Проектная работа "солнечные часы". Солнечные часы своими руками

Солнечные часы состоят из трех деталей: гномона то есть предмета, отбрасывающего тень, циферблата, на который эта тень падает и самого солнца. Линии на циферблате, форма и величина гномона рассчитываются индивидуально для каждых часов в зависимости от географических координат места их установки.
Солнечные часы это астрономический прибор, предназначенный для измерения высоты, азимута и склонения солнца. Размерность этих величин – градусы дуги. По своему усмотрению мы можем придавать им различный физический смысл. Так, по значению азимута и высоты солнца над горизонтом мы может измерять время. А по значению склонения — регистрировать даты перехода солнца из одного зодиакального созвездия в другое, определять наступление дня равноденствия, солнцестояния или любой другой даты, например, дня рождения.

Расположение линий на циферблате солнечных часов зависит от ориентации циферблата относительно полюса мира, математического горизонта и небесного экватора. Циферблат же может быть нарисован где угодно, например — на сферической поверхности.
Несмотря на то, что конструкции солнечных часов чрезвычайно разнообразны, большинство людей полагает, что солнечные часы это диск, к которому прикреплен треугольник. Отчасти, это верно. Именно так выглядят наиболее часто встречающиеся горизонтальные солнечные часы.

Рассмотрим, как устроены типичные горизонтальные солнечные часы.

Шкалы .

Главный элемент циферблата это шкала для регистрации времени. Точность шкалы зависит от точности изготовления солнечных часов и тщательности сборки их деталей. Кроме того, точность шкалы определяется размером солнечных часов (чем больше их размер, тем точнее может быть сделана шкала). Деления шкалы представляют собой отрезки так называемых часовых линий. То есть линий, образованных тенью гномона на циферблате солнечных часов. На фотографии ниже часовые линии выделены цветом.

Раньше, до введения в обиход поясного времени, хватало единственной шкалы, предназначенной для регистрации местного времени – то есть времени на меридиане, проходящем через место установки солнечных часов. Теперь на циферблатах можно увидеть две или даже три шкалы. Одну – для регистрации местного времени, вторую – для регистрации поясного летнего времени, а третью – для регистрации поясного зимнего времени. Это делается, чтобы не затруднять пользователя вычислениями. Следует иметь в виду, что это не разные виды времени, а просто разные способы измерения одного и того же.

Бывают особые случаи, когда на циферблат помещают дополнительные шкалы. Необходимость в этом возникает, когда солнечные часы установлены в одной часовой зоне, но предназначены для регистрации времени в другой часовой зоне, отдаленной от места установки тысячами километров. Например, как на этих солнечных часах, которые установлены в г. Умеа (Швеция), но регистрируют время в Москве.

Солнечные часы для часовых зон GMT+3 и GMT+1

Иногда, кроме шкал, предназначенных для регистрации времени, на солнечных часах выполняются шкалы для измерения азимута солнца и высоты солнца над горизонтом а также шкала географической долготы.

Шкала азимутов солнца и шкала высоты солнца над горизонтом, градусы дуги.

Азимут это угол между направлением на полюс и направлением на какой-либо удаленный предмет. В гномонике, в отличие от геодезии, азимут традиционно отсчитывается от направления на южный географический полюс. Это означает, что в момент истинного полудня азимут солнца по определению равен 180º, а в тот момент, когда солнце находится точно на западе или точно на востоке, его азимут соответственно равен 90º и -90º. Большинство людей полагает, что солнце всегда восходит на востоке и заходит на западе. С помощью шкалы азимутов легко убедиться, что это не так. Лишь два раза в году, в дни равноденствий, солнце восходит на востоке и заходит на западе.

Шкалу, измеряющую высоту солнца над горизонтом, обычно помещают на циферблат солнечных часов, предназначенных служить учебным пособием по географии и астрономии. В обычной жизни, в быту, нет необходимости знать, какова в данный момент высота солнца над горизонтом. Но на солнечных часах, установленных на школьной астрономической площадке, такая шкала уместна.

Шкала географической долготы, дополненная названиями городов

Шкала географической долготы позволяет наблюдать перемещение солнца по планете. Когда солнце пересекает какой-либо местный меридиан, на этом меридиане наступает истинный солнечный полдень, солнце занимает высшую точку своего дневного пути а его азимут равен точно 180º. То есть в этот момент солнце находится точно на юге. Если шкалу географической долготы дополнить списком городов таким образом, чтобы название города располагалось напротив соответствующей долготы, то по тени гномона можно, не прибегая к вычислениям, узнать, в каком городе сейчас истинный полдень.

Уравнение времени и аналемма .

