Kako djeluje sunčani sat?

Pokušajte zamisliti svijet bez Interneta. To je barem a malo neugodno, zar ne? Sada iz jednadžbe uklonite bilo koje mobilne uređaje, zajedno s digitalnim fotoaparatima i GPS tehnologijom.

Kad idete još dalje i izbacite ručne satove i zidne satove iz smjese, stvari se počinju osjećati gotovo panično u žurbi. Danas je teško povjerovati da je do početka 1800 sunčani sat bio čovječanstvu glavni način zadržavanja vremena tisućama godina!

Te su stvari ipak pripremne za pravo pitanje: Što ako ne možete znati vrijeme? Uopće? Kao i u, što ako životu nedostaje bilo kakav kontekst za utvrđivanje cijelog pojma "kada" u bilo čemu sličnom neposrednom smislu? (Suvremeni Zemljan nije dobro opremljen da se uopće suoči s tim pitanjem; vjerojatno vam nije moguće očistiti čitav koncept sekundi, minuta i sati te predvidljivost koju nudi cijela shema strukturiranog vremena.)

U nekom trenutku ljudske kognitivne evolucije vaši su preci razvili sposobnost povezivanja rutinskih ili barem regularnih astronomskih pojava s prolaskom fiksnih količine "vremena", ma što god oni zamislili od ove količine (koja i danas izmiče pravilnom opisu, čak i ako postoji način da se to matematikom i fizika).

Primjeri su izlazak i zalazak sunca, zvijezda i mjeseca svakog dana, mjesečeve faze i način na koji nebo kruži kroz precizan i predvidljiva transformacija svaki put kad Zemlja dovrši još jedan vrtnju oko svoje osi rotacije ("dan") ili put oko Sunca ( "godina").

U datoj fazi ljudske ili predljudske evolucije, stvaranje složenih alata omogućilo je vašim precima da ubrzaju učinkovito odvajanje od drugih majmuna. Hominidski mozak postao je dovoljno sofisticiran da uvaži vremenski odnos između fizičke neminovnosti u njihovoj okolini i biološke stvarnosti koja im je bila potrebna da budete svjesni, kao što je činjenica da je lakše spavati "noću" (to jest u mraku), ali i činjenica da određeni opasni grabežljivci kreću u šetnju kad je tamno.

Što je sunčani sat? Formalno jest kronometar (tj. sat) koji koristi sjenu proizvedenu sunčevom svjetlošću koja pada na okomiti štap za prikaz lokalnog vremena. Iz razloga koje ćete uskoro vidjeti, štap, nazvan a gnomon, mora biti postavljen paralelno sa Zemljinom osi rotacije i usmjeren prema položaju na nebu koji odgovara sjeverno ili nebeski sjeverni pol (CNP).

Stoga se na bilo kojoj zemljopisnoj širini štap mora naginjati pod kutom prema horizontu (tj. Horizontali) koji je identičan veličini te geografske širine.

Na primjer, netko tko gradi sunčani sat na zemljopisnoj širini 40 ° u Boulderu u državi Colorado u Sjedinjenim Državama, ciljao bi gnomon 40 stupnjeva iznad sredine sjevernog horizonta, nešto manje od pola puta do točke izravno iznad glave ( zenit). Kao što možda znate, budući da je u krugu 360 stupnjeva, polukrug poput neba pokriva 180 stupnjeva; to znači da je kutna udaljenost od bilo kojeg horizonta do zenita polovica ove, odnosno 90 stupnjeva.

• Bilješka: Upute u ovom članku usmjerene su na čitatelje na sjevernoj hemisferi. Drugi bi se trebali okretati u smjeru sjever-jug kad se pojave situacije koje to zahtijevaju.

Pravilno rukovanje osnovnim činjenicama o sunčanom satu zahtijeva pamćenje imena nekoliko nepomičnih dijelova, ali nadamo se da ćete ovom razmišljanju pristupiti poput astronoma i steći cijenimo ne samo zbog nevjerojatne izrade visokokvalitetnog sunčanog sata, već i zbog znanosti koja je omogućila ovoj klasi uređaja da obavljaju svoj jedinstveni, beskrajni posao tisućama godina ljudska povijest.

