалу. Тень от палки передвигалась вслед за солнцем, показывая, который час. Именовались они «гномон». Позднее такие часы – из дерева или камня – устанавливали на зданиях, чаще всего общественных.

Умельцы придумали и переносные солнечные часы, которые изготовлялись из ценных пород дерева, слоновой кости или бронзы. При раскопках одного древнеримского города нашли именно такие часики. Изготовленные из посеребрённой меди, они имела форму свиного окорока. Часы были малюсенькие, и стрелкой служил свиной хвостик. Такое приспособление можно было поместить в карман. Правда карманов тогда ещё не придумали, и свиной «гномон» носили на верёвке или цепочке. Иногда его прикрепляли к тросточкам из драгоценного дерева.

Индийские паломники брали с собой в дорогу солнечные часы-посох.

Всевозможные солнечные часы создавали и в более позднее время. В 15 – 16 веках пользовались карманными солнечными часами. Когда крышку коробочки поднимали, между ней и донцем натягивался наклонённый шнурок – гномон. На донце – горизонтальный циферблат, а на крышечке – вертикальный. Встроенный компас позволял развернуть гномон к северу, а миниатюрный отвес – держать коробочку горизонтально. Тень гномона показывала время сразу на оба циферблата. Специальная бусинка, закреплённая на гномоне, своей тенью отмечала дату года.

Во второй половине 16 века в Риме жил часовых дел мастер Ф. Росси. Он разработал инструкцию под названием «Человек-часы», где учил как каждый человек, стоя на солнце, может определить время по своей тени в течение всего года.

Но солнечные часы имели существенный недостаток – ими нельзя было пользоваться ночью и в пасмурную погоду. Морская качка делала их бесполезными на корабле.

Водяные часы

Водяные часы стали следующим шагом прогресса после солнечных часов. В Вавилоне такие часы были в ходу еще 2050 лет тому назад. Из Вавилона они попали к грекам, а от греков к римлянам.

Много сотен лет водяные часы верно служили людям, а вот название они получили обидное: «клепсидры» - в переводе с греческого: «воровка воды» (от греческого klepto – «брать» и udor – «вода»). По капелькам влага перетекала из одного сосуда в другой, и по тому, сколько воды вытекло, определяли, сколько времени «утекло». Древние египтяне делали это с помощью конического сосуда, на стенках которого были нанесены отметки, соответствующие часам.

Вода вытекала из сосуда с определённой скоростью, и по мере снижения её уровня время можно было узнавать по нарезкам на стенках. Единицей измерения для шкалы была мера в палец.

В Древней Греции, особенно в Афинах, очень любили судиться, за что над афинянами все подшучивали. В ходе судебного процесса, когда прокурору и защите предоставляли время для речей, его измеряли с помощью водяных часов. Эти часы выглядели как большая амфора (ширина=40см, высота=1м, объем=100л), диаметр отверстия истечения был равен 1,4мм. Возле них стоял раб, обязанностью которого было следить за соблюдением «водяного регламента»; если оратор делал перерыв или зачитывал относящиеся к делу документы, то он мог приостановить истечение воды из часов, так как время, затраченное на чтение документов, в регламент не засчитывалось. Со времен тех судов дошли до нас выражения «Много воды утекло», «Как медленно течет время». С помощью водяных часов удавалось собирать граждан на собрания в условленное время. Для этого на открытом месте устанавливали специальный сосуд, отверстие в часах открывалось, и граждане должны были явиться в назначенное место. Когда вода подойдет к определенному уровню выступавшие на собраниях ораторы Древнего Рима говорили не «Требую слова», а «Требую воды».

Водяные часы, которыми пользовались на Руси, назывались «гидрологий». Они пришли к нам вместе с христианством и использовались в церковных обрядах.

Первый на Земле будильник тоже был водяным. Считается, что его изобрёл древнегреческий философ Платон, чтобы созывать на занятия своих учеников. Прибор состоял из двух сосудов; в верхний наливалась вода, которая понемногу стекала в нижний, вытесняя оттуда воздух. И этот воздух, по задумке хитроумного Платона, по трубке устремлялся к флейте, и та начинала голосить. Достаточно громко, чтобы даже разбудить спящего.

Простые по форме водяные часы со временем стали усложняться, украшаться различными элементами, приспособлениями для освещения в тёмное время суток.

В сложных водяных часах уже использовались циферблат с перемещающейся по нему стрелкой, груз в качестве движущей силы, колесные передачи, механизм боя и марионетки, разыгрывавшие различные сцены. Так, например, настоящим техническим шедевром своего времени были водяные часы, подаренные Карлу Великому халифом Гаруном-аль-Рашидом. Богато украшенные, они имели часовой циферблат и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара, который выскакивал на декоративную решетку. В полдень у этих часов открывались ворота и из них выезжали рыцари.

Знаменитый древнегреческий механик из Александрии Ктесибий сделал автоматические водяные часы. Его клепсидра с "вечным" заводом, с календарем на весь год и указателем времени сделала бы честь любому механику наших дней. Они выглядели как проградуированный сосуд, куда по каплям попадала вода из внешнего резервуара. Эти часы имели широкое применение почти до 18 века.

