Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Сонячний годинник



План:


Введення

Настінні (вертикальні) сонячні годинники в Соловецькому монастирі. Час зйомки 13:40 по московським часом.
Оригінальні сонячні годинники в Раїфський Богородицький монастир.

Сонячний годинник - прилад для визначення часу по зміні довжини тіні від гномона та її руху по циферблату. Поява цих годинників пов'язана з моментом, коли людина усвідомила взаємозв'язок між довжиною й положенням сонячної тіні від тих чи інших предметів і положенням Сонця на небі.

Найпростіші сонячні годинник показують сонячний час, а не місцеве, тобто, не враховують поділ Землі на часові пояси. Крім того, найпростіші сонячний годинник не враховують літнього часу. Користуватися сонячним годинником можна тільки вдень і при наявності Сонця.

В даний час сонячний годинник за прямим призначенням практично не використовуються, і поступилися місцем різним видам інших годин.


1. Історія

Найдавнішим інструментом для визначення часу служив гномон. Зміна довжини його тіні вказувало час доби. Про таких найпростіших сонячний годинник згадується в Біблії (4 Царств, 20:10, Ісайя, 38:8).

1.1. Стародавній Єгипет

Перше відоме опис сонячних годин в Стародавньому Єгипті - напис у гробниці Мережі I, що датується 1306-1290 рр.. до н.е. Там йдеться про сонячні годинники, вимірювали час по довжині тіні і представляли собою прямокутну пластину з поділками. На одному кінці її прикріплений невисокий брусок з довгою горизонтальною планкою, яка і відкидала тінь. Кінець пластини з планкою прямував на схід, і по мітках на прямокутної пластині встановлювався годину дня, який в Давньому Єгипті визначався як 1/12 проміжку часу від сходу до заходу. Після полудня кінець пластини прямував на захід. Зроблені за таким принципом інструменти також були знайдені. Один з них сходить до часу правління Тутмоса III [1] : 23 і датується 1479-1425 рр.. до н.е., другий - з Саиса, він на 500 років молодше. На кінці у них є тільки брусок, без горизонтальної планки, а також є жолобок для схилу для додання пристрою горизонтального положення [2] :83-88 .

Іншими двома типами давньоєгипетських годин, вимірювали час по довжині тіні, був годинник, в яких тінь падала на похилу площину або на щаблі. Вони були позбавлені недоліку годин з рівною поверхнею: в ранкові та вечірні години тінь виходила за межі пластини. Ці типи годин були об'єднані в моделі з вапняку, що зберігається в Каїрському єгипетському музеї і датується трохи більш пізнім часом, ніж годинник з Саиса. Вона являє собою дві похилі площини зі ступенями, одна з них була орієнтована на схід, інша при цьому вказувала на захід. До полудня тінь падала на першу площину, поступово опускаючись сходами зверху вниз, а після полудня - на другу площину, поступово піднімаючись знизу вгору, опівдні тіні не було [1] : 23 . Конкретної реалізацією типу сонячних годин з похилою площиною були переносні годинник з Кантарія, створені близько 320 до н.е. з одного похилою площиною, на якій були нанесені поділки, і схилом. Площина орієнтувалася на Сонці [2] :91-92 .

Cadran-solaire-borchardt.jpg
Cadran-solaire-thoutmosis.jpg
gyptische treppenuhr Inv. 33401.jpg
Cadran-portable-borchardt.jpg
Реконструкція сонячних годин за описом з гробниці Мережі I. Сонячний годинник часів правління Тутмоса III. Модель сонячного годинника з Каїрського єгипетського музею. Рисунок годин з похилою площиною, приблизно так виглядали годинник з Кантара.

1.2. Стародавній Китай

Екваторіальні сонячний годинник у Забороненому місті.

Перша згадка про сонячні годинники в Китаї, ймовірно, завдання про гномона, що приводиться в стародавньому китайському задачнику "Чжоу-бі" ( англ. Zhou Bi Suan Jing ), Складеному близько 1100 р. до н.е. [1] : 21 В епоху Чжоу в Китаї застосовувалися екваторіальні сонячний годинник у вигляді кам'яного диска, що встановлюється паралельно небесному екватору і пронизливого його в центрі стрижня, що встановлюється паралельно земної осі. В епоху Цін в Китаї виготовляли портативні сонячні годинники з компасом : або екваторіальні - знову-таки зі стрижнем в центрі диска, що встановлюється паралельно небесному екватору, або горизонтальні - з ниткою в ролі гномона над горизонтальним циферблатом [3] : 114 .


