Как работают солнечные часы?

Попробуйте представить мир без Интернета. Это по крайней мере маленький неудобно, правда? Теперь удалите из уравнения любые мобильные устройства, а также цифровые камеры и технологию GPS.

Когда вы идете еще дальше и выкидываете из смеси наручные и настенные часы, все начинает паниковать в спешке. Сегодня трудно поверить, что до начала 1800-х годов солнечные часы был главным способом человечества отсчитывать время на протяжении тысячелетий!

Тем не менее, все это подготовлено к настоящему вопросу: Что, если бы вы не могли определить время? Вообще? Например, что, если бы в жизни не хватало какого-либо контекста для определения всего понятия «когда» в чем-либо, напоминающем непосредственный смысл? (Современный землянин плохо подготовлен даже для того, чтобы ответить на этот вопрос; вероятно, вам не удастся очистить свой разум от всей концепции секунд, минут и часов, а также от предсказуемости, которую предлагает вся схема структурированного времени.)

В какой-то момент когнитивной эволюции человека ваши предки развили способность связывать рутинные или, по крайней мере, регулярные астрономические явления с прохождением фиксированного количество «времени», что бы они ни представляли для этого количества (которое даже сегодня ускользает от надлежащего описания, даже если есть способ учесть его в математике и физика).

Примерами являются восход и заход солнца, звезд и луны каждый день, фазы луны и то, как небо циклически проходит через точную и предсказуемое преобразование каждый раз, когда Земля завершает очередной оборот вокруг своей оси вращения («день») или совершает обход вокруг Солнца ( "год").

На определенном этапе эволюции человека или до-человека создание сложных инструментов позволило вашим предкам ускорить эффективное отделение от других обезьян. Мозг гоминидов стал достаточно сложным, чтобы оценить временную взаимосвязь между физической неизбежностью в их среде и биологической реальностью, в которой они нуждались. необходимо учитывать, например, тот факт, что легче спать «ночью» (то есть в темноте), но также и тот факт, что некоторые опасные хищники выходят на охоту, когда темный.

Что такое солнечные часы? Формально это хронометр (то есть часы), который использует тень, создаваемую солнечным светом, падающим на вертикальный стержень, для отображения местного времени. По причинам, которые вы вскоре увидите, стержень, называемый гномон, должен быть расположен параллельно оси вращения Земли и указывать на положение на небе, которое соответствует точному северу, или северный небесный полюс (CNP).

Следовательно, на любой географической широте стержень должен быть наклонен под углом к ​​горизонту (то есть к горизонту), который идентичен величине этой широты.

Например, кто-то, построив солнечные часы на широте 40 ° в Боулдере, штат Колорадо, в США, нацелился бы на гномон на 40 градусов выше середины северного горизонта, чуть ниже половины пути до точки, расположенной прямо над головой ( зенит). Как вы, возможно, знаете, поскольку в круге 360 градусов, полукруг, подобный небу, покрывает 180 градусов; это означает, что угловое расстояние от любого горизонта до зенита составляет половину этого значения, или 90 градусов.

• Примечание: Направления в этой статье предназначены для читателей из Северного полушария. Другим следует изменить направление с севера на юг, когда возникнут ситуации, требующие этого.

Чтобы правильно обращаться с основными фактами о солнечных часах, необходимо запомнить названия нескольких неподвижных частей, но есть надежда, что вы подойдете к этому мышлению, как астроном, и получите ценим не только удивительное мастерство высококачественных солнечных часов, но и науку, которая позволила этому классу устройств выполнять свою единственную бесконечную работу на протяжении тысяч лет человеческая история.

По мере прочтения этой статьи вы познакомитесь со всевозможными новыми интересными терминами и даже будете готовы построить свои собственные солнечные часы - будь то скромные или сложные - к тому времени, когда вы закончите. Но самое важное, на чем вы должны сосредоточить свое мышление, - это отношения между эклиптика, то небесный экватор, а небесные полюса.

Видите ли, изучая солнечные часы, вы на самом деле не учитесь, как сделать причудливый, хотя и увлекательный инструмент, который больше не нужен благодаря колоссальным и постоянным скачкам в человеческих технологиях. Вы очень сильно опираетесь на саму основу астрономии - как объекты располагаются и маркируются, и как небесные циклы, которые вы видите и принимаете как должное, были интегрированы даже в самые ранние солнечные часы с 1500 г. до н.э. или так.

Первоначальные создатели солнечных часов признали взаимосвязь между простой геометрией и поведением, или, в частности, очевидный поведение объектов в небе. Это различие важно, потому что для солнечных часов Земля рассматривается как неподвижная, а другие объекты «восходят», «заходят» и "пересечение неба" - описания, которые имеют смысл только с точки отсчета наблюдателя Земли и объясняют, почему древние сделал естественно думать, что все в космосе буквально вращается вокруг Земли.

Самый простой способ представить систему, используемую для отображения объектов на небе, - это взять ту, что используется здесь, на Земле (широта и долгота), и представьте воображаемые линии, проецируемые на воображаемую сферу (на самом деле полушарие, поскольку вы можете видеть только половину ее) в небо. Плоскость, проведенная через центр Земли через экватор, пересекает это небесная сфера в круге, который представляет собой линию, называемую небесный экватор.