На циферблате солнечных часов или рядом с солнечными часами часто помещают таблицу уравнения времени (или его график) и аналемму. Чтобы понять что это такое, необходимо сделать некоторые объяснения. Дело в том, что показания солнечных часов совпадают с показаниями наручных 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. Причина в том, что солнечные часы измеряют истинное, объективно существующее время, тогда как наручные часы измеряют так называемое среднее время, специально придуманное людьми, чтобы упростить процесс его измерения. Чтобы по истинному времени, измеряемому, солнечными часами узнать среднее время, к их показаниям следует добавить специальную поправку, называемую уравнением времени. Уравнение времени это разница между показаниями наручных и солнечных часов. В специальной литературе ее обычно обозначают как µ или ЕоТ. В разные дни года величина µ имеет различные значения. Выраженная графически зависимость µ от календарной даты называется графиком, номограммой или таблицей уравнения времени.

Круговой график уравнения времени и аналемма, предназначенная для вычисления среднего времени по показаниям солнечных часов.

Земля обращается вокруг солнца в плоскости, называемой эклиптикой. Ось вращения земли направлена на север и наклонена к этой плоскости под углом примерно 23 градуса. Это означает, что в течение полугода мы видим, что солнце находится ниже эклиптики. В это время в северном полушарии зима. В течение другой половины года мы видим, что солнце находится выше эклиптики. В это время в северном полушарии лето. Выраженная в градусах дуги высота солнца над эклиптикой называется склонением ρ . Графически выраженная зависимость уравнения времени µ от склонения солнца ρ называется аналеммой. В координатах ρ, µ аналемма представляет собой красивую кривую в форме восьмерки.

Горизонтальные солнечные часы с таблицей уравнения времени и аналеммой, расположенной вдоль часовой линии. На этих солнечных часах аналемма используется в качестве инструмента для поверки механических, электронных или любых иных часов.

Применительно к солнечным часам аналемму можно использовать двумя способами. Первый способ состоит в том, что на аналемме обозначаются точки, соответствующие календарным датам. Тогда, если нам известно, какое сегодня число, мы можем по координате µ определить, сколько минут в этот день нужно добавить к показаниям солнечных часов, чтобы узнать, который сейчас час в терминах общепринятого среднего времени. Заодно, по координате ρ , мы можем узнать величину склонения солнца.

График уравнения времени может быть вырезан из камня и установлен рядом с солнечными часами в качестве отдельного арт-объекта.

Второй способ не требует знания текущей календарной даты. В этом случае специально рассчитанную аналемму, разделённую на отрезки, соответствующие календарных датам, располагают вдоль одной из часовых линий. В тот момент когда тень нодуса (о нем ниже) пересекает аналемму (не часовую линию, sic!), показания солнечных часов совпадают со средним временем, а точка аналеммы, в которой её пересекает тень нодуса, соответствует календарной дате. Расположенную таким образом аналемму очень удобно использовать для поверки механических часов и для определения текущей календарной даты. Если размер солнечных часов достаточно большой, а сопряжение их деталей выполнено точно, мы можем разбить аналемму на 365 участков и таким образом наделить солнечные часы еще одной функцией — служить вечным календарем.

Тень нодуса пересекает «восьмерку» аналеммы дважды. Поэтому использование аналеммы в качестве инструмента для поверки наручных часов и для определения даты предполагает, что пользователю известно, что в аналемме различают две части — зимнюю и летнюю и что они несимметричны друг другу. Графически они похожи на зеркально отраженные относительно друг друга S-образные кривые. Зимнюю часть используют в период между осенним и весенним равноденствием, летнюю — в период между весенним и осеним равноденствием.

Для более подробного знакомства с понятием аналеммы можно обратиться к учебному видео материалу Ивана Королева .

Существуют десятки способов графического изображения этих зависимостей и великое множество приемов выполнения их в материале. Вот некоторые из них.

График и таблица уравнения времени могут быть выполнены из камня и из покрытого золотом, патинированного или состаренного цветного металла.

Гномон .

Гномон это предмет, отбрасывающий тень на циферблат и служащий для регистрации времени. На горизонтальных солнечных часах он обычно имеет форму треугольника, а угол его наклона соответствует географической широте. Плоскость треугольника параллельна местному меридиану, а верхняя его сторона параллельна земной оси и всегда направлена на северный полюс мира. (Разумеется, только в северном полушарии).

Гномон это материальный объект, и у него есть толщина. Ее следует учитывать при расчете циферблата. В шкалах делаются разрывы, ширина которых равна толщине гномона. Строго говоря, у точных солнечных часов есть два гномона – восточный и западный. Западный представляет собой ребро, образованное западной и верхней гранями. По его тени регистрируется время от восхода солнца до полудня. Восточный представляет собой ребро, образованное восточной и верхней гранями треугольника. По его тени регистрируется время от полудня до захода солнца.

Гномон, выполненный методом пластического литья. Бронза, патинирование.

Гномон с фактурной патинированной поверхностью. Латунь.

