Солнечные часы

Солнечные часы в разных вариантах хорошо известны еще с античности. Не смотря на относительную простоту, существует множество разновидностей этого прибора. Простота большинства конструкций солнечных часов делает их очень надежным прибором для измерения времени, по крайней мере, в ясную солнечную погоду. В целом изготовить солнечные часы несложно [1-2]. В конструкции любых солнечных часов должен присутствовать циферблат, на который определенным образом нанесена разметка, и гномон, тень от которого и будет играть роль стрелки. Вероятно, самым простым вариантом будут экваториальные солнечные часы. Главное достоинство таких часов это простой циферблат, который разделен на 24 равных сектора.





В этой статье автор использовал учебные солнечные часы, но не представляет труда самому распечатать такой циферблат на бумаге или в более фундаментальном варианте воспользоваться лазерным гравером [3]. В центре циферблата перпендикулярно к его плоскости закрепляется гномон. В экземпляре автора гномон был утрачен и творчески заменен подходящим финишным гвоздиком.



Циферблат нужно разместить под углом к горизонту равным девяносто градусов минус широта места установки часов. В самодельных конструкциях для этого требуется использовать транспортир, а учебных часах на основании уже имеется разметка в виде бороздок в которую должен упираться конец гномона для того, чтобы часы показывали правильное времяна определнной широте.



Для установки часов нужно найти освещенную Солнцем площадку, на которой часы надо ориентировать так, что бы линия, соответствующая 12 часам смотрела в северном направлении, т.е. располагалась параллельно полуденной линии. Полуденная линия это линия, которая соединяет на горизонте точку севера с точкой юга. Вдоль нее лежит тень в истинный солнечный полдень, т.е. в момент, когда Солнце располагается выше всего над горизонтом, а тени при этом короче всего. В этот момент Солнце располагается над юге, а тень от гномона будет указывать на север. В простейшем случае ориентировать солнечные часы можно по компасу.



Строго говоря, в этом случае часы будут ориентированы не по географическому, а по магнитному меридиану, что, естественно, будет вносить погрешность в показания часов. Впрочем, этим можно пренебречь, учитывая, что чаще всего направление на северный географический полюс и магнитный полюс примерно совпадают, толщина тени отбрасываемой гномоном довольно велика, а Солнце вообще-то движется по эклиптике не вполне равномерно. Эта неравномерность движения Солнца по небу объясняется в частности тем, что его видимое движение зависит не только от вращения Земли, но и от движения Земли по орбите вокруг Солнца. При этом орбита Земли представляет собой эллипс (хотя и мало отличающийся от окружности), все это приводит к тому, что в соответствии со вторым законом Кеплера скорость движения Земли по орбите меняется, а солнечные часы показывают истинное солнечное время, которое может заметно отличаться от среднего солнечного времени, по которому идут все обычные механические и электронные часы. Эта разница зависит от текущей даты. Определить разность между средним солнечным временем и истинным солнечным временем можно из уравнения времени. Графически уравнение времени можно представить в следующем виде.



На этом графике по горизонтали отложено время в днях от начала года, а по вертикали разница истинного и среднего солнечного времен в минутах. Как видно на графике, в разные дни года разность между средним и истинным солнечным временем может достигать около +14,3 мин (12 февраля) и -16,4 мин (4 ноября), а четыре раза в году, приблизительно 15 апреля, 13 июня, 1 сентября и 25 декабря, она обращается в ноль. Также следует иметь в виду, что на момент написания этого текста в большинстве регионов России действует местное (декретное) время, т.е. к поясному времени добавляется один час. Таким образом, истинный солнечный полдень будет наступать около 13.00, при условии, что вы живете примерно в середине своего часового пояса.

При правильно ориентированных часах гномон будет указывать на Северный полюс мира, расположенный недалеко от Полярной звезды.

Главным недостатком солнечных часов такой конструкции является то, что в Северном полушарии они могут работать только от дня весеннего равноденствия (19-20 марта) до дня осеннего равноденствия (22-23 сентября). Другую половину года Солнце для наблюдателя в Северном полушарии Земли поднимается слишком низко над горизонтом и его лучи не могут осветить циферблат таких часов. Так происходит потому, что Солнце в это время находится в южном полушарии небесной сферы, а циферблат наклонных солнечных часов располагается в плоскости небесного экватора, т.е. солнечные лучи будут подсвечивать его снизу. В принципе, можно нанести разметку и на нижнюю поверхность циферблата, но использовать ее у часов малого размера неудобно.

Более сложным решением являются горизонтальные солнечные часы, которые лишены вышеописанного недостатка, но за способность работать весь год приходится платить циферблатом более сложного вида, который к тому же меняется в зависимости от широты места установки часов. Хотя рассчитать циферблат для таких часов по известной методике не очень сложно [2, 4].



Аналогично экваториальным часам горизонтальные солнечные часы следует устанавливать так, что бы линия соответствующая 12 часам смотрела строго на север, а гномон горизонтальных солнечных часов должен быть выполнен так, чтобы он был наклонен к горизонту под углом равным широте местности, т.е. смотрела примерно на Полярную звезду. Соответственно, время нужно отсчитывать по положению тени гномона.



Часы с фото выше имеют ряд сменных циферблатов для разных широт, например, установленный циферблат можно использовать если часы располагаются на 55 градусах северной широты, разумеется отклонение широты в 1-2 градуса в ту или иную сторону не сильно скажется на точности измерений достижимой с часами такого размера. Для других широт Северного полушария будет необходимо поменять угол наклона гномона и поменять разметку циферблата. Эту разметку можно выполнить по таблице, которая размещена в книге [1] на странице 305. Описание методики расчета горизонтальных солнечных часов для произвольной широты можно найти в книге [2] на страницах 260-261. На странице [4] есть код небольшой программы, которая может сгенерировать циферблат для любой широты. Правильно собранные солнечные часы будут идти без дополнительного завода и смены батареек пока свое не возьмет беспощадное второе начало термодинамики, по крайней мере, с перерывами на ночь и пасмурную погоду, во всяком случае пока пока пегасы не закроют небо не наступит ядерная/вулканическая/астероидная зима [5-9].

P.S.
Поздравляю всех дочитавших до этого места с Международным днём полёта человека в космос [10].

Источники.

1. Астрономия. Энциклопедия для детей – М.: Аванта плюс,1998 г.
2. Энциклопедический словарь юного астронома. Составитель Н.П.Ерпылев — М.: Педагогика, 1986 г.
3. Солнечные часы — URL: habr.com/ru/articles/746772/
4. Горизонтальные солнечные часы — URL: habr.com/ru/articles/755052/
5. Динозаврам не повезло с местом падения астероида — URL: nplus1.ru/news/2017/11/09/wrong-place
6. Падение Чикшулубского астероида на полтора года погрузило Землю во тьму — URL: elementy.ru/novosti_nauki/434159/Padenie_Chikshulubskogo_asteroida_na_poltora_goda_pogruzilo_Zemlyu_vo_tmu
7. Йеллоустонский супервулкан запустил две «вулканических зимы» — URL: nplus1.ru/news/2017/10/26/yellowstone
8. Ядерная зима и её компьютерное моделирование в 80-х. — URL: habr.com/ru/companies/ruvds/articles/668256/
9. Тарко А.М., Пархоменко В.П. Ядерная зима: история вопроса и прогнозы // Биосфера. — 2011. — т.3. — №2. — С.164-173 (URL: cyberleninka.ru/article/n/yadernaya-zima-istoriya-voprosa-i-prognozy/viewer)
10. Международный день полета человека в космос
12 апреля — URL: www.un.org/ru/observances/human-spaceflight-day