Історія годинникових механізмів

Стародавні цивілізації для визначення часу спостерігали за астрономічними тілами, часто Сонцем і Місяцем.

Австралійці-аборигени добре розуміли рух об’єктів у небі й використовували свої знання для побудови календарів та навігації. Більшість автохтонних культур чітко виокремлювали пори року, зумовлені природними змінами. Аборигени яралді з Південної Австралії були одними із небагатьох, хто вимірював час упродовж дня, розділяючи його на сім частин і застосовуючи при цьому положення сонця.

Тіньові та сонячні годинники

Першими приладами, які використовувалися для вимірювання положення сонця, були тіньові годинники. Єгипетські обеліски, побудовані бл. 3500 р. до н.е., є одними з перших тіньових годинників. Обеліски могли вказувати на ранок чи день, а також на літнє та зимове сонцестояння. (Обеліск фараона Сенурета I).

У звичайних, вертикально встановлених обелісків з часом оприявився недолік: їхня тінь виходила за межі пластини з поділками. На зміну їм придумали сонячний годинник.

Найбільш давній із усіх відомих сонячних годинників датується 1500 р. до н.е. (19-а династія фараонів) і був виявлений в Долині Царів у 2013 р. (Сонячний годинник Стародавнього Єгипту).

Греки приписують винахід півсферичного сонячного годинника.

Грецькі сонячні годинники суттєво еволюціонували. У своєму трактаті «Аналемма» грецький астроном та математик Птолемей (2 ст. н.е.) використав ранню форму тригонометрії для визначення положення сонця, на основі таких даних як година доби та географічна широта.

Основним недоліком сонячного годинника є те, що він не має достатньої точності і його можна використовувати лише у ясну, безхмарну погоду.

Водяні годинники

Найдавніший опис клепсидри, або водяного годинника, узятий з напису на могилі єгипетського придворного чиновника початку 18-ї династії (близько 1500 р. до н.е.) на ім’я Аменемхет, який ідентифікований як його винахідник.

Найстаріший збережений водяний годинник був знайдений у гробниці фараона Аменхотепа III (бл. 1417–1379 рр. до н. е.) (. Єгипетський водяний годинник з вапняку, 285–246 рр. до н.е.)

Вважається, що афінський філософ Платон винайшов будильник.

Є свідчення, що на Вежі Вітрів в Афінах у 1 ст. до н. е. колись було вісім сонячних годинників, водяний годинник і флюгер (Вежа вітрів). У Греції клепсидри використовувалися найчастіше у судах. Згодом практику використання водяних годинників перейняли стародавні римляни.

Головним недоліком водяного годинника є сама рідина, яка може конденсуватися, випаровуватися або замерзати. Через це його досить швидко витіснив пісочний годинник, а пізніше – годинник з маятниковим механізмом.

Сьогодні існує лише кілька сучасних водяних годинників. Наприклад, у 1979 році французький учений Бернард Гіттон створив свій годинник з тимчасовим потоком. Конструкція Гіттона полягає в гравітації. Декілька сифонів наповнюються за тим же принципом, що і чаша Піфагора.

 

Китайські вогняні годинники

Годинники з пахощами вперше були використані в Китаї приблизно в 6 столітті в основному для релігійних цілей. Оскільки пахощі горять рівномірно і без полум’я, годинники були безпечними для використання всередині приміщень. Для відзначення різних годин використовувалися пахощі з різним запахом (виготовлені за різними рецептами). Час вимірювали за допомогою порошку ладану, спаленого вздовж заздалегідь виміряної доріжки. Для горіння 12 годин була зроблена доріжка ладану довжиною близько 20 метрів (Стародавній китайський годинник з пахощами).

