นาฬิกาแดดทำงานอย่างไร?

ลองจินตนาการถึงโลกที่ไม่มีอินเทอร์เน็ต อย่างน้อยก็ a น้อย ไม่สบายใช่ไหม ตอนนี้เอาอุปกรณ์พกพาทุกชนิดออกจากสมการพร้อมกับกล้องดิจิทัลและเทคโนโลยี GPS

เมื่อคุณไปไกลกว่านี้และถอดนาฬิกาข้อมือและนาฬิกาแขวนออกจากการผสมผสาน สิ่งต่างๆ จะเริ่มรู้สึกตื่นตระหนกแทบจะในทันที เป็นเรื่องยากที่จะเชื่อในวันนี้ว่าจนถึงต้นทศวรรษ 1800 1800 นาฬิกาแดด เป็นวิธีหลักในการรักษาเวลาของมนุษยชาติมาเป็นเวลาหลายพันปีแล้ว!

สิ่งนั้นคือทั้งหมดเตรียมสำหรับคำถามจริงแม้ว่า: เกิดอะไรขึ้นถ้าคุณไม่สามารถบอกเวลาได้? เลย? จะเป็นอย่างไรถ้าชีวิตขาดบริบทในการตรึงแนวคิดทั้งหมดว่า "เมื่อใด" ในสิ่งที่คล้ายกับความรู้สึกในทันที (มนุษย์ดินสมัยใหม่ไม่พร้อมที่จะเผชิญหน้ากับคำถามนี้ อาจเป็นไปไม่ได้ที่คุณจะล้างความคิดของคุณเกี่ยวกับแนวคิดทั้งหมดของวินาที นาที และชั่วโมง และความสามารถในการคาดการณ์ของแผนเวลาทั้งหมดที่มีโครงสร้างได้)

ในบางช่วงของวิวัฒนาการทางปัญญาของมนุษย์ บรรพบุรุษของคุณพัฒนาความสามารถในการเชื่อมโยงกิจวัตรหรือปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์อย่างน้อยก็ปกติด้วยการผ่านของคงที่ ปริมาณของ "เวลา" ไม่ว่าพวกเขาจะคิดอย่างไรกับปริมาณนี้ (ซึ่งแม้ทุกวันนี้จะหลีกเลี่ยงคำอธิบายที่เหมาะสม แม้ว่าจะมีวิธีการอธิบายในวิชาคณิตศาสตร์และ ฟิสิกส์).

ตัวอย่าง ได้แก่ การขึ้นและตกของดวงอาทิตย์ ดวงดาว และดวงจันทร์ในแต่ละวัน ระยะของดวงจันทร์ และวิธีที่ท้องฟ้าหมุนรอบอย่างแม่นยำ และการเปลี่ยนแปลงที่คาดเดาได้ทุกครั้งที่โลกหมุนรอบแกนการหมุนของมันอีกครั้งหนึ่ง ("วัน") หรือการเดินทางรอบดวงอาทิตย์ (a "ปี").

ในขั้นตอนที่กำหนดในวิวัฒนาการของมนุษย์หรือก่อนมนุษย์ การสร้างเครื่องมือที่ซับซ้อนทำให้บรรพบุรุษของคุณสามารถเร่งการแยกตัวออกจากลิงชนิดอื่นได้อย่างมีประสิทธิภาพ สมอง Hominid มีความซับซ้อนมากพอที่จะชื่นชมความสัมพันธ์ชั่วคราวระหว่างความหลีกเลี่ยงไม่ได้ทางกายภาพในสภาพแวดล้อมและความเป็นจริงทางชีวภาพที่พวกเขาต้องการ ให้รู้เท่าทัน เช่น นอน "กลางคืน" ได้ง่ายกว่า (คือในความมืด) แต่ยังมีสัตว์นักล่าที่อันตรายบางตัวออกเดินด้อม ๆ มองๆ อยู่ มืด

นาฬิกาแดดคืออะไร? อย่างเป็นทางการก็คือ เครื่องวัดความเที่ยงตรง (เช่น นาฬิกา) ที่ใช้เงาที่เกิดจากแสงอาทิตย์ที่ตกลงมาบนแกนแนวตั้งเพื่อแสดงเวลาท้องถิ่น ด้วยเหตุผลที่คุณจะเห็นในไม่ช้า ไม้เรียวที่เรียกว่า โนมอน, ต้องอยู่ในตำแหน่งขนานกับแกนหมุนของโลกและชี้ไปที่ตำแหน่งบนท้องฟ้าที่สอดคล้องกับทิศเหนือเนื่องจากหรือ ขั้วเหนือท้องฟ้า (CNP).

