В этой статье мы попросили мастера ответить на вопрос: «Аналемматические солнечные часы как сделать?», а также дать полезные рекомендации для наших читателей. Что из этого получилось, читайте далее.
Нажмите на фотографию, чтобы узнать подробности
Стань на название месяца и узнай время по собственной тени.
Аналемматические солнечные часы состоят из циферблата и шкалы дат. Циферблат имеет форму эллипса, соотношение осей которого зависит от географических координат. В полярных широтах эллипс имеет форму, близкую к кругу, тогда как вблизи экватора эллипс имеет вытянутую форму.
Малая ось эллипса направлена с севера на юг. Большая ось – с запада на восток. Вдоль короткой оси расположена шкала дат. Разбивка шкалы может быть сколь угодно подробной, но обычно шкалу дат разбивают в соответствии с календарными или зодиакальными месяцами.
Гномон аналемматических солнечных часов подвижен. Чтобы определить время, гномон следует поместить в то место шкалы дат, которое соответствует дню наблюдения. Направление тени гномона указывает время. В 17 – 18 столетиях аналемматические солнечные часы были небольшого кабинетного размера. Позже, неизвестно, когда именно, кому-то пришло в голову в качестве подвижного гномона использовать тело человека. Если человек станет на шкале дат на место, соответствующее календарной дате, он может узнать который час по собственной тени.
Кроме времени, с помощью аналемматических солнечных часов можно определять момент восхода и захода солнца. Причем делать это можно даже когда день пасмурный и даже ночью. На большой оси эллипса можно определить положение специальных точек, расположенных так, что линия, мысленно проведенная между этими точками и датой наблюдения на шкале дат, укажет момент восхода и захода на циферблате.
Оптимальный размер аналемматических солнечных часов – 6 метров вдоль большой оси.
Аналематические солнечные часы не препятствуют проходу и проезду, не загораживают прилегающий городской ландшафт, их очень трудно повредить и невозможно украсть.
Всем привет. Сегодня хочу рассказать про любопытную разновидность солнечных часов, в которых в качестве гномона (палки, отбрасывающей тень) используется не наклонный шест, параллельный оси вращения нашей планеты, а вертикальный шест, который переставляется по так называемой линии дат. Линия дат частично унаследована от аналеммы (из-за этого часы называются аналемматическими). Чаще всего в качестве гномона используется человек, который должен встать в определённое место линии дат (в зависимости от текущего месяца):
Солнечные часы 2009 года (предположительно здесь)
Однако может использоваться и неодушевлённый периодически переставляемый гномон:
Кнехт, показывающий время с 2013 года (Владивосток)
Сначала мы разберём, как работают аналемматические солнечные часы, а в следующем разделе представим алгоритм действий для расчёта и разметки такого типа часов.
Геометрия аналемматических часов
Давайте разберём, почему возможно использование вертикального гномона (вместо наклонного). Основой аналемматических часов являются обычные экваториальные солнечные часы (циферблат которых параллелен плоскости земного экватора), и для данной широты рассчитывается их проекция на горизонтальную (для этой широты) плоскость.
Рассмотрим, как строится эта проекция. Представьте себе солнечные часы на Северном Полюсе. Там совпадают конструкции экваториальных и горизонтальных солнечных часов — вертикальный гномон, перпендикулярный горизонтальному циферблату (в случае солнечных часов он называется кадран, но я предпочитаю называть его циферблатом):
Поскольку на полюсе нет сторон света, то обозначим ориентацию направлением на Лондон (нулевой меридиан). Представим, что сейчас истинный полдень в Лондоне, 22 июня (летнее солнцестояние), склонение солнца = +23.4°, и значит если высота гномона составляет R*tan(23.4°), где R — радиус циферблата, то тень от гномона как раз доходит до края циферблата (см. рисунок), делая по циферблату один оборот за сутки (15°/час).
Что будет через месяц, 22 июня? Склонение солнца уменьшится и составит 20.2°. Ещё через месяц, 22 августа, склонение составит 11.7°, и наконец 22 сентября — ноль градусов (день осеннего равноденствия).