Гномон с нодусом. На восточной грани гномона награвирована фраза из книги Гарри Гаррисона «Стальная Крыса идет в армию». Латунь, золото 999 пробы.

Одна из граней гномона криволинейна. Делается это, по-видимому, не только из эстетических соображений, но также для того, чтобы не перепутать, какую именно грань следует использовать для регистрации времени. Плоскость гномона не обязательно должна быть сплошной. Она может быть выполнена методом пластического литья, с помощью гидроабразивной резки или любым другим способом, зависящим от предпочтений. Важно лишь, чтобы грань, предназначенная для регистрации времени, была строго прямолинейной и находилась в расчетных точках циферблата.

Гномон нодусом. На западной грани гномона награвирована фраза из текста статьи М.В. Ломоносова «Об усовершенствовании зрительных труб»1762 года.

На солнечных часах обычно бывает только один гномон. Исключение составляют так называемые Оттоманские солнечные часы. На них устанавливают два гномона. Один – для регистрации времени, другой, меньшего размера, — для определения времени исламских молитв. Но бывают исключения. Например, на этих солнечных часах большой гномон предназначен для регистрации времени, тогда как маленький конический предназначен для того, чтобы раз в год, в день рождения владельца, тень от вершины конуса следовала вдоль специально рассчитанной юбилейной линии.

Горизонтальные солнечные часы с двумя гномонами. В день рождения владельца этих солнечных часов тень от вершины конического гномона следует вдоль специально рассчитанной линии.

В очень редких случаях на солнечных часах устанавливают более двух гномонов. Так, на этих солнечных часах имеются три циферблата, каждый из которых снабжен собственным гномоном. Один из них предназначен для измерения истинного местного времени на меридиане места установки, другой предназначен для измерения истинного поясного времени, а третий — для измерения азимута солнца.

Солнечные часы с тремя гномонами.

Нодус, линии склонения, юбилейная линия .

Нодус (в переводе с греческого – узел) это такая точка на гномоне, тень которой соответствует склонению солнца. Склонение - это высота солнца над эклиптикой. Эклиптика - это плоскость в которой Земля обращается вокруг солнца.

Нодус обычно выполняется в виде отметки на полярной грани гномона.

Каждому дню года соответствует определенная величина склонения солнца. По мере того, как солнце, осуществляя свой дневной путь, движется с востока на запад, тень нодуса перемещается по циферблату с запада на восток. Траектория тени нодуса уникальна для каждого дня года и не меняется заметно в течение столетий. Эта траектория называется линией склонения.

Линии склонения. На циферблате награвированы линии склонения, соответствующие датам перехода солнца из одного зодиакального созвездия в другое.

В Международный день музеев тень нодуса следует вдоль специально рассчитанной юбилейной линии склонения.

Линии склонения на циферблате можно рассчитать для любой даты. Но обычно их рассчитывают для дат, имеющий астрономический смысл. Например, для дней равноденствия и солнцестояния. По мере того, как Земля совершает годовой оборот вокруг солнца, звездный фон нашего светила меняется. С незапамятных времен он разделяется на 12 секторов, именуемых зодиакальными созвездиями, а переход солнца из одного зодиакального созвездия в другое многие люди все еще склонны рассматривать как значительное астрономическое событие. Если линии склонения на солнечных часах рассчитать для каждого из этих двенадцати секторов, то у солнечных часов появится еще одна функция. Кроме времени они будут регистрировать дату смены зодиакальных созвездий.

В течение года в жизни каждого человека происходит много событий. Некоторые из них субъективно гораздо важнее, чем смена зодиакальных месяцев. Линия склонения солнца, рассчитанная для такого дня, который имеет особенное значение в личной жизни человека, называется юбилейной линией.

На одном циферблате можно поместить несколько юбилейных линий склонения. По одной для каждого члена семьи.

Обычно юбилейную линию рассчитывают для дня свадьбы или для дня рождения. Но есть немало других событий, достойных сопоставления с положением Земли на ее орбите. Например, день окончания строительства дома, день защиты диссертации, день публикации первого стихотворения – все это очень достойные поводы, чтобы отмечать их ежегодно с помощью солнечных часов. На одном циферблате можно поместить несколько юбилейных линий для каждого члена семьи. А можно на одних солнечных часах сделать несколько циферблатов для каждого из них.

Каждый год в один и тот же день солнечная тень следует вдоль специально рассчитанной юбилейной линии. Так будет продолжаться до тех пор, пока существует Солнечная система. То есть в ближайшие четыре с половиной миллиарда лет.

Чем солнечные часы отличаются от обычных, например механических часов .

Солнечные часы показывают истинное солнечное время.
Наручные часы показывают среднее солнечное время.
Момент, когда солнце достигает высшей точки своего суточного пути и пересекает местный меридиан, называется истинным солнечным полуднем. Промежуток времени между двумя последовательными полуднями называется истинными солнечными сутками.

