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Reloj de agua

Exposición de dos relojes de agua de desagüe del Museo del Ágora Antigua de Atenas. El superior es un original de finales del siglo V a. C. El inferior es una reconstrucción de ...

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Exposición de dos relojes de agua de desagüe del Museo del Ágora Antigua de Atenas. El superior es un original de finales del siglo V a. C. El inferior es una reconstrucción de un original de arcilla.

Un reloj de agua , o clepsidra ( del griego antiguo κλεψύδρα ( klepsúdra ) ' pipeta , reloj de agua ' ; de κλέπτω ( kléptō ) ' robar ' y ὕδωρ ( hydor ) ' agua ' ; lit. ' ladrón de agua ' ), es un cronómetro mediante el cual se mide el tiempo por el flujo regulado de líquido que entra (tipo de entrada) o sale (tipo de salida) de un recipiente, y donde luego se puede medir la cantidad de líquido.   

Los relojes de agua son algunos de los instrumentos de medición del tiempo más antiguos. [ 1 ] La forma más simple de reloj de agua, con una salida en forma de cuenco, existió en Babilonia , Egipto y Persia alrededor del siglo XVI a. C. Otras regiones del mundo, como India y China , también proporcionan evidencia temprana de relojes de agua, pero las fechas más antiguas son menos seguras. Los relojes de agua se usaban en la antigua Grecia y en la antigua Roma , como lo describen escritores técnicos como Ctesibio (fallecido en 222 a. C.) y Vitruvio (fallecido después de 15 a. C.).

Diseños

El reloj de agua de Eschinardi (Reproducido de Francesco Eschinardi , Apéndice Ad Exodium de Tympano )

Un reloj de agua utiliza el flujo del agua para medir el tiempo. Si se ignora la viscosidad, el principio físico necesario para estudiar estos relojes es la ley de Torricelli . Existen dos tipos de relojes de agua: de entrada y de salida. En un reloj de agua de salida, un recipiente se llena de agua y esta se drena lenta y uniformemente. Este recipiente tiene marcas que indican el paso del tiempo. A medida que el agua sale del recipiente, un observador puede ver dónde el agua se encuentra con las marcas y determinar cuánto tiempo ha transcurrido. Un reloj de agua de entrada funciona básicamente de la misma manera, excepto que en lugar de salir del recipiente, el agua lo llena. A medida que el recipiente se llena, el observador puede ver dónde el agua se encuentra con las marcas y determinar cuánto tiempo ha transcurrido. Algunos relojes modernos se denominan "relojes de agua", pero funcionan de manera diferente a los antiguos. Su cronometraje se rige por un péndulo , pero utilizan el agua para otros fines, como proporcionar la energía necesaria para accionar el reloj mediante una rueda hidráulica o similar, o bien, mostrando agua en sus pantallas.

Los griegos y romanos perfeccionaron el diseño de los relojes de agua, incorporando la clepsidra de entrada con un sistema de retroalimentación primitivo, engranajes y un mecanismo de escape , conectados a autómatas complejos que resultaron en una mayor precisión. Se realizaron nuevos avances en Bizancio , Siria y Mesopotamia, donde los relojes de agua, cada vez más precisos, incorporaron engranajes segmentados y epicíclicos complejos , ruedas hidráulicas y capacidad de programación , avances que finalmente llegaron a Europa . De forma independiente, los chinos desarrollaron sus propios relojes de agua avanzados, incorporando engranajes, mecanismos de escape y ruedas hidráulicas, transmitiendo sus ideas a Corea y Japón .

Algunos diseños de relojes de agua se desarrollaron de forma independiente, y parte del conocimiento se transmitió a través del comercio. Estos primeros relojes de agua se calibraban con un reloj de sol . Si bien nunca alcanzaron un nivel de precisión comparable a los estándares actuales de medición del tiempo, el reloj de agua fue un dispositivo de medición del tiempo de uso común durante milenios, hasta que fue reemplazado en Europa alrededor del año 1300 por relojes mecánicos de escape de áncora más precisos. [ 2 ]

desarrollo regional

Babilonia

En Babilonia, los relojes de agua eran de tipo de salida y de forma cilíndrica. El uso del reloj de agua como ayuda para cálculos astronómicos se remonta al Imperio Babilónico Antiguo ( c. 2000 – c. 1600 a. C.). [ 3 ] Si bien no se conservan relojes de agua de la región mesopotámica, la mayor parte de la evidencia de su existencia proviene de escritos en tablillas de arcilla . Dos colecciones de tablillas, por ejemplo, son el Enuma Anu Enlil (1600–1200 a. C.) y el MUL.APIN (siglo VII a. C.). [ 4 ] En estas tablillas, los relojes de agua se utilizan para el pago de las guardias nocturnas y diurnas. [ 5 ]

Estos relojes eran únicos, ya que no tenían indicadores como manecillas (como las que se usan hoy en día) o muescas ranuradas (como las que se usaban en Egipto). En cambio, estos relojes medían el tiempo "por el peso del agua que fluía de él". [ 6 ] El volumen se medía en unidades de capacidad llamadas qa . El peso, mana o mina (la unidad griega para aproximadamente una libra), es el peso del agua en un reloj de agua.

En la época babilónica, el tiempo se medía con horas temporales. Así, con el cambio de las estaciones, también cambiaba la duración del día. «Para definir la duración de una "vigilia nocturna" en el solsticio de verano , había que verter dos maná de agua en una clepsidra cilíndrica; al vaciarla, se indicaba el final de la vigilia. Se debía añadir un sexto de maná cada quincena siguiente. En el equinoccio , se debían vaciar tres maná para que correspondiera a una vigilia, y cuatro maná para cada vigilia de la noche del solsticio de invierno ». [ 6 ]

Egipto

El reloj de agua más antiguo del que existe evidencia física data de c. 1417–1379 a. C. en el Nuevo Reino de Egipto , durante el reinado del faraón Amenhotep III , donde se utilizaba en el Recinto de Amón-Ra en Karnak . [ 7 ] La documentación más antigua del reloj de agua es la inscripción de la tumba del funcionario de la corte egipcia del siglo XVI a. C. Amenemhet, que lo identifica como su inventor. [ 7 ] [ 8 ] Estos sencillos relojes de agua, que eran del tipo de salida, eran recipientes de piedra con lados inclinados que permitían que el agua goteara a un ritmo casi constante desde un pequeño orificio cerca del fondo. Había doce columnas separadas con marcas espaciadas uniformemente en el interior para medir el paso de las "horas" a medida que el nivel del agua las alcanzaba. Las columnas correspondían a cada uno de los doce meses para tener en cuenta las variaciones de las horas estacionales. Los sacerdotes utilizaban estos relojes para determinar la hora por la noche para que los ritos y sacrificios del templo pudieran realizarse a la hora correcta. [ 9 ]

India

N. Narahari Achar y Subhash Kak sugieren que los relojes de agua se usaban en la India antigua ya en el segundo milenio a. C., basándose en su aparición en el Atharvaveda . [ 10 ] [ 11 ] Según N. Kameswara Rao, las vasijas excavadas en el sitio de la civilización del valle del Indo de Mohenjo-daro podrían haber sido usadas como relojes de agua. Son cónicas en la base, tienen un orificio en el lateral y son similares al utensilio utilizado para realizar el abhiṣeka (vertido ritual de agua) sobre los lingams . [ 12 ]

The Jyotisha, one of the six Vedanga disciplines, describes water clocks called ghati or kapala that measure time in units of nadika (around 24 minutes). A clepsydra in the form of a floating and sinking copper vessel is mentioned in the Sürya Siddhānta (5th century AD).[13] At Nalanda mahavihara, an ancient Buddhist university, four-hour intervals were measured by a water clock, which consisted of a similar copper bowl holding two large floats in a larger bowl filled with water. The bowl was filled with water from a small hole at its bottom; it sank when filled and was marked by the beating of a drum in the daytime. The amount of water added varied with the seasons, and students at the university operated the clock.[14]

Descriptions of similar water clocks are also given in the Pañca Siddhāntikā by the polymath Varāhamihira in the 6th century, which adds further detail to the account given in the Sūrya Siddhānta. Further descriptions are recorded in the Brāhmasphuṭasiddhānta by the mathematician Brahmagupta in the 7th century. A detailed description with measurements is also recorded by the astronomer Lalla in the 8th century, who describes the ghati as a hemispherical copper vessel with a hole that is fully filled after one nadika.[15]

China

The water-powered mechanism of Su Song's astronomical clock tower, featuring a clepsydra tank, waterwheel, escapement mechanism, and chain drive to power an armillary sphere and 113 striking clock jacks to sound the hours and to display informative plaques

En la antigua China , así como en toda Asia Oriental, los relojes de agua eran muy importantes en el estudio de la astronomía y la astrología . La referencia escrita más antigua data el uso del reloj de agua en China en el siglo VI a. C. [ 16 ] Desde aproximadamente el 200 a. C. en adelante, la clepsidra de salida fue reemplazada casi en todas partes de China por el tipo de entrada con una varilla indicadora sostenida por un flotador (浮箭漏, fú jiàn lòu). [ 16 ] El filósofo y político de la dinastía Han, Huan Tan (40 a. C. - 30 d. C.), un secretario de la corte a cargo de las clepsidras, escribió que tuvo que comparar las clepsidras con los relojes de sol debido a cómo la temperatura y la humedad afectaban su precisión, demostrando que los efectos de la evaporación, así como de la temperatura en la velocidad a la que fluye el agua, eran conocidos en ese momento. [ 17 ] El líquido de los relojes de agua era propenso a congelarse y debía mantenerse caliente con antorchas, un problema que fue resuelto en 976 por el astrónomo e ingeniero chino Zhang Sixun . Su invento —una mejora considerable respecto al reloj de Yi Xing— utilizaba mercurio en lugar de agua. El mercurio es líquido a temperatura ambiente y se congela a −38,83 °C (−37,9 °F) , inferior a cualquier temperatura del aire común fuera de las regiones polares. [ 18 ] [ 19 ] De nuevo, en lugar de utilizar agua, el ingeniero de principios de la dinastía Ming, Zhan Xiyuan (c. 1360–1380), creó un reloj de rueda accionado por arena, mejorado por Zhou Shuxue (c. 1530–1558). [ 20 ]  

The use of clepsydrae to drive mechanisms illustrating astronomical phenomena began with the Han Dynasty polymath Zhang Heng (78–139) in 117, who also employed a waterwheel.[21] Zhang Heng was the first in China to add an extra compensating tank between the reservoir and the inflow vessel, which solved the problem of the falling pressure head in the reservoir tank.[16] Zhang's ingenuity led to the creation by the Tang dynasty mathematician and engineer Yi Xing (683–727) and Liang Lingzan in 725 of a clock driven by a waterwheel linkwork escapement mechanism.[22] The same mechanism would be used by the Song dynasty polymath Su Song (1020–1101) in 1088 to power his astronomical clock tower, as well as a chain drive.[23]Su Song's clock tower, over 30 feet (9.1 m) tall, possessed a bronze power-driven armillary sphere for observations, an automatically rotating celestial globe, and five front panels with doors that permitted the viewing of changing mannequins which rang bells or gongs, and held tablets indicating the hour or other special times of the day. In the 2000s, in Beijing's Drum Tower an outflow clepsydra is operational and displayed for tourists. It is connected to automata so that every quarter-hour a small brass statue of a man claps his cymbals.[24]

Persia

Ancient Persian clock

El uso de relojes de agua en el Gran Irán , especialmente en las zonas desérticas como Yazd , Isfahán , Zibad y Gonabad , se remonta al año 500 a. C. [ 25 ] Posteriormente, también se utilizaron para determinar las fechas exactas de las festividades religiosas preislámicas, como Nowruz ( equinoccio de marzo ), Mehregan ( equinoccio de septiembre ), Tirgan ( solsticio de verano ) y la Noche de Yaldā ( solsticio de invierno ), es decir, los días y noches más cortos, más largos y de igual duración del año. Los relojes de agua, llamados pengan (y más tarde fenjan ), fueron una de las herramientas antiguas más prácticas para medir el tiempo según el calendario anual. [ 26 ] [ 27 ] El reloj de agua fue el dispositivo de medición del tiempo más preciso y comúnmente utilizado para calcular la cantidad o el tiempo que un agricultor debía extraer agua de un qanat o pozo para el riego, hasta que relojes más precisos lo reemplazaron. [ 28 ] [ 29 ]

Los relojes de agua persas eran una herramienta práctica, útil y necesaria para que los accionistas del qanat calcularan el tiempo que podían desviar agua a sus granjas o jardines. El qanat era la única fuente de agua para la agricultura y el riego en zonas áridas, por lo que una distribución justa y equitativa del agua era fundamental. Por consiguiente, se elegía a una persona mayor, justa e inteligente, como administrador del reloj de agua o mirāb , y se necesitaban al menos dos administradores a tiempo completo para controlar y observar el número de horas y anunciar la hora exacta de los días y las noches, desde el amanecer hasta el atardecer, ya que los accionistas solían dividirse entre propietarios diurnos y nocturnos. [ 30 ]

El reloj de agua persa consistía en una gran olla llena de agua y un cuenco con un pequeño agujero en el centro. Cuando el cuenco se llenaba de agua, se hundía en la olla, y el encargado vaciaba el cuenco y lo volvía a colocar sobre el agua de la olla. Registraba el número de veces que el cuenco se hundía colocando pequeñas piedras en un frasco. [ 30 ] El lugar donde se ubicaba el reloj y sus encargados se conocían colectivamente como khane pengān . Por lo general, se trataba del último piso de una taberna, con ventanas orientadas al oeste y al este para indicar la hora del atardecer y del amanecer. El reloj de agua Zibad estuvo en uso hasta 1965, [ 27 ] cuando fue reemplazado por relojes modernos. [ 26 ]

mundo grecorromano

An early 19th-century illustration[31] of Ctesibius's (285–222 BC) clepsydra from the 3rd century BC. The hour indicator ascends as water flows in. Also, a series of gears rotate a cylinder to correspond to the temporal hours.
A modern reconstruction of Ctesibius' hydraulic clock (clepsydra), at the Kotsanas Museum of Ancient Greek Archaeology in Athens.

The word "clepsydra" comes from the Greek meaning "water thief".[32] The Greeks considerably advanced the water clock by tackling the problem of the diminishing flow. They introduced several types of the inflow clepsydra, one of which included the earliest feedback control system.[33]Ctesibius invented an indicator system typical for later clocks such as the dial and pointer.[34] The Roman engineer Vitruvius described early alarm clocks, working with gongs or trumpets.[34] A commonly used water clock was the simple outflow clepsydra. This small earthenware vessel had a hole in its side near the base. In both Greek and Roman times, this type of clepsydra was used in courts for allocating periods of time to speakers. In important cases, such as when a person's life was at stake, it was filled completely, but for more minor cases, only partially. If proceedings were interrupted for any reason, such as to examine documents, the hole in the clepsydra was stopped with wax until the speaker was able to resume his pleading.[35]

Clepsydrae for keeping time

Some scholars suspect that the clepsydra may have been used as a stop-watch for imposing a time limit on clients' visits in Athenian brothels.[36] Slightly later, in the early 3rd century BC, the Hellenistic physician Herophilos employed a portable clepsydra on his house visits in Alexandria for measuring his patients' pulse-beats. By comparing the rate by age group with empirically obtained data sets, he was able to determine the intensity of the disorder.[36]

Entre el 270 a. C. y el 500 d. C., los relojeros y astrónomos helenísticos ( Ctesibio , Herón de Alejandría , Arquímedes ) y romanos desarrollaron relojes de agua mecanizados más elaborados. La mayor complejidad tenía como objetivo regular el flujo y ofrecer representaciones más sofisticadas del paso del tiempo. Por ejemplo, algunos relojes de agua hacían sonar campanas y gongs , mientras que otros abrían puertas y ventanas para mostrar figuras humanas o movían agujas y esferas. Algunos incluso exhibían modelos astrológicos del universo. El ingeniero bizantino Filón, del siglo III a. C. , se refirió en sus obras a relojes de agua que ya contaban con un mecanismo de escape, el más antiguo conocido de su tipo. [ 37 ]

El mayor logro de la invención de las clepsidras durante este período, sin embargo, fue obra de Ctesibio, quien incorporó engranajes y un indicador de esfera para mostrar automáticamente la hora a medida que la duración de los días variaba a lo largo del año, debido al sistema de medición del tiempo utilizado en su época. Asimismo, el astrónomo griego Andrónico de Ciro supervisó la construcción de su Horologion, conocido hoy como la Torre de los Vientos , en el mercado (o ágora ) de Atenas durante la primera mitad del siglo I a. C. Esta torre del reloj octogonal mostraba a eruditos y compradores tanto relojes de sol como una veleta . En su interior se encontraba una clepsidra mecanizada, aunque no se puede determinar con certeza el tipo de indicador que utilizaba; algunas posibilidades son: una varilla que se movía hacia arriba y hacia abajo para indicar la hora, un autómata hidráulico que hacía sonar una campana para marcar las horas, o un disco estelar móvil en el techo. [ 38 ]

mundo islámico medieval

El reloj de agua con forma de elefante de Al-Jazari (1206). [ 39 ]

In the medieval Islamic world (632-1280), the use of water clocks has its roots from Archimedes during the rise of Alexandria in Egypt and continues on through Byzantium. The water clocks by the Arabic engineer Al-Jazari, however, are credited for going "well beyond anything" that had preceded them. In Al-Jazari's 1206 treatise, he describes one of his water clocks, the elephant clock. The clock recorded the passage of temporal hours, which meant that the rate of flow had to be changed daily to match the uneven length of days throughout the year. To accomplish this, the clock had two tanks, the top tank was connected to the time indicating mechanisms and the bottom was connected to the flow control regulator. Basically, at daybreak, the tap was opened and water flowed from the top tank to the bottom tank via a float regulator that maintained a constant pressure in the receiving tank.[40]

Water-powered automatic castle clock of Al-Jazari, 12th century.

The most sophisticated water-powered astronomical clock was Al-Jazari's castle clock, considered by some to be an early example of a programmable analog computer, in 1206.[41] It was a complex device that was about 11 feet (3.4 m) high, and had multiple functions alongside timekeeping. It included a display of the zodiac and the solar and lunar orbits, and a pointer in the shape of the crescent moon which traveled across the top of a gateway, moved by a hidden cart and causing automatic doors to open, each revealing a mannequin, every hour.[42][43] It was possible to re-program the length of day and night in order to account for the changing lengths of day and night throughout the year, and it also featured five musician automata who automatically play music when moved by levers operated by a hidden camshaft attached to a water wheel.[41] Other components of the castle clock included a main reservoir with a float, a float chamber and flow regulator, plate and valve trough, two pulleys, crescent disc displaying the zodiac, and two falcon automata dropping balls into vases.[44]

Los primeros relojes de agua que emplearon engranajes segmentados y epicíclicos complejos fueron inventados por el ingeniero árabe Ibn Khalaf al-Muradi en la Iberia islámica alrededor del año 1000. Sus relojes de agua eran impulsados ​​por ruedas hidráulicas , al igual que varios relojes de agua chinos del siglo XI. [ 45 ] Se construyeron relojes de agua similares en Damasco y Fez . Este último ( Dar al-Magana ) se conserva hasta nuestros días y su mecanismo ha sido reconstruido. El primer reloj europeo en emplear estos engranajes complejos fue el reloj astronómico creado por Giovanni de Dondi alrededor de 1365. Al igual que los chinos, los ingenieros árabes de la época también desarrollaron un mecanismo de escape que emplearon en algunos de sus relojes de agua. El mecanismo de escape consistía en un sistema de cabeza constante, mientras que se utilizaban flotadores pesados ​​como contrapesos. [ 45 ]

Corea

El reloj de agua autoajustable de Chang Yŏngsil, el Borugak Jagyeongnu

En 718, Silla Unificada estableció el sistema de clepsidra por primera vez en la historia de Corea, imitando a la dinastía Tang. [ 46 ] En 1434, durante el gobierno de Joseon , Chang Yŏngsil ( coreano : 장영실 ; Hanja :蔣英實), guardia de palacio y posteriormente ingeniero jefe de la corte, construyó el Borugak Jagyeongnu o reloj de agua auto-golpeado del Pabellón Borugak para Sejong el Grande .  

Lo que hacía que su reloj de agua fuera automático era el uso de mecanismos de percusión: tres figuras de madera, o "gatillos", golpeaban objetos para indicar la hora. Esta innovación ya no requería la intervención de trabajadores humanos, conocidos como "guardianes", para rellenarlo constantemente.

La singularidad del reloj radicaba en su capacidad para anunciar automáticamente dos horas simultáneamente mediante señales visuales y sonoras. [ 47 ] Chang desarrolló una técnica de conversión de señales que permitía medir la hora analógica y anunciar la hora digital al mismo tiempo, así como separar los mecanismos de agua de los mecanismos de sonería accionados por bolas. [ 48 ] El dispositivo de conversión se denominaba pangmok y se colocaba sobre el depósito de entrada que medía la hora; era el primer dispositivo de este tipo en el mundo. [ 49 ] Por lo tanto, el reloj de agua de Borugak es el primer reloj de doble hora de ingeniería hidromecánica en la historia de la relojería. [ 50 ] [ 51 ]

Japón

Emperor Tenji made Japan's first water clock called a Rokoku (漏刻). They were highly socially significant and run by Doctors of Water Clock

Temperature, water viscosity, and clock accuracy

When viscosity can be neglected, the outflow rate of the water is governed by Torricelli's law, or more generally, by Bernoulli's principle. Viscosity will dominate the outflow rate if the water flows out through a nozzle that is sufficiently long and thin, as given by the Hagen–Poiseuille equation.[52] Approximately, the flow rate is for such design inversely proportional to the viscosity, which depends on the temperature. Liquids generally become less viscous as the temperature increases. In the case of water, the viscosity varies by a factor of about seven between zero and 100 degrees Celsius. Thus, a water clock with such a nozzle would run about seven times faster at 100 °C than at 0 °C. Water is about 25 percent more viscous at 20 °C than at 30 °C, and a variation in temperature of one degree Celsius, in this "room temperature" range, produces a change of viscosity of about two percent.[53] Therefore, a water clock with such a nozzle that keeps good time at some given temperature would gain or lose about half an hour per day if it were one degree Celsius warmer or cooler. To make it keep time within one minute per day would require its temperature to be controlled within 1⁄30°C (about 1⁄17°F). There is no evidence that this was done in antiquity, so ancient water clocks with sufficiently thin and long nozzles (unlike the modern pendulum-controlled one described above) cannot have been reliably accurate by modern standards. However, while modern timepieces may not be reset for long periods, water clocks were likely reset every day, when refilled, based on a sundial, so the cumulative error would not have been great.

See also

Notes

  1. ↑Turner 1984, p. 1
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  9. ↑ Cotterell y Kamminga 1990
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  13. ↑ "Un recipiente de cobre (con la forma de la mitad inferior de una jarra de agua) que tiene un pequeño agujero en su fondo y que se coloca sobre agua limpia en un recipiente se hunde exactamente 60 veces en un día y en una noche." – Capítulo 13, versículo 23 del Sürya Siddhānta .
  14. ↑ Scharfe, Hartmut (2002). Educación en la antigua India . Leiden: Brill Academic Publishers. pag. 171 . ISBN  90-04-12556-6.
  15. ↑ "Un recipiente de cobre que pesa 10 palas, mide 6 angulas de alto y tiene el doble de ancho en la boca; este recipiente, con capacidad para 60 palas de agua y de forma hemisférica, se llama ghati." Este recipiente de cobre, perforado con una aguja y hecho de 3 1/8 masas de oro y 4 angulas de largo, se llena en un nadika."
  16. 1 2 3 Needham 2000 , pág. 479 
  17. ↑ Needham 1995 , págs. 321–322 
  18. ↑ Temple 1986 , pág. 107.
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Bibliografía

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  • El reloj de agua mecánico de Ibn Al-Haytham
  • Servicios informáticos en el sitio en horarios