Jak płynie czas?

Doświadczenie 1

Wykonuj je w zlewie. W plastikowej butelce o poj. 1,5 l (identyczna średnica na całej wysokości) tuż przy dnie wykonaj grubą igłą otwór. Zaklej go taśmą klejącą. Napełnij naczynie wodą i zaznacz markerem jej poziom. Przygotuj stoper. Odklej taśmę i co 3 s zaznaczaj kropką poziom cieczy. Czy kropki układają się równomiernie?

Do nowej butelki o takiej samej pojemności włóż wężyk (z zestawu do kroplówek; kup w aptece, odetnij zbędne elementy i pozostaw jedynie regulator przepływu). Strzykawką napełnij wężyk wodą i załóż zacisk. Koniec węża umieść na dnie butelki i nalej wody do pełna. Drugi koniec, z zaciskiem, przełóż do garnka. Butelkę ustaw na stole, a garnek na krześle poniżej poziomu stołu. Wyreguluj prędkość przepływu wody – ma to być 1 kropla na sekundę. Czy liczba kropel spada, gdy wody w butelce jest mniej? Co się stanie, jeśli dolejesz wody, aby zapewnić jej stały poziom w butelce?

Wyjaśnienie: Szybkość wypływu wody zależy m.in. od ciśnienia hydrostatycznego, a zatem nacisku wywieranego przez słup cieczy. Im więcej wody nad otworem, tym szybciej wypływa. Nanoszenie kropek tworzy skalę, która pozwala skalibrować proces – podobnie jak w przypadku staroegipskich zegarów wodnych. Ktesibios w prosty sposób rozwiązał problem nierównomiernego wypływu wody z zegara – zasilał go strumieniem (z potoku czy akweduktu), a nadmiar cieczy wylewał się bokiem. Tym samym naczynie zachowywało stałą wysokość słupa cieczy, zapewniając stały jej wypływ przez otwór zegara.

Doświadczenie 2

Przygotuj zestaw A. W butli po wodzie mineralnej o poj. 1,5 l grubą igłą wykonaj w odległości ok. 5 cm od dna dwa otwory o średnicy 2–3 mm (jeden nad drugim). Butlę napełnij wodą, zakręć i przełóż do miski – woda wyleje się do wysokości górnego otworu. W misce umieść napełniony wodą wężyk z doświadczenia 1 (obciąż go, np. kubkiem). Zestaw B – odetnij górną część butelki po wodzie mineralnej o poj. 1,5 l, tworząc pojemnik. Zrób otwór w połowie jego wysokości. Przez otwór przewlecz wężyk z zestawu kroplówkowego (bez regulatora, a klejem szybkoschnącym uszczelnij otwór) tak, by wewnątrz pojemnika sięgał dna i po obu stronach długość była taka sama. Przyklej wężyk do ścianek pojemnika (zbyt mocno przygięty nie będzie przepuszczać wody). Umieść pojemnik w misce. Zestaw A umieść na stole, B na krześle poniżej poziomu stołu. Pozwól spływać wodzie z zestawu A do pojemnika B w tempie ok. 1 kropli na sekundę. Obserwuj, co się stanie, gdy woda wypełni pojemnik B powyżej poziomu zagięcia wężyka.

Wyjaśnienie: Ktesibios rozbudował mechanizm. Wykorzystał lewar hydrauliczny, cyklicznie wylewający wodę z naczynia zbierającego wodę z zegara, która następnie napędzała mechanizm np. bębna z wyrysowanymi godzinami i dniami kalendarza. Dodał też wskazówkę przymocowaną do pływaka w pojemniku B, która wskazywała aktualny czas w danym dniu.

Doświadczenie 3

Tu przyda się dodatkowa osoba. Przygotuj dwa identyczne zestawy w następujący sposób. Odetnij górną część butelki po wodzie mineralnej i stwórz w ten sposób pojemnik. Na dole pojemnika wykonaj niewielki otwór i zaklej go taśmą. Napełnij butelkę wodą. Patyczkiem do szaszłyków przebij kawałek korka. Korek obciąż (np. plasteliną) tak, aby patyk do szaszłyków sterczał pionowo po położeniu na wodzie w pojemniku. Na szczycie patyka zamocuj wyciętą z papieru strzałkę. Za pojemnikiem połóż tekturową tablicę z dwoma lub trzema wariantami wiadomości (jedna pod drugą), które potem wskaże strzałka. Jednocześnie oderwij taśmę pod oboma pojemnikami. Po jakimś czasie jednocześnie zatrzymaj wypływ wody. Czy strzałki wskazały identyczne wiadomości?

Wyjaśnienie: Podniesienie pochodni było sygnałem dla rzymskich żołnierzy, by odkorkować klepsydrę. Kolejny znak pochodnią sygnalizował moment zakorkowania naczynia. Opadający pływak ze strzałką wskazywał kolejno umówione wcześniej polecenia. Ponieważ używano dwóch identycznych naczyń w tym samym czasie, w obu wypływało tyle samo wody i wskaźnik opadał na tę samą wysokość, pozwalając na zaznaczenie i przekazanie wiadomości za pomocą „wodnego telegrafu”.

