Jak działa zegar słoneczny?

Spróbuj wyobrazić sobie świat bez Internetu. To przynajmniej mało niewygodne, prawda? Teraz usuń z równania wszelkiego rodzaju urządzenia mobilne, a także aparaty cyfrowe i technologię GPS.

Kiedy pójdziesz jeszcze dalej i usuniesz zegarki naręczne i zegary ścienne z miksu, w pośpiechu zaczyna się panikować. Dziś trudno uwierzyć, że do początku XIX wieku zegar słoneczny był głównym sposobem utrzymywania czasu przez ludzkość przez tysiące lat!

To wszystko jest jednak przygotowaniem do prawdziwego pytania: A jeśli nie możesz określić czasu? W ogóle? Na przykład, co by było, gdyby w życiu brakowało kontekstu, w którym można by określić całe pojęcie „kiedy” w czymkolwiek, co przypominałoby bezpośrednie znaczenie? (Współczesny Ziemianin nie jest przygotowany nawet do stawienia czoła temu pytaniu; prawdopodobnie nie możesz oczyścić umysłu z całej koncepcji sekund, minut i godzin oraz z przewidywalności całego schematu ustrukturyzowanych ofert czasowych).

W pewnym momencie ewolucji poznawczej człowieka twoi przodkowie rozwinęli umiejętność kojarzenia rutynowych lub przynajmniej regularnych zjawisk astronomicznych z przemijaniem stałych ilości „czasu”, cokolwiek i jakkolwiek pojmowali o tej wielkości (która nawet dzisiaj wymyka się właściwemu opisowi, nawet jeśli istnieje sposób, aby to wyjaśnić matematycznie i fizyka).

Przykładami są wschody i zachody słońca, gwiazd i księżyca każdego dnia, fazy księżyca i sposób, w jaki niebo przechodzi przez precyzyjne i przewidywalną transformację za każdym razem, gdy Ziemia wykonuje kolejny obrót wokół własnej osi obrotu ("dzień") lub podróż dookoła Słońca ( "rok").

Na danym etapie ludzkiej lub przedludzkiej ewolucji stworzenie skomplikowanych narzędzi pozwoliło twoim przodkom przyspieszyć ich skuteczną separację od innych małp człekokształtnych. Mózgi hominidów stały się wystarczająco wyrafinowane, aby docenić czasowy związek między fizycznymi nieuchronnościami w ich środowisku a rzeczywistościami biologicznymi, których potrzebowali należy pamiętać, na przykład o tym, że łatwiej spać „w nocy” (czyli w ciemności), ale także o tym, że niektóre groźne drapieżniki grasują, gdy jest ciemny.

Co to jest zegar słoneczny? Formalnie jest chronometr (tj. zegarek), który wykorzystuje cień wytwarzany przez światło słoneczne padające na pionowy pręt, aby pokazać czas lokalny. Z powodów, które wkrótce zobaczysz, pręt zwany a, gnomon, musi być ustawiony równolegle do osi obrotu Ziemi i wskazywać na pozycję na niebie, która odpowiada na północ, lub niebiański biegun północny (CNP).

Dlatego na dowolnej szerokości geograficznej pręt musi być pochylony pod kątem do horyzontu (czyli do poziomu), który jest identyczny z wielkością tej szerokości geograficznej.

Na przykład ktoś, kto buduje zegar słoneczny na 40° szerokości geograficznej w Boulder w stanie Kolorado w Stanach Zjednoczonych, celowałby w gnomon 40 stopni nad środkiem północnego horyzontu, nieco poniżej połowy drogi do punktu bezpośrednio nad głową ( over zenit). Jak być może wiesz, ponieważ w kole jest 360 stopni, półokrąg, taki jak niebo, obejmuje 180 stopni; oznacza to, że odległość kątowa od dowolnego horyzontu do zenitu wynosi połowę tej wartości, czyli 90 stopni.

• Uwaga: Wskazówki zawarte w tym artykule są skierowane do czytelników na półkuli północnej. Inni powinni odwrócić kierunki północ-południe, gdy zaistnieją sytuacje, które tego wymagają.

Umiejętne opanowanie podstawowych faktów dotyczących zegarów słonecznych wymaga zapamiętania nazw kilku nieruchomych części, ale mamy nadzieję, że podejdziesz do tego myślenia jak astronom i uzyskasz doceniam nie tylko zadziwiający kunszt wykonania wysokiej jakości zegara słonecznego, ale także naukę, która pozwoliła tej klasie urządzeniom wykonywać swoją pojedynczą, niekończącą się pracę przez tysiące lat historia ludzkości.

