Солнечные часы — что это и как работает?
Солнечные часы — устройство, с помощью которого можно определить текущее время по Солнцу. Они работают по принципу отбрасывания тени от объекта на поверхность с отметками времени. Объект, который отбрасывает тень, называется «гномон». По тени можно определить угловую высоту Солнцу.
Гномоны бывают разные: с фигурой и острым краем или с тонким стержнем. Солнце меняет свое расположение в течение суток: каждый час поворачивается на 15 градусов. Чтобы переместиться на один градус долготы с востока на запад, Солнцу требуется 4 минуты. Вместе с этим перемещается тень от гномона — она падает на отметку с определенным часом.
Солнечные часы сопоставляют с осью вращения Земли. Форма устройства должна указывать на настоящий астрономический север — это не Северный или Южный полюса. Форма горизонтально ориентированных часов должна соответствовать географической широте.
Виды солнечных часов
Есть три основных типа солнечных часов: горизонтальные, экваториальные и вертикальные. Раньше люди строили шаровые, конические и цилиндрические часы.
Горизонтальные солнечные часы состоят из кадрана и гномона. Что такое гномон, вы уже знаете, а вот кадран — это плоскость с часовыми делениями. На горизонтальных часах кадран устанавливают параллельно плоскости горизонта. Гномон — это, как правило, треугольник, который перпендикулярен плоскости кадрана. Одна из сторон гномона наклонена на угол, равный географической широте места установки часов.
Линия, которая пересекает кадран и гномон, направляется параллельного полуденной линии. Вдоль этой линии направлена тень вертикального стержня в истинный полдень. Истинный полдень — это время в середине дня, между восходом и закатом солнца.
Экваториальные солнечные часы состоят из гномона и кадрана, как и горизонтальные. Часовые деления отмечаются на кадране через равные угловые промежутке — аналогичным образом времся отмечается на циферблате обычных часов. Гномон, как правило, это металлический стержень, который устанавливают на кадране перпендикулярно его поверхности. Кадран ориентируется в горизонтальной плоскости, чтобы прямая, которая соединяет гномон и часовое деление, соответствующее полудню, была направлена параллельно полуденной линии. В сторону юга — для Северного полушария, в сторону севера — для Южного полушария. Также, прямая, которая соединяет основание гномона и часовое деление, наклоняется относительно плоскости горизонта.
Основной минус экваториальных часов — они работают только от дня весеннего равноденствия до осеннего равноденствия.
Вертикальные солнечные часы размещают на стенах различных строений. Их кадран расположен вертикально и перпендикулярен плоскости горизонта. При этом, он может быть повернут в любую сторону — от этого зависит расположение часовых делений. Чтобы деления времени были симметричны относительно полуденного деления, кадран должен быть обращен на юг в северном полушарии и на север — в южном.
В России вертикальные солнечные часы можно найти в Московском планетарии. Они показывают текущую дату и время.
Источник
Солнечные часы
История солнечных часов уже насчитывает не одно тысячелетие, но когда именно люди начали их применять достоверно неизвестно. Установлено, что в Древнем Египте, Вавилоне и Китае такими приборами пользовались ранее, чем за тысячу лет до нашей эры. Первые упоминания об определении времени по солнечным лучам с помощью специального устройства относятся к 1306-1290 гг. до н.э.
Любые солнечные часы имеют циферблат со шкалой и часовую стрелку, называемую гномоном. При этом по их ориентации солнечные часы подразделяются на горизонтальные, вертикальные и экваториальные. Существует множество их модификаций, такие как ступенчатые, кольцевые, пластинчатые, зеркальные, бифилярные и другие.
Солнечные часы это не обязательно диск, имеющий перпендикулярный гномон. Так, циферблат может быль полусферой или кольцом. Универсальными экваториальными часами можно пользоваться на всех широтах. В их конструкции участвуют два перпендикулярных друг другу кольца и гномон. Для определения времени необходимо выставить широту по шкале на одном из колец и установить дату. Затем часы поворачивают вокруг вертикальной оси, до появления на циферблате точки, показывающей время. В этот момент одно кольцо ориентировано на север вдоль меридиана, а второе — параллельно плоскости экватора.