Свічковий годинник вперше згадується у китайській поемі, написаній у 520 р. Свічковий годинник був  виготовлений зі спеціальних сортів дерев, розтертих на порошок. Свічкові годинники також використовуватися як будильники. Тоді на визначених місцях палички висіли металеві кульки, і при згоранні свічки вони падали на фарфорову вазу, через що лунав гучний звук. У XIII столітті свічковий годинник поширився у Європі (Свічковий годинник).

Піщаний годинник

Піщаний годинник – пристрій для вимірювання часу, що складається з двох (зазвичай скляних) посудин, сполучених вузькою горлоподібною трубкою. Трубка пропускає певний об’єм піску за певний проміжок часу. Час, за який пісок пересипається з однієї половини годинника в іншу, може становити від кількох секунд до майже доби (Дерев’яний піщаний годинник).

За даними Американського інституту Нью-Йорка піщаний годинник винайшли в Олександрії приблизно 150 р. до н. е. Відповідно до даних, оприлюднених журналом Journal of the British Archaeological Association,  піщаний годинник використовувався до часів святого Ієроніма (335 р. до н. е.). Перше втілення піщаного годинника було знайдено у саркофазі, вік якого датується 350 р. н. е., на якому зображено весілля Пелея і Фетіди. На зобаженні Морфей у своїх руках  тримає піщаний годинник (Зображення на саркофазі, датованому 350 р. н. е.).

Використання морського піскового годинника датується приблизно з 14-го століття. Письмові згадки про це більшою мірою наявні в бортових журналах Європейських кораблів.^. Моряки встановили, що піщаний годинник давав змогу визначити довготу, відстань на схід або на захід від конкретної точки шляху з достатньо великою точністю.

Найстаріший відомий піщаний годинник, що зберігся, знаходиться в Британському музеї в Лондоні (Піщаний годинник 1520 р. виготовлений у Німеччині. Британський музей у Лондоні).

 

Механічні годинники

Найдавнішим відомим прикладом годинникового механізму є антикітерський механізм – стародавній механічний обчислювальний пристрій, призначений для розрахунку положення небесних тіл. Зазначений механічний пристрій був виявлений в 1902 році на затонулому древньому судні недалеко від грецького острова Антікітера. Датується приблизно 100 р. до н.е. і зберігається в Національному археологічному музеї в Афінах. Механізм містив велику кількість бронзових шестерень у дерев’яному корпусі, на якому були розміщені циферблати зі стрілками, і він згідно з реконструкцією використовувався для розрахунку руху небесних тіл.

Перші справжні механічні годинники з’явилися в Європі в XIV ст. До XVI ст. вони мали лише одну стрілку – годинну. Їхній механізм рухали гирі, що опускалися, а хід регулювався шпиндельним механізмом. Такий баштовий годинник був встановлений у 1354 р. у Страсбурзі. Він ще не мав маятника, зате відзначав: годину.

Найбільш ранній зі збережених до наших днів баштовий годинниковий механізм знаходиться в соборі англійського міста Солсбері і виготовлений приблизно у 1386 р. (фото 17. Годинник Солсберійського собору в Англії, виготовлений приблизно 1386 р. Фото 18. Схема механічного годинника з гирями).

Годинник з пружинним приводом вперше з’явився у ХV ст. Найдавнішим з наявних сьогодні пружинних годинників є камерний годинник, подарований Філіпу Доброму, герцогові Бургундському, приблизно в 1430 р. (Пружинний годинник 1430 р., знаходиться в Німецькому національному музеї).

Нову еру в розвитку механічних годинників поклало застосування в них маятника. Крістіан Гюйгенс, голландський учений, виготовив перший маятниковий годинник у 1656 р. Маятниковий годинник Гюйгенса мав похибку менше однієї хвилини на день, тоді вперше було досягнуто такої точності.

Кварцові годинники

Кварцовий годинник – годинник, що містить електронний кварцовий генератор, який регулюється кристалом кварцу. Цей кварцовий генератор створює сигнал з дуже точною частотою, тому кварцові годинники зазвичай на порядок точніші за механічні. Перший кварцовий генератор був побудований Уолтером Г. Кеді в 1921 році. У жовтні 1927 року перший кварцовий годинник був описаний і побудований Джозефом В. Хортоном і Уорреном А. Маррісоном у Bell Telephone Laboratories.

Робота кварцового годинника заснована на п’єзоелектричних властивостях кристалів кварцу. Коли до кристала подається електричне поле від батарейки, він змінює свою форму, створюючи електричне поле при стисканні або згинанні. При розміщенні у відповідній електронній схемі ця взаємодія між механічним напруженням і електричним полем змушує кристал вібрувати і генерувати електричний сигнал постійної частоти, який можна використовувати для керування дисплеєм годинника.

Замкові механізми

Найдавніший відомий замок і ключ був знайдений в руїнах Ніневії, столиці стародавньої Ассирії. Такий замок пізніше було перероблено в єгипетський дерев’яний штифтовий замок, який складався із засуву, дверного кріплення або кріплення та ключа.

Історія механічних замків почалася понад 6 тисяч років тому в Стародавньому Єгипті, де слюсарю вперше вдалося створити простий, але ефективний штифтовий замок, який був повністю виготовлений з дерева. Це був простий засув з декількома стрижнями, що заважають руху засува в закритому стані. Щоб відкрити такий замок, потрібно було просунути руку з ключем в спеціальний отвір дверей, піднявши стрижні та відсунувши засув.

Протягом I тисячоліття до нашої ери замки почали вдосконалюватися завдяки технологіям і дизайну, які були запроваджені греками та римлянами. Римляни впровадили металеву конструкцію замків, що зробило їх набагато міцнішими і здатними захищати цінні речі. Римляни також змогли зменшити розміри замків і ключів, що значно полегшило зберігання ключа. Багаті римлян носили ключі як прикраси на знак свого достатку.

Після падіння Римської імперії в І столітті нашої ери інновації в розробці замків були припинені. Слюсарі в середні віки не мали технологій та коштів для створення нових методів захисту, але вони використовували свій час, щоб вдосконалювати спроби заплутувати зломщиків з новою тактикою.

Навісні замки, ймовірно, мають римське походження, але стали спеціалізацією раннього середньовіччя. Вікінги були особливо вправними у створенні навісних замків – мабуть, тому, що у них було багато награбованого.

Комбінований замок без ключа. У ньому ряд циферблатів (вписаних літерами або цифрами) нарізано на шпиндель; коли циферблати повертаються так, щоб утворилося конкретне слово або число, шпиндель може бути витягнутий, оскільки всі прорізи всередині дисків розташовуються в одну лінію. Спочатку ці буквені замки використовувалися тільки для навісних замків і скриньок. В останній половині ХІХ століття, розроблені для сейфів і дверей сховищ, вони виявилися найбільш надійною формою закриття. Кількість можливих комбінацій букв або цифр майже нескінченна, і в них немає замкових отворів, в які можна помістити заряд вибухівки. Крім того, вони прості у виготовленні. Такі замки стали відкривати з використанням медичного стетоскопа – коли цифра займала вірне положення, лунало легке клацання. Дехто навчився відчувати вібрацію дверцят при клацанні замка. Цей недолік був подоланий після Другої Світової війни, коли диски циферблатів і замки стали видавати серію додаткових клацань, що заважало правильному підбору комбінації.

Під час ІІ світової війни злочинці зазвичай використовували вибухівку, щоб відкрити той чи інший замок. Щоб запобігти дії вибухівки в системі замків почали вводити другий ряд ригелів, не з’єднаних з механізмом замка. Тоді сховище можливо було відкрити, лише прорізавши броню.

Сьогодні більшість замків у світі засновані на винаходах інженерів ХІХ ст., і лише невелика частина використовує передові методи, такі як магнітні ключі та цифрові технології проти зламування.

