Изготовление различных солнечных часов

На главную Пушкинская средняя школа Всё моё видео на YouTube

1. Горизонтальные солнечные часы с полярным гномоном.

Информацию для изготовления таких часов я взял из книги: Энциклопедический словарь юного астронома / Сост. Н. П. Ерпылев. — 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Педагогика, 1986. — 336 с.
Статью «Солнечные часы» из этой книги я открыл с сайта http://alnam.ru. На этом сайте данная книга расположена по адресу http://alnam.ru/book_e_astro.php Для доступа к материалам научной библиотеки этого сайта сначала нужно зарегистрироваться и получить по электронной почте логин и пароль для доступа.

Это первые солнечные часы, которые мне удалось рассчитать и изготовить (смотрите фотографии 1 и 2 ниже на этой странице). Шкалу я рассчитал так, чтобы часы показывали местное солнечное время. По этим часам верхняя кульминация Солнца (истинный полдень) в кабинете физики школы №20 города Ижевска всегда наступает в 12 часов 27 минут 17 секунд. Это соответствует долготе 53,178 градуса восточной долготы и 4 часовому поясу. Чтобы узнать по ним местное время (гражданское, административное), которое показывают наши часы, надо прибавить поправку – уравнение времени (>EOT). Её можно рассчитать по формуле, узнать из программы «Солнечный калькулятор» (SunCalc35), узнать на сайте http://www.analemma.ru. На этом сайте, называемом «Мастерская истинного времени» в верхней части любой страницы приводится не только уравнение времени для данного момента времени, но и истинное солнечное время, склонение Солнца, его высота и азимут и другая полезная информация.

Для изготовления гномона я использовал деревянный угольник с углами 30, 60 и 90 градусов. Одну из сторон я подрезал так, чтобы из угла 60⁰ получился угол 56,8⁰ (это широта кабинета физики). Гномон вертикально я закрепил с помощью железных уголков.

Чтобы эти часы, а также экваториальные и аналемматические показывали правильно их надо как можно точнее ориентировать по направлению на юг и север. Время истинного полдня (12 часов, если часы показывают истинное солнечное время) должно показывать точно на север, гномон в горизонтальных и экваториальных часах должен быть направлен точно на полюс мира. Поэтому надо узнать точное направление на юг. Проще всего это сделать отметив направление отбрасываемой тени в истинный полдень (верхняя кульминация Солнца) от вертикально поставленного стержня. Для того, чтобы узнать время верхней кульминации Солнца надо знать уравнение времени или посмотреть это время используя программы «Солнечный калькулятор» (SunCalc35), «Звёздный калькулятор» (STARCALC - астрономическая программа-планетарий для Windows) или узнать используя соответствующие online-калькуляторы.

Изготовленные горизонтальные часы я тщательно тестировал. Они показали высокую точность. Отклонение от точного гражданского времени составляла самое большое 2,5 минуты и сильно зависела от точности ориентирования часов. Обычное отличие составляло всего 0,5 – 1,5 минуты.

2. Горизонтальные солнечные часы с вертикальным гномоном (аналемматические).

Информацию для изготовления таких часов я взял с сайта http://astro-bratsk.ru/content-observer/287-sundials.html

Данные часы показали высокую точность, отличие от точных часов составляло обычно менее 1 минуты (смотрите фотографии 5, 6 и 7 ниже на этой странице). Точность часов зависит от вертикальности установки стержня – гномона. Чтобы он стоял вертикально я использовал деревянный угольник, к которому закрепил металлические уголки. Окончательно скорректировал вертикальность стержня с помощью прямого угла большого деревянного угольника. Вдоль полуденной линии от центра эллипса я провёл отрезок на котором и надо устанавливать стержень. На этом отрезке я поставил метки соответствующие склонению Солнца с шагом 1⁰.

3.Вертикальные.

Информацию для изготовления таких часов я взял из блога Александра Воробьёва http://al-vo.ru/o-zhizni/nastennye-solnechnye-chasy.html.