Czytając ten artykuł, natkniesz się na wiele interesujących nowych terminów, a nawet będziesz gotowy do zbudowania własnego zegara słonecznego – czy to skromnego, czy wyszukanego – zanim skończysz. Ale najważniejszą rzeczą, na której powinieneś się skupić, są relacje między ekliptyka, równik niebieski, a bieguny niebieskie.

Widzisz, kiedy uczysz się o zegarach słonecznych, tak naprawdę nie uczysz się, jak stworzyć osobliwe, choć fascynujące narzędzie, które nie jest już potrzebne dzięki kolosalnym i ciągłym skokom w ludzkiej technologii. W dużej mierze opierasz się na samych podstawach astronomii – jak obiekty są lokalizowane i oznaczane oraz w jaki sposób cykle niebiańskie, które widzisz i uważasz za pewnik, zostały włączone do nawet najwcześniejszych zegarów słonecznych z 1500 r. p.n.e. lub więc.

Pierwotni twórcy zegara słonecznego dostrzegli związek między prostą geometrią a zachowaniem, a konkretnie pozorny zachowanie obiektów na niebie. Rozróżnienie jest ważne, ponieważ na potrzeby zegara słonecznego Ziemia jest traktowana jako stała, z innymi rzeczami „wschodzącymi” i „zachodzącymi” i „przejście przez niebo” – opisy, które mają sens tylko z punktu odniesienia obserwatora Ziemi i które wyjaśniają, dlaczego starożytni zrobił zrozumiałe, że wszystko w kosmosie dosłownie kręci się wokół Ziemi.

Najprostszym sposobem na wyobrażenie sobie systemu używanego do mapowania obiektów na niebie jest skorzystanie z systemu używanego tutaj na Ziemi (szerokość i długość geograficzna) oraz wyobraź sobie wyimaginowane linie rzutowane na wyimaginowaną sferę (właściwie półkulę, ponieważ możesz zobaczyć tylko jej połowę) w niebo. Przecina ją płaszczyzna przeciągnięta przez środek Ziemi przez jej równik sfera niebieska w okręgu, który przedstawia się jako linia zwana równik niebieski.

Tymczasem kolejna okrągła linia na niebie tworzy przedłużenie płaszczyzny obrotu Ziemi wokół Słońca. Ta wyobrażona linia nazywa się ekliptyka, i przedstawia widoczną 360-stopniową ścieżkę Słońca przez każdy rok w odniesieniu do odległych gwiazd tła. Te gwiazdy zjawić się nieruchome w porównaniu ze Słońcem i planetami, ponieważ jednym ze sposobów mierzenia ruchu tego drugiego jest traktowanie tego pierwszego jako „ustalonego” układu odniesienia.

• Podczas podróży samochodem odległe rzeczy, takie jak chmury i odległe góry, wydają się poruszać razem z Tobą, nawet gdy szybko ustaw odległość poziomą między sobą a drzewami, krowami i innymi przedmiotami, które są znacznie bliżej jezdnia. To prawda, chociaż te góry, podobnie jak odległe gwiazdy, w rzeczywistości przesuwają się w stosunku do twojej własnej pozycji; po prostu robią dużo, dużo wolniej.

Ponieważ oś obrotu Ziemi jest nachylona o 23,4° od płaszczyzny obrotu wokół Słońca, ekliptyka i równik niebieski są przesunięte (nachylone) o tę wartość. Ale spotykają się w dwóch punktach, jak przecinające się obręcze hula-hop tego samego rozmiaru. Słońce podąża za równikiem niebieskim w te dwa dni wszędzie na Ziemi, na Równonoc wiosenna (przejście od zimy do wiosny na półkuli północnej) oraz przejście od lata do jesieni (Równonoc jesienna).

• Dzienny obrót Ziemi i fakt, że żadne gwiazdy nie są widoczne, gdy samo Słońce jest trudne, utrudnia przybyszowi wizualizację ekliptyki. Pamiętaj, aby często sprawdzać schematy, gdy czytasz o zegarach słonecznych!

Na Ziemi linie szerokości geograficznej są do siebie równoległe na całej długości od równika do obu biegunów. Linie na niebie odpowiadające liniom szerokości geograficznej nazywane są liniami deklinacjai ustal położenie w wymiarze północ-południe.

