Zegar słoneczny - Sundial

W obliczu SSW, pionowo opadający zegar słoneczny na Moot Hall w Aldeburgh , Suffolk, Anglia. Gnomon to wędka, która jest bardzo wąska, więc działa jako styl. Łacińskie motto tłumaczy się luźno jako „Liczę tylko godziny słoneczne”.
Pozioma tarcza oddana do użytku w 1862 roku, gnomon to trójkątne ostrze. Styl jest jego pochyloną krawędzią.
Połączony zegar słoneczny analematyczno- równikowy w Ann Morrison Park w Boise, Idaho , 43°36'45.5"N 116°13'27.6"W
Zegar ścienny w klasztorze Žiča , Serbia.

Zegar słoneczny jest urządzeniem, które Horological mówi porze dnia (w wykorzystywaniu nowoczesnych dalej czas cywilnego ), gdy nie ma światła słonecznego przez widocznej pozycji Słońca na niebie. W najwęższym tego słowa znaczeniu składa się z płaskiego talerza ( tarczy ) i gnomonu , który rzuca cień na tarczę. Gdy Słońce wydaje się poruszać po niebie , cień wyrównuje się z różnymi liniami godzin, które są zaznaczone na tarczy, aby wskazać porę dnia. Styl jest krawędź czas mówi o gnomon, chociaż jeden punkt lub węzeł może być stosowany. Gnomon rzuca szeroki cień; cień stylu pokazuje czas. Gnomon może być prętem, drutem lub misternie zdobionym metalowym odlewem. Styl musi być równoległa do osi Spośród rotacji Ziemi na zegar słoneczny w ich dokładność przez cały rok. Kąt nachylenia stylu od poziomu jest równy szerokości geograficznej zegara słonecznego .

Termin zegar słoneczny może odnosić się do dowolnego urządzenia, które wykorzystuje wysokość lub azymut Słońca (lub oba) do pokazywania czasu. Zegary słoneczne są cenione jako przedmioty dekoracyjne, metafory , obiekty intryg i studiów matematycznych.

Upływ czasu można obserwować umieszczając patyk w piasku lub gwóźdź w desce i umieszczając markery na krawędzi cienia lub obrysowując cień w odstępach. Często zdarza się, że niedrogie, masowo produkowane zegary ozdobne mają nieprawidłowo ustawione gnomony, długość cienia i linie godzin, których nie można dostosować, aby wskazywały prawidłowy czas.

Wstęp

Istnieje kilka różnych typów zegarów słonecznych. Niektóre zegary słoneczne używają cienia lub krawędzi cienia, podczas gdy inne używają linii lub plamki światła do wskazania czasu.

Obiekt rzucający cień, znany jako gnomon , może być długim, cienkim prętem lub innym obiektem z ostrą końcówką lub prostą krawędzią. Zegary słoneczne wykorzystują wiele rodzajów gnomonów. W zależności od pory roku gnomon może być naprawiany lub przemieszczany. Może być zorientowany pionowo, poziomo, wyrównany z osią Ziemi lub zorientowany w zupełnie innym kierunku wyznaczonym przez matematykę.

Biorąc pod uwagę, że zegary słoneczne wykorzystują światło do wskazywania czasu, można utworzyć linię światła, przepuszczając promienie słoneczne przez cienką szczelinę lub skupiając je przez cylindryczną soczewkę . Plamkę światła można utworzyć, przepuszczając promienie słoneczne przez mały otwór, okno, oculus lub odbijając je od małego okrągłego lustra. Miejscu światła może być tak małe jak otworek w solargraph lub tak duża jak oculus w Panteonie.

Zegary słoneczne mogą również wykorzystywać wiele rodzajów powierzchni do odbioru światła lub cienia. Płaszczyzny są najczęstszą powierzchnią, ale częściowe kule , cylindry , stożki i inne kształty zostały użyte dla większej dokładności lub piękna.

Zegary słoneczne różnią się mobilnością i potrzebą orientacji. Instalacja wielu tarcz wymaga znajomości lokalnej szerokości geograficznej , dokładnego kierunku pionowego (np. przez poziom lub pion) oraz kierunku na północ . Tarcze przenośne są samonastawne: na przykład może mieć dwie tarcze działające na różnych zasadach, takie jak tarcza pozioma i tarcza analematyczna , zamontowane razem na jednej płytce. W tych projektach ich czasy zgadzają się tylko wtedy, gdy płyta jest odpowiednio wyrównana.

Zegary słoneczne mogą wskazywać tylko lokalny czas słoneczny . Aby uzyskać krajowy czas zegarowy, wymagane są trzy poprawki:

  1. Orbita Ziemi nie jest idealnie okrągła, a jej oś obrotu nie jest prostopadła do jej orbity. Wskazany czas słoneczny na zegarze słonecznym różni się zatem od czasu zegarowego o niewielkie wartości, które zmieniają się w ciągu roku. Ta korekta – która może trwać nawet 16 minut, 33 sekundy – jest opisana równaniem czasu . Wyrafinowany zegar słoneczny z zakrzywionym stylem lub liniami godzinowymi może zawierać tę korektę. Bardziej zwykłe, prostsze zegary słoneczne mają czasami małą tabliczkę, która daje przesunięcia w różnych porach roku.
  2. Czas słoneczny musi być skorygowany o długość geograficzną zegara słonecznego w stosunku do długości geograficznej oficjalnej strefy czasowej. Na przykład nieskorygowany zegar słoneczny położony na zachód od Greenwich w Anglii, ale w tej samej strefie czasowej, pokazuje czas wcześniejszy niż oficjalny. Może pokazywać „11:45” w oficjalne południe, a „południe” po oficjalnym południu. Korektę tę można łatwo wprowadzić, obracając linie godzinowe o stały kąt równy różnicy długości geograficznych, co sprawia, że ​​jest to powszechnie możliwa opcja projektowa.
  3. Aby dostosować czas letni , jeśli ma to zastosowanie, należy dodatkowo przesunąć czas słoneczny o oficjalną różnicę (zwykle jedną godzinę). Jest to również poprawka, którą można dokonać na tarczy, np. numerując wiersze godzin dwoma zestawami cyfr, a nawet zamieniając numerację w niektórych wzorach. Częściej jest to po prostu ignorowane lub wymienione na tabliczce z innymi poprawkami, jeśli takie istnieją.

Pozorny ruch Słońca

Widok z góry na zegar równikowy. Linie godzin są rozmieszczone równomiernie wokół okręgu, a cień gnomonu (cienki cylindryczny pręt) obraca się równomiernie. Wysokość gnomonu to 512 zewnętrznego promienia tarczy. Ta animacja przedstawia ruch cienia od 3 rano do 21:00 (nie uwzględniając czasu letniego) w okolicach Przesilenia, kiedy Słońce znajduje się w największej deklinacji (około 23,5°). Wschody i zachody słońca występują tego dnia odpowiednio o 3:00 i 21:00 na szerokości geograficznej bliskiej 57,05°, mniej więcej na szerokości geograficznej Aberdeen w Szkocji lub Sitka na Alasce .

Zasady działania zegarów słonecznych najłatwiej zrozumieć na podstawie pozornego ruchu Słońca . Ziemia obraca się wokół własnej osi i krąży po eliptycznej orbicie wokół Słońca. Doskonałe przybliżenie zakłada, że ​​Słońce krąży wokół nieruchomej Ziemi na sferze niebieskiej , która obraca się co 24 godziny wokół swojej osi niebieskiej. Oś nieba to linia łącząca bieguny niebieskie . Ponieważ oś nieba jest zgodna z osią, wokół której obraca się Ziemia, kąt osi z lokalnym poziomem jest lokalną szerokością geograficzną .

W przeciwieństwie do gwiazd stałych , Słońce zmienia swoje położenie na sferze niebieskiej, będąc na półkuli północnej z dodatnią deklinacją wiosną i latem oraz z ujemną deklinacją jesienią i zimą i mając dokładnie zerową deklinację (tj. równik ) w równonocy . Długość geograficzna Słońca również się zmienia, zmieniając się o jeden pełny obrót rocznie. Droga Słońca na sferze niebieskiej nazywana jest ekliptyką . Ekliptyka przechodzi przez dwanaście konstelacji zodiaku w ciągu roku.

Zegar słoneczny w ogrodach botanicznych Singapuru . To, że Singapur leży prawie na równiku, znajduje odzwierciedlenie w jego konstrukcji.

Ten model ruchu Słońca pomaga zrozumieć zegary słoneczne. Jeśli gnomon rzucający cień zrówna się z biegunami niebieskimi , jego cień będzie się obracał ze stałą prędkością, a obrót ten nie zmieni się wraz z porami roku. To jest najczęstszy projekt. W takich przypadkach te same linie godzinowe mogą być używane przez cały rok. Linie godzin będą rozmieszczone równomiernie, jeśli powierzchnia otrzymująca cień jest albo prostopadła (jak w równikowym zegarze słonecznym) albo kolista wokół gnomona (jak w sferze armilarnej ).

W innych przypadkach linie godzin nie są rozmieszczone równomiernie, mimo że cień obraca się równomiernie. Jeśli gnomon nie jest wyrównany z biegunami niebieskimi, nawet jego cień nie będzie się obracał równomiernie i linie godzin muszą zostać odpowiednio skorygowane. Promienie światła, które ocierają się o czubek gnomonów, przechodzą przez mały otwór lub odbijają się od małego lustra, wyznaczają stożek wyrównany z biegunami niebieskimi. Odpowiedni punkt świetlny lub cień, jeśli spadnie na płaską powierzchnię, wykreśli przekrój stożkowy , taki jak hiperbola , elipsa lub (na biegunach północnym lub południowym) okrąg .

Ta stożkowa część to przecięcie stożka promieni świetlnych z płaską powierzchnią. Ten stożek i jego przekrój stożkowy zmieniają się wraz z porami roku, wraz ze zmianą deklinacji Słońca; stąd zegary słoneczne, które podążają za ruchem takich punktów świetlnych lub końcówek cienia, często mają różne linie godzin dla różnych pór roku. Widać to w tarczach pasterskich, pierścieniach zegara słonecznego i pionowych gnomonach, takich jak obeliski. Alternatywnie, zegary słoneczne mogą zmieniać kąt lub położenie (lub oba) gnomonu względem linii godzin, jak w tarczy analematycznej lub tarczy Lamberta.

