Солнечные часы

Вертикальные наклоняющиеся солнечные часы, обращенные к юго- западу , на Учебном зале в Альдебурге , Саффолк, Англия. Гномон - это стержень, который очень узкий, поэтому он функционирует как стиль. Латинский девиз переводится как «Я считаю только солнечные часы».

Гномон с горизонтальным циферблатом, введенный в эксплуатацию в 1862 году, представляет собой треугольное лезвие. Стиль - это его наклонный край. ^[1]

Комбинированный analemmatic -equatorial солнечные часы в Ann Morrison Park в Бойсе, штат Айдахо , 43 ° 36'45.5 "N 116 ° 13'27.6" W

Солнечные часы это устройство , которое указывает время дня , когда есть солнечный свет в видимой позиции Солнца в небе . В самом узком смысле слова он состоит из плоской пластины ( циферблата ) и гномона , отбрасывающего тень на циферблат. Когда кажется, что Солнце движется по небу, тень выравнивается по разным часовым линиям , которые отмечены на циферблате, чтобы указать время суток. Стиль это время, говоря край гномон, хотя в одной точке или NODUSможет быть использовано. Гномон отбрасывает широкую тень; тень стиля показывает время. Гномон может быть стержнем, проволокой или искусно украшенной металлической отливкой. Стиль должен быть параллелен осью из вращения Земли на солнечные часы , чтобы быть точными в течение всего года. Угол стиля к горизонтали равен географической широте солнечных часов .

В более широком смысле солнечные часы - это любое устройство, которое использует высоту или азимут Солнца (или и то, и другое) для отображения времени. В дополнение к их функции определения времени, солнечные часы ценятся как декоративные объекты, литературные метафоры, а также объекты интриг и математических исследований.

Простые солнечные часы можно легко сконструировать, чтобы отмечать течение времени, поместив палку в песок или гвоздь в доску и разместив маркеры на краю тени или очерчивая тень через определенные промежутки времени. Недорогие декоративные солнечные часы массового производства часто имеют неправильно выровненные гномоны, длину теней и часовые линии, которые невозможно отрегулировать для определения точного времени. ^[2]

Введение [ править ]

Есть несколько различных типов солнечных часов. Некоторые солнечные часы используют тень или край тени, в то время как другие используют линию или пятно света, чтобы указать время.

Отбрасывающий тень объект, известный как гномон , может быть длинным тонким стержнем или другим предметом с острым или прямым краем. В солнечных часах используются многие виды гномонов. Гномон может быть установлен или перемещен в зависимости от времени года. Он может быть ориентирован вертикально, горизонтально, по оси Земли или ориентирован в совершенно другом направлении, определяемом математикой.

Учитывая, что солнечные часы используют свет для обозначения времени, линия света может быть сформирована путем пропускания солнечных лучей через тонкую щель или фокусировки их через цилиндрическую линзу . Пятно света может быть сформировано путем пропускания солнечных лучей через небольшое отверстие, окно, окулус или путем отражения их от небольшого круглого зеркала. Пятно света может быть таким маленьким, как точечное отверстие на солнечной диаграмме, или большим, как окулус в Пантеоне.

Солнечные часы также могут использовать разные типы поверхностей для получения света или тени. Плоскости - наиболее распространенная поверхность, но для большей точности и красоты использовались частичные сферы , цилиндры , конусы и другие формы.

Солнечные часы различаются портативностью и ориентацией. Для установки многих циферблатов необходимо знать местную широту , точное вертикальное направление (например, по уровню или отвесу) и направление на истинный север . Портативные циферблаты являются самоустанавливающимися: например, они могут иметь два циферблата, которые работают по разным принципам, такие как горизонтальный и аналемматический циферблат, установленные вместе на одной пластине. В этих конструкциях их времена совпадают только тогда, когда пластина выровнена правильно.

Солнечные часы могут указывать только местное солнечное время . Чтобы получить время на национальных часах, необходимы три поправки:

1. Орбита Земли не является идеально круговой, и ее ось вращения не перпендикулярна ее орбите. Таким образом, солнечное время на солнечных часах отличается от времени на небольшие значения, которые меняются в течение года. Эта поправка, которая может составлять 16 минут 33 секунды, описывается уравнением времени . Сложные солнечные часы с изогнутым стилем или часовыми линиями могут включать эту поправку. На более обычных и простых солнечных часах иногда есть небольшая табличка, на которой отображается смещение в разное время года.
2. Солнечное время необходимо скорректировать на долготу солнечных часов относительно долготы официального часового пояса. Например, нескорректированные солнечные часы, расположенные к западу от Гринвича , Англия, но в том же часовом поясе, показывают более раннее время, чем официальное время. Он может показывать «11:45» в официальный полдень и показывать «полдень» после официального полудня. Эту поправку можно легко сделать, повернув часовые линии на постоянный угол, равный разнице долгот, что делает этот вариант конструкции наиболее распространенным.
3. Для перехода на летнее время , если применимо, необходимо дополнительно сместить солнечное время на официальную разницу (обычно на один час). Это также исправление, которое можно сделать на циферблате, то есть пронумеровав часовые линии двумя наборами цифр или даже поменяв местами нумерацию в некоторых рисунках. Чаще всего это просто игнорируется или упоминается на табличке с другими исправлениями, если они есть.

Видимое движение Солнца [ править ]

Принцип работы солнечных часов легче всего понять из видимого движения Солнца . ^[3] Земля вращается вокруг своей оси и вращается по эллиптической орбите вокруг Солнца. Отличное приближение предполагает, что Солнце вращается вокруг неподвижной Земли на небесной сфере , которая вращается вокруг своей небесной оси каждые 24 часа. Небесная ось - это линия, соединяющая небесные полюса . Поскольку небесная ось совмещена с осью вращения Земли, угол оси с местной горизонталью является местной географической широтой .

В отличие от неподвижных звезд , Солнце меняет свое положение на небесной сфере, находясь - в северном полушарии - с положительным склонением весной и летом и с отрицательным склонением осенью и зимой, и имеет точно нулевое склонение (т.е. небесный экватор ) в равноденствиях . Небесная долгота Солнца также меняется, изменяясь на один полный оборот в год. Путь Солнца по небесной сфере называется эклиптикой . Эклиптика в течение года проходит через двенадцать созвездий Зодиака .

Эта модель движения Солнца помогает понять солнечные часы. Если отбрасывающий тень гномон выровнен с небесными полюсами , его тень будет вращаться с постоянной скоростью, и это вращение не будет меняться в зависимости от времени года. Это самая распространенная конструкция. В таких случаях в течение года могут использоваться одни и те же часовые линии. Часовые линии будут расположены равномерно, если поверхность, на которую попадает тень, перпендикулярна (как в экваториальных солнечных часах) или круглая относительно гномона (как в армиллярной сфере ).

В других случаях часовые линии расположены неравномерно, даже если тень вращается равномерно. Если гномон не выровнен с небесными полюсами, даже его тень не будет вращаться равномерно, и часовые линии должны быть соответственно скорректированы. Лучи света, которые касаются кончика гномона, проходят через маленькое отверстие или отражаются от маленького зеркала, образуют конус, совмещенный с полюсами неба. Соответствующее световое пятно или теневой наконечник, если он упадет на плоскую поверхность, начертит коническое сечение , такое как гипербола , эллипс или (на Северном или Южном полюсах) круг .

Это коническое сечение представляет собой пересечение конуса световых лучей с плоской поверхностью. Этот конус и его коническое сечение меняются в зависимости от сезона, когда меняется склонение Солнца; следовательно, солнечные часы, которые следуют за движением таких световых пятен или теней, часто имеют разные часовые линии для разного времени года. Это видно на циферблатах пастуха, солнечных часах и вертикальных гномонах, таких как обелиски. В качестве альтернативы солнечные часы могут изменять угол или положение (или оба) гномона относительно часовых линий, как в аналемматическом циферблате или циферблате Ламберта.

История [ править ]

Самые ранние солнечные часы, известные из археологических находок, - это теневые часы (1500 г. до н.э. или до н.э. ) из древнеегипетской астрономии и вавилонской астрономии . Предположительно, люди определяли время с помощью теней и раньше, но это трудно проверить. Примерно в 700 году до нашей эры Ветхий Завет описывает солнечные часы - «циферблат Ахаза», упомянутый в Исайи 38: 8 и 4 Царств 20:11 . К 240 г. до н.э. Эратосфен оценил окружность мира с помощью обелиска и колодца, а несколько столетий спустя Птолемей нанес на карту широту городов, используя угол наклона Солнца. Жители Куша создали солнечные циферблаты с помощью геометрии.^{[4] [5]} Римский писатель Витрувий перечисляет известные в то время циферблаты и теневые часы в своей книге «Архитектура» . Канонический солнечные часы является одинчто указываетканонические часы литургических актов. Такие солнечные часы использовались с 7 по 14 века членами религиозных общин. Итальянский астроном Джованни Падовани опубликовал трактат о солнечных часах в 1570 году, в который он включил инструкции по изготовлению и установке настенных (вертикальных) и горизонтальных солнечных часов. В книге Джузеппе Бьянкани « Constructio Instrumenti ad horologia solaria »(около 1620 г.) обсуждается, как сделать идеальные солнечные часы. Они широко используются с 16 века.

