Сначала немного теории
Много тысячелетий люди определяют время по солнцу. Простейшие солнечные часы (гномон), состоящие из вертикального стержня (собственно гномона), расположенного на горизонтальной площадке, были известны еще в 3-м тысячелетии до нашей эры. Время по таким, да и всем другим, солнечным часам определяют по тени, которую отбрасывает гномон на площадку (кадран), устроенную вокруг гномона (или рядом с последним). В зависимости от ориентации плоскости кадрана различают обычно горизонтальные и вертикальные солнечные часы. Мы же здесь рассмотрим наклонные солнечные часы, которые представляют из себя гномон, установленный на наклонной плоскости (рис. 1).
1 - кадран; 2 - гномон; 3 - тень от гномона. |
Поверхность кадрана нанесенными на нее часовыми делениями разбита на угловые секторы, то есть является циферблатом часов: Для определения времени в центре кадрана, перпендикулярно к его плоскости, установлен стержень - все тот же гномон. Тень, падающая от гномона на поверхность кадрана, выполняет роль часовой стрелки, показывающей время.
Угол наклона плоскости кадрана к северу равен 90° минус угол φ, где угол φ равен географической широте местности. Широту местности легко узнать по обычной географической карте. В Подмосковье, например, наклон кадрана должен составлять 90°–34°, так как 56° - географическая широта Москвы.
Счастливчику, проживающему в доме, где северный скат крыши ориентирован строго в направлении «юг-север» с углом наклона, близким к 35°, обзавестись солнечными часами ничего не стоит. Отклонение угла наклона крыши на 2...3° в ту или иную сторону не потребует ее переделки, так на точности хода часов это заметно не скажется.
Простейшие солнечные часы на крыше дома
Градуировка кадрана
Как уже говорилось, в качестве кадрана мы будем использовать плоскость северного ската крыши. (Если крыша ориентирована по-другому, солнечные часы придется делать на какой-нибудь другой площадке.) Циферблат астрономических солнечных часов представляет собой круг, поделенный радиусами, исходящими из его центра, на 24 часовых сектора, с центральными углами по 15° (рис. 2).
Разбивку плоскости на секторы начинают от полуденной линии, проходящей через центр кадрана в направлении с севера на юг и совпадающей с направлением тени от гномона в 13 ч по декретному времени. Секторную разметку дополняют цифрами.
Напомним, что в России декретное время - поясное время, переведенное на 1 ч вперед. А поясное время - система счета времени, основанная на разделении поверхности Земли на 24 часовых пояса. Таким образом во всех пунктах в пределах одного пояса в каждый момент поясное время одинаково, в соседних же поясах оно отличается на 1 ч. Часовые пояса образованы соседними меридианами, отстоящими по долготе на 15° друг от друга. Как известно, началом отсчета географических долгот Земли является нулевой (Гринвичский) меридиан. Так вот, этот нулевой меридиан является средним меридианом нулевого часового пояса. Возвращаясь к декретному времени отметим, что во 2-м часовом поясе, в котором расположена Москва, оно на 3 ч опережает всемирное время, то есть местное время нулевого меридиана.
Разметку кадрана (кровли) проще всего произвести с помощью веревочного равностороннего треугольника. Для этого на прочном шнуре или веревке наносят отметки, например, завязывают узелки-петли, делящие шнур на три равные части, после чего концы шнура соединяют, образуя кольцо. В месте соединения концов шнура к этому кольцу привязывают груз, который в последующем будет выполнять роль отвеса (рис. 3).
Одну из сторон треугольника, смежную с углом, к вершине которого привязан груз, делят метками, например, проволочными хомутиками, на четыре части так, чтобы длины полученных отрезков находились в соотношении 27:23:23:27. При таком соотношении отрезков лучи, соединяющие концы отрезков стороны треугольника с противолежащей вершиной, делят угол при этой вершине (а он равен 60°) на четыре угла по 15° каждый.
Далее в центре циферблата, то есть в месте установки гномона, закрепляем на крыше реперный стержень (забиваем длинный гвоздь). Надев на стержень одну из двух петель при вершине веревочного треугольника (см. рис. 3), груз-отвес отпускают, в результате чего сторона треугольника, один конец которой укреплен на гвозде, а к другому привязан груз, совпадет с полуденной линией. Конечно, это произойдет лишь в том случае, когда крыша наклонена строго на север (рис. 4). Вторую петлю отводят в сторону, например, вправо, так, чтобы на плоскости крыши образовался веревочный равносторонний треугольник. Понятно, что сторона треугольника с грузом не должна сместиться с полуденной линии. Теперь на кадране (скате крыши) отметим положения концов отрезков, на которые мы разделили одну из сторон треугольника, например, делая отметки маркером.
 |
После разметки правого нижнего сектора циферблата свободную петлю треугольника перебрасываем на другую половину крыши (слева от полуденной линии) и вновь формируем треугольник, обеспечив вертикальное положение стороны треугольника с грузом-отвесом, и размечаем крышу так же, как в первом случае. В результате этих операций вся нижняя «дневная» часть циферблата окажется поделенной на 8 секторов.
Для разметки боковых секторов циферблата, на которые тень от гномона заходит утром и вечером, за свободную петлю треугольник поднимаем вверх, к коньку, и формируем треугольник так, чтобы его сторона с грузом, проходила через крайнюю точку (левую, правую) разметки нижней части циферблата. Понятно, разметку боковых секторов циферблата ведут так же, как и разметку нижних секторов (см. рис. 4).
Дизайн циферблата
Проще оформить циферблат в виде прямоугольника (рис. 5). При разметке по веревочному треугольнику боковые секторы («утро/вечер») изначально образованы прямыми линиями. Ломаную же линию, ограничивающую нижний сектор («день») спрямляют, соединяя прямой боковые крайние точки сектора. Деления (радиусы часовых секторов) обозначают на циферблате точками или отрезками-штрихами, направленными к центру кадрана.
Цифры наносят водостойкой краской, предварительно разметив их маркером или цветным карандашом (оцифровку лучше начинать от полуденной линии). Для цифр рекомендуется использовать геометрически простой и легко читаемый шрифт типа индексации на почтовых конвертах или знаков на калькуляторе.