Примечание: двадцать вторые числа беру условно, для простоты, при этом можно считать, что в течение года склонение солнца меняется как функция синуса с амплитудой 23.4 градуса и изменением фазы по 30 градусов за месяц, с приемлемой погрешностью.
Обозначим точки на гномоне, соответствующие июню, июлю, августу и сентябрю, как A B C D. Эти же точки B C и D соответствуют маю, апрелю и марту (так же по месяцу отступаем от июня, только в обратную сторону). Ниже циферблата симметрично проставляем точки E F G для октября (февраля), ноября (января) и декабря:
На этой картинке отображены оптические пути теней от точек-шаров, которые в «свой» месяц попадают на край диска циферблата.
Собственно 3D-заготовка для аналемматических часов готова. Теперь представьте, что происходит, когда вы смещаетесь по широте — наши экваториальные часы перемещаются параллельным переносом, а локальная вертикаль (и вместе с ней горизонтальная плоскость) поворачивается на угол 90-fi, где fi — широта места установки часов. Либо, что то же самое, сама конструкция часов поворачивается на тот же угол. Здесь представлен поворот для широты fi = 45 градусов.
Здесь у нас уже имеются стороны света, слева направо проходит меридиан Север-Юг (N->S), а поворачивали мы нашу конструкцию относительно оси Запад(W)->Восток. Нас в результате всех построений интересует проекция «Вид сверху» для локальной вертикали широты fi. В следующем разделе для таких построений будет использована моя программа Day-night, однако как вы заметили, в этих построениях нет ничего сложного, и вы можете проделать их самостоятельно в любом подручном редакторе/калькуляторе. Надо лишь отметить, что если вы хотите учесть часовой пояс, нужно ещё довернуть часовые метки циферблата вокруг оси AG на величину, соответствующую разнице вашей долготы и центральной долготы вашего часового пояса.
Как сделать аналемматические солнечные часы
Перейдём к практической части, в которой я изложу алгоритм действий для изготовления аналемматических солнечных часов.
1) Скачайте и установите программу -> Day_night_v3_0.exe. Выставьте координаты вашего пункта в левой верхней части окна (либо выберите в выпадающем списке, если есть подходящий город, либо введите координаты в поля широта Lat и долгота Long). Переключитесь на вкладку Sundial, выставьте свой часовой пояс в поле UTC offset (справа вверху) и нажмите кнопку sundial. Если рассчитанный график поначалу покажется сложным, можете отключить расчёт теней (галка Shadows) и координат (галка Coord). После расчёта в нижней части окна вы увидите ту самую проекцию «Вид сверху», которую мы обсудили выше:
Эта проекция, по которой расставлены часовые метки, является эллипсом, большая ось которого расположена вдоль направления Запад-Восток, а малая — вдоль Север-Юг (местный меридиан). На скриншоте направление на Север отмечено стрелкой N, она же ось X. Вдоль оси Y (Запад-Восток) показана величина Height (рост человека, выбранный в поле выше). Обозначены крайние точки линии дат, где размещается гномон (A — июнь; G — декабрь). Средняя точка (равноденствие) имеет координаты [0,0]. Координаты всех точек (точки линии дат и часовые метки) представлены в формате [X, Y]. При создании программы подразумевалось, что эта единица измерения — миллиметры, но вы можете произвольно масштабировать эту величину, главное все величины менять пропорционально. Впрочем, удобнее подобрать подходящие значения выше в полях R и Heigth и сразу получить правильные координаты (чтобы потом не пересчитывать). Меняя значения R и Height и наблюдая за ходом теней (обозначены на скриншоте июн, июл, авг, сен), вы можете подобрать размер часов таким образом, чтобы они были не слишком большими (в июне, например, будут слишком короткие тени, и трудно будет понять, сколько времени) и не слишком маленькими (толщина гномона-человека будет велика, часовые метки будут густо и неинформативно расположены). Все галки справа вверху имеют всплывающую подсказку (при наведении курсора мыши). Когда результат расчётов вас удовлетворит, вы можете распечатать либо скрин с программы, либо bmp-файл (галка save).
