Reloj de agua

Un reloj de agua o clepsidra (del griego antiguo κλεψύδρα (klepsúdra) 'pipeta, reloj de agua'; de κλέπτω (kléptō) 'robar' y ὕδωρ (hydor) 'agua'; literalmente 'ladrón de agua') es cualquier reloj de qué tiempo se mide por el flujo regulado de líquido que entra (tipo de entrada) o sale (tipo de salida) de un recipiente, y dónde se mide la cantidad.  

Inventados para registrar el tiempo durante los períodos sin luz solar para los relojes de sol, los relojes de agua son uno de los instrumentos más antiguos para medir el tiempo. El desagüe en forma de cuenco es la forma más simple de un reloj de agua y se sabe que existió en Babilonia, Egipto y Persia alrededor del siglo XVI a. Otras regiones del mundo, incluidas India y China, también tienen evidencia temprana de relojes de agua, pero las fechas más tempranas son menos seguras. Sin embargo, algunos autores afirman que los relojes de agua aparecieron en China ya en el año 4000 a. Los relojes de agua también se utilizaron en la antigua Grecia y la antigua Roma, descritos por escritores técnicos como Ctesibius y Vitruvius.

Diseños

Un reloj de agua usa el flujo de agua para medir el tiempo. Si se desprecia la viscosidad, el principio físico requerido para estudiar tales relojes es la ley de Torricelli. Hay dos tipos de relojes de agua: entrada y salida. En un reloj de salida de agua, se llena un recipiente con agua y el agua se drena lenta y uniformemente fuera del recipiente. Este contenedor tiene marcas que se utilizan para mostrar el paso del tiempo. A medida que el agua sale del recipiente, un observador puede ver dónde está el agua al nivel de las líneas y decir cuánto tiempo ha pasado. Un reloj de agua de entrada funciona básicamente de la misma manera, excepto que en lugar de salir del recipiente, el agua llena el recipiente marcado. A medida que se llena el recipiente, el observador puede ver dónde el agua se encuentra con las líneas y saber cuánto tiempo ha pasado. Algunos relojes modernos se llaman "

Los griegos y los romanos avanzaron en el diseño del reloj de agua para incluir la clepsidra de entrada con un sistema de retroalimentación temprano, engranajes y mecanismo de escape, que estaban conectados a autómatas de fantasía y dieron como resultado una precisión mejorada. Se realizaron más avances en Bizancio, Siria y Mesopotamia, donde los relojes de agua cada vez más precisos incorporaron engranajes epicíclicos y segmentarios complejos, ruedas hidráulicas y programabilidad, avances que finalmente llegaron a Europa. Independientemente, 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 algunos conocimientos se transfirieron a través de la expansión del comercio. Estos primeros relojes de agua se calibraban con un reloj de sol. Si bien nunca alcanzó un nivel de precisión comparable con los estándares actuales de cronometraje, el reloj de agua fue el dispositivo de cronometraje más preciso y utilizado durante milenios, hasta que fue reemplazado por relojes de péndulo más precisos en la Europa del siglo XVII.

Desarrollo regional

Egipto

El reloj de agua más antiguo del que hay evidencia física data de c. 1417-1379 a. C., durante el reinado de Amenhotep III, donde se usó en el Templo de Amen-Re en Karnak. La documentación más antigua del reloj de agua es la inscripción de la tumba del funcionario de la corte egipcia del siglo XVI Amenemhet, que lo identifica como su inventor.Estos simples relojes de agua, que eran del tipo de salida, eran vasijas de piedra con lados inclinados que permitían que el agua goteara a un ritmo casi constante desde un pequeño agujero cerca del fondo. Había doce columnas separadas con marcas espaciadas constantemente en el interior para medir el paso de las "horas" a medida que el nivel del agua las alcanzaba. Las columnas eran para cada uno de los doce meses para permitir las variaciones de las horas estacionales. Estos relojes fueron utilizados por los sacerdotes para determinar la hora de la noche para que los ritos y sacrificios del templo pudieran realizarse a la hora correcta. Estos relojes también pueden haber sido utilizados durante el día.

