Wie funktioniert eine Sonnenuhr?

Versuchen Sie sich eine Welt ohne Internet vorzustellen. Das ist zumindest a wenig unangenehm, oder? Entfernen Sie jetzt mobile Geräte jeglicher Art aus der Gleichung, zusammen mit Digitalkameras und GPS-Technologie.

Wenn Sie noch weiter gehen und Armbanduhren und Wanduhren aus dem Mix werfen, werden die Dinge in Eile fast panisch. Es ist heute kaum zu glauben, dass bis Anfang des 19. Sonnenuhr war seit Jahrtausenden die wichtigste Art der Zeitmessung!

Das Zeug ist jedoch alles Vorbereitung für die eigentliche Frage: Was wäre, wenn Sie die Zeit nicht sagen könnten? Überhaupt? Wie wäre es, wenn dem Leben jeglicher Kontext fehlte, um die ganze Vorstellung von "wann" in einem unmittelbaren Sinne festzunageln? (Ein moderner Erdling ist schlecht gerüstet, um sich dieser Frage überhaupt zu stellen; Es ist Ihnen wahrscheinlich nicht möglich, sich von dem ganzen Konzept der Sekunden, Minuten und Stunden und der Vorhersehbarkeit zu befreien, die das ganze Schema der strukturierten Zeit bietet.)

Irgendwann in der kognitiven Evolution des Menschen haben Ihre Vorfahren die Fähigkeit entwickelt, routinemäßige oder zumindest regelmäßige astronomische Phänomene mit dem Vergehen fester in Verbindung zu bringen Mengen von "Zeit", was auch immer und wie auch immer sie sich diese Größe vorgestellt haben (die sich selbst heute einer angemessenen Beschreibung entzieht, selbst wenn es eine Möglichkeit gibt, sie in Mathematik zu erklären und Physik).

Beispiele sind der tägliche Auf- und Untergang der Sonne, der Sterne und des Mondes, die Mondphasen und die Art und Weise, wie der Himmel einen präzisen und vorhersagbare Transformation jedes Mal, wenn die Erde eine weitere Drehung um ihre Rotationsachse (ein "Tag") oder eine Reise um die Sonne (a "Jahr").

In einem bestimmten Stadium der menschlichen oder vormenschlichen Evolution ermöglichte die Entwicklung ausgeklügelter Werkzeuge Ihren Vorfahren, ihre effektive Trennung von anderen Affen zu beschleunigen. Die Gehirne der Hominiden wurden hoch entwickelt genug, um die zeitliche Beziehung zwischen physischen Unvermeidlichkeiten in ihrer Umgebung und biologischen Realitäten, die sie brauchten, zu schätzen zu beachten, wie die Tatsache, dass es einfacher ist, "nachts" (d. h. in der Dunkelheit) zu schlafen, aber auch die Tatsache, dass bestimmte gefährliche Raubtiere auf die Pirsch gehen, wenn es ist dunkel.

Was ist eine Sonnenuhr? Formal ist es ein Chronometer (d. h. eine Uhr), das den Schatten verwendet, der durch Sonnenlicht erzeugt wird, das auf einen vertikalen Stab fällt, um die Ortszeit anzuzeigen. Aus Gründen, die Sie gleich sehen werden, ist die Rute, genannt a gnomon, muss parallel zur Erdrotationsachse positioniert sein und auf eine Position am Himmel zeigen, die genau im Norden entspricht, oder die Himmelsnordpol (CNP).

Daher muss der Stab bei jedem gegebenen geografischen Breitengrad in einem Winkel zum Horizont (dh zur Horizontalen) geneigt sein, der mit der Größe dieses Breitengrads identisch ist.

Zum Beispiel würde jemand, der in Boulder, Colorado, in den Vereinigten Staaten, eine Sonnenuhr auf dem 40 Gnomon 40 Grad über der Mitte des nördlichen Horizonts, knapp auf halbem Weg zum Punkt direkt über ihm (der Zenit). Wie Sie vielleicht wissen, deckt ein Halbkreis wie der Himmel 180 Grad ab, da ein Kreis 360 Grad hat; Dies bedeutet, dass der Winkelabstand von jedem Horizont zum Zenit die Hälfte davon oder 90 Grad beträgt.

• Hinweis: Die Anweisungen in diesem Artikel richten sich an Leser in der nördlichen Hemisphäre. Andere sollten die Nord-Süd-Richtung umkehren, wenn Situationen eintreten, die dies erfordern.

Um die grundlegenden Fakten der Sonnenuhr richtig im Griff zu haben, müssen Sie sich die Namen einiger sich nicht bewegender Teile auswendig lernen, aber es ist zu hoffen, dass Sie dieses Denken wie ein Astronom angehen und eine schätzen nicht nur die erstaunliche Handwerkskunst einer hochwertigen Sonnenuhr, sondern auch die Wissenschaft, die es dieser Geräteklasse ermöglicht, ihre einzige, endlose Arbeit seit Tausenden von Jahren zu erfüllen Menschheitsgeschichte.

