Вимірювання часу за допомогою пісочного годинника ... Світ і ми

В рамках спеціального тематичного тижня "Час", організованого C @ fé des Sciences, я вирішив розповісти вам про дуже практичний прилад для вимірювання потоку часу. Він давно відомий, простий, кмітливий і зазвичай є частиною панорами будь-якого хорошого кухаря: пісочний годинник .

допомогою

Послідовність ностальгії, ініційована Sweet Random Science! Пам’ятаю, у дитинстві я годинами спостерігав, як час цокає крізь тонкий потік піску, рідкого, як рідина, але дрібні тверді зерна якого нагромаджувались одне за одним, утворюючи гарну купу в купе. !

Я дивувався видовищу і дивувався, як міг бути виготовлений такий інструмент (він здавався запечатаним без найменших ознак відкриття). Звичайно, було також питання про кількість піщинок, які повинні впасти саме за добрий минулий час. Я також дивувався, чому ніколи, здається, не було якоїсь пробки на скляному вузькому місці між двома лампочками.

У будь-якому випадку, я ще цього не знав, але це справді були історії зернистості, залежно від фізичних характеристик зерна та типу дорожньо-транспортної пригоди (вузьке місце).

Родоначальник пісочного годинника
Ідея вимірювання часу потоком не нова. Знову ж таки, блискучі стародавні цивілізації розробили дуже геніальний механізм вимірювання тривалості. Звичайно; ми думаємо про знамениті сонячні годинники, але, очевидно, вночі ці прилади створювали проблему: без сонця жодна можливість не оцінити плину часу.

Словом, єгиптяни використовували фруктоконічну ємність, наповнену водою з невеликим отвором біля основи: клепсидру.

Клепсидру виявили в Карнаку
Фотографія Фаті, Каїрський музей - Посилання

Саме витрата кількості води визначає час, що минув. Розкльошена форма компенсує той факт, що із прогресуванням потоку із зменшенням висоти води зменшується і тиск (залежно від ваги води). Словом, без фруктоконічної форми, коли вода тече, вона тече все повільніше ... Не дуже практично! З розширеною формою, коли рівень знижується, секція зменшується, тому нам вдається уповільнити падіння тиску і, отже, падіння швидкості потоку.

Однак інші характеристики також є проблематичними і роблять вимірювання досить випадковим (наприклад, температура води змінює її щільність і, отже, швидкість потоку). Між зимою та літом клепсидра не вказує однаково час. Єгиптяни вирішили це обмеження, встановивши різні градації залежно від місяця року ... Але це все ще не надто надійно, особливо для моряків, які хотіли скористатися таким інструментом, щоб оцінити час, що минає, і особливо, щоб визначити пройдену відстань.

Пісочний годинник
Щоб зберегти ідею потоку, без незручностей коливань об’єму рідини внаслідок температури та тиску, нам довелося знайти інший елемент рідини або, принаймні, розглядати як такий. Гранульований потік чудово реагує на ці два обмеження, за умови знаходження незчеплених зерен, таких як сухий пісок: піщинка через свою «тверду» природу не буде чутливою до теплових коливань (принаймні вони дуже незначні ). У спільноті всі ці дрібні зерна утворюють сукупність зерен, які, піддаючись досить сильним напруженням, поводяться як рідина в щільному потоці, всередині якої частинки зазнають зіткнень та тертя.

Якщо обмеження недостатньо сильні, громада поводиться як тверда речовина: саме купа піску міцно тримається на місці.

Коротше кажучи, укладаючи певну кількість зерен в об’єм і піддаючи цілі силі тяжіння, ми спостерігаємо потік з постійною швидкістю, не маючи (це було продемонстровано [1]) найменшого впливу висоти зерна в пусковий відсік. Він ідеально підходить для вимірювання часу та рознесення інструменту по всьому світу.
Тому що дехто вважає, що пісочний годинник винайшли італійці, чудові мореплавці ХІІІ століття, щоб моряки могли орієнтуватися та оцінювати пройдену відстань.

