Hoe werkt een zonnewijzer?

Probeer je een wereld voor te stellen zonder internet. Dat is tenminste een weinig ongemakkelijk, toch? Verwijder nu alle soorten mobiele apparaten uit de vergelijking, samen met digitale camera's en GPS-technologie.

Als je nog verder gaat en polshorloges en wandklokken uit de mix haalt, begint het haast paniekerig te worden. Het is tegenwoordig moeilijk te geloven dat tot het begin van de 19e eeuw de zonnewijzer was duizenden jaren lang de belangrijkste manier van de mensheid om de tijd bij te houden!

Dat spul is echter allemaal voorbereid op de echte vraag: Wat als je de tijd niet kon zien? Helemaal? Zoals in, wat als het leven geen enkele context zou hebben om het hele begrip "wanneer" vast te pinnen in iets dat lijkt op de directe betekenis? (Een moderne aardbewoner is slecht toegerust om zelfs deze vraag het hoofd te bieden; het is waarschijnlijk niet mogelijk voor je om je geest te zuiveren van het hele concept van seconden, minuten en uren, en van de voorspelbaarheid die het hele schema van gestructureerde tijd biedt.)

Op een bepaald moment in de menselijke cognitieve evolutie ontwikkelden uw voorouders het vermogen om routinematige, of op zijn minst regelmatige, astronomische verschijnselen te associëren met het voorbijgaan van vaste hoeveelheden "tijd", wat en hoe ze deze hoeveelheid ook hebben opgevat (die zelfs vandaag de dag de juiste beschrijving ontgaat, zelfs als er een manier is om het in wiskunde en fysica).

Voorbeelden zijn het dagelijks opkomen en ondergaan van de zon, de sterren en de maan, de fasen van de maan en de manier waarop de lucht door een nauwkeurig en voorspelbare transformatie elke keer dat de aarde een nieuwe draai rond zijn rotatie-as (een "dag") of trip rond de zon (een "jaar").

In een bepaald stadium in de menselijke of pre-menselijke evolutie, zorgde het creëren van uitgebreide hulpmiddelen ervoor dat je voorouders hun effectieve scheiding van andere apen konden versnellen. De hersenen van mensachtigen werden verfijnd genoeg om de tijdelijke relatie tussen fysieke onvermijdelijkheden in hun omgeving en de biologische realiteit die ze nodig hadden te waarderen om op de hoogte te zijn, zoals het feit dat het gemakkelijker is om 's nachts (dat wil zeggen in het donker) te slapen, maar ook het feit dat bepaalde gevaarlijke roofdieren op jacht gaan wanneer het donker.

Wat is een zonnewijzer? Formeel is het een chronometer (d.w.z. een uurwerk) die de schaduw gebruikt die wordt geproduceerd door zonlicht dat op een verticale staaf valt om de lokale tijd weer te geven. Om redenen die je binnenkort zult zien, de staaf, genaamd a gnomon, moeten evenwijdig aan de rotatieas van de aarde worden geplaatst en wijzen naar een positie aan de hemel die overeenkomt met het recht naar het noorden, of de hemelse noordpool (CNP).

Daarom moet de staaf op een bepaalde geografische breedtegraad onder een hoek met de horizon (dat wil zeggen de horizontale) worden gekanteld die identiek is aan de grootte van die breedtegraad.

Iemand die bijvoorbeeld een zonnewijzer bouwt op 40° in Boulder, Colorado, in de Verenigde Staten, zou de gnomon 40 graden boven het midden van de noordelijke horizon, net onder halverwege tot het punt direct boven (de zenit). Zoals je misschien weet, beslaat een halve cirkel, zoals de lucht, 180 graden, aangezien er 360 graden in een cirkel zijn; dit betekent dat de hoekafstand van elke horizon tot het zenit de helft hiervan is, of 90 graden.

• Opmerking: De aanwijzingen in dit artikel zijn bedoeld voor lezers op het noordelijk halfrond. Anderen zouden de noord-zuidrichting moeten omkeren als zich situaties voordoen die daarom vragen.

Om de basisfeiten van de zonnewijzer goed te begrijpen, moet u de namen van een paar niet-bewegende delen uit het hoofd leren, maar het is te hopen dat u dit denken als een astronoom zult benaderen en een waarderen, niet alleen voor het verbazingwekkende vakmanschap van een hoogwaardige zonnewijzer, maar ook voor de wetenschap die deze klasse apparaten in staat heeft gesteld om hun enkele, eindeloze taak uit te voeren gedurende duizenden jaren van menselijke geschiedenis.

