Đồng hồ cát, đồng hồ nước, nén hương: người xưa đo khoảng ngắn

Trước khi có đồng hồ cơ, người xưa đo những khoảng thời gian ngắn bằng dòng chảy và sự cháy: nước nhỏ giọt qua lỗ trong đồng hồ nước, cát chảy qua cổ hẹp trong đồng hồ cát, nén hương hay ngọn nến cháy hết một đoạn. Những dụng cụ này không chỉ giờ trong ngày mà đo "một khoảng": bao lâu cho một bài phát biểu, một ca gác, một lượt tụng kinh. Muốn chúng đều, người ta phải giải những bài toán vật lý khá tinh tế.

Đồng hồ nước: dụng cụ đo thời gian cổ nhất còn giữ được

Đồng hồ nước cổ nhất còn tồn tại được tìm thấy ở đền Karnak, Ai Cập, có niên đại thời pharaoh Amenhotep III, khoảng thế kỷ 14 trước Công nguyên. Đó là một chiếc bình đá có lỗ nhỏ ở đáy. Nước rỉ ra dần, và các vạch khắc phía trong cho biết đã bao lâu trôi qua theo mực nước còn lại.

Điều đáng chú ý là thành bình được làm loe dần lên trên, không thẳng đứng. Lý do là một hiện tượng vật lý mà người ta sẽ chỉ mô tả bằng toán học hàng nghìn năm sau: nước càng đầy, áp lực ở đáy càng lớn và nước chảy càng nhanh; nước vơi đi thì chảy chậm lại. Bình loe miệng giúp bù trừ một phần, để mực nước hạ xuống đều hơn.

Đồng hồ nước ở toà án Athens

Người Hy Lạp gọi đồng hồ nước là klepsydra, nghĩa là "kẻ trộm nước". Ở Athens cổ đại, toà án dùng bình nước để giới hạn thời gian phát biểu của hai bên. Khi một người dừng nói để đọc văn bản hay nghe nhân chứng, lỗ bình được bịt lại. Thời gian của mỗi bên được tính bằng lượng nước, nên ai nói dài cũng không được quá phần nước của mình.

Lậu khắc ở Trung Hoa

Ở Trung Hoa, đồng hồ nước được gọi là lậu khắc: "lậu" là rò rỉ, "khắc" là vạch khắc. Người Trung Hoa giải bài toán dòng chảy không đều theo cách khác: thay vì đo nước chảy ra, họ đo nước chảy vào một bình nhận. Phía trên có nhiều bình xếp bậc thang, bình trên châm cho bình dưới, nhờ vậy bình cuối cùng luôn giữ mực nước gần như không đổi và chảy đều vào bình nhận. Trong bình nhận có một mũi tên nổi khắc vạch, nổi dần lên theo thời gian.

Đỉnh cao của truyền thống này là tháp đồng hồ thiên văn do Tô Tụng (Su Song) dựng năm 1088 thời nhà Tống, chạy bằng sức nước, có cơ cấu giữ nhịp quay đều.

Đồng hồ cát: người bạn của thuỷ thủ

Đồng hồ cát xuất hiện muộn hơn nhiều. Những hình vẽ đáng tin cậy sớm nhất ở châu Âu có từ thế kỷ 14; một bức bích hoạ của Ambrogio Lorenzetti ở Siena (Ý), vẽ khoảng năm 1338, thường được nhắc như một trong những hình ảnh đồng hồ cát đầu tiên.

Đồng hồ cát có một ưu điểm lớn so với đồng hồ nước: cát không đóng băng, không bay hơi, và quan trọng nhất là tốc độ chảy của cát gần như không phụ thuộc vào lượng cát còn lại phía trên. Khác với nước, hạt cát trong bình tựa lên thành bình và đỡ lẫn nhau, nên áp lực ở cổ bình gần như không đổi. Vì vậy cát chảy khá đều từ đầu tới cuối.

Trên tàu biển thời trước, đồng hồ cát có hai vai trò:

• Chia ca gác: đồng hồ cát nửa giờ được lật liên tục, mỗi lần lật đánh một tiếng chuông.
• Đo tốc độ tàu: thả một tấm gỗ buộc dây có thắt nút cách đều xuống biển, rồi đếm số nút chạy qua tay trong lúc một đồng hồ cát nhỏ chảy hết, khoảng nửa phút. Số nút đếm được chính là tốc độ tàu. Đơn vị "hải lý trên giờ" trong tiếng Anh đến nay vẫn gọi là knot, nghĩa là "nút".

Nến và hương: đo thời gian bằng ngọn lửa

Lửa cháy với tốc độ khá đều nếu vật liệu đồng nhất. Người ta khắc vạch lên nến để biết đã bao lâu. Ở Trung Hoa và các nước Đông Á, người ta còn làm đồng hồ hương: bột hương được rải theo một đường uốn lượn trong khay tro, đốt một đầu, ngọn lửa âm ỉ bò dần theo đường rải. Đường hương có thể dài tới mức cháy cả ngày đêm. Có loại còn treo những sợi chỉ buộc viên bi kim loại ngang qua đường hương; khi lửa cháy tới, chỉ đứt, viên bi rơi xuống đĩa đồng kêu "keng", giống một chiếc chuông báo.

Người Việt đo khoảng ngắn bằng gì

Trong đời sống làng quê Việt Nam xưa, ít nhà có đồng hồ. Người ta đo khoảng ngắn bằng những việc ai cũng biết độ dài:

Những đơn vị này không có độ dài chuẩn, vì nén hương dài ngắn khác nhau, người nhai trầu nhanh chậm khác nhau. Nhưng trong một làng, ai cũng hiểu cùng một cỡ. Đó là cách đo thời gian bằng kinh nghiệm chung, rất tự nhiên với người không cần chính xác tới phút. Nén hương cũng là cách tính thời gian quen thuộc trong chùa chiền và những buổi cúng lễ.

Thử tại nhà: làm đồng hồ nước từ chai nhựa

Thí nghiệm này cho bạn thấy ngay bài toán mà người Ai Cập đã gặp:

1. Lấy một chai nhựa thẳng thành, cắt bỏ phần cổ. Dùi một lỗ nhỏ ở đáy bằng kim nung nóng (người lớn làm phần này).
2. Dán một dải băng dính giấy dọc thân chai.
3. Đổ đầy nước, đặt chai trên một cái cốc. Cứ mỗi 30 giây, đánh dấu mực nước lên băng dính.
4. Quan sát khoảng cách giữa các vạch.

Bạn sẽ thấy các vạch phía trên cách xa nhau, phía dưới sít lại: nước chảy nhanh khi đầy và chậm dần khi vơi. Đó là lý do đồng hồ nước Karnak có thành loe và lậu khắc Trung Hoa dùng bình bậc thang. Làm tiếp với một đồng hồ cát nhỏ, bạn sẽ thấy cát chảy đều hơn nhiều.

Góc nhìn hôm nay

Đồng hồ cát vẫn sống trong bếp, trong phòng tắm hơi, trên bàn chơi cờ, trong lớp học để nhắc trẻ chải răng đủ hai phút. Nén hương vẫn là đơn vị thời gian trong tâm thức nhiều người Việt. Muốn xem những dụng cụ đo thời gian cổ, bạn có thể tìm đến các bảo tàng khoa học và lịch sử; nhiều bảo tàng có mô hình đồng hồ nước và đồng hồ hương Đông Á.