Historia

Najstarszy na świecie zegar słoneczny z Doliny Królów w Egipcie (ok. 1500 pne)

Najwcześniejsze zegary słoneczne znane z przekazów archeologicznych to zegary cieniowe (1500 pne lub pne ) pochodzące z astronomii starożytnego Egiptu i astronomii babilońskiej . Przypuszczalnie ludzie określali czas na podstawie długości cienia jeszcze wcześniej, ale trudno to zweryfikować. Około 700 rpne Stary Testament opisuje zegar słoneczny — „cyferblat Achaza” wspomniany w Księdze Izajasza 38:8 i 2 Królów 20:11 . Około 240 rpne Eratostenes oszacował obwód świata za pomocą obelisku i studni, a kilka wieków później Ptolemeusz nakreślił szerokość geograficzną miast, używając kąta padania słońca. Mieszkańcy Kush stworzyli zegary słoneczne poprzez geometrię. Rzymski pisarz Witruwiusz w swoim De architectura wymienia znane wówczas tarcze i zegary cieniowe . Wieża Wiatrów zbudowana w Atenach zawierała zegar słoneczny i zegar wodny do odmierzania czasu. Kanoniczne zegar jest jeden, który wskazuje kanonicznych godzin czynności liturgicznych. Takie zegary słoneczne były używane od VII do XIV wieku przez członków wspólnot religijnych. Włoski astronom Giovanni Padovani opublikował w 1570 r. traktat o zegarze słonecznym, w którym zamieścił instrukcje dotyczące wytwarzania i układania ściennych (pionowych) i poziomych zegarów słonecznych. Giuseppe Biancani „s constructio instrumenti ogłoszenie horologia solaria (ok. 1620) omawia, jak zrobić idealny zegar słoneczny. Są powszechnie używane od XVI wieku.

Terminologia

Typ Londyn poziomych wybierania . Zachodni skraj gnomonu jest używany jako styl przed południem, wschodni po tym czasie. Przełączenie powoduje nieciągłość, przerwę południową w skali czasu.

Ogólnie rzecz biorąc, zegary słoneczne wskazują czas, rzucając cień lub rzucając światło na powierzchnię znaną jako tarcza lub tarcza zegarowa . Chociaż zwykle jest to płaska płaszczyzna, tarcza może być również wewnętrzną lub zewnętrzną powierzchnią kuli, cylindra, stożka, helisy i różnych innych kształtów.

Czas jest wskazywany w miejscu, w którym cień lub światło pada na tarczę, która jest zwykle wyryta liniami godzinowymi. Chociaż zwykle proste, te linie godzin mogą być również zakrzywione, w zależności od projektu zegara słonecznego (patrz poniżej). W niektórych projektach możliwe jest określenie daty roku lub może być wymagana znajomość daty, aby znaleźć właściwy czas. W takich przypadkach może istnieć wiele zestawów godzin dla różnych miesięcy lub mogą istnieć mechanizmy ustalania/obliczania miesiąca. Oprócz linii godzin, tarcza może zawierać inne dane, takie jak horyzont, równik i tropiki, które są określane zbiorczo jako meble z tarczą.

Cały obiekt, który rzuca cień lub światło na tarczę, nazywany jest gnomonem zegara słonecznego . Jednak zwykle tylko krawędź gnomonu (lub inna cecha liniowa) rzuca cień używany do określenia czasu; ta liniowa cecha jest znana jako styl zegara słonecznego . Styl jest zwykle wyrównany równolegle do osi sfery niebieskiej, a zatem jest zgodny z lokalnym południkiem geograficznym. W niektórych projektach zegarów słonecznych do określenia godziny i daty używana jest tylko funkcja przypominająca punkt, taka jak końcówka stylu; Ta cecha punkt-jak jest znany jako zegar słoneczny za Nodus . Niektóre zegary słoneczne używają zarówno stylu, jak i węzła do określenia godziny i daty.

Gnomon jest zwykle ustalany w stosunku do tarczy, ale nie zawsze; w niektórych projektach, takich jak zegar słoneczny analematyczny, styl zmienia się w zależności od miesiąca. Jeśli styl jest stały, linia na tarczy zegarowej prostopadle pod stylem nosi nazwę stylu podrzędnego , co oznacza „pod stylem”. Kąt, jaki styl tworzy z płaszczyzną tarczy zegarowej, nazywany jest wysokością podstylu, co jest nietypowym zastosowaniem słowa wysokość do oznaczenia kąta . Na wielu tarczach ściennych styl podrzędny nie jest taki sam jak linia południowa (patrz poniżej). Kąt na tarczy zegarowej pomiędzy linią południową a podstylizacją nazywa się odległością podstylową , co jest nietypowym użyciem słowa odległość do oznaczenia kąta .

Zgodnie z tradycją wiele zegarów słonecznych ma motto . Motto ma zwykle formę epigramatu: czasem ponure refleksje na temat upływu czasu i zwięzłości życia, ale równie często dowcipne dowcipy zegarmistrza. Jednym z takich żartów jest, że jestem zegarem słonecznym, i skurwię, co znacznie lepiej robi zegarek.

Mówi się, że tarcza jest równokątna, jeśli jej linie godzin są proste i równomiernie rozmieszczone. Większość równokątnych zegarów słonecznych ma ustalony styl gnomonów wyrównany z osią obrotu Ziemi, a także powierzchnię odbierającą cień, która jest symetryczna względem tej osi; przykłady obejmują tarczę równikową, łuk równikowy, sferę armilarną, tarczę cylindryczną i tarczę stożkową. Jednak inne wzory są równokątne, takie jak tarcza Lambert, wersja zegara anematycznego z ruchomym stylem.

Na półkuli południowej

Południowa półkula zegar słoneczny w Perth , Australia . Powiększ, aby zobaczyć, że znaczniki godzin biegną w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Wykres uwaga powyżej gnomon o równanie czasu , potrzebne do prawidłowego zegar słoneczny odczytów.

Zegar słoneczny na określonej szerokości geograficznej na jednej półkuli musi być odwrócony, aby można go było używać na przeciwnej szerokości geograficznej na drugiej półkuli. Pionowy, bezpośredni zegar południowy na półkuli północnej staje się pionowym, bezpośrednim zegarem północnym na półkuli południowej . Aby prawidłowo ustawić poziomy zegar słoneczny, należy znaleźć rzeczywistą północ lub południe . Ten sam proces może być użyty do obu. Gnomon, ustawiony na właściwą szerokość geograficzną, musi wskazywać na prawdziwe południe na półkuli południowej, tak jak na półkuli północnej musi wskazywać na prawdziwą północ. Numery godzin również biegną w przeciwnych kierunkach, więc na poziomej tarczy biegną przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (USA: przeciwnie do ruchu wskazówek zegara), a nie zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Zegary słoneczne zaprojektowane do użytku z płytami ustawionymi poziomo na jednej półkuli mogą być używane z płytami ustawionymi pionowo na komplementarnej szerokości geograficznej na drugiej półkuli. Na przykład ilustruje zegar słoneczny w Perth , Australia , która jest na szerokości 32 stopni Południe, będzie działać poprawnie, jeśli zostały zamontowane na południowym pionowej ścianie na szerokości 58 (czyli 90-32) Degrees North, który jest nieco dalej na północ niż Perth w Szkocji . Powierzchnia ściany w Szkocji byłaby równoległa do powierzchni poziomej w Australii (pomijając różnicę długości), więc zegar słoneczny działałby identycznie na obu powierzchniach. Odpowiednio, znaczniki godzin, które biegną w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara na poziomym zegarze słonecznym na półkuli południowej, działają również na zegarze pionowym na półkuli północnej. (Zobacz dwie pierwsze ilustracje na początku tego artykułu.) Na poziomych zegarach słonecznych na półkuli północnej i na pionowych zegarach na półkuli południowej, znaczniki godzin biegną zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Korekty w celu obliczenia czasu zegara na podstawie odczytu zegara słonecznego

Najczęstszym powodem, dla którego zegar słoneczny znacznie różni się od czasu zegarowego, jest to, że zegar słoneczny nie został prawidłowo zorientowany lub jego linie godzinowe nie zostały poprawnie narysowane. Na przykład większość komercyjnych zegarów słonecznych jest zaprojektowana jako zegary poziome, jak opisano powyżej. Aby być dokładnym, taki zegar musi być zaprojektowany dla lokalnej szerokości geograficznej, a jego styl musi być równoległy do ​​osi obrotu Ziemi; styl musi być wyrównany z rzeczywistą północą, a jego wysokość (kąt względem poziomu) musi być równa lokalnej szerokości geograficznej. Aby dostosować wysokość stylu, często można przechylić zegar słoneczny „w górę” lub „w dół”, przy zachowaniu wyrównania stylu północ-południe.

Korekta czasu letniego (czas letni)

W niektórych rejonach świata obowiązuje czas letni , który zmienia oficjalny czas, zwykle o godzinę. Ta zmiana musi być dodana do czasu zegara słonecznego, aby zgadzała się z czasem oficjalnym.

Korekta strefy czasowej (długości geograficznej)

Standardowa strefa czasowa obejmuje w przybliżeniu 15 ° długości geograficznej, więc każdy punkt w tej strefie, który nie znajduje się na długości geograficznej odniesienia (zazwyczaj wielokrotność 15 °), będzie różnił się od standardowego czasu równy 4 minutom czasu na stopień. Na przykład, zachody i wschody słońca są o wiele późniejszy „oficjalny” czas na zachodnim krańcu strefy czasowej, w porównaniu do wschodu i zachodu słońca na wschodnim krańcu. Jeśli zegar słoneczny znajduje się, powiedzmy, na długości geograficznej 5° na zachód od długości geograficznej odniesienia, jego czas odczyta się o 20 minut wolniej, ponieważ Słońce wydaje się obracać wokół Ziemi z prędkością 15° na godzinę. To stała korekta przez cały rok. W przypadku tarcz równokątnych, takich jak tarcze równikowe, sferyczne czy Lamberta, korekty tej można dokonać, obracając powierzchnię tarczy o kąt równy różnicy długości geograficznej, bez zmiany położenia lub orientacji gnomonu. Jednak ta metoda nie działa w przypadku innych tarcz, takich jak tarcza pozioma; korekta musi być zastosowana przez widza.

W najbardziej ekstremalnym przypadku strefy czasowe mogą spowodować, że oficjalne południe, w tym czas letni, pojawi się nawet o trzy godziny wcześniej ( o oficjalnej godzinie 15:00 Słońce znajduje się na południku ). Dzieje się tak na dalekim zachodzie Alaski , w Chinach i Hiszpanii . Aby uzyskać więcej informacji i przykładów, zobacz Pochylenie stref czasowych .

Równanie korekcji czasu

Równanie czasu - powyżej osi równanie czasu jest dodatnia, a zegar pojawi się szybko w stosunku do zegara pokazujący czas miejscowy. Przeciwieństwa są prawdziwe poniżej osi.
Whitehurst & Son zegar słoneczny wykonany w 1812 roku, z okrągłym skali pokazujące równanie korekty czasu. To jest teraz wystawione w Muzeum Derby.