В июле 2018 года мне удалось изготовить такие часы. Они оказались достаточно точные. Цена деления - 5 минут. Показываемое время - от 6 часов (летом) до 15 ч 30 минут. Получается, что показываемое время смещено в сторону утренних часов. Это можно объяснить тем, что нормаль к стене, на которой висят часы, повёрнута на восток от направления полуденной линии на 21,1 градус.

Утром, до 10 ч 33 минут, часы отстают, максимум на 2,5 минут. После 10 ч 33 минут часы начинают спешить, опять самое большое на 2,5 минуты. В 10 ч 30 минут часы отстают всего на 18 секунд. Такое поведение часов можно объяснить влиянием толщины гномона. В 10 ч 30 минут берётся середина отбрасываемой тени, поэтому толщина гномона не сказывается на результате и часы показывают максимально точно. В это время, а более точно в 10 ч 33 минуты, тень гномона приобретает форму отрезка. Лучи падают параллельно плоскости гномона и освещают только рабочую грань гномона, покрашенная у меня в белый цвет. Лучи не освещают треугольник гномона ни с одной, ни с другой стороны.

На фотографиях и gif-анимации ниже можно увидеть часы в работе.

4. Экваториальные.

Информацию для изготовления таких часов я взял с сайта http://www.analemma.ru/ru-main.php?theory=6
Смотрите фотографии 3 и 4 ниже на этой странице.

Сделать циферблат для таких часов очень легко. Труднее оказалось расположить его под углом 90 – 56,8 = 33,2⁰ и сделать так, чтобы гномон стоял строго перпендикулярно плоскости циферблата. В качестве гномона я взял большой деревянный угольник, который укрепил металлическими уголками.

Данные часы оказались наиболее громоздкими и наименее точными. Тем не менее, их отклонение от точного времени при тестировании не превышало 4 минут.

Циферблат экваториальных и аналемматических часов я сделал таким, чтобы они показывали истинное солнечное время. То есть истинный полдень по ним наступает ровно в 12 часов. Поэтому, чтобы их показание перевести в местное время (административное), надо к их показанию прибавить 27,3 минуты и уравнение времени.

5. Высотные.

Информацию о том, как можно по длине тени высчитать время и соответственно как можно рассчитать такие часы я взял с сайта http://www.analemma.ru/ru-main.php?theory=4#main

Данные часы я делать не стал, но подготовил формулы в электронной таблице, по которым очень легко получить значение времени по длине тени, отбрасываемой вертикально поставленным стержнем – гномоном. Для проверки часов надо ввести в электронную таблицу: высоту гномона, широту и долготу места наблюдения, часовой пояс, уравнение времени и склонение Солнца. Заем остаётся вводить только длину тени и программа сразу выдаёт результат – гражданское время. Если вводить ещё и точное время, то программа будет ещё выдавать на сколько солнечные часы спешат или отстают, что очень удобно при тестировании. Одинаковая длина тени бывает два раза в сутки – до и после полудня. Поэтому надо ещё знать – время сейчас до или после истинного полудня. Если до или после полудня более 1,5 часа, то получается хороший результат – отличие составляет обычно около минуты. Если же время близко к полудню, то длина тени меняется медленно и точность резко уменьшается. В этом случае отличие от точного времени может достигать 20 минут (вблизи полудня).

Зная высоту Солнца легко подсчитать высоту здания, дерева и т.д. по длине отбрасываемой тени. Высоту Солнца можно подсчитать, а можно узнать из компьютерных прогамм SunCalc35, S tarCalc.


1. Горизонтальные солнечные часы с полярным гномоном в работе.	2. Время на солнечных часах и обычных точных часах почти совпадает, так как снимок сделан 13 июня, когда уравнение времени равно нулю.	3 и 4. Экваториальные часы. Они показывают истинное солнечное время. 13 июня они должны в кабинете физики города Ижевска отставать на 27,3 минуты. Значит: 11.35 + 27 мин 17 с = 12 ч 2 мин 17 с Значит они спешат сейчас всего на 1 минуту.