Babilonia

En Babilonia, los relojes de agua eran del tipo de salida y tenían forma cilíndrica. El uso del reloj de agua como ayuda para los cálculos astronómicos se remonta al período babilónico antiguo (c. 2000 - c. 1600 a. C.). Si bien no quedan relojes de agua de la región de Mesopotamia, la mayor parte de la evidencia de su existencia proviene de escritos en tablillas de arcilla. Dos colecciones de tablillas, por ejemplo, son Enuma-Anu-Enlil (1600-1200 a. C.) y MUL.APIN (siglo VII a. C.). En estas tablillas se utilizan relojes de agua en referencia al pago de las vigilias nocturnas y diurnas (guardias).

Estos relojes eran únicos, ya que no tenían un indicador como manecillas (como se usa normalmente en la actualidad) o muescas acanaladas (como se usaba en Egipto). En cambio, estos relojes medían el tiempo "por el peso del agua que fluía" de él. El volumen se midió en unidades de capacidad denominadas qa. El peso, mana o mina (la unidad griega para aproximadamente una libra), es el peso del agua en un reloj de agua.

En tiempos de Babilonia, el tiempo se medía con horas temporales. Entonces, a medida que cambiaban las estaciones, también lo hacía 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; su vaciado indicaba el final de la guardia. Se tenía que añadir una sexta parte del maná en cada mitad sucesiva. -mes. En el equinoccio, había que vaciar tres maná para que correspondiera a una vigilia, y cuatro maná se vaciaban por cada vigilia de la noche del solsticio de invierno".

India

Según N. Kameswara Rao, las vasijas excavadas en el sitio de Mohenjo-daro en el valle del Indo en Pakistán (alrededor del 2500 a. C.) pueden haber sido utilizadas como relojes de agua. Son cónicos en la parte inferior, tienen un agujero en el costado y son similares al utensilio que se usa para realizar abhiṣeka (verter agua ritual) en lingams. N. Narahari Achar y Subhash Kak sugieren que el uso del reloj de agua en la antigua India se menciona en el Atharvaveda del segundo milenio antes de Cristo.

La escuela Jyotisha, una de las seis disciplinas de Vedanga, describe relojes de agua llamados ghati o kapala que miden el tiempo en unidades de nadika (alrededor de 24 minutos). En el Sürya Siddhānta (siglo V d. C.) se menciona una clepsidra en forma de recipiente de cobre que flota y se hunde. En Nalanda, una universidad budista, se midieron intervalos de cuatro horas con un reloj de agua, que consistía en un recipiente de cobre similar que contenía dos flotadores grandes en un recipiente más grande lleno de agua. El cuenco estaba lleno de agua por un pequeño agujero en el fondo; se hundió cuando estaba completamente lleno y estaba marcado por el sonido de un tambor durante el día. La cantidad de agua añadida variaba con las estaciones, y el reloj era operado por estudiantes de la universidad.

Las descripciones de relojes de agua similares también se dan en el Pañca Siddhāntikā por el erudito Varāhamihira (siglo VI d. C.), lo que agrega más detalles al relato dado en el Sürya Siddhānta. Se registran más descripciones en el Brāhmasphuṭa Siddhānta, del matemático Brahmagupta (siglo VII d. C.). El astrónomo Lalla (siglo VIII d. C.) también registra una descripción detallada con medidas, quien describe el ghati como un recipiente hemisférico de cobre con un orificio que se llena por completo después de un nadika.

Porcelana

En la antigua China, así como en todo el este de Asia, 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. Aproximadamente desde el 200 a. C. en adelante, la clepsidra de flujo de salida fue reemplazada en casi todas partes en China por el tipo de flujo de entrada con una varilla indicadora montada en un flotador. El filósofo y político de la dinastía Han Huan Tan (40 a. C. - 30 d. C.), secretario de la corte a cargo de las clepsidras, escribió que tenía 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 sobre la velocidad a la que fluye el agua, se conocían en este momento.El líquido de los relojes de agua podía congelarse y había que mantenerlo caliente con antorchas, problema que resolvió en 976 el astrónomo e ingeniero chino Zhang Sixun. Su invento, una mejora considerable del reloj de Yi Xing, usaba mercurio en lugar de agua. El mercurio es un líquido a temperatura ambiente y se congela a -38,9 °C (-38,0 °F), más baja que cualquier temperatura del aire que normalmente se encuentra en la Tierra. Nuevamente, en lugar de usar agua, el ingeniero de principios de la dinastía Ming Zhan Xiyuan (c. 1360–1380) creó un reloj con rueda de arena, mejorado por Zhou Shuxue (c. 1530–1558).