Терминология [ править ]

Обычно солнечные часы показывают время, отбрасывая тень или свет на поверхность, известную как циферблат или циферблат . Хотя обычно это плоская плоскость, циферблат также может быть внутренней или внешней поверхностью сферы, цилиндра, конуса, спирали и различных других форм.

Время указывается там, где тень или свет падает на циферблат, который обычно начертан часовыми линиями. Хотя эти часовые линии обычно прямые, они также могут быть изогнутыми, в зависимости от конструкции солнечных часов (см. Ниже). В некоторых конструкциях можно определить дату года или может потребоваться знать дату, чтобы найти правильное время. В таких случаях может быть несколько наборов часовых линий для разных месяцев или могут быть механизмы для установки / расчета месяца. В дополнение к часовым линиям циферблат может отображать другие данные, такие как горизонт, экватор и тропики, которые вместе называются мебелью циферблата.

Весь объект, который отбрасывает тень или свет на циферблат, известен как гномон солнечных часов . ^[6] Однако обычно только край гномона (или другой линейный объект) отбрасывает тень, используемую для определения времени; эта линейная особенность известна как стиль солнечных часов . Стиль обычно выровнен параллельно оси небесной сферы и, следовательно, выровнен по местному географическому меридиану. В некоторых конструкциях солнечных часов для определения времени и даты используется только точечный элемент, такой как наконечник стиля; эта точка как особенность известна как солнечные часы в NODUS . ^{[6] [a]} Некоторые солнечные часы используют как стиль, так и узел для определения времени и даты.

Гномон обычно фиксируется относительно циферблата, но не всегда; в некоторых конструкциях, таких как аналемматические солнечные часы, стиль меняется в зависимости от месяца. Если стиль фиксировано, линия на циферблате перпендикулярно под стиль называется субстиля , ^[6] означает «ниже стиль». Угол, который стиль образует с плоскостью циферблата, называется высотой подстиля, что является необычным использованием слова « высота» для обозначения угла . На многих настенных циферблатах подстиль отличается от полуденной линии (см. Ниже). Угол на циферблате между линией полудня и подстилем называется расстоянием подстиля , необычное использование слова « расстояние» для обозначения угла..

По традиции у многих солнечных часов есть девиз . Девиз обычно имеет форму эпиграммы: иногда мрачные размышления о времени и краткости жизни, но не менее часто юмористические шутки изготовителя циферблатов. Одно из таких замечаний: « Я солнечные часы, и я плохо разбираюсь в том, что делают часы намного лучше». ^{[7] [8]}

Циферблат называется равноугольным, если его часовые линии прямые и расположены на одинаковом расстоянии. Большинство равноугольных солнечных часов имеют фиксированный стиль гномона, выровненный с осью вращения Земли, а также поверхность, принимающую тень, которая симметрична относительно этой оси; примеры включают экваториальный циферблат, экваториальный лук, армиллярную сферу, цилиндрический циферблат и конический циферблат. Тем не менее, другие конструкции имеют равноугольную форму, например, циферблат Ламберта, версия аналемматических солнечных часов с подвижным стилем.

В Южном полушарии [ править ]

Солнечные часы на определенной широте в одном полушарии должны быть перевернуты для использования на противоположной широте в другом полушарии. ^[9] Вертикальные прямые южные солнечные часы в Северном полушарии становятся вертикальными прямыми северными солнечными часами в Южном полушарии . Чтобы правильно расположить горизонтальные солнечные часы, нужно найти истинный север или юг . Для обоих можно использовать один и тот же процесс. ^[10] Гномон, установленный на правильную широту, должен указывать на истинный Юг в Южном полушарии, как и в Северном полушарии, он должен указывать на истинный Север. ^[11]Часовые числа также идут в противоположных направлениях, поэтому на горизонтальном циферблате они идут против часовой стрелки (США: против часовой стрелки), а не по часовой стрелке. ^[12]

Солнечные часы, которые предназначены для использования с пластинами, расположенными горизонтально в одном полушарии, могут использоваться с пластинами, расположенными вертикально на дополнительной широте в другом полушарии. Например, иллюстрированные солнечные часы в Перте , Австралия , которые находятся на 32 градусе южной широты, работали бы должным образом, если бы они были установлены на обращенной на юг вертикальной стене на широте 58 (т. Е. 90–32) градуса северной широты, что немного дальше к северу. чем Перт, Шотландия. Поверхность стены в Шотландии будет параллельна горизонтальной поверхности в Австралии (без учета разницы в долготе), поэтому солнечные часы будут работать одинаково на обеих поверхностях. Соответственно, часовые метки, которые идут против часовой стрелки на горизонтальных солнечных часах в южном полушарии, также делают это на вертикальных солнечных часах в северном полушарии. (См. Первые две иллюстрации в верхней части этой статьи.) На горизонтальных солнечных часах в северном полушарии и на вертикальных солнечных часах в южном полушарии часовые метки идут по часовой стрелке.

Корректировки для расчета времени по показаниям солнечных часов [ править ]

Наиболее частая причина того, что солнечные часы сильно отличаются от времени на часах, заключается в том, что солнечные часы неправильно ориентированы или их часовые линии нарисованы неправильно. Например, большинство коммерческих солнечных часов сконструированы как горизонтальные солнечные часы, как описано выше. Чтобы быть точным, такие солнечные часы должны были быть разработаны для местной географической широты, и их стиль должен быть параллелен оси вращения Земли; стиль должен быть выровнен по истинному северу, а его высота (его угол с горизонтом) должна равняться местной широте. Чтобы отрегулировать высоту стиля, солнечные часы часто можно слегка наклонить «вверх» или «вниз», сохраняя при этом выравнивание стиля север-юг. ^[13]

Коррекция летнего (летнего) времени [ править ]

В некоторых регионах мира действует летнее время , при котором официальное время изменяется обычно на один час. Этот сдвиг необходимо добавить к времени солнечных часов, чтобы оно соответствовало официальному времени.

Коррекция часового пояса (долготы) [ править ]

Стандартный часовой пояспокрывает примерно 15 ° долготы, поэтому любая точка в этой зоне, которая не находится на опорной долготе (обычно кратной 15 °), будет отличаться от стандартного времени, равным 4 минутам времени на градус. Например, закаты и восходы происходят в гораздо более позднее «официальное» время на западном краю часового пояса по сравнению с восходом и заходом солнца на восточном краю. Если солнечные часы расположены, скажем, на долготе 5 ° к западу от эталонной долготы, их время будет замедляться на 20 минут, поскольку кажется, что Солнце вращается вокруг Земли со скоростью 15 ° в час. Это постоянная коррекция в течение года. Для равноугольных циферблатов, таких как экваториальные, сферические или циферблаты Ламберта, эту поправку можно сделать, повернув поверхность циферблата на угол, равный разнице в долготе,без изменения положения или ориентации гномона. Однако этот метод не работает для других циферблатов, таких как горизонтальный циферблат; исправление должно быть применено зрителем.

В крайнем случае, часовые пояса могут привести к тому, что официальный полдень, включая переход на летнее время, наступит на три часа раньше (Солнце фактически находится на меридиане в 15:00 по официальным часам). Это происходит на крайнем западе Аляски , в Китае и Испании . Дополнительные сведения и примеры см. В разделе « Смещение часовых поясов» .

Уравнение временной коррекции [ править ]

Хотя кажется, что Солнце вращается вокруг Земли равномерно, на самом деле это движение не совсем равномерное. Это связано с эксцентриситетом орбиты Земли (тот факт, что орбита Земли вокруг Солнца не идеально круглая, а слегка эллиптическая ) и наклоном (наклонностью) оси вращения Земли относительно плоскости ее орбиты. Таким образом, время на солнечных часах отличается от стандартного . В четыре дня в году коррекция фактически равна нулю. Однако в других случаях это может быть на четверть часа раньше или позже. Величина коррекции описывается уравнением времени . Эта поправка одинакова во всем мире: она не зависит от местной широты или долготы.позиции наблюдателя. Однако она меняется в течение длительных периодов времени (столетия или более, ^[14] ) из-за медленных изменений орбитального и вращательного движения Земли. Следовательно, таблицы и графики уравнения времени, которые были составлены много веков назад, теперь в значительной степени неверны. Показания старых солнечных часов следует корректировать, применяя современное уравнение времени, а не уравнение того периода, когда был изготовлен циферблат.

В некоторых солнечных часах уравнение временной коррекции представлено в виде информационной таблички, прикрепленной к солнечным часам, чтобы наблюдатель мог рассчитать. В более сложные солнечные часы уравнение может быть включено автоматически. Например, некоторые экваториальные луковые солнечные часы снабжены маленьким колесиком, которое устанавливает время года; это колесо, в свою очередь, вращает экваториальную дугу, компенсируя измерение времени. В других случаях часовые линии могут быть изогнутыми, или экваториальная дуга может иметь форму вазы, которая использует изменяющуюся высоту солнца в течение года для правильного смещения во времени. ^[15]

Heliochronometer является точным Sundial первым придумал примерно 1763 Philipp Hahn и улучшена аббата Guyoux примерно 1827. ^[16] Она корректирует видимое солнечное время для среднего солнечного времени или другого стандартного времени . Гелиохронометры обычно показывают минуты с точностью до 1 минуты всемирного времени .

