
水時計、またはクレプシドラ(古代ギリシャ語のκλεψύδρα(klepsúdra)「ピペット、水時計」に由来。κλέπτω (kléptō)「盗む」とὕδωρ(hydor)「水」から成り、直訳すると「水泥棒」)は、容器に流入(流入型)または流出(流出型)する液体の調節された流れによって時間を計測し、液体の量を計測できる時計である。
水時計は最も古い時間計測機器の一つです。[ 1 ]最も簡素な水時計は、ボウル型の排水口を備えており、紀元前16世紀頃のバビロン、エジプト、ペルシャに存在していました。インドや中国を含む世界の他の地域でも水時計の初期の証拠が見られますが、最も古い年代は定かではありません。水時計は古代ギリシャと古代ローマで使用されており、クテシビオス(紀元前222年没)やウィトルウィウス(紀元前15年以降に没)などの技術書作家によって記述されています。

水時計は水の流れを利用して時間を計ります。粘性を無視すれば、このような時計を研究するために必要な物理原理はトリチェリの法則です。水時計には流入型と流出型の2種類があります。流出型水時計では、容器に水を満たし、そこからゆっくりと均等に水を排出します。この容器には時間の経過を示す目盛りが付いています。水が容器から流れ出ると、観測者は水位線と目盛りの線が合っている場所を見て、経過時間を推定できます。流入型水時計は基本的に同じ仕組みですが、容器から水が流れ出るのではなく、目盛りの付いた容器に水が満たされます。容器が満たされると、観測者は水位線と目盛りの線が合っている場所を見て、経過時間を推定できます。現代の時計の中には「水時計」と呼ばれるものもありますが、古代のものとは仕組みが異なります。時計の計時は振り子で制御されますが、水車などを使用して時計を動かすのに必要な電力を供給したり、表示画面に水を入れたりするなど、他の目的にも水が使用されます。
ギリシャ人とローマ人は水時計の設計を進化させ、初期のフィードバックシステム、歯車、脱進機を備えた流入式水時計を考案しました。これらは空想的なオートマタと結びつき、精度の向上をもたらしました。ビザンチン帝国、シリア、メソポタミアでもさらなる進歩が遂げられ、複雑なセグメント歯車や遊星歯車、水車、そしてプログラム機能を備えた水時計の精度は向上し、最終的にヨーロッパにも伝わりました。中国も独自に歯車、脱進機、水車を組み込んだ高度な水時計を開発し、その技術は韓国と日本に伝えられました。
いくつかの水時計の設計は独自に開発され、一部の知識は貿易の普及を通じて伝承されました。これらの初期の水時計は日時計で調整されていました。今日の計時基準に匹敵する精度に達することはありませんでしたが、水時計は数千年にわたって広く用いられた計時装置であり、1300年頃にヨーロッパでより正確なバージ脱進機付きの機械式時計に取って代わられました。 [ 2 ]
物的証拠が残る最古の水時計は、紀元前1417年から1379年頃、エジプト新王国時代、アメンホテプ3世の治世下、カルナック神殿のアメン・ラーの境内で使用されていたとされる。[ 3 ]水時計に関する最古の文献は、紀元前16世紀のエジプト宮廷官吏アメンエムハトの墓碑銘であり、彼が水時計の発明者とされている。[ 3 ] [ 4 ]これらの簡素な流出型水時計は、底面近くの小さな穴からほぼ一定の速度で水が滴り落ちる傾斜側面を持つ石造容器であった。水位が到達するたびに「時間」の経過を計測するため、内部に一定間隔で目盛りが刻まれた12本の独立した柱があった。柱は12ヶ月ごとに設置されており、季節による時間の変化に対応していた。司祭たちはこれらの時計を使って夜間の時間を計り、神殿の儀式や供儀を正しい時間に行うことができました。[ 5 ]
| 粘土板 | |
|---|---|
Nabû-apla-iddina による水時計の計算。 | |
| サイズ | 高さ:8.2 cm (3.2 インチ)幅:11.8 cm (4.6 インチ)奥行き:2.5 cm (0.98 インチ) |
| 書き込み | 楔形文字、アッカド語 |
| 作成 | 紀元前600年~紀元前500年 |
| 現在地 | 大英博物館55号室 |
| 識別 | 29371 |