Chociaż Słońce wydaje się obracać jednostajnie wokół Ziemi, w rzeczywistości ruch ten nie jest idealnie jednostajny. Wynika to z mimośrodowości orbity Ziemi (fakt, że orbita Ziemi wokół Słońca nie jest idealnie kołowa, ale lekko eliptyczna ) oraz nachylenia (nachylenia) osi obrotu Ziemi względem płaszczyzny jej orbity. Dlatego czas zegara słonecznego różni się od standardowego czasu zegarowego . Przez cztery dni w roku korekta wynosi praktycznie zero. Jednak w innych przypadkach może to nastąpić nawet o kwadrans za wcześnie lub późno. Wielkość korekty jest opisana równaniem czasu . Ta poprawka jest taka sama na całym świecie: nie zależy od lokalnej szerokości lub długości geograficznej pozycji obserwatora. Jednak zmienia się w długich okresach czasu (stuleciach lub dłużej) z powodu powolnych zmian w ruchach orbitalnych i obrotowych Ziemi. Dlatego tabele i wykresy równania czasu, które powstały przed wiekami, są teraz znacząco błędne. Odczyt dawnego zegara słonecznego należy skorygować, stosując współczesne równanie czasu, a nie z okresu, w którym tarcza została wykonana.

W niektórych zegarach słonecznych równanie korekcji czasu jest dostarczane w postaci tabliczki informacyjnej umieszczonej na zegarze, którą obserwator może obliczyć. W bardziej wyrafinowanych zegarach słonecznych równanie może być włączone automatycznie. Na przykład, niektóre równikowe zegary słoneczne wyposażone są w małe koło, które ustawia porę roku; to koło z kolei obraca łuk równikowy, kompensując jego pomiar czasu. W innych przypadkach linie godzin mogą być zakrzywione, a łuk równikowy może mieć kształt wazonu, który wykorzystuje zmieniającą się w ciągu roku wysokość słońca, aby uzyskać odpowiednie przesunięcie w czasie.

Heliochronometer jest precyzyjny zegar słoneczny pierwszy opracowany w około 1763 roku przez Philipp Hahn i ulepszone przez Abbe Guyoux w około 1827. To koryguje pozorny czas słoneczny do średniego czasu słonecznego lub innego standardowego czasu . Heliochronometry zwykle wskazują minuty z dokładnością do 1 minuty czasu uniwersalnego .

Zegar słoneczny Sunquest, zaprojektowany przez Richarda L. Schmoyera, w Obserwatorium Mount Cuba w Greenville, Delaware .

Sunquest zegar słoneczny , zaprojektowany przez Richarda L. Schmoyer w 1950 roku, wykorzystuje analemmic inspirowane gnomon rzucić światło na wał równikowej czas skalę półksiężyca. Sunquest jest regulowany dla szerokości i długości geograficznej, automatycznie korygując równanie czasu, dzięki czemu jest „tak dokładny, jak większość zegarków kieszonkowych”. Podobnie, zamiast cienia gnomonu, zegar słoneczny na Uniwersytecie Miguela Hernándeza wykorzystuje projekcję słoneczną wykresu równania czasu przecinającego skalę czasu, aby bezpośrednio wyświetlić czas zegarowy.

Zegar słoneczny na kampusie Orihuela Uniwersytetu Miguel Hernández w Hiszpanii, który wykorzystuje rzutowany wykres równania czasu w cieniu do wskazania czasu zegarowego.

Analema może być dodana do wielu typów zegarów słonecznych, aby skorygować pozorny czas słoneczny na czas słoneczny lub inny czas standardowy . Zwykle mają one linie godzinowe w kształcie „ósemek” ( analemmy ) zgodnie z równaniem czasu . Kompensuje to niewielki ekscentryczność orbity Ziemi i nachylenie osi Ziemi, które powoduje nawet 15-minutowe odchylenie od średniego czasu słonecznego. Jest to rodzaj mebli tarczowych spotykany na bardziej skomplikowanych tarczach poziomych i pionowych.

Przed wynalezieniem dokładnych zegarów, w połowie XVII wieku, zegary słoneczne były jedynymi powszechnie używanymi zegarami i uważano, że podają „właściwą” godzinę. Nie zastosowano równania czasu. Po wynalezieniu dobrych zegarów zegary słoneczne nadal uważano za prawidłowe, a zegary zwykle niepoprawne. Równanie czasu zostało użyte w przeciwnym kierunku niż dzisiaj, aby skorygować czas pokazywany przez zegar, aby zgadzał się z czasem zegara słonecznego. Niektóre skomplikowane „ zegary równania ”, takie jak ten wykonany przez Josepha Williamsona w 1720 r., zawierały mechanizmy automatycznej korekcji. (Zegar Williamsona mógł być pierwszym w historii urządzeniem wykorzystującym mechanizm różnicowy .) Dopiero po około 1800 r. nieskorygowany czas zegarowy uznano za „właściwy”, a zegar słoneczny zwykle „niewłaściwy”, więc zaczęto używać równania czasu jako jest dzisiaj.

Ze stałym osiowym gnomonem

Zegar słoneczny Carefree z 1959 roku w Carefree w Arizonie ma 19-metrowy gnomon, prawdopodobnie największy zegar słoneczny w Stanach Zjednoczonych.

Najczęściej obserwowanymi zegarami słonecznymi są te, w których styl rzucający cień jest ustalony w pozycji i wyrównany z osią obrotu Ziemi, zorientowany zgodnie z rzeczywistą północą i południem oraz tworzący kąt z poziomem równy szerokości geograficznej. Ta oś jest zrównana z biegunami niebieskimi , które są blisko, ale nie idealnie, zrównane z gwiazdą polarną Polaris . Na przykład oś nieba wskazuje pionowo na rzeczywisty biegun północny , gdzie wskazuje poziomo na równik . W Jaipur , domu największego na świecie zegara słonecznego, gnomony są uniesione 26°55" ponad poziom, odzwierciedlając lokalną szerokość geograficzną.

Każdego dnia Słońce wydaje się obracać równomiernie wokół tej osi z prędkością około 15° na godzinę, wykonując pełny obrót (360°) w ciągu 24 godzin. Liniowy gnomon wyrównany z tą osią będzie rzucał cień (półpłaszczyznę), który padając przeciwnie do Słońca, podobnie obraca się wokół osi niebieskiej z prędkością 15° na godzinę. Cień jest widoczny, gdy pada na powierzchnię odbiorczą, która jest zwykle płaska, ale może być kulista, cylindryczna, stożkowa lub mieć inny kształt. Jeśli cień pada na powierzchnię symetryczną względem osi niebieskiej (jak w sferze armilarnej lub tarczy równikowej), cień powierzchniowy porusza się również równomiernie; linie godzin na zegarze słonecznym są równomiernie rozmieszczone. Jednakże, jeśli powierzchnia odbiorcza nie jest symetryczna (jak w większości poziomych zegarów słonecznych), cień powierzchni zwykle porusza się nierównomiernie, a linie godzin nie są równomiernie rozmieszczone; jednym wyjątkiem jest tarcza Lamberta opisana poniżej.

Niektóre typy zegarów słonecznych są zaprojektowane ze stałym gnomonem, który nie jest wyrównany z biegunami niebieskimi jak pionowy obelisk. Takie zegary słoneczne omówiono poniżej w sekcji „Zegary słoneczne oparte na węzłach”.

Empiryczne oznaczanie linii godzin

Wzory przedstawione w poniższych akapitach pozwalają na obliczenie położenia linii godzin dla różnych typów zegarów słonecznych. W niektórych przypadkach obliczenia są proste; w innych są niezwykle skomplikowane. Istnieje alternatywna, prosta metoda znajdowania położeń linii godzinowych, która może być stosowana dla wielu typów zegarów słonecznych i oszczędza dużo pracy w przypadku skomplikowanych obliczeń. Jest to procedura empiryczna, w której w odstępach godzinowych zaznacza się położenie cienia gnomonu prawdziwego zegara słonecznego. Równanie czasu muszą być brane pod uwagę w celu zapewnienia, że stanowiska godzinnej linii są niezależne od pory roku, gdy są one oznakowane. Prostym sposobem na to jest ustawienie zegara lub zegarka tak, aby wyświetlał „czas słoneczny”, który jest czasem standardowym plus równanie czasu w danym dniu. Linie godzin na zegarze słonecznym są oznaczone, aby pokazać pozycje cienia stylu, gdy zegar pokazuje całkowitą liczbę godzin, i są oznaczone tymi liczbami. Na przykład, gdy zegar wskazuje 5:00, cień stylu jest zaznaczany i oznaczony jako „5” (lub „V” w cyfrach rzymskich ). Jeśli nie wszystkie linie godzin są zaznaczone w ciągu jednego dnia, zegar musi być przestawiany co dzień lub dwa, aby uwzględnić zmienność równania czasu.

Zegary równikowe

Zegarek , St Katharine Docks , Londyn (1973) tarcza równonocy autorstwa Wendy Taylor
Równikowy zegar słoneczny w Zakazanym Mieście w Pekinie. 39°54′57″N 116°23′25″E / 39,9157 ° N 116,390 ° E / 39.9157; 116,3904 ( zegar równikowy Zakazane Miasto ) Gnomon wskazuje rzeczywistą północ, a jego kąt względem poziomu jest równy lokalnej szerokości geograficznej . Bliższe przyjrzenie się pełnowymiarowemu obrazowi ujawnia „pajęczynę” pierścieni daty i linii godzin.

Cechą wyróżniającą tarczę równikową (zwaną również tarczą równonocy ) jest płaska powierzchnia, na którą pada cień, który jest dokładnie prostopadły do ​​stylu gnomonu. Płaszczyzna ta nazywana jest równikową, ponieważ jest równoległa do równika Ziemi i sfery niebieskiej. Jeśli gnomon jest nieruchomy i wyrównany z osią obrotu Ziemi, pozorny obrót Słońca wokół Ziemi rzuca równomiernie obracający się cień z gnomonu; daje to równomiernie obracającą się linię cienia na płaszczyźnie równikowej. Ponieważ słońce obraca się o 360° w ciągu 24 godzin, linie godzin na tarczy równikowej są oddalone od siebie o 15° (360/24).

Jednolitość ich rozmieszczenia sprawia, że ​​tego typu zegary słoneczne są łatwe w budowie. Jeżeli materiał tarczy zegarowej jest nieprzezroczysty, należy zaznaczyć obie strony tarczy równikowej, ponieważ cień będzie rzucany od dołu zimą i od góry latem. W przypadku półprzezroczystych tarcz (np. szkła) kąty godzinowe należy zaznaczyć tylko po stronie skierowanej w stronę słońca, chociaż numeracja godzinowa (jeśli jest używana) musi być wykonana po obu stronach tarczy, ze względu na inny schemat godzinowy na tarczy. boki licowe i przeciwsłoneczne.

Kolejną ważną zaletą tej tarczy jest to, że korekty równania czasu (EoT) i czasu letniego (DST) można wykonać, po prostu obracając tarczę tarczy o odpowiedni kąt każdego dnia. Dzieje się tak, ponieważ kąty godzinowe są równomiernie rozmieszczone wokół tarczy. Z tego powodu tarcza równikowa jest często użytecznym wyborem, gdy tarcza jest przeznaczona do publicznego wyświetlania i pożądane jest, aby pokazywała prawdziwy czas lokalny z rozsądną dokładnością. Korekta EoT odbywa się za pośrednictwem relacji

W pobliżu równonocy wiosną i jesienią słońce porusza się po okręgu, który jest prawie taki sam jak płaszczyzna równika; dlatego w tych porach roku na tarczy równikowej nie powstaje wyraźny cień, co jest wadą projektu.