1.3. Стародавня Греція та Стародавній Рим

Скафіс - сонячні годинники древніх. На сфероїдальної виїмці нанесені лінії годин. Тінь кидав горизонтальний або вертикальний прут, або кулька в центрі інструменту.

За розповіддю Вітрувія, вавілонський астроном Берос, що оселився в VI ст. до н. е.. на острові Косі, познайомив греків з вавілонськими сонячним годинником, що мали форму сферичної чаші - так званим скафіс. Ці сонячні годинники були вдосконалені Анаксимандр і Анаксимену. У середині XVIII століття при розкопках в Італії знайшли саме такий інструмент, який описаний у Вітрувія. Стародавні греки і римляни, як і єгиптяни, ділили проміжок часу від сходу до заходу Сонця на 12:00, і тому їх годину (як міра часу) був різної довжини в залежності від пори року [4]. Поверхня виїмки в сонячний годинник і "вартові" лінії на них підбиралися так, щоб кінець тіні прута вказував годину. Кут, під яким зрізана верхня частина каменю, залежить від широти місця, для якого виготовлені годинник. Наступні геометри і астрономи ( Евдокс, Аполлоній, Аристарх) придумували різноманітні форми сонячних годин. Збереглися описи таких інструментів, що носили найдивніші назви відповідно до їх виду. Іноді гномон, що відкидає тінь, розташовувався паралельно осі землі.

В Рим перші сонячні годинники були привезені консулом Валерієм Массана з Сицилії в 263 р. до н.е.. Улаштовані для більш південної широти, вони показували годину невірно. Для широти Риму перші години влаштовані близько 170 року Марція Філіпом.


1.4. Давня Русь і Росія

У давньоруських літописах часто вказувався час якоїсь події, це наводило на думку, що в той час на Русі вже використовувалися певні інструменти або об'єкти для виміру часу принаймні вдень. Чернігівський художник Георгій Петраш звернув увагу на закономірності в освітленні Сонцем ніш північно-західній вежі Спасо-Преображенського собору в Чернігові і на дивний візерунок ("меандри") над ними. На підставі більш докладного їх вивчення він висловив припущення, що вежа являє собою сонячний годинник, в яких годину дня визначається освітленням відповідної ніші, а меандри служать для визначення п'ятихвилинного інтервалу [5] [6]. Подібні особливості були відзначені і в інших храмів Чернігова, і був зроблений висновок, що сонячний годинник у Стародавній Русі застосовували ще в XI столітті [7].

У XVI столітті в Росії з'явилися західноєвропейські портативні сонячні годинники. На 1980 рік у радянських музеях було сім таких годин. Найбільш ранні з них відносяться до 1556 і зберігаються в Ермітажі, вони були призначені для носіння на шиї і являють собою горизонтальні сонячні годинники з секторним гномоном для вказівки часу, компасом для орієнтації годин в напрямку північ-південь і схилом на гномона для додання годинах горизонтального положення. Всі ці елементи встановлені на платі, яка може відхилятися від горизонтального пположенія, забезпечуючи можливість використання годин не на одній, а в інтервалі широт : 47-57 градусів [7].


1.5. Середні століття

Арабські астрономи ( Сабіт ібн Корра, Ібн аш-Шатир, Абу-л-Хасан ибн Юніс) залишили великі трактати з гномоніке, або мистецтву будувати сонячні годинники. Підставою служили правила тригонометрії. Крім "вартових" ліній, на поверхні арабських годин наносилося ще напрям до Мецці, так звана кибла. Особливо важливим вважався момент дня, коли кінець тіні вертикально поставленого гномона припадав на лінію Кібли.

Разом з введенням рівних годин дня і ночі (не залежать від пори року) завдання гномонікі значно спростилася: замість того, щоб помічати місце кінця тіні на складних кривих, стало досить помічати напрямок тіні. Якщо тільки штифт розташований у напрямку осі землі, то тінь його лежить в площині часового кола сонця, а кут між цією площиною і площиною меридіана є часовий кут сонця або істинне час. Залишається тільки знаходити перетин послідовних площин з поверхнею "циферблата" годин. Найчастіше це була площину, перпендикулярна штифта, тобто паралельна небесному екватору (екваторіальні, або равноденственние години); на ній напрям тіні змінюється на 15 за кожну годину. При всіх інших положеннях площині циферблата кути, утворені на ній напрямком тіні з лінією полудня, не ростуть рівномірно.

