Макет солнечных часов в детском саду. Создание вертикальных солнечных часов своими руками. Солнечные часы своими руками

Солнечные часы – одно из самых древних устройств, созданных человеком. Спустя несколько сотен лет это изобретение не потеряло своего функционала.

Его можно сделать вместе с детьми дома, на улице, в школьном дворе. Солнечные часы станут прекрасным . Кроме того, знание технологии их изготовления окажется полезным для любителей путешествовать.

Читайте также:

Историческая справка

Первые упоминания о солнечных часах были найдены на территории Древнего Египта. Еще 1300 лет до нашей эры люди пользовались такими часами. Применялись они и в Китае и Греции. Оттуда технология создания солнечных часов распространилась по всему миру.

Большую популярность они получили в XVIII веке – в то время использовались как декоративный элемент в пейзажных садах и дворцовых ансамблях.

Принцип работы

Работа часов основана на взаимосвязи элементов: основы (кадрана), циферблата и гномона.

Основа может устанавливаться под разным углом, в связи с этим выделяют различные виды часов.

Гномон представляет собой элемент, который отбрасывает тень на циферблат, это своеобразное подобие стрелки обыкновенных часов.

Виды солнечных часов

Выделяют три основных вида солнечных часов:

1. Экваториальные часы . Их основа расположена параллельно экватору. Гномон представляет собой стержень, расположенный параллельно земной оси. Для их правильной установки необходимо знать географическую широту местоположения.

2. Вертикальные часы . Плоскость кадрана расположена вертикально, обычно – на стене здания.

3. Горизонтальные часы . Основа расположена параллельно линии горизонта. Гномон создается в виде треугольника, с углом, соответствующим широте местоположения.

Создание экваториальных солнечных часов

Основа часов расположена параллельно экватору. Солнце равномерно движется, поэтому за час тень будет смещаться на 15. Отметим, что на данном циферблате должно быть не 12 делений, а 24. Таким образом, чтобы сделать циферблат, достаточно разделить основу на 24 сектора по 15.

Если часы предполагается расположить в саду или любой другой открытой местности, то для изготовления желательно брать прочные материалы.

В качестве основы подойдет камень, железо, древесина, пластик.

Гомон можно изготовить из длинного гвоздя или спиц для вязания.

Следующий шаг – правильно определить угол наклона циферблата . Он определяется как разница 90 и географической широты местоположения.

Необходимо установить кадран с циферблатом на освещенном месте, прикрепить гномон – и часы готовы.

Как правильно разместить циферблат

Обычные солнечные часы правильно работают, если полдень, как и задумано, наступает в 12:00.

В разной местности полдень наступает в различное время, поэтому важно учесть этот фактор. Для того чтобы часы показывали местное время, необходимо сместить цифры на циферблате вокруг своей оси , чтобы полуденная, самая короткая, тень двигалась по направлению север-юг.

Как узнать это направление? Необходимо взять лист фанеры, прикрепить к нему гвоздь под прямым углом и расположить лист на солнце. Далее необходимо каждые 15 минут в течение 3 часов отмечать передвижение тени гвоздя. Затем определить самую маленькую тень. Она будет полуденной линией.

Полярные часы

Необычная разновидность солнечных часов. Циферблат в данном случае напоминает шкалу, деления расположены по направлению запад-восток. Сам макет циферблата можно найти в Интернете.

Самое важное – правильно разместить кадран. Он должен быть расположен под углом, соответствующим географической широте местоположения, в направлении полярной звезды.

Отметим, что самые простые солнечные часы показывают солнечное время, которое может отличаться от реального времени.

Сначала немного теории

Много тысячелетий люди определяют время по солнцу. Простейшие солнечные часы (гномон), состоящие из вертикального стержня (собственно гномона), расположенного на горизонтальной площадке, были известны еще в 3-м тысячелетии до нашей эры. Время по таким, да и всем другим, солнечным часам определяют по тени, которую отбрасывает гномон на площадку (кадран), устроенную вокруг гномона (или рядом с последним). В зависимости от ориентации плоскости кадрана различают обычно горизонтальные и вертикальные солнечные часы. Мы же здесь рассмотрим наклонные солнечные часы, которые представляют из себя гномон, установленный на наклонной плоскости (рис. 1).