Сейфи

Завдання сейфа – зберігати цінності. Сучасні сейфи бувають різної товщини стін, з широким спектром типів замків. У найпростішому вигляді сейф складається з подвійних сталевих стінок, ізольованих вогнетривкою накладкою, і сталевих дверей з вбудованими засувами і якимось кодовим замком.

Перший сейф, про який ми знаємо, був винайдений ще в ХІІІ столітті до нашої ери. У гробниці фараона Рамзеса II був знайдений дерев’яний сейф із системою замикання, подібною до тієї, яка сьогодні використовується для замків на шпильці. Він був побудований з рухомих штирів, які впадають в отвори, щоб заблокувати сейф. Через 2 століття сейфи стали звичайним явищем і виготовлялись з дерева, обрамленого в смужки металу. Пізніше сейфи виготовляли зі заліза із внутрішніми стінками з каменю, дерева чи цегли. Вони мали тривожні дзвіночки, які дзвонили, якщо хтось пробував відкрити сейф.

Британський інженер Вільям Марр розробив перший вогнетривкий сейф у сучасному стилі. Його патент датований 1834 роком. Новим у сейфі Марра була ідея використання подвійних сталевих стінок з теплоізоляцією між ними. Ідеальні ізоляційні матеріали представляли собою технічну проблему; Марр змішував дрібно подрібнений мармур з глиною та порцеляною, щоб зв’язати матеріал.

Компанія Rosengrens – одна з найвідоміших світових виробників сейфів, почала свою роботу у 1847 році в Ґетеборзі, Швеція. Фабрика Безпеки (EA Rosengrens Kassaskåpsfabrik), як її тоді називали, виготовляла сейфи, двері для сховищ та шафи для дорогоцінностей. (Засновники фабрики EA Rosengren та J Rasmussen в кінці ХІХ ст.)

На початку ХХ ст. фабрика надала свої послуги Національному банку Швеції у Стокгольмі, Шведській королівській пошті, Адміністрації шведської королівської армії та багатьом іншим державним та приватним установам. У цей же час компанія Rosengrens експортувала свої товари до Росії, Норвегії, Данії, Фінляндії. (Виробництво дверей для сховищ.)

Після Другої світової війни виробництво Rosengrens було оптимізовано за допомогою нових типів машин. У 1945 році компанія розробила механічний кодовий замок (CNAB).

Серед продукції компанії в середині 70-х років був повний асортимент для банків, включаючи двері сховищ, ворота сховища, сейфи, касові шафи, службові ящики, шафи для цінностей, вогнетривкі шафи для документів і вогнетривкі вертикальні шафи.

Підйомні механізми

По всьому світу досі стоять стародавні пам’ятники, зведені тисячі років тому, побудовані з неймовірно важкого каменю. Наприклад, Стоунхендж у Великобританії складається з величезних каменів вагою від двох до тридцяти тонн. Археологи досі не впевнені, як ці каміння вдалось перемістити. Але вони переконані, що вже тоді – 3500 років до н. е., люди використовували доісторичні сани, підйомники та важелі, щоб полегшити переміщення цих каменів (Стоунхендж).

Шадуф – це простий механізм, що складається з відра, прикріпленого мотузкою до довгої дерев’яної жердини. З протилежного боку жердини кріпилась противага, яка підіймала повне відро води. Шадуфи з’явилися в Іспанії в VI ст. н. е., але лише в XIV ст. вони поширилися на північ до Німеччини. Ця стародавня технологія витримала випробування часом і досі використовується в районах сучасної Індії та Єгипту вздовж річки Ніл.

Найперші будівельні крани застосовували давні греки приблизно 500 р. до н. е. Отвори, які можна знайти в будівлях того часу, підтверджують використання кранів з одним шківом та лебідкою для підйому каменів.

