01.10.2017
Песочные часы являются особым механизмом, который создан человеком для получения сведений об одном из самых загадочных явлений на планете - времени. Стараясь объяснить принцип действия механизма, совершенно не представляется возможным не затронуть сам процесс, для которого он создан. И поэтому важно понять саму специфику времени, для того чтобы получить правильный ответ на вопрос, зачем же действительно нужны песочные часы.
Время и его роль в жизни человека
Современная наука объясняет, что такое время в трех разных физических явлениях:
1. Классическая физика и квантовая механика.
2. Теория относительности.
3. Временная ось.
В классической физике время является неизменным и абсолютным. Если песочные часы купить, то, в идеальном варианте, они будут отмерять секунды и минуты бесконечное количество раз с одинаковой скоростью. Сходная теория наблюдается и в квантовой механике. Но в отличие от физики, здесь имеет место быть временная ось.
Согласно Эйнштейну и его теории относительности, скорость времени может изменяться. Хотя уравнения, доказывающие это правило, схожи в Т-симметрии с квантовой механикой.
Ось времени это уже элемент некоторых категорий механики. Согласно им, ни одна из существующих теорий в физике или механике не определяет этот вектор. Современные ученые пытаются решить «проблему оси времени» до сих пор.
История песочных часов
Еще в древние времена была подмечена периодичная смена сезонов. Вероятнее всего в те моменты и было решено создать для себя время - величину, которая отсчитывает прожитые события. И с целью постоянного и быстрого способа узнать оставшийся период до какого-либо дня, создаются первые часы.
Впервые песочные модели, согласно историческим хроникам, были созданы еще в Древней Греции. Принадлежали они тогдашнему божеству Кроносу, которое изображалось с ними на каждой статуе или картине. В реальности это были два сосуда с равными углублениями. Между ними устанавливался лист металла или дерева. Нередко их заменяли слюдой или стеклом. Тем не менее, из-за постоянного трения, материал истирался, а часы отсчитывали неправильное время.
Другие источники указывают на то, что первые песочные часы были созданы в Азии еще о появления летоисчисления. Некоторые сведения затрагивают и Архимеда, который якобы обладал бутылочными часами.
В Европе датой начала использования этого хронометра становится конец средневековья. В 1 339 г. во Франции был создан мельчайший песок, который добывали из мраморной крошки, проколачивали в вине и сушили под лучами Солнца.
С тех пор изделие постепенно совершенствовалось, пока не стало таким, которым мы можем видеть его сейчас.
Практическое применение песочных часов
Песочные часы на 3 минуты могут использоваться и в современном мире. Хотя большинство и них заменили цифровые секундомеры, некоторые узкопрофильные специалисты все же продолжают их применять.
Песочные часы на 5 минут можно встретить в лечебно-профилактических учреждениях, лабораториях, учебных заведениях. Здесь они играют роль, в большинстве случаев, экспонатов, которыми до сих пор пользуются. В медицине ими нередко засекают небольшие отрезки времени, которые необходимы для оказания помощи пациенту или строго регламентированной процедуре.
1 минута может оказаться решительной для физика или химика, который привык проводить различного рода эксперименты. Именно для этой цели и используются песочные часы, отсчитывающий этот минимальный промежуток.
Песочные часы на 15 минут нередко используются учителями. Особенно популярны такие изделия не в простых местных школах, а элитных университетах, работающих по старым проверенным методикам. Песочные часы такого формата считаются наиболее подходящим решением отсчета времени для проведения, например, какого-либо испытания.
К сожалению, из-за появления электроники, часы, секундомеры и таймеры существуют повсеместно. Они встроены в наручные аксессуары, мобильные телефоны, компьютеры. Потому время песочных часов, как серьезного механизма давно отошло в историю. Сегодня отсчитать 10 минут может даже микроволновая печь. А, некогда серьезный прибор, становится игрушкой и необычным сувениром для тысяч людей по всему миру.
Делу время, а веселью час
Современные, доступные в продаже изделия могут стать прекрасным подарком. Для детей они становятся первым шагом в освоении простых законов физики. Потому родители стремятся пораньше привить своему подрастающему чаду тягу к науке. В обычных забавах с необходимостью подсчета времени, можно смело применять песочные часы.
В качестве игрушки деревянные красивые модели используются и взрослыми людьми. Их нередко дарят сотрудникам, близким друзьям и даже родственникам. Это необычайно красивые, искусно изготовленные песочные часы, которые устанавливают на рабочие столы в офисах.
