Як працює сонячний годинник?

Спробуйте уявити світ без Інтернету. Це принаймні a мало незручно, так? Тепер вилучіть із рівняння мобільні пристрої будь-якого виду разом із цифровими камерами та технологією GPS.

Коли ви просуваєтесь ще далі і виймаєте наручні годинники та настінні годинники із суміші, речі починають відчувати майже паніку в поспіху. Сьогодні важко повірити, що до початку 1800-х рр сонячний годинник був головним способом збереження часу людством протягом тисячоліть!

Однак ці речі є підготовкою до справжнього питання: Що, якби ви не могли сказати час? Зовсім? Як і в тому, що, якби в житті бракувало жодного контексту, щоб закріпити ціле поняття "коли" у чомусь, що нагадує безпосередній сенс? (Сучасний землянин погано підготовлений навіть протистояти цьому питанню; можливо, вам неможливо очистити свою думку від цілого поняття секунд, хвилин і годин, а також від передбачуваності, яку пропонує ціла схема структурованого часу.)

У якийсь момент когнітивної еволюції людини ваші предки розвинули здатність пов'язувати рутинні або, принаймні, регулярні астрономічні явища з передачею фіксованих кількість "часу", незалежно від того, як би вони не думали про цю величину (яка навіть сьогодні ухиляється від належного опису, навіть якщо є спосіб це врахувати в математиці та фізика).

Прикладами є схід та захід сонця, зірок та місяця щодня, фази місяця та те, як небо кружляє через точний і передбачуване перетворення кожного разу, коли Земля завершує черговий оберт навколо своєї осі обертання ("день") або обхід навколо Сонця ( "рік").

На даному етапі еволюції людини або долюдської еволюції створення складних інструментів дозволило вашим предкам пришвидшити їх ефективне відокремлення від інших мавп. Мозок гомінідів став настільки витонченим, щоб оцінити часовий взаємозв'язок між фізичною неминучістю в їх середовищі та необхідними їм біологічними реаліями про те, щоб легше було спати "вночі" (тобто в темряві), але також той факт, що певні небезпечні хижаки йдуть на бій, коли це темний.

Що таке сонячний годинник? Формально це так хронометр (тобто годинник), який використовує тінь, вироблену сонячним світлом, що падає на вертикальний стрижень, для відображення місцевого часу. З причин, які ви скоро побачите, стрижень, званий a гномон, повинні бути розташовані паралельно осі обертання Землі і спрямовані до положення на небі, яке відповідає півночі або північний полюс (CNP).

Отже, при будь-якій заданій географічній широті стрижень повинен бути нахилений під кутом до горизонту (тобто горизонталі), що ідентичний величині цієї широти.

Наприклад, той, хто будує сонячний годинник на широті 40 ° у Боулдері, штат Колорадо, США, націлить гномон на 40 градусів вище середини північного горизонту, трохи менше половини шляху до точки прямо над головою ( зеніт). Як ви можете знати, оскільки в колі є 360 градусів, півкруг, як небо, охоплює 180 градусів; це означає, що кутова відстань від будь-якого горизонту до зеніту становить половину цього або 90 градусів.

• Примітка: Напрямки цієї статті орієнтовані на читачів у Північній півкулі. Інші повинні змінити напрямки з півночі на південь, оскільки виникають ситуації, що вимагають цього.

Належне опрацювання основних фактів про сонячний годинник вимагає запам’ятовування назв кількох рухомих частин, але сподіваємося, що ви підійдете до цього мислення як астроном і отримаєте вдячні не тільки за чудове майстерність високоякісного сонячного годинника, але й за науку, яка дозволила цьому класу пристроїв виконувати свою єдину, нескінченну роботу протягом тисячоліть історія людства.

Прочитавши цю статтю, ви будете ознайомлені з усіма цікавими новими термінами, і ви навіть будете готові створити власний сонячний годинник - будь він скромний чи вишуканий - до того часу, коли ви закінчите. Але найголовніше для вас, щоб спробувати зосередити своє мислення на цьому, - це відносини між екліптичний, небесний екватор, та небесні полюси.

Розумієте, дізнавшись про сонячні годинники, ви насправді не вчитесь, як зробити химерний, хоча і захоплюючий, інструмент, який більше не потрібен завдяки колосальним і постійним стрибкам у людських технологіях. Ви багато нахиляєтесь до самих рамок астрономії - як і як розміщуються та маркуються об’єкти небесні цикли, які ви бачите і сприймаєте як належне, були вбудовані навіть у найраніші сонячні годинники з 1500 р. до н. е. або так.

Оригінальні творці сонячного годинника визнавали взаємозв'язок між простою геометрією та поведінкою, або конкретно очевидний поведінки, предметів на небі. Розбіжність важлива, оскільки для цілей сонячного годинника Земля трактується як нерухома, а інші речі "піднімаються", "заходять" і "перетинання неба" - описи, які мають сенс лише з контрольної точки спостерігача Землі, і які пояснюють, чому древні зробила зрозуміло думати, що все в космосі буквально обертається навколо Землі.

Найпростіший спосіб уявити систему, яка використовується для картографування об’єктів на небі, - взяти ту, яка використовується тут на Землі (широта та довгота) і уявіть уявні лінії, що проектуються на уявну сферу (насправді півкулю, оскільки ви можете бачити лише половину її) у небо. Площина, проведена через середину Землі через її екватор, перетинає це небесна сфера по колу, яке представляється як лінія, що називається небесний екватор.