В горизонтальных солнечных часах плоскость циферблата не перпендикулярна гномону, который должен быть параллелен земной оси, а также указывать на север, то есть угол между ними равен широте местности. Горизонтальные часы удобны и просты в установке. Для их использования на другой широте достаточно изменить угол и направить гномон на север.
В Древнем Египте были сконструированы разные модели солнечных часов, например, с горизонтальной шкалой, которая составляла угол 90 градусов с плоскостью местного меридиана, а гномонами их являлись обелиски, высота которых обычно достигала нескольких метров. Для того чтобы по ним узнать время, использовалось направление, которое указывала тень от гномона. Еще одни солнечные часы, именуемые «ступенчатыми», имели две поверхности, наклоненные на восток и на запад и поделенные на уровни. При движении солнца тень перемещалась с одной ступени на другую, и время определялось по ее длине.
В Центральной Европе до XV века широкое распространение получили настенные вертикальные солнечные часы, гномон которых был горизонтальным. Правда точность определения времени по ним была невысока.
В тоже время существовало несколько вариантов дорожных хронометров, например, кольцевые солнечные часы. Они представляли собой два кольца, в одном из которых было отверстие для прохождения солнечного луча, а на другое наносились шкалы месяцев и часов. Были еще пластинчатые часы, в конструктивное решение которых входили две, иногда три, одинаковые пластинки, имевшие прямоугольную форму и скрепленные между собой, при этом на нижней устанавливался компас.
Имеется описание средневековых восьмигранных палок с четырьмя сквозными отверстиями в ручках, в которые для определения времени надо было вставлять металлические стержни. Примерно тогда же появились оконные хронометры. Они относились к вертикальным. Принцип работы солнечных часов заключался в использовании окна ратуши или храма в качестве циферблата с нанесенной полупрозрачной шкалой. Это давало возможность узнавать время, находясь внутри помещения. Зеркальные солнечные часы использовали отраженный с помощью зеркала солнечный луч, который они направляли на стену здания, где находился циферблат.
Источник
СОЛНЕЧНЫЕ ЧАСЫ
СОЛНЕЧНЫЕ ЧАСЫ – старинный прибор для измерения времени по Солнцу. Вероятно, это древнейший научный инструмент, дошедший до нас без изменений и представляющий первое применение человеком его знаний о движении небесных тел.
Хотя известны самые разнообразные солнечные часы, все их можно разделить на несколько основных типов. Наиболее распространены часы горизонтального типа; их можно увидеть во многих парках и садах. Часы с вертикальным циферблатом обычно встречаются на стенах, ориентированных по сторонам света. Повернутый циферблат делают у вертикальных часов, размещенных на стенах, которые не ориентированы по сторонам света. А отклоненный и склоненный циферблаты наклонены соответственно от наблюдателя и к нему. Обычно они встречаются на многосторонних часах, объединяющих в себе три или более циферблатов и часто имеющих форму куба; их размещают на крышах и гребнях стен, ориентированных по сторонам света. Повернуто-отклоненный и повернуто-склоненный циферблаты размещают на неориентированных по сторонам света зданиях. У экваториальных и полярных часов плоскости циферблатов параллельны соответственно плоскости экватора и полярной оси. Армиллярные часы имеют экваториальный циферблат; их часто используют для декоративных целей. Они содержат от двух до десяти колец, представляющих большие круги земной и небесной сфер. Часовые деления нанесены внутри экваториального круга, а отбрасывающим тень гномоном служит стержень, представляющий полярную ось.
Древнейшие из известных ныне солнечных часов были изготовлены около 1500 до н.э. Они сделаны из камня в форме бруска длиной около 30 см с вертикальным Т-образным навершием на одном конце. Время отсчитывалось по засечкам, нанесенным на бруске через неравные интервалы. Часы выставлялись горизонтально по отвесу. Т-образный конец утром поворачивали к востоку, а после обеда – к западу. Тень от верхней кромки «Т» указывала время. Эти и другие древние солнечные приборы показывали «неравные часы», образующиеся в результате деления времени от восхода до заката Солнца на фиксированное число частей. Поскольку длительность светового дня в течение года меняется, менялась и длина часа: летом он был длиннее, а зимой – короче.