Поверхность кадрана нанесенными на нее часовыми делениями разбита на угловые секторы, то есть является циферблатом часов: Для определения времени в центре кадрана, перпендикулярно к его плоскости, установлен стержень - все тот же гномон. Тень, падающая от гномона на поверхность кадрана, выполняет роль часовой стрелки, показывающей время.

Угол наклона плоскости кадрана к северу равен 90° минус угол φ, где угол φ равен географической широте местности. Широту местности легко узнать по обычной географической карте. В Подмосковье, например, наклон кадрана должен составлять 90°–34°, так как 56° - географическая широта Москвы.

Счастливчику, проживающему в доме, где северный скат крыши ориентирован строго в направлении «юг-север» с углом наклона, близким к 35°, обзавестись солнечными часами ничего не стоит. Отклонение угла наклона крыши на 2...3° в ту или иную сторону не потребует ее переделки, так на точности хода часов это заметно не скажется.

Простейшие солнечные часы на крыше дома

Градуировка кадрана

Как уже говорилось, в качестве кадрана мы будем использовать плоскость северного ската крыши. (Если крыша ориентирована по-другому, солнечные часы придется делать на какой-нибудь другой площадке.) Циферблат астрономических солнечных часов представляет собой круг, поделенный радиусами, исходящими из его центра, на 24 часовых сектора, с центральными углами по 15° (рис. 2).

Разбивку плоскости на секторы начинают от полуденной линии, проходящей через центр кадрана в направлении с севера на юг и совпадающей с направлением тени от гномона в 13 ч по декретному времени. Секторную разметку дополняют цифрами.

Напомним, что в России декретное время - поясное время, переведенное на 1 ч вперед. А поясное время - система счета времени, основанная на разделении поверхности Земли на 24 часовых пояса. Таким образом во всех пунктах в пределах одного пояса в каждый момент поясное время одинаково, в соседних же поясах оно отличается на 1 ч. Часовые пояса образованы соседними меридианами, отстоящими по долготе на 15° друг от друга. Как известно, началом отсчета географических долгот Земли является нулевой (Гринвичский) меридиан. Так вот, этот нулевой меридиан является средним меридианом нулевого часового пояса. Возвращаясь к декретному времени отметим, что во 2-м часовом поясе, в котором расположена Москва, оно на 3 ч опережает всемирное время, то есть местное время нулевого меридиана.

Разметку кадрана (кровли) проще всего произвести с помощью веревочного равностороннего треугольника. Для этого на прочном шнуре или веревке наносят отметки, например, завязывают узелки-петли, делящие шнур на три равные части, после чего концы шнура соединяют, образуя кольцо. В месте соединения концов шнура к этому кольцу привязывают груз, который в последующем будет выполнять роль отвеса (рис. 3).

Одну из сторон треугольника, смежную с углом, к вершине которого привязан груз, делят метками, например, проволочными хомутиками, на четыре части так, чтобы длины полученных отрезков находились в соотношении 27:23:23:27. При таком соотношении отрезков лучи, соединяющие концы отрезков стороны треугольника с противолежащей вершиной, делят угол при этой вершине (а он равен 60°) на четыре угла по 15° каждый.

Далее в центре циферблата, то есть в месте установки гномона, закрепляем на крыше реперный стержень (забиваем длинный гвоздь). Надев на стержень одну из двух петель при вершине веревочного треугольника (см. рис. 3), груз-отвес отпускают, в результате чего сторона треугольника, один конец которой укреплен на гвозде, а к другому привязан груз, совпадет с полуденной линией. Конечно, это произойдет лишь в том случае, когда крыша наклонена строго на север (рис. 4). Вторую петлю отводят в сторону, например, вправо, так, чтобы на плоскости крыши образовался веревочный равносторонний треугольник. Понятно, что сторона треугольника с грузом не должна сместиться с полуденной линии. Теперь на кадране (скате крыши) отметим положения концов отрезков, на которые мы разделили одну из сторон треугольника, например, делая отметки маркером.

После разметки правого нижнего сектора циферблата свободную петлю треугольника перебрасываем на другую половину крыши (слева от полуденной линии) и вновь формируем треугольник, обеспечив вертикальное положение стороны треугольника с грузом-отвесом, и размечаем крышу так же, как в первом случае. В результате этих операций вся нижняя «дневная» часть циферблата окажется поделенной на 8 секторов.

