Вритме солнца: солнечные часы

      Комментарии к записи Вритме солнца: солнечные часы отключены

Вритме солнца: солнечные часы

    В соответствии с законами небесной механики Кеплера скорость перемещения Почвы по орбите изменяется в течение года от 29,291 до 30,287 км/с, а вместе с ней изменяется и видимая скорость перемещения Солнца по небосводу. Оно «ускоряется», в то время, когда Почва находится в перигелии (ближайшей к Солнцу точке, 3 января), и замедляется, в то время, когда отечественная планета проходит афелий (на большом удалении от Солнца).
    Большая отличие длин дня и светового дня, вычисленного по времени UTC, может быть около 7,9 с. В течение года погрешность накапливается Годовой график таковой погрешности является синусоидой с амплитудой в 7,66 60 секунд и периодом в год с начальной фазой 3 января (яркая линия). В моменты равноденствий проекция дуги эклиптики на экватор меньше самой дуги, а в моменты солнцестояний — больше, исходя из этого в разное время года солнечные часы будут иметь погрешность, обусловленную наклоном земной оси. Поправку возможно представить в виде синусоиды с амплитудой 9,8 60 секунд с периодом в полгода (пунктирная линия).

Механические часы принято вычислять достаточно сложным устройством. Вправду, хаотичное, на первый взгляд, нагромождение зубчатых колёс и пружин кого угодно введет в замешательство. Другое дело часы солнечные: несложная палка, отбрасывающая тень на плоский диск.

И все же, как и многие механизмы древности, солнечные часы в действительности выясняются куда сложнее механических. Так как кроме гномона и циферблата их неотъемлемыми частями помогают астрономические объекты, Солнце и Земля, перемещение которых относительно друг друга подчиняется куда более сложным закономерностям, нежели колебания маятника, и не поддается регулировке. Солнечные часы довольно несложны в изготовлении, но, дабы совершенно верно вычислить их конструкцию, нужны глубокие познания в тригонометрии и астрономии.

В библейском стихе, приведенном в качестве эпиграфа, упоминаются солнечные часы, выстроенные в Иерусалиме при царе Ахазе в восьмом веке до н.э. Одни из первых солнечных часов, отысканных в захоронении Наут (Ирландия), датируются 5000 годом до н.э. Обелиски Вавилона и Древнего Египта употреблялись для определения времени дня по длине тени.

Совершенствованием солнечных часов занимались математики и величайшие философы Старой Греции — Анаксимандр, Анаксимен, Евдокс, Аристарх. У древних народов не было деления дней на 24 равные части. На 12 часов они дробили световой сутки, от восхода солнца до захода солнца, исходя из этого в различное время года протяженность часа была различной. В древних солнечных часах — скафисе — время определялось по длине тени, отбрасываемой гномоном на поверхность сферической углубления, размеченной сложными кривыми.

С введением равных ночи и часов дня время стали определять не по длине тени, а по ее направлению.

Модель Почвы

Дневный ход времени определяется вращением Почвы около собственной оси. Чтобы выяснить фундаментальный принцип работы солнечных часов, подбросим дровишек в костер Джордано Бруно и представим себе, что объекты небесной сферы вращаются около отечественной неподвижной планеты. взглянуть на ночное небо, мы заметим, что с течением времени все звезды изменяют собственный положение, двигаясь по кругу около Полярной звезды. Только она всю ночь практически не меняет собственного положения.

Дело в том, что на данный момент положение Полярной звезды фактически сходится с Северным полюсом мира — точкой на небесной сфере, в которую проецируется ось вращения Почвы. Кстати, с течением времени положение Северного полюса на небесной сфере изменяется. Так, 5000 лет назад ближайшим к нему светилом был Тубан, звезда созвездия Дракона.

Гномон самых несложных солнечных часов должен быть направлен на Северный полюс мира, в противном случае говоря — быть параллельным земной оси. Циферблат часов находится перпендикулярно гномону. Наряду с этим плоскость, в которой Солнце путешествует по небу около отечественной планеты, кроме этого окажется перпендикулярной параллельной циферблату и гномону. А это значит, что тень от гномона будет путешествовать по циферблату равномерно в течение светового дня, любой час проходя по 15 градусов.