El uso de clepsidras para impulsar mecanismos que ilustran fenómenos astronómicos comenzó con el erudito de la dinastía Han Zhang Heng (78-139) en 117, quien también empleó una rueda hidráulica. Zhang Heng fue el primero en China en agregar un tanque de compensación adicional entre el depósito y el recipiente de entrada, lo que resolvió el problema de la caída de presión en el tanque del depósito. El ingenio de Zhang condujo a la creación por parte del matemático e ingeniero de la dinastía Tang Yi Xing (683–727) y Liang Lingzan en 725 de un reloj impulsado por un mecanismo de escape de eslabón de rueda hidráulica. El mismo mecanismo sería utilizado por el erudito de la dinastía Song Su Song (1020-1101) en 1088 para alimentar su torre del reloj astronómico, así como una transmisión por cadena.La torre del reloj de Su Song, de más de 30 pies (9,1 m) de altura, poseía una esfera armilar de bronce impulsada por energía para observaciones, un globo celeste que giraba automáticamente y cinco paneles frontales con puertas que permitían ver maniquíes cambiantes que tocaban campanas o gongs. y tabletas sujetas que indican la hora u otros momentos especiales del día. En la década de 2000, en la Torre del Tambor de Beijing, una clepsidra de salida está en funcionamiento y se exhibe para los turistas. Está conectado a autómatas para que cada cuarto de hora una pequeña estatua de bronce de un hombre aplauda sus címbalos.

Persia

El uso de relojes de agua en Persia o el Gran Irán, especialmente en áreas desérticas de Irán como Yazd, Isfahan, Zibad y Gonabad, se remonta al año 500 a. Más tarde, también se usaron para determinar los días sagrados exactos de las religiones preislámicas, como Nowruz, Chelah o Yaldā: los días y las noches más cortos, más largos y de igual duración de los años. Los relojes de agua utilizados en Irán fueron una de las herramientas antiguas más prácticas para cronometrar el calendario anual. El reloj de agua, o Fenjaan, fue el dispositivo de cronometraje más preciso y comúnmente utilizado para calcular la cantidad o el tiempo que un agricultor debe tomar agua de un qanat o pozo para riego, hasta que fue reemplazado por relojes actuales más precisos. Los relojes de agua persas eran una herramienta práctica, útil y necesaria para que los accionistas del qanat calcularan el tiempo que podían desviar el agua a sus granjas o jardines. El qanat (Kariz) era la única fuente de agua para la agricultura y el riego en las zonas áridas, por lo que una distribución justa y equitativa del agua era muy importante. Por lo tanto, se eligió a un anciano muy justo e inteligente para ser el administrador del reloj de agua (llamado Mir Aab), y se necesitaban al menos dos administradores a tiempo completo para controlar y observar el número de Fenjans o Pengan (horas) y anunciar la hora exacta de los días y las noches desde el amanecer hasta la puesta del sol porque los accionistas generalmente se dividían en propietarios de días y propietarios de noches. El Fenjaan 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 gerente lo vaciaba y volvía a ponerlo sobre el agua de la olla. Él registraría el número de veces que el cuenco se hundió poniendo pequeñas piedras en un frasco. El lugar donde se encontraba el reloj y sus gerentes se conocían colectivamente como khaneh Fenjaan (casa de los tiempos). Por lo general, este sería el último piso de una taberna, con ventanas orientadas al oeste y al este para mostrar la hora del atardecer y el amanecer. El reloj de agua Zibad Gonabad estuvo en uso hasta 1965 cuando fue sustituido por relojes modernos.

Mundo grecorromano

La palabra "clepsidra" proviene del griego y significa "ladrón de agua". Los griegos hicieron avanzar considerablemente el reloj del agua al abordar el problema del flujo decreciente. Introdujeron varios tipos de clepsidra de entrada, uno de los cuales incluía el primer sistema de control de retroalimentación. Ctesibius inventó un sistema indicador típico de los relojes posteriores, como el dial y el puntero. El ingeniero romano Vitruvio describió los primeros despertadores, que funcionaban con gongs o trompetas.Un reloj de agua de uso común fue la clepsidra de salida simple. Esta pequeña vasija de barro tenía un agujero en un costado cerca de la base. Tanto en la época griega como en la romana, este tipo de clepsidra se usaba en los tribunales para asignar períodos de tiempo a los hablantes. En casos importantes, como cuando estaba en juego la vida de una persona, se llenaba por completo, pero para casos más menores, solo parcialmente. Si el procedimiento se interrumpía por cualquier motivo, como para examinar documentos, el orificio de la clepsidra se tapaba con cera hasta que el orador pudiera reanudar su alegato.