Для разметки боковых секторов циферблата, на которые тень от гномона заходит утром и вечером, за свободную петлю треугольник поднимаем вверх, к коньку, и формируем треугольник так, чтобы его сторона с грузом, проходила через крайнюю точку (левую, правую) разметки нижней части циферблата. Понятно, разметку боковых секторов циферблата ведут так же, как и разметку нижних секторов (см. рис. 4).

Дизайн циферблата

Проще оформить циферблат в виде прямоугольника (рис. 5). При разметке по веревочному треугольнику боковые секторы («утро/вечер») изначально образованы прямыми линиями. Ломаную же линию, ограничивающую нижний сектор («день») спрямляют, соединяя прямой боковые крайние точки сектора. Деления (радиусы часовых секторов) обозначают на циферблате точками или отрезками-штрихами, направленными к центру кадрана.

Цифры наносят водостойкой краской, предварительно разметив их маркером или цветным карандашом (оцифровку лучше начинать от полуденной линии). Для цифр рекомендуется использовать геометрически простой и легко читаемый шрифт типа индексации на почтовых конвертах или знаков на калькуляторе.

Установка гномона

В центре кадрана перпендикулярно плоскости ската монтируют фланец с отверстием для стальной трубы (гномона), тень от которой и является стрелкой, показывающей время. Во фланце трубу фиксируют болтом. Перпендикулярность установки гномона проверяют прямоугольным треугольником. Длина гномона должна быть соразмерна размерам плоскости кадрана, чтобы тень от него находилась в пределах циферблата.

Внимание! Обязательно надежно заземлите гномон, соединив его стальным проводником диаметром 6...7 мм с листом металла, закопанным в грунт на глубине 1,5...2 м, обеспечив тем самым молниезащиту дома (см. рис. 5).

Техника безопасности

Заметим, работы, связанные с высотой, всегда лучше выполнять вдвоем. Поскольку заспинного моторчика с пропеллером, как у Карлсона, ученые еще не придумали, монтажнику-высотнику необходим монтажный пояс, к которому привязывают веревку, как в цирке страховочную лонжу. Разметчик работает на крыше, а его напарник, находящийся на земле, подстраховывает товарища и корректирует его действия. Обязательно понадобится надежная и легкая лестница, которую придется перемещать по поверхности крыши. Рекомендуем для работы на крыше соорудить специальную облегченную лестницу из брусков сечением 30x60 мм (годятся и бруски сечением 25x50 мм). Расстояние между стойками выбирают с учетом особенностей кровельного покрытия. Дело в том, что на кровле из шифера стойки должны располагаться во впадинах листов.

Соединяют детали лестницы на гвоздях размером 4x80 мм, причем в деталях для гвоздей обязательно сверлят отверстия. При сверлении стенки отверстия уплотняются, поэтому гвозди в таких отверстиях держатся более плотно, а бруски не раскалываются. Выступающие концы гвоздей загибают. К верхней части лестницы крепят бобышки-зацепы, с помощью которых она цепляется за конек.

Наклонные солнечные часы работают только в солнечные дни и только с 21 марта по 21 сентября, когда солнце расположено в северном полушарии, поэтому на «зимнее время» стрелки переводить не нужно. На зиму гномон с крыши лучше убрать, чтобы это не сделал за вас снег при сходе с крыши.

Эти часы рассчитать, конечно, сложнее, чем экваториальные, но зато время они могут показывать круглый год. В этих часах кадран лежит строго горизонтально, а гномон направлен на север и расположен к поверхности кадрана под углом, равным географической широте местности. Вся сложность построения - в разметке часовых линий, которые в данном случае будут располагаться на циферблате не равномерно. Эту разметку можно провести тремя способами.

Первый способ - самый легкий, но не очень точный - способ визуальных наблюдений. Для начала, надо изготовить плоский кадран и укрепить на нем гномон. Например, Харьков расположен на широте 50°, поэтому гномон будет располагаться под углом 50° к горизонтальной поверхности кадрана. Чертеж гномона в данном случае будет выглядеть так.

После этого закрепляем гномон на кадране таким образом, чтобы стороны треугольника ВС и ВА были направлены строго на север (как это сделать описывалось в статье про экваториальные часы). Теперь наблюдаем за движением тени от гномона и каждый час делаем отметки на циферблате. Таким образом, за сутки можно разметить весь циферблат. Чтобы разметка была более точной, надо выбрать дни, когда значение уравнения времени приближается к нулю. После разметки наш циферблат будет сверху выглядеть так.

