Comment fonctionne un cadran solaire ?

Essayez d'imaginer un monde sans Internet. C'est au moins un peu inconfortable, non? Maintenant, supprimez les appareils mobiles de toute nature de l'équation, ainsi que les appareils photo numériques et la technologie GPS.

Lorsque vous allez encore plus loin et que vous éjectez les montres-bracelets et les horloges murales du mélange, les choses commencent à devenir presque paniques à la hâte. Il est difficile de croire aujourd'hui que jusqu'au début des années 1800, le cadran solaire avait été le principal moyen de l'humanité de garder le temps pendant des milliers d'années !

Ce truc est tout de préparation pour la vraie question, cependant: Et si vous ne pouviez pas lire l'heure ? Du tout? Comme dans, et si la vie manquait de contexte pour cerner toute la notion de « quand » dans quelque chose qui ressemble au sens immédiat? (Un Terrien moderne est mal équipé pour affronter même cette question; il ne vous est probablement pas possible de purger votre esprit de tout le concept de secondes, minutes et heures, et de la prévisibilité qu'offre tout le schéma du temps structuré.)

À un moment donné de l'évolution cognitive humaine, vos ancêtres ont développé la capacité d'associer des phénomènes astronomiques routiniers, ou du moins réguliers, au passage de quantités de « temps », quelle que soit la manière dont ils concevaient cette quantité (qui, encore aujourd'hui, échappe à une description appropriée, même s'il existe un moyen de la physique).

Les exemples sont le lever et le coucher du soleil, des étoiles et de la lune chaque jour, les phases de la lune et la façon dont le ciel parcourt un et une transformation prévisible chaque fois que la Terre achève une autre rotation autour de son axe de rotation (un « jour ») ou un voyage autour du soleil (un "an").

A un stade donné de l'évolution humaine ou pré-humaine, la création d'outils élaborés a permis à vos ancêtres d'accélérer leur séparation effective des autres singes. Les cerveaux des hominidés sont devenus suffisamment sophistiqués pour apprécier la relation temporelle entre les fatalités physiques de leur environnement et les réalités biologiques dont ils avaient besoin être conscient, comme le fait qu'il est plus facile de dormir "la nuit" (c'est-à-dire dans l'obscurité) mais aussi le fait que certains prédateurs dangereux rôdent quand il fait foncé.

Qu'est-ce qu'un cadran solaire? Formellement, c'est un chronomètre (c'est-à-dire une pièce d'horlogerie) qui utilise l'ombre produite par la lumière du soleil tombant sur une tige verticale pour indiquer l'heure locale. Pour des raisons que vous verrez bientôt, la tige, appelée gnomon, doit être positionné parallèlement à l'axe de rotation de la Terre et pointer vers une position dans le ciel qui correspond au nord franc, ou le pôle nord céleste (CNP).

Par conséquent, à n'importe quelle latitude géographique donnée, la tige doit être inclinée à un angle par rapport à l'horizon (c'est-à-dire l'horizontale) qui est identique à la magnitude de cette latitude.

Par exemple, quelqu'un qui construit un cadran solaire à 40° de latitude à Boulder, Colorado, aux États-Unis, viserait le gnomon 40 degrés au-dessus du milieu de l'horizon nord, juste en dessous de la moitié du point directement au-dessus (le zénith). Comme vous le savez peut-être, puisqu'il y a 360 degrés dans un cercle, un demi-cercle comme le ciel couvre 180 degrés; cela signifie que la distance angulaire de n'importe quel horizon au zénith est la moitié de cela, ou 90 degrés.

• Noter: Les instructions de cet article s'adressent aux lecteurs de l'hémisphère nord. D'autres devraient inverser les directions nord-sud lorsque des situations l'exigeant se présentent.

Avoir une bonne maîtrise des faits de base du cadran solaire nécessite de mémoriser les noms de quelques pièces immobiles, mais il est à espérer que vous aborderez cette réflexion comme un astronome et que vous acquerrez une apprécier non seulement pour l'incroyable savoir-faire d'un cadran solaire de haute qualité, mais aussi pour la science qui a permis à cette classe d'appareils d'effectuer leur travail unique et sans fin pendant des milliers d'années de L'histoire humain.