バビロンの水時計は流出型で円筒形でした。天文計算の補助として水時計が使われ始めたのは、古バビロニア帝国(紀元前2000年頃~紀元前1600年頃)に遡ります。[ 6 ]メソポタミア地方からは水時計は現存していませんが、その存在を示す証拠のほとんどは粘土板に書かれたものです。例えば、粘土板集としてはエヌマ・アヌ・エンリル(紀元前1600年~1200年)とムル・アピン(紀元前7世紀)があります。[ 7 ]これらの粘土板では、水時計は夜勤と昼勤(番人)の給料の支払いに使用されていました。[ 8 ]
これらの時計は、今日一般的に使用されている針や、エジプトで使用されていた溝付きの刻み目といった表示器を備えていなかった点で独特でした。代わりに、これらの時計は「そこから流れる水の重さ」で時間を計測しました。[ 9 ]水の体積はqaと呼ばれる容量単位で測定されました。重さ、マナまたはミナ(ギリシャ語で約1ポンドを表す単位)は、水時計内の水の重さです。
バビロニア時代、時間は時間で測られていました。そのため、季節が変わると、一日の長さも変化しました。「夏至の『夜警』の長さを定めるには、円筒形の水差しに2マナの水を注ぎ、それが空になると夜警の終了を示しました。その後、半月ごとに6分の1のマナを加えました。春分には、1回の夜警に相当する3マナを空にし、冬至の夜は1回の夜警に相当する4マナを空にしました。」[ 9 ]
N. ナラハリ・アチャールとスバーシュ・カクは、アタルヴァ・ヴェーダにおける水時計の登場に基づき、古代インドでは紀元前2千年紀には既に水時計が使用されていたと示唆している。[ 10 ] [ 11 ] N. カメスワラ・ラオによると、インダス文明の遺跡モヘンジョダロから出土した壺は水時計として使用されていた可能性がある。壺は底が細く、側面に穴が開いており、リンガムにアビシェカ(儀式的な水かけ)を行う際に用いられる道具に似ている。[ 12 ]
ヴェーダンガの六つの修行法の一つである『ジョーティシャ』には、ナディカ(約24分)を単位として時間を計測するガティまたはカパラと呼ばれる水時計について記されている。浮いたり沈んだりする銅の容器の形をしたクレプシドラは、 『スーリヤ・シッダーンタ』(5世紀)に記されている。[ 13 ]古代仏教大学であるナーランダ・マハーヴィハーラでは、4時間間隔を水時計で計測していた。水時計は、水を満たした大きな容器の中に2つの大きな浮き輪を載せた同様の銅の容器で構成されていた。容器の底にある小さな穴から水が満たされ、水が満たされると沈み、日中に太鼓を叩くことで時を知らせた。加えられる水の量は季節によって変化し、大学の学生が時計を操作した。[ 14 ]
同様の水時計の記述は、6世紀の博学者ヴァラーハミヒラによる『パンチャ・シッダーンティカ』にも記されており、スーリヤ・シッダーンタの記述をさらに詳細に説明しています。7世紀の数学者ブラフマグプタによる『ブラフマスプッタ・シッダーンタ』にも、さらに詳細な記述が記録されています。8世紀の天文学者ララも、測定値を伴う詳細な記述を記録しており、ガティは半球形の銅製の容器で、穴は1ナディカで完全に満たされると説明しています。[ 15 ]
古代中国や東アジア全域において、水時計は天文学や占星術の研究において非常に重要であった。中国で水時計が使用された最古の文献には紀元前6世紀のことが記されている。[ 16 ]紀元前200年頃から、中国のほぼ全域で流出式の水時計は流入式のものに置き換えられ、指示棒が浮き輪(浮箭漏, fú jiàn lòu)に載ったものとなった。[ 16 ]漢代の哲学者で政治家で、宮廷で水時計を担当する書記官を務めた桓旦(紀元前40年 - 紀元後30年)は、温度と湿度が水時計の精度に影響するため、水時計を日時計と比較する必要があると記しており、この当時、蒸発と温度が水が流れる速度に与える影響が知られていたことを示している。[ 17 ]水時計の液体は凍りやすく、たいまつで温める必要があったが、この問題は976年に中国の天文学者で技術者の張思胤によって解決された。彼の発明は易興の時計を大幅に改良したもので、水の代わりに水銀を使った。水銀は常温では液体で、-38.83 °C(-37.9 °F)で凍る。これは極地以外では一般的な気温よりも低い。[ 18 ] [ 19 ]また、明代初期の技術者である張希遠(1360年頃-1380年)は、水を使う代わりに砂で動く車輪時計を発明し、周樹学(1530年頃-1558年)によって改良された。[ 20 ]
