Солнечные часы как работают
Как работают солнечные часы?
С незапамятных времен люди организуют свою жизнь по видимому движению Солнца. Мы говорим «видимое движение», поскольку конечно же вращение Земли вокруг своей оси приводит к движению теней, которое мы наблюдаем каждый день. Каждый час Земля поворачивается на 15°, это выглядит также, как будто Солнце передвинулось на 15° по своему ежедневному пути. Оба подхода используется при изготовлении солнечных часов, но обычно принято считать, что движется именно Солнце. Возможно легче всего понять, как работают солнечные часы, если представить себе земной шар со стороны Северного полюса. На приведенном рисунке кажется, что это Солнце каждый час передвигается на 15°. Элемент солнечных часов, который отбрасывает тень называется «гномон». 
Если смотреть строго сверху, со стороны воображаемой фотокамеры, то можно запечатлеть снимки тени, от воображаемого гномона в разное время: 
Часы, которые мы представили себе расположенными на Северном полюсе, называются экваториальными солнечными часами. Это потому, что плоскость циферблата параллельна плоскости экватора. 
Экваториальные солнечные часы можно назвать «базовыми», поскольку с их помощью можно построить много других типов солнечных часов. Это делается путем проецирования часовых линий экваториальных часов на любую другую подходящую поверхность. Полярные часы, изображенные ниже, — очевидный пример.
Середина зимы наступает в северном полушарии, когда ось вращения Земли наклонена в сторону от Солнца. С октября по март Солнце никогда не восходит на северном полюсе, а на южном — никогда не заходит. Середина лета в северном полушарии наступает, когда ось вращения Земли наклонена в сторону Солнца. С апреля по сентябрь Солнце никогда не заходит на северном полюсе, а на южном — никогда не восходит. 
Часы с толстым гномоном и их полуденная отметка
Солнцу требуется четыре минуты для перемещения на один градус долготы с востока на запад (в северном полушарии, а в южном — Солнце движется в противоположном направлении). Солнечные часы на одной и той же долготе (на одном меридиане) показывают одинаковое время. Солнечные часы на меридиане 4° западной долготы отстают на 16 минут от времени в Гринвиче (нулевой меридиан), а на меридиане 8° западной долготы отстают уже на 32 минуты. Пример: Плимут располагается в 4° 08’ западнее Гринвича, поэтому солнечные часы в Плимуте всегда отстают на 16 минут и 32 секунды. Соответственно, часы, расположенные восточнее Гринвича, спешат на время, рассчитанное из соотношения 1 градус — 4 минуты. В 1880 году, чтобы избежать хаоса на железных дорогах британский парламент установил среднее время в Гринвиче (GMT), как единое Британское время, и все часы соединенного королевства стали показывать такое же время, как часы Биг Бен в Лондоне. Первые точные механические часы были сделаны в 1656 году датским ученым Кристианом Гюйгенсом. Точность его поздних моделей составляла одну секунду в сутки. Выставляя свои механические часы по солнечным, Гюйгенс мог бы предположить, что его часы в течение года идут неточно, однако именно его часы были точны, а солнечные часы то опаздывают, то спешат. Показания всех известных часов не будут соответствовать показаниям солнечных часов, поскольку продолжительность солнечных суток увеличивается на несколько секунд в течение 3 месяцев, потом она соответственно уменьшается в течение 3 месяцев, а в оставшиеся полгода процесс повторяется. Если в каком-то месте мы направим камеру на штативе на юг и будем фотографировать в режиме мультиэкспозиции каждый полдень через 10 дней, мы увидим фигуру, напоминающую восьмерку. 
Эта фигура называется аналемма. Появление такой фигуры обусловлено неравномерным движением Солнца по небесной сфере. Из-за эксцентриситета земной орбиты зимой в северном полушарии сутки длятся немного больше, чем летом, а в южном – наоборот. Поэтому было введено такое понятие как средние солнечные сутки, равные 24 часам на протяжении всего года. Для определения понятия средних солнечных суток вводится дополнительное понятие «среднее Солнце» – фиктивная точка, которая равномерно движется по небесному экватору (не по эклиптике!). Разница между средним и солнечным временем называется уравнением времени. Уравнение времени позволяет переходить от истинного солнечного времени к среднему солнечному и наоборот. Чтобы воспользоваться уравнением времени нам нужна или таблица со значениями коррекции в минутах и секундах на каждый день, или годовой график, по которому мы можем определить величину ежедневной коррекции 
Если бы Земля застыла на одном месте и только бы вращалась вокруг своей оси, то продолжительность всех дней была бы одинаковой. Однако, когда мы смотрим на Солнце, то наблюдаем его сами находясь в движении. Именно изменение скорости нашего движения по эллиптической орбите вокруг Солнца и наклон оси вращения Земли определяют значения уравнения времени. 
Солнечные часы, ориентированные точно на юг, имеют вертикальную полуденную линию по центру циферблата и часовые отметки, симметричные относительно нее. 
Солнечные часы на стенах, которые не ориентированы строго по сторонам света, называются повернутыми. Полуденная линия повернутых часов тоже будет вертикальной, однако сам гномон будет повернут так, чтобы совпадать с осью вращения Земли. 
Изготовить солнечные часы не сложно. Основные правила просты: гномон должен быть ориентирован вдоль направления строго на север и быть параллельным оси мира, т.е. иметь наклон относительно горизонта на угол равный широте места установки часов. При использовании солнечных часов нужно принять во внимание, что в повседневной жизни в Российской Федерации мы пользуемся средним декретным временем, т.е. временем для основного меридиана принятого часового пояса плюс один час. Например, Санкт-Петербург расположен на меридиане 30 градусов восточной долготы, что соответствует основному меридиану второго часового пояса. Значит, чтобы перейти к показаниям солнечных часов, помимо уравнения времени, необходимо прибавлять один час, или сместить шкалу солнечных часов на один час вперед. В Москве еще сложнее, т.к. она расположена восточнее основного меридиана второго часового пояса на 7 градусов. Не сложно вычислить, что 7 градусов долготы соответствует 28 минутам времени. Т.е. полдень наступает в Москве на 28 минут раньше, чем в Санкт-Петербурге. Поэтому постоянная поправка для показаний солнечных часов, расположенных на меридиане 37 градусов к московскому среднему времени составит +1 час 28 минут. Также не следует забывать об уравнении времени. Среднее время совпадает с показаниями солнечных часов только четыре раза в году – 15 апреля, 12 июня, 1 сентября и 24 декабря. В остальные дни года солнечные часы либо спешат, либо отстают в пределах (+ 14) – (-16) минут. Обычные часы помогают решать практические вопросы — не опоздать на работу, вовремя проснуться. Это очень полезная вещь — обычные часы для яхтинга. В мире, где расписание поездов и цена на бензин реальнее самих законов Кеплера, без обычных часов не прожить и дня. Тем не менее, результаты эволюции нельзя отменить и наши тела продолжают жить по истинному солнечному времени и продолжают помнить, как себя чувствовали наши далекие предки, не отделяющие еще время от пространства, а себя от природы и счастливые уже по одной этой причине. Солнечные часы помогают нам более сдержанно оценивать свою роль в этом мире. Они помогают нам не забыть, что Земля — это очень маленькая планета с ограниченными ресурсами, что вращается она вокруг желтой звезды среднего размера, а сама эта звезда всего лишь одна из великого множества ей подобных составляющих нашу малую родину — Галактику Млечный путь.
Как «работают» солнечные часы?
Достаточно долго солнечные часы являлись одним из главных способов измерения времени. Первые солнечные часы существовали уже в Древнем Вавилоне и Древнем Египте. Они упоминаются в Библии (в 38-й книге пророка Исайи).
Принцип работы солнечных часов чрезвычайно прост. Он основывается на движении Солнца по небосклону.
Солнечными часами может служить простая палочка, вкопанная в землю. Поскольку небесное светило в течение дня меняет свое положение на небе, то изменяются и положение, и размеры тени, отбрасываемой палочкой. Она и сообщает о времени дня. Утром тень длиннее и направлена на запад, днем — короче и направлена на север, вечером опять удлиняется и направлена на восток.
Когда Солнце в зените — тень самая короткая и указывает на 12 часов истинного местного времени. Если вокруг палочки нарисовать циферблат, то перемещающаяся в течение дня тень будет указывать на соответствующее деление циферблата. По таким часам было легко узнавать, который час.
Существовали солнечные часы самых различных конструкций: простейшие, более сложные, со специальными корректирующими таблицами, позволяющими уточнять время в любое время года. Были часы маленькие карманные и огромные, как, например, в Джайпуре в Индии — с диаметром циферблата в 30 метров.
©При частичном или полном использовании данной статьи — активная гиперссылка ссылка на alfaed.ru ОБЯЗАТЕЛЬНА
Вас это заинтересует:
Принцип работы солнечных часов
В этих часах тень отбрасывает “гномон” - различный по форме объект, по тени от которого определяется угловая высота Солнца.
Гномон может быть, например, тонким стержнем или фигурой с острым краем. С перемещением Солнца в течение суток - перемещается тень от гномона и падает на отметку с определенным часом. Чтобы показывать корректное время - все солнечные часы должны быть сопоставлены с осью вращения Земли. В большинстве конструкций форма должна указывать на настоящий астрономический север (не путать с Северным или Южным полюсом). Поэтому форма горизонтально ориентированных часов должна соответствовать географической широте. Совершенно нормально для недорогих декоративных часов показывать не совсем корректное время, в связи с сезонными изменениями положения нашего светила.
Существует много вариантов часов: некоторые используют луч от света в качестве индикатора времени, другие могут использовать тень от поверхности. Пятно от света может получиться при прохождении луча через небольшое отверстие или отражаясь от небольшого круглого зеркала. Луч света может получаться при прохождении через тонкий разрез или фокусируясь при прохождении через цилиндрические линзы. Когда время определяется по тени - гномон (предмет, отбрасывающий тень) может быть тонким стержнем или любым другим по форме объектом с острым наконечником или прямым краем. В солнечных часах применяются много различных видов гномона. Гномон может быть фиксированным или переставляемым, в зависимости от времени года. Он может быть ориентирован горизонтально, вертикально, сонаправленный с осью вращения Земли или совершенно ином направлении определяемым математикой.
Диск солнечных часов может также иметь совершенно различную по форме поверхность, чтобы принимать луч света или тень. Плоскость - самая главная и важная часть таких часов, но она также может быть искажена сферически, цилиндрически или конически для большей точности или эстетичности.
Солнечные часы отличаются своей мобильностью и потребностями в ориентации. Корректное использование многих часов требует знания местной широты и быть строго вертикально ориентированными (с помощью уровня или отвеса) и направление на “географический” север. Карманные солнечные часы могут быть самоориентирующимися: например, они могут иметь двое часов, одни из которых будут горизонтальными, другие аналеммические. Соединенные вместе на одной пластине они покажут корректное время только тогда, когда отметки от каждой из них совпадут.
Солнечные часы показывают местное время. Чтобы получить более точное время нужно будет выполнить коррекцию.
Первое - орбита Земли представляет из себя не совсем правильный круг и ось вращения на самом деле не совсем перпендикулярна орбите. Солнечные часы показывают солнечное время, значение которого отличается на различные небольшие промежутки, меняющиеся в течение всего года. Это изменение может достигать 15 минут и может быть рассчитано с помощью уравнения времени. Сложные часы, изогнутой формы или с изогнутыми линиями часовых отметок могут исправить эту ошибку. Но простые солнечные часы наиболее распространены и к ним предлагается специальная табличка с указанием смещения времени в различные периоды года.