Солнечные часы таковой конструкции именуются экваториальными, по причине того, что их циферблат параллелен экватору.

Дабы верно установить экваториальные часы, нужно принять в качестве ориентира ровную горизонтальную площадку (определяется посредством уровня либо отвеса) и установить циферблат в таковой плоскости, дабы ее угол к горизонтали равнялся географической широте места. Она образует параллель к экватору в том случае, если гномон часов направлен на подлинный север.

К примеру, огромный каменный гномон солнечных часов обсерватории Джантар-Мантар (Джайпур, Индия, XVIII век), возвышающийся на 27 м над почвой, образует с земной поверхностью угол 26°55′. Первые солнечные часы в Риме, привезенные консулом Валерием Мессалой из Сицилии, показывали время неправильно, поскольку были вычислены для второй широты.

Север возможно найти ночью по Полярной звезде. Будьте внимательны: направление гномона нельзя определять по компасу, по причине того, что положения Северного магнитного полюса Почвы и ее географического полюса не совпадают. Помимо этого, на Земле существует множество магнитных аномалий: благодаря содержащимся в горной породе металлам в некоторых уголках планеты погрешность компаса превышает 15 градусов.

Экваториальные часы имеют характерную изюминку. В летний период (между днями весеннего и осеннего равноденствия) гномон отбрасывает тень на верхнюю сторону циферблата, а в зимний — на нижнюю. К лету солнце поднимается все выше и выше, и по длине тени возможно делать выводы о времени года либо кроме того месяце.

Исходя из этого экваториальные часы легко дополнить календарем, начертив на циферблате концентрические окружности, соответствующие месяцам (шесть на одной стороне и шесть на другой), и разместив на гномоне шар либо отверстие, талантливое проецировать на циферблат точку. В отличие от гномона, отбрасывающего тень в виде линии, любое устройство, проецирующее на циферблат точку, именуется нодусом.

Экваториальные часы не требуют сложных расчетов, для них серьёзнее позиционирование. Очевидно, тени, отбрасываемые гномоном любой формы на вертикальный, горизонтальный, сферический, какой угодно циферблат, кроме этого возможно связать с временем дней. Расчет сложных конструкций солнечных часов — это в первую очередь тригонометрическая задача.

В ногу со временем

Простые солнечные часы, верно установленные в определенной точке земного шара, показывают местное солнечное время, характерное для данного расположения и времени года. Сейчас все мы живем по Универсальному координированному времени (UTC), которое существенно отличается от местного солнечного. Первое отличие содержится в том, что земной шар делится на 24 часовых пояса, в пределах каждого из которых принято однообразное время для любой долготы.

Местное солнечное время, наоборот, для каждой долготы собственный. К примеру, солнечные часы обитателя Петербурга продемонстрируют полдень позднее, чем солнечные часы москвича, тогда как наручные часики обоих граждан идут полностью синхронно. Значит, дабы вынудить солнечные часы показывать «верное» время, необходимо как минимум «подвести» их в соответствии со временем часового пояса, сместив часовые линии.

Такое же смещение необходимо осуществить, в случае если в регионе действует переход на летнее время. Кое-какие солнечные часы имеют по две цифровые шкалы — для зимнего и летнего времени.

Часы, секунды и минуты стандартного времени в течение всего года текут равномерно, чего не сообщишь о перемещении Солнца по небосклону. Земная орбита имеет форму эллипса, в одном из фокусов которого находится Солнце. В соответствии с законами небесной механики Кеплера, скорость перемещения Почвы по орбите изменяется в течение года от 29,291 до 30,287 км/с, а вместе с ней изменяется и видимая скорость перемещения Солнца по небосводу.

Оно «ускоряется», в то время, когда Почва находится в перигелии (ближайшей к Солнцу точке, 3 января), и замедляется, в то время, когда отечественная планета проходит афелий (на большом удалении от Солнца). Большая отличие длин дня и светового дня, вычисленного по времени UTC, может быть около 7,9 с. В течение года погрешность накапливается. Годовой график таковой погрешности является синусоидой с амплитудой в 7,66 60 секунд и периодом в год с начальной фазой 3 января.