Tijekom čitanja ovog članka bit ćete izloženi svim zanimljivim novim pojmovima, a do trenutka kad budete spremni pripremiti vlastiti sunčani sat - bio on skroman ili složen. Ali najvažnija stvar za koju biste ovdje pokušali usredotočiti svoje razmišljanje su odnosi između ekliptika, nebeski ekvator, i nebeski polovi.

Vidite, kad učite o sunčanim satima, zapravo ne učite kako napraviti neobičan, mada fascinantan alat koji više nije potreban zahvaljujući kolosalnim i stalnim skokovima u ljudskoj tehnologiji. Mnogo se oslanjate na sam okvir astronomije - kako se objekti nalaze i označavaju i kako nebeski ciklusi koje vidite i uzimate zdravo za gotovo bili su integrirani čak i u najranije sunčane satove od 1500. pne tako.

Izvorni tvorci sunčanog sata prepoznali su vezu između jednostavne geometrije i ponašanja, ili posebno prividno ponašanje objekata na nebu. Razlikovanje je važno, jer se za potrebe sunčanog sata Zemlja tretira kao fiksna, s ostalim stvarima koje se "dižu" i "postavljaju" i "prelazak neba" - opisi koji imaju smisla samo iz referentne točke promatrača Zemlje i koji objašnjavaju zašto su drevni učinio razumljivo misliti da se sve u kozmosu doslovno vrti oko Zemlje.

Najlakši način da zamislite sustav koji se koristi za mapiranje objekata na nebu je uzeti onaj koji se koristi ovdje na Zemlji (zemljopisna širina i dužina) i zamislite zamišljene linije koje se projiciraju na imaginarnu sferu (zapravo hemisferu, jer možete vidjeti samo polovicu) u nebo. Ravnina povučena kroz sredinu Zemlje kroz njen ekvator presijeca to nebeska sfera u krugu, koji se prikazuje kao crta koja se naziva nebeski ekvator.

U međuvremenu, još jedna kružna crta na nebu nastaje proširenjem ravnine Zemljine revolucije oko Sunca. Ta se zamišljena crta naziva ekliptikai predstavlja prividni put sunca od 360 stupnjeva kroz svaku godinu s obzirom na udaljene pozadinske zvijezde. Ove zvijezde pojaviti se nepomičan u usporedbi sa suncem i planetima, jer jedan od načina na koji mjerimo kretanje potonjeg jest tretiranje prvog kao "fiksnog" referentnog okvira.

• Tijekom putovanja automobilom čini se da se daleke stvari poput oblaka i dalekih planina kreću s vama, čak i kao vi brzo stavite vodoravnu udaljenost između sebe i drveća, krava i drugih predmeta koji su daleko bliži kolnik. To je istina iako se te planine, poput dalekih zvijezda, zapravo mijenjaju s obzirom na vaš vlastiti položaj; oni samo rade toliko puno, puno sporije.

Budući da je Zemljina os rotacije nagnuta za 23,4 ° od svoje rotacijske ravnine oko Sunca, ekliptika i nebeski ekvator pomaknuti su (nagnuti) za ovu količinu. Ali oni se susreću u dvije točke, poput presijecanja obruča iste veličine. Sunce prati nebeska ekvatora u ova dva dana svugdje na Zemlji, na proljetna ravnodnevica (prijelaz iz zime u proljeće na sjevernoj hemisferi) i prijelaz iz ljeta u jesen (jesenja ravnodnevnica).

• Svakodnevna rotacija Zemlje i činjenica da se zvijezde ne vide kad je sunce samo za sebe čini vizualizaciju ekliptike novopridošlim. Svakako redovito pregledavajte dijagrame dok čitate o sunčanim satima!

Na Zemlji su zemljopisne širine paralelne jedna drugoj, sve od ekvatora do oba pola. Linije na nebu koje odgovaraju širinama nazivaju se crtama od deklinacijai uspostaviti dimenzijski položaj sjever-jug.

Dužinske crte, s druge strane, nazivaju se i meridijani na Zemlji. To se može zamisliti kako zrači prema van iz dviju točaka koje čine nebeski polovi i ponovno se sastaju na suprotnom polu, iako niti jedan gledatelj Zemlje ne može vidjeti oba pola odjednom. Linija koja prolazi od izravno prema sjeveru na horizontu kroz zenit i prema pravcu prema jugu na suprotnom horizontu poznata je kao "meridijan" u nebeskom žargonu.

• Budući da meridijan razdvaja nebesku sferu na istočnu i zapadnu polovicu, on igra presudnu ulogu u dizajnu i pozicioniranju sunčanih satova.

Kada se identificira položaj istok-zapad na nebu nebeskog objekta, ovaj dio koordinate poznat je kao desno uzdizanje.

Sigurno ste primijetili da kada je sunce blizu horizonta (rano jutro ili kasno poslijepodne), sjene su duže nego kad je sunce izravno iznad vas. Ipak sunce cijelo vrijeme prelazi nebo istom brzinom, čak i ako sjene mijenjaju veličinu i oblik različitim brzinama.

Ovaj hir geometrije nadahnuo je prve sunčane satove, jer su njihovi izumitelji shvatili da se "vrijeme" može pouzdano podijeliti ne samo na dane već i na dijelove dana. Očigledna je poboljšana jednostavnost raspoređivanja životnih aktivnosti u takvom sustavu.

Vjeruje se da najraniji sunčani satovi potječu iz Egipta, oko 1500. pne. Neki od njih bili su zapravo džepnih dimenzija i mogli bi se nositi okolo, jer je gnomon (Grčki "pol") zapravo bi mogao biti rupa umjesto šipke. Postali su korisni za mjerenje vremena čak i do minute dok su mehanički satovi postali uobičajeni i pouzdani, a korišteni su i u 19. stoljeću za provjeru točnosti "stvarnih" satova.

The gnomon već je spomenuto. Treba imati dvije karakteristike: Mora biti usmjeren prema nebeskom polu i mora biti nagnut pod kutom prema horizontu točno jednakom geografskoj širini promatrača. Često se izrađuje u obliku peraje.

The brojčanik je površina na koju se projicira sunčeva sjena. Može biti cilindrična ili ravna i označena u bilo koje odjeljke koje je njezin proizvođač odabrao sve dok se usklađuju s točnim vremenom.

Redovi sata nalaze se iz samorazumljivih razloga na gotovo svim sunčanim satima i označavaju točne (iako proizvoljno odabrane, u nekom smislu) točke u vremenu.

The nodus je urez u gnomonu koji omogućuje određivanje točnog, oštrog položaja duž crte sjene, koji bi inače mogao biti nejasan.

Sunčane satove možemo podijeliti u dvije osnovne vrste, nadmorske visine i smjerni brojčanik.

An visinski brojčanik omogućuje određivanje vremena pomoću udaljenosti sunca iznad horizonta. U svim slučajevima, ovi moraju biti usmjereni u smjeru kompasa, dok je u drugima sunce samo referentna točka. Odabrane vrste uključuju pločasto biranje, brojčanike cilindara, brojčanike i prstenaste brojčanike.

A usmjereno biranje oslanja se na azimut (smjer kompasa) i na kut sunca dok se približava meridijanu u podne. Podtipovi uključuju vodoravne, polarne okomite, azimutne i ekvinoktalne brojčanike.

U svim slučajevima možete zamisliti kako sunce izlazi i baca široku sjenu s jedne strane koja se postupno sužava do a linija kad se bližilo podne, a zatim ponavlja "film" obrnuto s druge strane ploče s brojem do zalaska sunca javlja se.

Jednostavno je pronaći prijedloge za izradu vlastitog sunčanog sata, a jedan za početak uključen je u Resurse. Imajte na umu da nisu najvažniji točni materijali ili kako ukrašena kreacija izgleda; to je da razumijete fiziku i da ih možete objasniti svakome tko vas ima smisla pitati za vaš naporan rad.

Oh, i posljednji savjet: Nemojte odabrati kišni dan za demonstraciju - ovo će vježbu učiniti puno svjetlijom za sve prisutne!