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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」、κλέπτω（kléptō）「盗む」とὕδωρ（hydor）「水」から、文字通り「水の泥棒」）は、容器への液体の流入（流入型）または流出（流出型）を調整した流れによって時間を計測し、その液体の量を測定する時計です。
水時計は、最も古い時間計測機器の一つです。[ 1 ]ボウル型の排水口を備えた最も単純な水時計は、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にも、水時計の初期の証拠がありますが、最も古い年代はあまり確実ではありません。水時計は、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年以降没）などの技術著述家によって記述されているように、古代ギリシャや古代ローマでも使用されていました。
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原理はトリチェリの法則です。水時計には、流入式と流出式の2種類があります。流出式水時計では、容器に水を満たし、その水をゆっくりと均等に容器から排出します。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、観察者は水面が目盛りの線と一致する位置を見て、経過した時間を知ることができます。流入式水時計は、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、観察者は水面が目盛りの線と一致する位置を見て、経過した時間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、古代の水時計とは仕組みが異なります。時計の時刻表示は振り子によって制御されているが、水は他の目的にも利用されている。例えば、水車などを使って時計を動かすのに必要な動力を供給したり、表示部分に水を入れたりするなどだ。
ギリシャ人とローマ人は、初期のフィードバックシステム、歯車機構、脱進機を備えた流入水時計の設計を発展させ、これらを精巧な自動人形と組み合わせることで精度を向上させた。ビザンツ帝国、シリア、メソポタミアでは、複雑なセグメント歯車機構や遊星歯車機構、水車、プログラム機能を備えた高精度な水時計が開発され、これらの技術はやがてヨーロッパにも伝わった。一方、中国人は独自に歯車機構、脱進機、水車を備えた高度な水時計を開発し、その技術を朝鮮半島や日本に伝えた。
水時計の設計は独自に開発されたものもあれば、貿易の普及を通じて知識が伝わったものもあった。初期の水時計は日時計で校正されていた。今日の時間計測の基準に匹敵する精度には達しなかったものの、水時計は何千年にもわたって一般的な計時装置として使われ、1300年頃にヨーロッパでより精度の高い脱進機式機械時計に取って代わられた。 [ 2 ]
現存する最古の水時計は、紀元前1417～1379年頃のエジプト新王国時代、ファラオ・アメンホテプ3世の治世に、カルナックのアメン・ラー神殿で使用されていたものである。[ 3 ]水時計に関する最古の記録は、紀元前16世紀のエジプト宮廷官僚アメンエムハトの墓碑銘であり、彼がその発明者であると記されている。[ 3 ] [ 4 ]これらの単純な水時計は流出式で、底近くの小さな穴から水がほぼ一定の速度で滴り落ちる傾斜面を持つ石製の容器であった。内部には12本の独立した柱があり、水位が達すると「時間」の経過を測るための一定の間隔で目盛りが刻まれていた。柱は12ヶ月それぞれに対応しており、季節による時間の変動に対応できるようになっている。司祭たちはこれらの時計を使って夜間の時刻を定め、神殿の儀式や供犠を正しい時刻に行うようにした。[ 5 ]
| 粘土板 | |
|---|---|
 ナブ・アプラ・イディナによる水時計の計算。 | |
| サイズ | 高さ：8.2cm （3.2 インチ）幅：11.8cm （4.6 インチ）奥行き：2.5cm （0.98 インチ） |
| 書き込み | 楔形文字、アッカド語 |
| 作成済み | 紀元前600年～紀元前500年 |
| 現在地 | 大英博物館55号室 |
| 識別 | 29371 |
バビロンでは、水時計は流出式で円筒形でした。天文学的計算の補助として水時計が使われていたのは、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 ]メソポタミア地域で現存する水時計はありませんが、その存在を示す証拠のほとんどは粘土板の記述から得られています。例えば、粘土板の2つのコレクションは、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）です。[ 7 ]これらの粘土板では、水時計は夜間および昼間の見張り（警備員）への支払いに使われていました。[ 8 ]
これらの時計は、針（今日一般的に使われているもの）や溝（エジプトで使われていたもの）などの表示器がなかったため、独特でした。代わりに、これらの時計は「流れ出る水の重さ」で時間を計測しました。[ 9 ]体積は、qaと呼ばれる容量単位で測定されました。重さは、マナまたはミナ（約 1 ポンドのギリシャ単位）で、水時計内の水の重さです。
バビロニア時代には、時間は時間単位で計測されていました。そのため、季節が変わると、一日の長さも変わりました。「夏至の『夜警』の長さを定めるには、円筒形の水時計に2マナの水を注ぎ、水が空になった時点で夜警の終わりを示しました。その後、半月ごとに6分の1マナずつ水を加えました。春分には、 1回の夜警に対応するために3マナを空にし、冬至の夜は1回の夜警ごとに4マナを空にしました。」[ 9 ]
N. ナラハリ・アチャールとスバシュ・カクは、アタルヴァヴェーダに登場することから、水時計は紀元前2千年紀という早い時期に古代インドで使用されていたと示唆している。[ 10 ] [ 11 ] N. カメシュワラ・ラオによれば、インダス文明の遺跡モヘンジョ・ダロから発掘された壺は水時計として使用されていた可能性がある。それらは底が細くなっており、側面に穴が開いており、リンガムにアビシェーカ（儀式的な水の注ぎ）を行う際に使用される器に似ている。[ 12 ]
ヴェーダーンガの六つの学問分野の1つであるジョーティシャでは、ナディカ（約24分）単位で時間を計測するガティまたはカパーラと呼ばれる水時計について記述されています。浮いたり沈んだりする銅製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）に記載されています。[ 13 ]古代仏教大学であるナーランダー・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ました。この水時計は、水で満たされた大きなボウルの中に2つの大きな浮きを入れた同様の銅製のボウルで構成されていました。ボウルは底の小さな穴から水で満たされ、満たされると沈み、日中は太鼓を叩いて時間を知らせていました。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ていました。[ 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・シッダーンティカー』にも記載されており、『スーリヤ・シッダーンタ』に記された記述にさらに詳細が加えられている。さらに詳しい説明は、7 世紀の数学者ブラフマグプタによる『ブラーフマスプタシッダーンタ』に記録されている。また、 8 世紀の天文学者ラッラは、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製の容器として記述し、寸法付きの詳細な説明も記録している。[ 15 ]
古代中国では、東アジア全域と同様に、水時計は天文学や占星術の研究において非常に重要でした。中国における水時計の使用に関する最古の文献は、紀元前6世紀に遡ります。[ 16 ]紀元前200年頃から、流出式水時計は、中国のほぼ全域で、浮箭漏（fú jiàn lòu）に取り付けられた指示棒を備えた流入式水時計に置き換えられました。[ 16 ]漢王朝の哲学者で政治家の桓譚（紀元前40年 - 紀元後30年）は、水時計を担当する朝廷の書記官でしたが、温度と湿度が水時計の精度にどのように影響するかを調べるために、水時計と日時計を比較しなければならなかったと記しており、蒸発の影響や、温度が水の流れの速度に与える影響が当時すでに知られていたことを示しています。[ 17 ]水時計の液体は凍結しやすく、松明で温めておく必要があったが、この問題は976年に中国の天文学者で技術者の張思訓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用した。水銀は室温で液体であり、-38.83 °C (-37.9 °F)で凍結する。これは極地以外で一般的な気温よりも低い。[ 18 ] [ 19 ]また、明朝初期の技術者である詹熙源(1360 年頃～1380 年) は、水の代わりに砂時計を作り、周樹雪 (1530 年頃～1558 年) によって改良された。[ 20 ]
天文現象を示す機構を駆動するために水時計を使用するようになったのは、117年に漢王朝の博学者張衡（78-139）が水車も使用したことから始まった。[ 21 ]張衡は中国で初めて貯水槽と流入容器の間に補償タンクを追加し、貯水槽内の圧力低下の問題を解決した。 [ 16 ]張衡の独創性により、725年に唐王朝の数学者で技術者の易興（683-727）と梁霊賛が水車リンク機構脱進機で駆動する時計を製作した。[ 22 ]同じ機構は、1088年に宋王朝の博学者蘇松（1020-1101）によって天文時計塔の動力源として、またチェーン駆動装置としても使用された。[ 23 ]蘇宋の時計塔は高さ30フィート（9.1メートル）以上あり、観測用の青銅製の動力式天球儀、自動回転する天球儀、鐘やゴングを鳴らし、時刻やその他の特別な時刻を示す銘板を持つ人形が入れ替わる扉付きの5枚の正面パネルを備えていた。2000年代には、北京の鼓楼で流出式水時計が稼働し、観光客に展示されている。これは自動人形と連動しており、15分ごとに小さな真鍮製の男性像がシンバルを叩く。[ 24 ]
イラン大地域、特にヤズド、イスファハン、ジバード、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 ]後に、イスラム以前の宗教の聖日、例えばノウルーズ（春分）、メフレガン（秋分）、ティルガン（夏至）、ヤルダーの夜（冬至）など、1年で最も短い日、最も長い日、そして昼と夜の長さが等しい日を正確に決定するためにも使用された。ペンガン（後にフェンジャン）と呼ばれる水時計は、年間の暦を計るための最も実用的な古代の道具の1つであった。[ 26 ] [ 27 ]水時計は、より正確な現代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や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、カナートの所有者が自分の農場や庭に水を引ける時間を計算するための実用的で便利かつ必要な道具でした。カナートは乾燥地帯の農業と灌漑のため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、非常に公正で賢明な老人が水時計またはミラブの管理者として選出され、所有者は通常、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昼夜の正確な時間を管理および監視し、発表するために少なくとも2人の常勤管理者が必要でした。[ 30 ]
