Zeitmessinstrumente - Teil IV

Gliederung dieser Studie

• Einführung und Seite 1: Instrumente aus der Zeit vor der Schrift.
• Seite 2: Instrumente zur Beobachtung von Schatten.
• Seite 3: Instrumente zur Beobachtung der Gestirne.
• Seite 4: Instrumente mit Durchfluss oder Verbrennung. (Diese Seite)
• Seite 5: Uhren und moderne Instrumente.

Instrumente mit Durchfluss

Nachdem wir in den vorangegangenen Seiten viel in den Himmel geschaut haben, beschäftigen wir uns auf dieser und der folgenden Seite stärker mit irdischen Ressourcen.

Klepsydren und Wasseruhren

Bevor wir uns die Entwicklung der Klepsydren und später der Wasseruhren im Lauf der Zeit ansehen, sollten wir einige allgemeine Vorfragen klären:

Woher kommt der Name? Er setzt sich aus zwei griechischen Wörtern zusammen: kleptein, „stehlen“, und hydor, „Wasser“. Die Klepsydra ist also ein „Wasserdieb“. Da bei den ersten Klepsydren das Wasser durch eine kleine Öffnung aus einem Gefäß in ein anderes lief, kann man annehmen, dass das zweite Gefäß dem ersten das Wasser „stiehlt“. Nebenbei bemerkt: Dieselbe Wurzel klept- findet sich nicht nur in Klepsydra, sondern auch in Kleptomanie, jenem Impuls, Dinge an sich zu nehmen, die einem nicht gehören.

Das Prinzip der Klepsydra ist einfach: Wasser fließt aus einem Gefäß in ein anderes, das dem ersten sein Wasser „stiehlt“. Anschließend misst man entweder den Wasserverlust des ersten oder die Wassermenge, die im zweiten angekommen ist, und rechnet das in verstrichene Zeit um. Wir werden gleich sehen, dass es in Wirklichkeit weniger einfach ist, als es klingt.

Wann, wo und für wie lange taucht die erste Klepsydra auf? Je nach Quelle reicht die Datierung ihrer Erfindung von 3000 bis 1500 v. Chr. Sicher ist, dass das älteste bisher bekannte Exemplar 1904 in den Ruinen von Theben - im Amun-Tempel von Karnak - entdeckt wurde und auf Amenophis III. (13. Jahrhundert v. Chr.) zurückgeht, für den es wohl gefertigt wurde. Es ist sehr wahrscheinlich, dass es nicht die erste Klepsydra überhaupt war und ihre Ursprünge weiter zurückreichen. Verschwunden ist sie erst etwas nach dem 18. Jahrhundert, als noch Trommelklepsydren in Gebrauch waren.

Die ganze Geschichte der Klepsydra in zwei Bildern: Oben die in Karnak entdeckte Klepsydra, datiert auf das 13. Jahrhundert v. Chr. - heute im Museum von Kairo. Unten eine Trommelklepsydra aus dem 18. und 19. Jahrhundert.

Ist die Klepsydra überhaupt ein interessantes Instrument? Ja, zweifellos. Und doch muss man feststellen, wie wenig sie erforscht wurde. Schade, denn wie wir gleich sehen werden, trägt sie bereits die Keime der mechanischen Uhr in sich.

Ist die Klepsydra ein Instrument zur Zeitmessung? Das ist für uns die entscheidende Frage. Wenn die Antwort ja lautet, machen wir weiter. Wenn nicht, wenden wir uns etwas anderem zu.

Versteht man unter Zeitmessung die Fähigkeit, die Uhrzeit aus eigener Kraft bestimmen zu können, dann lautet die Antwort nein. Sie ist weder Astrolab noch Sonnenuhr.

Die Klepsydra ist bestenfalls das, was man einen Zeitwächter nennen kann - für einen kürzeren oder längeren Zeitraum, aber nicht, um die Zeit wiederzufinden, wenn ihr Lauf unterbrochen wurde. Nebenbei bemerkt: Unsere hochentwickelten Armbanduhren können das auch nicht besser. Und wenn man schon von der Uhr spricht: Vergleicht man sie mit der Sonnenuhr, dann ist die Klepsydra eher ein Chronometer, dessen Zweck darin besteht, oft bei null zu beginnen und eher kurze Zeiten zu zählen.