Истинные солнечные сутки — величина непостоянная. Иногда они длиннее, иногда короче. Стало быть, и части их, то есть часы, минуты и секунды не всегда равны между собой.
Затруднительно сконструировать часовой механизм так, чтобы он шел точно по солнцу, то есть в один день быстрее, в другой медленнее. Поэтому наручные часы показывают не солнечное и некое другое время, называемое средним. Продолжительность средних суток, называемых еще гражданскими, получают путем расчетов. Складывают продолжительность всех солнечных суток года и делят получившуюся сумму на количество суток в году. Гражданские сутки, а стало быть, гражданские часы, минуты и секунды, есть величина постоянная по определению.

До изобретения атомных часов, самой стабильной единицей времени считались звездные сутки, определяемые по промежутку времени между двумя последовательными восходами какой-либо отдаленной звезды. Чтобы измерить продолжительность солнечных суток, а затем путем расчетов определить продолжительность средних суток, по традиции используют именно звездное время — звездные часы, минуты и секунды.

Сравнительная продолжительность суток, выраженная в среднем времени выглядит следующим образом:

Средние солнечные (гражданские) сутки
24 h 00 m 00 s

Истинные солнечные сутки
24 h 00 m 00 s ± 17 m

Звездные сутки
23 h 56 m 4,09 s

Ось нашей планеты наклонена к плоскости ее обращения вокруг солнца на 23°. Кроме того, орбита нашей планеты имеет эксцентриситет, из чего следует, что скорость ее обращения вокруг солнца непостоянна. По этим двум причинам момент времени, приходящийся точно на середину гражданских суток и называемый средним солнечным полуднем, совпадает с истинным солнечным полуднем только четыре раза в году. В остальные дни гражданский полдень либо опережает истинный солнечный, либо запаздывает относительно него. Это же относится вообще к любому моменту времени, а не только к полудню.

Разница между истинным и средним солнечным временем называется уравнением времени. Чтобы по показаниям солнечных часов получить показания наручных, надо учесть уравнение времени. Кроме того, обычно требуется внести поправку на поясное время, декретное время и, если последнее введено, поправку на летнее время.

Обычные часы помогают решать практические вопросы — не опоздать на работу, вовремя проснуться. Это очень полезная вещь — обычные часы. 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.

Большинство людей представляют себе солнечные часы как бесконечно устаревшую древнюю методику отсчёта времени. Ведь все уже привыкли к юлианскому исчислению, равномерности расчёта времени механизмами и электроникой. Спрашивается, зачем использовать солнечные часы в век высоких технологий?

А дело всё в том, что благодаря Солнцу можно получить истинное время данной широты, а не усреднённый показатель. Ведь биоритмы всех живых существ работают по тысячелетним наработанным схемам, которым до директивного регулирования с зимними-летними переводами стрелок «и дела нет». Астрономические циклы играют здесь ключевую роль. Вращение Земли вокруг Солнца и вокруг собственной оси, лунный месяц (оборот луны вокруг оси нашей планеты) – наиболее важные из них. Когда-то человек жил в полной гармонии с природными ритмами, синхронизируя свои активности под солнечные циклы.

Купить солнечные часы вы можете в интернет-магазине newidea-shop.ru входящем в группу проектов компании НОВАЯ ИДЕЯ.

И вот появляется так называемая техносфера, перестраивающая уклад жизни людей. Мы более не любуемся великолепием звёздного неба, не считаем дни равноденствия и солнцестояния сакральными, как наши мудрые предки. И просыпаться стали по будильнику, а не по солнышку. Лишь единицы из нас приветствуют светило, в основном йоги (Сурья намаскур) и спортсмены.

Данная статья осветит некоторые базовые вопросы по тематике солнечных часов.

Что такое солнечные часы и как они работают?

Солнечные часы – это астрономический измеритель склонения и азимута Солнца. Простейшие их разновидности состоят из указателя (гномона – по-древнегречески) и циферблата. Истинное время можно вычислять путём измерения длины и движения тени, отбрасываемой гномоном на поверхность циферблата.

Зачем современным людям солнечные часы?

Привлекательность солнечных часов в технократической современности нисколько не стала ниже. Установленные в городском парке или в другом месте, они делают его более красивым и как бы величественным. Наблюдать за течением естественного времени – довольно необычно и увлекательно, многим нравиться фотографироваться на фоне часов. А что же делает из такими особенными?

Ландшафтный дизайн загородного участка приобретает совершенно особое очарование после установки солнечных часов. Они являются великолепнейшим памятным подарком для близкого человека или делового партнёра. В дизайне часов можно использовать интересную тематику: фамильные гербы, яркие запоминающиеся девизы, обращения, фирменные логотипы.