Manantial de Klepsydra de la acrópolis ateniense

Justo al noreste de la entrada a la Acrópolis de Atenas había un famoso manantial natural llamado Klepsydra. Aristófanes lo menciona en Lysistrata (líneas 910–913) y otras fuentes literarias antiguas. Se construyó una casa fuente en el sitio c. 470–460 a. C.; era de sencilla construcción rectangular con pila y patio empedrado.

Clepsydrae para medir el tiempo

Algunos estudiosos sospechan que la clepsidra puede haber sido utilizada como cronómetro para imponer un límite de tiempo a las visitas de los clientes en los burdeles atenienses. Un poco más tarde, a principios del siglo III a. C., el médico helenístico Herófilo empleó una clepsidra portátil en sus visitas domiciliarias en Alejandría para medir el pulso de sus pacientes. Al comparar la tasa por grupo de edad con conjuntos de datos obtenidos empíricamente, pudo determinar la intensidad del trastorno.

Entre el 270 a. C. y el 500 d. C., los horólogos y astrónomos helenísticos (Ctesibio, Héroe de Alejandría, Arquímedes) y romanos estaban desarrollando relojes de agua mecanizados más elaborados. La complejidad añadida tenía como objetivo regular el flujo y proporcionar exhibiciones más elegantes 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 de personas o movían punteros y diales. Algunos incluso mostraban modelos astrológicos del universo. El ingeniero del siglo III a. C. Filón de Bizancio se refirió en sus obras a los relojes de agua ya equipados con un mecanismo de escape, el más antiguo conocido de su tipo.

Sin embargo, el mayor logro de la invención de las clepsidras durante este tiempo fue de Ctesibio con su incorporación de engranajes y un indicador de cuadrante para mostrar automáticamente el tiempo a medida que cambiaba la duración de los días a lo largo del año, debido al cronometraje temporal utilizado durante su día. Además, un astrónomo griego, Andrónico de Cirro, supervisó la construcción de su Horologion, conocido hoy como la Torre de los Vientos, en el mercado (o ágora) de Atenas en la primera mitad del siglo I a.C. Esta torre de reloj octogonal mostraba a los eruditos y compradores relojes de sol e indicadores horarios mecánicos. Presentaba una clepsidra mecanizada de 24 horas e indicadores para los ocho vientos de los que la torre obtuvo su nombre, y mostraba las estaciones del año y las fechas y períodos astrológicos.

Mundo islámico medieval

En el mundo islámico medieval (632-1280), el uso de relojes de agua tiene sus raíces en Arquímedes durante el ascenso de Alejandría en Egipto y continúa hasta Bizancio. Sin embargo, a los relojes de agua del ingeniero árabe Al-Jazari se les atribuye haber ido "mucho más allá" de lo que los había precedido. En el tratado de al-Jazari de 1206, describe uno de sus relojes de agua, el reloj elefante. El reloj registraba el paso de las horas temporales, lo que significaba que la tasa de flujo tenía que cambiarse diariamente para que coincidiera con la duración desigual de los días a lo largo del año. Para lograr esto, el reloj tenía dos tanques, el tanque superior estaba conectado a los mecanismos indicadores de tiempo y el inferior estaba conectado al regulador de control de flujo. Básicamente, al amanecer,

El reloj astronómico accionado por agua más sofisticado fue el reloj del castillo de Al-Jazari, considerado por algunos como un ejemplo temprano de una computadora analógica programable, en 1206. Era un dispositivo complejo que medía unos 11 pies (3,4 m) de alto y tenía múltiples funciones junto con el cronometraje. Incluía una exhibición del zodíaco y las órbitas solar y lunar, y un puntero en forma de luna creciente que viajaba a través de la parte superior de una puerta de entrada, movido por un carro oculto y haciendo que se abrieran puertas automáticas, cada una revelando un maniquí, cada hora.Era posible reprogramar la duración del día y la noche para tener en cuenta la duración cambiante del día y la noche a lo largo del año, y también presentaba cinco músicos autómatas que tocan música automáticamente cuando se mueven mediante palancas operadas por un árbol de levas oculto adjunto. a una rueda de agua. Otros componentes del reloj del castillo incluían un depósito principal con un flotador, una cámara de flotación y un regulador de flujo, una placa y un canal de válvula, dos poleas, un disco de media luna que mostraba el zodíaco y dos autómatas de halcón que arrojaban bolas en jarrones.