Nodus jest czasami dodawany do zegarów równikowych, co pozwala zegar powiedzieć porze roku. Każdego dnia cień węzła porusza się po okręgu na płaszczyźnie równikowej, a promień okręgu mierzy deklinację słońca. Końce paska gnomonów mogą być używane jako guzek lub jakiś element wzdłuż jego długości. Starożytny wariant równikowego zegara słonecznego ma tylko wypukłość (bez stylu), a koncentryczne, okrągłe linie godzin są ułożone tak, by przypominały pajęczynę.

Zegary poziome

Poziomy zegar słoneczny w Minnesocie . 17 czerwca 2007 o godzinie 12:21. 44 ° 51′39,3 "N, 93 ° 36'58,4" W

W poziomym zegarze słonecznym (zwanym również zegarem ogrodowym ) płaszczyzna, na którą pada cień, jest wyrównana poziomo, a nie prostopadła do stylu, jak w tarczy równikowej. W związku z tym linia cienia nie obraca się równomiernie na tarczy; raczej linie godzin są rozmieszczone zgodnie z regułą.

Lub innymi słowy:

gdzie L jest szerokością geograficzną zegara słonecznego (oraz kątem, jaki gnomon tworzy z tarczą zegarową), jest kątem między podaną linią godzinową a południową linią godzinową (która zawsze wskazuje prawdziwą północ ) na płaszczyźnie, a t jest liczba godzin przed lub po południu. Na przykład, kąt o godzinnym linii 3pm będzie równa tangens z sin L, ponieważ tan 45 ° = 1. Gdy L równy 90 ° (w bieguna północnego ) pozioma zegar staje się równikowej zegarem; styl wskazuje prosto do góry (pionowo), a płaszczyzna pozioma jest wyrównana z płaszczyzną równikową; formuła linii godzinowej przyjmuje postać = 15° × t, jak dla tarczy równikowej. Poziomy zegar słoneczny na równiku Ziemi , gdzie L równa się 0°, wymagałby (podniesionego) stylu horyzontalnego i byłby przykładem zegara polarnego (patrz poniżej).

Surowy zegar słoneczny w pobliżu Johnson Space Center
Detal poziomy zegar słoneczny na zewnątrz Kew Palace w Londynie, Wielka Brytania

Głównymi zaletami zegara poziomego jest to, że jest czytelny, a światło słoneczne oświetla tarczę przez cały rok. Wszystkie linie godzin przecinają się w punkcie, w którym styl gnomonu przecina płaszczyznę poziomą. Ponieważ styl jest wyrównany z osią obrotu Ziemi, styl wskazuje rzeczywistą północ, a jego kąt względem poziomu jest równy szerokości geograficznej L zegara słonecznego. Zegar słoneczny zaprojektowany dla jednej szerokości geograficznej można dostosować do użytku na innej szerokości geograficznej, przechylając jego podstawę w górę lub w dół o kąt równy różnicy szerokości geograficznej. Na przykład zegar słoneczny zaprojektowany dla szerokości geograficznej 40° może być używany na szerokości geograficznej 45°, jeśli płaszczyzna zegara słonecznego jest nachylona w górę o 5°, dopasowując w ten sposób styl do osi obrotu Ziemi.

Wiele ozdobnych zegarów słonecznych zaprojektowano do użytku pod kątem 45 stopni na północ. Niektóre masowo produkowane zegary ogrodowe nie obliczają prawidłowo godzin i dlatego nigdy nie można ich poprawić. Lokalna standardowa strefa czasowa ma nominalnie szerokość 15 stopni, ale może zostać zmodyfikowana w celu dostosowania do granic geograficznych lub politycznych. Zegar słoneczny można obracać wokół swojego stylu (który musi pozostać skierowany na biegun niebieski), aby dostosować się do lokalnej strefy czasowej. W większości przypadków wystarczy obrót w zakresie od 7,5 stopnia na wschód do 23 stopnia na zachód. Wprowadzi to błąd w zegarach słonecznych, które nie mają równych kątów godzinnych. Aby skorygować czas letni , twarz potrzebuje dwóch zestawów cyfr lub tabeli korekt. Nieformalnym standardem jest posiadanie cyfr w gorących kolorach na lato i w chłodnych kolorach na zimę. Ponieważ kąty godzinne nie są równomiernie rozmieszczone, równania korekcji czasu nie można wykonać poprzez obracanie tarczy zegarowej wokół osi gnomonu. Tego typu tarcze mają zwykle wyryte na cokołach lub w pobliżu równanie tabelarycznej korekty czasu. Tarcze poziome są powszechnie spotykane w ogrodach, na cmentarzach i w miejscach publicznych.

Pionowe zegary słoneczne

Dwie pionowe tarcze w Houghton Hall Norfolk UK 52°49′39″N 0°39′27″E / 52,827469°N 0,657616°E / 52.827469; 0,657616 ( Pionowe zegary słoneczne Houghton Hall ) . Pokrętła lewe i prawe skierowane są odpowiednio na południe i wschód. Oba style są równoległe, a ich kąt do poziomu jest równy szerokości geograficznej. Tarcza skierowana na wschód to tarcza polarna z równoległymi liniami godzin, tarcza jest równoległa do stylu.

We wspólnej tarczy pionowej płaszczyzna odbierająca cień jest wyrównana pionowo; jak zwykle styl gnomona jest zgodny z osią obrotu Ziemi. Podobnie jak w tarczy poziomej, linia cienia nie przesuwa się równomiernie na twarzy; zegar słoneczny nie jest równokątny . Jeśli lico pionowej tarczy jest skierowane bezpośrednio na południe, kąt linii godzin jest zamiast tego opisany wzorem

gdzie L jest szerokością geograficzną zegara słonecznego , jest kątem pomiędzy daną linią godzinową a południową linią godzinową (która zawsze wskazuje na północ) na płaszczyźnie, a t to liczba godzin przed lub po południu. Na przykład, kąt o godzinnym linii 3pm będzie równa tangens z cos L, ponieważ tan 45 ° = 1. porusza pomocniczy przeciwnym do ruchu wskazówek zegara na południowym pionowej tarczy, przy czym biegnie w prawo od poziomu i północno-równikowej tarcze skierowane w stronę.

Tarcze z powierzchniami prostopadłymi do ziemi i skierowane bezpośrednio na południe, północ, wschód lub zachód nazywane są pionowymi tarczami bezpośrednimi . Powszechnie uważa się i stwierdza się w szanowanych publikacjach, że pionowa tarcza nie może otrzymywać więcej niż dwanaście godzin światła słonecznego dziennie, bez względu na to, ile godzin światła dziennego jest. Jest jednak wyjątek. Pionowe zegary słoneczne w tropikach, które skierowane są ku bliższemu biegunowi (np. skierowane na północ w strefie między równikiem a zwrotnikiem Raka) mogą w rzeczywistości otrzymywać światło słoneczne przez ponad 12 godzin od wschodu do zachodu słońca przez krótki okres w okresie przesilenia letniego . Na przykład, na 20 stopni szerokości geograficznej północnej, 21 czerwca, słońce świeci na pionową ścianę skierowaną na północ przez 13 godzin i 21 minut. Pionowe zegary słoneczne, które nie są skierowane bezpośrednio na południe (na półkuli północnej), mogą otrzymywać znacznie mniej niż dwanaście godzin światła słonecznego dziennie, w zależności od kierunku, w którym są zwrócone i pory roku. Na przykład pionowa tarcza skierowana na wschód może wskazywać czas tylko w godzinach porannych; po południu słońce nie świeci mu w twarz. Pionowe tarcze skierowane na wschód lub zachód to tarcze polarne , które zostaną opisane poniżej. Pionowe tarcze skierowane na północ są rzadkością, ponieważ wskazują czas tylko wiosną i latem i nie pokazują godzin południowych poza tropikalnymi szerokościami geograficznymi (a nawet tam, tylko w okolicach połowy lata). W przypadku tarcz pionowych niebezpośrednich — tych, które skierowane są w niekardynalnych kierunkach — matematyka rozmieszczenia stylu i linii godzin staje się bardziej skomplikowana; może być łatwiej zaznaczyć linie godzinowe przez obserwację, ale przynajmniej rozmieszczenie stylu musi być najpierw obliczone; mówi się, że takie tarcze są tarczami malejącymi .

Zegary „podwójne” w Nové Město nad Metují w Czechach; obserwator skierowany jest niemal na północ.

Pionowe tarcze są powszechnie montowane na ścianach budynków, takich jak ratusze, kopuły i wieże kościelne, gdzie są dobrze widoczne z daleka. W niektórych przypadkach na wszystkich czterech bokach prostokątnej wieży umieszczone są pionowe tarcze wskazujące czas w ciągu dnia. Twarz może być namalowana na ścianie lub wyeksponowana w kamieniu inkrustowanym; gnomon jest często pojedynczym metalowym prętem lub statywem z metalowych prętów zapewniających sztywność. Jeśli ściana budynku zwrócona ku południu, ale nie twarz na południe, gnomonu nie leżą wzdłuż linii południa, a linie godzina muszą być poprawione. Ponieważ styl gnomonu musi być równoległy do ​​osi Ziemi, zawsze „wskazuje” prawdziwą północ, a jego kąt względem poziomu będzie równy szerokości geograficznej zegara słonecznego; na bezpośredniej tarczy południowej jej kąt z pionową powierzchnią tarczy będzie równy colatitude lub 90° minus szerokość geograficzna.

Tarcze polarne

Zegar polarny w Planetarium w Melbourne

W tarczach biegunowych płaszczyzna odbierająca cień jest wyrównana równolegle do stylu gnomon. W ten sposób cień przesuwa się na boki po powierzchni, poruszając się prostopadle do siebie, gdy Słońce obraca się wokół stylu. Podobnie jak w przypadku gnomonu, wszystkie linie godzin są wyrównane z osią obrotu Ziemi. Kiedy promienie słoneczne są prawie równoległe do płaszczyzny, cień porusza się bardzo szybko, a linie godzin są oddalone od siebie. Bezpośrednie tarcze skierowane na wschód i zachód są przykładami tarczy polarnej. Jednak tarcza biegunowa nie musi być pionowa; musi być tylko równoległa do gnomonu. Zatem płaszczyzna nachylona pod kątem szerokości geograficznej (względem poziomu) pod podobnie nachylonym gnomonem będzie tarczą biegunową. Prostopadły odstęp X linii godzin w płaszczyźnie jest opisany wzorem

gdzie H to wysokość stylu nad płaszczyzną, a t to czas (w godzinach) przed lub po środku czasu tarczy biegunowej. Czas środkowy to czas, w którym cień stylu pada bezpośrednio na płaszczyznę; dla tarczy skierowanej na wschód czas środkowy będzie wynosił 6 rano, dla tarczy skierowanej na zachód będzie to godzina 18, a dla opisanej powyżej pochylonej tarczy będzie to południe. Gdy t zbliża się do ±6 godzin od czasu centralnego, odstęp X rozbiega się do +∞ ; dzieje się tak, gdy promienie słoneczne stają się równoległe do płaszczyzny.

