Cum funcționează un cadran solar?

Încercați să vă imaginați o lume fără internet. Asta este cel puțin un mic incomod, nu? Acum, scoateți din ecuație dispozitivele mobile de orice fel, împreună cu camerele digitale și tehnologia GPS.

Când mergeți mai departe și scoateți ceasurile de mână și ceasurile de perete din amestec, lucrurile încep să se simtă aproape panicate în grabă. Este greu de crezut astăzi că până la începutul anilor 1800, cadran solar a fost principala modalitate a omenirii de a păstra timpul de mii de ani!

Chestiile astea sunt pregătite pentru adevărata întrebare, totuși: Dacă nu ai putea spune timpul? Deloc? Ca și în cazul în care, dacă vieții i-ar lipsi orice context pentru a fixa întreaga noțiune de „când” în ceva care seamănă cu sensul imediat? (Un pământean modern este prost echipat pentru a face față chiar acestei întrebări; probabil că nu este posibil să vă curățați mintea de întregul concept de secunde, minute și ore și de predictibilitate pe care o oferă întreaga schemă de timp structurat.)

La un moment dat în evoluția cognitivă umană, strămoșii voștri au dezvoltat abilitatea de a asocia fenomene astronomice de rutină, sau cel puțin regulate, cu trecerea cantități de „timp”, oricum și oricum au conceput această cantitate (care chiar și astăzi evită o descriere adecvată, chiar dacă există o modalitate de a explica aceasta în matematică și fizică).

Exemple sunt răsăritul și apusul soarelui, stelelor și lunii în fiecare zi, fazele lunii și modul în care cerul trece printr-o și transformare previzibilă de fiecare dată când Pământul finalizează o altă rotație în jurul axei sale de rotație (o „zi”) sau o călătorie în jurul soarelui (o "an").

Într-un anumit stadiu al evoluției umane sau pre-umane, crearea unor instrumente elaborate le-a permis strămoșilor să-și accelereze separarea efectivă de alte maimuțe. Creierul ominid a devenit suficient de sofisticat pentru a aprecia relația temporală dintre inevitabilitățile fizice din mediul lor și realitățile biologice de care aveau nevoie pentru a fi conștienți, cum ar fi faptul că este mai ușor să dormi „noaptea” (adică în întuneric), dar și faptul că anumiți prădători periculoși merg la vânătoare când este întuneric.

Ce este un cadran solar? În mod formal, este un cronometru (adică un ceas) care utilizează umbra produsă de lumina soarelui care cade pe o tijă verticală pentru a arăta ora locală. Din motive pe care le veți vedea în scurt timp, lanseta, numită a gnomon, trebuie să fie poziționat paralel cu axa de rotație a Pământului și să se îndrepte spre o poziție pe cer care corespunde nordului sau polul nord ceresc (CNP).

Prin urmare, la orice latitudine geografică dată, tija trebuie înclinată la un unghi față de orizont (adică orizontală) care este identic cu magnitudinea acelei latitudini.

De exemplu, cineva care construiește un cadran solar la latitudine 40 ° în Boulder, Colorado, în Statele Unite, ar viza gnomon la 40 de grade deasupra mijlocului orizontului nordic, chiar la jumătatea drumului până la punctul direct deasupra capului ( zenit). După cum știți, deoarece există 360 de grade într-un cerc, un semicerc ca cerul acoperă 180 de grade; aceasta înseamnă că distanța unghiulară de la orice orizont la zenit este jumătate din aceasta sau 90 de grade.

• Notă: Indicațiile din acest articol se adresează cititorilor din emisfera nordică. Alții ar trebui să inverseze direcțiile nord-sud pe măsură ce apar situații care necesită acest lucru.

Pentru a avea un control adecvat al faptelor de bază ale cadranului solar, trebuie să memorați numele câtorva părți care nu se mișcă, dar se speră că veți aborda această gândire ca un astronom și veți câștiga un apreciați nu numai pentru măiestria uimitoare a unui cadran solar de înaltă calitate, ci și pentru știința care a permis acestei clase de dispozitive să își îndeplinească sarcina unică, fără sfârșit, de mii de ani de istoria oamenilor.

