Как работают солнечные часы. Как сделать солнечные часы своими руками для детского сада из бумаги и картона, на даче своими руками в домашних условиях: фото, идеи

Древнейший механизм для определения времени. Солнечные часы - простейший прибор, но в нем заложены знания и наблюдения наших древних предков. В настоящее время солнечные часы используются как ландшафтное украшение. На примере солнечных часов родители учат своих детей строению солнечной системы, да и сама постройка солнечных часов своими руками - увлекательнейшее занятие для наших детей, например, будучи на пляже. При изготовлении солнечных часов надо знать некоторые моменты и особенности их конструкции, о которых мы и расскажем в этой статье.

Из чего состоят солнечные часы

Солнечные часы состоят из стрелки-указателя, отбрасывающей тень (эта стрелка называется гномон) и циферблата солнечных часов. Время по солнечным часам определяют по тени, отбрасываемой гномоном на циферблат. Все просто, однако есть некоторые особенности. Циферблат солнечных часов делится на 24 часа, а не на 12 часов, как в обычных механических часах. Циферблат или гномон должны быть наклонены над плоскостью. Солнечные часы не учитывают переход на летнее время. Солнечные часы работают только в ясную или малооблачную погоду в светлое время суток. Вот и все ограничения солнечных часов .

Существует несколько видов солнечных часов . Давайте разберемся с ними по-порядку.

Можно делать прямо на песке на пляже. Для начала нам нужно знать две вещи: на какой широте мы находимся и где находится север. Если вторую часть можно установить методом подбора, то с первой придется быть подготовленным. Итак, у нас есть компас и мы знаем свою широту (Санкт-Петербург - 60, Москва - 55, Нижний Новгород - 56, Екатеринбург - 56, Сочи - 43, Ростов-на-Дону - 47, Новосибирск - 55, Владивосток - 43 градусов северной широты). Если мы делаем циферблат солнечных часов на переносимой поверхности - чертим круг и делим его на 24 части. Если делаем солнечные часы на земле, рисуем круг, в центр круга вставляем палку (гномон) и наклоняем ее на север так, чтобы угол между поверхостью земли и гномоном был равен нашей широте, от нижнего конца гномона ровно на север рисуем черту - это будет 12 часов дня по астрономическому времени. Остальные линии расчерчиваем, деля весь круг на 24 равных сектора. Каждый сектор солнечных часов равен 15 градусам.

Здесь нас ожидает засада. После грамотного разграфления циферблата и наклона гномона, время показывающее солнечными часами может отличаться от времени, которое показывает местное телевидение. Проблема кроется в декретном времени и часовых поясах, которые были для удобства созданы искусственно. Переносимый циферблат с легкостью решит эту проблему, просто вовернем его, пока время не будет правильным. С часами, нарисованными на песке чуть посложнее, этот момент надо учесть при начале разрисовывания циферблата. Например, можно отложить разметку циферблата до 12 часов, когда мы и север без компаса определим и точно главную ось циферблата наших солнечных часов нарисуем. Если ждать некогда, и творчество рвется из Вас, разграфите циферблат солнечных часов в черновом варианте и скорректируйте свой циферблат на ту погрешность, которая у Вас получилась.

В наших широтах солнечные часы работают в самый разгар лета часов с 8 утра и до 8 вечера, так что расовать числа между этими значениями практически бессмысленно. Из-за этого часто на круглом циферблате основание гномона сдвигают вниз.

Те же самые горизонтальные часы, только гномон установлен четко вертикально, а сам циферблат наклонен к поверхности земли на угол широты места установки таких часов.

Вертикальные солнечные часы.

Вертикальные солнечные часы обычно крепят на стенах домов. Тот же самый наклоненый гномон и расчерченный через 15 градусов циферблат.

Обычно в городах делают смешанный тип солнечных часов , т.е. на половину угла наклоняют циферблат, наполовину угла наклоняют гномон. Такое построение солнечных часов смотрите эффектнее, собственно, из-за чего их и делают.

Построение солнечных часов своими руками действительно увлечет Вашего ребенка и, кроме того, расширит его кругозор.