Но это еще не все. Влияние годового перемещения Солнца (другими словами перемещения Почвы по солнечной орбите) на дневный бег светила по небосклону изменяется со временем благодаря наклону земной оси на угол около 23,5 градуса. Годовое перемещение Солнца самый заметно отражается на дневном, в то время, когда линия эклиптики плоскостей и пересечения экватора направлена по касательной к земной орбите.

Образно говоря, сейчас и земной наблюдатель, и сама Почва движутся относительно Солнца приблизительно в одном направлении. Это происходит в дни летнего либо зимнего солнцестояния. В дни равноденствия, наоборот, годовое и дневное перемещения Солнца направлены под углом друг к другу, исходя из этого их обоюдное влияние минимально.

Выражаясь научным языком, в моменты равноденствий проекция дуги эклиптики на экватор меньше самой дуги, а в моменты солнцестояний — больше, исходя из этого в разное время года солнечные часы будут иметь погрешность, обусловленную наклоном земной оси. Поправку возможно представить в виде синусоиды с амплитудой 9,8 60 секунд с периодом в полгода.

Сумма годовых отклонений солнечного времени от стандартного выражается в уравнении времени. Его принято показывать в виде графика зависимости погрешности от календарного дня. К примеру, по уравнению времени мы видим, что 12 февраля солнечные часы отстают от наручных на 14 мин., а 3 ноября торопятся на 16,5 60 секунд.

Одно из графических выражений уравнения времени — это аналемма, линия, соединяющая все положения Солнца на небе в различные дни года, но в одно время суток. Аналемма показывает не только смещение Солнца по горизонтали, высказывающее изменение скорости его хода по небосклону, но и перемещение по вертикали. Так как благодаря наклону земной оси летом Солнце на небе забирается значительно выше, чем зимний период. Между этими двумя смещениями существует очевидная зависимость.

Именно она разрешает интегрировать аналемму в конструкцию солнечных часов, дабы выяснять по ним правильное стандартное время.

Формулы — для красоты

Несложный пример аналеммических солнечных часов — это сферические экваториальные часы с гномоном, выполненным в форме самой аналеммы. К примеру, зимний период Солнце поднимается невысоко и отбрасывает на циферблат тень от толстой части аналеммы. Ее левый край показывает стандартное время с положенным отставанием от солнечного. Летом, в то время, когда Солнце забирается на самый верх, трудится узкая часть аналеммы, отбрасывая более узкую тень.

Аналемма возможно выражена в виде волнистых часовых линий, повторяющих график уравнения времени (к примеру, для полярных солнечных часов), либо же в виде таблицы на циферблате. Фактически в любых ситуациях принцип коррекции содержится в том, что протяженность тени показывает календарный сутки, а направление — время суток. Пользователю остается только сопоставить эти два значения.

Гномон, отбрасывающий тень на циферблат — далеко не единственное конструктивное ответ для солнечных часов. Роль гномона может делать сферическое зеркало (что-то наподобие «хрустального шара» на дискотеке), в определенный момент времени отбрасывающее в соответствующие части циферблата солнечных зайчиков. Существует много необыкновенных часов. хороший пример: часы с циферблатом, нанесенным на окно в помещении, каковые в солнечный сутки отбрасывают на пол тень с нужным значением времени.

У подножия 101-этажного небоскреба Тайбэй 101 в Тайване обустроен круглый парк. Его дорожки и деревья составляют циферблат солнечных часов, каковые как на ладони видны из окон небоскреба. Гномоном часов помогает само строение. В парке солнечных часов Бельгийского города Генк возможно встретить цифровые солнечные часы. В этого сложного устройства солнечные часы подвергаются бессчётным преломлениям и, совершив путешествие по совокупности зеркал, подсвечивают те либо иные точки экрана.

На тёмном экране прекрасными белыми цифрами высвечивается время в минутах и часах. В конце XVIII — начале XIX века в европейских парках попадались солнечные часы с полуденным боем. Правильнее, не с боем, а с оглушительной пальбой.

Часы были устроены так, что в 12 часов дня солнечные лучи падали на линзу, под которой размещался холостой патрон. Усиленное линзой солнце поджигало порох, и раздавался оглушительный выстрел. В течение года положение патрона и линзы многократно регулировали, дабы полуденный залп раздавался в 12:00 по местному поясному времени.