Veți fi expus la tot felul de termeni interesanți noi pe măsură ce citiți acest articol și veți fi chiar gata să vă construiți propriul cadran solar - fie el umil sau elaborat - până când veți trece. Dar cel mai important lucru pentru tine de a încerca să-ți concentrezi gândirea aici este relațiile dintre ecliptic, ecuator ceresc, si polii ceresti.

Vedeți, când aflați despre cadrele solare, nu învățați cu adevărat cum să faceți un instrument ciudat, dacă fascinant, care nu mai este necesar datorită salturilor colosale și continue în tehnologia umană. Vă orientați foarte mult asupra cadrului astronomic - modul în care obiectele sunt localizate și etichetate și cum ciclurile cerești pe care le vedeți și le luați de la sine au fost integrate chiar și în primele cadrane solare din 1500 î.Hr. asa de.

Creatorii originali ai cadranului solar au recunoscut relația dintre geometria simplă și comportament, sau în mod specific aparent comportament, a obiectelor de pe cer. Distincția este importantă, deoarece în scopul unui ceas solar, Pământul este tratat ca fix, cu alte lucruri „în creștere” și „setare” și „traversarea cerului” - descrieri care au sens doar din punctul de referință al unui observator al Pământului și care explică de ce anticii făcut Înțelegeți că totul în cosmos se învârte literalmente în jurul Pământului.

Cel mai simplu mod de a vă imagina sistemul folosit pentru cartografierea obiectelor pe cer este să luați cel folosit aici pe Pământ (latitudine și longitudine) și imaginați liniile imaginare proiectate pe o sferă imaginară (de fapt o emisferă, deoarece puteți vedea doar jumătate din ea) în cer. Un plan tras prin mijlocul Pământului prin ecuatorul său intersectează acest lucru sfera celestiala într-un cerc, care se prezintă ca o linie numită ecuator ceresc.

Între timp, o altă linie circulară pe cer este formată de extensia planului de revoluție a Pământului în jurul soarelui. Această linie imaginară se numește ecliptic, și reprezintă calea aparentă a soarelui de 360 ​​de grade în fiecare an în raport cu stelele îndepărtate de fundal. Aceste stele apărea nemișcat în comparație cu soarele și planetele, deoarece un mod în care măsurăm mișcarea acestora din urmă este tratarea primelor ca pe un cadru de referință „fix”.

• În timpul unei călătorii cu mașina, lucruri îndepărtate, cum ar fi norii și munții îndepărtați, par să se miște cu tine, la fel ca și tine puneți rapid distanță orizontală între voi și copaci, vaci și alte obiecte care sunt mult mai aproape de carosabil. Acest lucru este adevărat, chiar dacă acei munți, precum stelele îndepărtate, se schimbă de fapt în raport cu propria dvs. poziție; fac doar atât de mult, mult mai încet.

Deoarece axa de rotație a Pământului este înclinată cu 23,4 ° față de planul său de revoluție în jurul soarelui, eclipsa și ecuatorul ceresc sunt compensate (înclinate) cu această cantitate. Dar se întâlnesc în două puncte, ca niște cercuri hula de aceeași dimensiune. Soarele urmează ecuatorul ceresc în aceste două zile peste tot pe Pământ, pe echinocțiul de primăvară (tranziția de la iarnă la primăvară în emisfera nordică) și tranziția de la vară la toamnă (echinocțiul de toamnă).

• Rotația zilnică a Pământului și faptul că nicio stea nu este vizibilă atunci când soarele în sine este dificilă vizualizarea eclipticii pentru un nou venit. Asigurați-vă că consultați diagramele frecvent în timp ce citiți despre cadrele solare!

Pe Pământ, liniile de latitudine sunt paralele între ele, de la ecuator la ambii poli. Liniile din cer corespunzătoare liniilor de latitudine se numesc linii de declinaţieși stabiliți locația dimensională nord-sud.

