水時計

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、容器への液体の流入（流入型）または流出（流出型）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す。  

水時計は最も古い時間測定機器の1つです。^[1]ボウル型の流出部を備えた最も単純な形の水時計は、紀元前16世紀頃にバビロン、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つかりますが、最も古い日付は定かではありません。水時計は古代ギリシャや古代ローマで使用されており、クテシビオス（紀元前222年に死亡）やウィトルウィウス（紀元前15年以降に死亡）などの技術ライター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測します。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的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、容器から水がゆっくりと均等に排出されます。この容器には、時間の経過を示す目盛りが付いています。水が容器から出ていくと、観察者は水が目盛りと同じ高さにある場所を見て、どれだけの時間が経過したかを知ることができます。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ていきます。容器が満たされると、観察者は水が目盛りと交わる場所を見て、どれだけの時間が経過したかを知ることができます。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ために必要な電力を供給したり、ディスプレイ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組み込みました。これらは空想的なオートマタと結びつき、精度の向上につながりました。ビザンチン、シリア、メソポタミアでもさらなる進歩が遂げられ、水時計の精度はますます高まり、複雑なセグメントおよび遊星歯車、水車、プログラム可能性が組み込まれ、その進歩は最終的にヨーロッパに伝わりました。中国は独自に歯車、脱進機、水車を組み込んだ独自の高度な水時計を開発し、そのアイデアは韓国と日本に伝わりました。^[要出典]

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達されました。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のレベル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一般的に使用される計時装置であり、1300年頃にヨーロッパでより正確なバージ脱進機の機械式時計に置き換えられました。 ^[2]

物的証拠のある最古の水時計は、紀元前1417年から1379年頃、エジプト新王国時代のファラオ、アメンホテプ3世の治世中に遡り、カルナックのアメン・ラーの境内で使用されていた。^[3]水時計に関する最古の文献には、紀元前16世紀のエジプトの宮廷官僚アメンエムハトの墓碑銘があり、彼が発明者であるとされている。^{[3] [4]}これらの単純な水時計は流出型で、側面が傾斜した石の容器で、底近くの小さな穴からほぼ一定の速度で水が滴り落ちた。12本の独立した柱があり、内側には一定間隔で目盛りが刻まれており、水位がそこに到達すると「時間」の経過を計測した。柱は季節による時間の変化を考慮して12か月ごとにあった。司祭たちはこれらの時計を使って夜の時間を計り、神殿の儀式や犠牲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

バビロニアの水時計は流出型で円筒形をしていた。天文計算の補助として水時計が使われたのは、古バビロニア帝国（紀元前2000年頃～紀元前1600年頃）に遡る。^[6]メソポタミア地方からは水時計は現存していないが、その存在の証拠のほとんどは粘土板に書かれたものである。例えば、粘土板集成の2つに、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）がある。^[7]これらの粘土板では、水時計は夜勤と昼勤（警備員）の支払いに使用されている。^[8]

これらの時計は、針（現在一般的に使用されている）や溝付きの刻み目（エジプトで使用されていた）などの表示器が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]容積はqaと呼ばれる容量単位で測定されました。重量、マナまたはミナ（約1ポンドのギリシャ単位）は、水時計の水の重量です。^[要出典]

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』の長さを定義するには、円筒形の水差しに2マナの水を注ぎ、水が空になると夜警の終了を示します。その後、半月ごとにマナの6分の1を追加する必要があります。春分には、1回の夜警に対応するために3マナを空にし、冬至の夜の1回の夜警には4マナを空にする必要があります。」^[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水時計が登場することから、紀元前2千年紀には古代インドで水時計が使わ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が水時計として使われていた可能性がある。壺の底は細くなっており、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）を行う際に使わ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『ジョティシャ』には、ナディカ（約24分）単位で時間を測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』（西暦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、水時計で4時間間隔を測っていた。水時計は、水を満たした大きなボウルの中に2つの大きな浮き輪を載せた同様の銅のボウルで構成されていた。ボウル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、日中に太鼓を打つことで知らせられた。加える水の量は季節によって異なり、大学の学生が時計を操作した。^[14]

同様の水時計の説明は、 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』にも記載されており、スーリヤ・シッダーンタの説明にさらに詳しい内容が加えられている。^{[全文引用必要]} 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』にもさらに詳しい説明が記録されている。8世紀の天文学者ララによっても詳細な説明と測定値が記録されており、ララはガティを、1ナディカ後に完全に満たされる穴のある半球形の銅の容器として説明している。^[15]

