Ювелирное обозрение

". 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?

Песочные и огневые часы заняли свою нишу среди самых древних приборов измерения времени.

Фото 2 – песочные часы

Песочные часы – это два полукруглых сосуда, соединенных тонкой перемычкой с отверстием внутри. Устройство расположено вертикально, закреплено в прочном корпусе. По внешнему виду напоминают «восьмерку».

Огневые часы в подавляющем большинстве представляют собой свечу, размеченную по длине на равные отрезки.

Принцип действия песочных и огневых часов.

Принцип действия основан на видимом равномерном изменении количества рабочего вещества через одинаковые промежутки времени.

В песочных часах время измеряется на основе изменения количества песка. В огневых приборах применяют фитили из горючих материалов (веревки, нити).

Для точности определения интервалов времени песочных часов нужно было два условия:

• Микроскопический диаметр отверстия соединительного канала двух чаш.
• Одинаковые размеры сыпучего материала.

Фото 3 – песочные часы на 30 минут.

Калибровка песчинок проводилась разными способами. Их получали из мраморного порошка, кипятили в вине, просушивали, просеивали и отмеряли определенное количество. Известно применение свинцового порошка. На то время он считался самым однородным по составу песчинок, не нарушающий гладкость внутренних стенок сосудов.

Кто и когда изобрел песочные часы?

Фото 4 – песочные часы на 2, 5 минуты. Античный стиль.

Первые песочные часы появились более 1000 лет назад. Исторически не установлено кто именно их создал. Известно, что древнегреческий ученый Архимед предложил отмерять промежутки времени, пересыпая равномерно песок из одного непрозрачного стеклянного сосуда в другой.

После открытия секрета получения прозрачного стекла идея отсчета времени с помощью сыпучих материалов дала толчок развитию и совершенствованию доступных часовых приборов.

Фото 5 – изображение песочных часов на средневековой фреске.

Первое описание песочных часов упоминается во французском трактате 1339 года.

Достоинства песочных часов:

1. Часами можно пользоваться в любое время суток.

Фото 6 – часы в серебряной оправе, 17 век. Музей Дрездена.

Недостатки:

• Можно было измерять малые промежутки времени от 15 до 30 минут.
• Необходимо постоянное присутствие человека, который ведет подсчет временных интервалов и переворачивает часы, когда верхняя колба опустошается.
• На точность измерения времени влияла форма колбы, наличие изъянов внутри стеклянной чаши, однородность откалиброванных песчинок.
• Суточная погрешность песочных часов составляла 15 – 20 минут.

Фото 7 – китайские огневые часы, VI век.

Право первооткрывателей огневых часов принадлежит Древнему Востоку. Во время правления первого китайского императора 3000 лет назад уже существовали такие примитивные устройства.

Фото 8 – огневые часы во дворце китайского императора.

Мастера Китая совершенствовали процесс определения времени, разрабатывая хитроумные конструкции, в которых сгорание фитилей сопровождалось равномерным ударом падающих шариков на металлическую подставку. Восковые свечи содержали благовония, источающие приятные запахи. Сам стержень мог состоять из отрезков с добавлением различных ароматических веществ. По мере сгорания свечи менялись осязаемые ароматы. Это дополнительно регламентировало четкость жизненного ритма человека в течение суток.

Конструкции огневых часов.

1. Свечные часы.

Свечной цилиндр мог достигать метровой высоты. Длину размечали металлическими штырьками. Воск постепенно сгорал, пластинки падали на металлическую подставку и звучанием указывали прошедшее время.

2. Фитильные часы.

Изготавливали из смеси горючих материалов (древесных опилок с дегтем).

Вертикальную металлическую спираль плотно обертывали этой смесью, равномерно прикрепляли шарики на тонких нитях. Огонь поочередно пережигал крепление элементов, а звон от падения отмерял время.

3. Лампадные часы.

Конструкция базируется на зависимости уровня масла в сосуде по мере сгорания фитиля. Часовая шкала на масляной колбе «отсчитывала» равные отрезки времени.

Достоинством огневых часов является:

1. Дополнительное освещение помещения.
2. Отслеживание хода времени по сгораемым отрезкам фитиля или звукам падающих металлических шариков на видимом и слышимом расстоянии.
3. Ароматизация помещения.

Недостатки:

1. Невозможность повторного использования некоторых элементов часов.
2. Длительное изготовление «деталей», тщательная разметка шкалы отсчета «сгораемого» времени.

Как работают песочные часы?