Тим часом ще одна кругова лінія на небі утворюється шляхом розширення площини обертання Землі навколо Сонця. Ця уявна лінія називається екліптичний, і представляє видимий 360-градусний шлях сонця через кожен рік по відношенню до далеких фонових зірок. Ці зірки з'являються нерухомий у порівнянні з сонцем і планетами, оскільки одним із способів вимірювання руху останньої є трактування першої як "фіксованої" системи відліку.

• Під час поїздки на машині, здалека, такі як хмари та далекі гори, рухаються разом із вами, навіть як ви швидко поставте горизонтальну відстань між собою та деревами, коровами та іншими предметами, які знаходяться далеко ближче до проїжджа частина. Це правда, навіть незважаючи на те, що ці гори, як далекі зірки, насправді змінюються щодо вашого власного положення; вони просто роблять так багато, набагато повільніше.

Оскільки вісь обертання Землі нахилена на 23,4 ° від її площини обертання навколо Сонця, екліптика та небесний екватор зміщуються (нахиляються) на цю величину. Але вони зустрічаються в двох точках, як пересічні хула-хуп однакового розміру. Сонце йде за небесним екватором у ці два дні скрізь на Землі, на весняне рівнодення (перехід від зими до весни в Північній півкулі) і перехід від літа до осені (осіннє рівнодення).

• Щоденний оберт Землі та той факт, що при самому сонці не видно зірок, ускладнює візуалізацію екліптики новоприбулому. Обов’язково часто читайте схеми, коли читаєте про сонячні годинники!

На Землі широтні лінії паралельні одна одній аж до екватора до обох полюсів. Лінії на небі, що відповідають лініям широти, називаються лініями відмінюваннята встановіть розмірне розташування північ-південь.

Лінії довготи, навпаки, також називають меридіанами на Землі. Їх можна уявити, що вони випромінюють назовні від двох точок, утворених небесними полюсами, і знову зустрічаються на протилежному полюсі, хоча жоден глядач Землі не може побачити обидва полюси одночасно. Лінія, що проходить з півночі на горизонті через зеніт і в напрямку на південь на протилежному горизонті, відома як "меридіан у небесному жаргоні".

• Оскільки меридіан розділяє небесну сферу на східну та західну половини, він відіграє вирішальну роль у дизайні та розташуванні сонячних годинників.

При визначенні положення сходу і заходу на небі небесного об'єкта ця частина координати відома як праве піднесення.

Ви напевно помічали, що коли сонце знаходиться близько до горизонту (рано вранці або пізно вдень), тіні довші, ніж коли сонце знаходиться прямо над вами. Проте сонце весь час перетинає небо з однаковою швидкістю, навіть якщо тіні змінюють розмір і форму з різною швидкістю.

Ця примха геометрії надихнула перші сонячні годинники, оскільки їх винахідники зрозуміли, що "час" можна надійно розділити не просто на дні, а на частини дня. Покращена простота планування життєвих дій за такою системою очевидна.

Вважається, що найдавніші сонячні годинники датуються Єгиптом, приблизно 1500 р. До н. Е. Деякі з них були насправді кишенькових розмірів і їх можна було носити з собою, тому що гномон (Грецькою мовою означає "стовп") насправді може бути отвором замість стрижня. Вони стали корисними для хронометражу навіть до хвилин до того часу, коли механічні годинники стали звичними та надійними, і використовувались ще у 1800-х роках для перевірки точності "справжніх" годинників.

гномон вже згадувалося. Він повинен мати дві характеристики: Він повинен спрямовувати до небесного полюса і повинен бути нахилений під кутом до горизонту, точно рівному широті спостерігача. Часто його роблять у формі плавника.

циферблатна табличка - це поверхня, на яку проектується сонячна тінь. Вона може бути циліндричною або плоскою і позначена будь-якими відділеннями, які обрав її виробник, якщо вони відповідають точному часу.

Годинні рядки знаходяться із зрозумілих причин практично на всіх сонячних годинниках і позначають точні (хоча довільно вибрані, в якомусь сенсі) моменти часу.

вузлик - це виріз у гномоні, який дозволяє визначити точне, різке положення вздовж лінії тіні, яке в іншому випадку може бути нечітким.

Сонячні годинники можна розділити на два основних типи, висотні циферблати і напрямні циферблати.

Ан висотний циферблат дозволяє визначати час, використовуючи відстань сонця над горизонтом. У всіх випадках вони повинні бути орієнтовані на напрямок компаса, тоді як в інших сонце є опорною точкою. До вибраних видів належать плоскі циферблати, циліндри, циферблати та кільцеві циферблати.

A спрямований циферблат спирається на азимут (напрямок компаса) і на кут сонця, коли він наближається до меридіана опівдні. До підтипів належать горизонтальні, полярні вертикальні, азимутальні та рівнодільні циферблати.

У всіх випадках ви можете собі уявити, як сонце сходить і кидає широку тінь з одного боку, яка поступово звужується до лінія, коли наближався полудень, а потім повторює "фільм" у зворотному напрямку з іншого боку циферблатної таблички до заходу сонця відбувається.

Пропозиції щодо виготовлення власного сонячного годинника легко знайти, і одна з них для початку включена в Ресурси. Пам’ятайте, що найважливішими є не точні матеріали або те, як вишукано виглядає творіння; це те, що ви розумієте фізику і можете пояснити їх будь-кому з розумним запитанням про вашу важку працю.

О, і остання порада: не вибирайте дощовий день для демонстрації - це зробить вправу набагато «освітливішою» для всіх присутніх!