Jak fungují sluneční hodiny?

Zkuste si představit svět bez internetu. To je alespoň málo nepohodlné, že? Nyní odstraňte z rovnice mobilní zařízení jakéhokoli druhu, digitální fotoaparáty a technologii GPS.

Když půjdete ještě dále a vysunete ze směsi náramkové hodinky a nástěnné hodiny, ve spěchu to začne být téměř panické. Je těžké dnes uvěřit, že až do počátku 19. století sluneční hodiny byl lidský hlavní způsob, jak si udržet čas po tisíce let!

Tyto věci jsou však připraveny na skutečnou otázku: Co kdybyste nedokázali zjistit čas? Vůbec? Stejně jako v případě, co když život postrádal jakýkoli kontext pro upřesnění celé představy „kdy“ v něčem, co by připomínalo bezprostřední smysl? (Moderní pozemšťan je špatně vybaven, aby se dokonce mohl postavit této otázce; pravděpodobně není možné očistit mysl od celé koncepce sekund, minut a hodin a od předvídatelnosti, kterou celé schéma strukturovaného času nabízí.)

V určitém okamžiku lidské kognitivní evoluce si vaši předkové vyvinuli schopnost spojovat rutinní nebo alespoň pravidelné astronomické jevy s procházením pevných množství „času“, ať už je to jakkoli, a jakkoli si toto množství vymysleli (které i dnes uniká správnému popisu, i když existuje způsob, jak to vysvětlit v matematice a fyzika).

Příkladem je vycházející a zapadající slunce, hvězdy a měsíc každý den, fáze měsíce a způsob, jakým obloha cykluje přesným a předvídatelná transformace pokaždé, když Země dokončí další rotaci kolem své osy rotace („den“) nebo výlet kolem Slunce ( "rok").

V dané fázi vývoje člověka nebo před člověkem umožnilo vytvoření propracovaných nástrojů vašim předkům urychlit jejich efektivní oddělení od ostatních opic. Hominidovy mozky se staly natolik sofistikovanými, aby dokázaly ocenit dočasný vztah mezi fyzickými nevyhnutelnostmi v jejich prostředí a biologickými realitami, které potřebovali být si vědom, jako je například skutečnost, že je snazší spát „v noci“ (tj. ve tmě), ale také skutečnost, že někteří nebezpeční predátoři jdou na lov, když je temný.

Co jsou sluneční hodiny? Formálně je chronometr (tj. hodinky), který používá stín produkovaný slunečním světlem dopadajícím na svislou tyč k zobrazení místního času. Z důvodů, které brzy uvidíte, se tyč s názvem a gnomon, musí být umístěny rovnoběžně s osou otáčení Země a směřovat k poloze na obloze, která odpovídá přímo na sever, nebo nebeský severní pól (CNP).

Proto musí být prut v jakékoli dané zeměpisné šířce nakloněn v úhlu k obzoru (tj. Vodorovně), který je totožný s velikostí této zeměpisné šířky.

Například někdo, kdo staví sluneční hodiny na 40 ° zeměpisné šířky v Boulderu v Coloradu ve Spojených státech, by zamířil na gnomon 40 stupňů nad středem severního obzoru, těsně pod půli cesty k bodu přímo nad hlavou (dále jen zenit). Jak možná víte, protože v kruhu je 360 ​​stupňů, půlkruh jako obloha pokrývá 180 stupňů; to znamená, že úhlová vzdálenost od jakéhokoli obzoru k zenitu je polovina tohoto, nebo 90 stupňů.

• Poznámka: Pokyny v tomto článku jsou zaměřeny na čtenáře na severní polokouli. Jiní by měli obrátit severojižní směry, jakmile nastanou situace, které to vyžadují.

Správné zvládnutí základních faktů o slunečních hodinách vyžaduje zapamatování jmen několika nepohyblivých částí, ale doufáme, že k tomuto myšlení budete přistupovat jako astronom a získáte oceňuji nejen úžasné řemeslné zpracování vysoce kvalitních slunečních hodin, ale také vědu, která této třídě zařízení umožnila vykonávat jejich jedinou nekonečnou práci po tisíce let lidské dějiny.