ดังนั้น ที่ละติจูดทางภูมิศาสตร์ที่กำหนด แท่งต้องเอียงทำมุมกับขอบฟ้า (นั่นคือแนวนอน) ซึ่งเท่ากับขนาดของละติจูดนั้น

ตัวอย่างเช่น ใครบางคนที่สร้างนาฬิกาแดดที่ละติจูด 40° ในเมืองโบลเดอร์ รัฐโคโลราโด ในสหรัฐอเมริกา จะตั้งเป้าไปที่ gnomon 40 องศาเหนือกลางขอบฟ้าด้านเหนือเพียงครึ่งทางไปยังจุดที่อยู่เหนือศีรษะโดยตรง (the สุดยอด). ดังที่คุณทราบ เนื่องจากในวงกลมมี 360 องศา วงกลมครึ่งวงกลมอย่างท้องฟ้าจึงครอบคลุม 180 องศา นี่หมายความว่าระยะทางเชิงมุมจากขอบฟ้าใด ๆ ถึงจุดสุดยอดคือครึ่งหนึ่งของสิ่งนี้หรือ 90 องศา

• บันทึก: แนวทางในบทความนี้มุ่งเป้าไปที่ผู้อ่านในซีกโลกเหนือ ฝ่ายอื่นควรกลับทิศเหนือ-ใต้เมื่อมีสถานการณ์เรียกร้องให้เกิดเหตุการณ์เช่นนี้ขึ้น

การจัดการที่ถูกต้องเกี่ยวกับข้อเท็จจริงของนาฬิกาแดดขั้นพื้นฐานนั้นจำเป็นต้องจดจำชื่อของชิ้นส่วนที่ไม่เคลื่อนไหวบางส่วน แต่หวังว่าคุณจะเข้าถึงความคิดนี้เหมือนนักดาราศาสตร์และได้รับ ชื่นชมไม่เพียงแต่งานฝีมืออันน่าทึ่งของนาฬิกาแดดคุณภาพสูงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิทยาศาสตร์ที่ทำให้อุปกรณ์ประเภทนี้สามารถทำงานได้อย่างไม่สิ้นสุดเป็นเวลาหลายพันปี ประวัติศาสตร์มนุษย์

คุณจะได้สัมผัสกับคำศัพท์ใหม่ที่น่าสนใจทุกรูปแบบเมื่อคุณอ่านบทความนี้ และคุณยังพร้อมที่จะสร้างนาฬิกาแดดของคุณเอง – ไม่ว่าจะเรียบง่ายหรือซับซ้อน – เมื่อเวลาผ่านไป แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับคุณในการพยายามมุ่งเน้นความคิดของคุณในที่นี้คือความสัมพันธ์ระหว่าง สุริยุปราคา, ที่ เส้นศูนย์สูตรท้องฟ้า, และ เสาท้องฟ้า.

คุณเห็นไหมว่าเมื่อเรียนรู้เกี่ยวกับนาฬิกาแดด คุณไม่ได้เรียนรู้วิธีสร้างนาฬิกาแดดที่แปลกตาจริงๆ หากน่าหลงใหล เครื่องมือที่ไม่จำเป็นอีกต่อไป ต้องขอบคุณเทคโนโลยีของมนุษย์ที่ก้าวกระโดดอย่างมหาศาล คุณกำลังเอนเอียงอย่างมากเกี่ยวกับกรอบของดาราศาสตร์ – ตำแหน่งของวัตถุและป้ายกำกับ และวิธี วัฏจักรสวรรค์ที่คุณเห็นและมองข้ามไปนั้นถูกรวมเข้ากับนาฬิกาแดดที่เก่าแก่ที่สุดตั้งแต่ 1500 ปีก่อนคริสตศักราชหรือ ดังนั้น.

ผู้สร้างนาฬิกาแดดดั้งเดิมได้ตระหนักถึงความสัมพันธ์ระหว่างเรขาคณิตอย่างง่ายกับพฤติกรรม หรือโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ชัดเจน พฤติกรรมของวัตถุบนท้องฟ้า ความแตกต่างมีความสำคัญ เนื่องจากสำหรับจุดประสงค์ของนาฬิกาแดด โลกจะถือว่าโลกคงที่ โดยมีสิ่งอื่น "เพิ่มขึ้น" และ "การตั้งค่า" และ "ข้ามฟากฟ้า" – คำอธิบายที่สมเหตุสมผลจากจุดอ้างอิงของผู้สังเกตการณ์โลกเท่านั้นและอธิบายว่าทำไมคนในสมัยโบราณ เคยทำ เข้าใจดีว่าทุกสิ่งในจักรวาลหมุนรอบโลกอย่างแท้จริง

วิธีที่ง่ายที่สุดในการจินตนาการว่าระบบที่ใช้ในการทำแผนที่วัตถุบนท้องฟ้าคือการใช้วัตถุที่ใช้บนโลกนี้ (ละติจูดและลองจิจูด) และ นึกภาพเส้นจินตภาพที่กำลังฉายบนทรงกลมจินตภาพ (อันที่จริงแล้วเป็นซีกโลก เนื่องจากคุณมองเห็นเพียงครึ่งเดียว) ท้องฟ้า ระนาบที่ลากผ่านตรงกลางโลกผ่านเส้นศูนย์สูตรตัดกับสิ่งนี้ ทรงกลมท้องฟ้า ในวงกลมซึ่งนำเสนอเป็นบรรทัดที่เรียกว่า เส้นศูนย์สูตรท้องฟ้า.

ในขณะเดียวกัน เส้นวงกลมอีกเส้นบนท้องฟ้าเกิดจากการขยายระนาบของการปฏิวัติโลกรอบดวงอาทิตย์ เส้นจินตภาพนี้เรียกว่า สุริยุปราคาและแสดงถึงเส้นทาง 360 องศาของดวงอาทิตย์ที่ส่องผ่านในแต่ละปีโดยสัมพันธ์กับดวงดาวที่อยู่ห่างไกลจากพื้นหลัง ดวงดาวเหล่านี้ ปรากฏ ไม่เคลื่อนไหวเมื่อเปรียบเทียบกับดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ เพราะวิธีหนึ่งที่เราวัดการเคลื่อนที่ของวัตถุอย่างหลังคือถือว่าสิ่งแรกนั้นเป็นกรอบอ้างอิงที่ "คงที่"

• ระหว่างการเดินทางด้วยรถยนต์ สิ่งที่อยู่ไกลๆ เช่น เมฆและภูเขาที่อยู่ห่างไกลดูเหมือนจะเคลื่อนไหวไปพร้อมกับคุณ แม้กระทั่งในขณะที่คุณ as ใส่ระยะห่างแนวนอนระหว่างตัวคุณกับต้นไม้ วัว และวัตถุอื่น ๆ ที่อยู่ใกล้กับ ถนน. นี่เป็นเรื่องจริงแม้ว่าภูเขาเหล่านั้นจะเปลี่ยนไปตามตำแหน่งของคุณ เช่นเดียวกับดวงดาวที่อยู่ห่างไกล พวกเขากำลังทำอะไรมาก ช้ากว่ามาก

เนื่องจากแกนหมุนของโลกเอียง 23.4° จากระนาบการหมุนรอบดวงอาทิตย์ สุริยุปราคาและเส้นศูนย์สูตรท้องฟ้าจึงถูกชดเชย (เอียง) ด้วยจำนวนนี้ แต่พวกมันมาบรรจบกันที่จุดสองจุด เช่น ตัดฮูลาฮูปที่มีขนาดเท่ากัน ดวงอาทิตย์ตามเส้นศูนย์สูตรท้องฟ้าในสองวันนี้ทุกที่บนโลกบน วสันตวิษุวัต (เปลี่ยนจากฤดูหนาวเป็นฤดูใบไม้ผลิในซีกโลกเหนือ) และเปลี่ยนจากฤดูร้อนเป็นฤดูใบไม้ร่วง (วิษุวัตในฤดูใบไม้ร่วง).

