Originalmente, a clepsidra é um instrumento aquático que permite definir a duração de um evento, a duração de um discurso, por exemplo. A duração do evento é limitada ao tempo de esvaziamento de um recipiente contendo água que flui por um pequeno orifício. No campo oratório e judicial, o locutor deve parar de falar quando o recipiente terminar de se esvaziar. A duração visualizada por este meio é independente de uma taxa de fluxo regular do líquido; o recipiente pode ter qualquer formato. O instrumento, portanto, não é um relógio hidráulico .
A palavra clepsidra vem do grego κλεψύδρα (klepsúdra), retomada do latim clepsydra .
Este nome é formado a partir dos elementos gregos κλέπτειν (kléptein), "voar", e ὕδωρ (húdôr), "água".
Está associado a duas fontes gregas:
A mais antiga clepsidra de água conhecida foi descoberta em Karnak em 1904. Datada do reinado de Amenófis III , por volta de -1400 , ela está agora em exibição no Museu Egípcio no Cairo . Consiste em uma tigela cônica simples dotada de um orifício na base, utilizada para o escoamento da água. O tempo foi medido em graduações legíveis dentro da tigela. Estima-se que as primeiras clepsidras foram criadas no Egito por volta de -1600 . Este tipo de clepsidra de água de enchimento único ofereceu uma precisão de cerca de 5 a 10 minutos .
O princípio da clepsidra também foi usado pelos ameríndios .
Foram os gregos que melhoraram a precisão da clepsidra por volta de 270 aC. AD Devido ao menor nível de água, a pressão na saída da tigela foi reduzida e flui com ela. Isso causou uma perda de precisão. Os egípcios remediaram isso graduando as tigelas de acordo com o nível. Eles também usaram tigelas em forma de cone , para aliviar o problema de pressão. Mas a precisão ainda não era boa o suficiente. Para manter a precisão, a taxa de fluxo de saída deve ser constante. Várias soluções técnicas foram inventadas: o inventor grego Ctesibios imaginou um sistema utilizando o princípio dos vasos comunicantes e da válvula, existe também um método que consiste em reduzir gradativamente a superfície da clepsidra (em uma pirâmide invertida por exemplo) para ter uma constante perfil de fluxo, um terceiro método é o uso de um vaso Mariotte. Esses métodos permitem obter uma vazão constante e, assim, aumentar a precisão desse relógio de água.
As clepsidras mais avançadas foram as feitas pelos persas e pelos chineses . Em 807 , o califa de Bagdá Haroun ar-Rachid ofereceu a Carlos Magno uma clepsidra que colocava em movimento autômatos. Esse tipo de clepsidra era mais decorativa do que utilitária. E em 1088 , o engenheiro Su Song mandou construir uma clepsidra com mais de 10 metros de altura em Kaifeng , China .
A clepsidra foi usada para medir períodos curtos, como:
A clepsidra também era usada para medir o tempo em que estava escuro ou quando as condições climáticas não permitiam o uso de relógios de sol.
A clepsidra funciona com o mesmo princípio da ampulheta . É o fluxo de uma quantidade de água que fixa o tempo decorrido.
Os primeiros relógios de água vêm em forma de tigela, com um orifício em seu ponto mais baixo, permitindo que a água flua. É com o auxílio das graduações dentro da tigela que se determina o tempo decorrido. A equação da clepsidra usa a mecânica clássica dos fluidos e, mais particularmente, a fórmula de Torricelli .
O problema é que, à medida que o recipiente se esvazia, a vazão fica mais baixa, o que resulta de um fenômeno bastante simples. A pressão gerada por uma altura de água diminui ao mesmo tempo que o recipiente se esvazia. A quantidade de água que flui para o mesmo período é, portanto, diferente quando a tigela está cheia e quando está quase vazia, o que coloca problemas de precisão. Os egípcios remediaram parcialmente isso usando tigelas em forma de cone e alterando as graduações, de acordo.
Este problema na constância do escoamento deve-se ao facto de a pressão da água no fundo da taça diminuir, estando esta directamente relacionada com a altura da água sobrejacente. Para manter a mesma pressão, Ctesibios teve a ideia de manter o nível da água constante. Para isso, ele usou três tanques (A, B e C). O tanque A contém uma grande quantidade de água e sua finalidade é fornecer sempre água para o tanque B. O nível de B é mantido graças a um orifício próximo ao seu topo, que é responsável por esvaziar o vazamento de água (é uma válvula). A água em B normalmente flui por um pequeno orifício em sua base. O fluxo através deste furo é constante, porque o nível da água em B não varia, a pressão na saída, portanto, também permanece constante. A água de B que flui pelo orifício da base vai para o tanque C, que é graduado. É observando o nível de enchimento de C que o tempo decorrido é determinado.
Apesar dessa melhoria notável, esses relógios permanecem imprecisos. Vários fatores podem influenciar a duração medida, como:
Além disso, a fabricação de uma clepsidra exige grande precisão, principalmente na produção do reservatório.