Леонардо да Винчи предложил водяной будильник. Коромысло весов с двумя чашами, соединенными трубкой. Одну наполняют перед сном водой, в другую капает вода из клепсидры. "Это часы для тех, кто бережет свое время, — описывает их Леонардо, — и действуют они так. Когда из клепсидры натечет столько воды, сколько помещается в противоположной чаше весов, то последняя, приподнимаясь, изливает свою воду в первый сосуд, который, так как вес воды в нем удвоился, с силой приподнимает ноги спящего. Он просыпается. "

Воду в водяных часах иногда заменяли молоком, такие часы были в Древнем Египте в одном из храмов бога Озириса.

В Китае и Индии водяные часы (простейшие) изготавливали из чаши полусферической формой с отверстием на дне, через которое вытекала вода. Такой вид часов был похож на песочные часы, поскольку по первым измеряли время так же, как и по вторым (в сравнении промежутков времени между моментом помещения чаши на водную поверхность и ее погружением в воду).

В Индии водяные часы назывались как «яла - янтра». Часы заполняли водой на восходе, затем эта вода вытекала через отверстие в дне чаши и, таким образом, до заката процесс повторялся 5-6 раз. А в Китае часы появились около 725г. , их изобрел И-Хсинг. Позже уже в 1090г. появились большие погодные астрономические водяные часы (Су-Сунг из Хонана). Часы издавали сигнал при истечении времени.

Астрономические водяные часы Су-Сунга

Водяные часы производят и сегодня.

Американская компания Bedol Современные водяные часы разработала часы Water-Powered работы французского ученого

Clock Charcoal. Бернарда Гиттона

История создания водяных часов оказалась очень интересной, и мне захотелось попробовать сделать их дома. Но мне было непонятно, почему в этих часах использовалась только вода. Поэтому я решила посмотреть, как водяные часы будут работать, если вместо воды заполнить их, например, яблочным соком или шампунем.

Новизна этой работы для меня заключается в изучении истории создания водяных часов и изготовлении этих часов в домашних условиях.

В данной работе представлены эксперименты, которые позволяют увидеть как работают водяные часы в зависимости от наполняющих их жидкостей.

Помимо создания самих водяных часов, во время проведения опытов, я познакомилась и с другими физическими явлениями: давлением, поверхностным натяжением, вязкостью.

Экспериментальная часть

Опыт №1. Изучение скорости течения воды

Оборудование: весы, две пластиковые бутылки, иголка.  

Ход эксперимента:

1. Сделали иголкой маленькую дырку в крышке одной бутылки.

Дырочка получилась очень маленькой. Видно ее было только на просвет если посмотреть через нее на окно. На фотографии дырочка едва заметна. Даже не верилось, что в такую маленькую дырочку сможет вытекать вода.

2. Заполнили бутылку подкрашенной водой (чтобы было лучше видно на фотографиях, так как вода прозрачная) и плотно закрутили крышку.

3. Затем перевернули бутылку с водой и поставили вертикально в горлышко второй бутылки.

Результат:

Вначале, водичка бурно зажурчала и потекла через дырочку в нижнюю бутылку.

Но к моему большому удивлению, через несколько секунд течение воды сначала замедлилось, а потом и совсем прекратилось. Только редко-редко капельки капали вниз. Так можно получить часы, измеряющие не время, а вечность.

Что же случилось?

Оказывается, как сказал папа, здесь повлияло давление воздуха. Дело в том, что воздух, окружающий нас, состоит из маленьких-маленьких молекул, которые летают вокруг нас и ударяются обо все предметы, стены, мальчиков и девочек. Эти удары, поскольку их очень много, и создают давление. Поскольку молекулы летают в разные стороны совершенно произвольным образом, то и давление действует не только вниз в направлении притяжения земли, но и вверх. В результате происходит «запирание» воды в бутылке.

Как же быть?

Конечно можно увеличить размер отверстия. Но тогда у нас не получатся часы. Вода будет «булькать» и из-за этого будет течь не равномерно – водяные часы сделать не получится. (Чтобы было видно пузырьки воздуха, мы повторили опыт с прозрачной водой).

Да и дырку нужно делать слишком большую – даже с большой дыркой диаметром в полсантиметра, которую мы потом использовали для густого шампуня, вода продолжала капать очень редко.

Надо каким-то образом сделать доступ воздуха в бутылку, чтобы молекулы воздуха ударялись об воду, и давление в бутылке и снаружи было одинаковым. Оказалось, что достаточно в дне бутылки, которое расположено сверху, сделать дырку той же самой иголкой.

Вот тут водичка наконец-то побежала. Причем побежала равномерно, без «бульков».

За первую минуту вытекло 225 граммов воды (или 225 миллилитров, так как 1 грамм воды это 1 миллилитр)

А за 5 минут – всего лишь 700 грамм.

Я учусь в первом классе и умножать нас пока еще не научили, поэтому мне помог папа. 225 умножить на 5 получается 1125 и это гораздо больше 700 (папа подсказывает – почти в полтора раза). Почему так произошло? Оказывается вода также как и воздух (да и все на свете) состоит из молекул. Они также бьются друг об друга и тоже создают давления. И когда воды много она давит сильнее – и течет быстрее, но пока она течет ее становится меньше, давление уменьшается и скорость падает. Поэтому за 5 минут вытекло всего 700 миллилитров воды.