Tarcze opadające w pionie

Wpływ spadku na godziny na zegarze słonecznym. Pionowa tarcza, na szerokości geograficznej 51° N, zaprojektowana tak, aby była skierowana na południe (skrajnie po lewej) pokazuje wszystkie godziny od 6 rano do 6 po południu i ma zbieżne linie godzin symetryczne względem południa. Natomiast tarcza skierowana na zachód (z prawej strony) jest biegunowa, z równoległymi liniami godzin i pokazuje tylko godziny po południu. W pośrednich orientacjach południowy-południowy zachód, południowy zachód i zachód-południowy zachód linie godzin są asymetryczne około południa, a poranne linie godzin są coraz szerzej rozstawione.
Dwa zegary słoneczne, duży i mały, w Meczet Fatih , Stambuł datowany na koniec 16 wieku. Znajduje się na południowo-zachodniej fasadzie o kącie azymutu 52° N.

Spada wyjściem jest dowolny nie-pozioma, płaska tarcza, która nie twarzą w kierunku kardynalnej, takie jak (prawda), Północnej , Południowej , Wschód lub Zachód . Jak zwykle, styl gnomona jest wyrównany z osią obrotu Ziemi, ale linie godzinowe nie są symetryczne względem linii godzinowej w południe. W przypadku tarczy pionowej kąt między południową linią godzinową a inną linią godzinową określa poniższy wzór. Zauważ, że jest zdefiniowane jako dodatnie w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara w stosunku do górnego pionowego kąta godzinnego; i że jego konwersja na równoważną godzinę słoneczną wymaga dokładnego rozważenia, do której ćwiartki zegara słonecznego należy.

gdzie jest szerokość geograficzna zegara słonecznego ; t to czas przed lub po południu; jest kątem deklinacji od prawdziwego południa , definiowanym jako dodatni, gdy wschód od południa; i jest liczbą całkowitą przełącznika określającą orientację tarczy. Tarcza częściowo skierowana na południe ma wartość +1; te częściowo skierowane na północ, wartość -1. Gdy taka tarcza jest skierowana na południe ( ), wzór ten sprowadza się do wzoru podanego powyżej dla tarcz pionowych skierowanych na południe, tj.

Kiedy zegar słoneczny nie jest wyrównany z kierunkiem kardynalnym, podstyl jego gnomonu nie jest wyrównany z linią godzinową w południe. Kąt między podstylem a południową linią godzinową określa wzór

Jeśli pionowy zegar słoneczny jest skierowany na południe lub północ ( odpowiednio lub ), kąt i styl podrzędny są wyrównane z linią godzinową w południe.

Wysokość gnomonu, czyli kąta jaki styl tworzy z tabliczką, dana jest wzorem:

Odchylane tarcze

Pionowo odchylana tarcza na półkuli południowej, skierowana na północ, z hiperbolicznymi liniami deklinacji i liniami godzin. Zwykły pionowy zegar słoneczny na tej szerokości geograficznej (pomiędzy zwrotnikami) nie mógł wytworzyć linii deklinacyjnej na przesilenie letnie. Ten szczególny zegar słoneczny znajduje się w Obserwatorium Valongo na Uniwersytecie Federalnym w Rio de Janeiro w Brazylii.

Opisane powyżej zegary słoneczne mają gnomony, które są ustawione w linii z osią obrotu Ziemi i rzucają swój cień na płaszczyznę. Jeśli płaszczyzna nie jest ani pionowa, ani pozioma, ani równikowa, mówi się, że zegar słoneczny jest pochylony lub pochylony . Taki zegar słoneczny może znajdować się na przykład na dachu skierowanym na południe. Linie godzinowe dla takiego zegara słonecznego można obliczyć, nieznacznie korygując powyższy wzór poziomy

gdzie jest pożądanym kątem odchylenia względem lokalnego pionu, L jest szerokością geograficzną zegara słonecznego, jest kątem między daną godziną a południową linią godziny (która zawsze wskazuje na północ) na płaszczyźnie, a t jest liczba godzin przed lub po południu. Na przykład, kąt o godzinnym linii 3pm będzie równa tangens z cos (L + R), jako tan 45 ° = 1. Jeśli R jest równy 0 ° (innymi słowy, strony południowej pionowego wybierania), otrzymujemy pionowa formuła wybierania powyżej.

Niektórzy autorzy używają bardziej szczegółowej nomenklatury do opisania orientacji płaszczyzny odbierającej cień. Jeśli płaszczyzna Punkty twarzą w dół w kierunku ziemi, to mówi się, że proclining lub przechyłów , natomiast pokrętło mówi się, że odchylane gdy twarz tarcza jest skierowana w stronę ziemi. Wielu autorów również często odnosi się do pochylonych, pochylonych i pochylonych zegarów słonecznych jako pochylonych zegarów słonecznych. W tym ostatnim przypadku powszechny jest również pomiar kąta nachylenia w stosunku do płaszczyzny poziomej po słonecznej stronie tarczy. W takich tekstach, ponieważ I = 90° + R, wzór na kąt godzinny będzie często pisany jako :

Kąt pomiędzy stylem gnomon a tarczą B w tym typie zegara słonecznego wynosi:

Lub :

Tarcze opadające-nachylane/ Tarcze opadające-nachylane

Niektóre zegary słoneczne zarówno opadają, jak i odchylają się, ponieważ ich płaszczyzna odbierająca cień nie jest zorientowana w kierunku kardynalnym (takim jak prawdziwa północ lub prawdziwe południe) i nie jest ani pozioma, ani pionowa, ani równikowa. Na przykład taki zegar słoneczny można znaleźć na dachu, który nie był zorientowany w kierunku kardynalnym.

Wzory opisujące odstępy między liniami godzin na takich tarczach są bardziej skomplikowane niż te dla prostszych tarcz.

Istnieją różne podejścia do rozwiązania, w tym niektóre wykorzystujące metody macierzy rotacji, a niektóre tworzące model 3D płaszczyzny odchylonej i odchylonej w pionie, wydobywając zależności geometryczne między składowymi kąta godzinnego na obu tych płaszczyznach, a następnie redukując algebra trygonometryczna.

Jeden system wzorów dla zegarów pochylanych i opadających: (według Fennewicka)

Kąt między południową linią godzinową a inną linią godzinową określa poniższy wzór. Zauważ, że przesuwa się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w odniesieniu do zerowego kąta godzinnego dla tych tarcz, które są częściowo skierowane na południe i zgodnie z ruchem wskazówek zegara dla tych, które są skierowane na północ.

w zakresie parametrów : i .

Lub, jeśli wolisz używać kąta nachylenia , zamiast nachylenia , gdzie  :

w zakresie parametrów : i .

Oto szerokość geograficzna zegara słonecznego; jest liczbą całkowitą przełącznika orientacji; t to czas w godzinach przed lub po południu; i a są kąty pochylenia i deklinacji, odpowiednio. Zauważ, że jest mierzony w odniesieniu do pionu. Jest dodatni, gdy tarcza odchyla się w kierunku horyzontu za tarczą, a ujemna, gdy tarcza pochyla się do przodu w stronę horyzontu po stronie Słońca. Kąt deklinacji jest definiowany jako dodatni podczas poruszania się na wschód od prawdziwego południa. Tarcze skierowane całkowicie lub częściowo na południe mają = +1, podczas gdy tarcze skierowane częściowo lub całkowicie na północ mają wartość -1. Ponieważ powyższe wyrażenie podaje kąt godzinny jako funkcję arctan, należy zwrócić uwagę, do której ćwiartki zegara słonecznego należy każda godzina przed przypisaniem prawidłowego kąta godzinnego.

W przeciwieństwie do prostszego zegara opadającego w pionie, ten typ tarczy nie zawsze pokazuje kąty godzinowe na swojej stronie słonecznej dla wszystkich deklinacji między wschodem a zachodem. Kiedy północna półkula, częściowo skierowana na południe, odchyla się (tj. od Słońca) od pionu, gnomon stanie się współpłaszczyznowy z tarczą tarczy przy deklinacjach mniejszych niż na wschód lub na zachód. Podobnie dla tarcz z półkuli południowej, które są częściowo skierowane na północ. Gdyby te tarcze były pochylone do przodu, zakres deklinacji w rzeczywistości przekroczyłby wschód i zachód. W podobny sposób tarcze z półkuli północnej, które są częściowo zwrócone na północ i tarcze z półkuli południowej, które są zwrócone na południe i pochylają się do przodu w kierunku ich gnomonów skierowanych w górę, będą miały podobne ograniczenie zakresu deklinacji, które jest możliwe dla danego wartość pochylenia. Deklinacja krytyczna to ograniczenie geometryczne, które zależy zarówno od wartości odchylenia tarczy, jak i jej szerokości geograficznej:

Podobnie jak w przypadku pionowej tarczy opadającej, podstyl gnomona nie jest wyrównany z linią godzinową w południe. Ogólny wzór na kąt , pomiędzy podstylem a linią południową jest podany przez :

Kąt pomiędzy stylem a płytą jest określony wzorem :

Zauważ, że dla , tj. gdy gnomon jest współpłaszczyznowy z tarczą zegarową, mamy :

tj. kiedy , krytyczna wartość deklinacji.

Metoda empiryczna

Ze względu na złożoność powyższych obliczeń wykorzystanie ich w praktycznym celu projektowania tarcz tego typu jest trudne i podatne na błędy. Sugerowano, że lepiej jest zlokalizować linie godzin empirycznie, zaznaczając pozycje cienia stylu na rzeczywistym zegarze słonecznym w odstępach godzinowych, jak pokazuje zegar, i dodając/odejmując równanie regulacji czasu tego dnia. Patrz empiryczne oznaczanie linii godzin powyżej.

Zegary sferyczne

Równikowej łuk zegarem w Hasselt , Flanders w Belgii, 50 ° 55'47 "N 5 ° 20'31" E / 50,92972°N 5,34194°E / 50.92972; 5.34194 ( zegar równikowy dziobowy Hasselt ) . Promienie przechodzą przez wąską szczelinę, tworząc równomiernie obracający się arkusz światła, który pada na okrągły łuk. Linie godzin są równomiernie rozmieszczone; na tym zdjęciu lokalny czas słoneczny wynosi około godziny 15:00 (15:00). 10 września mała kulka wspawana w szczelinę rzuca cień na środek wstęgi godzinowej.