Установка гномона
В центре кадрана перпендикулярно плоскости ската монтируют фланец с отверстием для стальной трубы (гномона), тень от которой и является стрелкой, показывающей время. Во фланце трубу фиксируют болтом. Перпендикулярность установки гномона проверяют прямоугольным треугольником. Длина гномона должна быть соразмерна размерам плоскости кадрана, чтобы тень от него находилась в пределах циферблата.
Внимание! Обязательно надежно заземлите гномон, соединив его стальным проводником диаметром 6...7 мм с листом металла, закопанным в грунт на глубине 1,5...2 м, обеспечив тем самым молниезащиту дома (см. рис. 5).
Техника безопасности
Заметим, работы, связанные с высотой, всегда лучше выполнять вдвоем. Поскольку заспинного моторчика с пропеллером, как у Карлсона, ученые еще не придумали, монтажнику-высотнику необходим монтажный пояс, к которому привязывают веревку, как в цирке страховочную лонжу. Разметчик работает на крыше, а его напарник, находящийся на земле, подстраховывает товарища и корректирует его действия. Обязательно понадобится надежная и легкая лестница, которую придется перемещать по поверхности крыши. Рекомендуем для работы на крыше соорудить специальную облегченную лестницу из брусков сечением 30x60 мм (годятся и бруски сечением 25x50 мм). Расстояние между стойками выбирают с учетом особенностей кровельного покрытия. Дело в том, что на кровле из шифера стойки должны располагаться во впадинах листов.
Соединяют детали лестницы на гвоздях размером 4x80 мм, причем в деталях для гвоздей обязательно сверлят отверстия. При сверлении стенки отверстия уплотняются, поэтому гвозди в таких отверстиях держатся более плотно, а бруски не раскалываются. Выступающие концы гвоздей загибают. К верхней части лестницы крепят бобышки-зацепы, с помощью которых она цепляется за конек.
Наклонные солнечные часы работают только в солнечные дни и только с 21 марта по 21 сентября, когда солнце расположено в северном полушарии, поэтому на «зимнее время» стрелки переводить не нужно. На зиму гномон с крыши лучше убрать, чтобы это не сделал за вас снег при сходе с крыши.
В преддверии лета, солнца, дачного сезона, огородных дел и всякого подобного хочу предложить вам пошаговую инструкцию, как сделать солнечные часы горизонтального типа на вашем участке. Узнавать по ним время - иногда даже удобнее, чем по мобильному телефону (потому что телефон не всегда с собой; руки грязные; солнце отсвечивает от экрана).
Основа солнечных часов - гномон. Это палка, тень от которой и будет показывать нам время. Чем точнее мы сориентируем эту палку параллельно оси вращения Земли (как это сделать - см. пункты 1, 2, 3 ниже), тем точнее будет устройство. В качестве гномона сгодится любая ровная палка, похожая по габаритам на черенок от лопаты (можно и сам черенок, если завалялся ненужный).
Находим место, где не бегает много людей и собак, и мимо которого вы часто проходите. Главное, чтобы оно было освещено солнцем большую часть дня. Для этого найдите юг (либо сориентируйтесь по Google Earth, либо в районе 12–13 часов повернитесь лицом к солнцу) и поищите на участке место с максимально свободной (от крыш, деревьев и тому подобное) южной половиной неба.
Пункты 1 и 2 посвящены нахождению точного направления на Север. Да, для этого можно использовать и компас, но надо помнить, что магнитное склонение (то есть отклонение показаний компаса от реального направления на географический Север) в нашей стране может достигать 10, 20 и более градусов. Кроме того, вы можете словить локальную магнитную аномалию. Поэтому метод определения Севера по солнцу - точнее и надёжнее.
1. К моменту истинного полудня (солнечной кульминации, еще ее ошибочно называют "зенитом") готовим отвес (например подвешиваем на веревке камешек/железяку и следим, чтобы все это не болталось на ветру) и горизонтальную площадку, на которой видна тень от веревки. Методы вычисления времени истинного полудня для вашей местности я опишу ниже.
2. В момент истинного полудня (предварительно время неплохо бы синхронизировать с интернетом, например по сервису time.is, ну или по андроид–приложению ClockSync) отмечаем направление солнечной тени отвеса, например, с помощью нескольких камешков, которые выкладываем вдоль тени. Это точное направление север–юг (направление меридиана).
3. Вычисляем тангенс угла к горизонтали, под которым должен стоять гномон (то есть наша палка). Для этого выясняем широту места, вбиваем ее в калькулятор и жмем tan. Например, если широта 56 градусов, то tan(56) = 1.483.
Умножаем это число например на полметра (50 см), получаем 74 см. Втыкаем палку в землю, в направлении строго на север (мы его выяснили в прошлом пункте по отвесу) от этого места кладем камешек в 50 см от места, где воткнута палка, и наклоняем палку таким образом, чтобы она проходила над камешком на высоте 74 см. На рисунке 3 (и 3а для пущей наглядности) я показал отвес, который спускается от гномона и попадает на линию меридиана (длина этого отвеса в нашем примере = 74 см). Вместо отвеса можно "стрелять" глазом, но получится не так точно. И в таком положении начинаем вбивать палку, время от времени проверяя/корректируя, чтобы она проходила над нашим "полуметровым" камешком на заданной высоте. Как только палка будет крепко держаться, можем себя поздравить - самая ответственная часть работы сделана: мы сориентировали наш гномон параллельно земной оси. И, кстати, он заодно с хорошей точностью указывает на Полярную звезду (можете проверить ночью, "стрельнуть" глазом вдоль палки).
4 и 5. Следующие положения часовых меток, сделанные по таймеру. Надо отметить, что хоть на рисунке и отмечено 12 часов для полуденной метки, на самом деле гражданское время для неё будет иным. Чтобы об этом не думать, проще всего разметить циферблат, подходя к гномону в 13:00, 14:00 и так далее, и просто отмечать направление тени. А на следующий день с утра до полудня отметить остальные часовые метки.
Сами часовые метки могут быть какими угодно: можно вбить таблички с цифрами, можно выложить камнями.
Вычисление времени истинного полудня
Перечислю, какие именно вещи случаются в момент истинного полудня:
* солнце находится точно на Юге (для наших северных широт);
* горизонтальные тени от вертикальных предметов падают точно на Север;
* солнце находится в наивысшей точке своего дневного хода;
* это момент - с хорошей точностью середина между восходом и заходом солнца в этот день.