Кстати, давление часто измеряют в «атмосферах», потому что весь воздух окружающий землю составляет атмосферу. Весь воздух, который над нами до самого космоса – высотой в несколько десятков километров – это 1 атмосфера. Вода создает давление гораздо сильнее воздуха. Например, в море, на глубине 10 метров давление воды становится таким же, как и воздуха на поверхности. На глубине 20 метров – уже 2 атмосферы. И так далее. Поэтому глубоко под воду ни один водолаз не может нырнуть, а спускаются только специальные подводные батискафы.

Каким образом, учитывая изменяющуюся скорость течения воды, изготовить водяные часы?

Для этого надо зафиксировать количество воды, которое мы помещаем в бутылку. В зависимости от объема воды в верхней бутылки будут получаться часы на разное время. Для изготовления самих водяных часов мы сделали следующий опыт.

Опыт №2. Водяные часы

Оборудование: то же, что и для опыта 1, небольшой гвоздик, мерный стакан.

Ход эксперимента:

Отмерили мерным стаканом 0,5 литра воды и залили в верхнюю бутылку.

Засекли время, за которое вода полностью вытекла из верхней бутылки в нижнюю.

Вода текла все медленнее и медленнее и в самом конце вода капала через маленькую дырочку и точно определить время было сложно. Поэтому мы сделали отверстие пошире при помощи гвоздика.

Результат:

Вначале в бутылке было пол-литра воды. За одну минуту вытекло 265 граммов воды (или 265 миллилитров, так как 1 грамм воды это 1 миллилитр).

За 2 минуты 368 грамм

За 3 минуты

Полностью вся вода вытекла за 4 минуты

Причем под конец вода не текла, а капала. Но благодаря более широкому отверстию уже можно было точно засечь это время.

Получилось, что за первую минуту вытекло 265 грамм, а вся вода - за 4 минуты.

Опыт №3. Водяные часы с разными жидкостями.

Оборудование: водяные часы, полученные в опыте №2, жидкости для наполнения часов: сок, шампунь, крышки для бутылок с разным размером отверстий.

Ход эксперимента:

1. Наполнили верхнюю бутылку соком. И «запустили» часы опять.

В начале мы попробовали использовать крышку с маленькой дырочкой, сделанной иголкой.

Удивительно, но сок не потек через маленькую дырочку. Это объясняется тем, что сок более густой, чем вода. По научному густота (вязкость) - это сила, с которой молекулы держаться друг за друга. Чем более густая жидкость – тем сильнее молекулы цепляются одна за другую.

При этом молекулы «держаться» за соседей на поверхности и внутри жидкости, но им не за кого держаться снаружи. В результате возникает специальная сила, называемая поверхностным натяжением. Эта сила и мешает более густому соку вытекать в ту же дырочку, в которую вытекала вода.

Поэтому мы увеличили размер отверстия.

После этого сок потек.

Весь сок вытек за 5 минут

2. Наполнили верхнюю бутылку шампунем.

Шампунь еще гуще, чем сок, поэтому мы еще больше увеличили отверстие в крышке.

В бутылке было около 1 стакана шампуня.

И он полностью вытек за 1 минуту.

Результат:

Результаты опыта с жидкостями помещены в таблицу №1.

Таблица №1

Вид жидкости Объем жидкости Размер отверстия Время, за которое жидкость вытекла

Вода 500 мл 1 мм 4 мин

Сок 500 мл 1 мм 5 мин

Шампунь 230 мл 5 мм 1 мин

Получилось, что чем гуще жидкость, тем медленнее она течет. При этом приходиться увеличивать размер отверстия в крышке бутылки, так как густая жидкость совсем не течет через маленькое отверстие из-за большой силы поверхностного натяжения.

Заключение

Изготовление водяных часов в домашних условиях оказалось очень увлекательным занятием. Оказалось, что сделать их не так-то просто. Для этого мне пришлось сначала познакомиться с такими физическими явлениями как давление воздуха и воды, поверхностное натяжение, вязкость. В результате мне удалось сделать водяные часы, с помощью которых можно отмерить:

• 4 минуты на основе воды;

• 5 минут на основе яблочного сока;

• 1 минуту на основе шампуня.

Кроме того, я изучила историю создания водяных часов и нашла ответ на свой вопрос: почему в водяных часах использовалась почти всегда вода?

Ответ на это вопрос очень прост. Где бы не селился человек, он всегда выбирал места рядом с водой. А если воды рядом не было, то устраивались специальные водопроводные системы для снабжения водой. Вода необходима человеку для жизни. Поэтому вода всегда была доступна. При этом как бы не была ценна вода, для часов ее можно было всегда использовать. Так как при этом она не портилась и ее можно было употреблять в пищу.

Теперь мне понятно, почему про время часто говорят как про какую-то жидкость и откуда взялись такие выражения как «Много времени утекло», «Как медленно течет время».