Los primeros relojes de agua que emplearon engranajes epicíclicos y segmentarios complejos fueron inventados anteriormente por el ingeniero árabe Ibn Khalaf al-Muradi en la Península Islámica c. 1000. Sus relojes de agua fueron impulsados ​​por ruedas hidráulicas, como también fue el caso de varios relojes de agua chinos en el siglo XI. Se construyeron relojes de agua comparables en Damasco y Fez. Este último (Dar al-Magana) permanece hasta hoy y su mecanismo ha sido reconstruido. El primer reloj europeo en emplear estos complejos engranajes fue el reloj astronómico creado por Giovanni de Dondi en c. 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 tenía la forma de un sistema de cabeza constante, mientras que los flotadores pesados ​​se usaban como pesos.

Corea

En 1434, durante la dinastía Choson (o Joseon), Jang Yeong-sil (también transcrito de diversas formas como Chang Yongsil o Jang Young Sil) (장영실 en coreano), guardia de palacio y más tarde ingeniero jefe de la corte, construyó el Jagyeongnu (reloj de agua automático o llamativa clepsidra) para el rey Sejong.

Lo que hizo que el Jagyeongnu fuera automático (o automático) fue el uso de mecanismos mecánicos, mediante los cuales tres figuras de madera (gatos) golpeaban objetos para señalar la hora. Esta innovación ya no requería la dependencia de trabajadores humanos, conocidos como "hombres gallo", para reponerla constantemente.

La singularidad del reloj era su capacidad para anunciar horas duales automáticamente con señales visuales y audibles. Jang desarrolló una técnica de conversión de señales que hizo posible medir el tiempo analógico y anunciar el tiempo digital simultáneamente, así como separar los mecanismos de agua de los mecanismos de percusión operados por bolas. El dispositivo de conversión se llamó pangmok y se colocó sobre el recipiente de entrada que medía el tiempo, el primer dispositivo de este tipo en el mundo. Por lo tanto, el Striking Palace Clepsydra es el primer reloj de doble hora diseñado hidromecánicamente en la historia de la relojería.

Temperatura, viscosidad del agua y precisión del reloj.

Cuando se puede despreciar la viscosidad, la velocidad de salida del agua se rige por la ley de Torricelli o, de manera más general, por el principio de Bernoulli. La viscosidad dominará la tasa de flujo de salida si el agua fluye a través de una boquilla lo suficientemente larga y delgada, como lo indica la ecuación de Hagen-Poiseuille.Aproximadamente, el caudal es para tal diseño inversamente proporcional a la viscosidad, que depende de la temperatura. Los líquidos generalmente se vuelven menos viscosos a medida que aumenta la temperatura. En el caso del agua, la viscosidad varía en un factor de aproximadamente siete entre cero y 100 grados centígrados. Por lo tanto, un reloj de agua con una boquilla de este tipo funcionaría unas siete veces más rápido a 100 °C que a 0 °C. El agua es aproximadamente un 25 por ciento más viscosa a 20 °C que a 30 °C, y una variación de temperatura de un grado Celsius, en este rango de "temperatura ambiente", produce un cambio de viscosidad de aproximadamente un dos por ciento.Por lo tanto, un reloj de agua con una boquilla de este tipo que marca la hora a cierta temperatura dada ganaría o perdería aproximadamente media hora por día si estuviera un grado Celsius más caliente o más frío. Para que mantuviera la hora dentro de un minuto por día, sería necesario controlar su temperatura dentro ^{de 1} ⁄ ₃₀ °C (alrededor ^{de 1} ⁄ ₁₇° Fahrenheit). No hay evidencia de que esto se hiciera en la antigüedad, por lo que los relojes de agua antiguos con boquillas suficientemente delgadas y largas (a diferencia del moderno controlado por péndulo descrito anteriormente) no pueden haber sido confiablemente precisos según los estándares modernos. Sin embargo, aunque es posible que los relojes modernos no se reinicien durante períodos prolongados, es probable que los relojes de agua se reiniciaran todos los días, cuando se recargaban, en función de un reloj de sol, por lo que el error acumulativo no habría sido grande.