Als je dit artikel doorleest, zul je allerlei interessante nieuwe termen tegenkomen, en tegen de tijd dat je klaar bent, ben je zelfs klaar om je eigen zonnewijzer te bouwen - of het nu nederig of uitgebreid is. Maar het belangrijkste voor u om te proberen uw denken hier op te concentreren, zijn de relaties tussen de ecliptica, de hemelevenaar, en de hemelpolen.

Zie je, als je over zonnewijzers leert, leer je niet echt hoe je een eigenaardig, zij het fascinerend, gereedschap maakt dat niet langer nodig is dankzij kolossale en voortdurende sprongen in de menselijke technologie. Je leunt veel over het raamwerk van de astronomie - hoe objecten worden gelokaliseerd en gelabeld, en hoe de hemelse cycli die je ziet en als vanzelfsprekend beschouwt, werden geïntegreerd in zelfs de vroegste zonnewijzers van 1500 v.Chr zo.

Oorspronkelijke makers van de zonnewijzer herkenden de relatie tussen eenvoudige geometrie en het gedrag, of specifiek de klaarblijkelijk gedrag van objecten in de lucht. Het onderscheid is belangrijk, omdat voor doeleinden van een zonnewijzer de aarde wordt behandeld als vast, met andere dingen "stijgend" en "ondergaand" en "door de lucht gaan" - beschrijvingen die alleen logisch zijn vanuit het referentiepunt van een aardwaarnemer, en die verklaren waarom de ouden deed denk begrijpelijkerwijs dat alles in de kosmos letterlijk om de aarde draait.

De gemakkelijkste manier om je het systeem voor te stellen dat wordt gebruikt om objecten in de lucht in kaart te brengen, is door het systeem te nemen dat hier op aarde wordt gebruikt (breedtegraad en lengtegraad) en stel je voor dat de denkbeeldige lijnen worden geprojecteerd op een denkbeeldige bol (eigenlijk een halve bol, aangezien je er maar de helft van kunt zien) in de lucht. Een vlak dat door het midden van de aarde door zijn evenaar wordt getrokken, snijdt dit hemelbol in een cirkel, die zich presenteert als een lijn genaamd de hemelevenaar.

Ondertussen wordt een andere cirkelvormige lijn in de lucht gevormd door de uitbreiding van het vlak van de omwenteling van de aarde rond de zon. Deze denkbeeldige lijn heet de ecliptica, en vertegenwoordigt het schijnbare 360-graden pad van de zon door elk jaar met betrekking tot de verre achtergrondsterren. Deze sterren verschijnen bewegingsloos in vergelijking met de zon en planeten, omdat een manier waarop we de beweging van de laatste meten, is door de eerste te behandelen als een "vast" referentiekader.

• Tijdens een autorit lijken verre dingen zoals wolken en verre bergen met je mee te bewegen, zelfs als jij plaats snel horizontale afstand tussen uzelf en de bomen, koeien en andere objecten die veel dichter bij de rijweg. Dit is waar, ook al verschuiven die bergen, net als verre sterren, in feite ten opzichte van je eigen positie; ze doen gewoon zoveel, veel langzamer.

Omdat de rotatieas van de aarde 23,4° gekanteld is ten opzichte van het omwentelingsvlak rond de zon, zijn de ecliptica en de hemelevenaar met deze hoeveelheid verschoven (gekanteld). Maar ze ontmoeten elkaar op twee punten, zoals hoelahoepels van dezelfde grootte elkaar kruisen. De zon volgt de hemelevenaar op deze twee dagen overal op aarde, op de lente-equinox (overgang van winter naar lente op het noordelijk halfrond) en overgang van zomer naar herfst (herfst-equinox).

• De dagelijkse draaiing van de aarde en het feit dat er geen sterren zichtbaar zijn als de zon zelf aanwezig is, maakt het visualiseren van de ecliptica voor een nieuwkomer moeilijk. Zorg ervoor dat u regelmatig diagrammen raadpleegt als u over zonnewijzers leest!

Op aarde zijn breedtegraden evenwijdig aan elkaar, helemaal van de evenaar tot beide polen. De lijnen in de lucht die overeenkomen met breedtegraadlijnen worden lijnen van genoemd declinatieen een noord-zuid dimensionale locatie bepalen.

