Un reloj de agua o clepsidra (del griego antiguo κλεψύδρα ( klepsúdra ) ' pipeta , reloj de agua'; de κλέπτω ( kléptō ) 'robar' y ὕδωρ ( hydor ) 'agua'; lit. ' ladrón de agua ' ) es un reloj con el que se mide el tiempo mediante el flujo regulado de líquido que entra (tipo de entrada) o sale (tipo de salida) de un recipiente, y donde luego se puede medir la cantidad de líquido.
Los relojes de agua son uno de los instrumentos de medición del tiempo más antiguos. [1] La forma más simple de reloj de agua, con un desagüe en forma de cuenco, existió en Babilonia , Egipto y Persia alrededor del siglo XVI a. C. Otras regiones del mundo, incluidas India y China , también proporcionan evidencia temprana de relojes de agua, pero las fechas más tempranas son menos seguras. Los relojes de agua se utilizaron en la antigua Grecia y en la antigua Roma , como lo describen escritores técnicos como Ctesibio (fallecido en 222 a. C.) y Vitruvio (fallecido después del 15 a. C.).
Un reloj de agua utiliza el flujo de agua para medir el tiempo. Si se descuida la viscosidad, el principio físico necesario para estudiar estos relojes es la ley de Torricelli . Existen dos tipos de reloj de agua: de entrada y de salida. En un reloj de agua de salida, se llena un recipiente con agua y el agua se drena lentamente y de manera uniforme fuera del recipiente. Este recipiente 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 saber cuánto tiempo ha pasado. Un reloj de agua de entrada funciona básicamente de la misma manera, excepto que en lugar de fluir fuera del recipiente, el agua está llenando el recipiente marcado. A medida que el recipiente se llena, el observador puede ver dónde el agua se encuentra con las líneas y saber cuánto tiempo ha pasado. Algunos relojes modernos se llaman "relojes de agua", pero funcionan de manera diferente a los antiguos. Su medición del tiempo se rige por un péndulo , pero utilizan el agua para otros fines, como proporcionar la energía necesaria para hacer funcionar el reloj mediante una rueda hidráulica o algo similar, o tener agua en sus pantallas.
Los griegos y los romanos desarrollaron un diseño avanzado de relojes de agua que incluía la clepsidra de entrada con un sistema de retroalimentación, engranajes y mecanismo de escape , que se conectaban a autómatas extravagantes y que daban como resultado una precisión mejorada. Se lograron más avances en Bizancio , Siria y Mesopotamia, donde los relojes de agua cada vez más precisos incorporaron complejos engranajes segmentales y epicíclicos , ruedas hidráulicas y capacidad de programación , avances que finalmente llegaron a Europa . De forma independiente, los chinos desarrollaron sus propios relojes de agua avanzados, que incorporaban engranajes, mecanismos de escape y ruedas hidráulicas, y transmitieron sus ideas a Corea y Japón . [ cita requerida ]
Algunos diseños de relojes de agua se desarrollaron de forma independiente y algunos conocimientos se transfirieron a través de la difusión del comercio. Estos primeros relojes de agua se calibraban con un reloj de sol . Si bien nunca alcanzaron un nivel de precisión comparable a los estándares actuales de medición del tiempo, el reloj de agua fue un dispositivo de medición del tiempo de uso común durante milenios, hasta que fue reemplazado por relojes mecánicos de escape de verticilo más precisos en Europa alrededor de 1300. [2]
El reloj de agua más antiguo del que hay evidencia física data de c. 1417-1379 a. C. en el Imperio Nuevo de Egipto , durante el reinado del faraón Amenhotep III , donde se utilizó en el Recinto de Amón-Ra en Karnak . [3] La documentación más antigua del reloj de agua es la inscripción de la tumba del funcionario de la corte egipcia del siglo XVI a. C. Amenemhet, que lo identifica como su inventor. [3] [4] Estos simples relojes de agua, que eran del tipo de salida, eran recipientes de piedra con lados inclinados que permitían que el agua goteara a un ritmo casi constante desde un pequeño orificio cerca del fondo. Había doce columnas separadas con marcas espaciadas de manera uniforme 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. Los sacerdotes usaban estos relojes para determinar la hora de la noche para que los ritos y sacrificios del templo pudieran realizarse a la hora correcta. [5]