Wenn Sie diesen Artikel lesen, werden Sie mit allen möglichen interessanten neuen Begriffen konfrontiert, und Sie werden sogar bereit sein, Ihre eigene Sonnenuhr zu bauen – sei sie bescheiden oder aufwendig –, wenn Sie fertig sind. Aber das Wichtigste, worauf Sie sich hier konzentrieren sollten, sind die Beziehungen zwischen den Ekliptik, das Himmelsäquator, und der Himmelspole.

Sie sehen, wenn Sie etwas über Sonnenuhren lernen, lernen Sie nicht wirklich, wie man ein uriges, wenn auch faszinierendes Werkzeug herstellt, das dank kolossaler und ständiger Sprünge in der menschlichen Technologie nicht mehr benötigt wird. Sie lernen viel über den Rahmen der Astronomie – wie Objekte lokalisiert und beschriftet werden und wie Die himmlischen Zyklen, die Sie sehen und für selbstverständlich halten, wurden ab 1500 v. Chr. In die frühesten Sonnenuhren integriert so.

Die ursprünglichen Schöpfer der Sonnenuhr erkannten die Beziehung zwischen einfacher Geometrie und dem Verhalten, oder speziell der ersichtlich Verhalten von Objekten am Himmel. Die Unterscheidung ist wichtig, denn für die Zwecke einer Sonnenuhr wird die Erde als feststehend behandelt, wobei andere Dinge "aufgehen" und "untergehen" und "den Himmel überqueren" – Beschreibungen, die nur vom Bezugspunkt eines Erdbeobachters aus Sinn machen und die erklären, warum die Alten tat verständlicherweise denken, dass sich alles im Kosmos buchstäblich um die Erde dreht.

Der einfachste Weg, sich das System vorzustellen, mit dem Objekte am Himmel kartiert werden, ist das hier auf der Erde verwendete System (Breiten- und Längengrad) und Stellen Sie sich vor, wie die imaginären Linien auf eine imaginäre Kugel projiziert werden (eigentlich eine Halbkugel, da Sie nur die Hälfte davon sehen können) im Himmel. Eine Ebene, die durch den Äquator durch die Mitte der Erde gezogen wird, schneidet diese Himmelskugel in einem Kreis, der sich als eine Linie präsentiert, die als bezeichnet wird Himmelsäquator.

Inzwischen wird eine weitere Kreislinie am Himmel durch die Verlängerung der Erdumlaufebene um die Sonne gebildet. Diese imaginäre Linie heißt Ekliptik, und stellt den scheinbaren 360-Grad-Weg der Sonne durch jedes Jahr in Bezug auf die entfernten Hintergrundsterne dar. Diese Sterne erscheinen bewegungslos im Vergleich zu Sonne und Planeten, weil wir die Bewegung der letzteren messen, indem wir die ersteren als "festen" Bezugsrahmen behandeln.

• Während einer Autofahrt scheinen sich ferne Dinge wie Wolken und ferne Berge mit dir zu bewegen, selbst wenn du Bringen Sie schnell einen horizontalen Abstand zwischen sich und den Bäumen, Kühen und anderen Objekten, die viel näher am Fahrbahn. Dies ist wahr, obwohl sich diese Berge wie ferne Sterne tatsächlich in Bezug auf Ihre eigene Position verschieben; sie machen einfach so viel, viel langsamer.

Da die Rotationsachse der Erde um 23,4° von ihrer Rotationsebene um die Sonne geneigt ist, sind die Ekliptik und der Himmelsäquator um diesen Betrag versetzt (gekippt). Aber sie treffen sich an zwei Punkten, wie sich kreuzende Hula-Hoop-Reifen gleicher Größe. Die Sonne folgt an diesen beiden Tagen überall auf der Erde dem Himmelsäquator, am Frühlings-Tagundnachtgleiche (Übergang vom Winter zum Frühling auf der Nordhalbkugel) und Übergang vom Sommer zum Herbst (Herbsttagundnachtgleiche).

• Die tägliche Rotation der Erde und die Tatsache, dass keine Sterne sichtbar sind, wenn die Sonne selbst steht, macht die Visualisierung der Ekliptik für einen Neuling schwierig. Achten Sie beim Lesen von Sonnenuhren darauf, regelmäßig Diagramme zu konsultieren!

Auf der Erde verlaufen die Breitengrade vom Äquator bis zu beiden Polen parallel zueinander. Die Linien am Himmel, die den Breitengraden entsprechen, heißen Linien von Deklination, und richten Sie die dimensionale Nord-Süd-Position ein.