Při čtení tohoto článku budete vystaveni všem možným zajímavým novým pojmům a budete si dokonce připraveni vytvořit své vlastní sluneční hodiny - ať už pokorné nebo komplikované - v době, kdy projdete. Nejdůležitější věcí, na kterou se musíte pokusit zaměřit své myšlení, jsou vztahy mezi ekliptický„ nebeský rovníka nebeské póly.

Uvidíte, že když se učíte o slunečních hodinách, opravdu se nenaučíte, jak vytvořit kuriózní, i když fascinující nástroj, který díky kolosálním a pokračujícím skokům v lidské technologii již není potřeba. Hodně se opíráte o samotný rámec astronomie - jak jsou objekty umístěny a označeny a jak nebeské cykly, které vidíte a považujete za samozřejmost, byly integrovány i do prvních slunečních hodin od roku 1500 př tak.

Původní tvůrci slunečních hodin rozpoznali vztah mezi jednoduchou geometrií a chováním, nebo konkrétně zdánlivý chování objektů na obloze. Rozdíl je důležitý, protože pro účely slunečních hodin je se Zemí zacházeno jako s pevnými, s jinými věcmi „stoupajícími“ a „zapadajícími“ a „křížení oblohy“ - popisy, které mají smysl pouze od referenčního bodu pozorovatele Země a které vysvětlují, proč staří dělal pochopitelně si myslete, že vše ve vesmíru se doslova točí kolem Země.

Nejjednodušší způsob, jak si představit systém používaný k mapování objektů na obloze, je vzít ten, který se používá zde na Zemi (zeměpisná šířka a délka) a představte si imaginární čáry promítané na imaginární kouli (ve skutečnosti polokouli, protože vidíte jen její polovinu) v nebe. To protíná rovina tažená středem Země jejím rovníkem nebeská sféra v kruhu, který představuje čáru zvanou nebeský rovník.

Mezitím další kruhová čára na obloze je vytvořena prodloužením roviny zemské revoluce kolem Slunce. Tato imaginární čára se nazývá ekliptický, a představuje zdánlivou 360stupňovou cestu slunce skrz každý rok s ohledem na vzdálené hvězdy pozadí. Tyto hvězdy objevit nehybný ve srovnání se sluncem a planetami, protože jedním ze způsobů, jak měříme pohyb druhého, je zacházení s prvním jako s „pevným“ referenčním rámcem.

• Během cesty autem se zdá, že se s vámi pohybují vzdálené věci, jako jsou mraky a vzdálené hory, stejně jako vy rychle položte vodorovnou vzdálenost mezi sebou a stromy, kravami a jinými předměty, které jsou daleko blíže k vozovka. To je pravda, i když se tyto hory, stejně jako vzdálené hvězdy, ve skutečnosti mění s ohledem na vaši vlastní pozici; prostě dělají tolik, mnohem pomaleji.

Protože zemská osa otáčení je nakloněna o 23,4 ° od své roviny otáčení kolem Slunce, ekliptika a nebeský rovník jsou posunuty (nakloněny) o tuto částku. Setkávají se však ve dvou bodech, jako protínající se hula hoopy stejné velikosti. Slunce sleduje tyto dva dny nebeský rovník všude na Zemi, na Zemi jarní rovnodennost (přechod ze zimy na jaro na severní polokouli) a přechod z léta na podzim (podzimní rovnodennost).

• Denní rotace Země a skutečnost, že při samotném slunci nejsou viditelné žádné hvězdy, ztěžuje nováčkovi vizualizaci ekliptiky. Při čtení o slunečních hodinách nezapomeňte často procházet diagramy!

Na Zemi jsou linie zeměpisné šířky navzájem rovnoběžné, a to od rovníku po oba póly. Čáry na obloze odpovídající čarám zeměpisné šířky se nazývají čáry deklinace, a stanovit severojižní dimenzionální umístění.