История солнечных часов

Человек изобрел для измерения времени целый ряд инструментов, например, лунные, водяные, свечные часы, которые использовались вплоть до XVIII века, затем песочные часы и от XVI до XVIII века масляные часы. Однако из-за своей зависимости от внешних условий и их колебаний, равно как и из-за технического несовершенства эти средства измерения времени не нашли всеобщего применения.

По современной хронологии уже 4000 лет назад уже повсюду существовали часы различной степени сложности. Первыми попытались их сделать египтяне, которые изобрели звездные часовые карты, и можно было определить ночное время, наблюдая за подъемом звезд. Что касается дневного времени, то поздние египтяне изобрели теневые часы (солнечные часы). Тень от поперечной балки постепенно пересекала ряд меток от восхода и до заката солнца. Набор инструкций для изготовления таких часов был найден в могиле фараона

Сети I, который правил примерно в 1300 году до н.э. Такие простые теневые часы были предшественниками солнечных .

Особо благоприятные климатические условия для измерения времени с помощью солнечных часов имел Египет. Известия о самых древних из древнеегипетских солнечных часов относится к эпохе правления Тутмоса III - первой половине XV в. до н.э. Одним из видов солнечных часов были ступенчатые часы в виде обелиска с двумя наклонными поверхностями, ориентированными по оси на восток - запад и разделенными на ступени. При восходе Солнца тень падала на край верхней ступеньки одной из этих поверхностей - восточной, затем постепенно опускалась, пока к полудню полностью не исчезала. Затем, после полудня, тень снова появлялась в нижней части западной поверхности, откуда она все поднималась до тех пор, пока при заходе Солнца не касалась грани верхней ступеньки.

На описанных солнечных часах время измерялось длиной, а не направлением отбрасываемой тени. Однако египтяне имели солнечные часы и со шкалой для определения направления отбрасываемой тени. Известный римский архитектор и зодчий Маркус Витрувий, работавший во времена правлений Цезаря и Августа, описывает в своем сочинении "Архитектура" не менее 13 видов солнечных часов.

К ним относятся и не совсем обычные для северных областей Европы горизонтальные полые полусферические солнечные часы - так называемые гемисферы. Внутренняя поверхность полушария представляла небесную полусферу с линией экватора, двумя линиями солнцестояния и с двенадцатичасовой шкалой времени. Изобретение таких часов приписывают известному античному астроному Аристарху из Самеса, жившему в 320 - 250 гг. до н.э который изготовил также солнечные часы с полукруглымишкалами, разделенными на пять частей (часов) неодинаковой длины. В совершенствовании греческих солнечных часов большое участие принимал и известный математик, врач, основатель греческой астрономии Евдокс из Книдоса, живший в 408 - 356 гг. до н.э. Острый конец гномона, служивший первоначально египтянам для четкого ограничения тени на шкале, греки позднее заменили небольшим круглым отверстием, так называемым солнечным оком, бросавшим на шкалу небольшую световую точку. Кроме указанных выше горизонтальных часов, греки имели еще и более совершенные вертикальные солнечные часы , так называемые гемоциклы, которые они располагали на общественных зданиях. Все древние солнечные часы были основаны на простом принципе гномона, у которого длина и направление отбрасываемой тени зависели не только от положения Солнца в данный момент на небосводе, но и от времени года.

При римском способе деления дня и ночи на 12 часов весной и летом удлиняли дневные часы, а осенью и зимой их укорачивали. Античные солнечные часы вследствие своего несовершенства указывали такое время, главной чертой которого было то, что под влиянием изменяющегося наклона Солнца изменялась в течение года длина дневных и ночных часов. Более поздние античные и многие средневековые солнечные часы имели криволинейные шкалы, устраняющие этот недостаток. Такими часами с более сложными и более точными шкалами времени, вычисленными для квартальных или месячных интервалов, пользовались примерно до XV века. Новую эпоху в развитии солнечных часов открыло важное изобретение, датирующееся 1431 годом. Принцип его заключался в установке теневой стрелки в направлении земной оси. Этим простым нововведением было достигнуто то, что тень стрелки, называемой полуосью, после этого нововведения равномерно вращалась вокруг полуоси, поворачиваясь каждый час на 15 градусов. Это дало возможность ввести равномерное время, которым можно было пользоваться в течение всего года, причем отрезки, соответствующие часам, были одинаковой длины независимо от изменяющейся высоты Солнца. Следующим этапом в развитии солнечных часов стали солнечные часы с компасом. К первым создателем солнечных часов с корректирующим компасом относится астроном и математик