Powierzchnia, na której pada cień, nie musi być płaską, ale może mieć dowolny kształt, pod warunkiem, że twórca zegarów zechce wyznaczyć linie godzinowe. Jeśli styl jest wyrównany z osią obrotu Ziemi, kształt kulisty jest wygodny, ponieważ linie godzin są równomiernie rozmieszczone, tak jak na tarczy równikowej powyżej; zegar słoneczny jest równokątny . Na tym polega zasada sfery armilarnej i równikowego zegara słonecznego. Jednak niektóre równokątne zegary słoneczne, takie jak opisana poniżej tarcza Lamberta, opierają się na innych zasadach.

W zegarze równikowym dziobowym gnomon jest prętem, szczeliną lub rozciągniętym drutem równoległym do osi niebieskiej. Twarz jest półkolem, odpowiadającym równikowi kuli, z oznaczeniami na wewnętrznej powierzchni. Ten wzór, zbudowany na kilka metrów z niezmiennej temperatury stali inwarowej , był używany do utrzymania punktualności pociągów we Francji przed I wojną światową.

Wśród najbardziej precyzyjnych zegarów słonecznych, jakie kiedykolwiek wykonano, są dwa łuki równikowe wykonane z marmuru znalezionego w mandirze Yantra . Ta kolekcja zegarów słonecznych i innych instrumentów astronomicznych została zbudowana przez Maharadżę Jai Singha II w jego nowej wówczas stolicy Jaipur w Indiach w latach 1727-1733. Większy łuk równikowy nazywa się Samrat Yantra (Najwyższy Instrument); Stojąc na 27 metrach, jego cień porusza się wyraźnie z prędkością 1 mm na sekundę, czyli mniej więcej na szerokość dłoni (6 cm) co minutę.

Cylindryczne, stożkowe i inne niepłaskie zegary słoneczne

Precyzyjny zegar słoneczny w Bütgenbach, Belgia. (Dokładność  =  ±30  sekund) 50°25′23″N 6°12′06″E / 50,4231°N 6.2017°E / 50.4231; 6.2017 ( Belgia ) (Google Earth)

Inne niepłaskie powierzchnie mogą być używane do odbierania cienia gnomonu.

Jako elegancką alternatywę, styl (który może być utworzony przez dziurę lub rozcięcie w obwodzie) może być umieszczony na obwodzie cylindra lub kuli, a nie na jego centralnej osi symetrii.

W takim przypadku linie godzin są ponownie rozmieszczone w równych odstępach, ale pod dwukrotnie większym kątem, co wynika z twierdzenia o geometrycznym kącie wpisanym . Jest to podstawa niektórych współczesnych zegarów słonecznych, ale była również używana w czasach starożytnych;

W innym wariancie cylindrycznego wyrównanego do osi biegunowej, cylindryczna tarcza może być renderowana jako spiralna powierzchnia przypominająca wstęgę, z cienkim gnomonem umieszczonym albo wzdłuż jej środka, albo na jej obwodzie.

Ruchome-gnomonowe zegary słoneczne

Zegary słoneczne można zaprojektować z gnomonem, który jest umieszczany w innej pozycji każdego dnia przez cały rok. Innymi słowy, pozycja gnomonu względem środka linii godzin jest różna. Gnomon nie musi być ustawiony w jednej linii z biegunami niebieskimi i może być nawet idealnie pionowy (tarcza analematyczna). Te tarcze, w połączeniu z zegarami słonecznymi ze stałym gnomonem, pozwalają użytkownikowi określić prawdziwą północ bez żadnej innej pomocy; dwa zegary słoneczne są prawidłowo ustawione wtedy i tylko wtedy, gdy oba pokazują tę samą godzinę.

Uniwersalna tarcza pierścieniowa równonocy

Uniwersalna tarcza pierścieniowa. Tarcza jest zawieszona na sznurku pokazanym w lewym górnym rogu; punkt zawieszenia na pionowym pierścieniu południka można zmienić, aby dopasować go do lokalnej szerokości geograficznej. Środkowy pręt jest skręcany, aż promień słońca przechodzi przez mały otwór i pada na poziomy pierścień równikowy. Zobacz adnotacje Commons dla etykiet.

Uniwersalny równonocny tarcza pierścień (czasami nazywa się tarcza pierścień dla zwięzłości, chociaż określenie jest wieloznaczne), to przenośna wersja armilarna zegar słoneczny, czy był inspirowany przez astrolabium Marynarzy . Prawdopodobnie został wynaleziony przez Williama Oughtreda około 1600 roku i stał się powszechny w całej Europie.

W najprostszej formie styl to cienka szczelina, która pozwala promieniom słonecznym paść na linie godzinowe pierścienia równikowego. Jak zwykle styl jest wyrównany z osią Ziemi; w tym celu użytkownik może skierować tarczę w kierunku rzeczywistej północy i zawiesić tarczę pierścieniową pionowo od odpowiedniego punktu na pierścieniu południkowym. Takie tarcze mogą być samonastawne dzięki dodaniu bardziej skomplikowanego paska centralnego zamiast prostego typu szczelinowego. Sztabki te są czasem dodatkiem do zestawu pierścionków Gemmy . Ten pasek mógł obracać się wokół swoich punktów końcowych i trzymał perforowany suwak, który był ustawiony na miesiąc i dzień zgodnie ze skalą napisaną na pasku. Czas wyznaczano obracając poprzeczkę w kierunku Słońca, tak aby światło przechodzące przez otwór padało na pierścień równikowy. Zmusiło to użytkownika do obrócenia instrumentu, co skutkowało wyrównaniem pionowego pierścienia instrumentu z południkiem.

Gdy nie są używane, pierścienie równikowe i południkowe można złożyć razem w mały dysk.

W 1610 Edward Wright stworzył pierścień morski , który montował uniwersalną tarczę pierścieniową nad kompasem magnetycznym. Umożliwiło to marynarzom określenie czasu i zmienności magnetycznej w jednym kroku.

Zegary analematyczne

Analematyczny zegar słoneczny na linii południka w ogrodzie opactwa Herkenrode w Hasselt ( Flandria w Belgii )

Zegary analematyczne to rodzaj poziomych zegarów słonecznych z pionowym gnomonem i znacznikami godzin ustawionymi na wzór eliptyczny. Na tarczy nie ma linii godzinowych, a na elipsie odczytywana jest pora dnia. Gnomon nie jest stały i musi codziennie zmieniać pozycję, aby dokładnie wskazywać porę dnia. Zegary analematyczne są czasami projektowane z człowiekiem jako gnomonem. Analematyczne zegary słoneczne z ludzkimi gnomonami nie są praktyczne na niższych szerokościach geograficznych, gdzie cień człowieka jest dość krótki w miesiącach letnich. Osoba o wzroście 66 cali rzuca 4-calowy cień na 27 stopni szerokości geograficznej podczas przesilenia letniego.

Tarcze Foster-Lambert

Tarcza Fostera-Lamberta to kolejny ruchomy gnomonowy zegar słoneczny. W przeciwieństwie do eliptycznej tarczy analematycznej tarcza Lamberta jest okrągła z równomiernie rozmieszczonymi liniami godzinowymi, co czyni ją zegarem równokątnym , podobnym do opisanych powyżej tarcz równikowych, kulistych, cylindrycznych i stożkowych. Gnomon tarczy Fostera-Lamberta nie jest ani pionowy, ani wyrównany z osią obrotu Ziemi; jest raczej nachylony w kierunku północnym pod kątem α = 45° - (Φ/2), gdzie Φ jest szerokością geograficzną . Tak więc tarcza Fostera-Lamberta umieszczona na szerokości geograficznej 40° miałaby gnomon odchylony od pionu o 25° w kierunku północnym. Aby odczytać poprawny czas, gnomon również musi zostać przesunięty o pewną odległość na północ

gdzie R jest promieniem tarczy Fostera-Lamberta, a δ ponownie wskazuje deklinację Słońca na tę porę roku.

Zegary słoneczne oparte na wysokości

Zegar słoneczny w stylu osmańskim ze złożonym gnomonem i kompasem. Muzeum Pałacu Debbane , Liban.

Wskaźniki wysokości mierzą wysokość Słońca na niebie, a nie bezpośrednio mierzą jego kąt godzinowy względem osi Ziemi. Nie są zorientowane w kierunku prawdziwej Północy , ale raczej w kierunku Słońca i generalnie trzymane są pionowo. Wysokość Słońca jest wskazywana przez położenie węzła, albo cienia gnomona, albo plamki światła.

Na tarczach wysokości czas jest odczytywany z miejsca, z którego pada węzeł, na zestawie krzywych godzinowych, które zmieniają się w zależności od pory roku. Wiele takich konstrukcji tarcz wysokościowych wymaga intensywnych obliczeń, podobnie jak w przypadku wielu tarcz azymutalnych. Ale tarcze kapucynów (opisane poniżej) są skonstruowane i używane graficznie.

Wady pokręteł wysokości:

Ponieważ wysokość Słońca jest taka sama, czasami w równych odstępach około południa (np. 9:00 i 15:00), użytkownik musiał wiedzieć, czy jest to poranek, czy popołudnie. Powiedzmy o 15:00, to nie jest problem. Ale kiedy tarcza wskazuje czas 15 minut od południa, użytkownik prawdopodobnie nie będzie w stanie odróżnić 11:45 od 12:15.

Dodatkowo wskaźniki wysokości są mniej dokładne w okolicach południa, ponieważ wysokość słońca nie zmienia się wtedy gwałtownie.

Wiele z tych tarcz jest przenośnych i prostych w użyciu. Jak to często bywa w przypadku innych zegarów słonecznych, wiele wskaźników wysokości jest zaprojektowanych tylko dla jednej szerokości geograficznej. Ale tarcza kapucynów (opisana poniżej) ma wersję, którą można regulować dla szerokości geograficznej.

Książka o zegarach słonecznych autorstwa Mayall & Mayall opisuje uniwersalny zegar kapucynów.

Ludzkie cienie

Długość ludzkiego cienia (lub dowolnego pionowego obiektu) może być wykorzystana do pomiaru wysokości słońca, a tym samym czasu. Beda Czcigodny dał stolik do szacowania czasu od długości własnego cienia w stopach, przy założeniu, że wysokość mnich jest sześć razy długość jego stopy. Takie długości cienia będą się różnić w zależności od szerokości geograficznej i pory roku. Na przykład długość cienia w południe jest krótka w miesiącach letnich i długa w miesiącach zimowych.

Chaucer przywołuje tę metodę kilka razy w swoich Opowieściach kanterberyjskich , tak jak w swojej Opowieści Parsona .

Równoważny typ zegara słonecznego wykorzystujący pionowy pręt o stałej długości jest znany jako tarcza backstaff .