Нередко подобные хронографы с песком устанавливают как элемент декора, создавая особый стиль интерьера.
И лишь некоторые люди хранят их как часть многовековой истории, как память о важном событии или просто забавную безделушку.
Принцип действия
Песочные часы даже современного изготовления редко можно считать эталонным прибором, способным точно отсчитать время. И этому имеется вполне научное объяснение.
Настольные песочные часы состоят из двух колб, небольшой трубочки между ними и оправы. Внутри имеется песок, который в сувенирной продукции подкрашивается необычным цветом. Под действием силы тяжести, он падает из верхней колбы в нижнюю по трубочку или узкому горлышку. В нижней же части имеется некоторое количество воздуха, который и вытесняется сыпучим материалом.
Недостатков у песочных часов оказывается очень много. Это и небольшой промежуток отсчитываемого времени, и неточность показаний. Среди достоинств выделяется минимальная стоимость изделия, которое худо-бедно отсчитывало секунды. Такое изделие в металле мог позволить себе даже бедный человек. Особое место в истории песочных часов уделяется судоходству. С их помощью моряки узнавали о смене вахты и скорости перемещения по воде. Естественно, несменным прибором они считались у медиков, вплоть до начала ХХ века.
ВВЕДЕНИЕ
История часов насчитывает много веков. И в разное время они были и предметом интерьера, и украшением, являющим престиж обладателя замысловатых часиков или массивных каминных, то ли напольно-настенных часов. А уж что касается форм часов, то здесь фантазия часовых дел мастеров просто безгранична. Чего только не придумывали мастера и заказчики, чтобы удивить свет! Описать все великолепие часов, подчас являющихся настоящим произведением искусств, просто невозможно. Сегодня часы - это признак престижа, имеющий символическое значение, знак достоинства, стиля. Часы давно перестали быть простым инструментом ограниченным его основной функцией, они не только указывают время - они отстаивают право на эстетическую привлекательность и личное уважение.
ПЕСОЧНЫЕ ЧАСЫ
Принцип песочных часов был известен в Азии значительно раньше начала нашего летоисчисления. Одним из самых старых упоминаний о таких часах является сообщение от 1339 г., обнаруженное в Париже, содержащее указание по приготовлению тонкого песка из просеянного порошка черного мрамора, прокипяченного в вине и высушенного на солнце. Несмотря на то, что песочные часы появились в Европе поздно, они быстро распространились. Этому способствовали их простота, надежность, низкая цена и не в последнюю очередь возможность измерять с их помощью время в любой момент дня и ночи. Недостатком, мешавшим широкому применению этих часов, был сравнительно короткий интервал времени, который можно было измерить, не переворачивая эти часы. Обычно песочные часы рассчитывались на работу в течение получаса или часа. Реже встречались песочные часы, рассчитанные на непрерывное измерение времени в течение 3 ч, и лишь в совершенно редких случаях строили огромные песочные часы, рассчитанные на 12 ч хода. Не давало решающего улучшения и соединение нескольких песочных часов в одно целое. Например, набор из четырех песочных часов в едином футляре был устроен так, что содержимое первой колбы высыпалось за четверть часа, второй - за полчаса и т.д. Точность песочных часов зависела от технологии изготовления самого песка. Колбы заполняли отожженным тонкозернистым песком, просеянным многократно через тонкие сита и тщательно высушенным. Обработанный таким образом песок имел красноватую окраску; светлые беловатые пески происходили из жареных тонкомолотых яичных скорлуп; сероватый песок изготовлялся из цинковой и свинцовой пыли. Песочные часы были необходимы на кораблях, их называли "корабельные склянки". Теперь песочные часы широко используются в медицине.
"...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 часы в средние века
Большим прыжков в развитии истории песочных часов стали именно средние века . Одно из самых древних упоминаниях о часах принадлежит к 14 веку, там содержатся советы по приготовлению особого, мелкого песка для использования в песочных часах.
Песочные часы появились в Европе довольно поздно , но, несмотря на это, они быстро вошли в обиход практически каждого человека, этому способствовали низкая цена, простота в использовании, надежность, и самое главное, возможность измерить время не зависимо от времени суток, это выгодно их отличало от солнечных часов.