Песочные часы – это простейший прибор для отсчета времени. Их изобрели римляне в I в. нашей эры. Песочные часы состоят из двух сосудов, соединенных узкой горловиной, через которую пересыпается песок, заполняющий верхний сосуд. Часы рассчитаны на время от десятков секунд до нескольких часов, которое определяется по окончанию перетекания песка из верхнего сосуда в нижний. На механических часах мы узнаем время по показанию стрелки. В песочных часах время, вернее его определенный отрезок, материализован движением песка. Они до сих пор продолжают служить людям: по ним считают время телефонных разговоров или время, необходимое, скажем, для варки яиц. Правда, сегодняшние хозяйки предпочитают пользоваться таймером, который способен сам выключить горелку, если время приготовления блюда истекло.

Похожие главы из других книг

Почему важно знать, как работают банки

Почему важно знать, как работают банки В современном мире банковские системы представляют собой сложнейшие информационные системы, знание принципов функционирования которых должно входить в минимум знаний современного образованного человека. К сожалению, этих знаний

Песочные часы

Почему для измерения небольших отрезков времени (в несколько минут) песочные часы предпочтительнее водяных?

Почему для измерения небольших отрезков времени (в несколько минут) песочные часы предпочтительнее водяных? Скорость вытекания жидкости и песка (сыпучего вещества) через отверстие в дне сосуда определяется величиной давления на дне сосуда. Давление жидкости на дно

Какие размеры имеют самые большие в мире песочные часы?

Какие размеры имеют самые большие в мире песочные часы? Самые большие в мире песочные часы находятся в японском городе Нима, в местном Музее песка (открыт в 1991 году). Они имеют 5 метров в высоту и 1 метр в диаметре. В течение целого года тонна песка пересыпается из верхнего

Они работают, а вы их труд ядите

Они работают, а вы их труд ядите Из притчи (басни) «Жуки и Пчелы» (ок. 1750) драматурга и писателя-сатирика Александра Петровича Сумарокова (1717 — 1777). В притче говорится о том, что некие «невежи-Жуки вползли в науки» и стали учить Пчел делать мед (как пишет автор, «патоку»,

Как работают наши мышцы?

Как работают наши мышцы? В нашем организме существуют специальные клетки, которые составляют соединительную ткань — ткань, которая соединяет все части нашего тела вместе. Не все клетки соединительной ткани могут сокращаться или сжиматься. Но в некоторых участках тела

Как работают наши легкие?

Как работают наши легкие? Дыхание — это сложный процесс поступления в организм кислорода, использование его и удаление из организма углекислого газа. Человек дышит, вдыхая в легкие воздух и затем выдыхая его. В легких кислород воздуха переходит в кровь, а углекислый газ

Как работают хранилища крови?

Как работают хранилища крови? Во многих больницах есть хранилища крови. В них хранится кровь всех типов. Когда для переливания требуется кровь, ее берут оттуда. По мере того, как эти запасы истощаются, здоровые люди сдают вою кровь, чтобы пополнить их. Кровь может храниться

Как работают нефтяные вышки?

Как работают нефтяные вышки? Когда вы думаете о добыче нефти, вы, наверное, представляете себе высокие стальные сооружения с бьющим из них фонтаном черной нефти. Но такие нефтяные фонтаны отошли в прошлое. Современные методы бурения почти полностью исключают возможность

Почему для измерения небольших отрезков времени (в несколько минут) песочные часы предпочтительнее водяных?

Почему для измерения небольших отрезков времени (в несколько минут) песочные часы предпочтительнее водяных? Скорость вытекания жидкости и песка (сыпучего вещества) через отверстие в дне сосуда определяется величиной давления на дне сосуда. Давление жидкости на дно

Как работают поисковые системы?

Криминалисты работают под водой

Криминалисты работают под водой Кого могут искать криминалисты в морях и океанах? Конечно, морских разбойников. В этой главе вы узнаете, почему так долго пираты были хозяевами водных просторов, какие законы сплачивали морских преступников, существуют ли современные

Криминалисты и разведчики работают вместе

Криминалисты и разведчики работают вместе Разведка – серьезная профессия, в которой мало романтики и много труда. Разведчики и криминалисты работают одними и теми же методами, ведь цель у разведчика и криминалиста общая – поиск информации. Только разведчик изучает

Как работают коммерческие банки?

Как работают коммерческие банки? Обратимся к Закону «О банках и банковской деятельности» и рассмотрим, что имеют право делать коммерческие банки:– размещать средства на условиях возвратности, платности и срочности;– открывать и вести банковские счета

Как работают коллекторы?

Как работают коллекторы? Они могут звонить заемщику по телефону, встречаться с ним, во время встречи разъяснить последствия невыплаты задолженности и, если два первых шага не привели к результатам, – обратиться в суд, чтобы решить вопрос в судебном порядке.Сами