Региомонтан. с циферблатом, параллельным плоскости земного экватора, и гномоном, перпендикулярным ей, были, по существу, простейшими часами с равномерной шкалой времени. Создатели таких часов обычно исходили из того, что ими будут пользоваться в различных географических широтах. Иногда такие часы имели стрелку с зубчатой передачей и малый циферблат со стрелкой для отсчета минутных интервалов с точностью от 1 до 3 минут. Такие часы назывались гелиохронометрами.

Были и экваториальные часы, устроенные так, что их циферблат указывал непосредственно среднее солнечное время , а не местное солнечное время , как у обычных экваториальных часов. Разновидности солнечных часов были весьма многообразны. Интересны кольцевые солнечные часы - один из вариантов дорожных солнечных часов которые очень часто одновременно служили и в качестве декоративной подвески.

Главной частью таких солнечных часов было латунное кольцо диаметром несколько сантиметров с другим передвижным кольцом, снабженным отверстием для солнечного луча. На внешней поверхности главного кольца обычно гравировали начальные буквы наименований месяцев, а против них, на внутренней поверхности, находилась часовая шкала. Перед измерением надо было повернуть меньшее, обычно железное, колечко так, чтобы отверстие для луча лежало у наименования соответствующего месяца. При измерении времени держали часы в положении, позволяющим солнечному лучу проходить через отверстие в шкале. На подобном принципе строились и так называемые экваториальные кольца - аналогичные часы, на главном кольце которых имелись еще два пересекающихся друг с другом круга. Позднее возник новый вариант с поперечиной вместо третьего кольца.

На одной стороне этой поперечины были указаны месяцы, а на другой - знаки зодиака. Посередине имелась перемычка с малым отверстием для прохождения солнечного луча. Правильное положение этих часов при измерении времени было таким, когда солнечный луч, проходящий через отверстие, попадал на центральную линию экваториального круга. В заключение этого раздела хотелось бы коротко остановиться на одной из моделей дорожных солнечных часов , используемых индийскими путешественниками. Они представляли собой деревянные восьмигранные палки с металлическим острием длиной 160 см с вырезанными часовыми шкалами. В отверстие над шкалой для соответствующего месяца вдвигался стержень длиной около 15 см так, чтобы его острие при вертикальном положении палки отбрасывало тень на шкалу. На палке должно было быть 12 шкал. Поскольку для дней, удаленных от солнцестояния на одинаковое время, действовали одинаковые условия, то достаточно было иметь 8 шкал. Наименование ашадах эти часы получили по тому сезону (июнь-июль), в котором совершались путешествия. Солнечные часы никогда не утрачивали своего значения и продолжают конструироваться еще и в наши дни. Римляне усовершенствовали солнечные часы, с которыми мы знакомы в настоящее время, и даже сделали солнечные переносные часы , удобные для путешествий. Они просуществовали тысячелетия и еще долгое время оставались средством проверки и координации для очень ненадежных колесных часов, пока не были окончательно вытеснены благодаря изобретению спиральной пружины в качестве регулятора хода (1674г.), но об этом мы расскажем ниже.

Мы рассмотрели устройство и функционирование солнечных часов, которые с годами совершенствовались и изменялись. Солнечные часы с передвижным по высоте полюсом, компасом и шкалами с минутным делением были простым и надежным указателем солнечного времени, но страдали и некоторыми серьезными недостатками. Их работа была связана с солнечной погодой и с ограниченным периодом работы - между восходом и заходом Солнца. Поэтому новые приборы для измерения времени принципиально отличались от солнечных часов. В то время как единица времени по солнечным часам выводилась из вращения Земли и ее движения вокруг Солнца, надо было создать искусственный эталон единицы времени, например, в виде интервала времени, необходимого для вытекания определенного количества вещества в хронометрическом устройстве.