У часи Римської імперії з’явились перші згадки про ліфт як підйомний механізм. За свідченнями римського архітектора Вітрувія, давньогрецький математик і винахідник Архімед побудував свій перший підйомник близько 235 р. до н. е. Конструкція першого ліфта була досить елементарною і навіть частково примітивною: мотузка простягалася по краю колеса і до її кінців чіплялися вантажі і гирі, які перевищували вагу людини чи якоїсь речі.

Найскладніша система ліфтів давніх часів була створена в Римській імперії на арені Колізею в I ст. до н. е. Колізей був оснащений 12 ліфтами, якими підіймалися з підвальних приміщень гладіатори для виступу на арені, орудували таким ліфтом 200 рабів (Схема ліфта Колізею).

Після падіння Римської імперії знання про тодішні підйомні механізми з лебідкою та шківами було втрачено. Лише у ХІІ ст. почали з’являтись записи про шківи та лебідки. У 1244 р. в Утрехті задокументовано використання стаціонарних зчіпних портових кранів. Такі крани з ходовим колесом використовувались у портах, шахтах, для будівництва великих споруд, таких як готичні собори.

              У 1743 році для короля Людовика XV був побудований особистий ліфт з противагою, створений для переміщення однієї людини. Цей ліфт з’єднував квартиру короля в Версалі з апартаментами його коханки, мадам де Шатору, яка жила на один поверх вище від короля. По факту це був стілець на мотузках, який довозив короля до коханої за допомогою ручної сили – двох або трьох підданих.

Сьогодні крани та підйомне обладнання використовуються у багатьох галузях промисловості. Мабуть, найвідомішою сучасною підйомною технікою є баштовий кран. Ці гігантські конструкції сягають 79 метрів і використовуються під час будівництва хмарочосів (фото 9.)

Розвиток друкарства

Друкарство – принцип одержання відбитків письмових знаків за допомогою тиснення. Отримані таким чином роботи можна використовувати у великих кількостях. Здійснюється при контакті друкарської форми із задрукованою поверхнею завдяки перенесенню барвника (фарби) з першої на другу. Застосовується як для тиражування, так і для отримання одиничних художніх творів.

Найдревнішим способом відтворення текстів з використанням фарби є ксилографія – друкування з дерев’яної дошки, на якій було вигравійовано текст. Такі ксилографічні відбитки вперше були виготовлені у VIII ст. н. е. в Китаї (713-741), Кореї (704-751) та Японії (764-770). Першим точно датованим друкованим текстом є китайська ксилографічна копія буддійської Алмазної сутри, надрукованої 868 р.

Уперше друкування з окремих літер на папері здійснив в 1041–1048 р. у Китаї Бі Шен. Літери для друкування він виготовляв з глини. За допомогою цих літер було надруковано тираж книги в кілька тисяч примірників.

Металеві літери з бронзи для друкування вперше було використано в Кореї (орієнтовно 1234-1241 р.). Виявлена книга 1377 р., надрукована саме з таких форм. («Вибрані вчення буддійських мудреців і синів-майстрів» з Кореї, найдавніша відома книга, надрукована рухомим металевим шрифтом, 1377. Національна бібліотека Франції, Париж).

Застосування для відтворення ієрогліфів металу було надзвичайно продуктивним, оскільки давало змогу отримати з такої форми порівняно з глиняними чи дерев’яними – значно більшу кількість відбитків. Окрім того, зображення самого ієрогліфа було значно меншим і точнішим.

У Європі винахідником друкування з окремих металевих літер вважають Й. Ґутенберґа (народився 1395 або 1399 р. в Майнці, Німеччина). Він працював золотарем, займався винахідництвом.

З позицій винахідництва Й. Ґутенберґ не відкрив чогось принципово нового. Він лише удосконалив і об’єднав те, що було відомо раніше: відлив окремі літери (роботу такої складності ювеліри виконували й раніше), утворив і застосував потрібну фарбу, а також прилаштував для отримання відбитків на папері чи пергаменті прес (схожі преси застосовували для вичавлювання виноградного соку). Найбільша складність полягала у відливанні з пуансонів (спеціальних порожніх форм) – літер. Друкарський станок Ґутенберґа датується 1440 р.