В солнечных часах Sunquest , разработанных Ричардом Л. Шмойером в 1950-х годах, используется гномон, вдохновленный аналемией, который направляет луч света на полумесяц экваториальной шкалы времени. Sunquest регулируется по широте и долготе, автоматически корректируя уравнение времени, делая его «таким же точным, как большинство карманных часов». ^{[17] [18] [19] [20]} Точно так же вместо тени гномона солнечные часы в Университете Мигеля Эрнандеса используют солнечную проекцию графика уравнения времени, пересекающего шкалу времени, чтобы напрямую отображать время часов.

Аналемма может быть добавлена ​​ко многим типам солнечных часов, чтобы скорректировать видимое солнечное время, чтобы оно соответствовало солнечному времени или другому стандартному времени . Обычно они имеют часовые линии в форме «восьмерок» ( аналеммы ) в соответствии с уравнением времени . Это компенсирует небольшой эксцентриситет земной орбиты и наклон земной оси, который вызывает отклонение до 15-минутного отклонения от среднего солнечного времени. Этот тип мебели с циферблатом встречается на более сложных горизонтальных и вертикальных циферблатах.

До изобретения точных часов, в середине 17 века, солнечные часы были единственными широко использовавшимися часами, и считалось, что они показывают «правильное» время. Уравнение времени не использовалось. После изобретения хороших часов солнечные часы все еще считались правильными, а часы - неправильными. Уравнение времени использовалось в противоположном направлении от сегодняшнего дня, чтобы применить поправку ко времени, показываемому часами, чтобы оно соответствовало солнечным часам. Некоторые сложные « часы с уравнениями », такие как часы , сделанные Джозефом Уильямсоном в 1720 году, включают механизмы для автоматической корректировки. (Часы Уильямсона, возможно, были первым устройством, в котором использовался дифференциалшестерни.) Только после 1800 года неисправленное время часов считалось «правильным», а солнечное время обычно «неправильным», поэтому уравнение времени стало использоваться в том виде, в каком оно используется сегодня. ^{[ необходима цитата ]}

С фиксированным осевым гномоном [ править ]

Наиболее часто наблюдаемые солнечные часы - это те, в которых стиль отбрасывания тени фиксирован по положению и выровнен с осью вращения Земли, ориентирован на истинный север и юг и образует угол с горизонталью, равный географической широте. Эта ось совмещена с небесными полюсами , которые близко, но не идеально, совпадают с полярной звездой Полярной . Для иллюстрации небесная ось указывает вертикально на истинный Северный полюс , а горизонтально - на экватор . В Джайпуре , где находятся самые большие солнечные часы в мире, гномоны подняты на 26 ° 55 дюймов над горизонтом, что отражает местную широту. ^[22]

Кажется, что в любой день Солнце равномерно вращается вокруг этой оси со скоростью около 15 ° в час, совершая полный оборот (360 °) за 24 часа. Линейный гномон, выровненный по этой оси, отбрасывает слой тени (полуплоскость), который, падая напротив Солнца, также вращается вокруг небесной оси со скоростью 15 ° в час. Тень видна при падении на принимающую поверхность, которая обычно плоская, но может быть сферической, цилиндрической, конической или другой формы. Если тень падает на поверхность, симметричную относительно небесной оси (как в армиллярной сфере или экваториальном циферблате), то поверхностная тень также движется равномерно; Часовые линии на солнечных часах расположены на одинаковом расстоянии. Однако, если принимающая поверхность не симметрична (как в большинстве горизонтальных солнечных часов),поверхностная тень обычно движется неравномерно, а часовые линии расположены неравномерно; одним исключением является циферблат Ламберта, описанный ниже.

Некоторые типы солнечных часов имеют фиксированный гномон, который не совмещен с небесными полюсами, как вертикальный обелиск. Такие солнечные часы рассматриваются ниже в разделе «Солнечные часы на основе Nodus».

Эмпирическая разметка часовой линии [ править ]

Формулы, показанные в абзацах ниже, позволяют рассчитать положение часовых линий для различных типов солнечных часов. В некоторых случаях расчеты просты; в других они чрезвычайно сложны. Существует альтернативный, простой метод определения положения часовых линий, который может использоваться для многих типов солнечных часов и позволяет сэкономить много времени в тех случаях, когда вычисления являются сложными. ^[23] Это эмпирическая процедура, в которой положение тени гномона реальных солнечных часов отмечается через часовые интервалы. Уравнение времени должно быть принято во внимание , чтобы гарантировать , что позиции часовых линий не зависит от времени года , когда они отмечены. Самый простой способ сделать это - установить часы так, чтобы они показывали "солнечное время" ^[b]что стандартное время , ^[с] плюс уравнение времени в день в вопросе. ^{[d] [24]} Часовые линии на солнечных часах отмечены, чтобы показать положение тени стиля, когда эти часы показывают целые числа часов, и помечены этими числами. Например, когда часы показывают 5:00, тень стиля помечается и обозначается цифрой «5» (или «V» римскими цифрами ). Если не все часовые линии отмечены за один день, часы необходимо корректировать каждый день или два, чтобы учесть изменение уравнения времени.

Экваториальные солнечные часы [ править ]

Отличительной чертой экваториального циферблата (также называемого равноденственным циферблатом ) является плоская поверхность, на которую попадает тень, которая точно перпендикулярна стилю гномона. ^{[26] [27] [28]} Эта плоскость называется экваториальной, потому что она параллельна экватору Земли и небесной сферы. Если гномон зафиксирован и выровнен с осью вращения Земли, видимое вращение Солнца вокруг Земли отбрасывает равномерно вращающийся слой тени от гномона; это создает равномерно вращающуюся линию тени на экваториальной плоскости. Поскольку Солнце вращается на 360 ° за 24 часа, все часовые линии на экваториальном циферблате разнесены на 15 ° (360/24).

${\displaystyle H_{E}=15^{\circ }\times t{\text{ (hours)}}.}$

Равномерность их расположения позволяет легко построить этот тип солнечных часов. Если материал пластины циферблата непрозрачный, необходимо отметить обе стороны экваториального циферблата, так как тень будет отбрасываться снизу зимой и сверху летом. На полупрозрачных циферблатах (например, из стекла) часовые углы нужно отмечать только на стороне, обращенной к солнцу, хотя часовая нумерация (если используется) должна быть сделана с обеих сторон циферблата из-за разной схемы часов на солнце. облицовка и солнечная сторона.

Еще одним важным преимуществом этого циферблата является то, что поправки на уравнение времени (EoT) и летнее время (DST) могут быть выполнены простым поворотом пластины циферблата на соответствующий угол каждый день. Это потому, что часовые углы равномерно распределены по циферблату. По этой причине экваториальный циферблат часто бывает полезным, когда циферблат предназначен для публичного показа, и желательно, чтобы он показывал истинное местное время с разумной точностью. Поправка EoT осуществляется через соотношение

${\displaystyle {\text{Correction}}^{\circ }={\frac {{\text{EoT (minutes)}}+60\times \Delta {\text{DST (hours)}}}{4}}.}$

Весной и осенью около равноденствий Солнце движется по кругу, который почти совпадает с экваториальной плоскостью; Следовательно, в это время года на экваториальном циферблате не появляется четких теней, что является недостатком дизайна.

NODUS иногда добавляют в экваториальных солнечных часов, что позволяет солнечные часы сказать время года. В любой день тень от узла движется по окружности в экваториальной плоскости, а радиус круга измеряет склонение Солнца. Концы стержня гномона могут использоваться в качестве узла или какой-либо детали по его длине. Древний вариант экваториальных солнечных часов имеет только узел (без стиля), а концентрические круглые часовые линии расположены так, чтобы напоминать паутину. ^[29]

Горизонтальные солнечные часы [ править ]

В горизонтальных солнечных часах (также называемых садовыми солнечными часами ) плоскость, которая принимает тень, выровнена по горизонтали, а не перпендикулярна стилю, как на экваториальном циферблате. ^{[30] [31] [32]} Следовательно, линия тени не вращается равномерно на циферблате; скорее, часовые линии расположены в соответствии с правилом. ^{[33] [34]}

${\displaystyle \tan H_{H}=\sin L\tan(15^{\circ }\times t)}$

Или другими словами:

${\displaystyle \ H_{H}=\tan ^{-1}[\sin L\times \tan(15^{\circ }\times t)]}$

где L - географическая широта солнечных часов (и угол, который гномон образует с циферблатом), - это угол между заданной часовой линией и полуденной часовой линией (которая всегда указывает на истинный север ) на плоскости, а t - количество часов до или после полудня. Так , например, угол в 3pm час-линии будет равна арктангенс от греха L, так как загар 45 ° = 1. Когда L равно 90 ° (на Северном полюсе ), горизонтальные солнечные часы становятся экваториальным солнечными часы; стиль указывает прямо вверх (вертикально), а горизонтальная плоскость совмещена с экваториальной плоскостью; формула часовой линии становится${\displaystyle H_{H}}$${\displaystyle H_{H}}$${\displaystyle H_{H}}$= 15 ° × t, как для экваториального циферблата. Горизонтальные солнечные часы на экваторе Земли , где L равно 0 °, потребуют (приподнятого) горизонтального стиля и будут примером полярных солнечных часов (см. Ниже).