Řádky délky se na druhé straně nazývají také poledníky na Zemi. Lze si je představit tak, že vyzařují ven ze dvou bodů tvořených nebeskými póly a setkávají se opět na opačném pólu, ačkoli žádný divák Země nevidí oba póly najednou. Hranice procházející přímo na sever na obzoru zenitem a směrem na jih na opačném obzoru je známá jako „poledník v nebeském žargonu.

• Vzhledem k tomu, že poledník odděluje nebeskou sféru na východní a západní polovinu, hraje rozhodující roli při návrhu a umístění slunečních hodin.

Při identifikaci polohy východ-západ na obloze nebeského objektu je tato část souřadnice známá jako pravý vzestup.

Určitě jste si všimli, že když je slunce blízko obzoru (brzy ráno nebo pozdě odpoledne), stíny jsou delší než ty, když je slunce více přímo nad vámi. Slunce však stále prochází oblohou stejnou rychlostí, i když stíny mění velikost a tvar různými rychlostmi.

Tento rozmar geometrie inspiroval první sluneční hodiny, protože jejich vynálezci si uvědomili, že „čas“ lze spolehlivě rozdělit nejen na dny, ale na části dne. Zlepšená snadnost plánování životních činností v takovém systému je zřejmá.

Předpokládá se, že nejstarší sluneční hodiny pocházejí z Egypta, přibližně 1 500 př. N. L. Některé z nich byly ve skutečnosti kapesní velikosti a mohly být přenášeny, protože gnomon (Řekem „pól“) by ve skutečnosti mohla být dírka místo tyče. V době, kdy se mechanické hodiny staly běžnými a spolehlivými, se staly užitečnými pro časomíry až do minuty a byly používány až do 19. století ke kontrole přesnosti „skutečných“ hodin.

The gnomon již bylo zmíněno. Musí mít dvě charakteristiky: Musí směřovat k nebeskému pólu a musí být nakloněna v úhlu k obzoru přesně rovném zeměpisné šířce pozorovatele. Často se vyrábí ve tvaru ploutve.

The číselník je povrch, na který se promítá sluneční stín. Může být válcový nebo plochý a označen do jakýchkoli divizí, které si jeho tvůrce zvolí, pokud se shodují s přesným časem.

Hodinové řádky se nacházejí ze zřejmých důvodů prakticky na všech slunečních hodinách a označují přesné (i když v určitém smyslu libovolně vybrané) body v čase.

The nodus je zářez v gnomonu, který umožňuje určení přesné, ostré polohy podél linie stínu, která by jinak mohla být nejasná.

Sluneční hodiny lze rozdělit do dvou základních typů, číselníky nadmořské výšky a směrové číselníky.

An číselník nadmořské výšky umožňuje určení času pomocí vzdálenosti slunce nad obzorem. Ve všech případech musí být orientovány na směr kompasu, zatímco v jiných je referenčním bodem samotné slunce. Vybrané druhy zahrnují rovinné číselníky, cylindrické číselníky, scaphe číselníky a prstencové číselníky.

A směrový číselník spoléhá na azimut (směr kompasu) a na úhel slunce, když se v poledne blíží k poledníku. Podtypy zahrnují horizontální, polární vertikální, azimutální a rovnodenní číselníky.

Ve všech případech si můžete představit, že slunce vychází a vrhá z jedné strany široký stín, který se postupně zužuje na a čára, když se přiblížilo poledne, a pak opakuje „film“ v opačném směru na druhé straně číselníku až do západu slunce dojde.

Návrhy na výrobu vlastních slunečních hodin najdete snadno a jeden, který vám pomůže začít, je obsažen ve zdrojích. Nezapomeňte, že nejdůležitější nejsou přesné materiály ani to, jak zdobí vzhled stvoření; je to tím, že rozumíte fyzice a můžete je vysvětlit komukoli, kdo má rozum, aby se vás zeptal na vaši tvrdou práci.

A ještě jeden tip: Nevybírejte si pro svoji demonstraci deštivý den - díky tomu bude cvičení pro všechny přítomné mnohem „osvětlenější“!