Песочные часы: виды и другие интересные факты. Чем неудобны песочные часы Когда изобрели песочные часы

"...И в вечности песочные часы останутся, как детская игрушка".
В далеком прошлом старинные песочные часы, служившие в Древней Греции символом бога Кроноса, главного судьи и хранителя времени, изготавливали из двух стеклянных колб, которые соединялись друг с другом через диафрагму из металла, стекла, слюды или дерева. При длительном использовании песочных часов эти диафрагмы зачастую стирались, увеличиваясь в диаметре. Песок сыпался быстрее, и «ход» времени нарушался.

С 1750 года стеклодувы научились делать единую стеклянную колбу для песочных часов. Колба плавно переходила в узкое горлышко и опять расширялась. Ее стали заполнять песком через маленькое отверстие в донышке, которое затем закрывали воском. С 1800 года отверстие в колбе мастера научились запаивать.

Песок всегда был основным наполнителем для песочных часов. Точность песочных часов зависит от состояния песка, формы колбы и качества её поверхности. Песок должен быть сухим, однородным, круглые песчинки должны иметь желательно одинаковые размеры и высокую устойчивость к стиранию. В средние века использовали еще и мраморную, цинковую или свинцовую пыль, а также молотую яичную скорлупу. С 13 века известны разнообразные рецепты приготовления «песка» для часов. Его просеивали, промывали, вываривали и отжигали. В наше время вместо песка применяют мельчайшие стеклянные шарики.

Песочные часы были когда-то основным, достаточно точным инструментом для измерения времени. Начиная с 15 века они использовались и на кораблях для навигации. Во время кругосветного путешествия Магеллан, на каждом из своих кораблей установил по 18 песочных часов. Специально приставленные матросы переворачивали песочные часы.

Как работают классические песочные часы?
В верхней части колбы песок устремляется вниз и падает под действием силы тяжести. В начале движения нарастающему потоку падающих песчинок противостоит обратный поток вытесняемого из нижней части колбы воздуха, который устремляется вверх, пытаясь пройти между отдельными песчинками.
Скорость струи песка определяется скоростью падающих песчинок при возникновении равновесия между силой тяжести, действующей на песчинки, и силой сопротивления воздуха, возникающей при падении песчинок.
Установившийся поток падающего песка постепенно приводит к увеличению давления воздуха в нижней части колбы. Когда струя песчинок уже почти иссякает, видно, как поток воздуха, вырывающийся снизу вверх, подхватывает последние песчинки в верхней части колбы и приподнимает их на несколько миллиметров, прежде чем они окончательно упадут вниз.

Почему с помощью песочных часов можно измерить время?
Песок - это сложный материал, который порой ведет себя как твердое тело, а иногда как жидкость. Кажется, что в песочных часах равномерная струя песка подобна потоку жидкости, но здесь есть существенное различие. Если бы это была жидкость, то ее количество, протекающее через отверстие часов, зависело бы от высоты столба жидкости над отверстием. А количество песка, проходящее в песочных часах через отверстие за единицу времени, от высоты песка над отверстием не зависит. Именно поэтому песок можно использовать для измерения времени в песочных часах.

Постоянная скорость потока песка обусловлена возникающим в толще песка перераспределением сил, которые появляются в точках соприкосновения песчинок. В больших объемах песка благодаря этим точкам соприкосновения образуются "сети" из песчинок, в которых возникают куполообразные "мосты".

Эти мосты создают давление на стеклянные стенки колбы. Нижележащие слои песка в какой-то мере освобождаются от давления верхних слоев. В результате среднее давление песка над отверстием, даже при изменяющемся уровне песка, остается практически постоянным. Так возникает постоянная скорость струи песка в песочных часах.

Как можно «управлять» временем?

Подвесим песочные часы на эластичной нити (резинке) и заставим их колебаться вверх-вниз, Полное перетекание всего песка в часах сверху вниз будет происходить дольше, чем в нормальных условиях, т.е. если бы они, например, стояли на столе.

Диаметр отверстия, соединяющего половинки колбы, обычно делают как можно меньше, чтобы при меньшем количестве песка в часах увеличить время пересыпания песка, т.е. увеличить время работы песочных часов.
Поток гранулированного вещества (песка) отличается от потока жидкости. Песок струится от начала и до конца через отверстие с одной и той же скоростью. Это свойство основывается на возникновении сводов (мостов) внутри песка. В песочных часах это может даже привести к перекрытию отверстия, и песок перестанет стекать вниз. При движении часов с ускорением вверх или вниз (например, при покачивании) подобные перекрывающие мосты распадаются.