Основное преимущество горизонтальных солнечных часов заключается в том, что их легко читать, а солнечный свет освещает лицо круглый год. Все часовые линии пересекаются в точке, где стиль гномона пересекает горизонтальную плоскость. Поскольку стиль совмещен с осью вращения Земли, стиль указывает на истинный север, а его угол с горизонталью равен географической широте L. солнечных часов. Солнечные часы, рассчитанные на одну широту, можно настроить для использования на другой широте, наклонив их основание вверх или вниз. на угол, равный разнице широты. Например, солнечные часы, рассчитанные на широту 40 °, можно использовать на широте 45 °, если плоскость солнечных часов наклонена вверх на 5 °, таким образом совмещая стиль с осью вращения Земли. ^{[цитата необходима ]}

Многие декоративные солнечные часы предназначены для использования под углом 45 градусов северной широты. Некоторые садовые солнечные часы массового производства не могут правильно рассчитать часовую шкалу и поэтому не могут быть исправлены. Стандартный местный часовой пояс имеет номинальную ширину 15 градусов, но может быть изменен в соответствии с географическими или политическими границами. Солнечные часы можно вращать вокруг своего стиля (который должен оставаться направленным на небесный полюс), чтобы приспособиться к местному часовому поясу. В большинстве случаев достаточно поворота в диапазоне от 7,5 градусов на восток до 23 градусов на запад. Это приведет к ошибке в солнечных часах, которые не имеют равных часовых углов. Чтобы исправить переход на летнее время, для лица нужны два набора цифр или таблица коррекции. Неформальным стандартом является использование цифр ярких цветов для лета и холодных цветов для зимы. ^{[ необходима цитата ]} Поскольку часовые углы не расположены равномерно, уравнение временных поправок не может быть выполнено путем вращения дисковой пластины вокруг оси гномона. Эти типы циферблатов обычно имеют таблицу с уравнением временной коррекции, выгравированную на их пьедесталах или поблизости. Горизонтальные циферблаты обычно можно увидеть в садах, погостах и ​​в общественных местах.

Вертикальные солнечные часы [ править ]

В обычном вертикальном циферблате плоскость приема тени выровнена по вертикали; как обычно, стиль гномона совмещен с осью вращения Земли. ^{[26] [35] [36]} Как и на горизонтальном циферблате, линия тени не перемещается равномерно по лицу; солнечные часы не равноугольные . Если лицевая сторона вертикальной шкалы указывает прямо на юг, угол часовых линий вместо этого описывается формулой ^{[37] [38]}

${\displaystyle \tan H_{V}=\cos L\tan(15^{\circ }\times t)}$

где L - географическая широта солнечных часов , - угол между заданной часовой линией и линией полуденного часа (которая всегда указывает на север) на плоскости, а t - количество часов до или после полудня. Так , например, угол в 3pm час-линии будет равен арктангенс из сов L, так как загар 45 ° = 1. Тень двигается против часовой стрелки на южной стороне вертикального циферблата, в то время как она проходит по часовой стрелке на горизонтальном и экваториальном северо- облицовка циферблатов.${\displaystyle H_{V}}$${\displaystyle H_{V}}$

Циферблаты с циферблатами, перпендикулярными земле и обращенными прямо на юг, север, восток или запад, называются вертикальными прямыми циферблатами . ^{[39] [40]} Широко распространено мнение и утверждается в уважаемых публикациях, что вертикальный циферблат не может получать более двенадцати часов солнечного света в день, независимо от того, сколько часов дневного света. ^[41]Однако есть исключение. Вертикальные солнечные часы в тропиках, обращенные к более близкому полюсу (например, обращенные на север в зоне между экватором и тропиком Рака), могут фактически получать солнечный свет в течение более 12 часов от восхода до заката в течение короткого периода во время летнего солнцестояния. . Например, 21 июня на 20 градусе северной широты солнце светит на северную вертикальную стену в течение 13 часов 21 минуту. ^[42] Вертикальные солнечные часы, которые необращенные прямо на юг (в северном полушарии) могут получать значительно меньше двенадцати часов солнечного света в день, в зависимости от направления, в котором они повернуты, и от времени года. Например, вертикальный циферблат, обращенный строго на восток, может определять время только в утренние часы; днем солнышко не светит ей на лицо. Вертикальные циферблаты, обращенные на восток или запад, являются полярными циферблатами., который будет описан ниже. Вертикальные циферблаты, обращенные на север, встречаются редко, потому что они показывают время только весной и летом и не показывают полуденные часы, за исключением тропических широт (и даже там, только в середине лета). Для непрямых вертикальных циферблатов - тех, которые обращены не по сторонам света - математика расположения стиля и часовых линий становится более сложной; может быть легче отметить часовые линии наблюдением, но, по крайней мере, сначала необходимо рассчитать размещение стиля; такие циферблаты называются уменьшающимися циферблатами . ^{[43] [44] [45]}

Вертикальные циферблаты обычно устанавливаются на стенах зданий, таких как ратуши, купола и церковные башни, где их легко увидеть издалека. В некоторых случаях вертикальные циферблаты размещаются со всех четырех сторон прямоугольной башни, обеспечивая отображение времени в течение дня. Лицо может быть нарисовано на стене или выложено инкрустацией из камня; гномон часто представляет собой одиночный металлический стержень или треногу из металлических стержней для жесткости. Если стена здания обращена на юг, но не обращена строго на юг, гномон не будет лежать вдоль полуденной линии, и часовые линии должны быть откорректированы. Поскольку стиль гномона должен быть параллелен оси Земли, он всегда «указывает» на истинный север.а его угол с горизонталью будет равен географической широте солнечных часов; на прямом южном циферблате его угол с вертикальной лицевой стороной циферблата будет равен широте , или 90 ° минус широта. ^[46]

Полярные циферблаты [ править ]

В полярных циферблатах плоскость приема тени выровнена параллельно стилю гномона. ^{[47] [48] [49]}Таким образом, тень скользит боком по поверхности, перемещаясь перпендикулярно самой себе, когда Солнце вращается вокруг стиля. Как и в случае с гномоном, все часовые линии выровнены с осью вращения Земли. Когда солнечные лучи почти параллельны плоскости, тень движется очень быстро, а часовые линии далеко разнесены. Циферблаты, ориентированные на восток и запад, являются образцом полярного циферблата. Однако циферблат полярного циферблата не обязательно должен быть вертикальным; это должно быть только параллельно гномону. Таким образом, плоскость, наклоненная под углом широты (относительно горизонтали) под таким же наклоненным гномоном, будет полярным циферблатом. Расстояние X по перпендикуляру часовых линий на плоскости описывается формулой

${\displaystyle X=H\tan(15^{\circ }\times t)}$

где H - высота стиля над плоскостью, а t - время (в часах) до или после центрального времени полярного циферблата. Центральное время - это время, когда тень стиля падает прямо на плоскость; для циферблата, обращенного на восток, центральное время будет 6 утра, для циферблата, обращенного на запад, - 18:00, а для наклонного циферблата, описанного выше, будет полдень. Когда t приближается к ± 6 часам от центрального времени, расстояние X расходится до + ∞ ; это происходит, когда солнечные лучи становятся параллельны плоскости.

Вертикальные понижающие циферблаты [ править ]

Снижение набора является любая не горизонтальная, плоская циферблат , которая не обращена в сторону кардинального, такие как (истинное) Северной , Южной , Восточной и Запада . ^{[43] [50] [45]} Как обычно, стиль гномона совмещен с осью вращения Земли, но часовые линии не симметричны относительно часовой линии полудня. Для вертикального циферблата угол между полуденной часовой линией и другой часовой линией определяется формулой, приведенной ниже. Обратите внимание, что определяется положительно по часовой стрелке относительно верхнего вертикального часового угла; и что его преобразование в эквивалентный солнечный час требует тщательного рассмотрения того, к какому квадранту солнечных часов они принадлежат.${\displaystyle H_{\text{VD}}}$${\displaystyle H_{\text{VD}}}$^[51]

${\displaystyle \tan H_{\text{VD}}={\frac {\cos L}{\cos D\cot(15^{\circ }\times t)-s_{o}\sin L\sin D}}}$

где - географическая широта солнечных часов ; t - время до или после полудня; - угол склонения от истинного юга , определяемый как положительный, когда к востоку от юга; и является целым числом переключателя для ориентации циферблата. Циферблат, ориентированный частично на юг, имеет значение +1; те, которые частично обращены на север, значение -1. Когда такой циферблат обращен на юг ( ), эта формула сводится к формуле, приведенной выше для вертикальных циферблатов, ориентированных на юг, т.е.${\displaystyle L}$${\displaystyle D}$${\displaystyle s_{o}}$${\displaystyle s_{o}}$${\displaystyle D=0^{\circ }}$

${\displaystyle \tan H_{\text{V}}=\cos L\tan(15^{\circ }\times t)}$

Когда солнечные часы не выровнены по сторонам света, подстиль их гномона не совпадает с полуденной часовой линией. Угол между подстилем и полуденной часовой линией определяется формулой ^[51]${\displaystyle B}$

${\displaystyle \tan B=\sin D\cot L}$

Если вертикальные солнечные часы обращены к истинному югу или северу ( или , соответственно), угол и подстиль выровнены с часовой линией в полдень.${\displaystyle D=0^{\circ }}$${\displaystyle D=180^{\circ }}$${\displaystyle B=0^{\circ }}$

Высота гномона, то есть угол, под которым стиль образует пластину, определяется по формуле:${\displaystyle G}$

${\displaystyle \sin G=\cos D\cos L}$

^[52]

Наклоняющиеся циферблаты [ править ]