2) Приготовьте горизонтальную площадку достаточных размеров, убедитесь, что она большую часть дня (года) освещена солнцем. Если для вас ход солнца в течение года — слегка тёмный лес, посмотрите ликбез-видео «Как солнце ходит по небу».
3) Находим направление местного меридиана (Север-Юг). Поскольку задача в этой части совершенно идентична при установке любых солнечных часов, сошлюсь на статью, которую я опубликовал год назад: Как сделать солнечные часы. А именно — там пригодятся пункты 1, 2, а также раздел «Вычисление времени истинного полудня».
Напоминаю, что использование компаса для нахождения Севера может приводить к большим погрешностям, а потому нежелательно. Тем более, если вы делаете солнечный прибор, грех не использовать для ориентации само солнце.
4) В направлении Север-Юг проведите ось X, и перпендикулярно ей — ось Y. Пользуясь расчётом координат из программы Day-night, с помощью рулетки от размеченных осей отмерьте все необходимые точки.
С учётом толщины тени человека, неточностей его позиционирования на линии дат, думаю, можно ориентироваться на точность определения времени порядка получаса. Если вы поставите вместо человека тонкий вертикальный шест, да ещё и правильно (по дате) его спозиционируете, погрешность измерения времени примерно совпадёт с систематической погрешностью — с Уравнением Времени (амплитуда которого доходит до четверти часа с сентября до марта, и до 6 минут с марта по сентябрь).
Несмотря на то, что название часов включает слово «аналемма», из аналеммы здесь участвует не вся «восьмёрка», а только продольная её часть (склонение). Соответственно, если вы видите аналемматические часы с нарисованной восьмёркой в качестве линии дат, это не совсем верно изготовленный инструмент (появляются дополнительные погрешности). Также бывают варианты часов, когда месяцы написаны не вдоль оси линии дат, а справа и слева от неё. В этом случае люди, как правило, встают на сами названия месяцев, что опять приводит к погрешностям:
Аналемматические часы в Красной Пахре
В заключение отмечу, что существуют альтернативные разработки аналемматических часов для гиков, разнесённых на две отдельные части (до полудня и после). В таких часах путём оптимизации можно уменьшить погрешность, связанную с Уравнением Времени.
Во время путешествия порой необходимо ориентироваться по солнцу, для чего нужно знать примерное время. Если нет часов с циферблатом, можно сделать солнечные часы своими руками. Помимо практического значения, такая конструкция станет отличным украшением садового участка. К тому же, изготовление солнечного определителя времени станет увлекательным занятием для детей, чтобы следить за движением солнца и узнавать время суток. Как сделать солнечные часы? Подробнее об этом можно узнать ниже.
Солнечные определители времени делятся на три вида: вертикальные, горизонтальные, экваториальные. Первый вид крепится на стенах зданий, соответственно, имеет вертикальный циферблат, направленный строго на юг. Стержень для указания времени расположен выше центра циферблата с отклонением на угол, равный 90 градусам за минусом значения широты отдельно взятой местности.
Второй вид располагается на земле в горизонтальном положении. Часовой стержень имеет вид треугольника с углом, равным широте местности, называемый гномон. Он указывает северное направление. Такие часы показывают точное время круглый год, кроме зимы и поздней осени. Поверхность экваториальных часов находится под наклоном относительно уровня земли и повернута на север. Гномон представляет собой перпендикулярный циферблату стержень, расположенный параллельно земной оси. На циферблат нанесены деления аналогично обычным стрелочным часам, через каждые 15 градусов. Недостатком экваториальных часов является то, что они будут показывать информацию только в период между днями весеннего и осеннего равноденствия в северном полушарии, и, наоборот – в южном полушарии. Достоинством этого вида часов является их мобильность. Можно сделать небольшую конструкцию, которую можно перемещать на нужное место.