В солнечный день любой столб отбрасывает тень. Чтобы узнать сколько времени, люди мерили тень шагами. Утром она была длиннее, в полдень становилась совсем коротенькой, а к вечеру опять удлинялась. Столб, которым пользовались как часами, назывался гномоном.

Гномон - солнечные часы, были первыми часами, измерявшими время по длине отбрасываемой тени. У многих народов эти обелиски служили одновременно для почитания культа бога Солнца.

Индийские нищенствующие монахи - факиры превратили в часы обыкновенную дорожную палку – посох. Посох этот был восьмигранный. Наверху в каждой грани высверлено отверстие, в которое вставлялась маленькая палочка. Чтобы узнать, который час, факир поднимает свой посох, держа его за шнурок. Тень, падающая от палочки на грань отвесно висящего посоха, показывала время. На грани посоха вырезаны черточки, обозначающие часы. Но зачем нужно столько граней? Казалось бы, достаточно и одной, но дело в том, что в разное время года видимый путь солнца различен. Поэтому и тень, которая во всем зависит от солнца, ведет себя летом и зимой неодинаково. Летом солнце поднимается на небе выше, чем зимой; оттого тень в летний полдень короче, чем в зимний. Вот почему посох сделан многогранным. Каждая грань размечена для одного какого-нибудь времени года и не годится для другого.

Представьте себе древний город Вавилон около 3,5 тысяч лет тому назад Каждый день от восхода до заката Солнца наверху старинной башни, где была обитель верховного божества Эилиля, находился дежурный жрец и наблюдал за движением солнечной тени от вершины столба.

Стоило тени коснуться очередной линии, как он подносил ко рту рог и громко оповещал: «Знайте, свободные и рабы, миновал еще один час после восхода Солнца!»

Из Вавилона солнечные часы разбрелись по миру. Раньше по главной площади древнегреческого города Афины бегали люди-часы и сообщали желающим, который час. Они узнавали время по единственным в городе солнечным часам и за мелкую монету сообщали время. Вавилоняне научили древних греков делить время на равные промежутки - часы. Они же научили греков строить новые солнечные часы - первые часы с циферблатом.

В солнечных часах небольшой стержень (гномон) укрепляли на плоскости (кадран), разграфленной линиями, - циферблате, часовой стрелкой служила тень от гномона.

Исторические источники считают самым первым упоминанием о солнечных часах сообщение о них в рукописи китайца Чиу-пи периода около 1100 г. до н.э.

Первые обелиски и пилоны, предназначавшиеся в Египте для измерения времени, были построены, по всей вероятности, уже в XIV в. до н.э. До сих пор сохранился такой обелиск высотой в 35,5 м на площади св. Петра в Риме, который был доставлен туда в 38 г. Калигулой из Гелиополиса.

Известны более ранние сведения о солнечных часах в Древнем Египте, например, изображение солнечных часов и способа пользования ими на гробнице Сети около 1300 г. до н.э

Известия о самых древних из древнеегипетских солнечных часов относятся к эпохе правления Тутмоса III – первой половине XV в. до н.э. Египетские гномоны были весьма неточными хронометрическими приборами. Они показывали время правильно лишь дважды в год – в дни весеннего и осеннего равноденствия. Позднее под влиянием греков египтяне стали строить солнечные часы с особыми шкалами для разных месяцев.

В Средние века солнечные часы могли выглядеть неожиданно. На площади, опираясь на косу стояла скульптура старухи-смерти, а древко ее косы являлось гномоном горизонтальных часов.

Разновидности солнечных часов были весьма многообразны. Кроме горизонтальных часов, греки имели еще и более совершенные вертикальные солнечные часы, так называемые гемоциклы, которые они располагали на общественных зданиях.

Были и зеркальные солнечные часы, которые отражали солнечный луч зеркалом на циферблат, расположенный на стене дома.

Солнечные часы встречались не только в виде часов, расположенных на открытом воздухе – на земле. колоннах и т.п., но и в виде небольших настольных часов.