ペルシャの水時計は、水で満たされた大きな壺と、中央に小さな穴が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、壺の中に沈み、管理者はボウルの水を捨てて再び壺の水の上に置きました。彼は、小さな石を瓶に入れることで、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る場所と管理者は、まとめてハーネ・ペンガンと呼ばれていました。通常、これはパブの最上階で、西と東に面した窓があり、日の出と日の入りの時刻を示していました。ジバドの水時計は、1965年まで使用され、[ 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「水の泥棒」を意味する言葉に由来する。[ 32 ]ギリシャ人は、流量の減少という問題に取り組むことで、水時計を大幅に進歩させた。彼らは、初期のフィードバック制御システムを含むいくつかのタイプの流入式クレプシドラを導入した。[ 33 ]クテシビウスは、文字盤や指針など、後の時計に典型的な指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で動作する初期の目覚まし時計について記述した。[ 34 ]一般的に使用されていた水時計は、単純な流出式クレプシドラであった。この小さな陶器の容器は、底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で、このタイプのクレプシドラは、法廷で演説者に時間を割り当てるために使用された。人の命がかかっているような重要な事件では完全に満たされたが、より小さな事件では部分的にしか満たされなかった。文書の調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、水時計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売春宿で客の滞在時間を制限するストップウォッチとして使用されていた可能性があると推測している。[ 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の往診の際に携帯用クレプシドラを使用して患者の脈拍を測定した。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、彼は障害の重症度を判断することができた。[ 36 ]
紀元前270年から紀元後500年の間に、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）とローマ時代の時計職人や天文学者たちは、より精巧な機械式水時計を開発していた。その複雑さは、水の流れを制御し、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た。例えば、ベルやゴングを鳴らす水時計もあれば、扉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った。中には、宇宙の占星術モデルを表示するものもあった。紀元前3世紀の技術者ビザンチウムのフィロンは、その著作の中で、脱進機機構を備えた水時計について言及しており、これはこの種のものとしては最古のものと考えられている。[ 37 ]
しかし、この時期の時計の発明における最大の功績は、クテシビオスが歯車と文字盤の指示器を組み込んで、当時使われていた時間計測法に基づいて、一年を通して日の長さが変化するのに合わせて自動的に時刻を表示するようにしたことである。また、紀元前1世紀前半、ギリシャの天文学者キュロスのアンドロニコスは、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彼の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ていた。内部には機械式の時計があったが、どのような表示方式が使われていたかは確実にはわからない。考えられる可能性としては、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式の自動人形、または天井にある動く星の円盤などがある。[ 38 ]
中世イスラム世界（632～1280年）では、水時計の使用はエジプトのアレクサンドリアの隆盛期にアルキメデスに端を発し、ビザンツ帝国へと受け継がれました。しかし、アラビアの技術者アル・ジャザリによる水時計は、それ以前のものを「はるかに凌駕する」ものとして評価されています。アル・ジャザリは1206年の論文で、自身の水時計の一つである象時計について述べています。この時計は時間の経過を記録するもので、年間を通し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、上部のタンクは時刻表示機構に接続され、下部のタンクは流量制御器に接続されていました。基本的に、夜明けに蛇口が開かれ、フロート制御器を介して上部のタンクから下部のタンクに水が流れ、受水タンク内の圧力が一定に保たれました。[ 40 ]