Liniile de longitudine, pe de altă parte, sunt numite și meridiane pe Pământ. Acestea pot fi imaginate ca radiază spre exterior din cele două puncte formate de polii cerești și se întâlnesc din nou la polul opus, deși niciun vizualizator al Pământului nu poate vedea ambii poli simultan. Linia care trece direct de la nord la orizont prin zenit și spre sud spre orizontul opus este cunoscută sub denumirea de „meridianul” din limbajul ceresc.

• Deoarece meridianul separă sfera cerească în jumătățile estice și occidentale, joacă un rol critic în proiectarea și poziționarea cadrului solar.

Când se identifică poziția est-vest pe cerul unui obiect ceresc, această parte a coordonatei este cunoscută sub numele de ascensiunea dreaptă.

Cu siguranță ați observat că atunci când soarele este aproape de orizont (dimineața devreme sau după-amiaza târziu), umbrele sunt mai lungi decât atunci când soarele este mai direct deasupra voastră. Cu toate acestea, soarele traversează cerul la aceeași viteză tot timpul, chiar dacă umbrele își schimbă dimensiunea și forma la viteze diferite.

Acest capriciu al geometriei a inspirat primele cadrane solare, deoarece inventatorii lor și-au dat seama că „timpul” poate fi împărțit în mod fiabil nu doar în zile, ci porțiuni de zi. Simplitatea îmbunătățită a programării activităților de viață în cadrul unui astfel de sistem este evidentă.

Se crede că primele cadrane solare datează din Egipt, circa 1500 î.Hr. Unele dintre acestea erau de fapt de dimensiuni de buzunar și puteau fi transportate, deoarece gnomon (Grecesc pentru „stâlp”) ar putea fi de fapt un orificiu în loc de o tijă. Acestea deveniseră utile pentru cronometrarea chiar și la minut până când ceasurile mecanice deveniseră obișnuite și fiabile și au fost utilizate până în anii 1800 pentru a verifica acuratețea ceasurilor „reale”.

gnomon a fost deja menționat. Trebuie să aibă două caracteristici: trebuie să indice spre polul ceresc și trebuie să fie înclinat într-un unghi față de orizont exact egal cu latitudinea observatorului. Se face adesea sub forma unei aripioare.

placa de cadran este suprafața pe care este proiectată umbra soarelui. Poate fi cilindric sau plat și poate fi marcat în oricare dintre diviziile pe care le alege producătorul, atâta timp cât acestea se aliniază cu timpul precis.

Linii orare sunt găsite din motive evidente pe aproape toate cadranele solare și marchează punctele exacte (deși selectate în mod arbitrar, într-un anumit sens) în timp.

nodus este o crestătură în gnomon care permite determinarea unei poziții exacte, ascuțite de-a lungul liniei umbrei, care altfel ar putea fi neclară.

Ceasurile solare pot fi împărțite în două tipuri de bază, cadrane de altitudine și cadrane direcționale.

Un cadran de altitudine permite determinarea timpului folosind distanța soarelui deasupra orizontului. În toate cazurile, acestea trebuie orientate către direcția busolei, în timp ce în altele soarele în sine este un punct de referință. Tipurile selectate includ cadrane plane, cadrane cilindrice, cadrane scaphe și cadrane sonore.

A cadran direcțional se bazează pe azimut (direcția busolei) și pe unghiul soarelui pe măsură ce se apropie de meridian la prânz. Subtipurile includ cadrane orizontale, verticale polare, azimutale și echinoctale.

În toate cazurile, vă puteți imagina soarele răsărind și aruncând o umbră largă dintr-o parte care se îngustează treptat la linia pe măsură ce se apropia prânzul și apoi repetă „filmul” în sens invers pe cealaltă parte a plăcii de apel până la apusul soarelui apare.

Sugestiile pentru realizarea propriului ceas solar sunt ușor de găsit, iar una pentru a începe este inclusă în Resurse. Amintiți-vă, nu materialele exacte sau cât de ornamentat arată creația este cel mai important; înseamnă că înțelegi fizica și le poți explica oricui are bun simț să te întrebe despre munca ta grea.

Ah, și un ultim sfat: nu alegeți o zi ploioasă pentru demonstrația dvs. - acest lucru va face exercițiul mult mai „luminos” pentru toți cei prezenți!