Для каждого меридиана - свой момент истинного полудня. Так, скажем, в сравнении с центром Москвы истинный полдень на востоке города случается примерно на 1 минуту раньше, а на западе - на минуту позже. Вот годовой график времени полудня для центра Москвы (для часового пояса UTC+3, в котором Москва постоянно находится с октября 2014 года):
То есть на меридиане Москвы вы просто можете использовать этот график. Точно такой же формы график получится и в вашем месте, только его нужно сместить по вертикальной оси на величину (Д–37.6)/15 часов, где Д - ваша географическая долгота. Например возьмём Пермь, её долгота составляет 56.2 градуса, подставляем в формулу: (56.2–37.6)/15 = 1.24 часа = 1 час 14.5 минут. То есть в Перми истинный полдень случается на 01ч14.5м раньше, чем в Москве, и по московскому времени от вышеприведённого графика надо отнять 01ч14.5м. Например для 22 мая мы получим 12ч26.5м минус 01ч14.5м = 11:12мск, прибавляем 2 часа (разница часовых поясов Перми и Москвы), получаем 13:12. Запомним это время, чтобы сравнить со следующим методом.
Второй метод заключается в том, чтобы найти свой населённый пункт на погодном сайте, где указано время восхода и захода солнца. Например для случая Перми открываем погодный сайт яндекса yandex.ru/pogoda/perm и видим там Восход: 04:37 Закат: 21:47, находим среднее арифметическое этих двух времён (04:37 + 21:47) / 2 = 13:12. То же самое время, что получили выше.
Третий метод - использование расчетных программ. Вы можете выбрать программу по вкусу, я пользуюсь своей Day–night (по ссылке daybit.ru/video/video-i-soft.html вы найдете и видео по ее использованию, и собственно саму программа), и она для Перми выдаёт время полудня = 13:11:45.
Примечания
1. Вышеприведённый график для Москвы - это следствие так называемого Уравнения времени - разницы среднего солнечного и истинного солнечного времени. Надо отметить, что именно с такой же амплитудой, как в этом графике, будут меняться показания ваших солнечных часов. То есть до плюс–минус четверти часа в течение года. Однако если присмотреться, видно, что в наиболее интересное для нас летнее время колебания не столь велики, и укладываются в плюс–минус 5–6 минут. Иногда, когда хотят получить минутную точность, для солнечных часов специально составляют график поправок в течение года.
Из этого графика, например, видно, что если вы разметили свои солнечные часы в середине июня, то к середине сентября они будут спешить на 5 минут.
2. Почему не стоит использовать просто вертикальную палку? Зачем морочиться с ее наклоном и её параллельностью оси вращения Земли? Дело в том, что часы, сделанные с помощью вертикальной палки, рано или поздно начнут показывать заметно неверное время. Так, часы, сделанные для вертикальной палки в июне, будут в сентябре врать на 1 час по утрам и вечерам. Тут подробнее sundial-ru.livejournal.com/2337.html
3. Если хотите, можете сразу рассчитать циферблат для вашей местности с помощью, скажем, программы Shadows shadowspro.com, взять из этого расчета углы и сразу отмерить их на земле, вместо того, чтобы бегать целый день и ставить отметки по солнечной тени.
Типичный гномон в оригинальном виде
Также гномоном принято называть часть солнечных часов, отбрасывающую тень на циферблат.
Гномоника - наука, изучающая солнечные часы. На сегодняшний день гномоника является не более, чем научным хобби, поскольку для определения истинного меридиана и времени созданы более точные и удобные в обращении приборы.
Теоретические сведения
Перечислим некоторые факты, основанные на знаниях астрономии, которые помогут разобраться в принципе работы гномона.
Факт №1. Солнце всегда движется с востока на запад, а значит тень от гномона движется в противоположном направлении, то есть с запада на восток.
Факт №2. Во время восхода и захода Солнца, когда оно находится непосредственно над горизонтом, тень от гномона имеет самую большую длину, а в солнечный полдень - самую короткую.
Факт №3. Самая короткая тень от гномона получается, когда Солнце находится в зените, то есть наивысшей точке траектории своего движения по небосводу. В этот момент Солнце пересекает истинный меридиан, то есть линию, соединяющую север с югом.
Факт №4. Самое быстрое изменение длины тени наблюдается в часы восхода и захода Солнца за горизонт. В середине же дня скорость изменения длины тени минимальна.
Факт №5. Из-за наклона оси вращения Земли по отношению к плоскости земной орбиты на угол примерно равный 23,5 градуса, а также из-за вращения Земли вокруг Солнца наблюдаемое движение Солнца по небосводу происходит то ниже небесного экватора (в северном полушарии с сентября по март), то выше него (в северном полушарии с марта по сентябрь). И только в дни весеннего и осеннего равноденствий движение Солнца совпадает с плоскостью небесного экватора. При этом дальше всего от небесного экватора траектория движения Солнца лежит в дни зимнего и летнего солнцестояний.
К слову, небесный экватор - это большой круг небесной сферы, расположенный перпендикулярно оси вращения Земли, плоскость которого совпадает с плоскостью земного экватора.
Факт №6. Солнце движется по небосводу с угловой скоростью примерно равной 15 градусам в час.
Факт №7. Усредненное «земное» время не всегда совпадает с астрономическим временем по ряду причин.
Факт №8. Видимый с Земли диаметр Солнца равен приблизительно тридцати угловым минутам. Это делает тени от предметов размытыми.
Факт №9. Если стать таким образом, чтобы перед лицом оказался север, то позади окажется юг, справа - восток, а слева - запад.
Понимание процессов, лежащих в основе работы гномона и солнечных часов, необходимо не только для того, чтобы самостоятельно сделать эти приборы, но и для того, чтобы корректно ими пользоваться. Один раз довелось наблюдать забавную картину: человек, имея купленные солнечные часы, так и не смог понять, почему время на них и на часах в телефоне отличается. В видео показан этот пример:
Как с помощью гномона определить истинный меридиан
Гномон в этом случае представляет собой столб, колонну или другой прямой вертикальный объект, расположенный на ровной горизонтальной открытой для Солнца площадке. Считается, что увеличение длины гномона будет способствовать увеличению точности измерений, поскольку в этом случае становятся более заметны изменения длины тени. Тем не менее, не стоит забывать, что с увеличением длины будет снижаться четкость отбрасываемой тени, что может негативно сказаться на точности измерений. Также на точность результатов влияет толщина верхней части гномона, именно поэтому ее зачастую делают заостренной.