Из точки А проведем линию к перпендикулярной прямой так, чтобы угол САВ равнялся широте вашей местности (Рис.2).

Из точки В проведем перпендикуляр к отрезку АС (Рис.3) и отметим на нем точку D. Из точки В, радиусом BD, проведем окружность и, на пересечении ее с горизонтальной прямой, отметим точку О (Рис.4).

Теперь чертим окружность с центром в точке О и радиусом ОВ и эту окружность делим на равные сектора по 15°, как при разметке экваториальных часов. Каждый луч продлеваем до пересечения с вертикальной прямой ВС. Эти точки и будут определять часовую разметку наших горизонтальных часов (Рис.5).

Соединяем эти точки с точкой А (линии красного цвета). Осталось только пронумеровать - и половинка циферблата готова. Повернем полученный чертеж на 90° (Рис.6) и симметрично дорисуем правую половинку циферблата.

Часы готовы. Гномон изготавливается так же, как описано в первом способе и устанавливается на циферблат вдоль 12-часовой линии (линия АВ) так, чтобы угол, равный широте местности совпадал с точкой А.

Остается правильно сориентировать часы на местности - и все..

Третий способ - тригонометрический. В начале заготовим основу будущего циферблата - пересекающиеся под прямым углом линии и нанесем основные часовые отметки.

Все углы для разметки часовых делений можно рассчитать по формуле:

tg(a)=sin(f) * tg(t),

где а - искомый угол
f - широта местности
t - временной отрезок, выраженный в градусной мере (из расчёта 1ч = 15°).

Например, рассчитаем, где будет находиться отметка 11 часов на часах, расположенных в Харькове. Значение f = 50°, а t = 15° (1час от отметки 12).Подставим эти значения в формулу:

tg(a)=sin(50°)*tg(15°)=0,7660*0,2679=0,2052

отсюда определяем, что угол a=12°.

Таким образом, на циферблате угол между 12 и 11 часами будет для Харькова равняться 12°. Симметрично ему можно отложить сразу и угол между 12 и 13 часами. По этой же формуле рассчитываем и остальную разметку, принимая угол t равный соответственно двум, трем и т. д. часам (30°, 45° и т.д.).

Наши часы будут выглядеть так, как на этом рисунке (вид сверху). Красной линией ВС отмечено место крепления гномона, в данном случае без учета поправки на долготу местности. Если учесть эту поправку, то гномон будет направлен не ровно на 12 часов, а на точку времени 12час 35мин - истинный полдень для Харькова.

Теперь устанавливаем эти часы на местности, сориентировав гномон строго по линии север-юг, как описывалось ранее.

Циферблат горизонтальных часов не обязательно должен быть круглым. Если учесть реальную тень от гномона, то можно создать часы, которые будут показывать не только точное время, но и дату, не давая Вам забыть о таких важных событиях в жизни, как юбилеи, дни рождения, памятные даты. Например, солнечные часы у входа в яхт-клуб города Четхэма (Англия), показывают дату и час гибели адмирала Нельсона (21 октября в 17 часов). О построении таких часов можно прочитать в нашей специальной статье, посвещенной горизонтальным солнечным часам с циферблатом, ограниченным линиями солнцестояния .

Если Вы заинтересовались построением таких часов у себя на участке или дома, но у Вас нет времени сделать расчеты, вы можете заказать чертеж таких часов, рассчитанный именно для Вашей местности и для Ваших дат, в нашем интернет-магазине в разделе экзотических товаров.

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

Из чего состоят солнечные часы

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

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

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

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

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

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

Вертикальные солнечные часы.

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

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

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

История солнечных часов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Солнечные часы состоят из трех деталей: гномона то есть предмета, отбрасывающего тень, циферблата, на который эта тень падает и самого солнца. Линии на циферблате, форма и величина гномона рассчитываются индивидуально для каждых часов в зависимости от географических координат места их установки.
Солнечные часы это астрономический прибор, предназначенный для измерения высоты, азимута и склонения солнца. Размерность этих величин – градусы дуги. По своему усмотрению мы можем придавать им различный физический смысл. Так, по значению азимута и высоты солнца над горизонтом мы может измерять время. А по значению склонения — регистрировать даты перехода солнца из одного зодиакального созвездия в другое, определять наступление дня равноденствия, солнцестояния или любой другой даты, например, дня рождения.