Как еще можно «повлиять» на время?

Например, обхватить нижнюю часть колбы ладонями. Через некоторое время «время остановится», поток песчинок прекратится. То, что здесь кажется мистическим наложением рук, может быть объяснено вполне логически. При нагревании нижней части колбы, воздух в ней нагревается, расширяется и стремится подняться в верхнюю часть колбы, и тогда равномерный поток песчинок в песочных часах может быть нарушен или даже полностью прекращен.

Интересные явления можно наблюдать в некоторых необычных песочных часах!

Для сухого песка угол естественного откоса кучки песка, образующейся в нижней части колбы, составляет порядка 30-35 градусов. Это значение зависит и от формы песчинок. Угловатые песчинки создают более крутые склоны, а закругленные - более пологие.
Если наполнить песочные часы песком с песчинками различного диаметра, то при образовании струи песка песчинки начнут очень интересно распределяться, как в верхней части колбы, так и в нижней.

Внизу сначала образуется маленький конус, струящийся сверху песок образует песочные лавины, которые скользят по склону песчаного конуса вниз. При этом происходит сортировка песчинок по размерам: крупные скапливаются преимущественно у подножья конуса, а на склонах конуса песок ложится отдельными слоями из самых мелких песчинок и песчинок покрупнее.
Такая "полосатость" объясняется двояко: самые мелкие песчинки могут проникать между крупными и образовывать слой, а крупным легче скатываться по склону, и они таким образом тоже создают свой слой.
Эти процессы постоянно повторяются.
И в верхней части колбы происходит что-то похожее, только здесь при движении песка образуется конусная воронка.

Эта модель песочных часов похожа на обычные песочные часы, но имеет два отличия. Первое - песок находится между двумя плоскими пластинами, и второе - часы наполнятся песком, содержащим песчинки разного размера. Отсюда и появление вышеописанных "полосатых" эффектов.
На примере такой научной "игрушки" серьезные люди изучают серьезные проблемы, возникающие, например, при складировании сыпучих материалов.

Наряду с классическими существуют и современные конструкции песочных часов, работу которых интересно было бы рассмотреть. Такие часы даже называют "парадокс-часами".

Вы не поверите своим глазам, в этих часах "песок" течет снизу вверх, однако и законы природы остаются в силе!

Стеклянный баллон заполняется жидкостью большой плотности и мелкими шариками с плотностью значительно меньшей, чем плотность жидкости. В более плотной жидкости шарики с меньшей плотностью поднимаются, как и положено, вверх. Это основной принцип парадокс-часов, на основе которого «песок» поднимается снизу вверх. И все повторяется по-новой при каждом переворачивании часов.

Необычные песочные часы могут иметь в качестве «песка» мельчайшие пластиковые шарики или наполненные воздухом стеклянные шарики. Очень красиво выглядят также полые прозрачные шарики, частично заполненные подкрашенной водой.

В вертикальном положении часов возникает относительно плотный и не очень равномерный поток шариков вверх. Шарики должны проникнуть наверх через узкое отверстие, при этом из-за вязкости жидкости они частично увлекают ее за собой, в то время как жидкость одновременно стремится и вниз.

В основном скорость опускания и подъема шарика в жидкости зависит от разности плотностей шариков и жидкости, от диаметра шариков и от прочности жидкости, а прочность жидкости сильно зависима от температуры.

Если запустить парадок-часы, и дать подняться вверх хотя бы нескольким шарикам, а затем положить часы набок, то можно хорошо увидеть отдельные шарики, медленно поднимающиеся вверх.

При этом можно даже успеть определить скорость подъема отдельных шариков.
Если поставить часы опять вертикально, чтобы шарики начали потоком подниматься в верхнюю часть колбы, то в нижней части колбы, почти полностью заполненной шариками, можно будет отчетливо увидеть «дыру», смещающуюся вниз. Это явление можно сравнить с перемещением «дырки» в полупроводнике.

«Забывчивые» или «непослушные» песочные часы.

В заполненный водой цилиндр опущены обычные песочные часы. Внешний диаметр песочных часов на несколько миллиметров меньше, чем внутренний диаметр цилиндра. В состоянии покоя часы, как поплавок, находятся у верхнего края цилиндра, а весь песок находится в нижней части колбы.
Если цилиндр теперь перевернуть, то сначала песочные часы остаются внизу цилиндра, хотя песок уже начал свое движение. И только когда почти половина песка перетекла, песочные часы поднимаются к верху цилиндра. И уже наверху цилиндра остаток песка в часах пересыпается в нижнюю часть колбы.

«Забывчивые» песочные часы начнут всплывать только через некоторое время после переворачивания цилиндра.

Почему же песочные часы не поднимаются сразу после переворачивания цилиндра?
Находящиеся внутри цилиндра песочные часы имеют среднюю плотность меньшую, чем у воды. Поэтому часы поднимаются наверх. Если перевернуть часы, то сначала почти весь песок будет находиться в верхней половине колбы, центр тяжести часов будет находиться, соответственно, выше середины часов.

Если бы часы находились не в узком цилиндре, а в свободной воде, то они бы сразу же перевернулись за счет возникшего вращающего момента. В узком же цилиндре их толкает на внутреннюю стенку цилиндра. Здесь возникает прилипание (статическое трение), которое препятствует быстрому всплытию часов.

Только когда почти половина песка вытечет, центр тяжести часов опустится ниже середины. Статическое трение о стенку цилиндра и вращающий момент исчезнут, теперь часы могут всплывать к верху цилиндра.

«Плавающие песочные часы»

В качестве следующего примера необычных песочных часов можно привести вариант, который называется «Плавающие песочные часы». Здесь цилиндрические песочные часы находятся в цилиндре, заполненном водой.

Внешний диаметр песочных часов лишь чуть-чуть меньше внутреннего диаметра цилиндра. Из-за вязкости жидкости песочные часы будут подниматься и опускаться в таком цилиндре очень медленно.
По своему принципу действия песочные часы, расположенные в узком цилиндре, аналогичны прибору для измерения вязкости жидкости.

Время, за которое песок через горловину пересыпается в другой сосуд, обычно составляет от нескольких секунд, до нескольких часов. Раньше для увеличения интервала измеряемого времени составлялись даже наборы песочных часов в одном корпусе.

Песочные часы "Колесо времени"

В наше время научились изготавливать песочные часы с «заводом» на целый год В столице Венгрии Будапеште, каждый год в последний день декабря, гигантские песочные часы «Колесо времени» высотой в несколько метров совершают пол-оборота, чтобы начать новый годовой цикл работы.

Переворот песочных часов производится всегда в одном направлении, по старинке: с помощью тросов и простого механизма.

А здесь - фокус!

Знаете ли вы, что можно установить яйцо на столе острым концом вниз?
Внутри такого яйца делают асимметричные песочные часы. Когда весь песок находится в симметричной относительно яйца части колбы, то его можно поставить на стол на острый конец и оно будет стоять

Через некоторое время, когда песок начнет ссыпаться, центра тяжести яйца сместится, и яйцо упадет. Второй раз его невозможно будет поставить на острый конец до тех пор, пока весь песок в часах не пересыпется обратно в первоначальное положение.

В наше время песочные часы приобрели множество различных вариаций исполнения и перешли уже в разряд сувениров и научных игрушек.

Вместо песка и воздуха в «песочных часах» могут использоваться, например, шарики и жидкость или две жидкости, сильно различающиеся по плотности.
А может быть вам удастся изобрести свой варинт "песочных" часов?

Измерять время люди начали очень давно. Для этого использовались вода и солнечный свет, позднее энергия песчинок, механическая сила пружин, а в наши дни чаще всего колебания пьезокристаллов.

Когда-то одним из основных приспособлений измерения времени были песочные часы. Достоверно известно, что принцип их построения знали в Азии намного раньше до начала нашего летоисчисления. Однако в античном мире, несмотря на упоминания о бутылочных часах и попытке изготовить стекло, песочные часы не были сконструированы. В Европе же они появились в Средние века.

Документально подтвержден тот факт, что в XIV веке для производства песочных часов использовался песок из мрамора, свинцовой или цинковой пыли, кварцевый, а также из яичной скорлупы. Чем более гладким было стекло, тем выше была точность хода. Также она зависела от самого песка и от формы сосудов. Наличие диафрагмы позволяло регулировать количество и, соответственно, скорость пересыпания песчинок. Правда в те времена мастерам так и не удалось добиться точности и долговечности песочных часов из-за механического разрушения зерен.

Временной интервал, на который рассчитываются часы, обычно составлял от пары секунд до одного часа, реже несколько часов. Однако есть и исключения, которые находятся в Будапеште (Венгрия) и Ниме (Япония). Эти песочные часы достигают в высоту нескольких метров, а их цикл составляет один год.

Долгое время на кораблях использовались 30-ти секундные песочные часы, которые применяли для измерения скорости и получасовые — времени вахты. Также тридцатиминутные хронометры применялись на судебных заседаниях, а тридцатисекундные — в медицине.