З іншого боку, здається, що залежно від типу піску потік може бути серйозно модифікований. Як ви можете собі уявити: пісок є результатом розпаду різних гірських порід, результатом є цілий комплекс різних фізико-хімічних характеристик ... головним є форма і однорідність зерен, що відіграють певну роль у його фрикційних властивостях.
Морський пісок, що містить багато досить кутових зерен кварцу та уламків раковин, широко не використовується “для пісочного годинника”. Річковий пісок залежно від його геологічного походження трохи кругліший і тому апріорі може бути придатним.
Але врешті-решт, не дивлячись на те, що "пісочний годинник" найкраще працює не з "піском", а з іншими матеріалами.

Морський пісок, що складається з багатьох видів мінералів, зерен будь-якої форми та розміру, не підходить для пісочного годинника - Кредит Марк А. Вільсон, кафедра геології, Коледж Вустера -

Річковий пісок трохи більш «круглий» (Річка Педерналес - Техас)

Можливо, мармуровий пил давно виграв трофей за найкращого кандидата для заповнення пісочних годинників. Каррарські мармурові кар’єри (в Тоскані), наприклад, забезпечують сировиною.
Але в деяких працях також згадуються інші наповнювальні матеріали: на основі свинцевого та олов'яного пилу або подрібненої шкаралупи яєць (ви мені так багато скажете!).

Каррарський мармуровий кар’єр: пил збирається для заповнення пісочних годинників - Посилання

У всіх випадках матеріал обробляють і просівають, щоб отримати максимально однорідні, дрібні, сухі, очищені зерна.

Виготовлення пісочного годинника
Це все ноу-хау, великі технічні вимоги, необхідні дизайнеру та виробнику пісочного годинника ... Але крива скляного посуду, розмір вузького місця, вибір піску (нарешті, використовуваного матеріалу) та кількість, що використовується, базуються лише на емпіричному підході ... шляхом послідовних спроб і помилок, набутого досвіду. Як тільки цибулина наповниться квасолею, виробник дозволяє потік і зупиняє його, коли досягається час, який він хоче “затримати”. Надлишки матеріалу видаляються перед герметизацією колби. Нічого наукового у підході, що не погіршує якість роботи та обдарованості.
Тут вам представляється чудове відео (натисніть на зображення, щоб переглянути)


Тому ми можемо запитати себе, як можна використати всі зусилля для розуміння та моделювання зернистого потоку, що займає багатьох вчених, у тому числі протягом пісочного годинника [1]? Вже тому, що дуже приємно розуміти, як працюють повсякденні предмети, але також з інших причин, набагато важливіших для промисловця.

Моделювання потоку

Багато процесів у харчовій промисловості або у фармацевтичній промисловості використовують зернисті тверді речовини або як вихідний продукт, або як кінцевий продукт. На певній стадії процесу цю тверду речовину доведеться вилити і пропустити через отвір. Його потік повинен бути повністю зрозумілим (наприклад, в залежності від розміру зерна), щоб уникнути будь-яких випадків, таких як закупорка труби або переривчастий потік.

Тут я залишаю вам кілька зображень особливо оригінальних пісочних годинників.

Щоб знати більше
http://fr.wikipedia.org/wiki/Clepsydre
http://fr.wikipedia.org/wiki/Sable

http://www.sciencedaily.com/releases/2012/04/120405131538.htm
http://www.technologyreview.com/view/418993/the-mystery-of-sand-flow-through-an-hourglass/
http://www.madehow.com/Volume-5/Hourglass.html
http://www.hourglasses.com/

Посилання на публікації:
1- Шарон Л. та ін., “Гранульований силос як неперервний пластичний потік: годинник проти клепсидри”, Фіз. Рідини 24, 103301, 2012 (посилання)