Памятные даты

После определённых расчётов вполне реально предвосхитить с высокой точностью показание времени, показываемого гномоном на циферблате. Поэтому мы можем спроектировать солнечные часы, отметив желаемую для вас дату – любую, на ваше усмотрение: Дни рождения, семейные юбилеи, дату основания фирмы и т.д.

Изготовление солнечных часов

Материалы для создания могут быть самыми различными. Перед разработкой солнечных часов следует учесть массу факторов: стилистика ландшафтного дизайна, архитектурные особенности здания, окружающую обстановку и, разумеется, предпочтения самого заказчика. Выбор делается также в зависимости от формы и размеров часов.

В парках и приусадебных зонах обычно используется сталь, камень, бетон, дерево, при создании скульптур – нержавейка, бронза, латунь. Для маленьких подарочных и «корпоративных» солнечных часов – древесина благородных пород, мрамор, латунь.

Где лучше купить и заказать солнечные часы?

В компании «Новая Идея » есть энтузиасты гномоники. Это не наука о маленьких человечках-гномах: гномоника исследует солнечные часы. Для них проектирование и изготовление солнечных часов – огромная радость эстетического и креативного достижения. Создать для вас 100% эксклюзивные солнечные часы под заказ доставит сотрудникам огромное удовольствие.

Доверять сложные расчёты и изготовление солнечных часов следует профессионалам, способным проанализировать место будущей установки и не ошибиться в вычислениях. Увы, многим продавцам совершенно неинтересно вникать в суть вопроса, поэтому они предлагают лишь сувенирные и декоративные солнечные часы. Эти изделия – просто имитация добросовестно сделанных. Они служат больше как элемент оформления интерьера или загородного приусадебного участка. Следует учесть и тот факт, что солнечные часы строго привязаны к определённой местности, где и будут использоваться.

Разновидности солнечных часов

Попытки ввести классификацию солнечных часов начались ещё в Древнем Риме. Известный тогда механик и архитектор Витрувий описал около трёх десятков их видов. В плане конструкции солнечных часов они различаются, во-первых, ориентировкой, а во-вторых, формой гномона и циферблата.

Полярные часы с горизонтальным циферблатом

Самыми распространенными солнечные часы на данный момент являются часы с полярным гномоном. В часах такого типа гномон располагается параллельно оси вращения земли и ориентирован в направлении полярной звезды. Угол наклона гномона φ равен широте места расположения солнечных часов , соответственно на полюсах гномон будет располагаться вертикально, а на экваторе горизонтально. Данные солнечные часы часто еще называют парковыми. Их можно расположить на любой ровной поверхности загородного участка или парка, не затененного деревьями или другими строениями.

На сегодняшний день наиболее распространены солнечные часы с полярным гномоном (указателем). Он располагается параллельно оси вращения земли и ориентирован на Полярную звезду из созвездия Малой Медведицы, расположенную около Северного полюса. Угол наклона гномона равняется широте места расположения часов: вертикально – на полюсах, горизонтально – на экваторе. Солнечные часы этого вида также называют парковыми. Их удобно располагать на любой незатенённой ровной поверхности.

Полярные с вертикальным циферблатом

Такие часы в основном устанавливают на фасадах зданий. Сохранились великолепные памятки архитектуры со старинными солнечными часами. При сильной затенённости деревьями расположить их на фасаде – оптимальное решение. Лучше всего, когда фасад располагается строго на Юг. Если же здание отклоняется от сторон света, то следует провести дополнительные расчёты, чтобы учесть угол отклонения.

Это полярные часы с полярным гномоном-осью, расположенным на циферблате, параллельно плоскости экватора. Циферблат разделён на 24 равных части. Тень, указывающая время, движется со скоростью 15 градусов в час. При правильном расположении (угол гномона = широта местности) эти часы будут универсальными.

С учётом зимнего расположения Солнца (ниже плоскости экватора) показания времени зимой считывают в противоположную сторону, а временную шкалу противоположной стороны нумеруют против часовой стрелки.

Это полярные часы, в которых гномон и циферблат расположены параллельно оси вращения планеты. Конструкция имеет один недостаток – ограниченность диапазона показываемого времени (от 7 до 17 часов). Устраняется это за счёт изменения угла наклона циферблата (на восток или на запад), что позволяет расширить диапазон утреннего и вечернего времени. Гномоном может быть стержень и пластина, перпендикулярная плоскости циферблата. На пластину хорошо нанести какую-то фразу, рисунок или знак.

Армиллярная сфера

Подобная разновидность сочетает достоинства экваториальных и полярных солнечных часов, но при этом без их недостатков. Один и тот же циферблат круглогодично показывает время в широком диапазоне значений. Временная шкала расположена на полосе, лежащей в экваториальной плоскости, как в экваториальных часах. Армиллярные солнечные часы также могут выступать в роли календаря, демонстрируя склонение Солнца (обычно для моментов вхождения светила в определённое зодиакальное созвездие).