最も洗練された水力式天文時計は、 1206年に作られたアル・ジャザリの城時計で、一部の人々からは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られている。 [ 41 ]これは高さ約11フィート（3.4メートル）の複雑な装置で、時刻表示以外にも複数の機能を備えていた。黄道十二宮と太陽と月の軌道の表示、隠されたカートによって動かされる門の上部を横切る三日月形のポインター、そして毎時間、自動ドアが開いてマネキンが現れる仕組みが含まれていた。[ 42 ] [ 43 ]昼と夜の長さを年間を通して変化させることを考慮して再プログラムすることが可能で、また、水車に取り付けられた隠されたカムシャフトによって操作されるレバーによって動かされる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 ]城時計のその他の構成要素には、フロート付きの主貯水槽、フロート室と流量調整器、プレートとバルブの樋、2つの滑車、黄道十二星座を表示する三日月形の円盤、花瓶にボールを落とす2つのハヤブサの自動人形が含まれていた。 [ 44 ]
複雑なセグメントギアと遊星歯車機構を採用した最初の水時計は、 1000 年頃、イスラム支配下のイベリア半島でアラブの技術者イブン・ハラフ・アル・ムラディによって発明されました。彼の水時計は水車によって駆動され、11 世紀の中国の水時計のいくつかも同様でした。[ 45 ]ダマスカスとフェズでも同様の水時計が作られました。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られた天文時計でした。中国人と同じように、当時のアラブの技術者も脱進機機構を開発し、それをいくつかの水時計に採用しました。脱進機機構は定重システムで、重いフロートが重りとして使用されました。[ 45 ]
718年、統一新羅は唐王朝を模倣して、朝鮮史上初めて水時計のシステムを確立した。[ 46 ] 1434年、朝鮮王朝時代に、宮廷警備員で後に宮廷主任技師となった張英実（朝鮮語：장영실、漢字：蔣英實）は、世宗大王のために宝岳閣の自動打刻式水時計、宝岳慈景伽を建造した。
彼の水時計が自動で時を告げる仕組み（ジャック機構）を採用していたのは、3つの木製の人形、つまり「ジャック」が物体を叩いて時刻を知らせる仕組みだった。この革新的な機構により、水時計の水を絶えず補充するために「鶏番」と呼ばれる人間の労働者に頼る必要がなくなった。
この時計のユニークな点は、視覚信号と聴覚信号で自動的に二重時刻を知らせることができる点である。[ 47 ]チャンは、アナログ時刻を計測し、デジタル時刻を同時に知らせるとともに、水機構とボール作動式打撃機構を分離できる信号変換技術を開発した。[ 48 ]この変換装置はパンモクと呼ばれ、時刻を計測する流入容器の上に設置された。これは世界初の装置である。[ 49 ]このように、ボルガク水時計は時計の歴史上、水力機械工学で設計された最初の二重時刻時計である。[ 50 ] [ 51 ]
天智天皇は日本初の漏刻と呼ばれる水時計を建造した。漏刻は社会的に非常に重要なものであり、水時計師によって管理されていた。
粘度を無視できる場合、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原理によって支配されます。ハーゲン・ポアズイユの式で示されるように、水が十分に長く細いノズルを通って流出する場合、粘度が流出速度を支配します。[ 52 ]概して、このような設計では、流量は粘度に反比例し、粘度は温度に依存します。液体は一般的に、温度が上昇するにつれて粘度が低くなります。水の場合、粘度は摂氏0度から100度の間で約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℃よりも100℃で約7倍速く動きます。水は20 ℃では30℃よりも約25%粘度が高く、この「室温」範囲では、1℃の温度変化で粘度が約2%変化します。[ 53 ]したがって、ある一定の温度で正確な時間を刻むノズルを備えた水時計は、温度が摂氏1度上昇または下降すると、1日に約30分進んだり遅れたりする。1日に1分以内の精度で時間を刻むには、温度を1/30 °C (約1/17 °F) 以内に制御する必要がある。古代にこれが実行されていたという証拠はないため、十分に細くて長いノズルを備えた古代の水時計 (上記で説明した現代の振り子制御式とは異なり) は、現代の基準では信頼できる精度ではなかった。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、水時計はおそらく日時計に基づいて毎日、水を補充するときにリセットされていたため、累積誤差は大きくなかっただろう。
モヘンジョ ダロとハラッパからの 2 つの遺物が、これら 2 つの器具に対応している可能性があるようです。 Joshi と Parpola (1987) は、モヘンジョ ダロの発掘調査から、底が細くなり側面に穴が開いた土器をいくつか挙げています (図 3)。 水を抜くための小さな穴が開いた土器は、大橋が時間を測るために記述した水時計 (シヴァ寺院のリンガムの上でアビシェーカムに使用される器具に似ています) と非常によく似ています。
ギリシャ人は水時計を「クレプシドラ」（KLEP-suh-druh）と名付けた。これは「水の泥棒」という意味である。
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