Самые распространенные часы имели один существенный недостаток — это сравнительно небольшой интервал, час или полчаса. Редкостью были часы, которые могли измерить 3 часа, и совсем единицы были рассчитаны на относительно большое время работы песочных часов . Это были огромные, громоздкие конструкции, которые могли отсчитывать интервалы по 12 часов.
Производство песочных часов
Самое главное значение для точности хода песочных часов имело качество песка , он должен быть просеян через многочисленные сита, тщательно высушен и отожжен. Стеклянные колбы для изготовления часов производились уже по известной технологии. В место, где стыковались колбы, вставлялась пластина, которая должна была регулировать скорость пересыпания. Что бы скрепить две колбы, место их стыка плотно обматывалось ниткой и дополнительно покрывалось смолой.
Для точности хода также имели значение форма колб и качество их поверхности. При очень длительной эксплуатации песочных часов точность их ухудшалась. Это было связано с тем, что внутренняя часть колбы постепенно царапалась песком, а также большую роль имело то, что песок измельчался в более мелкие фракции.
Песочные часы — фото
Представляем вам фото различных форм песочных часов.
Значение песочных часов
Песочные часы это символ, напоминающие нам об умеренности , о том, что время скоротечно, и не нужно чтобы отведенное время сокращалось излишествами. Два сосуда олицетворяют цикличность, смену жизни и смерти, хаоса и порядка.
Конечно, уйти от классической формы песочных часов далеко не получится
, ведь две, соединенные между собой, колбы и оправа и есть основа таких часов. Но можно менять саму форму колб и поддерживающей их рамы на какую угодно. Например, отличным подарком в бизнес кругах, являются песочные часы колбы которых являются логотипом компании. Также есть возможность экспериментировать с материалами: цветные стекла, камни различных пород, дерево, металлы (возможно даже драгоценные), могут сделать песочные часы уникальными в своем роде.
Самые большие в мире песочные часы имеют высоту 11,9 метров , и их цикл составляет 1 год, это величайшее устройство для измерения времени. Эти часы в июле 2008 году можно было увидеть в Москве, на Красной площади. Самые маленькие часики высотой всего 2,5 см, создали их в Германии, в Гамбурге, песок из верхней колбы этих часов высыпается всего за 5 секунд.
Даже учитывая то, что песочные часы имеют недостатки и не самые точные, их использовали даже после изобретения механических часов, в 20 веке их использовали на телефонных станциях и в залах суда.
В настоящее время песочные часы играют больше декоративную роль , в качестве элементов дизайна интерьера. Так же это древнее изобретение используется во время проведения некоторых медицинских процедур.
Песочные часы в деревянном корпусе.
Песо́чные часы́ - простейший прибор для отсчёта промежутков времени , состоящий из двух прозрачных сосудов, соединённых узкой горловиной, один из которых частично заполнен песком . Время, за которое песок через горловину пересыпается в другой сосуд, может составлять от нескольких секунд , до нескольких часов .
История и современность
Одним из первых упоминаний о таких часах является обнаруженное в Париже сообщение, в котором содержится указание по приготовлению тонкого песка из порошка чёрного мрамора , прокипячённого в вине и высушенного на солнце . Также использовалось в Византийской империи в X веках
В настоящее время песочные часы используются при проведении некоторых врачебных процедур, в фотографии , а также в качестве сувениров .
В операционных системах Windows символ песочных часов, в который обращается указатель мыши используется для индикации занятости системы.
⌛ - символ песочных часов в Юникоде (HOURGLASS , код U+231B).
Достоинства
Простота конструкции.
Недостатки
Недостатком песочных часов является короткий интервал времени, который можно измерить с их помощью. Часы, получившие распространение в Европе, обычно были рассчитаны на работу в течение получаса или часа. Встречались часы, работающие в течение 3 часов, очень редко - 12 часов. Для увеличения интервала измерения составлялись наборы песочных часов в одном корпусе (футляре).
Точность песочных часов зависит от равномерной зернистости и сыпучести песка, формы колбы, качества её поверхности. Колбы заполнялись отожжённым и просеянным через мелкое сито и тщательно высушенным мелкозернистым песком. В качестве исходного материала также использовались молотая яичная скорлупа, цинковая и свинцовая пыль. При длительном использовании точность песочных часов ухудшается из-за повреждения песком внутренней поверхности колбы, увеличения диаметра отверстия в диафрагме между колбами и дробления песчаных зёрен на более мелкие.
