В ритъма на слънцето Слънчев часовник, списание Popular Mechanics
Механичните часовници се считат за доста сложни устройства. Наистина, на пръв поглед хаотична купчина пружини и зъбни колела ще обърка всеки. Слънчевият часовник е друга работа: проста пръчка, която хвърля сянка върху плосък диск. И все пак, както много механизми от древността, слънчевите часовници се оказват много по-сложни от механичните. Наистина, освен циферблата и гномона, техни неразделни части са астрономическите обекти, Земята и Слънцето, чието движение едно спрямо друго се подчинява на много по-сложни закони от трептенията на махалото и не може да се регулира. Слънчевите часовници са относително лесни за производство, но за да се изчисли точно тяхната конструкция, са необходими задълбочени познания по астрономия и тригонометрия.
Библейският стих, цитиран като епиграф, споменава слънчев часовник, построен в Йерусалим при цар Ахаз през 8 век пр.н.е. Един от първите слънчеви часовници, намерени в гроба на Наут (Ирландия), датира от 5000 г. пр.н.е. Обелиските на древен Египет и Вавилон са били използвани за определяне на времето от деня по дължината на сянката. Най-големите философи и математици на Древна Гърция, Анаксимандър, Анаксимен, Евдокс, Аристарх, се занимават с подобряването на слънчевия часовник. Древните народи не са имали деление на деня на 24 равни части. Те разделиха дневните часове на 12 часа, от изгрев до залез слънце, така че през различните периоди от годината продължителността на часа беше различна. В древния слънчев часовник - скафис - времето се определяше от дължината на сянката, хвърляна от гномона върху повърхността на сферична вдлъбнатина, маркирана със сложни криви. С въвеждането на равни часове на деня и нощта времето започва да се определя не от дължината на сянката, а от нейната посока.
земен модел
Дневният ход на времето се определя от въртенето на Земята около оста си. За да разберем основния принцип на слънчевия часовник, нека хвърлим малко дърва в огъня на Джордано Бруно и си представим, че обектите от небесната сфера се въртят около нашата неподвижна планета. Гледайки нощното небе, ще видим, че с течение на времето всички звезди променят позицията си, движейки се в кръг около Полярната звезда. Само тя почти не променя позицията си цяла нощ. Факт е, че в момента позицията на Полярната звезда практически съвпада със Северния полюс на света - точка на небесната сфера, в която се проектира оста на въртене на Земята. Между другото, с течение на времето позицията на Северния полюс на небесната сфера се променя. И така, преди 5000 години Тубан, звездата на съзвездието Дракон, беше най-близкото светило до него.
Гномонът на най-простия слънчев часовник трябва да бъде насочен към Северния полюс на света, с други думи, да бъде успореден на земната ос. Циферблатът на часовника е перпендикулярен на гномона. В този случай равнината, в която Слънцето пътува по небето около нашата планета, също ще бъде перпендикулярна на гномона и успоредна на циферблата. А това означава, че сянката от гномона ще се движи по циферблата равномерно през светлата част на деня, преминавайки 15 градуса на всеки час. Слънчев часовник с този дизайн се нарича екваториален слънчев часовник, защото циферблатът му е успореден на екватора.
Молекулярни машини: за които те дадоха Нобелова награда за химия -2016
Емблема на бедствие: Климатична крива
За да настроите правилно екваториалния часовник, е необходимо да вземете като ориентир плоска хоризонтална зона (определена с помощта на нивелир или отвес) и да поставите циферблата в такава равнина, че ъгълът му спрямо хоризонталата да е равен на географскиягеографската ширина на мястото. Той образува паралел на екватора, ако гномонът на часовника е насочен на истински север. Например гигантският каменен гномон на слънчевия часовник на обсерваторията Джантар Мантар (Джайпур, Индия, 18 век), издигащ се на 27 м над земята, образува ъгъл от 26°55' със земната повърхност. Първият слънчев часовник в Рим, донесен от консула Валерий Месала от Сицилия, показвал времето неправилно, тъй като било изчислено за друга географска ширина.
Северът може да бъде открит през нощта по Полярната звезда. Внимавайте: посоката на гномона не може да се определи от компаса, тъй като позициите на северния магнитен полюс на Земята и нейния географски полюс не съвпадат. Освен това на Земята има много магнитни аномалии: поради металите, съдържащи се в скалата, в някои части на планетата грешката на компаса надвишава 15 градуса.
Екваториалният часовник има характерна особеност. През летния период (между дните на пролетното и есенното равноденствие) гномонът хвърля сянка върху горната страна на циферблата, а през зимата - върху долната страна. През лятото слънцето се издига все по-високо и по дължината на сянката може да се съди за сезона или дори за месеца. Следователно е лесно да допълните екваториалния часовник с календар, като начертаете концентрични кръгове върху циферблата, съответстващи на месеците (шест от едната страна и шест от другата), и поставите топка или дупка върху гномона, която може да проектира точка върху циферблата. За разлика от гномона, който хвърля сянка под формата на линия, всяко устройство, което проектира точка върху циферблата, се нарича възел.
Екваториалните часовници не изискват сложни изчисления, по-важно за тях е позиционирането. Разбира се, сенките, хвърлени от гномон с всякаква форма върху вертикален, хоризонтален, сферичен, какъвто циферблат искате, също могат да бъдат свързани с времето на деня.Изчисляването на сложни конструкции на слънчеви часовници е предимно тригонометричен проблем.
Бъдете в крак с времето
Прост слънчев часовник, правилно настроен в определена точка на земното кълбо, показва местното слънчево време, характерно за дадено географско местоположение и сезон. Днес всички ние живеем в координирано универсално време (UTC), което е значително различно от местното слънчево време. Първата разлика е, че земното кълбо е разделено на 24 часови зони, във всяка от които се приема едно и също време за всяка географска дължина. Местното слънчево време, напротив, е различно за всяка географска дължина. Например слънчевият часовник на жител на Санкт Петербург ще показва обяд по-късно от слънчевия часовник на жител на Москва, докато ръчните часовници на двамата граждани са абсолютно синхронни. Така че, за да накарате слънчев часовник да показва „правилното“ време, трябва поне да го „приведете“ в съответствие с времето на часовата зона, като изместите часовите линии. Същото отместване трябва да се направи, ако регионът е в лятно часово време. Някои слънчеви часовници имат две цифрови скали за зимно и лятно часово време.
Но това не е всичко. Влиянието на годишното движение на Слънцето (т.е. движението на Земята в слънчевата орбита) върху дневния ход на звездата по небето се променя с времето поради наклона на земната ос под ъгъл от около 23,5 градуса. Годишното движение на Слънцето се отразява най-забележимо в дневното движение, когато линията на пресичане на равнините на екватора и еклиптиката е насочена тангенциално към земната орбита. Образно казано, в този момент и земният наблюдател, и самата Земя се движат спрямо Слънцето приблизително в една и съща посока. Това се случва в дните на лятното или зимното слънцестоене. На равноденствията, напротив, годишното и дневното движение на Слънцетонасочени под ъгъл един спрямо друг, така че взаимното им влияние е минимално. Научно казано, в моментите на равноденствието проекцията на дъгата на еклиптиката върху екватора е по-малка от самата дъга, а в моментите на слънцестоенето е по-голяма, следователно в различни периоди от годината слънчевият часовник ще има грешка поради наклона на земната ос. Корекцията може да бъде представена като синусоида с амплитуда 9,8 минути с период от шест месеца.
Един от графичните изрази на уравнението на времето е аналема, линия, свързваща всички позиции на Слънцето в небето в различни дни от годината, но по едно и също време на деня. Аналема показва не само хоризонталното преместване на Слънцето, което изразява промяната в скоростта на движението му по небето, но и вертикалното движение. В крайна сметка, поради наклона на земната ос през лятото, Слънцето се изкачва много по-високо в небето, отколкото през зимата. Има очевидна връзка между тези две смени. Именно тя ви позволява да интегрирате аналемата в дизайна на слънчев часовник, за да разберете от тях точното стандартно време.
Формули - за красота
Най-простият пример за аналемичен слънчев часовник е сферичен екваториален часовник с гномон, оформен като самата аналема. Например през зимата Слънцето изгрява ниско и хвърля сянка върху циферблата от дебелата част на аналемата. Левият му край показва стандартното време с необходимото закъснение от слънчевото. През лятото, когато Слънцето се изкачи до самия връх, тясната част на аналемата работи, хвърляйки по-тясна сянка. Аналемата може да бъде изразена под формата на вълнообразни часови линии, които повтарят графиката на уравнението на времето (например за полярен слънчев часовник) или под формата на таблица на циферблата. В почти всички случаи принципът на корекция е, че дължината на сянката показва календарния ден, а посоката показва времето от деня. На потребителя остава самосравнете тези две стойности.
Гномонът, който хвърля сянка върху циферблата, далеч не е единственото конструктивно решение за слънчев часовник. Ролята на гномон може да играе сферично огледало (нещо като "кристална топка" в дискотека), което в определен момент хвърля слънчеви лъчи в съответните части на циферблата. Има много необичайни часовници. Ярък пример: часовник с циферблат, отпечатан на прозорец в стая, който в слънчев ден хвърля сянка на пода с желаната стойност на времето. В подножието на 101-етажния небостъргач Тайпе 101 в Тайван е създаден кръгъл парк. Неговите пътеки и дървета съставляват циферблата на слънчевия часовник, който се вижда ясно от прозорците на небостъргача. Гномонът на часовника е самата сграда. В парка със слънчеви часовници на белгийския град Генк можете да намерите дигитален слънчев часовник. Вътре в това сложно устройство слънчевият часовник претърпява многобройни пречупвания и след като е преминал през системата от огледала, осветява определени точки на екрана. На черния екран красиви бели цифри показват времето в часове и минути. В края на 18 - началото на 19 век в европейските паркове се среща слънчев часовник с обеден звън. По-точно не с бой, а с оглушителен огън. Часовникът беше подреден по такъв начин, че по обяд слънчевите лъчи падаха върху лещата, под която беше поставена празна касета. Подсиленото с лещи слънце запали барута и се чу оглушителен изстрел. През годината позицията на лещата и патрона бяха многократно коригирани, така че обедният залп да се чуе в 12:00 местно стандартно време.
Съвременната гномоника е интересно научно хоби. Любителите на слънчевите часовници са разработили стотици различни дизайни и броят им непрекъснато расте. Дизайнът и конструкцията на часовниците е в най-голяма степен астрономия,математика и геометрия и в по-малка степен ръчна работа. Можете да проверите това, като сглобите два доста сложни и точни модела от заготовки, публикувани на страниците на списанието.
Тези часове са изчислени за Москва. За да направите същото във вашия регион, можете да използвате една от специалните компютърни програми за изчисляване на аналемичните циферблати, които не е трудно да намерите в интернет. Разработването на такива програми е отделен клон на гномониката като хоби. Те помагат на начинаещите любители на слънчевия часовник да не се занимават с математика и да се съсредоточат върху експерименти.
Така че не се страхувайте от формулите, дадени в описанията на отделните модели часовници - те са тук само за красота!