Bekanntlich redeten die Griechen und Römer der Antike unaufhörlich - vor allem in Versammlungen, ob politisch oder juristisch. Ob sich daran wirklich so viel geändert hat, müssen wir hier nicht vertiefen ... und auch nicht nur in Griechenland oder Italien.

Lesen wir also zur Rückkehr zu unserem Thema einen Abschnitt aus der Athenaion Politeia des Aristoteles: „Im Gericht befinden sich Klepsydren mit Röhren für den Wasserabfluss. In sie gießt man Wasser; dessen Menge bestimmt die Dauer der Reden. Bei Streitwerten von mehr als fünftausend Drachmen werden zehn Choes - ein Chous entspricht 3,24 Litern - gewährt, und zwei für die Erwiderung [...]. Handelt es sich um einen Prozess, der den ganzen Tag dauert und in mehrere Abschnitte geteilt ist, so schließt der für das Wasser zuständige Richter die Röhre nicht; vielmehr wird Anklage und Verteidigung dieselbe Wassermenge zugeteilt. Die Tagesmenge wird nach den Tagen des Monats Poseideon berechnet - Dezember/Januar, wenn die Tage am kürzesten sind.“

Auf diesen Text kommen wir zurück, denn wir müssen uns eine Sache merken, die in der Konstruktion der Klepsydren Probleme bereiten wird.

Ich öffne an dieser Stelle auch eine kleine Klammer und richte einen Appell an alle Etymologen: Möge mir jemand erklären, woher dieses conge bei Aristoteles stammt und ob das Wort etwas mit unserem modernen congé zu tun hat.

Um die Ausgangsfrage zu beantworten, sagen wir also: Ja, die Klepsydra ist ein Instrument zur Zeitmessung - und verfolgen wir ihre Entwicklung durch die Jahrhunderte.

Die Klepsydra und ihre Entwicklung

Die Entwicklung der Klepsydren und später der Wasseruhren hängt im Wesentlichen mit zwei Dingen zusammen:

• Über mehrere Jahrhunderte hinweg musste man damit umgehen, dass die gemessenen Stunden ungleich lang waren - siehe den Text über das Astrolab - und dass die Markierungen für den Wasserstand deshalb je nach Stellung des Tages im Jahr anders eingraviert werden mussten.
• Sodann mit den Gesetzen, die den Wasserfluss bestimmen. Ohne hier ins Detail der Hydraulik zu gehen: Die Durchflussmenge des Wassers in einem Instrument, wie wir es oben gesehen haben - zwei Gefäße -, ist nicht konstant. Sie hängt von der Viskosität des Wassers ab, die mit der Temperatur schwankt, von der Größe der Austrittsöffnung, die sich durch Abnutzung vergrößern oder durch Verschmutzung verengen kann, und von der Veränderung des Wasserstands im Ausgangsgefäß.

Wir sprechen hier nicht über rein ästhetische Weiterentwicklungen, die zu hydraulischen Uhren mit Automaten führten. Die Araber waren Meister im Bau solcher Uhren, die gewaltige Ausmaße annehmen konnten - etwa die monumentale Uhr von Fès in Marokko. Nennen wir immerhin den großen Meister auf diesem Gebiet, al-Jazari (gestorben 1206). Und erinnern wir auch daran, dass Karl der Große 807 vom Gesandten des Kalifen Harun al-Raschid eine hydraulische Uhr geschenkt bekam.

Schauen wir uns zum Vergnügen zwei dieser monumentalen Uhren an.

Links der Turm der Winde in Athen, errichtet im 2. Jahrhundert v. Chr. auf der römischen Agora. Dieses Marmorgebäude wurde vom Astronomen Andronikos Kyrrhestes erbaut und so genannt, weil acht obere Friesfelder die herrschenden Winde darstellen. Hier sieht man die Wasseruhr-Seite mit einem Reservoir am Fuß.

Rechts eine Miniatur aus al-Jazaris Traktat über Automaten - im Museum of Fine Arts in Boston. Man erkennt den Tierkreis, Sonne und Mond sowie zwölf Öffnungen, die nachts beleuchtet werden. Zwei Vögel lassen Kugeln fallen. Um 6 Uhr, 9 Uhr und 12 Uhr setzen die musizierenden Automaten ein.

Und nun zurück zu unserem Problem des Wasserdurchflusses.

Gegen das Problem der Viskosität kann man nicht viel tun. Für die Größe der Öffnung verwendete man edle Materialien oder ausgehöhlte Edelsteine, um zu verhindern, dass sich die Öffnung durch Abnutzung veränderte.

Es bleibt also das Hauptproblem: die Höhe des Wassers im „sendenden“ Gefäß, die den Durchfluss stark schwanken lässt.

Eine erste Lösung fanden die Ägypter und die Griechen. Anstelle zylindrischer Gefäße verwendeten sie nach oben hin erweiterte Behälter. So konnten sie im Inneren eines Gefäßes Markierungen mit gleichem Abstand anbringen. Natürlich gab es mehrere Markierungsspalten, um den unterschiedlichen Längen von Tag und Nacht Rechnung zu tragen - Ergebnis der Einteilung von Tag und/oder Nacht in ungleiche Stunden. Dennoch war die Form der Gefäße noch nicht ideal.

Obwohl in ihrer Form bereits optimiert, besaßen die ägyptischen oder griechischen Klepsydren - erstes Bild - noch nicht die ideale Form - zweites Bild -, wie sie sich erst mithilfe der Sätze Daniel Bernoullis (Schweiz, 1700-1782) aus einer ganzen Generation bedeutender Mathematiker verstehen lässt.

Es brauchte geniale Erfinder, um sowohl das Problem des Wasserflusses als auch jenes der ungleichen Stunden zu lösen. Einer von ihnen war Ktesibios, ein Zeitgenosse des Archimedes, der im 3. Jahrhundert v. Chr. in Alexandria lebte. Jetzt können wir nicht mehr bloß von einer Klepsydra sprechen, sondern von Wasseruhren. Nennen wir außerdem Philon von Byzanz (230 v. Chr.) und Heron von Alexandria (125 v. Chr.). Die von ihnen erfundenen Uhren waren wahre Kunstwerke, in denen hydraulische Forschung und Automatenkunst zusammenkamen.

Ich für meinen Teil beschränke mich, solange keine Beweise vorliegen, darauf zu sagen, dass sie diese Uhren erfanden, nicht unbedingt, dass sie sie eigenhändig bauten.

Wir begnügen uns hier damit, die Uhr des Ktesibios anhand der Texte des Vitruv, des römischen Architekten des 1. Jahrhunderts v. Chr. - Autor des gewaltigen zehnbändigen Werks De architectura - sowie anhand der Schriften von Rees zu betrachten, der 1819 ein Buch mit dem Titel Clocks, Watches and Chronometers veröffentlichte, aus dem etliche Skizzen dieser Seite stammen.

Die Uhr des Ktesibios

Schauen wir uns an, wie diese Uhr bei Vitruv dargestellt wird:

Mit einem raffinierten doppelten System aus drehender Säule - oben in der rechten Figur I - und vertikal aufsteigender Figur - jener mit dem Zeigestab links in derselben Darstellung - löst er das Problem der ungleichen Stunden. Die Beschreibung der Mechanik überlasse ich aber lieber Vitruv selbst:

„

Zunächst brachte er die Ausflussöffnung in einem Stück Gold oder in einem durchbohrten Edelstein an; denn diese Stoffe nutzen sich durch das strömende Wasser nicht ab, und Schmutz, der das Loch verstopfen könnte, kann sich dort nicht festsetzen. Das regelmäßig durch diese Öffnung abfließende Wasser hebt einen umgestürzten Schwimmer, den die Techniker „Kork“ oder „Trommel“ nennen. An diesem Schwimmer ist eine Stange befestigt, die mit einer drehbaren Scheibe in Berührung steht; Stange und Scheibe tragen gleichartige Zähne. Diese Zähne, deren Bewegung sich von einem auf den anderen überträgt, erzeugen gemessene Drehungen und Verschiebungen. Außerdem bewirken weitere Stangen und weitere Räder, auf ähnliche Weise gezahnt und von derselben Kraft bewegt, durch ihre Drehung verschiedene Effekte und Bewegungen [...]. Ferner sind bei diesen Uhren die Stunden entweder auf einer Säule oder auf einem danebenstehenden Pfeiler eingetragen, und eine Figur, die unten aus der Maschine hervortritt, zeigt sie den ganzen Tag über mit einem Stab an. Indem man täglich und monatlich Keile hinzufügt oder entfernt, berücksichtigt man notwendigerweise die kürzere oder längere Dauer der Tage. [...]. Mit diesen Systemen und dieser Anordnung kann man Wasseruhren bauen, die im Winter verwendbar sind. Will man aber die Länge der Tage nicht durch Keile berücksichtigen, die hinzugefügt oder entfernt werden - denn diese Keile sind oft fehlerhaft -, dann muss man so verfahren: Man trägt die Stunden quer auf einer kleinen Säule nach dem Analemma ein und graviert darauf die Linien der Monate. Diese Säule muss drehbar sein, damit sie sich in Bezug auf die Figur und den Stab - den die Figur beim Aufsteigen hält, um die Stunden anzuzeigen - durch regelmäßige Drehung dem jeweiligen Monat anpassen und so die kürzere oder wachsende Dauer der Stunden wiedergeben kann ...

Aber, werden Sie fragen, was ist mit dem Durchflussproblem? Wie immer, wenn mehrere Versionen im Umlauf sind - und das ist hier der Fall -, liefere ich sie Ihnen und überlasse Ihnen die Wahl. Wer ergänzende Hinweise hat, möge mich gerne kontaktieren.

Nach der ersten Version hätte Ktesibios zur Regulierung des Wasserdurchflusses eine Art Vorläufer des Vergasers erfunden: ein kegelförmiger Schwimmer verengt den Wasserzulauf in einen zweiten Kegel, wenn der Wasserstand steigt.

Einer ersten Hypothese zufolge hätte Ktesibios den Wasserfluss mithilfe eines Schwimmers G geregelt, der den Wasserzulauf vorübergehend verschließt, wenn das Wasser im Abteil BCDE zu hoch steigt. Sinkt der Wasserstand dort, geht auch der Schwimmer zurück und gibt den Zufluss wieder frei.

Die andere Version erwähnt diesen Regelschwimmer nicht, sondern ein System, mit dem der Durchfluss in Abhängigkeit von den ungleichen Stunden angepasst wird. Rees präzisiert sogar, dieses System sei älter als Ktesibios. Das Durchflussproblem wäre durch einen konstant gehaltenen Wasserstand im ersten Gefäß gelöst worden, und zwar mit Hilfe eines Überlaufs. Die eigentliche Neuerung der hydraulischen Uhr des Ktesibios wäre dann allein jene senkrecht rotierende Trommel gewesen, auf der eine Figur die genaue Stunde anzeigt.

Nach dieser zweiten Version würde das Wasser durch ein Rohr H eintreten und in einen ersten trichterförmigen Behälter fallen.

Das überschüssige Wasser würde durch ein Rohr I abgeleitet, das so angebracht ist, dass der Wasserstand im Behälter konstant bleibt.

Ein weiterer, massiver Metallkegel wäre im ersten Kegel aufgehängt und könnte mit Hilfe eines skalierten Zeigers D verschoben werden. Bringt man die beiden Kegel näher zusammen, verringert sich der Wasserdurchfluss und damit auch die Menge an Flüssigkeit, die an kurzen Tagen in den Hauptbehälter gelangt.

Der Zeiger müsste zweimal täglich verstellt werden: einmal bei Sonnenaufgang und einmal bei Sonnenuntergang, damit die ungleichen Stunden gewahrt bleiben.

Damit Sie sich in voller Kenntnis der Sache ein Urteil bilden können, füge ich hier jenen Teil des Vitruv-Textes an, den ich oben durch [...] ersetzt hatte: „Die Wasserhähne zur Regelung des Durchflusses sind folgendermaßen eingerichtet: Man fertigt zwei Kegel, einen massiven und einen hohlen, so gut auf der Drehbank gearbeitet, dass der eine in den anderen eingeführt und an ihn angepasst werden kann, und mit Hilfe derselben Stange werden sie voneinander entfernt oder einander angenähert, um den Wasserabfluss in diese Gefäße zu beschleunigen oder zu verlangsamen.“

Andere von Vitruv beschriebene Uhrentypen

Auf andere Uhrentypen, die Vitruv beschreibt, gehen wir nur kurz ein. So raffiniert sie konstruiert sein mögen, bringen sie für die Entwicklung der Instrumente nichts grundlegend Neues; sie versuchen lediglich erneut, das Problem der ungleichen Stunden zu lösen.

Hier die Tafel aus dem Werk des Vitruv, auf der sie dargestellt sind:

Die Uhr von Su Song

Machen wir nun einen Sprung in der Zeit und bleiben wir im Jahr 1092 stehen.

In diesem Jahr errichtet ein Chinese namens Su Song im Kaiserpalast von Kaifeng eine riesige Uhr in einem hölzernen Turm mit drei Stockwerken von jeweils drei Metern Höhe. Das Gerät ist eher eine astronomische Uhr als ein Instrument, das bloß die Zeit angibt. Sein komplexer Mechanismus treibt nämlich eine Armillarsphäre und einen Himmelsglobus an, vollkommen synchron mit den Bewegungen der Sterne, der Sonne und des Mondes. Vor dem Turm, in einer Pagode, schlagen bewegliche Figuren Glocken und andere lärmende Objekte. Kurz gesagt: noch ein Automat.

1126 wird die Uhr von den Tataren zerlegt und nach Peking gebracht. Im 14. Jahrhundert wird sie zerstört, als die Ming-Dynastie Peking erobert.

Aber, werden Sie jetzt vielleicht fragen, was bringt diese Uhr denn Neues für unsere Zeitmessinstrumente?

Sehen Sie sich das große Rad in der Mitte der Konstruktion genau an. Sie blicken hier auf die erste bekannte Hemmung. Und eine weitere wird Ihnen erst im 14. Jahrhundert wieder begegnen.

Das Hemmungssystem in der Maschine von Su Song. Man spricht von Hemmung, weil der Mechanismus bei jedem Impuls jeweils einen „Zahn“ freigibt - hier beim Füllen eines Schöpfgefäßes. So wird ein kontinuierlicher Wasserfluss in eine diskontinuierliche Drehbewegung des Rades verwandelt.

Wir müssen nun dem geben, dem es gebührt - und in diesem Fall die Erfindung der Hemmung um 723 zwei Personen zuschreiben: zunächst dem buddhistischen Mönch Yi Xing und dem chinesischen Ingenieur Liang Ling-Tsan. Auch sie sollen eine astronomische Wasseruhr gebaut haben.

„Moderne“ Uhren

Zum Abschluss dieser Betrachtung von Klepsydren und Wasseruhren wollen wir den Mechanismus der Trommelklepsydra des 18. Jahrhunderts betrachten, die wir zu Beginn der Seite gesehen haben. Öffnen wir dazu die Trommel und sehen wir sie uns im Schnitt an.

Diese Trommel ist geschlossen, und immer dieselbe Wassermenge zirkuliert in ihr. Sechs Trennwände unterteilen sie, und jede dieser Wände ist mit einer Öffnung versehen. Dadurch kann das Wasser aus einem Fach in das darunterliegende nächste ablaufen. Wenn ein Fach gefüllt ist, lässt das Gewicht des Wasservolumens die Trommel rotieren, die sich dabei entgegen der Wickelrichtung der Schnüre dreht, welche ihre Achse tragen.

Die Trommel sinkt also im Inneren der Uhr nach unten und hält dort bis zur nächsten Füllung eines anderen Fachs an. Dann muss man nur noch die Uhrzeit an dem Holzpfosten ablesen, an dem die Trommelachse stehen geblieben ist. Natürlich befinden wir uns nun in einem System gleicher Stunden, also eines Tages, der in 24 Stunden gleicher Länge unterteilt ist.

Die Sanduhr

Auf ein Instrument, das jeder kennt, müssen wir nicht den ganzen Tag verwenden. Also nur ein paar Hinweise:

Ursprung

Die Sanduhr, von der man nicht weiß, wer sie erfunden hat, geht wahrscheinlich auf das 13. Jahrhundert zurück. Zunächst hieß sie orloge, dann reloge, dann horloge à sablon, bevor sie im 18. Jahrhundert zur sablier wurde.