В истории песочных часов известно множество попыток их усовершенствовать, например, с помощью пружинных механизмов для переворачивания, или заменяя песчинки ртутью. Вот только все эти нововведения не прижились, и современные часы такие же, как и несколько веков назад.

Сегодня мало кто использует песочные часы для измерения времени, а вот в качестве символа с ними сталкиваются очень многие. Так с пользователями операционной системы Microsoft Windows это происходит при каждом сеансе, просто указатель мыши превращается в переворачивающиеся песочные часы, показывая занятость системы.

Песочные часы. Прошлое, Настоящее и Будущее.

Как всё начиналось.

До изобретения механических часов, часы использовали движение Солнца или простые измерительные приборы для учёта рабочего времени. Солнечные может быть самый древний прибор по определению времени, они до сих пор используются во многих парковых зонах как популярный аксессуар, привлекающий к себе внимание, но вызывая лишь визуальный интерес, ни о каком практическом применении речи не идёт. Стоунхендж, гигантский памятник, построенный из вертикальных камней на равнине Солсбери в Уилтшире в Англии, возможно, использовался в качестве солнечных часов и в качестве календаря. Солнечные часы имеют очевидные недостатки, они не могут использоваться в помещении, в ночное время и пасмурные дни.

Другие простые измерительные устройства также использовались для определения промежутков времени. Можно выделить четыре основных типа таких устройств, которые можно использовать в помещении и вне зависимости от погоды и времени суток. Часы свеча – это свеча с линиями, нанесёнными прямо на её теле, обычно отмечали длительность в один час. По количеству сгоревших отметок определяли пройденное время. Но часы свечи имели недостатки, определение времени было довольно условным потом у что, различный состав воска, фитиль, а так же сквозняки и другие факторы сильно влияли на процесс горения свечи. Часы масляная лампа – использовались в 18 веке, это был усовершенствованный вариант часов свеча. Суть заключалась в том, что на резервуаре с керосином была шкала, и в процессе его выгорания вёлся учёт времени. Такой вид часов был более устойчив к влиянию окружающей среды и материалов. Водяные часы также использовались для контроля времени, вода капала из одного резервуара в другой, на котором были нанесены отметки с промежутками времени. Или просто вода из резервуара капала на землю(если воду не экономили), резервуар как и во всех предыдущих вариантах имел шкалу. Водяные часы также известны как клепсидра.

История.

Использовались ещё древними греками и римлянами. Первые исторические ссылки на песочные часы появляются в III веке до нашей эры. История так же свидетельствует, что песочные часы использовались в Сенате Древнего Рима, во время выступлений и песочные часы становились всё меньше и меньше, возможно, в качестве показателя качества политических речей. В Европе первые песочные часы появились в восьмом веке. К началу XIV века песочные часы широко используются в Италии и к концу века во всей Европе. Песочные часы имеют тот же принцип что и клепсидра. Две стеклянные колбы соединены узким горлышком, так что песок(с относительно однородным размером зерна) проходит от верхней колбы к нижней. Стеклянные ёмкости заключены в обрамляющий каркас, позволяющий легко переворачивать песочные часы, для того чтобы начать новый отсчёт времени. Песочные часы находят применение повсеместно, в частных домах на кухнях, в церквях для контроля длины проповеди, в лекционных залах университетов, в магазинах ремесленников. Медицинские работники используют миниатюрные песочные часы с длительностью пол или одной минуты, для отсчёта пульса и других медицинских процедур, практика применения таких часов продолжалась вплоть до 19 века.

Материал.

Стекло для песочных часов выполнено из того же материала, что и все другие виды выдувного стекла. Песок является самым сложным компонентом песочных часов. Не все типы песка можно использовать, так как крупинки песка могут быть слишком угловаты и не смогут должным образом протекать через горловину песочных часов. Песок с солнечных пляжей выглядит заманчиво, но совершенно не подходит для часов, так как он слишком угловатый. Мраморная пыль, пыль других скальных пород, мелкие круглые песчинки как у речного песка лучше всего подходят для песочных часов. Что любопытно, в средние века книги для домохозяек содержат рецепты приготовления клея, красок, мыла, а так же песка для песочных часов. Возможно лучший песок, это вовсе не песок, а стеклянные крохотные шарики диаметром 40-160мкм. Кроме того такие стеклянные гранулы можно сделать в различной цветовой гамме, что даёт возможность подобрать песочные часы под интерьер помещения где они будут располагаться.

Дизайн.

Дизайн и концепция обычно являются наиболее сложным этапом в производстве песочных часов. Мастер по производству часов должен одновременно хорошо ориентироваться в мире дизайна, быть художником, хорошо контактировать с общественностью, а так же хорошо знать технологию производства. Люди и компании, заказывающие песочные часы, хотят чтобы они отражали их характер, стиль бизнеса, а так же содержали материалы связанные с их продуктами. После того как разработка дизайна завершена, фактическое производство часов довольно простое.