Между тем, еще одна круговая линия на небе образована продолжением плоскости вращения Земли вокруг Солнца. Эта воображаемая линия называется эклиптика, и представляет собой видимый 360-градусный путь Солнца в течение каждого года относительно далеких звезд фона. Эти звезды появляться неподвижен по сравнению с Солнцем и планетами, потому что один из способов измерения движения последних - это рассмотрение первого как «фиксированной» системы отсчета.

• Во время автомобильной поездки такие далекие объекты, как облака и далекие горы, кажутся движущимися вместе с вами, даже если вы быстро установите горизонтальное расстояние между собой и деревьями, коровами и другими объектами, которые находятся намного ближе к проезжая часть. Это верно, даже если эти горы, как далекие звезды, на самом деле смещаются относительно вашего собственного положения; они просто делают намного медленнее.

Поскольку ось вращения Земли наклонена на 23,4 ° от плоскости вращения вокруг Солнца, эклиптика и небесный экватор смещены (наклонены) на эту величину. Но они встречаются в двух точках, как пересекающиеся хула-хупы одного размера. Солнце следует за небесным экватором в эти два дня повсюду на Земле, на весеннее равноденствие (переход от зимы к весне в Северном полушарии) и переход от лета к осени (осеннее равноденствие).

• Ежедневное вращение Земли и тот факт, что звезды не видны, когда само Солнце, затрудняет визуализацию эклиптики для новичка. Не забывайте часто сверяться с диаграммами, когда читаете о солнечных часах!

На Земле линии широты параллельны друг другу на всем протяжении от экватора до обоих полюсов. Линии на небе, соответствующие линиям широты, называются линиями склонение, и установить местоположение с севера на юг.

С другой стороны, линии долготы также называются меридианами на Земле. Их можно представить как исходящие наружу из двух точек, образованных небесными полюсами, и встречающиеся снова на противоположном полюсе, хотя ни один наблюдатель Земли не может видеть оба полюса одновременно. Линия, проходящая прямо на север на горизонте через зенит и на юг на противоположном горизонте, на небесном жаргоне известна как «меридиан».

• Поскольку меридиан разделяет небесную сферу на восточную и западную половины, он играет решающую роль в дизайне и расположении солнечных часов.

При определении положения востока и запада на небе небесного объекта эта часть координаты известна как прямое восхождение.

Вы наверняка заметили, что, когда солнце приближается к горизонту (рано утром или поздно вечером), тени длиннее, чем когда солнце находится прямо над вами. Тем не менее, солнце все время движется по небу с одинаковой скоростью, даже если тени меняют размер и форму с разной скоростью.

Эта прихоть геометрии вдохновила первые солнечные часы, поскольку их изобретатели поняли, что «время» можно надежно разделить не только на дни, но и на части дня. Очевидно, что облегчение планирования жизнедеятельности при такой системе очевидно.

Считается, что самые ранние солнечные часы относятся к Египту, примерно в 1500 году до нашей эры. Некоторые из них были действительно карманного размера и их можно было носить с собой, потому что гномон (По-гречески «столб») на самом деле могло быть точечным отверстием вместо стержня. К тому времени, когда механические часы стали обычным явлением и надежностью, они стали полезными для хронометража даже с точностью до минуты, и использовались еще в 1800-х годах для проверки точности «настоящих» часов.

В гномон уже упоминалось. Он должен иметь две характеристики: он должен указывать на небесный полюс и наклоняться под углом к ​​горизонту, точно равным широте наблюдателя. Часто его делают в форме плавника.

В циферблат это поверхность, на которую проецируется тень от солнца. Он может быть цилиндрическим или плоским, и на нем есть все деления, которые выберет производитель, при условии, что они соответствуют точному времени.

Часовые линии по очевидным причинам встречаются практически на всех солнечных часах и отмечают точные (хотя и произвольно выбранные в некотором смысле) моменты времени.

В узелок - выемка в гномоне, позволяющая определить точное и резкое положение вдоль линии тени, которая в противном случае могла бы быть нечеткой.

Солнечные часы можно разделить на два основных типа: шкала высоты а также направленные циферблаты.

An шкала высоты позволяет определять время, используя расстояние до солнца над горизонтом. Во всех случаях они должны быть ориентированы по компасу, в то время как в других случаях ориентиром является само солнце. Выбранные виды включают плоские циферблаты, цилиндрические циферблаты, циферблаты скаф и кольцевые циферблаты.

А направленный циферблат полагается на азимут (направление по компасу) и угол, под которым Солнце приближается к меридиану в полдень. Подтипы включают горизонтальный, полярно-вертикальный, азимутальный и равноктальный циферблаты.

Во всех случаях вы можете представить, как солнце встает и отбрасывает широкую тень с одной стороны, которая постепенно сужается до линия по мере приближения полудня, а затем повторяет "фильм" в обратном порядке на другой стороне циферблата до заката имеет место.

Предложения по изготовлению собственных солнечных часов легко найти, и одно из них, которое поможет вам начать работу, включено в Ресурсы. Помните, что важнее всего не точные материалы или богато украшенное оформление; дело в том, что вы понимаете физику и можете объяснить их любому, у кого есть здравый смысл, чтобы спросить вас о вашей тяжелой работе.

О, и последний совет: не выбирайте дождливый день для демонстрации - это сделает упражнение более «просветляющим» для всех присутствующих!