• การหมุนเวียนของโลกในแต่ละวันและการที่ดาวไม่สามารถมองเห็นได้เมื่อดวงอาทิตย์เองทำให้การมองเห็นสุริยุปราคาเป็นเรื่องยากสำหรับผู้มาใหม่ อย่าลืมอ่านแผนภาพบ่อยๆ เมื่ออ่านเกี่ยวกับนาฬิกาแดด!

บนโลก เส้นละติจูดขนานกันตั้งแต่เส้นศูนย์สูตรถึงขั้วทั้งสอง เส้นบนท้องฟ้าที่สอดคล้องกับเส้นละติจูดเรียกว่าเส้นของ การปฏิเสธและกำหนดตำแหน่งมิติเหนือ-ใต้

เส้นลองจิจูดเรียกอีกอย่างว่าเส้นเมอริเดียนบนโลก สิ่งเหล่านี้สามารถจินตนาการได้ว่าเป็นการแผ่รังสีออกไปด้านนอกจากจุดทั้งสองที่เกิดจากขั้วท้องฟ้าและพบกันอีกครั้งที่ขั้วตรงข้าม แม้ว่าผู้ดู Earth จะไม่เห็นทั้งสองขั้วพร้อมกันก็ตาม เส้นที่ลากจากทิศเหนือโดยตรงบนขอบฟ้าผ่านจุดสุดยอดและไปทางทิศใต้ที่ขอบฟ้าฝั่งตรงข้ามเรียกว่า "เส้นเมอริเดียน" ในศัพท์แสงท้องฟ้า

• เนื่องจากเส้นเมอริเดียนแยกทรงกลมท้องฟ้าออกเป็นซีกโลกตะวันออกและตะวันตก เส้นเมอริเดียนจึงมีบทบาทสำคัญในการออกแบบและการวางตำแหน่งของนาฬิกาแดด

เมื่อระบุตำแหน่งทิศตะวันออก-ตะวันตกบนท้องฟ้าของวัตถุท้องฟ้า พิกัดส่วนนี้เรียกว่า การเสด็จขึ้นสู่สวรรค์ที่ถูกต้อง.

คุณคงสังเกตได้อย่างชัดเจนว่าเมื่อดวงอาทิตย์อยู่ใกล้ขอบฟ้า (ตอนเช้าตรู่หรือบ่ายแก่ๆ) เงาจะยาวกว่าที่ดวงอาทิตย์อยู่ตรงเหนือคุณมากกว่า ทว่าดวงอาทิตย์กำลังเคลื่อนผ่านท้องฟ้าด้วยความเร็วเท่ากันตลอดเวลา แม้ว่าเงาจะเปลี่ยนขนาดและรูปร่างด้วยความเร็วที่ต่างกัน

ความบังเอิญของเรขาคณิตนี้เป็นแรงบันดาลใจให้นาฬิกาแดดรุ่นแรก เนื่องจากนักประดิษฐ์ตระหนักว่า "เวลา" สามารถแบ่งออกได้อย่างน่าเชื่อถือ ไม่ใช่แค่เป็นวันแต่เป็นบางส่วนของวัน ความง่ายในการจัดตารางเวลากิจกรรมชีวิตภายใต้ระบบดังกล่าวนั้นชัดเจนขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

นาฬิกาแดดที่เก่าแก่ที่สุดเชื่อกันว่ามีอายุย้อนไปถึงอียิปต์ประมาณ 1500 ปีก่อนคริสตศักราช ของเหล่านี้บางอันมีขนาดพกพาจริง ๆ และสามารถพกติดตัวไปได้เพราะ gnomon (ภาษากรีกสำหรับ "เสา") จริงๆ แล้วอาจเป็นรูเข็มแทนที่จะเป็นไม้เท้า พวกเขากลายเป็นประโยชน์ในการบอกเวลาแม้กระทั่งนาทีที่นาฬิกากลไกได้กลายเป็นเรื่องธรรมดาและเชื่อถือได้ และถูกนำมาใช้อย่างดีในยุค 1800 เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของนาฬิกา "ของจริง"

ดิ gnomon ได้รับการกล่าวถึงแล้ว ต้องมีคุณลักษณะ 2 ประการ คือ ต้องชี้ไปที่ขั้วท้องฟ้าและต้องเอียงทำมุมกับขอบฟ้าเท่ากับละติจูดของผู้สังเกต มักจะทำเป็นรูปครีบ

ดิ แป้นหมุนหมายเลข คือพื้นผิวที่ฉายเงาของดวงอาทิตย์ อาจเป็นรูปทรงกระบอกหรือแบน และทำเครื่องหมายในส่วนใดก็ได้ที่ผู้ผลิตเลือก ตราบใดที่สิ่งเหล่านี้สอดคล้องกับเวลาที่แม่นยำ

เส้นชั่วโมง พบได้ด้วยเหตุผลที่ชัดเจนในตัวเองในนาฬิกาแดดแทบทั้งหมด และทำเครื่องหมายจุดที่แน่นอน (แม้ว่าจะเลือกโดยพลการในบางแง่มุม) ในเวลาที่แน่นอน

ดิ nodus เป็นรอยบากใน gnomon ที่ช่วยให้สามารถกำหนดตำแหน่งที่แน่นอนและคมชัดตามแนวเงาซึ่งอาจจะคลุมเครือ

นาฬิกาแดดแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลักๆ คือ แป้นหมุนความสูง และ แป้นหมุนทิศทาง.

อัน หน้าปัดความสูง altitude ช่วยให้สามารถกำหนดเวลาโดยใช้ระยะห่างของดวงอาทิตย์เหนือขอบฟ้าได้ ในทุกกรณี สิ่งเหล่านี้จะต้องมุ่งไปที่ทิศทางเข็มทิศ ในขณะที่ในกรณีอื่นๆ ดวงอาทิตย์เองก็เป็นจุดอ้างอิง ประเภทที่เลือก ได้แก่ แป้นหมุนเครื่องบิน แป้นหมุนทรงกระบอก แป้นหมุน Scaphe และแป้นหมุนวงแหวน

อา แป้นหมุนทิศทาง ขึ้นอยู่กับมุมแอซิมัท (ทิศทางเข็มทิศ) และมุมของดวงอาทิตย์เมื่อเข้าใกล้เส้นเมริเดียนตอนเที่ยง ชนิดย่อยประกอบด้วยแป้นหมุนแนวนอน แนวตั้งเชิงขั้ว แอซิมุทัล และอิควินอคทัล

ในทุกกรณี คุณสามารถจินตนาการถึงดวงอาทิตย์ที่กำลังขึ้นและทอดเงากว้างจากด้านหนึ่งที่ค่อยๆ แคบลงถึง a สายเมื่อใกล้เที่ยงแล้วจึงเล่น "ภาพยนตร์" ซ้ำในอีกด้านหนึ่งของแป้นหมุนหมายเลขจนพระอาทิตย์ตก เกิดขึ้น

คำแนะนำสำหรับการทำนาฬิกาแดดของคุณเองนั้นหาได้ง่าย และคำแนะนำสำหรับการเริ่มต้นจะรวมอยู่ในแหล่งข้อมูล จำไว้ว่าไม่ใช่วัสดุที่แน่นอนหรือความหรูหราของงานสร้างนั้นที่สำคัญที่สุด คุณเข้าใจฟิสิกส์และสามารถอธิบายให้ใครก็ตามที่มีความรู้สึกที่ดีมาถามคุณเกี่ยวกับการทำงานหนักของคุณ

อ้อ และเคล็ดลับสุดท้าย: อย่าเลือกวันที่ฝนตกสำหรับการสาธิตของคุณ เพราะจะทำให้การออกกำลังกาย "สว่าง" ขึ้นสำหรับทุกคนในปัจจุบัน!