Солнечные часы08.07.2023 19:17

Старенький профессор астрономии поднимается на кафедру: «Я не буду читать вам лекцию. Я пришел попрощаться. В моей обсерватории сегодня остановились часы, который шли без малого триста лет. Я уверен: наступил конец света!» Студенты захихикали, заулюлюкали. Крики, вопли: «Купите себе «Роллекс»!», «Вызовите мастера!», «Вставь новую батарейку!» и т. п. Когда шум стих, профессор заговорил снова: «А теперь я скажу еще кое-что. Сегодня у меня в обсерватории остановились солнечные часы». (Анекдот)

Солнечные часы в широко применяется еще с античных времен. Не смотря на относительную простоту, существует множество разновидностей этого прибора.

Часть коллекции солнечных часов, размещенная в парке неба Московского планетария. 2012 г. Фото автора.

Простота большинства конструкций солнечных часов делает их очень надежным прибором, по крайней мере, в ясную погоду.

В целом изготовить солнечные часы несложно [1–2]. В конструкции любых солнечных часов должен присутствовать определенным образом размеченный циферблат 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.

Циферблат экваториальных солнечных часов. Рисунок автора.

В самом простом случае циферблат можно распечатать просто на бумаге или, как сделал автор, воспользоваться лазерным гравером. В центре циферблата перпендикулярно к плоскости циферблата закрепляется гномон. Автор использовал винт М3×40.

Экваториальные солнечные часы. Фото автора.

Циферблат надо расположить под углом к горизонту равным $90^\circ-\phi$ , где $\phi$ — широта места установки часов.

Размещение циферблата экваториальных солнечных часов под нужным углом. Фото автора.

В данной конструкции необходимый угол задается при помощи клина.

Клин для установки циферблата экваториальных солнечных часов под нужным углом. Фото автора.

Так как циферблат в этой конструкции соединен с основание шарнирно, то при переезде на другую широту надо будет заменить только клин.

Шарнирное крепление циферблата экваториальных солнечных часов. Фото автора.

Для установки часов необходимо 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.

Ориентирование экваториальных солнечных часов. Фото автора.

Вообще, 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, а это значит, что в соответствии со вторым законом Кеплера скорость движения Земли по орбите меняется. Строго говоря, 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 меняется в зависимости от текущей даты. Определить разность между средним солнечным временем и истинным солнечным временем можно из уравнения времени.

$E=7.53\cos(B)+1.5\sin(B)-9.87\sin(2B)$

где $B=2\pi(N-81)/365$ , а— номер дня в году.

Графически уравнение времени можно представить в следующем виде.

График уравнения времени.

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 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.

Циферблат горизонтальных солнечных часов. Красным прямоугольником показано место установки гномона. Рисунок автора.

Горизонтальные солнечные часы. Фото автора.

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 его верхняя грань была наклонена к горизонту под углом равным широте местности, т.е. смотрела примерно на Полярную звезду. Соответственно, время нужно отсчитывать по положению тени верхней грани гномона.

Ориентирование горизонтальных солнечных часов. Фото автора.

Циферблат часов с рисунка выше можно использовать если часы располагаются в полосе от 50 до 55 градусов северной широты. 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. Правильно собранные солнечные часы будут идти без дополнительного завода и смены батареек пока свое не возьмет беспощадное второе начало термодинамики, по крайней мере, пока не случиться астероидной [3], вулканической [4] или ядерной [5–6] зимы и над головой будет относительно ясное небо.

Источники.

Астрономия. Энциклопедия для детей — М.: Аванта плюс,1998 г.
Энциклопедический словарь юного астронома. Составитель Н.П. Ерпылев — М.: Педагогика, 1986 г.
Рыхлова Л.В. Проблема астероидно-кометной опасности // Решетневские чтения. — 2010. — С. 677–679 (URL: https://cyberleninka.ru/article/n/problema-asteroidno-kometnoy-opasnosti/viewer)
Йеллоустонский супервулкан запустил две «вулканических зимы». — URL: https://nplus1.ru/news/2017/10/26/yellowstone
Ядерная зима и её компьютерное моделирование в 80-х. — URL: https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/668256/
Тарко А.М., Пархоменко В.П. Ядерная зима: история вопроса и прогнозы // Биосфера. — 2011. — т.3. — №2. — С. 164–173 (URL: https://cyberleninka.ru/article/n/yadernaya-zima-istoriya-voprosa-i-prognozy/viewer)