Песочные часы имеют различные формы и размеры, самые маленькие размером с запонку, а наиболее крупные размером в 1 метр. Песочные могут иметь почти круглые, продолговатые колбы, а могут содержать их не две, а образовывать каскады. Фигура песочные часы очень популярна.

Процесс производства.

После того как с дизайном и выбором материалов всё решено, тело песочных часов выдувается на стеклянно-токарном станке до размера, соответствующего размеру временного интервала песочных часов. Рамка часов предоставляет возможность для фантазии и может быть выполнена в настоящее время из многих материалов. Одно из самых больших заблуждений является то, что существует формула для определения количества песка, находящегося в часах. Количество песка в песочных часах не подлежит анализу или расчёту. Тип зёрен песка, шероховатость стекла, дизайн и форма отверстия накладывают слишком много переменных для определения скорости прохождения песка через горловину песочных часов, так что количество песка не может быть математически рассчитано. Процесс обстоит так, перед тем как загерметизировать верхнюю колбу в неё добавляют песок и пропускают его через горловину песочных часов в количестве соответствующем предписанному интервалу времени. После завершения расчётного периода времени, песок, оставшийся в верхней части колбы высыпают и герметизируют колбу. Заказчик является полноправным участником производства, ведь все его пожелания учитываются и строго выполняются. Конечным результатом является то, что клиенты получают изделия ручной работы, которые соответствуют их требованиям и вызывают исторические и художественные ассоциации. Песочные часы являются эстетическим украшением, а не точными часами.

Будущее и Песочные часы.

Песочные часы, казалось бы, не имеют будущего. На самом деле, красивая форма самой стеклянной колбы, изящно исполненная рамка, цвет песка могут идеально дополнить интерьер, описать какой либо случай из жизни. Конечно может быть массовое производство песчаные часы не получат, но для ценителей времени, прекрасного, коллекционеров такой объект будет всегда желанным.

Еще в далекие времена задолго до начала нашей эры люди уже знали, что такое время, и умели определять его по звездам, солнцу, цветам, поведению животных.

Первыми часами, которые на наш взгляд являются неким "прорывом" во времени, являются солнечные часы . Такие часы представляли собой стержень (палку), воткнутый в землю, вокруг которого были расставлены цифры. Палка отбрасывала тень от движущегося по небу солнца на цифры, вследствие чего можно было узнать текущее время. Долгое время они совершенствовались (вплоть до 15 века), однако имели существенные недостатки. Минусом таких часов является то, что на небе не всегда можно увидеть солнце (из-за туч, например), а значит часы на некоторое время перестанут работать. Также время можно было определить только в дневное время суток - ночью часы не работали.

Поэтому люди искали альтернативу. На смену солнечным часам пришли водяные (клепсидры ). Они представляли собой полый внутри сосуд, у которого внизу имелось отверстие. По количеству воды, равномерно вытекающей из него, можно было определить время. Родиной таких часов является ближний восток. Арабские клепсидры имели высокую функциональность и являлись целым произведением искусства. Они решили проблему солнечных часов и на долгое время использовались людьми.

Появление Огненных часов ученые относят к 13 веку. По принципу действия они были похожи на клепсидры, только вместо сосуда с водой использовалась длинная свеча. По мере сгорания свечи метки, нанесенные на нее через определенное расстояние, пропадали. Со временем к меткам добавились металлические стерженьки. Когда метка сгорала, он падал на такое же металлическое блюдо, и раздавался звук. Этот способ был в своем роде будильником.

Песочные часы

Следущей ступенью стали песочные часы . Они были сделаны из двух стеклянных колб, соединенных тонким горлышком. Песок пересыпался из одной колбы в другую, что и стало принципом их действия. Часы стали не только прибором, измеряющим время, но и украшением домов вельмож, чиновников, бояр. Недостатки песочных часов:

• Часы могли действовать лишь небольшое количество времени. Обычно, оно не превышало несколько часов.
• Часы для нормальной и постоянной работы приходилось через короткий промежуток времени переворачивать, чтобы песок снова начал сыпаться.
• Дороговизна таких часов тоже давала знать о себе. Часы выполнялись из стекла, что было в давние времена диковинкой. Кроме того, они зачастую украшались дорогими металлами и камнями.

Песочные часы завершают эпоху "простых" часов и уступают свое место механическим, а потом и электронным часам, которые являются целой наукой.