Приблизительно в начале XVI в. появились оконные солнечные часы. Они были вертикальными, и их циферблатом была поверхность окна храма или ратуши. Циферблат этих часов, встречающихся довольно часто в Германии и в Англии, обычно состоит из мозаичной филенки, залитой свинцом. Прозрачная шкала позволяла наблюдать время, не выходя из здания.

Существовали и переносные солнечные часы, но они показывали правильное время, если были верно установлены, т.е.сориентированы.

К первым создателям солнечных часов с корректирующим компасом относится астроном Региомонтан, работавший в середине XV в. в Нюрнберге. Сочетание солнечных часов с компасом привело к тому, что солнечные часы стало возможным использовать повсеместно и появились их портативные, карманные или дорожные модели.

В 15-16 вв. пользовались карманными солнечными часами. Когда крышку коробочки поднимали, между ней и донцем натягивался шнурок - гномон. На донце - горизонтальный циферблат, а на крышке - вертикальный. Встроенный компас позволял развернуть гномон к северу, а миниатюрный отвес - держать коробочку горизонтально. Тень гномона показывала время сразу на оба циферблата. Специальная бусинка, закрепленная на гномоне, своей тенью отмечала дату года.

В минувшую войну во влажных и жарких дебрях Африки где воевали солдаты, современные механические часы безнадежно ломались. А простые маленькие солнечные часы из пластмассы не боялись ни влаги, ни жары, ни пыли. Для задания правильного положения карманные солнечные часы должны иметь встроенный магнитный компас или сами поворачиваться на север.

Самые большие солнечные часы «Самрат Янгра» имеют длину гномона 27 м и высоту 36 м. Они построены в 1724 г. в Джайпуре, Индия.

Самый современный вариант!

В США запатентованы цифровые солнечные часы, не имеющие подвижных деталей. В зависимости от положения солнца солнечный свет, проходя через фильтры (в виде цифр), высвечивает на табло время с точностью до 10 минут.

На дороге, ведущей из Петербурга в Москву, до сих пор стоят кое-где каменные верстовые столбы, поставленные еще при Екатерине II. На столбе с одной стороны надпись: «от Санкт-Петербурха 22 версты», а с другой - плита с железной треугольной пластинкой посередине и римскими цифрами вокруг. Римские цифры обозначают часы. А стрелки заменяет тень от пластинки. Тень движется, как стрелка часов, и показывает время.

Солнечные часы живы до сих пор, хотя и имеют большой недостаток: ночьюи в пасмурную погоду они бесполезны.

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.

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.

Здравствуйте, дорогие читатели КАРТОНКИНО.ru! Весна... Где-то она уже в самом разгаре, где-то её прихода пока только ждут, через месяцок-другой, но солнце везде светит ярче и дольше. И у нас есть прекрасная возможность пустить солнечный свет в дело, смастерив солнечные часы своими руками . Разумеется, они не заменят традиционные — механические и электронные — часы, но самоделка эта — очень занимательная, а для представителей подрастающего поколения — ещё и познавательная, ведь модель солнечных часов, которую мы будем делать, — самая что ни на есть действующая, а её изготовление потребует определённых знаний в области астрономии и тригонометрии.

Существует немало разновидностей этого древнейшего прибора для измерения времени. Но среди всего многообразия солнечных часов, когда-либо использовавшихся, в качестве основных или классических выделяют следующие типы:

— экваториальные (у таких солнечных часов плоскость кадрана (циферблата) параллельна экватору, а гномон (та часть, которая отбрасывает тень), обычно представляющий собой металлический стержень, параллелен земной оси);

Экваториальные солнечные часы на берегу Темзы (Лондон, Англия)

— горизонтальные (плоскость кадрана параллельна плоскости горизонта, а гномон имеет форму треугольника, одна из сторон которого наклонена к плоскости кадрана на угол, равный географической широте места установки часов);

Горизонтальные солнечные часы (Лимассол, Кипр)

— вертикальные (как следует из названия, циферблат таких часов размещается в вертикальной плоскости, обычно на стенах зданий).