Расположение линий на циферблате солнечных часов зависит от ориентации циферблата относительно полюса мира, математического горизонта и небесного экватора. Циферблат же может быть нарисован где угодно, например — на сферической поверхности.
Несмотря на то, что конструкции солнечных часов чрезвычайно разнообразны, большинство людей полагает, что солнечные часы это диск, к которому прикреплен треугольник. Отчасти, это верно. Именно так выглядят наиболее часто встречающиеся горизонтальные солнечные часы.

Рассмотрим, как устроены типичные горизонтальные солнечные часы.

Шкалы .

Главный элемент циферблата это шкала для регистрации времени. Точность шкалы зависит от точности изготовления солнечных часов и тщательности сборки их деталей. Кроме того, точность шкалы определяется размером солнечных часов (чем больше их размер, тем точнее может быть сделана шкала). Деления шкалы представляют собой отрезки так называемых часовых линий. То есть линий, образованных тенью гномона на циферблате солнечных часов. На фотографии ниже часовые линии выделены цветом.

Раньше, до введения в обиход поясного времени, хватало единственной шкалы, предназначенной для регистрации местного времени – то есть времени на меридиане, проходящем через место установки солнечных часов. Теперь на циферблатах можно увидеть две или даже три шкалы. Одну – для регистрации местного времени, вторую – для регистрации поясного летнего времени, а третью – для регистрации поясного зимнего времени. Это делается, чтобы не затруднять пользователя вычислениями. Следует иметь в виду, что это не разные виды времени, а просто разные способы измерения одного и того же.

Бывают особые случаи, когда на циферблат помещают дополнительные шкалы. Необходимость в этом возникает, когда солнечные часы установлены в одной часовой зоне, но предназначены для регистрации времени в другой часовой зоне, отдаленной от места установки тысячами километров. Например, как на этих солнечных часах, которые установлены в г. Умеа (Швеция), но регистрируют время в Москве.

Солнечные часы для часовых зон GMT+3 и GMT+1

Иногда, кроме шкал, предназначенных для регистрации времени, на солнечных часах выполняются шкалы для измерения азимута солнца и высоты солнца над горизонтом а также шкала географической долготы.

Шкала азимутов солнца и шкала высоты солнца над горизонтом, градусы дуги.

Азимут это угол между направлением на полюс и направлением на какой-либо удаленный предмет. В гномонике, в отличие от геодезии, азимут традиционно отсчитывается от направления на южный географический полюс. Это означает, что в момент истинного полудня азимут солнца по определению равен 180º, а в тот момент, когда солнце находится точно на западе или точно на востоке, его азимут соответственно равен 90º и -90º. Большинство людей полагает, что солнце всегда восходит на востоке и заходит на западе. С помощью шкалы азимутов легко убедиться, что это не так. Лишь два раза в году, в дни равноденствий, солнце восходит на востоке и заходит на западе.

Шкалу, измеряющую высоту солнца над горизонтом, обычно помещают на циферблат солнечных часов, предназначенных служить учебным пособием по географии и астрономии. В обычной жизни, в быту, нет необходимости знать, какова в данный момент высота солнца над горизонтом. Но на солнечных часах, установленных на школьной астрономической площадке, такая шкала уместна.

Шкала географической долготы, дополненная названиями городов

Шкала географической долготы позволяет наблюдать перемещение солнца по планете. Когда солнце пересекает какой-либо местный меридиан, на этом меридиане наступает истинный солнечный полдень, солнце занимает высшую точку своего дневного пути а его азимут равен точно 180º. То есть в этот момент солнце находится точно на юге. Если шкалу географической долготы дополнить списком городов таким образом, чтобы название города располагалось напротив соответствующей долготы, то по тени гномона можно, не прибегая к вычислениям, узнать, в каком городе сейчас истинный полдень.

Уравнение времени и аналемма .