Солнечные вертикальные часы, аналемматические

Один из наиболее древних видов солнечных часов – это такие, в которых сам наблюдатель является гномоном. Пропорция роста человека к длине его ступней составляет приблизительно 1:6. По длине тени определяется угол расположения Солнца. При этом принимается в расчёт то, что тень отбрасывается в разных направлениях в разное время года, кроме полуденного времени, когда она падает строго на север. В роли циферблата выступает эллипс, лежащий в горизонтальной плоскости. В центре этого эллипса располагается разметка времён года. Гномон устанавливается в нужное время в нужном месте, позволяя определять истинное время. Каждый при желании имеет возможность определить время собственной тенью.

Любопытно, что если в циферблат добавить полярный гномон, то при совмещении показаний двух гномонов ориентация часов сведётся к этому смещению.

В этой разновидности различают два подвида – цилиндрические часы и гемицикл. Цилиндрические представляют собой вертикальный цилиндр-циферблат и горизонтально зафиксированный в верхней части гномон. Горизонтальный указатель-гномон зафиксирован на вращающейся подставке, поворачивающейся по оси цилиндра в положение текущего месяца. Тень ложится вертикально, указывая на временную разметку. Поскольку часы показывают время в зависимости от высоты Солнца, которая дважды в течение светового дня одинакова, то одними часами показывается и утреннее, и вечернее время.

Гемицикл работает по принципу солнечных часов с полярным гномоном, указывая истинное время и склонение светила. Циферблат разбит на равные промежутки времени. Впервые гемициклы появились в Древней Греции, где гномоника достигла высокого уровня развития.

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.

Что для этого нужно

Два плотных листа картона формата А4 (обычный лист писчей бумаги);

I. Делаем циферблат часов

1. Положи лист горизонтально. Примерно в центре листа поставь точку «1» и проведи через нее две взаимно перпендикулярные прямые: горизонтальную и вертикальную.

2. Все построения черти легко, не нажимая на карандаш. Многие линии играют вспомогательную роль и будут стерты впоследствии!

3. Проведи три окружности с центром в точке «1» радиусами 5, 6,5 и 7,5 см.

4. Разметь транспортиром часовые линии по всему кругу вокруг точки «1» через каждые 15°. Началом отсчета возьми горизонтальную линию. Затем проведи эти линии от центра до первой окружности и продолжи их от второй окружности
до третьей.

5. Из тех точек, где вертикальная линия пересекает самую большую окружность (точки «2» и «3»), проведи еще две горизонтальные линии, в точности перпендикулярные этой вертикали. Отмерь от точек «2» и «3» вправо отрезки на этих новых прямых длиной по 9 см и соедини их правые концы еще одним вертикальным отрезком. Теперь левая полуокружность и полученный прямоугольник обрисовывают точный контур будущего циферблата.

6. Продолжи полученный вертикальный отрезок вверх и вниз еще на 1,5 см и соедини полученные точки («4» и «5») соответственно с точками «2» и «3». Полученные два треугольника будут загнуты вверх.

7. Продли две горизонтальные прямые за точки «2» и «3» также на 1,5 см и соедини между собой обе новые точки. Полученная полоса также будет загнута вверх.

8. Чтобы затем скрепить между собой треугольники и полоску на узком катете треугольников, надо нарисовать по отвороту длиной 1,5 см и такой же ширины. Отвороты должны слегка сужаться по мере удаления от стороны треугольника. Точно по стороне они будут загнуты внутрь и приклеены снаружи к полоске.

9. Сотри аккуратно обе внутренние окружности, а также правую половину большой окружности, находящейся внутри большого прямоугольника. Продли часовые линии правой полуокружности до пересечения границ прямо-
угольника.

10. Наметь линию будущего надреза, жирно прочертив ее от правого края прямоугольника на 4,5 см к центру.

11. Подпиши часы у каждой часовой линии циферблата (для этого специально оставлено место между двумя внутренними окружностями). Сперва поставь цифру 12 (или ХП) справа напротив центральной горизонтальной линии (как раз там, где будет надрез для установки гномона). Затем по часовой стрелке разметь линии на увеличение часов, а против - на уменьшение. Циферблат готов!

12. Вырежи полученный циферблат вместе с отворотами. Надрежь лезвием прорезь под ширину твоего картона. Загни треугольники и полосу и склей их между собой.

II. Делаем гномон (указатель) солнечных часов

1. Положи второй лист также горизонтально и отметь на глаз точку примерно в середине нижней стороны листа (точка «5»). Через нее проведи вертикальную линию строго перпендикулярно горизонтальной стороне.

2. Отмерь вверх по этой линии ровно 9 см (это будет точка «6»). От нее, принимая за начало отсчета вертикальную линию, отмерь угол, равный углу наклона экватора в твоем городе (90° минус широта места; для Москвы широта равна 56°, следовательно, угол - 34°).

3. От точки «5» направо отмерь 9 см вдоль нижней стороны листа. Также
и вправо от точки «6» точно по горизонтали отмерь отрезок 1,5 см. Соедини эти две точки. В результате получится трапеция с широким основанием и узкой вершиной.

4. Наметь на правой боковой стороне трапеции широкую дугу, начинающуюся от верхней точки этой стороны и заканчивающуюся на расстоянии 3,5 см от ее нижнего конца.

5. Осталось только пристроить маленький отворот длиной 1,5 см к верхней стороне трапеции, немного суживающейся по мере удаления от стороны. Этим отворотом гномон будет крепиться к циферблату (также с его внешней стороны).

6. Теперь наметь вырез длиной 4,5 см от точки «5» к точке «6» вдоль вертикальной линии.

7. Сделай этот вырез лезвием той же ширины, что и толщина картона. Вырежи и всю трапецию, сохраняя отворот. Гномон готов!

8. Вставь гномон вырезом в вырез циферблата «длинным» треугольником вверх. Часы готовы!

Как ими пользоваться?

Нужно установить часы так, чтобы гномон в точности указывал на Полярную звезду своим острием. Циферблат обращен кверху, но наклонен к горизонту так же, как и экватор. Потому и сами часы, которые ты сделал, носят название экваториальных.

Чтобы обеспечить правильную их установку, достаточно по компасу определить направление на север и так установить часы, чтобы линия 12 – 24 часа была ориентирована на север, а деление «12 часов» циферблата было обращено к северу. Тогда и острие гномона будет устремлено на Полярную звезду. Теперь эти часы показывают тебе, как расположена плоскость небесного экватора, как проходит ось мира.

Проверь, как работают твои часы. Они всегда указывают местное истинное солнечное время. Ты заметишь, что их показания отличаются от показаний механических часов, которые указывают всегда среднее поясное время.

По материалам форума на сайте http://www.starlab.ru

Участник форума по имени tomato пишет:

Коротая остаток отпуска на даче, решил слобать что-нибудь для души-эстетики с астрономическим уклоном. Эко завернул)) Вот, что получилось...

Мраморная плита 60Х40 см., алюминиевый гномон, струны, циферки от дверных номером. Каждый час метался к сему чуду с целью отметить тень.

Часы висят на двух мощных петлях, что позволяет установить их в плоскости восток-запад, имеется фиксирующая штанга. Гномон имеет угол местной широты. Центральная струна (между 12 и 1) отмечает время истинного полдня (13ч.34 мин.)Ходят довольно точно, 3 минуты.

В ответ на это сообщение пишет следующий участник форума по имени VR :

Эти солнечные часы изготовлены и установлены на даче в 2001 г. С тех пор исправно служат без ремонта. После зимы требуется 1 раз в год «подвести» часы (от мороза положение столба слегка изменяется). Стрелка изготовлена из алюминиевой проволоки и ориентирована на полюс мира. Циферблат размещен перпендикулярно стрелке (в плоскости небесного экватора). Цена деления – 10 минут. Но с расстояния 2 метра можно узнать время с точностью 2 минуты. Часы с вертикальным циферблатом, как на предыдущей модели (см. выше), показывают время только 12 часов в сутки, но круглый год. Данная конструкция позволяет узнавать время от восхода до заката, но только когда солнце в южной небесной полусфере, т.е. с марта по сентябрь. Часы видно практически с любой точки участка, а также из дома. Очень удобная штука.

Конструкция часов воспроизведена мной по детским воспоминаниям. В 1965 г., когда мне было 8 лет, мы с родителями отдыхали в окрестностях Анапы. Жили мы в палатке прямо на пляже. Мой отец сделал солнечные часы из листа фанеры, который просто вкопал в песок. Многие отдыхающие, проходя мимо, подводили свои наручные часы по солнечным. Особо любознательные заглядывали под лист фанеры в надежде обнаружить там механизм. Одна женщина, представившись учителем физики в школе, просто потребовала...

Вероятно, это древнейший научный инструмент, дошедший до нас без изменений и представляющий первое применение человеком его знаний о движении небесных тел.

Хотя известны самые разнообразные солнечные часы, все их можно разделить на несколько основных типов. Наиболее распространены часы горизонтального типа; их можно увидеть во многих парках и садах. Часы с вертикальным циферблатом обычно встречаются на стенах, ориентированных по сторонам света. Повернутый циферблат делают у вертикальных часов, размещенных на стенах, которые не ориентированы по сторонам света. А отклоненный и склоненный циферблаты наклонены соответственно от наблюдателя и к нему. Обычно они встречаются на многосторонних часах, объединяющих в себе три или более циферблатов и часто имеющих форму куба; их размещают на крышах и гребнях стен, ориентированных по сторонам света. Повернуто-отклоненный и повернуто-склоненный циферблаты размещают на неориентированных по сторонам света зданиях. У экваториальных и полярных часов плоскости циферблатов параллельны соответственно плоскости экватора и полярной оси. Армиллярные часы имеют экваториальный циферблат; их часто используют для декоративных целей. Они содержат от двух до десяти колец, представляющих большие круги земной и небесной сфер. Часовые деления нанесены внутри экваториального круга, а отбрасывающим тень гномоном служит стержень, представляющий полярную ось.