В ясный солнечный день самая короткая тень от гномона свидетельствует о наступлении астрономического полдня и указывает на север (в средних и высоких широтах северного полушария) и на юг (в средних и высоких широтах южного полушария). В тропиках и на экваторе ситуация может меняться в течение года, о чем мы подробно рассказывали здесь.
Таким образом, по самой короткой тени удается определить, как истинный полдень, так и направление истинного меридиана. Кроме прочего зная высоту гномона (В) и длину тени (L), нетяжело рассчитать угловую высоту (Н) Солнца над горизонтом. Для этого пользуются формулой tgH=B/L.
Однако из-за слабовыраженного изменения в длине тени от гномона в обеденные часы определить самую короткую тень не всегда получается точно. При необходимости получения более точных результатов можно воспользоваться другим способом. Для этого определяют биссектрису между двумя одинаковыми тенями гномона, отмеренными в утреннее и вечернее время, когда скорость изменения длины тени более существенна. Именно этот метод лежит в основе одного из способов ориентирования по тени от Солнца.
Зная истинный меридиан, можно легко сориентироваться на местности, определив направление на север или юг, а затем - и все остальные стороны света.
Как с помощью гномона определить широту местности
Кроме определения истинного меридиана, с помощью гномона можно приблизительно рассчитать широту местности, в которой проводятся измерения. Далее рассмотрим несколько способов, которые вытекают из знаний по астрономии.
Способ №1. В день осеннего или весеннего равноденствия в истинный полдень по рассмотренной ранее формуле определяется угловая высота Солнца. От 90 градусов отнимается полученное значение. Результатом вычислений станет широта местности.
Способ №2. В день зимнего солнцестояния в истинный полдень определяется угловая высота Солнца. Поскольку в этот момент Солнце находится ниже небесного экватора на угол, равный углу наклона земной оси, то есть на 23,5 градуса, то прибавляя этот угол к полученной из формулы угловой высоте Солнца, мы можем получить угловую высоту небесного экватора. При вычитании из 90 градусов высоты небесного экватора получается величина, соответствующая широте местности.
Движение Солнца по небосводу в летнее время в высоких широтах.
Этот способ может быть применен и в день летнего солнцестояния. Для этого из угловой высоты Солнца нужно отнять 23,5 градусов, чтобы получить угол наклона небесного экватора, а зная угол наклона, - и значения широты местности.
Движение Солнца в высоких широтах летом, когда оно не заходит за горизонт.
Способ №3. В истинный полдень ежедневно проводятся измерения длины тени. В результате этих измерений нужно получить самую длинную или самую короткую тень, что будет соответствовать зимнему или летнему солнцестоянию соответственно, а затем действовать по второму способу. Либо же, определив самую длинную и короткую тень, найти среднее значение длины, рассчитать по формуле угловую высоту Солнца, ориентируясь на полученное среднее значение, и действовать в соответствии с алгоритмом первого способа.
При получении результатов одним из приведенных методов следует помнить, что на видимую высоту Солнца над горизонтом в некоторой степени влияет эффект преломления света - рефракция, о которой мы рассказывали здесь. Из-за этого эффекта все небесные светила могут казаться выше того места, где они расположены в действительности. И тем больше будет выражен этот эффект, чем ближе к горизонту будет расположен наблюдаемый объект.
Из этого следует, что вблизи полюсов в дни весеннего и осеннего равноденствий, когда Солнце проходит низко над горизонтом, результаты измерений могут несколько отличаться от реальных в сторону понижения широты.
А теперь рассмотрим, как с помощью гномона определять время и дату.
Гномон и солнечные часы
Солнечные часы - древний инструмент, позволяющий определять время по тени от Солнца в светлое время суток.
Одни из самых первых солнечных часов появились в Египте. Они представляли собой каменный брусок длиной примерно 30 см. Брусок этот располагался вдоль направления восток-запад. С одной стороны этих часов находился «Т»-образный брусок, тень от которого, уменьшаясь, «ползла» по бруску с утра до полдня, после чего солнечные часы поворачивали на 180 градусов и тень «ползла» в обратном направлении. По насечкам, сделанным на бруске определялось время.
Эскиз «египетских» солнечных часов.
Самые первые заметки о солнечных часах встречаются в египетских рукописях и датируются 1306-1290 годами до нашей эры. Найденные египетские солнечные часы, по мнению ученых, были сделаны задолго до найденных рукописей, их описывающих, - еще в 1479-1425 годах до нашей эры.
Одни из первых солнечных часов.
В Египте также были обнаружены и другие модели древних солнечных часов, отличающихся от описанной модели, но их возраст, если верить показаниям ученых, более молодой, поэтому рассматривать их, как самые древние солнечные часы, не приходится.
Реконструкция древних солнечных часов в Египте, экспонат каирского музея.
Независимо от Египта, солнечные часы появлялись и в других уголках мира, например, древнем Китае и в Древней Греции, откуда их идея перекочевала в Древний Рим.
На Руси в качестве солнечных часов стали использовать башни соборов, отбрасывающих тень. Но это все практиковалось уже аж в XI веке нашей эры.
Однако такие часы не могли показывать точное время, поскольку насечки делались путем равномерного деления шкалы на фиксированное число частей.
И только много веков спустя человечество придумало солнечные часы, которые показывали более точное время. Они были больше похожи на современные аналоговые часы за тем только исключением, что шкала у них была рассчитана лишь на промежуток времени с утра до вечера и выглядела более сжато.
Такие солнечные часы можно встретить и сегодня: ими стало модно украшать площади в скверах. Иногда солнечные часы можно встретить и на садовых и дачных участках, где они могут неплохо смотреться на пересечении дорожек.
Солнечные часы, как декоративный элемент.
Гномон является неотъемлемой частью солнечных часов. Именно он отбрасывает на циферблат тень, образующую «стрелку».