У описанных выше солнечных часов есть гномоны, которые выровнены с осью вращения Земли и отбрасывают свою тень на плоскость. Если плоскость не является ни вертикальной , ни по горизонтали , ни экваториальной, солнечными часами , как говорят, лежащие или наклоняя . ^[53] Такие солнечные часы могут быть расположены, например, на крыше, выходящей на юг. Часовые линии для таких солнечных часов можно рассчитать, немного исправив горизонтальную формулу выше ^[54]

${\displaystyle \tan H_{RV}=\cos(L+R)\tan(15^{\circ }\times t)}$

где - желаемый угол наклона относительно местной вертикали, L - географическая широта солнечных часов, - угол между данной часовой линией и полуденной часовой линией (которая всегда указывает строго на север) на плоскости, а t - количество часов до или после полудня. Так , например, угол в 3pm час-линии будет равен арктангенс из COS (L + R), так как загар 45 ° = 1. Если R равен 0 ° (других слов, на южной стороне вертикальной шкалы), получит формула вертикального набора выше.${\displaystyle R}$${\displaystyle H_{RV}}$${\displaystyle H_{RV}}$

Некоторые авторы используют более конкретную номенклатуру для описания ориентации плоскости приема тени. Если лицо точку вниз самолета к земле, она называется proclining или наклонив , в то время как диск называется полулежа , когда циферблат направлен от земли. Многие авторы также часто называют наклоненными солнечными часами наклонные, наклонные и наклонные солнечные часы. В последнем случае также принято измерять угол наклона относительно горизонтальной плоскости на солнечной стороне циферблата. В таких текстах, поскольку I = 90 ° + R, формула часового угла часто будет выглядеть как:

${\displaystyle \tan H_{RV}=\sin(L+I)\tan(15^{\circ }\times t)}$

Угол между стилем гномон и циферблатом B в солнечных часах этого типа составляет:

${\displaystyle B=90^{\circ }-(L+R)}$

Или же :

${\displaystyle B=180^{\circ }-(L+I)}$

Наклонно-наклонные циферблаты / Наклонно-наклонные циферблаты [ править ]

Некоторые солнечные часы наклоняются и наклоняются, поскольку их принимающая тень плоскость не ориентирована по сторонам света (например, истинный север или истинный юг) и не является ни горизонтальной, ни вертикальной, ни экваториальной. Например, такие солнечные часы можно было найти на крыше, не ориентированной по сторонам света.

Формулы, описывающие расстояние между часовыми линиями на таких циферблатах, намного сложнее, чем для более простых циферблатов.

Существуют различные подходы к решению, в том числе некоторые с использованием методов матриц вращения, а некоторые создают трехмерную модель наклонно-наклонной плоскости и ее вертикально наклоненной параллельной плоскости, извлекая геометрические отношения между компонентами часового угла на обеих этих плоскостях и затем уменьшая тригонометрическая алгебра. ^[55]

Одна система формул для наклонно-наклоняющихся солнечных часов: (как указано Фенневиком) ^[56]

Угол между полуденной часовой линией и другой часовой линией рассчитывается по формуле, приведенной ниже. Обратите внимание, что движется вперед против часовой стрелки относительно угла нуля часов для тех циферблатов, которые частично обращены на юг, и по часовой стрелке для тех, которые обращены на север.${\displaystyle H_{\text{RD}}}$${\displaystyle H_{\text{RD}}}$

${\displaystyle \tan H_{\text{RD}}={\frac {\cos R\cos L-\sin R\sin L\cos D-s_{o}\sin R\sin D\cot(15^{\circ }\times t)}{\cos D\cot(15^{\circ }\times t)-s_{o}\sin D\sin L}}}$

в пределах диапазонов параметров: и .${\displaystyle D<D_{c}}$${\displaystyle -90^{\circ }<R<(90^{\circ }-L)}$

Или, если вы предпочитаете использовать угол наклона , а не наклон , где  :${\displaystyle I}$${\displaystyle R}$${\displaystyle I=(90^{\circ }+R)}$

${\displaystyle \tan H_{\text{RD}}={\frac {\sin I\cos L+\cos I\sin L\cos D+s_{o}\cos I\sin D\cot(15^{\circ }\times t)}{\cos D\cot(15^{\circ }\times t)-s_{o}\sin D\sin L}}}$

в пределах диапазонов параметров: и .${\displaystyle D<D_{c}}$${\displaystyle 0^{\circ }<I<(180^{\circ }-L)}$

Вот географическая широта солнечных часов; - целое число переключателя ориентации; t - время в часах до или после полудня; и и - углы наклона и склонения соответственно. Обратите внимание, что измеряется относительно вертикали. Положительно, когда циферблат наклоняется назад к горизонту за циферблатом, и отрицательно, когда циферблат наклоняется вперед к горизонту на стороне Солнца. Угол склонения определяется как положительный при движении к востоку от истинного юга. Циферблаты, полностью или частично обращенные на юг, имеют = +1, в то время как циферблаты, обращенные частично или полностью на север, имеют${\displaystyle L}$${\displaystyle s_{o}}$${\displaystyle R}$${\displaystyle D}$${\displaystyle R}$${\displaystyle D}$${\displaystyle s_{o}}$${\displaystyle s_{o}}$значение -1. Поскольку приведенное выше выражение дает часовой угол как функцию арктангенса, необходимо должным образом рассмотреть, к какому квадранту солнечных часов принадлежит каждый час, прежде чем назначать правильный часовой угол.

В отличие от более простых вертикальных наклоняющихся солнечных часов, этот тип циферблата не всегда показывает часовые углы на солнечной стороне для всех склонений между востоком и западом. Когда циферблат в северном полушарии, частично обращенный на юг, отклоняется назад (то есть от Солнца) от вертикали, гномон становится копланарным с диском циферблата при отклонении меньше, чем строго на восток или на запад. То же самое и с циферблатами южного полушария, которые частично обращены на север. Если бы эти циферблаты были наклонены вперед, диапазон склонения фактически превысил бы как восток, так и запад. Аналогичным образом, циферблаты северного полушария, которые частично обращены на север, и циферблаты южного полушария, которые обращены на юг и которые наклонены вперед к своим направленным вверх гномонам, будут иметь аналогичное ограничение на диапазон склонения, который возможен для данного значение переклинации.Критическое склонение${\displaystyle D_{c}}$ - геометрическое ограничение, которое зависит от значения наклона циферблата и его широты:

${\displaystyle \cos D_{c}=\tan R\tan L=-\tan L\cot I}$

Как и в случае с вертикально наклоненным циферблатом, субстиль гномона не совмещен с полуденной часовой линией. Общая формула для угла между подстилем и полуденной линией имеет вид:${\displaystyle B}$

${\displaystyle \tan B={\frac {\sin D}{\sin R\cos D+\cos R\tan L}}={\frac {\sin D}{\cos I\cos D-\sin I\tan L}}}$

Угол между стилем и пластиной определяется по формуле:${\displaystyle G}$

${\displaystyle \sin G=\cos L\cos D\cos R-\sin L\sin R=-\cos L\cos D\sin I+\sin L\cos I}$

Обратите внимание, что для , т.е. когда гномон копланарен циферблату, мы имеем:${\displaystyle G=0^{\circ }}$

${\displaystyle \cos D=\tan L\tan R=-\tan L\cot I}$

т.е. когда , критическое значение склонения. ^[56]${\displaystyle D=D_{c}}$

Эмпирический метод [ править ]

Из-за сложности приведенных выше расчетов использование их в практических целях для создания циферблата этого типа затруднено и подвержено ошибкам. Было высказано предположение, что лучше определять местонахождение часовых линий эмпирическим путем, отмечая положения тени стиля на реальных солнечных часах с часовыми интервалами, как показано часами, и добавляя / вычитая уравнение корректировки времени этого дня. ^[23] См. Раздел « Эмпирическая разметка часовой линии» выше.

Сферические солнечные часы [ править ]

Поверхность, принимающая тень, не обязательно должна быть плоскостью, но может иметь любую форму, при условии, что производитель солнечных часов желает отметить часовые линии. Если стиль выровнен с осью вращения Земли, сферическая форма удобна, поскольку часовые линии расположены на одинаковом расстоянии, как на экваториальном циферблате выше; солнечные часы равноугольные . Это принцип, лежащий в основе армиллярной сферы и экваториальных луковых солнечных часов. ^{[57] [58] [59]} Однако некоторые равноугольные солнечные часы, такие как циферблат Ламберта, описанный ниже, основаны на других принципах.

В солнечных часах экваториальной дуги гномон представляет собой стержень, прорезь или натянутую проволоку, параллельную небесной оси. Грань представляет собой полукруг, соответствующий экватору сферы, с отметками на внутренней поверхности. Этот образец, построенный из термостабильного инвара шириной в пару метров , использовался для обеспечения своевременного движения поездов во Франции перед Первой мировой войной ^[60].

Среди самых точных солнечных часов из когда-либо созданных - два экваториальных лука, построенных из мрамора, найденного в Янтра-мандире . ^{[61] [62]} Эта коллекция солнечных часов и других астрономических инструментов была построена Махараджей Джаем Сингхом II в его тогда еще новой столице Джайпуре , Индия, между 1727 и 1733 годами. Большой экваториальный лук называется Самрат Янтра (Высший инструмент) ; Стоя на высоте 27 метров, его тень заметно движется со скоростью 1 мм в секунду или примерно на ширину ладони (6 см) каждую минуту.

Цилиндрические, конические и другие неплоские солнечные часы [ править ]

Другие неплоские поверхности могут использоваться для получения тени гномона.