Aan de andere kant worden lengtegraden op aarde ook wel meridianen genoemd. Men kan zich voorstellen dat ze naar buiten uitstralen vanuit de twee punten gevormd door de hemelpolen en elkaar weer ontmoeten bij de tegenovergestelde pool, hoewel geen enkele aardse kijker beide polen tegelijk kan zien. De lijn die van direct noordelijk aan de horizon door het zenit loopt en pal naar het zuiden aan de tegenovergestelde horizon, staat bekend als "de" meridiaan in hemels jargon.

• Omdat de meridiaan de hemelbol scheidt in oostelijke en westelijke helften, speelt deze een cruciale rol in het ontwerp en de positionering van de zonnewijzer.

Bij het identificeren van de oost-westpositie aan de hemel van een hemellichaam, staat dit deel van de coördinaat bekend als rechte klimming.

Je hebt vast wel gemerkt dat wanneer de zon dicht bij de horizon staat ('s morgens vroeg of laat in de middag), de schaduwen langer zijn dan wanneer de zon meer recht boven je staat. Toch gaat de zon de hele tijd met dezelfde snelheid door de lucht, zelfs als de schaduwen met verschillende snelheden van grootte en vorm veranderen.

Deze gril van geometrie inspireerde de eerste zonnewijzers, omdat hun uitvinders zich realiseerden dat "tijd" betrouwbaar kon worden verdeeld, niet alleen in dagen, maar in delen van een dag. Het verbeterde gemak van het plannen van levensactiviteiten onder een dergelijk systeem is duidelijk.

Men denkt dat de vroegste zonnewijzers dateren uit Egypte, rond 1500 BCE. Sommige van deze waren eigenlijk zakformaat en konden worden rondgedragen, omdat de gnomon (Grieks voor "paal") zou eigenlijk een gaatje kunnen zijn in plaats van een staaf. Ze waren zelfs tot op de minuut bruikbaar geworden voor het bijhouden van de tijd tegen de tijd dat mechanische klokken gemeengoed en betrouwbaar waren geworden, en werden tot ver in de 19e eeuw gebruikt om de nauwkeurigheid van 'echte' klokken te controleren.

De gnomon is al genoemd. Het moet twee kenmerken hebben: het moet naar de hemelpool wijzen en het moet een hoek maken met de horizon die precies gelijk is aan de breedtegraad van de waarnemer. Het is vaak gemaakt in de vorm van een vin.

De wijzerplaat: is het oppervlak waarop de schaduw van de zon wordt geprojecteerd. Het kan cilindrisch of plat zijn en gemarkeerd in elke indeling die de maker kiest, zolang deze maar overeenkomen met de juiste tijd.

Uurlijnen worden om vanzelfsprekende redenen op vrijwel alle zonnewijzers gevonden en markeren exacte (hoewel in zekere zin willekeurig gekozen) tijdstippen.

De nodus is een inkeping in de gnomon waarmee een exacte, scherpe positie langs de lijn van de schaduw kan worden bepaald, die anders wazig zou zijn.

Zonnewijzers kunnen worden onderverdeeld in twee basistypen, hoogte wijzerplaten en directionele wijzerplaten.

Een hoogte wijzerplaat maakt het mogelijk om de tijd te bepalen met behulp van de afstand van de zon boven de horizon. In alle gevallen moeten deze op een kompasrichting zijn georiënteerd, terwijl in andere gevallen de zon zelf een referentiepunt is. Geselecteerde soorten zijn vlakke wijzerplaten, cilinderwijzerplaten, scaphe-wijzerplaten en ringwijzerplaten.

EEN richtingwijzer vertrouwt op azimut (kompasrichting) en op de hoek van de zon wanneer deze 's middags de meridiaan nadert. Subtypes omvatten horizontale, polaire verticale, azimutale en equinoctale wijzerplaten.

In alle gevallen kun je je voorstellen dat de zon opkomt en een brede schaduw werpt van de ene kant die geleidelijk smaller wordt tot a lijn als de middag naderde en herhaalt dan de "film" in omgekeerde richting aan de andere kant van de wijzerplaat tot zonsondergang optreedt.

Suggesties voor het maken van uw eigen zonnewijzer zijn gemakkelijk te vinden, en een om u op weg te helpen is opgenomen in de bronnen. Onthoud dat het niet de exacte materialen zijn of hoe sierlijk de creatie eruitziet die het belangrijkst zijn; het is dat je de natuurkunde begrijpt en ze kunt uitleggen aan iedereen met het goede verstand om je te vragen naar je harde werk.

Oh, en nog een laatste tip: kies geen regenachtige dag voor je demonstratie - dit maakt de oefening een stuk "verhelderend" voor alle aanwezigen!