Pomiar czasu na przestrzeni dziejów

Historia początków pomiaru czasu jest bardzo odległa i wiąże się ściśle z rozwojem badań
astronomicznych. Rachuba czasu odegrała również ważną rolę w kartografii, a także miała i ma
znaczenie w życiu codziennym. Powiązanie jej z astronomią wynika z faktu, iż jest ona oparta na
pozornym

ruchu

Słońca po sklepieniu niebieskim. Pierwszym przyrządem służącym do wyznaczania

czasu był gnomon, wynaleziony prawdopodobnie przez Chińczyków około 2500 r. p.n.e. (według
niektórych źródeł data powstania gnomonu jest ustalana na rok 3000, a nawet 4000 p.n.e.) .
Instrument ten stanowił pionowo ustawiony pręt lub słup, u podstawy którego oznaczano godziny.
Przesuwający się w ciągu dnia cień pełnił rolę wskazówki, która wyznaczała czas. A zatem, był to
rodzaj

zegara

słonecznego ustawianego na placach publicznych miast chińskich, egipskich i

babilońskich. Nie zdawano sobie jednak sprawy z tego, że zależnie od pory roku temu samemu
kierunkowi i tej samej długości cienia odpowiadają różne godziny. W okresie późniejszym, około 2000
r. p.n.e. Egipcjanie wprowadzili przenośne zegary słoneczne, a także podobne instrumenty, lecz
oparte nie na

kierunku

padającego cienia, ale na jego długości. Natomiast ustalenia czasu w porze

nocnej dokonywano za pomocą zegara gwiazdowego.

Zegary słoneczne przeszły znaczną ewolucję i w formie zmodyfikowanej są używane do dzisiaj.
Różnica w porównaniu do pierwowzorów polega na tym, że pręt w stosunku do tarczy nie jest
ustawiony pionowo, lecz nachylony pod odpowiednim kątem do szerokości geograficznej miejsca
lokalizacji instrumentu. Wprowadzenie tej modyfikacji zapewniło dużą dokładność pomiaru czasu.
Gnomon, jak już wspomniano, należy do najstarszych przyrządów astronomicznych, ponieważ według
długości i kierunku rzucanego cienia wyznaczano deklinację i azymut Słońca.
Prawdopodobnie pierwszym instrumentem, który umożliwiał określenie czasu bez względu na porę
doby był zegar wodny. Data jego powstania nie jest znana. W swojej pierwszej wersji, skonstruowanej
przez Egipcjan, było to urządzenie bardzo proste, ale też i niedokładne. Składało się bowiem z
naczynia wypełnionego wodą, z którego poprzez otwór denny wyciekała woda. Przyrząd ten
stosowany również w Chinach pomimo wprowadzonych ulepszeń nie spełniał należycie swojej roli.
Zegar chodził nieregularnie, ponieważ jego ruch zależał od wysokości słupa wody w naczyniu. W
miarę jej ubywania woda wypływała coraz wolniej. Istotną zmianę w konstrukcji zegarów wodnych
wnieśli Grecy. Polegała ona na tym, że nowy zegar, nazwany klepsydrą, miał ściśle określony czas
pracy, wynoszący zwykle od kilku do kilkunastu minut. Celem bowiem było ograniczenie czasu
przemówień Miał on zastosowanie zarówno na zebraniach publicznych, jak i rozprawach sądowych, a
od V w. p.n.e. stanowił wyposażenie greckich szkół retoryki. Poprawiane i ulepszane zegary wodne
przetrwały do początku XIV wieku. Prawdopodobnie w tym samym okresie powstał zegar piaskowy.
Był to instrument oparty na tej samej zasadzie co zegar wodny, w którym miejsce wody zajął piasek.
Zegar piaskowy odznaczał się większą precyzją, ponieważ nie zależał od ilości piasku w naczyniu .
Prawie w niezmienionej postaci był montowany na ambonach jako tak zwany zegar kazaniowy, zwykle
dwudziestominutowy. Dzisiaj, chociaż nie pełni on dawnej roli, można go spotkać w sklepach z
pamiątkami.

Inną odmianą całodobowego instrumentu pomiaru czasu był używany w Chinach zegar ogniowy.
Początkowo rolę tę pełniła paląca się świeca, na której oznaczono podziałkę. Później były to rowki
wypełniane łatwo palnym proszkiem. Okres jego spalania wyznaczał upływ czasu. Zegary te,
podobnie jak wodne, charakteryzowała stosunkowo mała dokładność.
Wspaniałym osiągnięciem naukowym i technicznym starożytnej Grecji było wynalezienie
prawdopodobnie przez Hipparcha astrolabium. Przyrząd ten udoskonalił Ptolemeusz. Składał się z
kilku kręgów początkowo drewnianych, później miedzianych, mosiężnych, a nawet srebrnych.
Astrolabium jest modelem rzutów nieba na płaską powierzchnię i pokazuje pozycję obiektów nieba w
określonym czasie lub dacie, jako widoczne z danej szerokości geograficznej na powierzchni Ziemi.
Zainteresowanie tym instrumentem przejawiali Arabowie, którzy go udoskonalili. Dzięki Arabom
(którzy w IX wieku podbili Iberię), astrolabium przedostało się do Europy Zachodniej. Instrument ten
miał uniwersalne zastosowanie, używano go w astronomii, nawigacji i miernictwie. Służył również do
określania czasu zarówno w dzień (z obserwacji Słońca), jak i w nocy (z obserwacji gwiazd).

Na początku XIV wieku pojawiły się nowe instrumenty pomiaru czasu - zegary mechaniczne, w
których źródłem ruchu była energia mechaniczna zawarta w sprężynie lub obciążniku. Odpowiednią
prędkość ruchu kół zębatych zapewniał regulator. Pierwsze przyrządy tego typu były stosunkowo

1

prymitywne, nie miały bowiem ani tarcz, ani wskazówek, rolę tę pełnił dzwon, który uruchamiany przez
mechanizm wybijał godziny. Zegary te, znacznych rozmiarów, umieszczano przeważnie na wieżach
kościołów, ale też na frontonach pałaców i ratuszy. Jednym z pierwszych, zachowanych do dziś
czasomierzy mechanicznych jest zegar katedralny w Wells (Anglia) datowany na rok 1325. Od tego
momentu rozpoczyna się niezwykła kariera instrumentu. Stał się on powszechny również na ziemiach
polskich. Najstarszy, umieszczony na frontonie ratusza wrocławskiego, pochodzi z roku 1368. Na
początku XV wieku zegary wieżowe miały także: Gniezno, Gdańsk, Kraków, Lwów i Warszawa.
Jeszcze w XIV stuleciu dokonano istotnych zmian w konstrukcji zegarów mechanicznych poprzez
dodanie tarczy i wskazówki godzinowej. Instrumenty tego typu służyły również do obserwacji
astronomicznych. Pierwszym, który wykorzystywał zegar mechaniczny do tego celu był Bernard
Walther. Jednak uzyskane

wyniki

nie były zadowalające. Ówczesny zegar pozwalał określić czas z

dokładnością do piętnastu minut.
Od momentu pojawienia się zegarów wieżowych czyniono starania w kierunku ich miniaturyzacji -
stworzenia zegara domowego. Z opisów historycznych wynika, że pierwwsze egzemplarze nowego
czasomierza skonstruowano prawie równocześnie z zegarem wieżowym. Miały one ten sam
mechanizm oparty na obciążniku, tarczę oraz wskazówkę godzinową. Duże znaczenie w dziedzinie
pomiaru czasu miało wprowadzenie nowego rodzaju napędu - sprężyny. Stało się to prawie dokładnie
wiek później od momentu wynalezienia zegara wieżowego. Wskazuje na to data wykonania
najstarszego znanego instrumentu przeznaczonego dla Filipa Dobrego – księcia Dzięki zastosowaniu
sprężyny przyrząd uległ dalszej miniaturyzacji aż do rozmiarów umożliwiających jego przenoszenie.
Niemniej jednak miał on dwie wady: był mało dokładny i pracował wyłącznie w pozycji pionowej. Stąd
też słuszny pomysł wykorzystania zegara do obliczania długości geograficznej na morzu, opisany w
jego książce Zasady astronomii i kosmografii, wydanej w 1530 roku, nie mógł być zrealizowany.
Instrument zatrzymywał się przy każdym ruchu statku. Istotny postęp w dziedzinie konstrukcji
czasomierzy nastąpił dopiero w drugiej połowie XVII wieku. Zawdzięczamy to pracom, jakie w tym
kierunku prowadził matematyk, astronom i fizyk, profesor uniwersytetów w Hadze i Paryżu, Holender
Christiaan Huyghens. Jest on uważany za wynalazcę instrumentu nowego typu - zegara wahadłowego
(1656). W roku 1658 ukazała się praca Horologium Chństiaana Huyghensa, syna Konstantyna
opisująca wynalazek. Jednak skonstruowany przyrząd nie odmierzał czasu precyzyjnie. Złożyło się na
to kilka przyczyn: mała dokładność wykonania kół zębatych mechanizmu zegara, zakłócenie wahań
spowodowane tym, że wahadło nie zwisało swobodnie, a było połączone z mechanizmem za pomocą
widełek, wreszcie zmiana długości prętu wahadła pod wpływem temperatury. Eliminacja pierwszych
dwóch przyczyn wadliwego funkcjonowania mechanizmu, a także dalsze jego udoskonalenie zajęły
Huyghensowi znaczną część życia. Natomiast brak wiedzy dotyczącej kurczliwości bądź
rozszerzalności metali spowodowanej zmianami temperatury stał się przeszkodą trudną do pokonania.
To zadecydowało, że jego zegar nie został wykorzystany jako instrument pomagający ustalić długość
geograficzną na morzu, gdzie zmiany temperatury mogą następować dość często. Huyghens był
również wynalazcą balansu ze spiralą (1675) - urządzenia spełniającego rolę wahadła, które znalazło
zastosowanie i do dziś jest używane w małych zegarach.

Znaczące wyniki prac nad zegarem spełniającym warunki pracy na morzu i pozwalającym wyznaczyć
z dużą dokładnością długość geograficzną dowolnego miejsca osiągnął Anglik John Harrison.
Zagadnienie to zostało omówione wcześniej. W tym miejscu zajmiemy się wyłącznie istotą samego
wynalazku. Jednym z pierwszych problemów wymagających rozwiązania było zbudowanie wahadła,
którego długość byłaby stała bez względu na zmiany temperatury. W roku 1726

zadanie

to zostało

zrealizowana. Wprawdzie w budowanych później przez Harrisona zegarach wahadło zostało
zastąpione przez balans, ale nabyte doświadczenie zostało wykorzystane.

Konstrukcja zegara spełniającego warunki pracy na morzu oraz precyzyjnego odmierzania czasu
trwała siedem lat i ukończona została w 1735 roku. Numer Jeden (nazwa wprowadzona przez
Harrisona) był zegarem sprężynowym z regulatorem dwubalansowym. W ten sposób został pokonany
jeden z progów - eliminacja wpływu kołysania statku na ruch zegara, Z kolei uniezależnienie pracy
instrumentu od temperatury osiągnął autor dzięki zastosowaniu w balansie podobnego rozwiązania jak
w wahadle. O Numerze Dwa, poza tym, że ważył pięćdziesiąt kilogramów (Numer Jeden -trzydzieści
pięć) i ukończony został w 1739 roku, tj. nie wiemy praktycznie nic, ponieważ nie został on poddany
planowanym próbom lid morzu. Także Numer Trzy, skonstruowany w roku 1757 nie został poddany
próbom, bowiem Harrison ogłosił, iż jest w trakcie prac nad Numerem Cztery. Warto jednak
odnotować, że trzeci zegar miał siedemset pięćdziesiąt trzy części i ważył tylko trzydzieści
kilogramów.

2

Szczytowym osiągnięciem prawie pięćdziesięcioletniej pracy Harrisona był ukończony w 1759 roku
Numer Cztery. Różnił się on wyraźnie od swoich poprzedników zarówno wymiarami (miał 127 mm
średnicy), jak i perfekcyjnością odmierzania czasu. Można więc było przyjąć, że problem pomiaru
czasu został rozwiązany. Ostatnim dziełem Wielkiego Zegarmistrza był Numer Pięć, zbudowany
wspólnie z synem Williamem po trzech latach pracy (1770). Otwartym zagadnieniem, wymagającym
ujednolicenia, pozostała rachuba czasu. Używany początkowo czas prawdziwy, wynikający z
położenia Słońca, przestał wystarczać. Wprowadzono więc nowe pojęcie rachuby czasu; czas średni
słoneczny, wyznaczany według momentu przejścia Słońca średniego przez południk miejscowy. W
końcu XVIII wieku znalazł się on w użyciu powszechnym i był stosowany nieomal do końca XIX wieku.
Posługiwanie się nim przy każdorazowej zmianie miejsca pobytu wymagało przestawienia wskazówek
zegara. Wraz z rozwojem środków komunikacyjnych, a szczególnie kolei żelaznej i telegrafu
konieczność częstego regulowania zegarów stała się uciążliwa.

Elektrycznie pobudzane drgania kryształów kwarcu charakteryzuje wysoka dokładność częstotliwości.
Nasunął się więc pomysł użycia ich do kontroli drgań w zegarze. Po pewnych chybionych próbach
nauoowców angielskich i amerykańskich niemieccy fizycy Scheibe i Adelsberger zdołali w latach
1933-1934 sporządzić pierwszy zegar kwarcowy. W dzisiejszych czasach używa się m.in. „zegarów
atomowych”. Międzynarodowy czas atomowy odmierzają zegary w laboratoriach na całym świecie. Na
podstawie ich wskazań podaje się w radiu sygnały czasu, oraz informuje zegarynki, dzięki którym
każdy może wyregulować zegarek. Na co dzień używamy m.in. zegarów: elektrycznych, ściennych, na
baterie, a także kwarcowe.

by Troyanowski...

3