В качестве элегантной альтернативы стиль (который может быть создан отверстием или прорезью в окружности) может располагаться на окружности цилиндра или сферы, а не на его центральной оси симметрии.

В этом случае часовые линии снова расположены одинаково, но под углом вдвое больше обычного, в соответствии с теоремой о геометрическом вписанном угле . Это основа некоторых современных солнечных часов, но они использовались и в древние времена; ^[e]

В другом варианте цилиндрической формы с выравниванием по полярным осям цилиндрический циферблат может быть выполнен в виде спиральной лентообразной поверхности с тонким гномоном, расположенным либо по центру, либо по периферии.

Солнечные часы подвижных гномонов [ править ]

Солнечные часы могут быть сконструированы с использованием гномона, который каждый день в течение года помещается в разное положение. Другими словами, положение гномона относительно центра часовых линий меняется. Гномон не обязательно должен быть выровнен с небесными полюсами и даже может быть идеально вертикальным (аналемматический циферблат). Эти циферблаты в сочетании с солнечными часами с фиксированными гномонами позволяют пользователю определять истинный север без какой-либо другой помощи; два солнечных часа правильно выровнены тогда и только тогда, когда они показывают одно и то же время. ^{[ необходима цитата ]}

Универсальный круговой циферблат для равноденствия [ править ]

Универсальный равноденственное кольцо циферблат (иногда называемый кольцевым диском для краткости, хотя термин неоднозначен), представляет собой портативный вариант армиллярных солнечных часов, ^[64] или был вдохновлен астролябией Моряка . ^[65] Вероятно, он был изобретен Уильямом Отредом около 1600 года и стал распространенным по всей Европе. ^[66]

В своей простейшей форме этот стиль представляет собой тонкую щель, которая позволяет солнечным лучам попадать на часовые линии экваториального кольца. Как обычно, стиль выровнен по оси Земли; для этого пользователь может ориентировать циферблат на истинный север и подвесить кольцевой циферблат вертикально от соответствующей точки на меридианальном кольце. Такие циферблаты могут быть выполнены самоустанавливающимися с добавлением более сложной центральной планки вместо простой щелевой. Эти слитки иногда являются дополнением к набору колец Джеммы.. Эта полоса могла вращаться вокруг своих конечных точек и удерживала перфорированный ползунок, который устанавливался на месяц и день в соответствии со шкалой, нанесенной на полоску. Время определялось поворотом стержня к Солнцу так, чтобы свет, проходящий через отверстие, падал на экваториальное кольцо. Это вынудило пользователя повернуть инструмент, что привело к выравниванию вертикального кольца инструмента с меридианом.

Когда экваториальное и меридиональное кольца не используются, их можно сложить в небольшой диск.

В 1610 году Эдвард Райт создал морское кольцо , которое установило универсальный кольцевой циферблат над магнитным компасом. Это позволяло морякам определять время и магнитное склонение за один шаг. ^[67]

Аналемматические солнечные часы [ править ]

Аналемматические солнечные часы - это тип горизонтальных солнечных часов с вертикальным гномоном и часовыми метками, расположенными в форме эллипса. На циферблате нет часовых линий, а время дня читается на эллипсе. Гномон не зафиксирован и должен менять положение ежедневно, чтобы точно указывать время суток. Аналемматические солнечные часы иногда изображают человека в роли гномона. Аналемматические солнечные часы с человеческими гномонами неприменимы в более низких широтах, где человеческая тень довольно коротка в летние месяцы. Человек ростом 66 дюймов отбрасывает 4-дюймовую тень на широте 27 градусов во время летнего солнцестояния. ^[68]

Циферблаты Фостера-Ламберта [ править ]

Циферблат Фостера-Ламберта - это еще одни солнечные часы с подвижным гномоном. ^[69] В отличие от эллиптического аналемматического циферблата, циферблат Ламберта круглый с равномерно расположенными часовыми линиями, что делает его равноугольными солнечными часами , подобными экваториальным, сферическим, цилиндрическим и коническим циферблатам, описанным выше. Гномон на циферблате Фостера-Ламберта не вертикален и не совмещен с осью вращения Земли; скорее, он наклонен к северу под углом α = 45 ° - (Φ / 2), где Φ - географическая широта . Таким образом, циферблат Фостера-Ламберта, расположенный на широте 40 °, будет иметь гномон, наклоненный от вертикали на 25 ° в северном направлении. Чтобы прочитать точное время, гномон также необходимо переместить на север на расстояние.

${\displaystyle Y=R\tan \alpha \tan \delta \,}$

где R - радиус шкалы Фостера-Ламберта, а δ снова указывает склонение Солнца для этого времени года.

Солнечные часы на основе высоты [ править ]

Шкалы высоты измеряют высоту Солнца в небе, а не напрямую измеряют его часовой угол вокруг оси Земли. Они ориентированы не на истинный север , а скорее на Солнце и обычно держатся вертикально. Высота Солнца обозначается положением узла, либо кончика тени гномона, либо пятна света.

В циферблатах высоты время считывается с того места, где находится узел, на наборе часовых кривых, которые меняются в зависимости от времени года. Конструкция многих таких циферблатов требует больших вычислений, как и многие азимутальные шкалы. Но циферблаты капуцинов (описанные ниже) построены и используются графически.

Недостатки высотных циферблатов:

Поскольку высота Солнца одна и та же, иногда примерно в полдень (например, 9:00 и 15:00), пользователь должен знать, было ли это утро или день. Скажем, в 15:00 это не проблема. Но когда циферблат показывает время в 15 минутах от полудня, пользователь, скорее всего, не сможет отличить 11:45 от 12:15.

Вдобавок к полудню шкалы высоты менее точны, потому что тогда высота солнца не меняется быстро.

Многие из этих циферблатов портативны и просты в использовании. Как часто бывает с другими солнечными часами, многие шкалы высоты рассчитаны только на одну широту. Но циферблат капуцинов (описанный ниже) имеет версию, которая регулируется по широте. ^[70]

Книга о солнечных часах Mayall & Mayall описывает универсальные солнечные часы капуцинов.

Человеческие тени [ править ]

Длину человеческой тени (или любого вертикального объекта) можно использовать для измерения высоты солнца и, следовательно, времени. ^[71] Почтенный Бед дал таблицу для оценки времени от длины своей тени в ногах, на предположении , что высота монаха в шесть раз больше длины его ноги. Длина такой тени будет варьироваться в зависимости от географической широты и времени года. Например, длина тени в полдень коротка в летние месяцы и длинная в зимние месяцы.

Чосер несколько раз упоминает этот метод в своих Кентерберийских рассказах , как и в своих «Рассказах пастора» . ^[f]

Эквивалентный тип солнечных часов, использующий вертикальный стержень фиксированной длины, известен как циферблат backstaff .

Циферблат пастуха - временные метки [ править ]

А пастушьей циферблат - также известный как колонке циферблате пастушьей , ^{[72] [73]} Столб циферблат , цилиндр циферблат или chilindre - представляет собой портативный цилиндрические солнечные часы с ножом , как гномоном , что торчит перпендикулярно. ^[74] Обычно он свешивается на веревке или веревке, поэтому цилиндр находится в вертикальном положении. Гномон можно повернуть так, чтобы он находился выше отметки месяца или дня на лицевой стороне цилиндра. Это исправляет солнечные часы на уравнение времени. Затем все солнечные часы скручиваются на своей струне так, чтобы гномон был направлен к Солнцу, в то время как цилиндр оставался вертикальным. Кончик тени указывает время на цилиндре. Часовые кривые, нанесенные на цилиндр, позволяют считывать время. Циферблаты Shepherd иногда бывают полыми, так что гномон может складываться внутри, когда он не используется.

Циферблат пастуха упоминается в произведении Шекспира « Генрих VI, часть 3» (Акт 2, сцена 5, строки 21–29), ^[g] среди других литературных произведений. ^[час]

Цилиндрический циферблат пастуха можно развернуть в плоскую пластину. В одной простой версии ^[75] передняя и задняя части пластины имеют по три столбца, соответствующих парам месяцев с примерно одинаковым солнечным склонением (июнь – июль, май – август, апрель – сентябрь, март – октябрь, февраль– Ноябрь, январь – декабрь). В верхней части каждой колонны есть отверстие для вставки отбрасывающего тень гномона, колышка. Часто в столбце ниже отмечены только два времени: один для полудня, а другой - для полудня / полудня.

Timesticks, часы копье , ^[72] или пастухов время палки , ^[72] основаны на тех же принципах, что и циферблатов. ^{[72] [73]} На шкале времени вырезано восемь вертикальных шкал времени для разных периодов года, каждая из которых имеет шкалу времени, рассчитанную в соответствии с относительным количеством дневного света в разные месяцы года. Любое чтение зависит не только от времени суток, но и от широты и времени года. ^[73] Колышек-гномон вставляется вверху в соответствующее отверстие или лицо в зависимости от времени года и поворачивается к Солнцу так, чтобы тень падала прямо вниз по шкале. Его конец отображает время. ^[72]

Кольцевые циферблаты [ править ]

В кольцевом циферблате (также известном как Aquitaine или перфорированный кольцевой циферблат ) кольцо подвешено вертикально и ориентировано боком к солнцу. ^[76] Луч света проходит через небольшое отверстие в кольце и падает на часовые кривые, начертанные на внутренней стороне кольца. Чтобы настроить уравнение времени, отверстие обычно находится на свободном кольце внутри кольца, чтобы отверстие можно было отрегулировать для отображения текущего месяца.