На циферблате солнечных часов или рядом с солнечными часами часто помещают таблицу уравнения времени (или его график) и аналемму. Чтобы понять что это такое, необходимо сделать некоторые объяснения. Дело в том, что показания солнечных часов совпадают с показаниями наручных часов только четыре раза в году – 15 апреля, 12 июня, 1 сентября и 24 декабря. В остальные дни года солнечные часы либо спешат, либо отстают в пределах (+ 14) – (-16) минут. Причина в том, что солнечные часы измеряют истинное, объективно существующее время, тогда как наручные часы измеряют так называемое среднее время, специально придуманное людьми, чтобы упростить процесс его измерения. Чтобы по истинному времени, измеряемому, солнечными часами узнать среднее время, к их показаниям следует добавить специальную поправку, называемую уравнением времени. Уравнение времени это разница между показаниями наручных и солнечных часов. В специальной литературе ее обычно обозначают как µ или ЕоТ. В разные дни года величина µ имеет различные значения. Выраженная графически зависимость µ от календарной даты называется графиком, номограммой или таблицей уравнения времени.

Круговой график уравнения времени и аналемма, предназначенная для вычисления среднего времени по показаниям солнечных часов.

Земля обращается вокруг солнца в плоскости, называемой эклиптикой. Ось вращения земли направлена на север и наклонена к этой плоскости под углом примерно 23 градуса. Это означает, что в течение полугода мы видим, что солнце находится ниже эклиптики. В это время в северном полушарии зима. В течение другой половины года мы видим, что солнце находится выше эклиптики. В это время в северном полушарии лето. Выраженная в градусах дуги высота солнца над эклиптикой называется склонением ρ . Графически выраженная зависимость уравнения времени µ от склонения солнца ρ называется аналеммой. В координатах ρ, µ аналемма представляет собой красивую кривую в форме восьмерки.

Горизонтальные солнечные часы с таблицей уравнения времени и аналеммой, расположенной вдоль часовой линии. На этих солнечных часах аналемма используется в качестве инструмента для поверки механических, электронных или любых иных часов.

Применительно к солнечным часам аналемму можно использовать двумя способами. Первый способ состоит в том, что на аналемме обозначаются точки, соответствующие календарным датам. Тогда, если нам известно, какое сегодня число, мы можем по координате µ определить, сколько минут в этот день нужно добавить к показаниям солнечных часов, чтобы узнать, который сейчас час в терминах общепринятого среднего времени. Заодно, по координате ρ , мы можем узнать величину склонения солнца.

График уравнения времени может быть вырезан из камня и установлен рядом с солнечными часами в качестве отдельного арт-объекта.

Второй способ не требует знания текущей календарной даты. В этом случае специально рассчитанную аналемму, разделённую на отрезки, соответствующие календарных датам, располагают вдоль одной из часовых линий. В тот момент когда тень нодуса (о нем ниже) пересекает аналемму (не часовую линию, sic!), показания солнечных часов совпадают со средним временем, а точка аналеммы, в которой её пересекает тень нодуса, соответствует календарной дате. Расположенную таким образом аналемму очень удобно использовать для поверки механических часов и для определения текущей календарной даты. Если размер солнечных часов достаточно большой, а сопряжение их деталей выполнено точно, мы можем разбить аналемму на 365 участков и таким образом наделить солнечные часы еще одной функцией — служить вечным календарем.

Тень нодуса пересекает «восьмерку» аналеммы дважды. Поэтому использование аналеммы в качестве инструмента для поверки наручных часов и для определения даты предполагает, что пользователю известно, что в аналемме различают две части — зимнюю и летнюю и что они несимметричны друг другу. Графически они похожи на зеркально отраженные относительно друг друга S-образные кривые. Зимнюю часть используют в период между осенним и весенним равноденствием, летнюю — в период между весенним и осеним равноденствием.

Для более подробного знакомства с понятием аналеммы можно обратиться к учебному видео материалу Ивана Королева .

Существуют десятки способов графического изображения этих зависимостей и великое множество приемов выполнения их в материале. Вот некоторые из них.

График и таблица уравнения времени могут быть выполнены из камня и из покрытого золотом, патинированного или состаренного цветного металла.

Гномон .

Гномон это предмет, отбрасывающий тень на циферблат и служащий для регистрации времени. На горизонтальных солнечных часах он обычно имеет форму треугольника, а угол его наклона соответствует географической широте. Плоскость треугольника параллельна местному меридиану, а верхняя его сторона параллельна земной оси и всегда направлена на северный полюс мира. (Разумеется, только в северном полушарии).

Гномон это материальный объект, и у него есть толщина. Ее следует учитывать при расчете циферблата. В шкалах делаются разрывы, ширина которых равна толщине гномона. Строго говоря, у точных солнечных часов есть два гномона – восточный и западный. Западный представляет собой ребро, образованное западной и верхней гранями. По его тени регистрируется время от восхода солнца до полудня. Восточный представляет собой ребро, образованное восточной и верхней гранями треугольника. По его тени регистрируется время от полудня до захода солнца.

Гномон, выполненный методом пластического литья. Бронза, патинирование.

Гномон с фактурной патинированной поверхностью. Латунь.

Гномон с нодусом. На восточной грани гномона награвирована фраза из книги Гарри Гаррисона «Стальная Крыса идет в армию». Латунь, золото 999 пробы.

Одна из граней гномона криволинейна. Делается это, по-видимому, не только из эстетических соображений, но также для того, чтобы не перепутать, какую именно грань следует использовать для регистрации времени. Плоскость гномона не обязательно должна быть сплошной. Она может быть выполнена методом пластического литья, с помощью гидроабразивной резки или любым другим способом, зависящим от предпочтений. Важно лишь, чтобы грань, предназначенная для регистрации времени, была строго прямолинейной и находилась в расчетных точках циферблата.

Гномон нодусом. На западной грани гномона награвирована фраза из текста статьи М.В. Ломоносова «Об усовершенствовании зрительных труб»1762 года.

На солнечных часах обычно бывает только один гномон. Исключение составляют так называемые Оттоманские солнечные часы. На них устанавливают два гномона. Один – для регистрации времени, другой, меньшего размера, — для определения времени исламских молитв. Но бывают исключения. Например, на этих солнечных часах большой гномон предназначен для регистрации времени, тогда как маленький конический предназначен для того, чтобы раз в год, в день рождения владельца, тень от вершины конуса следовала вдоль специально рассчитанной юбилейной линии.

Горизонтальные солнечные часы с двумя гномонами. В день рождения владельца этих солнечных часов тень от вершины конического гномона следует вдоль специально рассчитанной линии.

В очень редких случаях на солнечных часах устанавливают более двух гномонов. Так, на этих солнечных часах имеются три циферблата, каждый из которых снабжен собственным гномоном. Один из них предназначен для измерения истинного местного времени на меридиане места установки, другой предназначен для измерения истинного поясного времени, а третий — для измерения азимута солнца.

Солнечные часы с тремя гномонами.

Нодус, линии склонения, юбилейная линия .

Нодус (в переводе с греческого – узел) это такая точка на гномоне, тень которой соответствует склонению солнца. Склонение - это высота солнца над эклиптикой. Эклиптика - это плоскость в которой Земля обращается вокруг солнца.

Нодус обычно выполняется в виде отметки на полярной грани гномона.

Каждому дню года соответствует определенная величина склонения солнца. По мере того, как солнце, осуществляя свой дневной путь, движется с востока на запад, тень нодуса перемещается по циферблату с запада на восток. Траектория тени нодуса уникальна для каждого дня года и не меняется заметно в течение столетий. Эта траектория называется линией склонения.

Линии склонения. На циферблате награвированы линии склонения, соответствующие датам перехода солнца из одного зодиакального созвездия в другое.

В Международный день музеев тень нодуса следует вдоль специально рассчитанной юбилейной линии склонения.

Линии склонения на циферблате можно рассчитать для любой даты. Но обычно их рассчитывают для дат, имеющий астрономический смысл. Например, для дней равноденствия и солнцестояния. По мере того, как Земля совершает годовой оборот вокруг солнца, звездный фон нашего светила меняется. С незапамятных времен он разделяется на 12 секторов, именуемых зодиакальными созвездиями, а переход солнца из одного зодиакального созвездия в другое многие люди все еще склонны рассматривать как значительное астрономическое событие. Если линии склонения на солнечных часах рассчитать для каждого из этих двенадцати секторов, то у солнечных часов появится еще одна функция. Кроме времени они будут регистрировать дату смены зодиакальных созвездий.

В течение года в жизни каждого человека происходит много событий. Некоторые из них субъективно гораздо важнее, чем смена зодиакальных месяцев. Линия склонения солнца, рассчитанная для такого дня, который имеет особенное значение в личной жизни человека, называется юбилейной линией.