Древнейшие из известных ныне солнечных часов были изготовлены около 1500 до н.э. Они сделаны из камня в форме бруска длиной около 30 см с вертикальным Т-образным навершием на одном конце. Время отсчитывалось по засечкам, нанесенным на бруске через неравные интервалы. Часы выставлялись горизонтально по отвесу. Т-образный конец утром поворачивали к востоку, а после обеда – к западу. Тень от верхней кромки «Т» указывала время. Эти и другие древние солнечные приборы показывали «неравные часы», образующиеся в результате деления времени от восхода до заката Солнца на фиксированное число частей. Поскольку длительность светового дня в течение года меняется, менялась и длина часа: летом он был длиннее, а зимой – короче.

Сделать такие часы было несложно. Многие из них имели часовые линии для определенных дней года, разделенных примерно месяцем, а также для дат равноденствий и солнцестояний. Часовые отметки на каждый день получали, соединяя точки, на которые ложилась в данный час тень, отброшенная гномоном в дни равноденствий и солнцестояний.

Примерно в начале христианской эры был открыт принцип наклонного гномона, позволившего ввести «равные часы», обеспечившие более точное хранение времени. Было обнаружено, что если стержень гномона направить на полюс мира, то он как бы станет осью той параллельной экватору окружности, по которой обращается Солнце. Разделив ее на 24 равные части, получили часы одинаковой длительности. После этого изготовление точных и равномерно идущих солнечных часов стало простым геометрическим и тригонометрическим занятием.

Эволюция солнечных часов шла бок о бок с развитием математики и астрономии. Однако многие века искусством создания солнечных часов владели только мастера, знакомые с гномоникой. С 14-го по 18-е столетие многие ремесленники проявили изобретательность и мастерство в изготовлении карманных солнечных часов высокой точности, ставших жемчужинами часового искусства.

Появление механических часов не упразднило вплоть до 18 в. использование солнечных часов для хранения времени. Изготовители солнечных часов шли в ногу с конструкторами механических часов, изобретая солнечные приборы для определения «среднего времени». Когда было введено «поясное время», солнечные часы приспособили и для этого. (Поясное время – это среднее солнечное время на определенном меридиане.) В конце 19-го и начале 20-го столетий было сделано много очень точных солнечных часов для определения поясного времени, названных гелиохронометрами .

Постройка часов.

Чтобы от солнечных часов была польза, их нужно сооружать в подходящем месте. Должна быть известна широта места, а также положение относительно горизонта и меридиана той площадки или поверхности, на которой будут нанесены часовые линии.

Важнейшие части солнечных часов – это циферблат , т.е. поверхность, на которой нанесены часовые линии, и гномон для отбрасывания тени. Указатель , т.е. тот край гномона, тень которого указывает время, всегда направляют на полюс мира. Высота указателя – это угол, под которым указатель наклонен к циферблату, а центр циферблата (точка, из которой радиально расходятся часовые линии) – это точка пересечения указателя с плоскостью циферблата. Узел – это особая точка на указателе, тень от которой используют для отсчета высоты, склонения и азимута, а также времени.

Методы определения времени по солнцу.

Существуют три метода определения времени по солнцу: путем измерения его часового угла от меридиана, как в обычных садовых солнечных часах; по измерению его высоты над горизонтом и по его азимуту (угол, измеряемый в плоскости горизонта, между направлением на точку юга и вертикальным кругом, проходящим через солнце), для чего требуется вертикальный указатель у гномона. В большинстве стационарных солнечных часов измеряется часовой угол. Два других метода часто используют в портативных часах.

Существуют также три способа индикации времени: тенью, световой точкой и магнитной стрелкой. В большинстве часов используется тень. Свет редко используют в стационарных часах. А в портативных применяют все три способа. Часы с магнитной стрелкой бывают двух типов. В первом часовые отметки наносят на корпусе компаса, которому обычно придают квадратную форму. Повернув корпус так, чтобы тени на его боковых гранях исчезли, по направлению стрелки считывают время. В приборах второго типа часовые метки наносят на эллиптический пояс, который передвигается в соответствии с днем года, как во многих азимутальных часах. В этом случае также корпус поворачивают до исчезновения тени на боковых гранях и по направлению стрелки считывают время. Часы этого типа более точны; их ошибка определяется лишь тем, что магнитная стрелка отклоняется от истинного направления на север.