Нужно понимать, что солнечные часы могут показывать, как астрономическое, так и усредненное «земное» время: тут все зависит от разметки при их конструировании. Поэтому при создании самодельных часов нужно заранее определиться с тем, какое именно время мы хотим видеть на таких часах.
Кроме времени солнечные часы также могут показывать дату и месяц. Для этого на них наносятся дополнительные разметки.
Важно понимать, что корректно указывать дату и месяц такие часы могут только в случае, если они «откалиброваны» строго для конкретного места установки.
Но не нужно возлагать большие надежды на самодельные солнечные часы: из-за ряда неточностей, связанных с конструированием часов, неровностью поверхности для установки, ориентированием часов в пространстве, угловым диаметром Солнца, уравнением времени и другими факторами особо точных показаний от таких часов ждать не приходится.
Рассмотрим несколько основных моделей солнечных часов, которые можно сконструировать своими руками из дерева, пластика или картона.
Экваториальные солнечные часы
Свое название такие солнечные часы получили из-за того, что плоскость их циферблата параллельна плоскости небесного экватора.
Наклон шкалы у этих часов требуется для того, чтобы даже стоящее в полном зените Солнце отбрасывало тень.
Такие часы желательно сделать в виде плоского круга, в центр которого воткнут гномон, причем таким образом, чтобы одна его часть возвышалась с одной стороны циферблата, а другая - торчала с другой. Если этого не сделать, то в период с сентября по март (в средних и высоких широтах северномго полушария) такими часами пользоваться не получится, ведь Солнце опустится ниже небесного экватора, а значит верхняя часть часов перестанет освещаться его лучами.
Экваториальные часы устанавливают так, чтобы гномон по отношению к горизонту оказался приподнят на угол, соответствующий широте местности, и указывал на географический север. В этом случае плоскость циферблата окажется параллельной плоскости небесного экватора.
Часто встречается рекомендация устанавливать солнечные часы, используя компас. Однако, зачастую это создает дополнительную погрешность, поскольку географический север далеко не всегда совпадает с магнитным, на который указывает стрелка магнитного компаса, о чем было подробно рассказано в . Кроме того, дополнительная ошибка в этом случае может возникать из-за различных магнитных девиаций.
От точки крепления гномона к циферблату в северном направлении (для средних и высоких широт северного полушария) по циферблату проводится ровная линия. Эту линию тень от гномона будет пересекать в истинный (астрономический) полдень.
С помощью транспортира или любым другим доступным способом на циферблат наносятся и другие деления в виде лучей с центром в месте крепления гномона. Угол между соседними «лучами» должен соответствовать 15 градусам - именно это угловое расстояние, как помним, Солнце, а соответственно и тень, проходят за один час.
Над центральной разметкой, соответствующей полдню, ставится цифра «12». Лучи, расположенные западнее нумеруются в обратном порядке, то есть «11», «10», «9» и так далее, а лучи, расположенные восточнее, нумеруются по возрастанию, то есть «13», «14, «15»» и так далее. В результате получается циферблат.
Аналогичная шкала делается и на нижней части часов.
Такие часы можно быстро изготовить из транспортира, однако в этом случае вместо цифр, соответствующих часам, нужно будет пользоваться отметками углов. Так, отметка в 90 градусов будет соответствовать 12 часам дня, а за каждый час тень гномона будет смещаться либо в одну, либо в другую сторону на 15 градусов, из чего делается вывод, сколько времени прошло либо должно пройти, чтобы «стрелка» оказалась на 90 градусах, то есть дала понять, что наступил полдень. Это не очень удобно, однако же и времени на сооружение таких солнечных часов уйдет минимум.
Кстати, в районе экватора такие часы будут стоять вертикально, подобно колесу. А на полюсах - горизонтально, подобно волчку во время его вращения.
В видео показано, как такие часы изготавливаются своими руками:
Несмотря на простоту конструкции, такие часы обладают недостатком: ими сложно пользоваться в дни близкие к моменту весеннего и осеннего равноденствий, поскольку плоскость движения Солнца по небосводу в этом случае располагается параллельно плоскости циферблата экваториальных солнечных часов.
При обращении к многочисленным Интернет-источникам, мне доводилось встречать информацию о том, что экваториальные солнечные часы не могут работать в указанные дни, и ни разу не попадалась информация, как определять время в этих случаях. Поэтому поделюсь своими соображениями. На самом деле все просто: нужно на стороне циферблата, противоположной направлению Солнца, сделать небольшой бортик, выступающий над поверхностью. На этом бортике тень от гномона будет видна даже в дни равноденствия.
Экваториальные солнечные часы удобны своей универсальностью, поскольку будут работать в любой точке Земли в ясный солнечный день. Однако определить с их помощью дату и месяц будет сложно из-за слишком длинной тени и ограниченных размеров циферблата. Зато с функцией календаря с легкостью справляются горизонтальные солнечные часы, о которых и поговорим далее.
Горизонтальные солнечные часы
В горизонтальных солнечных часах циферблат располагается горизонтально. Гномон в этом случае по аналогии с экваториальными часами расположен в северном (для средних и высоких широт северного полушария) направлении под углом к горизонту, равном широте местности.
Старинные солнечные часы из меди на стене крепости в крепости на горе Святого Михаила, Корнуолл, Великобритания.
Такие солнечные часы также располагаются строго по географическим сторонам света.
Пометка на циферблате, соответствующая 12 часам дня, делается по аналогии с предыдущим вариантом солнечных часов. В момент пересечения тени гномона этой отметки фиксируется время на обычных часах. После этого ровно через час делается следующая пометка. И так до тех пор, пока Солнце не скроется за горизонт. Все пометки соединяются прямыми с местом установки гномона - получаются своего рода лучи.
Лучи, соответствующие утренним часам, рисуются на циферблате зеркально вечерним. Далее каждый луч нумеруется по аналогии с предыдущим вариантом солнечных часов.
На таком циферблате также можно сделать пометки для определения даты. Для этого:
- В день летнего солнцестояния в течение дня через каждый час на циферблат наносятся пометки, соответствующие концу тени гномона.
- Отметки соединяются плавной кривой.
- Возле полученной кривой подписывается дата и месяц, в день которой были сделаны пометки.
- Аналогичные действия повторяются ровно через месяц и так до тех пор, пока не настанет день зимнего солнцестояния.