Tarcza pasterska – wskaźniki czasu

XIX-wieczna pałeczka czasu owczarka tybetańskiego

A pasterza wybierania - znana również jako tarcza kolumnowej pasterza , tarczy słupowej , tarczy cylindra lub chilindre - jest przenośnym cylindryczny zegar z nożem jak gnomon który wystaje prostopadle. Zwykle zwisa z liny lub sznurka, więc cylinder jest pionowy. Gnomon może być skręcony tak, aby znajdował się powyżej miesiąca lub dnia na powierzchni cylindra. To koryguje zegar słoneczny dla równania czasu. Cały zegar słoneczny jest następnie skręcany na sznurku tak, że gnomon celuje w kierunku Słońca, podczas gdy cylinder pozostaje pionowy. Końcówka cienia wskazuje czas na cylindrze. Wpisane na cylindrze krzywe godzinowe pozwalają na odczytanie czasu. Tarcze pasterskie są czasami puste, dzięki czemu gnomon może się złożyć, gdy nie jest używany.

Pokrętło pasterza jest wywołany w Shakespeare „s Henryk VI, część 3 (linie Akt 2, Scena 5, 21-29), wśród innych dzieł literatury.

Cylindryczną tarczę pasterską można rozwinąć na płaską płytkę. W jednej prostej wersji przód i tył płyty mają po trzy kolumny, odpowiadające parom miesięcy o mniej więcej tej samej deklinacji słonecznej (czerwiec-lipiec, maj-sierpień, kwiecień-wrzesień, marzec-październik, luty-listopad i styczeń-grudzień). W górnej części każdej kolumny znajduje się otwór do włożenia gnomonu rzucającego cień, kołka. Często w kolumnie poniżej zaznaczono tylko dwa razy, jeden na południe, a drugi na przedpołudnie/popołudnie.

Liczniki czasu, włócznia zegarowa , czy pasterska pałeczka czasu opierają się na tych samych zasadach, co tarcze. Na kiju czasowym wyrzeźbiono osiem pionowych skal czasowych dla różnych okresów roku, z których każda zawiera skalę czasową obliczoną zgodnie ze względną ilością światła dziennego w różnych miesiącach roku. Każda lektura zależy nie tylko od pory dnia, ale także od szerokości geograficznej i pory roku. Gnomon kołkowy jest umieszczany na górze w odpowiednim otworze lub twarzy na porę roku i skierowany w stronę Słońca, tak aby cień padał bezpośrednio w dół skali. Jego koniec wyświetla czas.

Tarcze pierścieniowe

W tarczy pierścieniowej (znanej również jako tarcza akwitańska lub perforowana ) pierścień jest zawieszony pionowo i zwrócony bokiem w stronę słońca. Wiązka światła przechodzi przez mały otwór w pierścieniu i pada na krzywe godzinowe wpisane po wewnętrznej stronie pierścienia. Aby skorygować równanie czasu, otwór znajduje się zwykle na luźnym pierścieniu w pierścieniu, dzięki czemu można go dostosować, aby odzwierciedlał bieżący miesiąc.

Tarcze kart (tarcze kapucynów)

Tarcze kart to kolejna forma wybierania wysokości. Karta jest wyrównana krawędzią do słońca i pochylona tak, że promień światła przechodzi przez otwór w określonym miejscu, określając w ten sposób wysokość słońca. Obciążony sznurek zwisa pionowo w dół z dziury w karcie i niesie koralik lub węzeł. Pozycja koralika na liniach godzinowych karty podaje czas. W bardziej wyrafinowanych wersjach, takich jak tarcza kapucynów, istnieje tylko jeden zestaw linii godzin, tzn. linie godzin nie różnią się w zależności od pory roku. Zamiast tego, pozycja dziury, z której zwisa obciążona struna, zmienia się w zależności od pory roku.

Zegary słoneczne kapucynów są skonstruowane i używane graficznie, w przeciwieństwie do bezpośrednich pomiarów kąta godzinnego tarcz poziomych lub równikowych; lub obliczone linie kąta godzinnego niektórych tarcz wysokości i azymutu.

Oprócz zwykłej tarczy kapucynów istnieje uniwersalna tarcza kapucynów, regulowana dla szerokości geograficznej.

Navicula

Navicula de Venetiis lub „mały statek wenecki” był używany do wybierania wysokość powiedzieć czas i która miała kształt małego statku. Kursor (z dołączoną linią pionu) został przesunięty w górę/w dół masztu na odpowiednią szerokość geograficzną. Użytkownik następnie obserwował Słońce przez parę otworów obserwacyjnych na obu końcach „pokładu statku”. Pion oznaczał, jaka była godzina dnia.

Zegary słoneczne oparte na nodu

Kraków. 50°03′41″N 19°56′24″E / 50.0614 °N 19,9400°E / 50.0614; 19.9400 ( krakowski zegar słoneczny ) Cień węzła w kształcie krzyża porusza się wzdłuż hiperboli, która pokazuje porę roku, wskazaną tutaj przez cyfry zodiaku. Jest 13:50 16 lipca, 25 dni po przesileniu letnim .

Inny typ zegara słonecznego podąża za ruchem pojedynczego punktu światła lub cienia, który można nazwać węzłem . Na przykład, zegar słoneczny może podążać za ostrym wierzchołkiem cienia gnomona, np. za wierzchołkiem cienia pionowego obelisku (np. Solarium Augusti ) lub za wierzchołkiem poziomego znacznika w tarczy pasterskiej. Alternatywnie, światło słoneczne może przechodzić przez mały otwór lub odbijane od małego (np. wielkości monety) okrągłego lustra, tworząc małą plamkę światła, której położenie można śledzić. W takich przypadkach promienie światła kreślą stożek w ciągu dnia; kiedy promienie padają na powierzchnię, podążana ścieżka jest przecięciem stożka z tą powierzchnią. Najczęściej powierzchnią przyjmującą jest płaszczyzna geometryczna , tak że ścieżka końcówki cienia lub plamki świetlnej (zwanej linią deklinacji ) wyznacza przekrój stożkowy, taki jak hiperbola lub elipsa . Zbiór hiperbol był nazywany przez Greków pelekononem (topór), ponieważ przypomina topór o dwóch ostrzach, wąski pośrodku (w pobliżu linii południowej) i rozszerzający się na końcach (wcześnie rano i późnym wieczorem).

Linie deklinacji w przesileniach i równonocy dla zegarów słonecznych znajdujących się na różnych szerokościach geograficznych

Istnieje prosta weryfikacja hiperbolicznych linii deklinacji na zegarze słonecznym: odległość od początku do linii równonocy powinna być równa średniej harmonicznej odległości od początku do linii przesilenia letniego i zimowego.

Zegary słoneczne oparte na Nodus mogą wykorzystywać mały otwór lub lustro, aby wyizolować pojedynczy promień światła; te pierwsze są czasami nazywane tarczami przysłony . Najstarszym przykładem jest być może zegar słoneczny antyborejski ( antiboreum ), sferyczny zegar słoneczny z węzłem , który jest zwrócony w kierunku prawdziwej Północy ; promień światła słonecznego wpada z południa przez mały otwór znajdujący się na biegunie kuli i pada na wpisane w kulę linie godziny i daty, które przypominają odpowiednio linie długości i szerokości geograficznej globu.

Odbijające zegary słoneczne

Isaac Newton opracował wygodny i niedrogi zegar słoneczny, w którym na parapecie okna wychodzącego na południe umieszczono małe lusterko. Lustro działa jak guzek, rzucając pojedynczą plamkę światła na sufit. W zależności od szerokości geograficznej i pory roku, plama świetlna podąża za stożkowym przekrojem, takim jak hiperbola pelikonu. Jeśli lustro jest równoległe do równika Ziemi, a sufit jest poziomy, to wynikowe kąty są takie same jak w przypadku konwencjonalnego poziomego zegara słonecznego. Wykorzystanie sufitu jako powierzchni zegara słonecznego wykorzystuje niewykorzystaną przestrzeń, a tarcza może być wystarczająco duża, aby była bardzo dokładna.

Wiele tarcz

Zegary słoneczne są czasami łączone w kilka tarcz. Jeśli dwie lub więcej tarcz, które działają na różnych zasadach — takich jak tarcza analematyczna i tarcza pozioma lub pionowa — zostaną połączone, wynikowa tarcza wielokrotna staje się przez większość czasu samonastawna. Obie tarcze muszą podawać zarówno godzinę, jak i deklinację. Innymi słowy, kierunek prawdziwej północy nie musi być określany; tarcze są ustawione prawidłowo, gdy odczytują ten sam czas i deklinację. Jednak najczęstsze formy kombinowane tarcze są oparte na tej samej zasadzie, a analematyka zwykle nie podaje deklinacji słońca, a zatem nie są samonastawne.

Dyptyk (tablet) zegar słoneczny

Dyptyk zegar słoneczny w formie lutni , ok. 1900 r. 1612. Styl gnomonów to sznurek rozciągnięty między pionową i poziomą twarzą. Ten zegar słoneczny ma również mały guzek (koralik na sznurku), który wskazuje czas na pelikononie hiperbolicznym , tuż nad datą na pionowej tarczy.

Dyptych składa się z dwóch małych płaskich ścian, połączone za pomocą zawiasu. Dyptyki zwykle składane do małych płaskich pudełek nadających się na kieszeń. Gnomon był sznurkiem między dwiema twarzami. Kiedy sznurek był napięty, obie tarcze tworzyły zarówno pionowy, jak i poziomy zegar słoneczny. Wykonano je z białej kości słoniowej, inkrustowanej czarnym lakierem. Gnomonami były czarne plecione jedwabne, lniane lub konopne sznurki. Z węzłem lub koralikiem na sznurku jako guzkiem i właściwymi oznaczeniami, dyptyk (naprawdę każdy wystarczająco duży zegar słoneczny) może utrzymać kalendarz wystarczająco dobrze, aby sadzić rośliny. Częsty błąd opisuje tarczę dyptyku jako samonastawną. Nie dotyczy to tarcz dyptykowych składających się z tarczy poziomej i pionowej, w której zastosowano gnomon sznurkowy między twarzami, bez względu na orientację cyferblatów. Ponieważ gnomon strunowy jest ciągły, cienie muszą się spotykać na zawiasie; w związku z tym każda orientacja tarczy pokaże ten sam czas na obu tarczach.

Tarcze wielotwarzowe

Popularny typ tarczy wielokrotnej ma zegary słoneczne na każdej powierzchni bryły platońskiej (wielościan regularny), zwykle sześcianu .

Niezwykle ozdobne zegary słoneczne można komponować w ten sposób, nakładając go na każdą powierzchnię solidnego obiektu.

W niektórych przypadkach zegary słoneczne są uformowane jako wgłębienia w litym obiekcie, np. cylindryczne wgłębienie wyrównane z osią obrotu Ziemi (w której krawędzie pełnią rolę stylów) lub kuliste wgłębienie w starożytnej tradycji półkuli lub antyboreum . (Patrz rozdział Historia powyżej.) W niektórych przypadkach te wielostronne tarcze są na tyle małe, że można je ustawić na biurku, podczas gdy w innych są to duże kamienne pomniki.

