Como funciona um relógio de sol?

Tente imaginar um mundo sem Internet. Isso é pelo menos um pouco desconfortável, certo? Agora, remova dispositivos móveis de qualquer tipo da equação, junto com câmeras digitais e tecnologia GPS.

Quando você vai ainda mais longe e ejeta relógios de pulso e relógios de parede da mistura, as coisas começam a ficar quase em pânico com a pressa. É difícil acreditar hoje que até o início de 1800, o relógio de sol tinha sido a principal forma da humanidade de marcar o tempo por milhares de anos!

Porém, tudo isso é uma preparação para a questão real: E se você não pudesse dizer as horas? Em absoluto? Como em, e se a vida carecesse de qualquer contexto para definir toda a noção de "quando" em qualquer coisa que se assemelhe ao sentido imediato? (Um terráqueo moderno está mal equipado para enfrentar essa questão; provavelmente não é possível limpar sua mente de todo o conceito de segundos, minutos e horas, e da previsibilidade que todo o esquema de tempo estruturado oferece.)

Em algum ponto da evolução cognitiva humana, seus ancestrais desenvolveram a capacidade de associar fenômenos astronômicos rotineiros, ou pelo menos regulares, com a passagem de fenômenos astronômicos fixos quantidades de "tempo", seja o que for e como eles conceberam essa quantidade (que ainda hoje foge à descrição adequada, mesmo que haja uma maneira de contabilizá-la em matemática e física).

Exemplos são o nascer e o pôr do sol, estrelas e lua a cada dia, as fases da lua e a forma como o céu circula por e a transformação previsível toda vez que a Terra completa outro giro em torno de seu eixo de rotação (um "dia") ou uma viagem ao redor do sol (um "ano").

Em um determinado estágio da evolução humana ou pré-humana, a criação de ferramentas elaboradas permitiu que seus ancestrais acelerassem sua separação efetiva de outros macacos. Os cérebros hominídeos tornaram-se sofisticados o suficiente para apreciar a relação temporal entre as inevitabilidades físicas em seu ambiente e as realidades biológicas de que necessitavam estar ciente, como o fato de que é mais fácil dormir "à noite" (isto é, na escuridão), mas também o fato de que certos predadores perigosos andam à espreita quando está Sombrio.

O que é um relógio de sol? Formalmente, é um cronômetro (ou seja, um relógio) que usa a sombra produzida pela luz do sol caindo em uma haste vertical para mostrar a hora local. Por razões que você verá em breve, a haste, chamada de gnomon, deve ser posicionado paralelamente ao eixo de rotação da Terra e apontar para uma posição no céu que corresponda ao norte, ou o pólo norte celestial (CNP).

Portanto, em qualquer latitude geográfica dada, a haste deve ser inclinada em um ângulo com o horizonte (ou seja, a horizontal) que é idêntico à magnitude dessa latitude.

Por exemplo, alguém construindo um relógio de sol na latitude 40 ° em Boulder, Colorado, nos Estados Unidos, apontaria o gnomon 40 graus acima do meio do horizonte norte, um pouco abaixo da metade do caminho para o ponto diretamente acima (o zênite). Como você deve saber, uma vez que há 360 graus em um círculo, um semicírculo como o céu cobre 180 graus; isso significa que a distância angular de qualquer horizonte até o zênite é a metade disso, ou 90 graus.

• Observação: As instruções neste artigo são destinadas a leitores do Hemisfério Norte. Outros devem inverter as direções norte-sul conforme surjam situações que exijam isso.

Ter um controle adequado sobre os fatos básicos do relógio de sol requer memorizar os nomes de algumas partes não móveis, mas espera-se que você se aproxime desse pensamento como um astrônomo e ganhe uma apreciam não apenas a incrível habilidade artesanal de um relógio de sol de alta qualidade, mas também a ciência que permitiu que esta classe de dispositivos realizasse seu trabalho único e infinito por milhares de anos de história humana.

Você será exposto a todos os tipos de novos termos interessantes à medida que ler este artigo e até mesmo estará pronto para construir seu próprio relógio de sol - seja ele humilde ou elaborado - quando terminar. Mas a coisa mais importante para você tentar focar seu pensamento aqui são as relações entre os eclíptica, a equador celestial, e as pólos celestes.

Veja, ao aprender sobre relógios de sol, você não está realmente aprendendo a fazer uma ferramenta estranha, embora fascinante, que não é mais necessária graças aos saltos colossais e contínuos da tecnologia humana. Você está aprendendo muito sobre a própria estrutura da astronomia - como os objetos são localizados e rotulados, e como os ciclos celestes que você vê e toma como certos foram integrados até mesmo nos primeiros relógios de sol de 1500 aC ou tão.

Os criadores originais do relógio de sol reconheceram a relação entre a geometria simples e o comportamento, ou especificamente o aparente comportamento, de objetos no céu. A distinção é importante, porque para fins de um relógio de sol, a Terra é tratada como fixa, com outras coisas "nascendo" e "se pondo" e "cruzando o céu" - descrições que só fazem sentido a partir do ponto de referência de um observador da Terra, e que explicam porque os antigos fez compreensivelmente, pense que tudo no cosmos literalmente gira em torno da Terra.

A maneira mais fácil de imaginar o sistema usado para mapear objetos no céu é pegar o usado aqui na Terra (latitude e longitude) e imagine as linhas imaginárias sendo projetadas em uma esfera imaginária (na verdade, um hemisfério, uma vez que você pode ver apenas metade dele) no céu. Um plano desenhado no meio da Terra através de seu equador cruza este esfera celestial em um círculo, que se apresenta como uma linha chamada de equador celestial.