Карточные циферблаты (циферблаты капуцинов) [ править ]

Карточные циферблаты - еще одна форма шкалы высоты. ^[77] Карта выравнивается ребром по отношению к солнцу и наклоняется так, чтобы луч света проходил через отверстие в указанное место, определяя таким образом высоту солнца. Утяжеленная веревка свешивается вертикально вниз из отверстия в карточке и несет бусинку или узел. Положение бусинки на часовых линиях карты дает время. В более сложных версиях, таких как циферблат Capuchin, есть только один набор часовых линий, то есть часовые линии не меняются в зависимости от времени года. Вместо этого положение отверстия, к которому подвешена утяжеленная струна, меняется в зависимости от сезона.

Солнечные часы Капуцинов построены и используются графически, в отличие от прямых измерений часового угла горизонтальных или экваториальных циферблатов; или рассчитанные линии часового угла некоторых шкал высоты и азимута.

Помимо обычного капуцинского циферблата есть универсальный капуцинский циферблат, регулируемый по широте.

Navicula [ править ]

Navicula де Venetiis или «маленький корабль в Венеции» была высота циферблата используется для определения времени и который был сформирован как маленький корабль. Курсор (с прикрепленным отвесом) перемещался вверх / вниз по мачте до нужной широты. Затем пользователь увидел Солнце через пару визирных отверстий на обоих концах «палубы корабля». Затем отвес отметил, какой сейчас час дня. ^{[ необходима цитата ]}

Солнечные часы на основе нодусов [ править ]

Другой тип солнечных часов отслеживает движение единственной точки света или тени, которую можно назвать узлом . Например, солнечные часы могут следовать за острым кончиком тени гномона, например, за кончиком тени вертикального обелиска (например, Solarium Augusti ) или за кончиком горизонтального маркера на циферблате пастуха. В качестве альтернативы, солнечный свет может проходить через небольшое отверстие или отражаться от небольшого (например, размером с монету) круглого зеркала, образуя небольшое пятно света, положение которого можно отслеживать. В таких случаях лучи света очерчивают конус в течение дня; когда лучи падают на поверхность, пройденный путь является пересечением конуса с этой поверхностью. Чаще всего принимающая поверхность представляет собой геометрическую форму.плоскость , так что траектория теневого кончика или светового пятна (называемая линией склонения ) очерчивает коническое сечение, такое как гипербола или эллипс . Сборник гипербол был назван греками пелекононом (топором), потому что он напоминает топор с двумя лезвиями, узкий в центре (около полудня) и расширяющийся на концах (раннее утро и поздний вечер).

Существует простая проверка линий гиперболического склонения на солнечных часах: расстояние от начала координат до линии равноденствия должно быть равно гармоническому среднему расстоянию от начала координат до линий летнего и зимнего солнцестояния. ^[78]

В солнечных часах на основе нодусов может использоваться небольшое отверстие или зеркало, чтобы изолировать единственный луч света; первые иногда называют циферблатами диафрагмы . Самый старый пример - это, пожалуй, антиборейские солнечные часы ( antiboreum ), солнечные часы со сферическими узлами, обращенные к истинному северу ; солнечный луч входит с юга через небольшое отверстие, расположенное на полюсе сферы, и падает на линии часов и даты, вписанные в сферу, которые напоминают линии долготы и широты, соответственно, на глобусе. ^[79]

Солнечные часы с отражением [ править ]

Исаак Ньютон разработал удобные и недорогие солнечные часы, в которых маленькое зеркало помещено на подоконник окна, выходящего на юг. ^[80] Зеркало действует как узел, отбрасывая единственное пятно света на потолок. В зависимости от географической широты и времени года световое пятно следует по коническому сечению, например по гиперболам пеликонона. Если зеркало расположено параллельно экватору Земли, а потолок горизонтален, то полученные углы соответствуют углам обычных горизонтальных солнечных часов. Использование потолка в качестве поверхности солнечных часов позволяет использовать неиспользуемое пространство, а циферблат может быть достаточно большим, чтобы быть очень точным.

Несколько циферблатов [ править ]

Солнечные часы иногда объединяют в несколько циферблатов. Если два или более циферблата, которые работают по разным принципам - например, аналемматический циферблат и горизонтальный или вертикальный циферблат - объединяются, в результате получается несколько циферблатов, которые в большинстве случаев становятся самовыравнивающимися. Оба циферблата должны выводить время и склонение. Другими словами, нет необходимости определять направление на истинный север ; циферблаты ориентированы правильно, когда они показывают время и склонение. Тем не менее, наиболее распространенные формы комбинированных циферблатов основаны на том же принципе, и аналемматика обычно не выводит склонение солнца, поэтому они не самоустанавливаются. ^[81]

Диптих (табличка) солнечные часы [ править ]

Диптих состоял из двух небольших плоских граней, соединенный с помощью шарнира. ^[82] Диптихи обычно складываются в небольшие плоские коробочки, подходящие для кармана. Гномон был веревкой между двумя лицами. Когда веревка была натянута, две грани образовывали как вертикальные, так и горизонтальные солнечные часы. Они были сделаны из белой слоновой кости, инкрустированной черным лаком. Гномоны представляли собой плетеные из черного шелка, льна или конопли нити. С узлом или бусиной на веревке в качестве узла и правильной маркировкой диптих (на самом деле, любые солнечные часы, достаточно большие) может вести календарь достаточно хорошо, чтобы сажать урожай. Распространенная ошибка описывает циферблат диптиха как самовыравнивающийся. Это неверно для циферблатов диптиха, состоящих из горизонтального и вертикального циферблата с использованием струнного гномона между гранями, независимо от ориентации лицевых сторон циферблата. Поскольку гномон из струны сплошной, тени должны встречаться на шарнире; следовательно, любойориентация циферблата будет показывать одинаковое время на обоих циферблатах. ^[83]

Многофункциональные циферблаты [ править ]

Обычный тип множественного циферблата имеет солнечные часы на каждой грани платонового тела (правильного многогранника), обычно куба . ^[84]

Таким образом можно составить чрезвычайно богато украшенные солнечные часы, приложив солнечные часы к каждой поверхности твердого объекта.

В некоторых случаях солнечные часы имеют форму полостей в твердом объекте, например, цилиндрическую полость, выровненную с осью вращения Земли (в которой края играют роль стилей), или сферическую полость в древней традиции полусфарий или полусферы. антибореум . (См. Раздел «История» выше.) В некоторых случаях эти многогранные циферблаты достаточно малы, чтобы поместиться на столе, тогда как в других случаях они представляют собой большие каменные памятники.

Циферблаты многогранника могут быть спроектированы так, чтобы показывать время для разных часовых поясов одновременно. Примеры включают шотландские солнечные часы 17-го и 18-го веков, которые часто имели чрезвычайно сложную форму многогранных и даже выпуклых лиц.

Призматические циферблаты [ править ]

Призматические циферблаты - это особый случай полярных циферблатов, в которых острые края призмы вогнутого многоугольника служат стилями, а стороны призмы получают тень. ^[85] Примеры включают трехмерный крест или звезду Давида на надгробиях.

Необычные солнечные часы [ править ]

Benoy dial [ править ]

Циферблат Benoy был изобретен Уолтером Гордоном Беной из Коллингема, Ноттингемшир , Англия. В то время как гномон отбрасывает тень, его изобретение создает эквивалентную полосу света, пропуская солнечные лучи через тонкую щель, отражая их от длинного тонкого зеркала (обычно полуцилиндрического) или фокусируя их через цилиндрическую линзу . Примеры циферблатов Benoy можно найти в Великобритании по адресу: ^[86]

• Загородный парк Карнфаннок, Антрим, Северная Ирландия
• Аптон-холл, Британский часовой институт , Ньюарк-он-Трент , Ноттингемшир
• В коллекциях Службы наследия Сент-Эдмундсбери, Бери-Сент-Эдмундс ^[87]
• Лонглит , Уилтшир
• Научный центр Джодрелл Бэнк
• Бирмингемский ботанический сад
• Музей науки, Лондон (инвентарный номер 1975-318)

Бифилярные солнечные часы [ править ]

Бифилярные солнечные часы, изобретенные немецким математиком Хуго Михником в 1922 году, имеют две непересекающиеся нити, параллельные циферблату. Обычно вторая нить ортогональна первой. ^[88] Пересечение теней двух нитей дает местное солнечное время.

Цифровые солнечные часы [ править ]

Цифровые солнечные часы показывают текущее время цифрами, образованными падающим на них солнечным светом. Солнечные часы этого типа установлены в Немецком музее в Мюнхене и в парке солнечных часов в Генке (Бельгия), а небольшая версия доступна на коммерческой основе. На этот тип солнечных часов существует патент. ^[89]

Циферблат земного шара [ править ]

Циферблат земного шара - это сфера, совмещенная с осью вращения Земли и снабженная сферической крыльчаткой. ^[90] Подобно солнечным часам с фиксированным осевым стилем, глобусный циферблат определяет время по азимутальному углу Солнца в его видимом вращении вокруг Земли. Этот угол можно определить, повернув лопасть, чтобы получить наименьшую тень.

Знаки полудня [ править ]

Самые простые солнечные часы показывают не часы, а точный момент 12:00. ^[91] В прошлые века такие циферблаты использовались для корректировки механических часов, которые иногда были настолько неточными, что теряли или уходили значительное время за один день.