- С противоположной стороны кривых наносятся даты и месяца, соответствующие периоду с декабря по июнь. Так, июль будет соответствовать маю, август - апрелю, сентябрь - марту, октябрь - февралю, а ноябрь - январю.
Для того, чтобы приблизительно определить дату по таким часам, нужно посмотреть, на какой кривой находится конец тени гномона или между какими кривыми, а затем методом интерполяции определить приблизительную дату и месяц. Для этого конечно необходимо знать хотя бы, в какой период проводится измерение, ведь, например, 21 ноября тень будет примерно той же длины, что и 21 января.
Вертикальные солнечные часы
Вертикальные солнечные часы, как уже понятно из названия, имеют вертикально расположенный циферблат. Такой циферблат зачастую крепят к столбу или стене здания. Однако следует заметить, что для удобства такой циферблат нужно располагать строго на юг (для средних и высоких широт северного полушария) или строго на север (для средних и высоких широт южного полушария).
Подмосковье, фасад храма Серафима Саровского, вертикальные солнечные часы, выполненные из инкерманского известняка. Размер плиты — 100х50 см.
Гномон в этом случае, как и в предыдущем, должен быть наклонен под углом по отношению к горизонту равным широте местности, где устанавливаются солнечные часы.
Разметка циферблата и календаря в этих часах осуществляется аналогично горизонтальным солнечным часам.
Главный недостаток вертикальных солнечных часов - невозможность использования их в тропической и экваториальной зоне, когда расположение Солнца в полдень смещается с севера на юг или наоборот. В этом случае можно поступить по аналогии с экваториальными солнечными часами, сделав их циферблат двусторонним. Тем не менее, пользоваться календарем в таких часах не получится из-за слишком длинной тени от гномона.
По сути, на экваторе вертикальные солнечные часы являются частным случаем экваториальных солнечных часов, поскольку здесь плоскость их циферблата параллельна небесному экватору, а гномон расположен перпендикулярно этой плоскости.
Перевод астрономического времени в местное время
Для того, чтобы узнать «земное» время, зная астрономическое, определенное по солнечным часам, нужно учесть два основных момента: долготу местности, где проводится измерение времени, и уравнение времени. О том, почему это важно, и как это влияет на разницу в показаниях времени на обычных и солнечных часах, мы рассказывали здесь.
Для того, чтобы сделать поправку на первый момент, связанный с долготой, нужно вспомнить, что Земля вращается вокруг своей оси с угловой скоростью приблизительно равной 15 градусам в час. Таким образом, можно определить разницу между астрономическим временем в этой местности и астрономическим временем в нулевом меридиане, то есть в Гринвиче.
Чтобы учесть поправку, связанную с уравнением времени, нужно иметь таблицу либо график уравнения времени. Его удобно нанести прямо на солнечные часы в том месте, где он не будет мешать другим измерениям.
Этот график показывает, насколько раньше или позже 12-ти «земных» часов в заданный день Солнце окажется в зените, то есть показывает разницу в астрономическом и «земном» времени в заданный день на «средней» долготе, по которой определяется часовой пояс.
Сделав поправку на долготу и уравнение времени, можно получить гринвичское «земное» время. А зная гринвичское время и свой часовой пояс - легко посчитать местное «земное» время.
Конечно, можно пойти и другим путем, не пытаясь вычислять время по Гринвичу, но тогда придется ориентироваться на часовые пояса, которые не всегда четко соответствуют астрономическим показаниям ввиду политической составляющей, а значит и объяснение получится более путанным.
В связи с этим рассмотрим на примере указанный ранее алгоритм.
Измерения проводятся на местности с долготой 32 градусов 30 минут восточной долготы. Дата на календаре - 20 февраля. Показания на солнечных часах - 16 часов. Нужно определить усредненное «земное» время.
Решение выглядит так:
- Рассчитывается разница с временем по Гринвичу: 32°30′ / 15 = 2 часа 9 минут. Поскольку долгота восточная, это означает, что в нулевом меридиане часы по сравнению с часами в данной местности будут отставать на 2 часа 9 минут.
- Делается поправка на уравнение времени. По таблице уравнения времени для 20 февраля находится показатель - он соответствует +13,9. То есть астрономическое время в этот день отстает от «земного» на 13,9 минут, что соответствует 13 минутам 54 секунды. Значит «земное» время (но не усредненное по часовому поясу) в данный момент будет соответствовать 16 часов + 13 минут 54 секунды = 16 часов 13 минут 54 секунды. Округляем до минут - получается 16 часов 14 минут.
- Зная «земное» (не усредненное) время в данной местности и разницу в часах с нулевым меридианом, определяется время по Гринвичу: 16 часов 14 минут – 2 часа 9 минут = 14 часов 5 минут.
- Зная часовой пояс местности (+2), в которой проводятся измерения, определяется усредненное «земное» время в этой местности: 14 часов 5 минут + 2 часа = 16 часов 5 минут.
Если солнечные часы не планируется переносить в местность с другой долготой, поправку на долготу можно написать на самих часах, чтобы всякий раз ее не пересчитывать.
Также важно при переводе астрономического времени в «земное» не забывать, что в некоторых регионах часы переводят на летнее время. Если этого не сделать, ошибка может составить 1 час.
Можно ли купить солнечные часы?
На сегодняшний день в продаже можно увидеть множество различных моделей солнечных часов. К сожалению, многие из них выполняют чисто декоративную функцию и для точных измерений времени не пригодны. Лично мне посчастливилось лишь раз лицезреть такую модель, с помощью которой действительно можно определять время.
При покупке «рабочих» солнечных часов в первую очередь следует обратить внимание на то, к какому типу они относятся. Экваториальный тип солнечных часов, как было сказано ранее, универсален, а значит есть вероятность того, что они смогут быть нормально установлены в любой местности и обеспечат корректную работу.
Такие часы должны быть оснащены механизмом, позволяющим регулировать наклон циферблата, и по возможности - вращающейся шкалой, позволяющими использовать в любой местности.
Существуют также фирмы, занимающиеся изготовлением солнечных часов под заказ, но их услуги, насколько мне известно, весьма дорогостоящие.