Гномоніка займалася складанням правил перебування різних положень тіні на цих поверхнях. Сонячний годинник, як уже сказано, дають не середня, але справжнє сонячне час. Однією із спеціальних завдань гномонікі було будувати криву на циферблаті сонячного годинника, яка вказувала б "середній" опівдні в різну пору року. У середні століття гномонікой займалися: Апіа, Альбрехт Дюрер, Кірхер. Що жив на початку XVI ст. Мюнстер був покликаний "батьком гномонікі".

Екваторіальні сонячний годинник для Північної півкулі.

2. Типи сонячних годин

Розрізняють сонячний годинник екваторіальні, горизонтальні, вертикальні (якщо площина циферблата вертикальна і спрямована із заходу на схід), ранкові або вечірні (площина вертикальна, з півночі на південь). Будувалися також конічні, кульові, циліндричні сонячні годинники. Класичні екваторіальні, горизонтальні і вертикальні сонячний годинник можуть справно працювати лише на широтах північніше Північного тропіка і південніше Південного тропіка.


2.1. Екваторіальні

Екваторіальні сонячний годинник складаються з кадрана (площину з вартовими поділками) і гномона. Вартові поділу на кадран наносяться через рівні проміжки кутові, як на циферблаті звичайних годин, а гномон зазвичай являє собою металевий стрижень, який встановлюється на кадране перпендикулярно його поверхні. Потім кадран орієнтується в горизонтальній площині так, щоб пряма, що з'єднує основу гномона і годинне поділ, відповідне полудня, була направлена ​​паралельно полуденної лінії в сторону півдня - для Північної півкулі, або в сторону півночі - для Південної півкулі, і повертається навколо горизонтальної осі схід-захід проти годинникової стрілки на кут α = 90 -φ, де φ - географічна широта місця установки сонячних годин [8]. Кадран буде паралельний небесному екватору (звідси - назва цього типу сонячних годин), а оскільки небесна сфера протягом дня обертається рівномірно, то і тінь від гномона за будь-яку годину дня буде описувати рівні кути (тому часові поділу і проводяться так само, як на циферблаті звичайних годин).

Горизонтальні сонячні годинники в місті Перт, Австралія, з характерними для Південної півкулі особливостями: тінь опівдні - на півдні, а Cолнце - на півночі; видимий шлях Cолнца по небосхилу проходить справа наліво, тому нумерація годин йде проти годинникової стрілки.

Рівні кутові проміжки (t = 15 ) між сусідніми годинними поділками, як на циферблаті звичайних годин, і перпендикулярність гномона кадрану є основними перевагами екваторіальних сонячних годин над горизонтальними і вертикальними. Головний недолік екваторіальних сонячних годин - те, що вони, на відміну від горизонтальних, працюватимуть тільки від дня весняного рівнодення до дня осіннього рівнодення (в Північній півкулі весняне рівнодення - у березні, осіннє - у вересні, в Південній півкулі весняне рівнодення - у вересні [9], осіннє - в березні). В іншу частину року вони працювати не будуть, оскільки Сонце буде перебувати по іншу сторону від площини небесного екватора, і вся верхня поверхня кадрана буде в тіні [8]. Звичайно, цей недолік можна усунути, якщо зробити кадран у вигляді пластини, нанести вартові поділу і на верхню, і на нижню поверхню, а гномон продовжити під пластину, але й тоді в дні, близькі до дня весняного або осіннього рівнодення сонячний годинник не працюватимуть - Сонце буде світити на пластину не зверху і не знизу, а збоку.


2.2. Горизонтальні

Горизонтальні сонячний годинник, так само, як і екваторіальні, складаються з кадрана і гномона. Проте в даному випадку кадран встановлюється паралельно площині горизонту. Найчастіше гномон являє собою трикутник, перпендикулярний площині кадрана, а одна з його сторін нахилена до неї на кут, рівний географічній широті місця встановлення годинника. Лінія перетину гномона і кадрана направляється паралельно полуденної лінії - лінії, вздовж якої в даному місці спрямована тінь вертикального стрижня [10].

Якщо позначити географічну широту місця установки годин через φ, кількість годин до полудня (після полудня) через m, то кут між полуденної лінією і відповідним годинниковим поділом на годиннику α можна визначити за формулою:

\ Operatorname {tg} \ alpha = \ sin \ varphi \ cdot \ operatorname {tg} (15 ^ {\ circ} \ cdot m) \,
Висновок формули
Малюнок до висновку формули кута нахилу часових поділок сонячних годин до полуденної лінії.