На одном циферблате можно поместить несколько юбилейных линий склонения. По одной для каждого члена семьи.

Обычно юбилейную линию рассчитывают для дня свадьбы или для дня рождения. Но есть немало других событий, достойных сопоставления с положением Земли на ее орбите. Например, день окончания строительства дома, день защиты диссертации, день публикации первого стихотворения – все это очень достойные поводы, чтобы отмечать их ежегодно с помощью солнечных часов. На одном циферблате можно поместить несколько юбилейных линий для каждого члена семьи. А можно на одних солнечных часах сделать несколько циферблатов для каждого из них.

Каждый год в один и тот же день солнечная тень следует вдоль специально рассчитанной юбилейной линии. Так будет продолжаться до тех пор, пока существует Солнечная система. То есть в ближайшие четыре с половиной миллиарда лет.

Чем солнечные часы отличаются от обычных, например механических часов .

Солнечные часы показывают истинное солнечное время.
Наручные часы показывают среднее солнечное время.
Момент, когда солнце достигает высшей точки своего суточного пути и пересекает местный меридиан, называется истинным солнечным полуднем. Промежуток времени между двумя последовательными полуднями называется истинными солнечными сутками.

Истинные солнечные сутки — величина непостоянная. Иногда они длиннее, иногда короче. Стало быть, и части их, то есть часы, минуты и секунды не всегда равны между собой.
Затруднительно сконструировать часовой механизм так, чтобы он шел точно по солнцу, то есть в один день быстрее, в другой медленнее. Поэтому наручные часы показывают не солнечное и некое другое время, называемое средним. Продолжительность средних суток, называемых еще гражданскими, получают путем расчетов. Складывают продолжительность всех солнечных суток года и делят получившуюся сумму на количество суток в году. Гражданские сутки, а стало быть, гражданские часы, минуты и секунды, есть величина постоянная по определению.

До изобретения атомных часов, самой стабильной единицей времени считались звездные сутки, определяемые по промежутку времени между двумя последовательными восходами какой-либо отдаленной звезды. Чтобы измерить продолжительность солнечных суток, а затем путем расчетов определить продолжительность средних суток, по традиции используют именно звездное время — звездные часы, минуты и секунды.

Сравнительная продолжительность суток, выраженная в среднем времени выглядит следующим образом:

Средние солнечные (гражданские) сутки
24 h 00 m 00 s

Истинные солнечные сутки
24 h 00 m 00 s ± 17 m

Звездные сутки
23 h 56 m 4,09 s

Ось нашей планеты наклонена к плоскости ее обращения вокруг солнца на 23°. Кроме того, орбита нашей планеты имеет эксцентриситет, из чего следует, что скорость ее обращения вокруг солнца непостоянна. По этим двум причинам момент времени, приходящийся точно на середину гражданских суток и называемый средним солнечным полуднем, совпадает с истинным солнечным полуднем только четыре раза в году. В остальные дни гражданский полдень либо опережает истинный солнечный, либо запаздывает относительно него. Это же относится вообще к любому моменту времени, а не только к полудню.

Разница между истинным и средним солнечным временем называется уравнением времени. Чтобы по показаниям солнечных часов получить показания наручных, надо учесть уравнение времени. Кроме того, обычно требуется внести поправку на поясное время, декретное время и, если последнее введено, поправку на летнее время.

Обычные часы помогают решать практические вопросы — не опоздать на работу, вовремя проснуться. Это очень полезная вещь — обычные часы. В мире, где расписание поездов и цена на бензин реальнее самих законов Кеплера, без обычных часов не прожить и дня. Тем не менее, результаты эволюции нельзя отменить и наши тела продолжают жить по истинному солнечному времени и продолжают помнить, как себя чувствовали наши далекие предки, не отделяющие еще время от пространства, а себя от природы и счастливые уже по одной этой причине.

Солнечные часы помогают нам более сдержанно оценивать свою роль в этом мире. Они помогают нам не забыть, что Земля это очень маленькая планета с ограниченными ресурсами, что вращается она вокруг желтой звезды среднего размера, а сама эта звезда всего лишь одна из великого множества ей подобных составляющих нашу малую родину — Галактику Млечный путь.