Eigenschaften

Mit Sand, zerriebenen Eierschalen oder sogar Quecksilber gefüllt, ist dieser Zeitwächter vor allem dazu bestimmt, kurze Zeiträume zu messen - Stunden oder Bruchteile von Stunden -, auch wenn im ersten Band der Mémoires de mathématiques et de physique aus dem Jahr 1750 ein gewisser Abbé Soumille, Korrespondent der Académie royale des sciences, eine „Sanduhr von 30 Stunden, für den Gebrauch auf See geeignet, die Stunden und Minuten einzeln deutlich angibt und selbst während des Umdrehens nicht stehen bleibt“ beschreibt.

Im Gegensatz zur Klepsydra hängt die Fließgeschwindigkeit des Sandes nicht von seiner Höhe im Kolben ab. Entscheidend ist allein, dass die Neigung der Öffnung exakt berechnet wird. 1725 gewinnt Daniel Bernoulli den Wettbewerb der Académie royale des sciences in Paris, indem er genau diese Neigung berechnet.

Die Sanduhr wurde besonders in der Schifffahrt verwendet, wo sie den Namen ampoulette trug - in einer Dauer von 28 Sekunden. Zusammen mit dem Log - einer Knotenschnur - erlaubte sie es, die Geschwindigkeit von Schiffen zu bestimmen.

Links eine Sanduhr aus dem Jahr 1750, ausgestellt im National Watch and Clock Museum in Columbia, Pennsylvania, USA. Rechts eine Sanduhr mit mehreren Glaskolben, die Zwischenzeiten messen kann.

Ich habe irgendwo gelesen - ich weiß nur nicht mehr wo -, dass Priester sie benutzten, um die Länge ihrer Predigten zu begrenzen, und sie deshalb „Predigtglas“ nannten. Wenn die Predigt länger dauerte als vorgesehen, drehte der Priester sie um und sagte zu seiner Gemeinde: „Meine Brüder, wir werden noch ein weiteres Glas nehmen.“ Vielleicht stimmt das nicht, aber charmant ist es schon.

Instrumente mit Verbrennung

Auch hier muss man keine große Sache daraus machen.

Das Prinzip bleibt immer dasselbe: Man kennt die Brenndauer eines bestimmten Materials, und mit einigen Markierungen lässt sich daraus die verstrichene Zeit ablesen.

Die Kerze

Ihre „Erfindung“ zu Zwecken der Zeitmessung soll auf Alfred den Großen (849-899), König von Wessex in England, zurückgehen, der sie benutzte, um Arbeits-, Gebets- und Schlafzeiten einzuteilen.

Die Öllampe

Sie war im Westen im 18. und 19. Jahrhundert in Gebrauch. Man entzündete den Docht, der Ölstand sank im graduierten Reservoir, und man las die verstrichene Zeit an den Markierungen ab.

Die Feueruhr

Seit sehr langer Zeit in Ostasien verwendet. Der ausgehöhlte Teil eines lackierten Objekts in Drachenform nimmt auf Drahtstützen ein Räucherstäbchen auf. Dessen Verbrennung gibt die Zeit an.

Es kann sogar als Wecker dienen, wenn man quer über den Drachen einen Faden mit Gewichten an seinen Enden befestigt. Sobald die Flamme des abbrennenden Stäbchens die gewünschte Weckzeit erreicht, verbrennt sie den Faden, und die beiden Gewichte fallen in ein Metallgefäß, das wie eine Glocke klingt.

Ein anderer Typ chinesischer Feueruhr ist das Räucherlabyrinth. Auf eine Unterlage wird ein Gitter gelegt. Man füllt den ausgehöhlten Teil mit Räucherpulver und nimmt das Gitter anschließend wieder weg - rechts auf der Abbildung.

Dann entzündet man eines der Enden des Labyrinths, und wenn alles abgebrannt ist, ist die vorgesehene Zeit verstrichen. Ich nehme an, dass es verschiedene Gitter für unterschiedliche Zeitspannen gegeben hat.