Настенные солнечные часы (Собор Или, Англия)

Мы с вами будем делать солнечные часы экваториального типа, как самые простые в изготовлении. Благодаря тому, что циферблат устанавливается параллельно экватору, а солнце движется по небесной сфере практически равномерно, тень от гномона за каждый час будет смещаться на угол, равный 15°. Поэтому часовые деления на циферблат наносятся также, как и в обычных часах, только отметок нужно не 12, а 24. Понятно, что верхняя часть циферблата вряд ли пригодится, разве только жителям заполярья, когда наступит полярный день, и солнце будет светить круглосуточно.

Чертить циферблат самостоятельно необходимости нет, можете воспользоваться готовыми шаблонами — круглым или квадратным (какой больше по душе):

Наша задача сводится к тому, чтобы правильно сориентировать в пространстве солнечные часы. Угол наклона циферблата относительно горизонтальной плоскости определяется так:

α=90°-φ ,

где φ — географическая широта. Узнать широту своего места жительства можно по карте или в Википедии.

А зная необходимые углы, очень просто сделать для наших солнечных часов наклонную подставку из картона или бумаги и потом наклеить на неё распечатанный на принтере циферблат либо подготовить в графическом редакторе развертку корпуса часов с нанесённым изображением циферблата.

Размеры шаблона циферблата нам известны. Боковая сторона корпуса представляет собой прямоугольный треугольник. Таким образом, нам известны длина гипотенузы С и углы треугольника, а длины катетов A и B рассчитываются по тригонометрическим формулам:

A=C×sinα

B=C×cosα

Остаётся только начертить развёртку по полученным размерам, можно даже без боковых стенок.

Я сделала корпус с открывающейся задней крышкой (ниже объясню, для чего):

Что ни делай, всё равно коробочка получается

Ну вот, теперь в центре циферблата нужно установить гномон. Для этого можно использовать любой подходящий по размеру стержень (например, пластиковую трубочку от пакетика с соком). А можно также сделать его из картона или бумаги:

— вырезаем прямоугольную полоску шириной 60 мм (длину определяем эмпирически, на глаз, так, чтобы при сворачивании получилась плотная трубочка диаметром около 5-6 мм с небольшим отверстием);

— наклеиваем на 1 край двусторонний скотч и сворачиваем трубочку;

— вырезаем ещё одну прямоугольную полоску шириной 15-20 мм и также сворачиваем ее в трубочку диаметром, совпадающим с диаметром отверстия первой трубочки;

— отрезаем часть первой трубочки на расстоянии 10 мм от края (это будет что-то вроде гайки)

и соединяем детали;

— закрепляем гномон на циферблате, фиксируя его с обратной стороны «гайкой» (тут-то и пригодилась открывающаяся крышка).

Солнечные часы готовы. Теперь, чтобы они работали правильно, нужно поставить их на освещённом солнцем месте (на подоконнике, на балконе и т.д.) так, чтобы гномон «смотрел» на север (направление определяем по компасу).

Конечно, ждать точного совпадения показаний таких солнечных часов с показаниями обычных часов не стоит. Во-первых, солнечные часы, показывающие истинное солнечное время, не учитывают поясное время в конкретной местности. Во вторых, не стоит забывать, что магнитный и географический полюса Земли имеют расхождение, и то, что часы мы ориентировали по магнитному полюсу, также внесёт некоторую погрешность.

И наконец, главный момент, с которым также придётся считаться, — экваториальные часы работают только в период между днями весеннего и осеннего равноденствия. Всё остальное время время верхняя поверхность кадрана будет находиться в тени. Но день весеннего равноденствия в северном полушарии уже скоро, так что ждать остаётся недолго. Времени как раз хватит, чтобы сделать солнечные часы своими руками и настроить их на работу.

Успешных вам экспериментов!

Понравилась статья? Впереди ещё много интересного — подписывайтесь на обновления и получайте анонсы прямо себе на почту!

Кстати, уже готов новый мастер-класс по изготовлению солнечных часов. На этот раз речь идёт о модели карманных часов горизонтального типа.

До новых встреч в КАРТОНКИНО!