В некоторых домах колониальной эпохи США отметку полудня часто можно найти вырезанной на полу или подоконнике. ^[92] Такие отметки указывают на местный полдень и обеспечивают простую и точную привязку времени для домохозяйств, у которых нет точных часов. В наше время в некоторых азиатских странах почтовые отделения устанавливают часы с точной полуденной отметки. Это, в свою очередь, обеспечивает время для остального общества. Типичные солнечные часы в полдень представляли собой линзу, установленную над аналемматической пластиной. Пластина имеет выгравированную форму восьмерки, которая соответствует графику уравнения времени (описанного выше) в зависимости от солнечного склонения. Когда край изображения Солнца касается части фигуры текущего месяца, это означает, что сейчас 12:00.

Солнечные пушки [ править ]

Солнечные часы пушки , иногда называемый «меридиан пушка», является специализированным солнечные часы , который предназначен для создания «звуковой noonmark», автоматически зажигая количество пороха в полдень. Это были новинки, а не точные солнечные часы, которые иногда устанавливали в парках Европы, в основном в конце 18 или начале 19 века. Обычно они состоят из горизонтальных солнечных часов, которые помимо гномона имеют подходящую линзу , настроенную для фокусировки солнечных лучей ровно в полдень на огневой чаше миниатюрной пушки, заряженной порохом (но без шара ). Для правильной работы положение и угол линзы необходимо регулировать в зависимости от сезона. ^{[ необходима цитата]}

Линии меридиана [ править ]

Горизонтальная линия, выровненная по меридиану с гномоном, обращенным к полудню-солнцу, называется линией меридиана и указывает не время, а день года. Исторически они использовались для точного определения продолжительности солнечного года . Примерами являются линия меридиана Бьянкини в Санта-Мария-дельи-Анджели-э-дей-Мартири в Риме и линия Кассини в базилике Сан-Петронио в Болонье . ^[93]

Девизы солнечных часов [ править ]

Связь солнечных часов со временем на протяжении веков вдохновляла их дизайнеров на отображение девизов как части дизайна. Часто они превращают устройство в memento mori , приглашая наблюдателя задуматься о быстротечности мира и неизбежности смерти. «Не убивай время, оно обязательно убьет тебя». Другие девизы более причудливы: «Я считаю только солнечные часы» и «Я - солнечные часы, и я плохо разбираюсь в том, что делают часы намного лучше». Коллекции девизов солнечных часов часто публиковались на протяжении веков. ^{[ необходима цитата ]}

Использовать как компас [ править ]

Если солнечные часы с горизонтальной пластиной изготовлены для широты, на которой они используются, и если они установлены так, чтобы пластина была горизонтальной, а гномон был направлен на небесный полюс, который находится над горизонтом, то они показывают правильное время в видимой солнечной время . И наоборот, если направления сторон света изначально неизвестны, но солнечные часы выровнены так, что они показывают правильное кажущееся солнечное время, рассчитанное по показаниям часов , его гномон показывает направление истинного севера.или Юг, что позволяет использовать солнечные часы в качестве компаса. Солнечные часы можно разместить на горизонтальной поверхности и вращать вокруг вертикальной оси, пока они не покажут правильное время. Тогда гномон будет указывать на север в северном полушарии или на юг в южном полушарии. Этот метод намного более точен, чем использование часов в качестве компаса (см. Кардинальное направление # Циферблат ), и может использоваться в местах с большим магнитным склонением , что делает магнитный компас ненадежным. Альтернативный метод - использование двух солнечных часов разного дизайна. (См. # Несколько циферблатов, выше.) Циферблаты прикреплены, выровнены друг с другом и ориентированы таким образом, чтобы показывать одинаковое время. Это позволяет одновременно определять направления сторон света и кажущееся солнечное время без использования часов. ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

• Циферблат Баттерфилда
• Часы уравнения
• Маятник Фуко
• Франческо Бьянкини
• Часы
• Джантар Мантар
• Лунный
• Nocturnal - прибор для определения времени по звездам ночью.
• Схема горизонтальных циферблатов - конструкции пера и линейки
• Схема вертикальных наклоняющихся циферблатов - конструкции пера и линейки
• Sciothericum telescopicum - солнечные часы, изобретенные в 17 веке, в которых использовался телескопический прицел для определения времени полудня с точностью до 15 секунд.
• Шотландские солнечные часы - древние солнечные часы Шотландии эпохи Возрождения.
• Shadows - бесплатная программа для расчета и рисования солнечных часов.
• Прилив (время) - деление дня на ранних солнечных часах.
• День нулевой тени
• Солнечные часы Вилянувского дворца , созданные Иоганном Гевелиусом примерно в 1684 году.

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

Источники [ править ]

• Брандмайер, Х. (март 2005 г.). «Дизайн солнечных часов с использованием матриц». Компендиум . Североамериканское общество солнечных часов. 12 (1).
• Дэниел, Кристофер Сент-Дж. Х (2004). Солнечные часы . Шайр Альбом. 176 (2-е исправление). Публикации Шира. ISBN 978-0747805588.
• Эрл А.М. (1971). Солнечные часы и розы вчерашнего дня . Ратленд, VT: Чарльз Э. Таттл. ISBN 0-8048-0968-2. LCCN  74142763 . Перепечатка книги 1902 года, изданной Macmillan (Нью-Йорк).
• Heilbron, JL: Солнце в церкви: соборы как солнечные обсерватории , Harvard University Press , 2001 ISBN 978-0-674-00536-5 . 
• А. П. Герберт, Старые и новые солнечные часы , Methuen & Co. Ltd., 1967.
• Керн, Ральф: Wissenschaftliche Instrumente in ihrer Zeit. Vom 15. - 19. Jahrhundert. Verlag der Buchhandlung Walther König 2010, ISBN 978-3-86560-772-0 
• Mayall, RN; Mayall, MW (1938). Солнечные часы: их конструкция и использование (3-е изд. (1994)). Кембридж, Массачусетс: Sky Publishing. ISBN 0-933346-71-9.
• Hugo Michnik , Theorie einer Bifilar-Sonnenuhr , Astronomishe Nachrichten, 217 (5190), стр. 81–90, 1923
• Рор, RRJ (1996). Солнечные часы: история, теория и практика (перевод под ред. Г. Година). Нью-Йорк: Дувр. ISBN 0-486-29139-1.Немного исправленное переиздание перевода 1970 года, опубликованного издательством University of Toronto Press (Торонто). Оригинал был опубликован в 1965 году под названием Les Cadrans solaires Готье-Вилларом (Монруж, Франция).
• Савойя, Дени: Солнечные часы, дизайн, конструкция и использование , Springer, 2009, ISBN 978-0-387-09801-2 . 
• Фредерик В. Сойер, Бифилярная гномоника , JBAA (Журнал Британской астрономической ассоциации), 88 (4): 334–351, 1978.
• Снайдер, Дональд Л. (март 2015 г.). «Соображения по дизайну солнечных часов» (PDF) . Компендиум . Сент-Луис: Североамериканское общество солнечных часов. 22 (1). ISSN  1074-3197 . Архивировано (PDF) из оригинала 16 апреля 2019 года . Дата обращения 16 июня 2020 .
• Тернер, Жерар L'E (1980). Старинные научные инструменты . Blandford Press Ltd. ISBN 0-7137-1068-3.
• Уокер, Браун: Сделайте солнечные часы , (Образовательная группа Британского общества солнечных часов) Редакторы Джейн Уокер и Дэвид Браун, Британское общество солнечных часов, 1991 ISBN 0-9518404-0-1 
• Во, Альберт Э (1973). Солнечные часы: их теория и конструкция . Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 0-486-22947-5.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме солнечных часов .

Национальные организации [ править ]

• Asociación Amigos de los Relojes de Sol (AARS) - Испанское общество солнечных часов
• Британское общество солнечных часов (BSS) - Британское общество солнечных часов
• Commission des Cadrans Solaires de la Société Astronomique de France Французское общество солнечных часов
• Coordinamento Gnomonico Italiano (CGI) - Итальянское общество солнечных часов
• Североамериканское общество солнечных часов (NASS) - Североамериканское общество солнечных часов
• Societat Catalana de Gnomònica - Каталонское общество солнечных часов
• De Zonnewijzerkring - Голландское общество солнечных часов (на английском языке)
• Zonnewijzerkring Vlaanderen - Фламандское общество солнечных часов

Исторический [ править ]

• «Книга лекарств от недостатков в установке мраморных солнечных часов» - это арабский манускрипт 1319 года о хронометрии и солнечных часах.
• «Небольшой трактат по расчету таблиц для построения наклонных солнечных часов» - еще одна арабская рукопись XVI века о математических вычислениях, используемых для создания солнечных часов. Его написал Сибт аль-Маридини .
• Водолажская, Л. Аналемматические и горизонтальные солнечные часы эпохи бронзы (Северное Причерноморье). Археоастрономия и древние технологии 1 (1), 2013, 68-88
• Реконструкция древнеегипетских солнечных часов

Другое [ править ]

• Британское общество солнечных часов, включая регистр британских солнечных часов
• Регистр шотландских солнечных часов
• Понимание солнечных часов через картографические проекции
• Древний ведический солнечный циферблат
• Мировой атлас солнечных часов
• Real Sun Time - солнечные часы в мобильной или настольной версии.