古代中国、そして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。中国で水時計が使われたのは紀元前6世紀に遡る最古の文献がある。^[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、浮き輪に載った指示棒を備えた流入式の水時計に置き換えられた（浮箭漏と呼ばれる）。^[16]漢代の哲学者で政治家で、水時計を担当する宮廷書記官であった桓譚（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を与えるため、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、蒸発と温度が水の流れの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。彼の発明は易星の時計を大幅に改良したもので、水の代わりに水銀を使用した。水銀は常温では液体で、極地以外の一般的な気温よりも低い−38.83℃（−37.9℉）で凍る。^{[18] [19]}また、明代初期の技術者である張希遠（1360年頃-1380年）は、水の代わりに砂で動く車輪時計を発明し、周淑学（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動かすために水車を動かすためにクレプシドラが使われたのは、漢代の博学者である張衡（78–139）が117年に始めた。彼もまた水車を使った。^[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正タンクを追加し、貯水タンクの圧力ヘッド低下の問題を解決した。 ^[16]張衡の創意工夫により、唐代の数学者で技術者の易興（ 683–727）と梁霊山は725年に水車のリンクワーク脱進機機構で動く時計を作った。^{[22]同じ機構は、宋代の博学者である}蘇宋（1020–1101）によって1088年に天文時計塔の動力源として、またチェーンドライブとしても使用された。^[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、5つの前面パネルを備え、扉からは鐘やゴングを鳴らすマネキンの着替えや、時刻や一日の特別な時間を示す石板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つながっており、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、ズィーバード、ゴナバードなどの砂漠地帯での水時計の使用は、紀元前500年に遡ります。^{[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、イスラム以前の宗教の聖日（一年で最も短い、最も長い、同じ長さの昼と夜）を正確に決定するためにも使用されました。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、年間のカレンダーの時間を計るための最も実用的な古代のツールの1つでした。^{[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ら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した。^{[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のに実用的で便利な必需品でした。カナートは乾燥地帯の農業と灌漑の唯一の水源であったため、公正で公平な水の分配が非常に重要でした。そのため、公正で賢い老人が水時計の管理者、つまりミールアーブに選出され、株主は通常昼と夜の所有者に分かれていたため、日の出から日没までの正確な時間を管理・観察し、昼と夜の正確な時刻を告げるフルタイムの管理者が少なくとも2人必要でした。^[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。ボウルが水でいっぱいになると、それは壺の中に沈みます。管理人はボウルを空にし、再び壺の水の上に置きます。彼は瓶に小石を入れて、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。これは通常、パブの最上階にあり、日没と日の出の時間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」という意味から来ています。^[32]ギリシャ人は、水量減少の問題に取り組むことで、水時計を大幅に進歩させました。彼らは数種類の流入クレプシドラを導入しましたが、そのうちの 1 つには、最も初期のフィードバック制御システムが含まれていました。^[33] クテシビオスは、文字盤とポインターなど、後の時計に典型的な表示システムを発明しました。^[34]ローマの技術者ウィトルウィウスは、ゴングまたはトランペットで動作する初期の目覚まし時計について説明しています。^[34]一般的に使用されていた水時計は、単純な流出クレプシドラでした。この小さな土器の容器には、底近くの側面に穴が開いていました。ギリシャ時代とローマ時代の両方で、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ました。人の命がかかっているような重要な場合には、完全に水が満たされましたが、より小さな場合には、部分的にのみ満たされました。文書の審査など何らかの理由で審理が中断された場合、陳述者が弁論を再開できるようになるまで、クレプシドラの穴は蝋で塞がれた。^[35]

学者の中には、クレプシドラがアテネの売春宿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疑う者もいる。 ^[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、アレクサンドリアの患者宅を訪問する際に、患者の脈拍を測定するために携帯可能なクレプシドラを使用した。年齢層ごとの割合を経験的に得られたデータセットと比較することで、彼は障害の強度を判断することができた。^[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、時間の経過をより華やかに表示することを目的としていました。たとえば、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の人形を見せたり、針や文字盤を動かしたりする水時計もありました。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世紀の技術者であるビザンチンのフィロンは、その著作の中で、脱進機機構がすでに取り付けられてい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、この時代のクレプシドラの発明の最大の功績は、当時使われていた時間計測のおかげで、一年を通して日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だった。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世紀前半にアテネの市場（またはアゴラ）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、どのような表示が使われていたかは定かではない。いくつかの可能性としては、時刻を表示するために上下に動く棒、時間を知らせるために鐘を鳴らす水力のオートマトン、または天井の動く星の円盤などが挙げられる。^[38]

中世イスラム世界（632-1280）では、水時計の使用は、エジプトのアレクサンドリアの台頭期のアルキメデスに始まり、ビザンチン帝国まで続いています。しかし、アラビアの技術者アルジャザリによる水時計は、それ以前のものより「はるかに優れていた」とされています。アルジャザリは1206年の論文で、水時計の1つである象時計について説明しています。この時計は時間の経過を記録したため、年間を通じて日の長さが不均一なため、流量を毎日変更する必要がありました。これを実現するために、時計には2つのタンクがあり、上部のタンクは時間表示機構に接続され、下部は流量制御レギュレータに接続されていました。基本的に、夜明けに蛇口が開かれ、上部のタンクからフロートレギュレータを介して下部のタンクに水が流れ、受水槽の圧力が一定に保たれました。^[40]