Наиболее часто встречаются горизонтальные и экваториальные солнечные часы, но, несмотря на это стоит описывать изготовление каждого из трех типов. Перед изготовлением конструкции необходимо определить место для ее размещения. Это должна быть территория, не загороженная зданиями, деревьями и прочими объектами. Лучше предварительно понаблюдать за местом размещения будущих часов на протяжении года, чтобы оно постоянно было солнечным. В зависимости от места расположения будет зависеть то, какой тип часов изготовить – вертикальный, горизонтальный или экваториальный. Если на участок падает множество теней от столбов, изгородей, лучшим вариантом станет изготовление вертикальных солнечных часов, которые можно будет прикрепить к стене дома или на декоративный столбик.
Солнечные часы своими руками
За основу нужно взять фанеру или кусок пластика, на котором через каждые 15 градусов наносятся деления. По центру основания закрепляется металлический стержень или штырь из любого другого крепкого материала. Его длина варьируется в зависимости от размера часов.
Для того чтобы придать правильный наклон циферблату, его устанавливают на специальную подставку. Чтобы правильно рассчитать угол наклона, нужно от 90 градусов отнять значение градуса широты местности, где устанавливаются солнечные часы.
После того как циферблат будет установлен, их нужно сориентировать так, чтобы гномон указывал на север. Сделать это нужно так: за некоторое время до наступления полудня стержень (гномон) закрепляется на горизонтальной плоскости. То место, куда будет падать тень от стержня, нужно отметить точкой, затем провести окружность с помощью циркуля. Центр этой окружности будет находиться там, где закреплен гномон. Длина тени в момент наблюдения будет обозначать радиус окружности. Далее нужно наблюдать за движением тени. Отходя от нарисованной окружности, она постепенно будет уменьшаться, затем снова расти, снова пересекая окружность. В том месте, где она второй раз ее пересекает, нужно поставить отметку и соединить ее с первой отметкой. Отрезок, который в результате получится, нужно разделить пополам. Прямая, которая проходит через середину получившегося отрезка и центр окружности, будет указывать направление север-юг. Далее нужно обозначить циферблат, для чего основание размечается на 24 одинаковых отрезка по 15 градусов каждый, нанести числовые разметки.
Для правильной ориентации экваториальных самодельных часов необходимо соблюдать условия:
- Часть циферблата, на которой обозначены цифры от 6 до 18, должна находиться строго горизонтально.
- Часть циферблата с цифрами 12-24 должна совпадать с определенным направлением север-юг.
- Циферблат нужно наклонить таким образом, чтобы угол составлял значение местной широты.
Солнечные часы своими руками с горизонтальным циферблатом изготавливаются еще проще, чем экваториальные.
Основание изготавливается из твердого материала, можно взять фанеру или пластик. Его можно сделать круглым или квадратным. Гномон изготавливается из этого же материала в виде треугольника, один угол которого должен равняться 90 градусам, а второй – широте отдельно взятой местности. Треугольная стрелка крепится к основанию, и устанавливается на земле в нужном месте. Для того чтобы повернуть стрелку на север, ориентируются по компасу. Для обозначения делений на циферблате необходимо завести таймер, и каждый час отмечать тень от стрелки.
Вертикальные солнечные часы лучше размещать на южной стороне. Изготовление этого типа солнечных часов более сложное, чем первых двух. Циферблат располагается параллельно горизонту в строгом южном направлении для северного полушария. Чуть выше центральной части основания определителя времени нужно отметить расположение стрелки, и от этой точки спустить отвес, по которому нужно начертить линию. Эта линия будет обозначать время полудня. Числовые обозначения располагаются на циферблате симметрично только в том случае, если при этом стержень окажется в строго перпендикулярном положении относительно циферблата. Закрепить стержень в стене не так просто: для начала нужно просверлить отверстие большим, чем гномон, диаметром. Часть стержня, которая будет закреплена внутри стены, нужно немного расплющить для того, чтобы предотвратить его проворачивание. Место крепления увлажняется, туда вставляется стержень так, чтобы место изгиба было точно в стене. Стержень нужно повернуть так, чтобы он составлял угол 90 градусов с поверхностью стены до того, как раствор в месте крепления застынет.
Возможно у Вас есть свои мнения на тему «Аналемматические солнечные часы как сделать»? Напишите об этом в комментариях.
Загрузка...