Исходя из этого, как мне кажется, проще самому изготовить солнечные часы из картона или фанеры. В этом случае человек не только обзаведется реально работающим инструментом, но и лучше усвоит принципы, на которых эти часы работают. А принципы эти - основополагающая вещь всех методов ориентирования по Солнцу, звездам и Луне, так необходимых путешественникам, рассматривающих риски чрезвычайных ситуаций и изучающие способы выхода из них.
Подводя итог всему вышесказанному, можно отметить несколько моментов.
Для человека, оказавшегося в дикой природе, солнечные часы и гномон в частности позволят сориентироваться на местности. Переносные солнечные часы в этом плане - более универсальный инструмент, так как дают возможность найти приблизительное расположение сторон света в любой момент дня, если известно время, координаты местности, а Солнце не скрыто облаками. Со стационарными солнечными часами все еще проще: они дают возможность сориентироваться в пасмурную погоду и даже ночью, поскольку, как правило, ориентированы строго по сторонам света.
Такие функции солнечных часов, как время и дата, не столь необходимы в условиях туризма и аварийного выживания. По крайней мере, мне ни разу не доводилось слышать про то, что кто-то сильно пострадал, не узнав день календаря или местное время. Если же все-таки необходимость сориентироваться во времени по Солнцу, как по мне, проще это сделать, зная стороны света и направление на Солнце в данный момент. Да, результат будет не очень точным, и в низких широтах такой метод мало чем сможет помочь, однако и носить с собой громоздкие солнечные часы либо тратить время на сооружение их на местности из подручных материалов тоже не придется.
Если все-таки появится острая необходимость в солнечных часах, то ориентировать их стоит не по компасу, а по Полярной звезде либо по сторонам света, определенным с помощью гномона. Как было сказано ранее, магнитные полюса не совпадают с географическими, а местность, где устанавливаются солнечные часы, может находиться в зоне магнитной аномалии. Все это не даст возможности корректно установить солнечные часы, используя магнитный компас.
Хорошо иметь на даче часы, которые видно издалека и которые легко сделать из подручного материала. Они помогут проводить время на даче с пользой: ведь поливать растения можно только до 10 и после 4 часов дня, а находиться на солнце с 11 до 3 категорически запрещено из-за активного воздействия солнечного излучения.
Солнечные часы стали первым устройством для определения времени. Точное время они показывают всего три дня за весь дачный сезон (весеннее и осеннее равноденствие и летнее солнцестояние). В остальные дни разница может доходить до 17 минут, но для дачных работ это не принципиально. Поэтому можно обойтись без создания таблицы погрешностей или графика, уточняющего время каждый день и час.
Солнечные часы показывают точное время только в дни равноденствия и солнцестояния
Какие бывают солнечные часы
Существует три вида солнечных часов:
- вертикальные;
- горизонтальные;
- экваториальные.
Сферические, полукруглые и другие - разновидности основных видов. Принцип всех часов основан на показаниях тени от предмета (гномона), падающей на заранее нанесённые на циферблат (кадран) деления в час, пятнадцать, десять или пять минут, в зависимости от пожелания изготовителя.
У горизонтальных часов кадран параллелен линии горизонта. В центре или ближе к югу устанавливается гномон - вертикальный предмет, тень которого и будет указывать время.
В горизонтальных часах циферблат параллелен горизонту
От вертикального гномона тень на любой широте России будет иметь разную длину. Для того чтобы тень имела равную длину, гномон наклоняют на угол широты местности, которую можно точно определить по GPS-навигатору или в интернете. Например, Москва стоит на 55-й широте, угол наклона - 55 о от линии горизонта. Наклоняется гномон только в направлении север–юг по линии самой короткой тени в истинный полдень. Истинный полдень - момент верхней кульминации центра Солнца для данной точки земной поверхности.
Истинный полдень, как правило, не совпадает с официальным временем. Поэтому тем, кто заранее нанёс деления на кадран, придётся просто повернуть циферблат на угол погрешности. При этом гномон остаётся наклонённым в сторону истинного полдня.
Полуденная линия указывает на географический полюс, а не на магнитный
Экваториальные часы
У экваториальных часов кадран наклоняется в сторону географического севера (для России) относительно горизонта на угол: 90 минус величина широты этой местности. То есть циферблат будет параллелен линии экватора. Гномон устанавливается перпендикулярно кардану, то есть параллельно земной оси. Поправки на местное время такие же, как для горизонтальных часов.
Показания экватариальных часов видны издалека
Вертикальные часы располагают на плоскости, перпендикулярной линии горизонта, а гномон устанавливается под углом к кадрану по полуденной линии на угол, равный разнице между 90 о и величиной широты местности. Полуденная линия определяется по линии самой короткой тени от горизонтального гномона.
На вертикальных часах цифры не всегда симметричны, если стена не смотрит строго на географический юг
Солнечные часы своими руками
Сначала определите место и цель установки часов:
- если вы чаще работаете в саду–огороде, чем отдыхаете на даче, то установите часы в центре на открытом со всех сторон участке;
- если часы должны напоминать о времени уйти с открытого солнца, тогда делайте их в центре зоны отдыха;
- на клумбе возле дачного домика часы напомнят назойливым соседям о скоротечности времени.
После того как вы определились с местом установки, выберите вид часов. Вертикальные часы подойдут только для южной стены, иначе они будут в тени сами. Горизонтальные хороши для открытых пространств, а экваториальные лучше будут смотреться на площадках или зонах отдыха.
Делаем горизонтальные часы
Самый простой и малозатратный способ изготовления солнечных часов - шест и камни. Вместо шеста подойдут кусок арматуры, длинная коряга или прут, кусок пластиковой или железной трубы, даже высокая бутылка, например, из-под шампанского. Предпринимаем следующие действия:
- Выбираем площадку не менее 1 м 2 , освещённую весь день солнцем. Любителям более точного времени придётся выровнять её или установить основу с помощью строительного уровня (ещё можно взять бутылку, налить в неё воды, не доливая до края 1–1,5 см, закрыть её пробкой. В горизонтальном положении пузырёк воздуха должен находится ровно посередине прямой части бутылки - это линия горизонта. Конечно же, это менее точный прибор, чем уровень, но гораздо лучше установки «на глазок»).
- Шест укрепляем в середине площадки.
- Выставляем будильник своего телефона так, чтобы он звонил каждый час.