Сделать такие часы было несложно. Многие из них имели часовые линии для определенных дней года, разделенных примерно месяцем, а также для дат равноденствий и солнцестояний. Часовые отметки на каждый день получали, соединяя точки, на которые ложилась в данный час тень, отброшенная гномоном в дни равноденствий и солнцестояний.
Примерно в начале христианской эры был открыт принцип наклонного гномона, позволившего ввести «равные часы», обеспечившие более точное хранение времени. Было обнаружено, что если стержень гномона направить на полюс мира, то он как бы станет осью той параллельной экватору окружности, по которой обращается Солнце. Разделив ее на 24 равные части, получили часы одинаковой длительности. После этого изготовление точных и равномерно идущих солнечных часов стало простым геометрическим и тригонометрическим занятием.
Эволюция солнечных часов шла бок о бок с развитием математики и астрономии. Однако многие века искусством создания солнечных часов владели только мастера, знакомые с гномоникой. С 14-го по 18-е столетие многие ремесленники проявили изобретательность и мастерство в изготовлении карманных солнечных часов высокой точности, ставших жемчужинами часового искусства.
Появление механических часов не упразднило вплоть до 18 в. использование солнечных часов для хранения времени. Изготовители солнечных часов шли в ногу с конструкторами механических часов, изобретая солнечные приборы для определения «среднего времени». Когда было введено «поясное время», солнечные часы приспособили и для этого. (Поясное время – это среднее солнечное время на определенном меридиане.) В конце 19-го и начале 20-го столетий было сделано много очень точных солнечных часов для определения поясного времени, названных гелиохронометрами.
Постройка часов.
Чтобы от солнечных часов была польза, их нужно сооружать в подходящем месте. Должна быть известна широта места, а также положение относительно горизонта и меридиана той площадки или поверхности, на которой будут нанесены часовые линии.
Важнейшие части солнечных часов – это циферблат, т.е. поверхность, на которой нанесены часовые линии, и гномон для отбрасывания тени. Указатель, т.е. тот край гномона, тень которого указывает время, всегда направляют на полюс мира. Высота указателя – это угол, под которым указатель наклонен к циферблату, а центр циферблата (точка, из которой радиально расходятся часовые линии) – это точка пересечения указателя с плоскостью циферблата. Узел – это особая точка на указателе, тень от которой используют для отсчета высоты, склонения и азимута, а также времени.
Методы определения времени по солнцу.
Существуют три метода определения времени по солнцу: путем измерения его часового угла от меридиана, как в обычных садовых солнечных часах; по измерению его высоты над горизонтом и по его азимуту (угол, измеряемый в плоскости горизонта, между направлением на точку юга и вертикальным кругом, проходящим через солнце), для чего требуется вертикальный указатель у гномона. В большинстве стационарных солнечных часов измеряется часовой угол. Два других метода часто используют в портативных часах.
Существуют также три способа индикации времени: тенью, световой точкой и магнитной стрелкой. В большинстве часов используется тень. Свет редко используют в стационарных часах. А в портативных применяют все три способа. Часы с магнитной стрелкой бывают двух типов. В первом часовые отметки наносят на корпусе компаса, которому обычно придают квадратную форму. Повернув корпус так, чтобы тени на его боковых гранях исчезли, по направлению стрелки считывают время. В приборах второго типа часовые метки наносят на эллиптический пояс, который передвигается в соответствии с днем года, как во многих азимутальных часах. В этом случае также корпус поворачивают до исчезновения тени на боковых гранях и по направлению стрелки считывают время. Часы этого типа более точны; их ошибка определяется лишь тем, что магнитная стрелка отклоняется от истинного направления на север.
Специальные солнечные часы.
Как правило, солнечные часы устраивают в определенном месте, но можно сделать и универсальные часы для использования в любом месте. Иногда их делают только для указания полудня или праздничных дней. В наше время наиболее распространены горизонтальные часы с треугольным гномоном и вертикальные на стенах домов. Однако можно встретить и множество других конструкций. Изготовление портативных солнечных часов стало сейчас популярным хобби.
См. также НЕБЕСНАЯ СФЕРА; ВРЕМЯ.
Источник