Vous serez exposé à toutes sortes de nouveaux termes intéressants au fur et à mesure que vous lirez cet article, et vous serez même prêt à construire votre propre cadran solaire - qu'il soit humble ou élaboré - au moment où vous aurez terminé. Mais la chose la plus importante pour vous d'essayer de concentrer votre réflexion ici est les relations entre le écliptique, les équateur céleste, et le pôles célestes.

Vous voyez, en apprenant les cadrans solaires, vous n'apprenez pas vraiment à créer un outil pittoresque, quoique fascinant, qui n'est plus nécessaire grâce aux sauts colossaux et continus de la technologie humaine. Vous vous penchez beaucoup sur le cadre même de l'astronomie - comment les objets sont localisés et étiquetés, et comment les cycles célestes que vous voyez et prenez pour acquis ont été intégrés même dans les premiers cadrans solaires de 1500 avant notre ère ou donc.

Les créateurs originaux du cadran solaire ont reconnu la relation entre la géométrie simple et le comportement, ou plus précisément le apparent comportement, des objets dans le ciel. La distinction est importante, car pour les besoins d'un cadran solaire, la Terre est considérée comme fixe, avec d'autres choses "se lever" et "se coucher" et "traverser le ciel" - des descriptions qui n'ont de sens qu'à partir du point de référence d'un observateur de la Terre, et qui expliquent pourquoi les anciens a fait pense naturellement que tout dans le cosmos tourne littéralement autour de la Terre.

La façon la plus simple d'imaginer le système utilisé pour cartographier les objets dans le ciel est de prendre celui utilisé ici sur Terre (latitude et longitude) et imaginez les lignes imaginaires projetées sur une sphère imaginaire (en fait un hémisphère, puisque vous ne pouvez en voir que la moitié) dans le ciel. Un plan tracé au milieu de la Terre à travers son équateur coupe ce sphère céleste dans un cercle, qui se présente comme une ligne appelée le équateur céleste.

Pendant ce temps, une autre ligne circulaire dans le ciel est formée par l'extension du plan de révolution de la Terre autour du soleil. Cette ligne imaginaire est appelée la écliptique, et représente la trajectoire apparente à 360 degrés du soleil à travers chaque année par rapport aux étoiles distantes de l'arrière-plan. Ces étoiles apparaître immobile par rapport au soleil et aux planètes, car une façon de mesurer le mouvement de ces derniers est de traiter les premiers comme un cadre de référence « fixe ».

• Pendant un voyage en voiture, des choses lointaines comme des nuages ​​et des montagnes lointaines semblent bouger avec vous, même si vous mettez rapidement une distance horizontale entre vous et les arbres, les vaches et autres objets qui sont beaucoup plus proches du chaussée. Cela est vrai même si ces montagnes, comme des étoiles lointaines, se déplacent en fait par rapport à votre propre position; ils font tellement, beaucoup plus lentement.

Parce que l'axe de rotation de la Terre est incliné de 23,4° par rapport à son plan de révolution autour du soleil, l'écliptique et l'équateur céleste sont décalés (inclinés) de cette quantité. Mais ils se rencontrent en deux points, comme des cerceaux qui se croisent de la même taille. Le soleil suit l'équateur céleste ces deux jours partout sur Terre, sur le équinoxe vernal (transition de l'hiver au printemps dans l'hémisphère nord) et transition de l'été à l'automne (équinoxe d'automne).

• La rotation quotidienne de la Terre et le fait qu'aucune étoile n'est visible lorsque le soleil lui-même est difficile à visualiser pour un nouveau venu. Assurez-vous de consulter fréquemment les diagrammes lorsque vous lisez sur les cadrans solaires !

Sur Terre, les lignes de latitude sont parallèles entre elles depuis l'équateur jusqu'aux deux pôles. Les lignes dans le ciel correspondant aux lignes de latitude sont appelées lignes de déclinaison, et établir l'emplacement dimensionnel nord-sud.

Les lignes de longitude, d'autre part, sont également appelées méridiens sur Terre. Ceux-ci peuvent être imaginés comme rayonnant vers l'extérieur à partir des deux points formés par les pôles célestes et se rencontrant à nouveau au pôle opposé, bien qu'aucun spectateur de la Terre ne puisse voir les deux pôles à la fois. La ligne passant directement du nord sur l'horizon au zénith et vers le plein sud sur l'horizon opposé est connue sous le nom de « " méridien dans le jargon céleste.

• Parce que le méridien sépare la sphère céleste en moitiés est et ouest, il joue un rôle essentiel dans la conception et le positionnement du cadran solaire.

Lors de l'identification de la position est-ouest dans le ciel d'un objet céleste, cette partie des coordonnées est appelée ascension droite.

Vous avez sûrement remarqué que lorsque le soleil est proche de l'horizon (tôt le matin ou en fin d'après-midi), les ombres sont plus longues qu'elles ne le sont lorsque le soleil est plus directement au-dessus de vous. Pourtant, le soleil traverse le ciel à la même vitesse tout le temps, même si les ombres changent de taille et de forme à des vitesses différentes.

Ce caprice de la géométrie a inspiré les premiers cadrans solaires, car leurs inventeurs ont réalisé que le "temps" pouvait être divisé de manière fiable non seulement en jours mais en portions de jour. La facilité améliorée de planification des activités de la vie sous un tel système est évidente.

On pense que les premiers cadrans solaires remontent à l'Égypte, vers 1500 avant notre ère. Certains d'entre eux étaient en fait de poche et pouvaient être transportés, car le gnomon (en grec pour "poteau") pourrait en fait être un trou d'épingle au lieu d'une tige. Ils étaient devenus utiles pour le chronométrage même à la minute près au moment où les horloges mécaniques étaient devenues courantes et fiables, et ont été utilisées jusque dans les années 1800 pour vérifier l'exactitude des "vraies" horloges.

le gnomon a déjà été évoqué. Il doit avoir deux caractéristiques: il doit pointer vers le pôle céleste et il doit être incliné à un angle par rapport à l'horizon exactement égal à la latitude de l'observateur. Il est souvent fait sous la forme d'une nageoire.

le plaque de cadran est la surface sur laquelle l'ombre du soleil est projetée. Il peut être cylindrique ou plat, et marqué dans les divisions choisies par son fabricant tant qu'elles s'alignent avec l'heure exacte.

Lignes horaires se trouvent pour des raisons évidentes sur pratiquement tous les cadrans solaires, et marquent des moments exacts (bien que choisis arbitrairement, dans un certain sens) dans le temps.

le nœud est une encoche dans le gnomon qui permet de déterminer une position précise et nette le long de la ligne de l'ombre, qui pourrait autrement être floue.

Les cadrans solaires peuvent être divisés en deux types de base, cadrans d'altitude et cadrans directionnels.

Un cadran d'altitude permet de déterminer le temps en utilisant la distance du soleil au-dessus de l'horizon. Dans tous les cas, ceux-ci doivent être orientés vers une direction de boussole, tandis que dans d'autres, le soleil lui-même est un point de référence. Les types sélectionnés comprennent des cadrans plats, des cadrans cylindriques, des cadrans scaphes et des cadrans annulaires.

UNE cadran directionnel repose sur l'azimut (direction de la boussole) et sur l'angle du soleil lorsqu'il s'approche du méridien à midi. Les sous-types comprennent les cadrans horizontaux, verticaux polaires, azimutaux et équinoxiaux.

Dans tous les cas, vous pouvez imaginer le soleil se lever et projeter une large ombre d'un côté qui se rétrécit progressivement à un ligne à l'approche de midi puis répète le "film" à l'envers de l'autre côté de la plaque de cadran jusqu'au coucher du soleil se produit.

Les suggestions pour créer votre propre cadran solaire sont faciles à trouver, et une pour vous aider à démarrer est incluse dans les ressources. N'oubliez pas que ce ne sont pas les matériaux exacts ou l'apparence de la création qui sont les plus importants; c'est que vous comprenez la physique et pouvez les expliquer à n'importe qui avec le bon sens pour vous interroger sur votre dur labeur.

Oh, et un dernier conseil: ne choisissez pas un jour de pluie pour votre démonstration, cela rendra l'exercice beaucoup plus « éclairant » pour toutes les personnes présentes !