天文現象を描写する機構を駆動するためにクレプシドラを使用することは、117 年に漢代の博学者張衡(78–139) によって開始され、彼も水車を使用していました。[ 21 ]張衡は、中国で初めて貯水池と流入容器の間に追加の補償タンクを追加し、貯水池タンクの圧力ヘッド低下の問題を解決しました。 [ 16 ]張の創意工夫により、725 年に唐代の数学者で技術者の易興(683–727) と梁霊山が水車の連結脱進機機構で駆動する時計を作成しました。[ 22 ]同じ機構は、1088 年に宋代の博学者蘇宋(1020–1101) によって天文時計塔の動力源として、チェーン ドライブとともに使用されました。[ 23 ]蘇松の時計塔は高さ30フィート(9.1メートル)を超え、観測用の青銅製の動力式渾天球儀、自動回転する天球儀、そして5つの前面パネルを備えていた。前面パネルには扉があり、そこから鐘やゴングを鳴らす人形や、時刻やその他の特別な時間を示す石板が置かれた人形の姿を見ることができた。2000年代には、北京の鼓楼で吹き出し式の鐘楼が稼働し、観光客向けに展示されている。これはオートマタと連動しており、15分ごとに真鍮製の小さな男性像がシンバルを叩く。[ 24 ]
大イラン、特にヤズド、エスファハーン、ズィバード、ゴナバードなどの砂漠地帯における水時計の使用は紀元前500年に遡る。[ 25 ]その後、水時計は、ノウルーズ(3月の春分)、メフレガン(9月の春分)、ティルガーン(夏至)、ヤルダー・ナイト(冬至)など、1年で最も昼と夜の長さが短い、最も長い、等しい、イスラム以前の宗教の聖日を正確に決定するためにも使用された。使用された水時計はペンガン(後にフェンジャン)と呼ばれ、年間の暦の時間を計るための最も実用的な古代ツールの1つであった。[ 26 ] [ 27 ]水時計は、より正確な現在の時計に取って代わられるまで、農民が灌漑のためにカナートまたは井戸から取水しなければならない水の量や時間を計算するための最も正確で一般的に使用された計時装置であった。[ 28 ] [ 29 ]
ペルシャの水時計は、カナートの株主が農場や庭園に水を流せる時間を計算するための実用的で便利な必需品でした。カナートは乾燥地帯における農業と灌漑の唯一の水源であったため、公正かつ公平な水の分配は非常に重要でした。そのため、公正で賢明な老人が水時計の管理者(ミール・アーブ)に選出されました。また、株主は通常、昼と夜の所有者を分けていたため、日の出から日没までの正確な時刻を告げるには、少なくとも2人の専任管理者が必要でした。[ 30 ]
ペルシャの水時計は、水が入った大きな壺と、中央に小さな穴の開いたボウルで構成されていました。ボウルが水で満たされると、壺の中に沈んでいきます。管理人はボウルの水を空にし、再び壺の水の上に置きます。そして、瓶に小石を入れて、ボウルが沈んだ回数を記録しました。[ 30 ]時計が設置されていた場所と管理人は、総称してカーネ・ペンガンと呼ばれていました。通常、これはパブの最上階にあり、日の出と日の入りの時刻を示すために西向きと東向きの窓がありました。ジバド水時計は1965年まで使用されていましたが、[ 27 ]その後、現代の時計に置き換えられました。[ 26 ]


「クレプシドラ」という言葉は、ギリシャ語で「水泥棒」を意味する。[ 32 ]ギリシャ人は、水量減少の問題に取り組むことで、水時計を大きく進歩させた。彼らは数種類の流入式クレプシドラを導入し、そのうちの一つには、最も初期のフィードバック制御システムが搭載されていた。[ 33 ]クテシビオスは、文字盤と針といった、後の時計に典型的な表示システムを発明した。[ 34 ]ローマの技術者ウィトルウィウスは、ゴングやトランペットを用いた初期の目覚まし時計について記述している。[ 34 ]一般的に使用されていた水時計は、シンプルな流出式クレプシドラであった。この小さな土器の容器には、底面近くの側面に穴が開いていた。ギリシャ時代とローマ時代の両方において、このタイプのクレプシドラは、法廷で発言者に時間を割り当てるために使用されていた。人命に関わるような重要な場合には、完全に水を満たしたが、より軽微な場合には、部分的にのみ水を満たした。書類の審査など何らかの理由で審理が中断された場合、弁論者が弁論を再開できるまで、クレプシドラの穴は蝋で塞がれた。[ 35 ]