- Как только прозвенел будильник, подходим к шесту и смотрим, куда падает тень. В конце этой тени прикапываем камешек, на котором можно нарисовать краской время.
- Камни будут выставлены по эллипсу, так как тень меняет свою длину. Чтобы сделать часы круглыми, выбираем самую короткую тень и по этому радиусу выставляем остальные камни.
Уже через несколько дней такие горизонтальные часы будут отклоняться на минуту, но истинный полдень (даже если у вас он приходится на час дня) они будут показывать точно.
Фотогалерея: горизонтальные солнечные часы
Высадив вокруг часов траву или невысокие цветы, получим изящную клумбу Мощённый дворик легко превращается в солнечные часы Выкладывание солнечных часов мелкими цветными материалами займёт ваших детей надолго Комнатные цветы на лето могут стать частью солнечных часов, обозначая тот или иной час Из широкого круглого вазона легко сделать часы, установив в центре шест и отметив показания часов Экваториальные часы, установленные в углу площадки, хорошо видны со всех её концов
Видео: как сделать горизонтальные солнечные часы
Будете ли вы наклонять гномон для получения одинаковой тени или нет, решайте сами. Можно наклонить сам циферблат, то есть установить экваториальные часы. К таким часам не надо подходить, чтобы узнать который час, что экономит и время и силы дачника.
Создаём экваториальные часы
Процесс изготовления экваториальных часов:
- Для кадрана экваториальных часов можно взять крышку от старой кастрюли, кусок фанеры, широкой доски или пластика. Главное - светлый фон, на котором будет хорошо видна тень даже при лёгкой облачности. Добиться этого можно элементарной покраской.
- Устанавливаем гномон приклеиванием, присверливанием или другими способами под углом нужной широты с наклоном на географический север.
- Наносим временные отрезки и, в зависимости от размеров часов, отмечаем показания пробками, донышками от пластиковых бутылок, старыми пластиковыми игрушками, баночками из-под кремов - всем, на что хватит фантазии.
Фотогалерея: экваториальные солнечные часы
Гранитные часы прослужат много лет Часы-глобус изготовить будет сложнее, но ничего невозможного нет Тематические солнечные часы украсят любую клумбу
Видео: изготовление экваториальных солнечных часов
Солнечные часы, изготовленные своими руками, сделают дачу уникальной и помогут лучше планировать необходимые дела и отдых на участке.
Солнечные часы в нашей стране – это скорее экзотика, но если сделать этот прибор своими руками, то его можно с успехом применять на даче в качестве не только прибора для определения времени, но и как интересный архитектурный элемент. Солнечные часы применялись людьми для определения времени еще в древние времена, но постепенно их заменили более современные приборы. Но даже в наше время такие часы могут пригодиться, тем более что их изготовление – это очень увлекательное занятие.
Если делать самодельные солнечные часы вместе с ребенком, то это станет для него полезным развивающим занятием по изучению движения солнца и определения времени. Предложенные в данной статье варианты солнечных часов являются действующими моделями, поэтому при их изготовлении необходимо соблюдать правильную технологию иметь некоторые знания в области тригонометрии и астрономии.
Материалы для солнечных часов
Важно и то, что для изготовления солнечных часов подходят разные материалы, главное, чтобы они были устойчивы к погодным факторам. Можно использовать для циферблата камень или цемент, дерево или железо, пластик или гравий. Лучше выбирать светлый материал – на нем хорошо видна тень стрелки (гномона). Для этих целей подходит мрамор, известняк или светлая галька. Для гномона (стрелки) применяют металлические или пластмассовые штыри, длинные гвозди, вязальные спицы и т.д.
Типы солнечных часов
Такие часы могут быть разных видов, но в основном встречаются три типа:
- Экваториальные. Их циферблат (кадран) расположен параллельно экватору, а та часть, которая отбрасывает тень – гномон), в виде металлического стержня параллельна земной оси. Разметка на циферблате таких часов идет через каждые 15 градусов.
- Горизонтальные. В них плоскость кадрана параллельна горизонту, а гномон выполнен в виде треугольника, со стороной наклоненной к плоскости циферблата на угол, равный географической широте данной местности. Направлена стрелка на север, а деления на сектора (часы) производятся по формуле. Такие часы показывают время весь год, но зимой и поздней осенью их показания не совсем точны.
- Вертикальные. Их циферблат расположен вертикально и размещается на стенках зданий, столбах, заборах и других вертикальных плоскостях. Кадран в них должен быть направлен строго на юг и должен быть перпендикулярно полуденной линии или под острым углом к ней. Гномон в таких солнечных часах закрепляется выше центра циферблата и должен быть отклонен на угол, равным 90 градусам за вычетом географической широты данной местности.
Как сделать солнечные часы
Мы рассмотрим, как сделать два типа солнечных часов – экваториальные (наклонные) и горизонтальные. Именно такие часы наиболее распространены в обиходе.
Экваториальные солнечные часы
- В качестве основы берут фанеру или пластик. На ней расчерчивают циферблат с делениями через каждые 15 градусов.
- В центре циферблата закрепляют металлический штырь или стерженек из любого крепкого материала.
- Часы надо правильно установить. Для этого циферблату придают наклон с помощью подставки. Угол этого наклона рассчитывается для каждой местности индивидуально: 90 градусов минус градус широты данного района.
- После установки циферблата солнечные часы необходимо сориентировать на местности – направить стрелку часов на север.
- Стоит помнить о том, что такие солнечные часы будут показывать время только в определенные сезоны, а зимой, например, они не будут непригодны.
Горизонтальные солнечные часы
Эти часы делаются очень просто и быстро, поэтому их можно изготовить вместе с ребенком.
- Для циферблата также используют пластик или фанеру, из этих же материалов делают гномон в виде треугольной стрелки. Один из ее углов должен быть равен 90 градусам, а второй берется равным широте конкретной местности.
- Этот треугольник вместе с циферблатом устанавливают в месте, где будут использоваться солнечные часы. При этом необходимо ориентироваться на север с помощью компаса.
- Далее заводят таймер, и каждый час отмечают тень от стрелки и таким образом делают деления на циферблате.
- Горизонтальные часы можно сделать большими и расположить на клумбе, газоне или на островке посредине декоративного водоема. Если сделать очень большие часы, то в качестве делений можно использовать камни-валуны или пни деревьев.