Z drugiej strony linie długości geograficznej są również nazywane na Ziemi południkami. Można je sobie wyobrazić jako promieniujące na zewnątrz z dwóch punktów utworzonych przez bieguny niebieskie i spotykające się ponownie na przeciwległym biegunie, chociaż żaden obserwator Ziemi nie może zobaczyć obu biegunów jednocześnie. Linia przechodząca z północy na horyzoncie przez zenit i na południe na przeciwległym horyzoncie jest znana jako „południk” w języku niebieskim.

• Ponieważ południk dzieli sferę niebieską na wschodnią i zachodnią połowę, odgrywa kluczową rolę w projektowaniu i pozycjonowaniu zegara słonecznego.

Podczas określania pozycji wschód-zachód na niebie obiektu niebieskiego ta część współrzędnej jest znana jako rektascensja.

Na pewno zauważyłeś, że kiedy słońce jest blisko horyzontu (wczesny poranek lub późne popołudnie), cienie są dłuższe niż wtedy, gdy słońce jest bardziej bezpośrednio nad tobą. Jednak słońce przemierza niebo cały czas z tą samą prędkością, nawet jeśli cienie zmieniają rozmiar i kształt z różną prędkością.

Ten kaprys geometrii zainspirował pierwsze zegary słoneczne, ponieważ ich wynalazcy zdali sobie sprawę, że „czas” można niezawodnie podzielić nie tylko na dni, ale także porcje dnia. Lepsza łatwość planowania czynności życiowych w takim systemie jest oczywista.

Uważa się, że najwcześniejsze zegary słoneczne pochodzą z Egiptu, około 1500 roku p.n.e. Niektóre z nich były w rzeczywistości kieszonkowe i można je było nosić ze sobą, ponieważ gnomon (z greckiego „słup”) może w rzeczywistości być otworkiem zamiast pręta. Stały się przydatne do pomiaru czasu nawet co do minuty, zanim zegary mechaniczne stały się powszechne i niezawodne i były używane jeszcze w XIX wieku do sprawdzania dokładności „prawdziwych” zegarów.

gnomon już wspomniano. Musi mieć dwie cechy: musi być skierowany w stronę bieguna niebieskiego i musi być nachylony pod kątem do horyzontu dokładnie równym szerokości geograficznej obserwatora. Często ma kształt płetwy.

tarcza wybierania jest powierzchnią, na którą rzucany jest cień słońca. Może być cylindryczna lub płaska i może być oznaczona w dowolnych podziałach wybranych przez producenta, o ile są one zgodne z dokładnym czasem.

Linie godzinowe znajdują się z oczywistych powodów na praktycznie wszystkich zegarach słonecznych i wyznaczają dokładne (choć w pewnym sensie arbitralnie wybrane) punkty w czasie.

węzeł to wycięcie w gnomonie, które pozwala na określenie dokładnej, ostrej pozycji wzdłuż linii cienia, która w innym przypadku mogłaby być rozmyta.

Zegary słoneczne można podzielić na dwa podstawowe typy, tarcze wysokości i tarcze kierunkowe.

Na Pokrętło wysokości pozwala na określenie czasu na podstawie odległości słońca nad horyzontem. We wszystkich przypadkach muszą one być zorientowane zgodnie z kierunkiem kompasu, podczas gdy w innych punktem odniesienia jest samo słońce. Wybrane rodzaje obejmują tarcze płaskie, tarcze cylindryczne, tarcze scaphe i tarcze pierścieniowe.

ZA tarcza kierunkowa opiera się na azymucie (kierunku kompasu) i kącie słońca, gdy zbliża się do południka w południe. Podtypy obejmują tarcze poziomą, biegunową pionową, azymutalną i równonocną.

We wszystkich przypadkach można sobie wyobrazić wschodzące słońce i rzucające z jednej strony szeroki cień, który stopniowo zwęża się do linia, gdy zbliżało się południe, a następnie powtarza „film” w odwrotnej kolejności po drugiej stronie tarczy wybierania aż do zachodu słońca wystąpi.

Sugestie dotyczące tworzenia własnego zegara słonecznego są łatwe do znalezienia, a jeden, który pomoże Ci zacząć, znajduje się w Zasobie. Pamiętaj, że to nie dokładne materiały ani to, jak bogato wygląda kreacja, są najważniejsze; chodzi o to, że rozumiesz fizykę i potrafisz ją wyjaśnić każdemu, kto ma zdrowy rozsądek, by zapytać cię o twoją ciężką pracę.

Aha, i ostatnia wskazówka: nie wybieraj deszczowego dnia na swój pokaz – dzięki temu ćwiczenie będzie o wiele bardziej „oświecające” dla wszystkich obecnych!