一部の学者は、クレプシドラがアテネの娼館で客の訪問時間を制限するストップウォッチとして使われていたのではないかと推測している。 [ 36 ]少し後の紀元前3世紀初頭、ヘレニズム時代の医師ヘロフィロスは、アレクサンドリアで患者の家を訪問する際に携帯可能なクレプシドラを用いて脈拍数を測定し、年齢層別の脈拍数を経験的に得られたデータセットと比較することで、障害の程度を判定することに成功した。[ 36 ]
紀元前270年から紀元後500年の間、ヘレニズム時代(クテシビオス、アレクサンドリアのヘロン、アルキメデス)とローマの時計学者と天文学者は、より精巧な機械式水時計を開発していました。追加された複雑さは、水の流れを調整し、時間の経過をより美しく表示することを目的としていました。例えば、鐘やゴングを鳴らす水時計もあれば、ドアや窓を開けて人物像を見せたり、針や文字盤を動かしたりする水時計もありました。中には、宇宙の占星術モデルを表示するものもありました。紀元前3世紀の技術者、ビザンツのフィロンは、著書の中で、脱進機機構を備えた水時計について言及しています。これは、この種のものとしては最古のものです。[ 37 ]
しかし、この時代におけるクレプシドラの発明の最大の功績は、当時用いられていた定時計のおかげで、年間を通して昼の長さが変わっても自動的に時刻を表示する歯車とダイヤル表示器を組み込んだクテシビオスによるものであった。また、ギリシャの天文学者、キュロスのアンドロニコスは、紀元前1世紀前半、アテネの市場(アゴラ)に、今日では風の塔として知られる時計塔の建設を監督した。この八角形の時計塔は、学者や買い物客に日時計と風向計の両方を見せた。内部には機械化されたクレプシドラがあったが、どのような表示方式が用いられていたかは定かではない。いくつかの可能性としては、上下に動く棒で時刻を表示していたか、水力で動くオートマトンで鐘を鳴らして時を告げていたか、天井で動く星の円盤だったかなどが考えられる。[ 38 ]

中世イスラム世界(632-1280)における水時計の使用は、エジプトのアレクサンドリアの興隆期におけるアルキメデスに始まり、ビザンチン帝国へと受け継がれました。しかしながら、アラビアの技術者アル=ジャザリによる水時計は、それ以前のものを「はるかに凌駕する」ものであったとされています。アル=ジャザリは1206年の論文の中で、自作の水時計の一つである「象時計」について説明しています。この水時計は時間の経過を記録するため、年間を通して日の長さが不均一であることに合わせて、水流の流量を毎日調整する必要がありました。このため、水時計には2つのタンクがあり、上側のタンクは時刻表示機構に接続され、下側のタンクは流量制御レギュレーターに接続されていました。基本的に、夜明けに蛇口が開かれ、受水槽の圧力を一定に保つフロートレギュレーターを介して、上側のタンクから下側のタンクに水が流れました。[ 40 ]

最も洗練された水力天文時計は、 1206年のジャザリー城時計で、一部の人々からプログラム可能なアナログコンピュータの初期の例として考えられています。[ 41 ]それは約11フィート(3.4メートル)の高さの複雑な装置で、計時のほかに複数の機能がありました。黄道帯と太陽と月の軌道の表示と、出入り口の上部を移動する三日月形のポインターが含まれていました。このポインターは隠されたカートによって移動され、1時間ごとに自動ドアが開き、各ドアからマネキンが姿を現しました。[ 42 ] [ 43 ]一年を通して変化する昼と夜の長さを考慮して、昼と夜の長さを再プログラムすることができました。また、水車に取り付けられた隠されたカムシャフトで操作されるレバーで動かされると、自動的に音楽を演奏する5つの音楽家オートマタも備えていました。[ 41 ]城の時計の他の部品には、フロート付きの主貯水池、フロート室と流量調整器、プレートとバルブトラフ、2つの滑車、黄道帯を表示する三日月形のディスク、花瓶にボールを落とす2つのハヤブサのオートマタが含まれていました。[ 44 ]