Tarcze tarczy wielościennej mogą być zaprojektowane tak, aby jednocześnie podawać czas dla różnych stref czasowych. Przykładem może być szkocki zegar słoneczny z XVII i XVIII wieku, który często był niezwykle złożonym kształtem wielościennych, a nawet wypukłych twarzy.

Tarcze pryzmatyczne

Tarcze pryzmatyczne są szczególnym przypadkiem tarcz biegunowych, w których ostre krawędzie pryzmatu wklęsłego wielokąta służą jako style, a boki pryzmatu otrzymują cień. Przykłady obejmują trójwymiarowy krzyż lub gwiazdę Dawida na nagrobkach.

Niezwykłe zegary słoneczne

Pokrętło Benoya

Zegar słoneczny Benoy pokazujący godzinę 18:00

Tarcza Benoy została wynaleziona przez Waltera Gordona Benoya z Collingham, Nottinghamshire w Anglii. Podczas gdy gnomon rzuca warstwę cienia, jego wynalazek tworzy równoważną warstwę światła, przepuszczając promienie słoneczne przez cienką szczelinę, odbijając je od długiego, smukłego lustra (zwykle półcylindrycznego) lub skupiając je przez soczewkę cylindryczną . Przykłady tarcz Benoy można znaleźć w Wielkiej Brytanii pod adresem:

Bifilarny zegar słoneczny

Bifilarny zegar słoneczny ze stali nierdzewnej we Włoszech

Wynaleziony przez niemieckiego matematyka Hugo Michnika w 1922 r. bifilarny zegar słoneczny ma dwa nie przecinające się nici równoległe do tarczy. Zwykle drugi wątek jest prostopadły do pierwszego. Przecięcie cieni dwóch nici daje lokalny czas słoneczny.

Cyfrowy zegar słoneczny

Cyfrowy zegar słoneczny wskazuje aktualny czas za pomocą cyfr utworzonych przez padające na niego światło słoneczne. Zegary słoneczne tego typu są instalowane w Deutsches Museum w Monachium oraz w Sundial Park w Genk (Belgia), a ich mała wersja jest dostępna w handlu. Istnieje patent na ten typ zegara słonecznego.

Tarcza kuli ziemskiej

Tarcza globu to kula zrównana z osią obrotu Ziemi i wyposażona w sferyczną łopatkę. Podobnie jak w przypadku zegarów słonecznych o ustalonej osi, tarcza globusowa określa czas na podstawie kąta azymutalnego Słońca w jego pozornym obrocie wokół Ziemi. Ten kąt można określić, obracając łopatkę, aby uzyskać najmniejszy cień.

Znaki południowe

Znak południa z Królewskiego Obserwatorium w Greenwich . Analema to wąski kształt ósemki, który przedstawia równanie czasu (w stopniach, a nie czasu, 1°=4 minuty) w funkcji wysokości Słońca w południe w miejscu położenia zegara. Wysokość jest mierzona w pionie, równanie czasu w poziomie.

Najprostsze zegary słoneczne nie podają godzin, a raczej odnotowują dokładną godzinę 12:00. W minionych wiekach takie tarcze były używane do korygowania zegarów mechanicznych, które czasami były tak niedokładne, że traciły lub zyskiwały znaczną część czasu w ciągu jednego dnia.

W niektórych amerykańskich domach z epoki kolonialnej często można znaleźć znak południa wyryty na podłodze lub parapecie. Takie oznaczenia wskazują lokalne południe i zapewniają proste i dokładne odniesienie do czasu dla gospodarstw domowych, które nie posiadają dokładnych zegarów. W czasach nowożytnych w niektórych krajach azjatyckich urzędy pocztowe ustawiają swoje zegary z dokładnością do południa. Te z kolei zapewniają czasy dla reszty społeczeństwa. Typowy zegar słoneczny w południe był soczewką umieszczoną nad płytką analematyczną . Płytka ma wygrawerowany kształt ósemki, co odpowiada wykreśleniu równania czasu (opisanego powyżej) w funkcji deklinacji Słońca. Kiedy krawędź obrazu Słońca dotyka części kształtu dla bieżącego miesiąca, oznacza to, że jest godzina 12:00.

Działo zegara słonecznego

Zegar słoneczny armata , czasami nazywany „południk armata”, jest wyspecjalizowanym zegar słoneczny, który jest przeznaczony do tworzenia „słyszalny noonmark”, poprzez automatyczne zapalanie ilość prochu w południe. Były to raczej nowości niż precyzyjne zegary słoneczne, instalowane niekiedy w parkach w Europie głównie pod koniec XVIII lub na początku XIX wieku. Zazwyczaj składają się z poziomego zegara słonecznego, który oprócz gnomonu ma odpowiednio zamontowaną soczewkę , ustawiającą ogniskowanie promieni słonecznych dokładnie w południe na miseczce miniaturowej armaty załadowanej prochem (ale bez kuli ). Aby prawidłowo funkcjonować, należy sezonowo regulować położenie i kąt obiektywu.

Linie południkowe

Pozioma linia ułożona na południku z gnomonem skierowanym w południe-słońce nazywana jest linią południka i nie wskazuje godziny, ale dzień roku. Historycznie używano ich do dokładnego określania długości roku słonecznego . Przykładami są linia południka Bianchini w Santa Maria degli Angeli e dei Martiri w Rzymie oraz linia Cassini w Bazylice San Petronio w Bolonii .

Motto zegara słonecznego

Związek zegarów słonecznych z czasem inspirował ich projektantów na przestrzeni wieków do wyświetlania motta w ramach projektu. Często rzucają one urządzenie w rolę memento mori , zapraszając obserwatora do refleksji nad przemijaniem świata i nieuchronnością śmierci. „Nie zabijaj czasu, bo na pewno cię zabije”. Inne hasła są bardziej kapryśne: „Liczę tylko godziny słoneczne” i „Jestem zegarem słonecznym i skurwysynę tego, co znacznie lepiej robi zegarek”. Kolekcje motta zegarów słonecznych były często publikowane na przestrzeni wieków.

Użyj jako kompasu

Jeśli zegar słoneczny z poziomą płytą jest wykonany dla szerokości geograficznej, w której jest używany, i jeśli jest zamontowany z płytą poziomą i gnomonem skierowanym w stronę bieguna niebieskiego, który znajduje się nad horyzontem, wówczas pokazuje on prawidłowy czas w pozornym świetle słonecznym. czas . I odwrotnie, jeśli kierunki punktów kardynalnych są początkowo nieznane, ale zegar słoneczny jest ustawiony tak, że pokazuje poprawny pozorny czas słoneczny obliczony na podstawie odczytu zegara , jego gnomon wskazuje kierunek rzeczywistej północy lub południa, umożliwiając zegarowi być używany jako kompas. Zegar słoneczny można umieścić na poziomej powierzchni i obracać wokół osi pionowej, aż wskaże właściwy czas. Gnomon będzie wtedy wskazywał na północ, na półkulę północną lub na południe na półkuli południowej. Ta metoda jest znacznie dokładniejsza niż używanie zegarka jako kompasu (patrz Kierunek główny # Tarcza zegarka ) i może być stosowana w miejscach, w których deklinacja magnetyczna jest duża, co powoduje, że kompas magnetyczny jest zawodny. Alternatywna metoda wykorzystuje dwa zegary słoneczne o różnych wzorach. (Patrz # Pokrętła wielokrotne , powyżej). Pozwala to na jednoczesne określenie kierunków punktów kardynalnych i pozornego czasu słonecznego, bez konieczności korzystania z zegara.

Zobacz też

Angbuilgu , przenośny zegar słoneczny używany w Korei w okresie Joseon . Zintegrowany kompas magnetyczny ustawia instrument w kierunku bieguna północnego. ( Koreańskie Muzeum Narodowe )

Uwagi

Bibliografia

Cytaty

Źródła

  • Brandmaier, H. (marzec 2005). „Projektowanie zegara słonecznego za pomocą matryc”. Kompendium . Północnoamerykańskie Towarzystwo Zegarów Słonecznych. 12 (1).
  • Daniel, Krzysztof St.JH (2004). Zegary słoneczne . Album Shire. 176 (2. poprawione wyd.). Publikacje Shire. Numer ISBN 978-0747805588.
  • Earle AM ​​(1971). Zegary słoneczne i róże wczoraj . Rutland, VT: Charles E. Tuttle. Numer ISBN 0-8048-0968-2. LCCN  74142763 . Przedruk książki z 1902 r. wydanej przez Macmillan (Nowy Jork).
  • Heilbron, JL: Słońce w kościele: katedry jako obserwatoria słoneczne , Harvard University Press , 2001 ISBN  978-0-674-00536-5 .
  • AP Herbert, Zegary słoneczne stare i nowe , Methuen & Co. Ltd, 1967.
  • Kern, Ralf: Wissenschaftliche Instrumente in ihrer Zeit. Vom 15. – 19. Jahrhundert. Verlag der Buchhandlung Walther König 2010, ISBN  978-3-86560-772-0
  • Mayall, RN; Mayall, MW (1938). Zegary słoneczne: ich budowa i zastosowanie (3rd (1994) ed.). Cambridge, MA: Sky Publishing. Numer ISBN 0-933346-71-9.
  • Hugo Michnik, Theorie einer Bifilar-Sonnenuhr , Astronomishe Nachrichten, 217(5190), s. 81-90, 1923
  • Rohr, RRJ (1996). Zegary słoneczne: historia, teoria i praktyka (przetłumaczone przez G. Godina ed.). Nowy Jork: Dover. Numer ISBN 0-486-29139-1.Lekko zmieniony przedruk przekładu z 1970 r. opublikowanego przez University of Toronto Press (Toronto). Oryginał został opublikowany w 1965 roku pod tytułem Les Cadrans solaires przez Gauthier-Villars (Montrouge, Francja).
  • Savoie, Denis: Zegary słoneczne, projektowanie, budowa i użytkowanie , Springer, 2009, ISBN  978-0-387-09801-2 .
  • Frederick W. Sawyer, Bifilarna gnomonika , JBAA (Journal of the British Astronomical Association), 88(4):334-351, 1978
  • Snyder, Donald L. (marzec 2015). „Uwagi dotyczące projektowania zegarów słonecznych” (PDF) . Kompendium . St. Louis: Północnoamerykańskie Towarzystwo Zegarów Słonecznych. 22 (1). ISSN  1074-3197 . Zarchiwizowane (PDF) od oryginału z dnia 16 kwietnia 2019 r . Źródło 16 czerwca 2020 .
  • Turner, Gerard L'E (1980). Zabytkowe instrumenty naukowe . Blandford Press Ltd. ISBN 0-7137-1068-3.
  • Walker, Brown: Make A Sundial , (The Education Group British Sundial Society) Redakcja Jane Walker i David Brown, British Sundial Society 1991 ISBN  0-9518404-0-1
  • Waugh, Albert E (1973). Zegary słoneczne: ich teoria i budowa . Nowy Jork: Dover Publikacje. Numer ISBN 0-486-22947-5.

Zewnętrzne linki

Organizacje krajowe

Historyczny

Inne