Для визначеності будемо вважати, що годинник встановлюються в середніх широтах північної півкулі. На малюнку показана небесна сфера з центром в точці O. Площина горизонту позначена NESW, NS - полуденна лінія, Z - зеніт, Z '- надир, PL - вісь світу, ZNSZ' - площина небесного меридіана. Як відомо, кут нахилу осі світу до площини горизонту дорівнює географічній широті місця спостереження (позначена буквою φ на малюнку), тому сторона OP гномона сонячних годин, позначеного на малюнку TPO, показана збігається з віссю світу. Кут між полуденної лінією і краєм тіні від гномона, який нам потрібно знайти, позначений α. Через t позначений кут між колом схилення Сонця PBL і площиною небесного меридіана. Положення Сонця знову-таки для визначеності показано до полудня.

Таким чином, на малюнку маємо сферичний трикутник PNB. Зауважимо, що площина небесного меридіана перпендикулярна до площини горизонту, тобто кут PNB - прямий, тому наш сферичний трикутник - прямокутний. Для визначення будь-якого елементу прямокутного сферичного трикутника досить знати будь-які два інших його елемента. У сферичному трикутнику PNB відомі сторона φ і кут t, треба знайти сторону α. За мнемонічному правилом Непера маємо:

\ Cos (90 ^ {\ circ} - \ varphi) = \ operatorname {ctg} t \ cdot \ operatorname {ctg} (90 ^ {\ circ} - \ alpha) \,

Звідси

\ Operatorname {tg} \ alpha = \ sin \ varphi \ cdot \ operatorname {tg} t \,

Залишається зауважити, що

t = \ frac {360 ^ {\ circ}} {24} \ cdot m = 15 ^ {\ circ} \ cdot m \,
\,

2.3. Вертикальні

3. Сонячний годинник в філателії

Сонячним годинах в Санто-Домінго, встановленим у 1753 була присвячена серія поштових марок Домініканської республіки 1931 [11].


Примітки

  1. 1 2 3 Stanislav Michal Hodiny: Od gnmonu k atomovm hodinm. - 2-е изд. - Прага : Sttn nakladatelstv technick literatury (SNTL), 1987. - 269 с. . Перше видання книги було переведено на російську мову: Станіслав Міхаль Годинник. Від гномона до атомного годинника .. - М .: Знання, 1983. - 256 с. - (Перекладна науково-популярна література).
  2. 1 2 Marshall Clagett Ancient Egyptian science - books.google.lt/books?id=xKKPUpDOTKAC&pg=PA83. - 2004. - Т. 2. - ISBN 9780871692146
  3. Духовна культура Китаю / Редактори томи М. Л. Титаренко, А. І. Кобзєв, В. Е. Єремєєв, А. Е. Лук'янов. - М .: Східна література, 2009. - Т. 5. Наука, технічна та військова думка, охорона здоров'я та освіта. - 1087 с. - ISBN 9785020363816
  4. Шухардін С.В., Ламан Н.К., Федоров А.С. Застосування приладів / / Техніка в її історичному розвитку. Від появи ручних знарядь праці до становлення техніки машинно-фабричного виробництва - nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000055/st029.shtml. - М .: Наука, 1979.
  5. У Чернігові збереглися сонячний годинник древнього міста (фото) - www.gorod.cn.ua/news_14901.html
  6. Ю.Ю.Шевченко, Т.Г.Богомазова "Найдавніший зберігся християнський храм Русі" - rusarch.ru/shevchenko1.htm
  7. 1 2 В. Ю. Матвєєв Сонячний годинник 1556 із зібрання Ермітажу - naturalhistory.narod.ru/Hronolog/IAI/IAI_15/Iai_Ogl.htm / / Історико-астрономічні дослідження. - М .: Наука, 1980. - В. XV. - С. 177-180.
  8. 1 2 Моісеєв А. Сонячний годинник у вашому саду / / Наука і життя. - 1992. - № 9. - С. 65-66.
  9. (Англ.) Стаття про весняне рівнодення 2008 - www.sydneyobservatory.com.au/2008/spring-equinox-2008-and-a-basic-primer-on-the-seasons/ на сайті Сіднейської обсерваторії
  10. Транковскій С. Сонячний годинник / / Наука і життя. - 1983. - № 8. - С. 133-135.
  11. Space & Astronomy Stamps - Dominican Republic (Repblica Dominicana) - www.spaceandastronomystamps.com / dom.xhtml

Література

  • Дмитрієв В. І. Прогулянка по сонячним годинником Санкт-Петербурга / / Історія Петербурга. 2011. № 5. С. 67-73.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Сонячний календар
Сонячний радіус
Сонячний зонд
Сонячний факел
Сонячний цикл
Сонячний берег
Сонячний хрест
Сонячний вітер
Вогненні годинник
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru