Jak funguje gnomon?

Polární gnómon takových hodin je nasměrován rovnoběžně se zemskou rotační osou. Do této skupiny patří drtivá většina moderních slunečních hodin. Polární gnomon lze kombinovat s různými typy číselníků. Nejběžnější typy hodin s tímto typem gnómonu jsou diskutovány níže.

rovníkové hodiny

Rovníkový Hodinky zaujímají zvláštní místo z mnoha důvodů. Jak je vidět z výše uvedeného obrázku, jsou nejjednodušším modelem rotace Země kolem své osy. Hodinky dostaly své jméno, protože jejich ciferník je rovnoběžný s rovinou Zemský rovníka gnomon kolmý k číselníku je rovnoběžný s osou otáčení P”P. To znamená, že stín gnómonu se pohybuje po číselníku konstantní rychlostí: 15° za hodinu (nebo 1° za 4 minuty). Hodinová označení rovníkových hodinek proto sestupují na rozdělení obvodu ciferníku na 24 stejných částí. Tento problém lze vyřešit i bez úhloměru – pomocí kružítka a pravítka.

Další důležitou vlastností rovníkových hodinek je, že jsou univerzální a při správné instalaci je lze používat kdekoli na světě. Pokud číslujete značky hodin od 0 do 23, pak při nastavování rovníkových hodin musíte otočit číselníkem tak, aby čára 6-18 hodin ležela v horizontální rovině a čára 12 hodin ležela v poledníku. letadlo. Na obrázku jsou tyto hodinové čáry spojeny s hlavními směry, které jsou vyznačeny, jak se tradičně dělá na růžici kompasu: N – sever, S – jih, E – východ, W – západ. Aby gnomon směřoval k Polárce, musí být nakloněn pod úhlem φ k severu. (Řecké písmeno φ v gnómonice tradičně označuje zeměpisnou šířku místa, kde jsou hodiny instalovány.) Protože se v zimě Slunce nachází pod rovinou rovníku, musí se čas v zimě odečítat ze zadní strany číselníku. Hodinové značky na zadní straně číselníku jsou číslovány proti směru hodinových ručiček.

Kromě své všestrannosti jsou rovníkové hodinky pozoruhodné tím, že mohou sloužit nástroj pro značení číselníků na jakýchkoli površích. Pokud je gnómon namířen na Polárku a jsou k němu připevněny rovníkové hodiny, pak lze pomocí závitu přesně přenést hodinové čáry na libovolně složité a libovolně orientované povrchy. Obrázek ukazuje, jak se to dělá. V moderních podmínkách lze jako vlákno použít laserové ukazovátko, které je orientováno po hodinových čarách. Při stavbě slunečních hodin pomocí výkresů, a přesně to dělali staří mistři, jsou rovníkové hodiny základem všech konstrukcí.

Rovníkové projekční hodiny

Princip činnosti rovníkových hodin lze využít při výpočtu hodinek, které mají jako ciferník povrch s vyříznutými čísly. Sluneční světlo promítá aktuální čas na speciální platformu, která je orientována podél osy rotace Země. U takových hodinek se ciferník rámující platformu v podstatě stává gnómonem. Několik podobných projekčních hodin vyrobil mimo jiné slavný italský gnómonista Joan Olivares Alfonso, jejichž fotografie jsou zde. Jak je vidět na těchto fotografiích, hodinové značky mohou být vyříznuty v různých provedeních (nejčastěji jsou půlkruhové) rámující projekční platformu. Na samotné plošině je nakreslena čára odpovídající gnómonu běžných rovníkových hodin a vyříznuté značky hodin jsou umístěny tak, aby ležely kolmo k hodinových čarách pomyslného ciferníku rovníkových hodin.

Polární hodiny

В polární U slunečních hodin jsou gnomon i rovina číselníku rovnoběžné se zemskou osou rotace. Stejně jako rovníkové hodiny jsou i polární hodiny univerzální a označení jejich číselníku nezávisí na místě instalace. Aby správně ukazovaly skutečný čas, stačí je umístit pod správným úhlem k horizontu (rovný zeměpisné šířce místa φ). Na obrázku jsou polární hodiny vyobrazeny s rovníkovými hodinami na gnómonu tak, aby byla zřetelná kresba, kterou je číselník označen.

Zjevnou nevýhodou polárních hodin je omezení odečtů času. Teoreticky (s horizontálním ciferníkem) mohou takové hodinky ukazovat sluneční čas od 6 do 18 hodin, i když v praxi velikost ciferníku omezuje rozsah zobrazovaného času na 7-17 hodin. Otáčením číselníku pod úhlem α lze rozsah čtení posunout jedním nebo druhým směrem.

Vpravo je nákres, pomocí kterého můžete udělat označení hodin jakýchkoli polárních hodin. Určujícím prvkem je výška gnómonu nad číselníkem GO. Právě tato hodnota určuje polohu hodinových čar. Změnou úhlu α můžete změnit rozsah hodin. Zajímavé jsou především polární hodiny, u kterých je rovina číselníku pootočena o 90°. Často jsou takové hodiny umístěny na stěnách budov, které jsou orientovány striktně na východ (nebo západ). Pro výpočet vzdáleností mezi hodinovými čarami nebo použití mezilehlých značek je vhodnější použít trigonometrické vzorce. Li G – výška gnómonu, H – vzdálenost značky hodin od čáry 12 hodin a symbol h označte čas ve stupních, pak obecně vzorec vypadá takto:

1:15: H = G sin (XNUMX°)
2:30: H = G sin (XNUMX°)
11:15: H = G sin (-XNUMX°)
10:30: H = G sin (-XNUMX°)
.

Pomocí tohoto vzorce můžete snadno vypočítat mezilehlé značky, například určit vzdálenost od polední čáry do 13:30, pak hodnotu h měl by být vzat rovný 15+7,5=22,5°.

Armilární sféra

Armilární sféra (nebo polokoule, jako na obrázku) je kombinací výhod rovníkových a polárních hodin. Zároveň jsou takové hodinky prosté svých nevýhod: ukazují čas na stejném ciferníku po celý rok a rozsah čtení může být jakýkoli.

Na proužku jsou umístěny značky hodin WME, který leží v rovině rovníku, podobně jako rovníkové hodiny. Obrázek ukazuje pouze 6, 12 a 18 hodin. Další značky lze snadno vypočítat na základě skutečnosti, že za 1 hodinu se Země otočí o 15 stupňů. Armilární koule nebo polokoule může ukazovat deklinaci Slunce, což je ekvivalentní funkci kalendář pro běžné hodinky. Pro toto, na místě O mít gnomon uzel, tedy nějaké zahuštění, jehož stín bude v poledne na pásu dobře patrný P”MP. Tradičně se deklinace označuje pro okamžiky, kdy Slunce vstoupí do odpovídajícího znamení zvěrokruhu.

Vertikální a horizontální hodiny

Do této kategorie patří převážná část slunečních hodin, neboť tradičními místy pro jejich umístění jsou parkové trávníky a zdi budov. Jak je patrné z obrázku, horizontální hodiny a vertikální hodiny orientované směrem na jih jsou z hlediska počítání hodinových čar na ciferníku stejné. Právě tato kombinace vertikálních a horizontálních hodinek se dobře hodí pro kapesní sluneční hodiny vyrobené ve formě cigaretového pouzdra. U takto přenosných modelů je často na vodorovné části umístěn kompas, který ukazuje značku 12 hodin na sever.

Pokud ano, pak stačí uvést metodu pro výpočet horizontálních hodin pro libovolnou zeměpisnou šířku. Na obrázku jsou horizontální sluneční hodiny s gnómonem GO, směřující pod úhlem φ k severu. Nakreslený kulatý ciferník se středem v bodě G – je imaginární rovníkové hodiny, které pomáhají porozumět kresbě. Na něm ABLK obdélníkový číselník, na kterém je třeba nakreslit hodinové čáry pro polární gnómon.

Na výkresu, aby nebyly přidány zbytečné věci, pouze řádky za 12 (OM), 13, 14 a 15 hodin. Tečka O – místo, kde je připojen gnomon. Protože leží na lince AB, pak pomocí zobrazené metody můžete kreslit značky pro každou hodinu od 6:XNUMX (AO) do 6 hodin (OB). Chcete-li zobrazit hodinové čáry mimo tyto limity, měli byste zvážit 12 hodin symetrie sluneční hodiny. To znamená, že hodinová značka pro 5:17 bude prodloužením linie XNUMX hodin od základny gnómonu, bodu O.

Horizontální (a vertikální) sluneční hodiny nejsou univerzální, protože při konstrukci hodinových čar se používá zeměpisná šířka místa instalace φ. Někdy se v zahradnictvích horizontální sluneční hodiny prodávají jako hotové výrobky, vytvořené pro určitou zeměpisnou šířku. Takové hodinky se poměrně snadno instalují, takže ukazují čas správně i na nezamýšleném místě. Například, pokud jsou hotové horizontální hodiny vyrobeny pro zeměpisnou šířku 45 °, pak v Simferopolu musí být umístěny vodorovně; ve vesnici Chita region, Baley, musí být číselník navíc nakloněn o 6 °, protože zeměpisná šířka je tam 51°. V Ekvádoru na rovníku (severně od Quita) musí být číselník nakloněn o 45°, aby byl gnomon vodorovný. Obrázek ukazuje, jak se provádí korekce pro danou zeměpisnou šířku pomocí speciálního stojanu. Obecnou zásadou pro instalaci hotových horizontálních slunečních hodin je, že bez ohledu na úhel mezi gnomonem a číselníkem musí být gnomon nasměrován k Polárce.

Velmi často se vertikální sluneční hodiny umisťují na stěny budov. A je extrémně vzácné, že stěny budov jsou orientovány přesně podle světových stran. Hodiny jsou obvykle umístěny na nejvíce osvětlené stěně budovy, aby byl dosah maximální. V anglicky psané literatuře se sluneční hodiny na nepřísně orientovaných stěnách nazývají odmítnuté sluneční hodiny, což lze přeložit jako otočené vertikální hodiny. Rotace stěny v gnómonice je uvažována vzhledem ke směru na jih. Obrázek ukazuje zeď budovy otočenou pod úhlem Δ na východ. Gnomon Gdh, stejně jako všichni polární gnómoni, má tu vlastnost, že je nasměrován k Polárce. Znamená to, že GH rovnoběžné s osou rotace Země. V čem GD vymezuje důležitý směr tzv základ gnomon. Ve skutečnosti se jedná o průsečík roviny stěny a roviny gnómonu, která je na ni kolmá Gdh. Druhým důležitým faktem pro výpočet pootočených slunečních hodin je úhel HG Dkterý se nazývá výška gnómonu.

Chcete-li graficky určit základnu gnómonu a jeho výšku, musíte provést následující:

1. Na lince AB musíte nakreslit půlkruh se středem v bodě G. GD kolmý AB.
2. Čerpat GC pod úhlem 90°-φ to GD. Z bodu C nakreslit kolmici k GD – CH. V případě, že je zeď otočena na východ (jako v našem případě) GC je uložena nalevo od GD. Při otočení stěny na západ GC je uložena vpravo.
3. Z GD dáme to stranou GJ při úhlu natočení stěny Δ. Na GJ odložte segment GK, rovná CH. Z bodu K nakreslit kolmici k GD – KL.
4. Z bodu H odložte segment HM, rovná LK. Spojování teček G и M, dostaneme základ gnomonGN.
5. Z bodu K budeme provádět KP paralelní GD. Od Tokchi M definujme bod R, jak se nachází na půlkruhu a vzdálené od M na dálku KP. Tato operace vám umožňuje určit výška gnómonujako úhel RGN.

Abychom se nepletli, odstraníme z výkresu všechny pomocné čáry a ponecháme vodorovnou čáru AB, připojovací bod gnómonu G, základní linie gnomon GN, čára výšky gnómonu GR a vertikální polední čára GD.

1. Vyberme bod M na základní linii gnómonu GN. Stupnice číselníku bude záviset na jeho výběru. Skrz bod M kreslit kolmo k GN linka ST, podél kterého budou umístěny značky hodin. Z bodu M nakreslit kolmici k GR přesně tak E.
2. Z bodu M poloměr ME označit bod O, který bude středem fiktivních rovníkových hodin, které se používají k určení hodinových značek. Pojďme stavět od bodu O kružnice o libovolném poloměru. Na obrázku je zvoleno rovné OM.
3. Polední hodinová linka pojede po trati GP, který se protíná s ST ve 12 hodin m. Pojďme provést OM a z tohoto poloměru vyčleníme poloměry po 15 stupních pro konstrukci dalších hodinových značek (11, 13 atd.).

Určení natočení stěny

Při výpočtu nástěnných slunečních hodin vzniká praktický problém určení natočení stěny vůči jihu. Existuje mnoho způsobů, jak určit úhel rotace a všechny jsou založeny na použití vzorce, který souvisí s azimutem Slunce (A) a skutečný čas v úhlových jednotkách (HA):

cot(A)sin(HA) = tan(δ)cos(φ) – sin(φ)cos(HA)

V tomto vzorci δ znamená deklinaci Slunce v daný den v roce a φ je zeměpisná šířka místa. HA je uvažován ze směru na jih jako kladný směrem na západ a záporný směrem k východu.

Existují dva nejjednodušší způsoby použití tohoto vzorce, což však bude vyžadovat čas a Slunce:

1. Časový okamžik se zaznamená, když je slunce v rovině stěny (tj. zeď přestane svítit) a přesný občanský čas tohoto okamžiku se převede na sluneční. ZAPNUTO. Znáte-li zeměpisnou šířku místa φ a deklinaci slunce δ v den měření, můžete vypočítat azimut slunce А podle výše uvedeného vzorce. Natočení stěny se vypočítá jako A-90°.
2. Dočasný gnómon o délce Ha k jeho základně je připojena olovnice. V pravé poledne se měří vzdálenost konce stínu kolmého gnómonu od olovnice L. Otočení stěny α lze vypočítat pomocí vzorce:

Protože se nyní na internetu můžete podívat na satelitní mapy orientované striktně na geografický sever, pak s dostatečným měřítkem můžete pomocí takové mapy určit natočení stěny budovy. Přesnost takového měření samozřejmě nebude vysoká, ale obvykle to pro jednoduché nástěnné hodiny zcela postačuje.

„Sluneční hodiny jsou zařízení na měření času, které funguje tak, že pohybuje stínem gnómonu (svislé tyče) přes číselník. K určení denní doby využívají pohybu slunce. “

Obsah:

1. Vše o slunečních hodinách. Od A do Z

2. Historie vynálezu

3. Typy slunečních hodin

4. Konstrukce a princip činnosti

Vše o slunečních hodinách. Od A do Z

Mezi hlavní součásti slunečních hodin patří:

• Gnomon – vertikální tyč, která vrhá stín na číselník. Tvar a délka gnómonu určují přesnost hodin.
• Ciferník – rovný povrch, na kterém jsou nakresleny značky hodin. Může být vyroben z různých materiálů, včetně kamene, kovu, dřeva nebo plastu.
• Stín – pohyblivá čára, která se pohybuje po číselníku po celý den. Jeho délka a směr závisí na poloze slunce a denní době.

Princip fungování slunečních hodin je založen na skutečnosti, že stín gnómonu se mění v závislosti na denní době a poloze slunce na obloze.

V poledne, když je slunce přímo nad hlavou, bude gnómonův stín nejkratší. Postupem času se stín prodlužuje, dokud o půlnoci nedosáhne své maximální délky.

Sluneční hodiny lze klasifikovat podle různých parametrů, včetně tvaru číselníku (kulatý, čtvercový, obdélníkový atd.), orientace (vertikální, horizontální nebo šikmé), materiálu (kov, kámen, plast) a typu gnomon (plochý nebo kulatý). ..

Přesnost slunečních hodin závisí na mnoha faktorech, včetně zeměpisné šířky, úhlu číselníku a kvality gnómonu. Pro maximální přesnost by měl být gnomon svislý a měl by mít délku rovnou čtvrtině průměru číselníku.

Kromě své hlavní funkce mohou být sluneční hodiny také použity k demonstraci různých astronomických jevů, jako jsou rovnodennosti a slunovraty.

Historie vynálezu slunečních hodin

Historie slunečních hodin začíná ve starověkém Egyptě v roce 1500 před naším letopočtem. Tehdy vznikly první sluneční hodiny, známé jako gnómon – nejjednodušší typ slunečních hodin.

Gnómon byl svislý sloup namontovaný na vodorovné rovině a stín tohoto sloupu ukazoval aktuální čas. Takové sluneční hodiny se používaly v Egyptě, Babylonu a Řecku. Následně se design slunečních hodin vyvíjel a zdokonaloval.

Starověký Řím a Řecko vyvíjely složitější zařízení, jako jsou analemmatické sluneční hodiny, které zohledňovaly měnící se polohu Slunce v průběhu roku a přizpůsobovaly tomu svůj provoz.

S rozvojem vědy a techniky se sluneční hodiny začaly používat i pro astronomická pozorování, jako je měření sluneční deklinace, určování zeměpisné šířky oblasti atd.

Dnes se sluneční hodiny nadále používají jako dekorativní prvky v parcích, na náměstích a dalších veřejných prostranstvích. Navíc jde o sběratelské kousky mezi milovníky starožitností a historie vědy a techniky.

Typy slunečních hodin

Sluneční hodiny jsou zařízení, které využívá pohyb slunce k měření času. Jsou založeny na skutečnosti, že stín objektu se pohybuje se změnou polohy slunce na obloze. Existuje mnoho různých typů slunečních hodin, které lze klasifikovat podle různých kritérií.

1. Podle tvaru ciferníku:

• Kulaté: Nejběžnější typ slunečních hodin, má kulatý ciferník. Stín z gnómonu (vertikální tyč) se pohybuje v kruhu.
• Obdélníkový: S ciferníkem obdélníkového tvaru, obvykle používaný v parcích a venkovních prostorách.
• Trojúhelníkové: Mají trojúhelníkový tvar, často se používají v městském prostředí, kde je málo volného prostoru.

2. Podle typu gnomon:

• Plochý: Nejjednodušší a nejběžnější typ gnómonu. Jedná se o plochou destičku, která vrhá stín na číselník.
• Sférický: Přesnější typ gnómonu, který je kulového tvaru a vrhá stíny na číselník pod úhlem odpovídajícím poloze slunce na obloze.

3. Podle materiálu číselníku:

• Písek: Používá se v hodinkách umístěných na plážích nebo v pouštích. Písek usnadňuje určení polohy stínu, protože zanechává stopu na číselníku.
• Kámen: Obvykle se používá v tradičnějších slunečních hodinách instalovaných v parcích nebo na náměstích.
• Kov: Často se používá v moderních slunečních hodinách, zejména těch, které jsou instalovány v městských parcích nebo v blízkosti kancelářských budov.

4. Podle složitosti:

• Jednoduché: Pouze jedna šipka ukazuje na aktuální čas.
• Komplexní: Může mít více ruček nebo další funkce, jako je kalendář nebo teploměr.

5. Podle účelu:

• Sentinely: Slouží k zobrazení času na nejbližší hodinu.
• Minuta: Umožňuje určit čas na nejbližší minutu.
• Sekundy: Určete čas na nejbližší sekundu.

6. Podle stylu:

• Klasika: Mají jednoduchý a elegantní design, často využívající tradiční materiály, jako je kámen nebo kov.
• Současné: Použijte jasnější a neobvyklejší materiály a vzory, abyste upoutali pozornost kolemjdoucích.

7. Podle velikosti:

• Velké: Instaluje se na veřejných místech, jako jsou parky nebo náměstí, a lze je vidět z velké vzdálenosti.
• Malý: Kompaktnější modely, které lze nosit s sebou nebo je umístit na stůl.

8. Podle barvy:

• Single Color: Ciferníky mají jednu barvu, která může být buď jasná a atraktivní, nebo klidnější a neutrální.
• Vícebarevné: Na ciferníku je více barev, které se mohou lišit v závislosti na denní nebo roční době.

Existuje tedy mnoho různých typů slunečních hodin. Výběr konkrétního typu závisí na vašich preferencích, místě instalace a účelu.

Konstrukce a princip činnosti slunečních hodin

Sluneční hodiny se skládají z následujících hlavních součástí:

1. Gnomon: Jedná se o tyč nebo sloupek, který vrhá stín na číselník. Obvykle se vyrábí ze dřeva, kovu nebo kamene. Tvar gnómonu může být různý: od jednoduchého vertikálního sloupu po složitější struktury.

2. Vytočte: Jedná se o plochý povrch, na který je vržen stín gnómona. Může být vyroben z různých materiálů, jako je kámen, kov nebo plast. Číselník má obvykle dílky, které odpovídají určitým časovým intervalům.

3. Index (šipka): Jedná se o indikátor, který ukazuje aktuální čas na číselníku. Může být pevný nebo pohyblivý a obvykle se nachází ve středu číselníku.

Princip fungování slunečních hodin je založen na skutečnosti, že stín vrhaný gnómonem se během dne mění v důsledku pohybu Slunce. V poledne je stín nejkratší a o půlnoci nejdelší. Poloha stínu na číselníku ukazuje aktuální čas.

Sluneční hodiny mohou mít různé tvary a velikosti v závislosti na jejich účelu a místě použití. Mohou být stacionární nebo mobilní a lze je používat v interiéru i exteriéru.

Přesnost slunečních hodin závisí na mnoha faktorech, včetně zeměpisné šířky, roční doby a počasí. Nejsou úplně přesné, zvláště kolem rovnodenností a slunovratů, kdy se délka dne rychle mění. Když se však tyto faktory vezmou v úvahu a správně se použijí, mohou sluneční hodiny poskytnout spolehlivý a jednoduchý způsob, jak zjistit čas.

Jak používat sluneční hodiny?

Sluneční hodiny jsou jednoduchý a prastarý způsob měření času na základě pohybu slunce po obloze. Chcete-li používat sluneční hodiny, postupujte takto:

1. Najděte slunné místo pro nastavení hodin. Ujistěte se, že zde není žádný stín ze stromů nebo budov.

2. Umístěte hodiny na vodorovný povrch, jako je zem nebo stůl.

3. Nainstalujte je tak, aby hodinová ručička ukazovala na sever:

• pomocí kompasu
• lze použít během dne
• zeptat se osoby

4. Namiřte hodinovou ručičku směrem ke slunci. To lze provést pomocí kompasu nebo vizuálně při pohledu na stín slunce.

Namiřte konec ručičky přímo na slunce a poté pomalu otáčejte hodinkami, dokud stín ručičky neukáže na ciferníku 12:00 (poledne).

5. Pomocí hodinek pak můžete ukazovat čas během dne. Stín hodinové ručičky bude ukazovat čas na číselníku, ale pouze v případě, že hodiny umístíte správně a nasměrujete ručičku na sever.

Pamatujte, že sluneční hodiny fungují pouze během denního světla a neberou v úvahu noční hodiny. Nefungují ani v zatažených nebo deštivých dnech, kdy není vidět slunce.

Aplikace slunečních hodin

Praktické využití slunečních hodin se může lišit v závislosti na jejich umístění a designu:

• Definice času. Hlavní použití slunečních hodin je ukazovat čas. Mohou být užitečné pro lidi, kteří chtějí znát aktuální čas bez použití digitálních zařízení.
• Vnitřní dekorace. Sluneční hodiny lze použít jako dekorativní prvek v interiéru, dodávají prostoru charakter a jedinečnost.
• Připomínka. Sluneční hodiny slouží jako připomínka plynutí času a jeho proměnlivosti. Pomáhají lidem uvědomit si, že čas rychle utíká a je třeba jej využívat moudře.

• Školení a vzdělávání. Sluneční hodiny lze využít ke vzdělávacím účelům k výuce dětí i dospělých základů astronomie, zeměpisu a historie.
• Vytváření stínu. Některé sluneční hodiny mají také funkci stínění, chránící lidi před přímým slunečním zářením.
• Orientace. V některých případech mohou s orientací v prostoru pomoci sluneční hodiny, které udávají směr na sever.
• Výzkum. Sluneční hodiny jsou také zajímavé pro historiky a archeology, protože mohou poskytnout informace o kultuře a vývoji společnosti v minulosti.

Sluneční hodiny tak mají různé využití, od vyprávění času až po výzdobu interiéru a vzdělávací účely.