Längengrade hingegen werden auf der Erde auch Meridiane genannt. Man kann sich vorstellen, dass diese von den beiden von den Himmelspolen gebildeten Punkten nach außen strahlen und am entgegengesetzten Pol wieder zusammentreffen, obwohl kein Erdenbetrachter beide Pole gleichzeitig sehen kann. Die Linie, die von direkt nach Norden am Horizont durch den Zenit und nach genau Süden am gegenüberliegenden Horizont verläuft, wird in der himmlischen Sprache als "der" Meridian bezeichnet.

• Da der Meridian die Himmelskugel in eine östliche und eine westliche Hälfte trennt, spielt er eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung und Positionierung von Sonnenuhren.

Bei der Bestimmung der Ost-West-Position am Himmel eines Himmelsobjekts wird dieser Teil der Koordinaten als bezeichnet Rektaszension.

Sie haben sicherlich bemerkt, dass die Schatten länger sind, wenn die Sonne nah am Horizont steht (früher Morgen oder später Nachmittag), als wenn die Sonne direkt über Ihnen steht. Doch die Sonne überquert den Himmel die ganze Zeit mit der gleichen Geschwindigkeit, auch wenn die Schatten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit Größe und Form ändern.

Diese Laune der Geometrie inspirierte die ersten Sonnenuhren, da ihre Erfinder erkannten, dass "Zeit" zuverlässig nicht nur in Tage, sondern in Teile eines Tages unterteilt werden kann. Die verbesserte Einfachheit der Planung von Lebensaktivitäten unter einem solchen System ist offensichtlich.

Die frühesten Sonnenuhren stammen vermutlich aus Ägypten, um 1500 v. Einige davon waren tatsächlich im Taschenformat und konnten herumgetragen werden, weil die gnomon (griechisch für "Pole") könnte eigentlich eine Lochblende anstelle einer Stange sein. Sie waren für die Zeitmessung sogar auf die Minute nützlich geworden, als mechanische Uhren alltäglich und zuverlässig wurden und bis weit in das 19. Jahrhundert hinein verwendet wurden, um die Genauigkeit "echter" Uhren zu überprüfen.

Das gnomon wurde schon erwähnt. Er muss zwei Eigenschaften haben: Er muss zum Himmelspol zeigen und er muss in einem Winkel zum Horizont geneigt sein, der genau dem Breitengrad des Beobachters entspricht. Es wird oft in Form einer Flosse hergestellt.

Das Zifferblatt ist die Fläche, auf die der Schatten der Sonne projiziert wird. Es kann zylindrisch oder flach sein und in beliebige Unterteilungen markiert sein, die sein Hersteller wählt, solange diese mit der genauen Zeit übereinstimmen.

Stundenlinien finden sich aus selbstverständlichen Gründen auf praktisch allen Sonnenuhren und markieren exakte (wenn auch in gewissem Sinne willkürlich gewählte) Zeitpunkte.

Das nodus ist eine Kerbe im Gnomon, die es ermöglicht, eine genaue, scharfe Position entlang der Schattenlinie zu bestimmen, die ansonsten unscharf sein könnte.

Sonnenuhren lassen sich in zwei Grundtypen einteilen, Höhenskalen und Richtungsräder.

Ein Höhenrad ermöglicht die Zeitbestimmung anhand des Sonnenstandes über dem Horizont. In allen Fällen müssen diese auf eine Kompassrichtung ausgerichtet sein, während in anderen Fällen die Sonne selbst ein Bezugspunkt ist. Ausgewählte Arten umfassen ebene Zifferblätter, Zylinderzifferblätter, Scaphezifferblätter und Ringzifferblätter.

EIN Richtungswähler hängt vom Azimut (Kompassrichtung) und vom Winkel der Sonne ab, wenn sie sich mittags dem Meridian nähert. Untertypen umfassen horizontale, polare vertikale, azimutale und äquinoktale Zifferblätter.

In allen Fällen können Sie sich vorstellen, wie die Sonne aufgeht und von einer Seite einen breiten Schatten wirft, der sich allmählich verengt Linie gegen Mittag und wiederholt dann den "Film" in umgekehrter Richtung auf der anderen Seite des Zifferblatts bis Sonnenuntergang tritt ein.

Vorschläge für die Herstellung Ihrer eigenen Sonnenuhr sind leicht zu finden, und einer, der Ihnen den Einstieg erleichtert, ist in den Ressourcen enthalten. Denken Sie daran, dass nicht die genauen Materialien oder das kunstvolle Aussehen der Kreation am wichtigsten sind; Sie verstehen die Physik und können sie jedem mit dem gesunden Menschenverstand erklären, um Sie nach Ihrer harten Arbeit zu fragen.

Ach ja, und noch ein letzter Tipp: Wählen Sie keinen regnerischen Tag für Ihre Vorführung – das macht die Übung für alle Anwesenden viel "erhellender"!