Doświadczenie 4

Igłą rozgrzaną w płomieniu palnika przebij otwór w dwóch nakrętkach od wody mineralnej (w identycznych miejscach). Sklej nakrętki wieczkami, pozostawiając drożny otwór (zestaw A). Wykonaj drugi zestaw z nakrętek (B) – przebij symetrycznie po dwa otwory w nakrętkach i przewlecz przez każdy wężyk o długości 3–4 cm. Uszczelnij klejem miejsca styku. Weź dwie identyczne nieduże (500–1000 ml) butelki po napojach (górną napełnij wodą) i połącz je nakrętkami, tworząc klepsydrę. Który wariant działa lepiej?

Wyjaśnienie: Choć obecnie klepsydrą zwykle nazywamy zegar piaskowy, pierwsze urządzenia tego typu powstały najprawdopodobniej dopiero w średniowieczu. Pierwszy dowód na ich istnienie dostarczył włoski malarz Ambrogio Lorenzetti, uwieczniwszy klepsydrę na jednym ze swoich fresków z 1338 r. Piasek ma sporą przewagę – nie zamarza zimą i pozwala łatwiej zbudować szczelną odwracaną klepsydrę. Jeden mały otwór pomiędzy zbiornikami nie wystarcza do swobodnego przepływu wody z górnego zbiornika do dolnego – w tym drugim uwięzione jest powietrze, które nie ma dokąd uciec. Dopiero zastosowanie dwóch otworów z wężykami pozwala rozwiązać problem – woda spływa jednym wężykiem, powietrze opuszcza dolną komorę drugim.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

klej szybkoschnący, dwa zestawy kroplówkowe, strzykawka 20 ml, patyczki do szaszłyków, kartka, plastelina, korek, taśma klejąca, butelki 3 × 1,5 l, 1 × 5 l, dwie miski

Niewliczone w cenę: palnik kuchenki gazowej, igła do szaszłyków, kawałek tektury, nożyczki, stoper, kubek

Czas przygotowania: 4,5 godz.

Koszt: 60 zł

***

Wiedza w pigułce

Już w starożytności w wielu rejonach świata opracowano sposoby pomiaru upływającego czasu w nocy – głównie z wykorzystaniem wody – dlatego wiele określeń dotyczących czasu, które mamy po naszych przodkach, porównuje go do cieczy. W 1904 r. odnaleziono w świątyni w Karnaku alabastrowe naczynie datowane na ok. 1400 r. p.n.e., będące zegarem (a właściwie minutnikiem) na wodę – woda wylewała się z napełnionego naczynia, a jej poziom wskazywał w nocy aktualną porę. Nie było to łatwe zadanie, gdyż starożytni Egipcjanie dzielili noc na 12 równych części, a jej długość zmieniała się przecież z porami roku (10–14 współczesnych godzin) – dlatego wnętrze naczynia miało 12 niezależnych skal. Za czasów Amenhotepa I (ok. 1500 r. p.n.e.) te proste, lecz precyzyjne zegary mierzyły upływ czasu z dokładnością do 15 min. Podobnie wyglądały początki ghatika yantra – indyjskich zegarów wodnych, zastąpionych przez pływające na powierzchni większego naczynia metalowe misy z dziurką (wypełniająca je woda zatapiała je z brzdękiem, co oznaczało, że czas się skończył). Taki minutnik z alarmem stosowali też rzymscy senatorowie do kontrolowania długości przemówień w senacie. Upływ czasu miał też znaczenie w sądownictwie (stronom przyznawano jednakową jego ilość). Nic dziwnego, że zegary wodne zaczęto nazywać złodziejami wody – z gr. klepsydrami.

Klepsydr używano także do… przesyłania wiadomości – zastosowanie w trakcie pierwszej wojny punickiej (III w. p.n.e.) wynalazku, który dziś nazwalibyśmy wodnym telegrafem, opisuje rzymski historyk Polibiusz. Pomimo użyteczności klepsydry nie były prawdziwymi zegarami i nie pracowały w trybie ciągłym. W historii mierzenia czasu zapisał się Ktesibios, Grek mieszkający w Aleksandrii w III w. p.n.e. Spod jego ręki wyszedł pierwszy prawdziwy zegar wodny z jednostajnym przepływem wody do bardzo dokładnego odmierzania czasu. Sprawdzał się on także jako kalendarz. Ten rewolucyjny wynalazek był potem wielokrotnie udoskonalany, m.in. przez Herona z Aleksandrii (dodawano np. mechanizm kukułki). W 1762 r. ustalono, że słynna ateńska wieża wiatrów to publiczny zegar wodny i słoneczny. Zadziwiająco skomplikowane mechaniczne zegary/kalendarze napędzane wodą były używane na dworze chińskich cesarzy – pozwalały śledzić zjawiska astronomiczne i wyznaczać korzystne z astrologicznego punktu widzenia dni, np. na poczęcie cesarskiego potomka.