Перші великі видання Й. Ґутенберґа – дві Біблії на 36 і 42 рядки (перша з них  – 1452 р.) і Псалтир (1457 р.)  – були надруковані в Майнці. (фото 6. Біблія Гутенберга Нью-Йоркської публічної бібліотеки. Куплений Джеймсом Леноксом у 1847 році).

Поступово у книгах завдяки використанню дерев’яних гравюр з’явилися ілюстрації (1461 р.), потім – нумерація сторінок і вихідні дані.

У 1517 році у Празі Ф. Скорина заснував друкарню і видав кириличним шрифтом «Псалтир» – першу друковану білоруську книгу. Упродовж 1517-1519 рр. він переклав і видав 23 книги Біблії.

Українським першодрукарем вважають Івана Федоровича (роки народження орієнтовно 1510-1515, рік смерті – 1583). На територію України (в Заблудів) він прибув із Москви, звідкіля втік через переслідування бояр, оскільки нова техніка друку створювала конкуренцію московським переписувачам книг.

У Заблудові в 1569-1570 роках І. Федорович надрукував «Учительне Євангеліє» і «Псалтир» з «Часословцем». Там він замінив своє московське прізвище на Федорович. (фото 9. Автограф Івана Федоровича 1583 р.).

1572 р. І. Федорович переїхав у Львів. Там у 1573-1574 р. у монастирі св. Онуфрія він видав перший східнослов’янський «Буквар».

У 1575-1581 р. перейшов на службу до князя К. Острозького як управитель Дерманського монастиря. З 1578 по 1581 р. жив в Острозі, де заснував друкарню й видав Новий завіт і Псалтир.

У 1580-1581 р. І. Федорович видав першу повну слов’янську Біблію (так звану Острозьку Біблію) з власною післямовою. ( Сторінка з Острозької Біблії. Євангеліє І. Федоровича 1581 р.).

Кольоровий друк винайшли і запровадили в 1745-1747 р. (з цією метою почали використовувати растри, які ділили зображення на окремі точки малого розміру, непомітні для людського ока).

З XIX ст. почалося удосконалення друкарських машин. У 1811 році німець Ф. Кеніг побудував першу швидкісну друкарську машину, яка могла друкувати одразу з двох сторін паперу до 1100 сторінок на годину. Кеніг вперше створив спеціальний валик для нанесення фарби та задіяв друкарський барабан, замінивши плоскі механізми верстату на циліндричні..

У 1843 році у США Річард М. Хоу винайшов циліндричний друкарський верстат з паровим двигуном. Він дозволяв робити мільйони копій сторінки в день. Пізніше, поряд із аркушевими друкарськими машинами, з’явилися й рулонні (вони друкували на папері, який подавався безпосередньо з рулону). (фото 14. Газетна друкарня Toledo Blade).

У 1884 р. з’являється лінотип – машина, яка відливає відразу цілі рядки тексту (винахідник – німець О. Моргенталер). (фото 14.1)

Перший комерційний ксерокопіювальний апарат був представлений у 1949 році, але проривом став ксерокс Xerox 914 1959 року виготовлення.

Тоді ж з’являються друкарські машини, які друкують одночасно не однією (традиційно – чорною), а одночасно чотирма фарбами (чорною, червоною, жовтою і зеленою), що дає змогу друкувати кольорові видання.

Наприкінці XX ст. з’являються лазерні фотовивідні машини, які виводять зверстану сторінку на полімерну друкарську форму, а також лазерні гравіювальні фотовивідні машини, які виводять зверстану сторінку на металеву фольгу, що відразу служить друкарською формою.

Після впровадження комп’ютерної техніки поліграфічні машини починають працювати під управлінням автоматизованих систем керування поліграфічними процесами.