Enquanto isso, outra linha circular no céu é formada pela extensão do plano de revolução da Terra em torno do sol. Esta linha imaginária é chamada de eclípticae representa o caminho aparente de 360 ​​graus do sol em cada ano em relação às estrelas de fundo distantes. Essas estrelas aparecer imóvel em comparação com o sol e os planetas, porque uma maneira de medir o movimento dos últimos é tratando o primeiro como um referencial "fixo".

• Durante uma viagem de carro, coisas distantes como nuvens e montanhas distantes parecem estar se movendo com você, mesmo quando você coloque rapidamente uma distância horizontal entre você e as árvores, vacas e outros objetos que estão muito mais próximos do estrada. Isso é verdade mesmo que essas montanhas, como estrelas distantes, estejam de fato mudando em relação à sua própria posição; eles estão apenas fazendo muito, muito mais devagar.

Como o eixo de rotação da Terra é inclinado em 23,4 ° em relação ao seu plano de revolução em torno do Sol, a eclíptica e o equador celestial são desalinhados (inclinados) nesse valor. Mas eles se encontram em dois pontos, como bambolês do mesmo tamanho que se cruzam. O sol segue o equador celestial nestes dois dias em todos os lugares da Terra, no equinócio vernal (transição do inverno para a primavera no hemisfério norte) e transição do verão para o outono (equinócio de outono).

• A rotação diária da Terra e o fato de que nenhuma estrela é visível quando o próprio sol está tornam a visualização da eclíptica difícil para um recém-chegado. Certifique-se de consultar os diagramas com freqüência ao ler sobre relógios de sol!

Na Terra, as linhas de latitude são paralelas entre si desde o equador até os dois pólos. As linhas no céu correspondentes às linhas de latitude são chamadas de linhas de declinação, e estabelecer a localização dimensional norte-sul.

As linhas de longitude, por outro lado, também são chamadas de meridianos na Terra. Eles podem ser imaginados irradiando-se para fora dos dois pontos formados pelos pólos celestes e se encontrando novamente no pólo oposto, embora nenhum observador da Terra possa ver os dois pólos ao mesmo tempo. A linha que passa diretamente do norte no horizonte através do zênite e em direção ao sul no horizonte oposto é conhecida como "o" meridiano no jargão celestial.

• Como o meridiano separa a esfera celeste nas metades leste e oeste, ele desempenha um papel crítico no design e no posicionamento do relógio de sol.

Ao identificar a posição leste-oeste no céu de um objeto celeste, esta parte da coordenada é conhecida como ascensão certa.

Você certamente notou que quando o sol está próximo ao horizonte (de manhã cedo ou no final da tarde), as sombras são mais longas do que quando o sol está mais diretamente acima de você. No entanto, o sol está cruzando o céu na mesma velocidade o tempo todo, mesmo que as sombras estejam mudando de tamanho e forma em velocidades diferentes.

Esse capricho da geometria inspirou os primeiros relógios de sol, quando seus inventores perceberam que o "tempo" podia ser dividido de forma confiável não apenas em dias, mas em partes de um dia. A facilidade aprimorada de programar as atividades da vida em tal sistema é óbvia.

Acredita-se que os primeiros relógios de sol datam do Egito, por volta de 1500 aC. Alguns deles eram de bolso e podiam ser carregados, porque o gnomon (Grego para "pólo") poderia na verdade ser um furo de alfinete em vez de uma haste. Eles haviam se tornado úteis para cronometrar até minuto a minuto quando os relógios mecânicos se tornaram comuns e confiáveis, e foram usados ​​até o século 19 para verificar a precisão de relógios "reais".

O gnomon já foi mencionado. Deve ter duas características: deve apontar para o pólo celeste e deve ser inclinado em um ângulo com o horizonte exatamente igual à latitude do observador. Muitas vezes é feito em forma de barbatana.

O placa de discagem é a superfície na qual a sombra do sol é projetada. Ele pode ser cilíndrico ou plano e marcado em quaisquer divisões que seu criador escolher, desde que estas se alinhem com o tempo preciso.

Linhas horárias são encontrados por razões evidentes em virtualmente todos os relógios de sol e marcam pontos exatos (embora selecionados arbitrariamente, em algum sentido).

O nodus é um entalhe no gnômon que permite a determinação de uma posição exata e nítida ao longo da linha da sombra, que de outra forma poderia ser difusa.

Os relógios de sol podem ser divididos em dois tipos básicos, mostradores de altitude e dials direcionais.

A dial de altitude permite a determinação do tempo usando a distância do sol acima do horizonte. Em todos os casos, eles devem ser orientados na direção da bússola, enquanto em outros o próprio sol é um ponto de referência. Os tipos selecionados incluem mostradores de avião, mostradores de cilindro, mostradores de scaphe e mostradores de anel.

UMA dial direcional depende do azimute (direção da bússola) e do ângulo do sol ao se aproximar do meridiano ao meio-dia. Os subtipos incluem mostradores horizontais, verticais polares, azimutais e equinoctais.

Em todos os casos, você pode imaginar o sol nascendo e lançando uma grande sombra de um lado que gradualmente se estreita para um linha ao se aproximar do meio-dia e, em seguida, repete o "filme" ao contrário do outro lado da placa do mostrador até o pôr do sol ocorre.

Sugestões para fazer seu próprio relógio de sol são fáceis de encontrar e uma para começar está incluída nos Recursos. Lembre-se de que não são os materiais exatos ou a aparência da criação que é mais importante; é que você entende a física e pode explicá-la a qualquer pessoa com bom senso para lhe perguntar sobre seu trabalho árduo.

Ah, e uma última dica: não escolha um dia chuvoso para sua demonstração - isso tornará o exercício muito mais "iluminador" para todos os presentes!