Второй момент - долгота местного солнечного времени должна быть скорректирована относительно долготы местной временной зоны.
Так, например, солнечные часы расположенные западнее Гринвича, в Англии, будут показывать более позднее время, чем в официальной временной зоне. То есть время будет позже, чем официальное время в данной местности. Избежание такой ошибки достигается за счет небольшого изменения угла ориентации солнечных часов для совпадения с долготой официальной временной зоны.
Третий момент - переход на летнее время. Множество стран осуществляют переход на летнее время. Коррекция в данном случае достигается, например, использованием двух наборов цифр-индикаторов или их перемещением, либо вращением. Коррекция обычно составляет два часа.
Солнечные часы
История солнечных часов уже насчитывает не одно тысячелетие, но когда именно люди начали их применять достоверно неизвестно. Установлено, что в Древнем Египте, Вавилоне и Китае такими приборами пользовались ранее, чем за тысячу лет до нашей эры. Первые упоминания об определении времени по солнечным лучам с помощью специального устройства относятся к 1306-1290 гг. до н.э.
Любые солнечные часы имеют циферблат со шкалой и часовую стрелку, называемую гномоном. При этом по их ориентации солнечные часы подразделяются на горизонтальные, вертикальные и экваториальные. Существует множество их модификаций, такие как ступенчатые, кольцевые, пластинчатые, зеркальные, бифилярные и другие.
Солнечные часы это не обязательно диск, имеющий перпендикулярный гномон. Так, циферблат может быль полусферой или кольцом. Универсальными экваториальными часами можно пользоваться на всех широтах. В их конструкции участвуют два перпендикулярных друг другу кольца и гномон. Для определения времени необходимо выставить широту по шкале на одном из колец и установить дату. Затем часы поворачивают вокруг вертикальной оси, до появления на циферблате точки, показывающей время. В этот момент одно кольцо ориентировано на север вдоль меридиана, а второе — параллельно плоскости экватора.
В горизонтальных солнечных часах плоскость циферблата не перпендикулярна гномону, который должен быть параллелен земной оси, а также указывать на север, то есть угол между ними равен широте местности. Горизонтальные часы удобны и просты в установке. Для их использования на другой широте достаточно изменить угол и направить гномон на север.
В Древнем Египте были сконструированы разные модели солнечных часов, например, с горизонтальной шкалой, которая составляла угол 90 градусов с плоскостью местного меридиана, а гномонами их являлись обелиски, высота которых обычно достигала нескольких метров. Для того чтобы по ним узнать время, использовалось направление, которое указывала тень от гномона. Еще одни солнечные часы, именуемые «ступенчатыми», имели две поверхности, наклоненные на восток и на запад и поделенные на уровни. При движении солнца тень перемещалась с одной ступени на другую, и время определялось по ее длине.
В Центральной Европе до XV века широкое распространение получили настенные вертикальные солнечные часы, гномон которых был горизонтальным. Правда точность определения времени по ним была невысока.
В тоже время существовало несколько вариантов дорожных хронометров, например, кольцевые солнечные часы. Они представляли собой два кольца, в одном из которых было отверстие для прохождения солнечного луча, а на другое наносились шкалы месяцев и часов. Были еще пластинчатые часы, в конструктивное решение которых входили две, иногда три, одинаковые пластинки, имевшие прямоугольную форму и скрепленные между собой, при этом на нижней устанавливался компас.
Имеется описание средневековых восьмигранных палок с четырьмя сквозными отверстиями в ручках, в которые для определения времени надо было вставлять металлические стержни. Примерно тогда же появились оконные хронометры. Они относились к вертикальным. Принцип работы солнечных часов заключался в использовании окна ратуши или храма в качестве циферблата с нанесенной полупрозрачной шкалой. Это давало возможность узнавать время, находясь внутри помещения. Зеркальные солнечные часы использовали отраженный с помощью зеркала солнечный луч, который они направляли на стену здания, где находился циферблат.