En Babilonia, los relojes de agua eran del tipo de flujo de agua y tenían forma cilíndrica. El uso del reloj de agua como ayuda para los cálculos astronómicos se remonta al Antiguo Imperio Babilónico ( c. 2000 – c. 1600 a. C.). [6] Si bien no hay relojes de agua sobrevivientes de la región mesopotámica, la mayoría de las pruebas de su existencia provienen de escritos en tablillas de arcilla . Dos colecciones de tablillas, por ejemplo, son el Enuma Anu Enlil (1600-1200 a. C.) y el MUL.APIN (siglo VII a. C.). [7] En estas tablillas, los relojes de agua se utilizan para el pago de las guardias de noche y de día. [8]
Estos relojes eran únicos, ya que no tenían un indicador como manecillas (como se usan típicamente hoy) o muescas acanaladas (como se usaban en Egipto). En cambio, estos relojes medían el tiempo "por el peso del agua que fluía" de ellos. [9] El volumen se medía en unidades de capacidad llamadas qa . El peso, mana o mina (la unidad griega para aproximadamente una libra), es el peso del agua en un reloj de agua. [ cita requerida ]
En la época babilónica, el tiempo se medía con horas temporales. Así, 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 manás de agua en una clepsidra cilíndrica; su vaciado indicaba el final de la vigilia. Se debía añadir una sexta parte de maná en cada medio mes sucesivo. En el equinoccio , había que vaciar tres manás para que correspondieran a una vigilia, y se vaciaban cuatro manás por cada vigilia de la noche del solsticio de invierno ”. [9]
N. Narahari Achar y Subhash Kak sugieren que los relojes de agua se usaban en la antigua India ya en el segundo milenio a. C., basándose en su aparición en el Atharvaveda . [10] [11] Según N. Kameswara Rao, las vasijas excavadas en el sitio de la civilización del valle del Indo de Mohenjo-daro pueden haber sido utilizadas como relojes de agua. Tienen una base cónica, un agujero en el costado y son similares al utensilio utilizado para realizar abhiṣeka (vertido ritual de agua) en los lingams . [12]
El Jyotisha , una de las seis disciplinas Vedanga , describe relojes de agua llamados ghati o kapala que miden el tiempo en unidades de nadika (alrededor de 24 minutos). Una clepsidra en forma de un recipiente de cobre que flota y se hunde se menciona en el Sürya Siddhānta (siglo V d. C.). [13] En Nalanda mahavihara , una antigua universidad budista , los intervalos de cuatro horas se medían con un reloj de agua, que consistía en un cuenco de cobre similar que contenía dos flotadores grandes en un cuenco más grande lleno de agua. El cuenco se llenaba con agua de un pequeño orificio en su fondo; se hundía cuando se llenaba y se marcaba con el golpeteo de un tambor durante el día. La cantidad de agua añadida variaba con las estaciones, y los estudiantes de la universidad operaban el reloj. [14]
En el siglo VI, el erudito Varāhamihira también da descripciones de relojes de agua similares en el Pañca Siddhāntikā , que añade más detalles al relato dado en el Sūrya Siddhānta . [ cita completa requerida ] Se registran más descripciones en el Brāhmasphuṭasiddhānta del matemático Brahmagupta en el siglo VII. El astrónomo Lalla también registra una descripción detallada con medidas en el siglo VIII, que describe el ghati como un recipiente de cobre hemisférico con un agujero que se llena completamente después de un nadika . [15]
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. C. [16] Desde aproximadamente el 200 a. C. en adelante, la clepsidra de salida fue reemplazada casi en todas partes en China por el tipo de entrada con una varilla indicadora sostenida por un flotador (llamado fou chien lou, 浮箭漏). [16] El filósofo y político de la dinastía Han Huan Tan (40 a. C. - 30 d. C.), un secretario de la corte a cargo de las clepsidras, escribió que tuvo 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 en la velocidad a la que fluye el agua, eran conocidos en esta época. [17] El líquido de los relojes de agua era propenso a congelarse y había que mantenerlo caliente con antorchas, un problema que fue resuelto en 976 por el astrónomo e ingeniero chino Zhang Sixun . Su invento, una mejora considerable del reloj de Yi Xing, utilizaba mercurio en lugar de agua. El mercurio es un líquido a temperatura ambiente y se congela a -38,83 °C (-37,9 °F), más baja que cualquier temperatura del aire común fuera de las regiones polares. [18] [19] Una vez más, en lugar de utilizar agua, el ingeniero de principios de la dinastía Ming Zhan Xiyuan (c. 1360-1380) creó un reloj de rueda impulsado por arena, mejorado por Zhou Shuxue (c. 1530-1558). [20]
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 . [21] 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 la presión en el tanque del depósito. [16] 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 eslabones de rueda hidráulica . [22] El mismo mecanismo sería utilizado por el erudito de la dinastía Song Su Song (1020-1101) en 1088 para impulsar su torre de reloj astronómico , así como una transmisión por cadena . [23] 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 la observación de maniquíes cambiantes que hacían sonar campanas o gongs y sostenían tablillas que indicaban la hora u otros momentos especiales del día. En la década de 2000, en la Torre del Tambor de Pekín está en funcionamiento una clepsidra de salida que se exhibe para los turistas. Está conectada a autómatas de modo que cada cuarto de hora una pequeña estatua de bronce de un hombre toca sus platillos. [24]
El uso de relojes de agua en el Gran Irán , especialmente en las zonas desérticas como Yazd , Isfahán , Zibad y Gonabad , se remonta al año 500 a. C. [25] Más tarde, también se utilizaron para determinar los días sagrados exactos de las religiones preislámicas como Nowruz ( equinoccio de marzo ), la noche de Yaldā ( equinoccio de septiembre ), Tirgan ( solsticio de verano ) y la noche de Yaldā ( solsticio de invierno ): los días y noches más cortos, más largos e igualados de los años. Los relojes de agua, llamados pengan (y más tarde fenjan ), eran una de las herramientas antiguas más prácticas para cronometrar el calendario anual. [26] [27] El reloj de agua era el dispositivo de cronometraje más preciso y comúnmente utilizado para calcular la cantidad o el tiempo que un agricultor debe sacar agua de un qanat o pozo para riego hasta que los relojes actuales más precisos lo reemplazaron. [28] [29]
Los relojes de agua persas eran una herramienta práctica, útil y necesaria para que los accionistas del qanat calcularan el tiempo durante el cual podían desviar agua a sus granjas o jardines. El qanat 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 elegía a una persona mayor muy justa e inteligente para que fuera el administrador del reloj de agua o mirāb , y se necesitaban al menos dos administradores a tiempo completo para controlar y observar el número de horas y anunciar la hora exacta de los días y las noches desde el amanecer hasta el atardecer, porque los accionistas generalmente se dividían entre propietarios diurnos y nocturnos. [30]
El reloj de agua persa 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 encargado vaciaba el cuenco y lo volvía a poner sobre el agua de la olla. Registraba el número de veces que se hundía el cuenco colocando pequeñas piedras en un tarro. [30] El lugar donde estaba situado el reloj y sus encargados eran conocidos colectivamente como el khane pengān . Por lo general, este sería el piso superior de una taberna, con ventanas orientadas al oeste y al este para mostrar la hora del amanecer y el atardecer. El reloj de agua de Zibad estuvo en uso hasta 1965, [27] cuando fue reemplazado por relojes modernos. [26]
La palabra "clepsidra" proviene del griego y significa "ladrón de agua". [32] Los griegos hicieron avanzar considerablemente el reloj de agua al abordar el problema de la disminución del flujo. Introdujeron varios tipos de clepsidra de entrada, uno de los cuales incluía el primer sistema de control de retroalimentación. [33] Ctesibio inventó un sistema indicador típico de los relojes posteriores, como el dial y el puntero. [34] El ingeniero romano Vitruvio describió los primeros relojes despertadores, que funcionaban con gongs o trompetas. [34] Un reloj de agua de uso común era la simple clepsidra de salida. Esta pequeña vasija de barro tenía un agujero en su 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 oradores. En casos importantes, como cuando estaba en juego la vida de una persona, se llenaba por completo, pero en casos más menores, solo parcialmente. Si el procedimiento se interrumpía por cualquier motivo, como por ejemplo para examinar documentos, el agujero en la clepsidra se tapaba con cera hasta que el orador pudiera reanudar su alegato. [35]
Algunos estudiosos sospechan que la clepsidra pudo haber sido utilizada como cronómetro para imponer un límite de tiempo a las visitas de los clientes en los burdeles atenienses . [36] Un poco más tarde, a principios del siglo III a. C., el médico helenístico Herófilos empleó una clepsidra portátil en sus visitas domiciliarias en Alejandría para medir el pulso de sus pacientes. Al comparar la frecuencia por grupo de edad con conjuntos de datos obtenidos empíricamente, pudo determinar la intensidad del trastorno. [36]
Entre el 270 a. C. y el 500 d. C., los horólogos y astrónomos helenísticos ( Ctesibio , Herón de Alejandría , Arquímedes ) y romanos desarrollaron relojes de agua mecanizados más elaborados. La complejidad añadida tenía como objetivo regular el flujo y proporcionar visualizaciones 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 agujas 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. [37]
El mayor logro de la invención de las clepsidras durante esta época, sin embargo, fue obra de Ctesibio con su incorporación de engranajes y un indicador de cuadrante para mostrar automáticamente la hora a medida que cambiaban las duraciones de los días a lo largo del año, debido al cronometraje temporal utilizado durante su día. Además, un astrónomo griego, Andrónico de Ciro , supervisó la construcción de su Horologion, conocido hoy como la Torre de los Vientos , en el mercado de Atenas (o ágora ) en la primera mitad del siglo I a. C. Esta torre de reloj octogonal mostraba a los eruditos y compradores tanto relojes de sol como una veleta . En su interior había una clepsidra mecanizada, aunque no se puede saber con certeza el tipo de pantalla que utilizaba; algunas posibilidades son: una varilla que se movía hacia arriba y hacia abajo para mostrar la hora, un autómata impulsado por agua que golpeaba una campana para marcar las horas, o un disco estelar móvil en el techo. [38]
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 el mérito de ir "mucho más allá de todo" lo que los había precedido. En el tratado de Al-Jazari de 1206, describe uno de sus relojes de agua, el reloj de elefante . El reloj registraba el paso de las horas temporales, lo que significaba que la velocidad del flujo tenía que cambiarse diariamente para que coincidiera con la longitud 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, se abría el grifo y el agua fluía desde el tanque superior al tanque inferior a través de un regulador de flotador que mantenía una presión constante en el tanque receptor. [40]
El reloj astronómico impulsado 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. [41] Era un dispositivo complejo que medía aproximadamente 11 pies (3,4 m) de alto y tenía múltiples funciones además de la medición del tiempo. Incluía una pantalla del zodíaco y las órbitas solar y lunar, y un puntero en forma de luna creciente que se desplazaba por la parte superior de una puerta, movido por un carro oculto y haciendo que se abrieran puertas automáticas, cada una revelando un maniquí, cada hora. [42] [43] Era posible reprogramar la duración del día y la noche para tener en cuenta los cambios de duración del día y la noche a lo largo del año, y también presentaba cinco autómatas músicos que tocaban música automáticamente cuando se movían mediante palancas operadas por un árbol de levas oculto unido a una rueda hidráulica. [41] 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 válvulas, dos poleas, un disco creciente que mostraba el zodíaco y dos autómatas halcón que dejaban caer bolas en jarrones. [44] [ fuente no confiable ]
Los primeros relojes de agua que emplearon engranajes segmentales y epicicloidales complejos fueron inventados antes por el ingeniero árabe Ibn Khalaf al-Muradi en la Iberia islámica alrededor del año 1000. Sus relojes de agua eran impulsados por ruedas hidráulicas , como también fue el caso de varios relojes de agua chinos en el siglo XI. [45] Se construyeron relojes de agua comparables en Damasco y Fez . El último ( Dar al-Magana ) permanece hasta hoy y su mecanismo ha sido reconstruido. El primer reloj europeo que empleó estos engranajes complejos fue el reloj astronómico creado por Giovanni de Dondi alrededor del año 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 carga constante, mientras que se usaban flotadores pesados como pesas. [45]
En 718, la Silla Unificada estableció el sistema de clepsidra por primera vez en la historia de Corea, imitando a la dinastía Tang. [46] En 1434, durante el gobierno de Joseon , Jang Yeong-sil ( coreano : 장영실 ; Hanja : 蔣英實), un guardia de palacio y más tarde ingeniero jefe de la corte, construyó el Borugak Jagyeongnu o reloj de agua automático del Pabellón Borugak para Sejong el Grande .
Lo que hizo que su reloj de agua funcionara solo (o fuera automático) fue el uso de mecanismos de gato: tres figuras de madera o "gatos" golpeaban objetos para señalar la hora. Esta innovación ya no requería la dependencia de trabajadores humanos, conocidos como "hombres gallo", para reponerlo constantemente. [ cita requerida ]
La singularidad del reloj era su capacidad de anunciar automáticamente la hora dual con señales visuales y audibles. [47] Jang desarrolló una técnica de conversión de señales que hizo posible medir la hora analógica y anunciar la hora digital simultáneamente, así como separar los mecanismos de agua de los mecanismos de sonería operados por bolas. [48] El dispositivo de conversión se llamó pangmok y se colocó sobre el recipiente de entrada que medía la hora, el primer dispositivo de este tipo en el mundo. [49] Por lo tanto, el reloj de agua Borugak es el primer reloj de doble hora diseñado hidromecánicamente en la historia de la horología. [50] [51]
El emperador Tenji fabricó el primer reloj de agua de Japón, llamado Rokoku (漏刻) . Eran muy importantes desde el punto de vista social y estaban dirigidos por doctores en relojes de agua
Cuando se puede despreciar la viscosidad, la velocidad de salida del agua está gobernada por la ley de Torricelli o, de forma más general, por el principio de Bernoulli . La viscosidad dominará la velocidad de salida si el agua fluye a través de una boquilla suficientemente larga y delgada, como se da por la ecuación de Hagen-Poiseuille . [52] Aproximadamente, la velocidad de flujo es para dicho 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 Celsius. Por lo tanto, un reloj de agua con una boquilla de este tipo funcionaría aproximadamente 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 el dos por ciento. [53] Por lo tanto, un reloj de agua con una boquilla de este tipo que marcara bien la hora a una temperatura dada ganaría o perdería aproximadamente media hora por día si fuera un grado Celsius más cálido o más frío. Para que marcara la hora con una precisión de un minuto por día, se requeriría que su temperatura se controlara con una precisión de 1 ⁄ 30 °C (aproximadamente 1 ⁄ 17 °F). 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, si bien los relojes modernos pueden no reiniciarse por períodos prolongados, es probable que los relojes de agua se reiniciaran todos los días, cuando se rellenaban, según un reloj de sol, por lo que el error acumulativo no habría sido grande. [ cita requerida ]
Parece que dos artefactos de Mohenjo-daro y Harappa podrían corresponder a estos dos instrumentos. Joshi y Parpola (1987) enumeran algunas vasijas cónicas en la parte inferior y con un agujero en el lateral de las excavaciones en Mohenjadaro (Figura 3). Una vasija con un pequeño agujero para drenar el agua es muy similar a las clepsidras descritas por Ohashi para medir el tiempo (similar al utensilio utilizado sobre el lingum en el templo de Shiva para el abhishekam).
Los griegos llamaron al reloj de agua 'clepsidra' (KLEP-suh-druh), que significa 'ladrón de agua'.
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