複雑なセグメント歯車と遊星歯車を採用した最初の水時計は、 1000年頃、イスラムのイベリア半島でアラブ人技術者イブン・ハラフ・アル・ムラディによって発明されました。彼の水時計は水車で駆動され、11世紀の中国の水時計のいくつかも同様でした。[ 45 ]類似の水時計はダマスカスとフェズで作られました。後者(ダル・アル・マガナ)は今日まで残っており、その機構は復元されています。これらの複雑な歯車を採用した最初のヨーロッパの時計は、 1365年頃にジョヴァンニ・デ・ドンディによって作成された天文時計でした。中国人と同様に、当時のアラブ人技術者も脱進機の機構を開発し、一部の水時計に採用しました。脱進機の機構は定圧システムであり、重いフロートが重りとして使用されました。[ 45 ]
統一新羅は718年に、唐の時代を模倣して韓国史上初めて水時計のシステムを確立した。[ 46 ] 1434年、朝鮮統治下では、宮廷衛兵で後に宮廷技師長となった張容実(韓国語: 장영실、漢字: 蔣英實)が世宗大王のために普楽閣の自打水時計を建立した。
彼の水時計が自動打鐘式(あるいは自動打鐘式)になったのは、ジャック機構を採用したためだ。3つの木製の人形、いわゆる「ジャック」が物体を叩いて時刻を知らせる。この革新により、「雄鶏番」と呼ばれる人間の作業員に頼って水を絶えず補充する必要がなくなった。
この時計のユニークな点は、視覚と聴覚の信号で自動的に二重の時刻を告げる機能であった。[ 47 ]チャンは、アナログ時間の計測とデジタル時間の同時告知を可能にする信号変換技術を開発した。また、水機構をボールで作動する打鐘機構から分離することもできた。[ 48 ]この変換装置はパンモクと呼ばれ、時間を測定する流入容器の上に設置された。この種の装置の例としては世界初であった。[ 49 ]このように、ボルガク水時計は時計史上初の水力機械式二重時刻時計である。[ 50 ] [ 51 ]
天智天皇は日本初の漏刻(ろうこく)を製作しました。漏刻は社会的に大きな意義を持ち、漏刻博士によって運用されていました。
粘度が無視できる場合、水の流出速度はトリチェリの法則、より一般的にはベルヌーイの定理に従います。ハーゲン・ポアズイユの式で示されるように、十分に長くて細いノズルから水が流出する場合、粘度が流出速度を支配します。[ 52 ]近似的に、このような設計の場合、流量は温度に依存する粘度に反比例します。一般的に、液体は温度が上昇するにつれて粘度が低くなります。水の場合、粘度は0℃から100℃の間で約7倍変化します。したがって、このようなノズルを備えた水時計は、100℃では0℃のときよりも約7倍速く動きます。水の粘度は20℃のときの方が30℃のときよりも約25%高く、この「室温」範囲では1℃の温度変化で粘度は約2%変化します。[ 53 ]そのため、ある温度で正確な時を刻むノズルを持つ水時計は、気温が1℃高かったり低かったりすると、1日に約30分進んだり遅れたりする。1日に1分以内に時を刻むには、温度を1⁄30 ° C(約1⁄17 °F)以内に制御する必要がある。古代にこのような制御が行われていたという証拠はないため、十分に細く長いノズルを持つ古代の水時計(上記の現代の振り子制御の水時計とは異なり)は、現代の基準では確実に正確であったはずがない。しかし、現代の時計は長期間リセットされないかもしれないが、水時計は日時計に基づいて水を補充するときに毎日リセットされていた可能性が高いため、累積誤差は大きくなかっただろう。
モヘンジョダロとハラッパーの2つの遺物が、これらの2つの器具に対応する可能性があるようです。Joshi and Parpola (1987) は、モヘンジョダロの発掘調査から、底が細く側面に穴の開いた壺をいくつか挙げています(図3)。水を排出するための小さな穴のある壺は、大橋が時間測定のために記述したクレプシドラ(シヴァ寺院でアビシェーカムを行う際にリンガムの上に置かれた器具に類似)と非常によく似ています。
ギリシャ人は水時計を「水泥棒」を意味する「クレプシドラ」(KLEP-suh-druh)と名付けました。
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