最も洗練された水力天文時計は、 1206年のジャザリの城時計で、プログラム可能なアナログコンピュータの初期の例と考える者もいる。 ^[41]高さ約11フィート（3.4メートル）の複雑な装置で、計時以外にもさまざまな機能があった。黄道帯と太陽と月の軌道の表示や、出入り口の上を移動する三日月形の指針が含まれていた。指針は隠されたカートによって動かされ、1時間ごとに自動ドアが開き、それぞれのドアからマネキンが姿を現した。^{[42] [43]}一年を通して昼と夜の長さが変化するように昼と夜の長さを再プログラムすることも可能だった。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すと、自動的に音楽を演奏する5体の音楽家オートマタも備えていた。^[41]城の時計の他の部品には、フロート付きのメインタンク、フロートチャンバーと流量調整器、プレートとバルブトラフ、2つの滑車、黄道十二宮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つのハヤブサオートマタが含まれていました。^{[44] [信頼できない情報源]}

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年頃にアラブの技術者イブン・ハラフ・アル・ムラディによってイスラムのイベリア半島で発明された。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あった。^{[45]同様の水時計は}ダマスカスとフェズで作られた。後者（ダル・アル・マガナ）は今日まで残っており、その機構は再現されている。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られた天文時計である。中国人と同様に、当時のアラブの技術者も脱進機の機構を開発し、一部の水時計に採用した。脱進機の機構は定圧システムの形をしており、重いフロートが重りとして使用された。^[45]

718年、統一新羅は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、朝鮮時代の宮廷衛兵で後に宮廷技師長となった張英実（韓国語：  장영실、漢字： 蔣英實）は世宗大王のために普覚閣の自打水時計を建造した。

彼の水時計が自動打刻式（または自動）になったのは、ジャック機構を採用したためである。3 つの木製の人形、つまり「ジャック」が物体を打って時刻を知らせる。この革新により、水を絶えず補充するために「雄鶏男」と呼ばれる人間の作業員に頼る必要がなくなった。^{[引用が必要]}

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時刻を知らせる機能があることでした。^[47]チャンは、アナログ時間の測定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、水機構をボールで作動する打鐘機構から分離しました。^{[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ました。これは、この種の装置としては世界初でした。^[49]したがって、ボルガク水時計は、時計史上初の水力機械工学による二重時刻時計です。^{[50] [51]}

天智天皇は漏刻と呼ばれる日本初の水時計を作った。漏刻は社会的にも意義深く、水時計博士によって運営されていた 。

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、またはより一般的にはベルヌーイの定理によって決まります。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]おおよそ、このような設計の場合、流量は粘度に反比例し、粘度は温度に依存します。液体は一般に、温度が上昇するにつれて粘性が低くなります。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、0 ℃のときよりも 100 ℃のときの方が約 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 パーセント高く、この「室温」の範囲で 1 ℃の温度変化によって粘度が約 2 パーセント変化します。^[53]したがって、ある温度で正確な時間を刻むノズルを備えた水時計は、1℃高かったり低かったりすると、1日あたり約30分進んだり遅れたりする。1日あたり1分以内に時間を刻むには、温度を1⁄30°C（約1⁄17 ° F ）以内に制御する必要がある。古代にこれ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備えた古代の水時計（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毎日水を補給するときに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。^[要出典]

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ウィキメディア・コモンズには、水時計に関連するメディアがあります。

• ベルリンの流れる時間の時計 2019-01-18ウェイバックマシンにアーカイブ
• NIST: 時間を歩く - 初期の時計
• バーナード・ギットンのタイムフロークロックは、2011年8月9日にウェイバックマシンにアーカイブされました。
• カナートはイランの文化的、社会的、科学的遺産である
• エジプトの水時計
• 「クレプシドラ」 。アメリカーナ百科事典。1920年。
• 時計の簡単な歴史: タレスからプトレマイオスまで
• インディアナポリス子供博物館の水時計
• ナナイモ、ブリティッシュコロンビア州の水時計 2007-08-11 にWayback Machineでアーカイブ
• アニメーション: クテシビウスの水時計
• リースのユニバーサル辞書のクレプシドラに関する記事、1819年
• ロイヤル ゴージ ブリッジの水時計 2007-05-01 にWayback Machineでアーカイブされました
• 「クレプシドラ」 。新国際百科事典。1905年。
• イブン・アル・ハイサムの機械式水時計
• 時計の現場でのコンピュータサービス