Современная гномоника — это увлекательное научное хобби. Любители солнечных часов создали много разнообразных конструкций, и их число всегда растёт. постройка и Разработка часов — это в громаднейшей степени астрономия, математика и геометрия и в мельчайшей — работа руками.

В этом вы имеете возможность убедиться, собрав две сверхсложные и правильные модели из заготовок, размещенных на страницах издания.

Эти часы вычислены для Москвы. Дабы сделать такие же в собственном регионе, вы имеете возможность воспользоваться одной из особых компьютерных программ для расчета аналеммических циферблатов, каковые нетрудно отыскать в сети. Разработка таких программ — это отдельная отрасль гномоники как хобби.

Они оказывают помощь начинающим любителям солнечных часов не забивать себе голову математикой и сосредоточиться на опытах.

Так что не пугайтесь формул, приведенных в описаниях к отдельным моделям часов, — они тут легко для красоты!

Экваториальные солнечные часы

Экваториальные солнечные часы смогут принимать множество всевозможных обличий кроме хорошего диска с перпендикулярным гномоном. К примеру, циферблат может иметь форму полукольца либо полусферы с нанесенными в цифрами. В случае если гномон таких часов сделать в форме аналеммы, ширина тени будет изменяться в течение года, и ее края будут показывать значение с поправкой на уравнение времени.

Увлекательный вариант экваториальных часов — цифровые солнечные часы. В них циферблат и гномон изменяются местами. Циферблат является полусферой с отверстиями в форме цифр, а гномон — расположенный за ним узкий экран.

В то время, когда в определенный час солнце, цифра и гномон циферблата выясняются на одной линии, цифра проецируется на экран.

«Восточные» и «западные» солнечные часы

В «восточных» и «западных» вертикальных часах гномон, направленный на подлинный север, оказывается параллельным циферблату. «Восточные» часы показывают время с восхода солнца до полудня, а «западные» — с полудня до заката. Ни «восточные», ни «западные» часы не смогут продемонстрировать полдень, по причине того, что сейчас тень гномона выясняется параллельна циферблату и не имеет возможности упасть на него. Часовые линии на циферблате параллельны гномону. Их удаление от гномона рассчитывается по формуле:

X = H tan (15°x t)

где H — высота гномона над циферблатом, t — час, для которого мы рисуем линию, а X — расстояние от данной линии до основания гномона. В действительности циферблат часов вовсе не должен быть привязан к горизонтали, вертикали либо какой-либо стороне света. Он может размешаться в любой плоскости, разве что для расчета часовых линий на нем будут использоваться более сложные формулы.

Универсальные экваториальные часы

По одной из предположений, универсальные экваториальные часы изобрел британский математик Уильям Отред приблизительно в 1600 году. Они смогут употребляться на любой широте, и для их установки не требуются дополнительные приспособления. Часы складываются из двух перпендикулярных друг другу колец — экваториального и меридианного — и гномона.

На меридианное кольцо нанесена шкала широт. Пользователь обязан выбрать на ней собственную широту и подвесить за это место прибор на пальце либо на шнурке. Подвижный ползунок на гномоне направляться установить в соответствии со шкалой даты — так в прибор интегрировано уравнение времени. После этого необходимо поворачивать часы около вертикальной оси, пока на циферблате не покажется точка.

Сейчас меридианное кольцо окажется ориентировано на протяжении меридиана на север, а экваториальное — параллельно плоскости экватора. Точка укажет местное солнечное время. Часы весьма комфортно носить в кармане — оба круга и гномон складываются в одну плоскость.

Горизонтальные солнечные часы

В отличие от экваториальных солнечных часов, в горизонтальных плоскость циферблата не перпендикулярна гномону, исходя из этого тень гномона перемещается по циферблату неравномерно с течением времени. Гномон должен быть параллелен земной оси и показывать на подлинный север, соответственно, угол между циферблатом и гномоном равняется географической широте местности. На экваторе горизонтальные и экваториальные солнечные часы выглядят одинаково.

В 12 часов дня тень гномона постоянно указывает на подлинный север. По окончании полудня тень за любой последующий час поворачивается на больший угол, чем за прошлый.

Ее движение подчиняется формуле:

tan0 = sina

tan (15°x t)

где a — географическая широта, t — час, для которого мы рисуем линию, 0 — угол, на что линия данного часа отклоняется от линии полудня. Горизонтальные часы комфортно просматривать, они несложны в установке и освещаются солнцем в течение всего светового дня. Часы, изготовленные для определенной местности, возможно применять и на другой широте.

Для этого достаточно наклонить их циферблат так, дабы гномон был направлен на подлинный север.

«Северные» и «южные» вертикальные солнечные часы

Конструкции вертикальных солнечных часов отличаются в зависимости от того, на какую сторону света направлен циферблат. Он бывает обращен лицом к югу, северу, западу, востоку, быть может и вовсе не быть привязан к какой-либо стороне света. В большинстве случаев, вертикальные часы размещаются на стенах строений, соответственно, направление циферблата приходится принимать как данность.

Для всех конструкций сохраняется непреложное правило: гномон обязан показывать на подлинный север. «Южные» часы больше всего похожи на горизонтальные, с той только отличием, что тень по ним движется против часовой стрелки. Положение их часовых линий рассчитывается по формуле:

tanO = cos tan (15° x t)

где — географическая широта, t — час, для которого мы рисуем линию, а O — угол, на что линия данного часа отклоняется от линии полудня. «Северные часы» отличаются от южных перевернутым гномоном. Они показывают время лишь рано утром либо поздно вечером, да и то далеко не весь год: днем солнце заходит за циферблат. Громаднейшее количество часов «северные часы» показывают в сутки летнего солнцестояния, в то время, когда солнце рано появляется из-за горизонта.

Полярные солнечные часы

Циферблат полярных часов в продольном направлении тянется от востока к западу, а в поперечном — параллелен земной оси, так же как и гномон. Часовые линии находятся параллельно друг другу и симметрично относительно линии полудня, которая находится прямо под гномоном. Положение часовых линий определяется формулой:

X = H tan (15° x t)

где H — высота гномона над циферблатом, t — час, для которого мы рисуем линию, а X — расстояние от данной линии до линии полудня. Полярные часы хороши тем, что смогут быть использованы на любой широте, — необходимо только верно установить их, направив гномон на подлинный север

Сферические солнечные часы

В Греции солнечные часы имели форму полусферы, на которую падала тень от особого стержня. Время от времени, но далеко не всегда, стержень размешался параллельно земной оси. Такие часы назывались «скафис».

Усовершенствованием скафиса занимались многие великие астрономы и математики древности. Современные полусферические солнечные часы смогут отображать весьма правильное поясное время.

Солнечные часы в форме креста

Крест — это достаточно сложная форма солнечных часов. В различное время различные вершины креста отбрасывают тени на различные его грани. Сам крест лежит в плоскости, параллельной экваториальной, а грани, отбрасывающие тени, направлены на подлинный север.

Крест примечателен тем, что является сочетанием нескольких солнечных часов различных видов. Грани, обращенные к небу, — это не что иное, как полярные солнечные часы: две боковые грани отображают восточные вертикальные часы, еще две — западные вертикальные часы. По понятным обстоятельствам солнечные часы в виде креста обычно делаются из камня и находят пристанище в церковных подворьях.

Внимание! Лишь для обитателей Севера

Все модели солнечных часов, обрисованные в статье, предназначены для работы в Северном полушарии. Их гномоны направлены на подлинный север. Гномон часов в Южном полушарии должен быть направлен на подлинный юг, циферблаты «южных» часов (при равных углах географической широты) являются зеркальное отображение «северных», а тень по ним путешествует в противоположном направлении.

Один из способов найти направление на юг — установить строго вертикальный стержень (по уровню либо отвесу) и ориентироваться на его тень ровно в 12 часов дня по местному солнечному времени. Местное солнечное время возможно определить, скорректировав показания простых наручных часов с учетом географической уравнения и долготы времени. Для этого возможно воспользоваться особой компьютерной программой.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№77, март 2009).

Изготовление солнечных часов из фанеры с помощью лазера.Manufacturer of solar hours from plywood


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: