У ритмі сонця Сонячний годинник, Журнал Популярна Механіка
Механічний годинник прийнято вважати досить складним пристроєм. Справді, безладне, на перший погляд, нагромадження пружин і зубчастих коліс будь-кого збентежить. Інша справа годинник сонячний: проста палиця, що відкидає тінь на плоский диск. І все ж, як і багато механізмів давнини, сонячний годинник на перевірку виявляється набагато складнішим за механічний. Адже крім циферблату і гномона їх невід'ємними частинами служать астрономічні об'єкти, Земля і Сонце, рух яких щодо один одного підпорядковується набагато складнішим закономірностям, ніж коливання маятника, і не піддається регулюванню. Сонячний годинник відносно простий у виготовленні, однак, щоб точно розрахувати їх конструкцію, необхідні глибокі знання в астрономії та тригонометрії.
У біблійному вірші, наведеному як епіграф, згадується сонячний годинник, побудований в Єрусалимі за царя Ахаза в VIII столітті до н.е. Один з перших сонячних годин, знайдених у похованні Наут (Ірландія), датується 5000 роком до н.е. Обеліски Стародавнього Єгипту та Вавилону використовувалися для визначення часу дня за довжиною тіні. Удосконаленням сонячного годинника займалися найбільші філософи та математики Стародавньої Греції - Анаксимандр, Анаксимен, Евдокс, Аристарх. У древніх народів був поділу діб на 24 рівні частини. На 12 годин вони ділили світловий день, від світанку до заходу сонця, тому в різні пори року довжина години була різною. У стародавньому сонячному годиннику — скафісі — час визначався за довжиною тіні, що відкидається гномоном на поверхню сферичної виїмки, розміченої складними кривими. З введенням рівної години дня і ночі час стали визначати не за довжиною тіні, а за її напрямом.
Модель Землі
Добовий перебіг часу визначається обертанням Землі навколо своєї осі. Щоб зрозуміти основний принцип роботи сонячного годинника, підкинемо дров у багаття Джордано Бруно і уявімо, що об'єкти небесної сфери обертаються навколо нашої нерухомої планети. Подивившись на нічне небо, побачимо, що з часом усі зірки змінюють своє становище, рухаючись по колу навколо Полярної зірки. Лише вона всю ніч майже не змінює свого становища. Справа в тому, що в даний час становище Полярної зірки практично збігається з Північним полюсом світу — точкою на небесній сфері, в яку проектується вісь Землі. Між іншим, з часом становище Північного полюса на небесній сфері змінюється. Так, 5000 років тому найближчим до нього світилом був Тубан, зірка сузір'я Дракона.
Гномон найпростішого сонячного годинника має бути спрямований на Північний полюс світу, інакше кажучи — бути паралельним до земної осі. Циферблат годинника розташовується перпендикулярно гномону. При цьому площина, в якій Сонце подорожує небом навколо нашої планети, також виявиться перпендикулярною до гномону і паралельної циферблату. А це означає, що тінь від гномона подорожуватиме циферблатом рівномірно протягом світлового дня, щогодини проходячи по 15 градусів. Сонячний годинник такої конструкції називається екваторіальним, тому що їх циферблат паралельний екватору.
Молекулярні машини: за що дали Нобелівську премію з хімії -2016
Емблема катастрофи: Кліматична крива
Щоб правильно встановити екваторіальний годинник, необхідно прийняти як орієнтир рівний горизонтальний майданчик (визначається за допомогою рівня або схилу) і встановити циферблат у такій площині, щоб її кут до горизонталі дорівнював географічнійшироті місця. Вона утворює паралель до екватора у разі, якщо гномон годин спрямований на справжній північ. Наприклад, гігантський кам'яний гномон сонячного годинника обсерваторії Джантар-Мантар (Джайпур, Індія, XVIII століття), що піднімається на 27 м над землею, утворює із земною поверхнею кут 26°55'. Перший сонячний годинник у Римі, привезений консулом Валерієм Мессалою з Сицилії, показував час неправильно, оскільки був розрахований для іншої широти.
Північ можна знайти вночі по Полярній зірці. Будьте уважні: напрямок гномона не можна визначати за компасом, оскільки положення Північного магнітного полюса Землі та її географічного полюса не збігаються. Крім того, на Землі існує безліч магнітних аномалій: завдяки металам, що містяться в гірській породі, в деяких куточках планети похибка компаса перевищує 15 градусів.
Екваторіальний годинник має характерну особливість. У літній період (між днями весняного та осіннього рівнодення) гномон відкидає тінь на верхню сторону циферблату, а в зимовий – на нижню. До літа сонце піднімається все вище і вище, і за довжиною тіні можна судити про пору року або навіть місяць. Тому екваторіальний годинник легко доповнити календарем, накресливши на циферблаті концентричні кола, що відповідають місяцям (шість на одній стороні і шість на іншій), і розмістивши на гномоні кулю або отвір, здатний проектувати на циферблат крапку. На відміну від гномона, що відкидає тінь у вигляді лінії, будь-який пристрій, що проеціює на циферблат точку, називається нодусом.
Екваторіальний годинник не вимагає складних розрахунків, для них важливіше позиціонування. Зрозуміло, тіні, що відкидаються гномоном будь-якої форми на вертикальний, горизонтальний, сферичний, будь-який циферблат, також можна пов'язати з часом доби.Розрахунок складних конструкцій сонячного годинника — це насамперед тригонометричне завдання.
В ногу з часом
Простий сонячний годинник, правильно встановлений у певній точці земної кулі, показує місцевий сонячний час, характерний для даного географічного положення та пори року. Сьогодні всі ми живемо за Універсальним координованим часом (UTC), який значно відрізняється від місцевого сонячного. Перша відмінність полягає в тому, що земна куля ділиться на 24 часові пояси, в межах кожного з яких прийнято однаковий час для будь-якої довготи. Місцевий сонячний час, навпаки, для кожної довготи свій. Наприклад, сонячний годинник жителя Санкт-Петербурга покажуть опівдні пізніше, ніж сонячний годинник жителя Москви, тоді як наручний годинник обох громадян йдуть абсолютно синхронно. Отже, щоб змусити сонячний годинник показувати «правильний» час, потрібно як мінімум «підвести» його відповідно до часу часового поясу, змістивши часові лінії. Таке ж усунення слід зробити, якщо у регіоні діє перехід на літній час. Деякі сонячні годинники мають по дві цифрові шкали — для зимового та літнього часу.
Але це ще не все. Вплив річного руху Сонця (тобто руху Землі сонячною орбітою) на добовий біг світила небосхилом змінюється згодом завдяки нахилу земної осі на кут близько 23,5 градуса. Річний рух Сонця найбільш помітно відбивається на добовому, коли лінія перетину площин екватора та екліптики спрямована по дотичній до земної орбіти. Образно кажучи, у цей момент і земний спостерігач і сама Земля рухаються щодо Сонця приблизно в одному напрямку. Це відбувається у дні літнього чи зимового сонцестояння. У дні рівнодення, навпаки, річний та добовий рух Сонцяспрямовані під кутом один до одного, тому їхній взаємний вплив мінімальний. Висловлюючись науковою мовою, в моменти рівнодення проекція дуги екліптики на екватор менша за саму дугу, а в моменти сонцестоянь — більше, тому в різну пору року сонячний годинник матиме похибку, обумовлену нахилом земної осі. Виправлення можна подати у вигляді синусоїди з амплітудою 9,8 хвилини з періодом у півроку.
Один із графічних виразів рівняння часу — це аналема, лінія, що з'єднує всі положення Сонця на небі у різні дні року, але в один час доби. Аналема показує не тільки зсув Сонця по горизонталі, що виражає зміну швидкості його ходу по небосхилу, а й рух по вертикалі. Адже завдяки нахилу земної осі влітку Сонце на небі забирається набагато вище, ніж узимку. Між цими двома усуненнями існує очевидна залежність. Саме вона дозволяє інтегрувати аналему в конструкцію сонячного годинника, щоб дізнаватися по ньому точний стандартний час.
Формули – для краси
Найпростіший приклад аналемічного сонячного годинника — це сферичний екваторіальний годинник з гномоном, виконаним у формі самої аналеми. Наприклад, взимку Сонце піднімається невисоко і відкидає на циферблат тінь від товстої частини аналеми. Її лівий край показує стандартний час із відставанням від сонячного. Влітку, коли Сонце забирається на верх, працює вузька частина аналеми, відкидаючи вужчу тінь. Аналема може бути виражена у вигляді хвилястих годинних ліній, що повторюють графік рівняння часу (наприклад, для полярного сонячного годинника), або у вигляді таблиці на циферблаті. Практично завжди принцип корекції у тому, що довжина тіні вказує календарний день, а напрям — час доби. Користувачеві залишається лишезіставити ці значення.
Гномон, що відкидає тінь на циферблат, — далеко не єдине конструктивне рішення для сонячного годинника. Роль гномона може виконувати сферичне дзеркало (щось на кшталт «кришталевої кулі» на дискотеці), який у певний момент часу відкидає у відповідні частини циферблату сонячних зайчиків. Існує чимало незвичайних годинників. Яскравий приклад: годинник з циферблатом, нанесеним на вікно в приміщенні, який сонячного дня відкидає на підлогу тінь з потрібним значенням часу. Біля підніжжя 101-поверхового хмарочоса Тайбей 101 у Тайвані облаштовано круглий парк. Його доріжки і дерева складають циферблат сонячного годинника, який як на долоні видно з вікон хмарочоса. Гномоном годинника служить сама будівля. У парку сонячного годинника Бельгійського міста Генк можна зустріти цифровий сонячний годинник. Всередині цього складного пристрою сонячний годинник піддається численним заломленням і, здійснивши подорож системою дзеркал, підсвічують ті чи інші точки екрану. На чорному екрані гарними білими цифрами висвічується час у годинах та хвилинах. Наприкінці XVIII — початку XIX століття в європейських парках попадався сонячний годинник з полуденним боєм. Точніше, не з боєм, а з оглушливою пальбою. Годинник був влаштований таким чином, що опівдні сонячні промені падали на лінзу, під якою розміщувався холостий патрон. Посилене лінзою сонце підпалювало порох, і лунав оглушливий постріл. Протягом року положення лінзи та патрона багаторазово регулювали, щоб південний залп лунав о 12:00 за місцевим поясним часом.
Сучасна гномоніка – це цікаве наукове хобі. Любителі сонячного годинника розробили сотні різноманітних конструкцій, і їх кількість постійно зростає. Розробка та будівництво годинників - це найбільшою мірою астрономія,математика та геометрія та у найменшій — робота руками. У цьому ви можете переконатись, зібравши дві досить складні та точні моделі із заготовок, розміщених на сторінках журналу.
Цей годинник розрахований для Москви. Щоб зробити такі ж у своєму регіоні, ви можете скористатися однією зі спеціальних комп'ютерних програм для розрахунку аналемічних циферблатів, які легко знайти в інтернеті. Розробка таких програм – це окрема галузь гномоніки як хобі. Вони допомагають любителям сонячного годинника не забивати собі голову математикою і зосередитися на експериментах.
Так що не лякайтеся формул, наведених в описах до окремих моделей годинників, - вони тут просто для краси!