5 и 6. Аналемматические солнечные часы. 13 июня показывают 11.40 прибавляем 27 мин 17 с, получаем 12 ч 7 мин 17 с, значит спешат всего на 1 минуту.		7. Истинный полдень на аналемматических часах. Отличие от точных всего 37 с.	8. Четыре типа солнечных часов в работе.

9. У всех этих часов гномон направлен на полюс мира.	10. Вертикальные часы без шкалы для измерения времени. Предназначены для проверки формул расчёта вертикальных часов. Время рассчитывается по длине дуги.	11. Для экваториальных часов нужна подставка, удерживающая циферблат под углом 90 - 56,8 = 33,2 градуса (для Ижевса).	Вертикальные солнечные часы в селе Пушкино Липецкой области. Полдень в 12 ч 18,5 мин. Изготовлены в июле 2018 года.

28 июля 2018 года. На часах справа ровно 11 часов. Уравнение времени в этот день 6,5 минуты. Значит гражданское время 11 ч 6,5 минут. Как видим точные часы показывают всего на 3 секунды больше.		В данный момент времени лучи падают параллельно плоскости гномона, поэтому тень треугольника становится отрезком.	11 августа 2019 года

Дополнительная информация по солнечным часам

1. Экваториальные солнечные часы состоят из кадрана (плоскость с часовыми делениями) и гномона. Часовые деления на кадран наносятся через равные угловые промежутки, как на циферблате обыкновенных часов, а гномон обычно представляет собой металлический стержень, устанавливаемый на кадране перпендикулярно его поверхности. Затем кадран ориентируется в горизонтальной плоскости так, чтобы прямая, соединяющая основание гномона и часовое деление, соответствующее полудню, была направлена параллельно полуденной линии в сторону юга — для Северного полушария, или в сторону севера — для Южного полушария, и наклоняется относительно плоскости горизонта, соответственно, в сторону севера или сторону юга на угол α = 90°- φ, где φ — географическая широта места установки солнечных часов. Кадран будет параллелен небесному экватору (отсюда — название этого типа солнечных часов), а поскольку небесная сфера в течение дня вращается равномерно, то и тень от гномона за любой час дня будет описывать равные углы (поэтому часовые деления и проводятся так же, как на циферблате обычных часов).

Равные угловые промежутки (t=15°) между соседними часовыми делениями, как на циферблате обычных часов, и перпендикулярность гномона кадрану являются основными преимуществами экваториальных солнечных часов над горизонтальными и вертикальными. Главный недостаток экваториальных солнечных часов — то, что они, в отличие от горизонтальных, будут работать только от дня весеннего равноденствия до дня осеннего равноденствия (в Северном полушарии весеннее равноденствие — в марте, осеннее — в сентябре, в Южном полушарии весеннее равноденствие — в сентябре, осеннее — в марте). В остальную часть года они работать не будут, поскольку Солнце будет находиться по другую сторону от плоскости небесного экватора, и вся верхняя поверхность кадрана будет в тени. Конечно, этот недостаток можно устранить, если сделать кадран в виде пластины, нанести часовые деления и на верхнюю, и на нижнюю поверхность, а гномон продолжить под пластину, но и тогда в дни, близкие к дню весеннего или осеннего равноденствия солнечные часы не будут работать — Солнце будет светить на пластину не сверху и не снизу, а сбоку.

2. Горизонтальные солнечные часы, так же, как и экваториальные, состоят из кадрана и гномона. Однако в данном случае кадран устанавливается параллельно плоскости горизонта. Чаще всего гномон представляет собой треугольник, перпендикулярный плоскости кадрана, а одна из его сторон наклонена к ней на угол, равный географической широте места установки часов. Линия пересечения гномона и кадрана направляется параллельно полуденной линии — линии, вдоль которой в данном месте направлена тень вертикального стержня в истинный полдень.

Если обозначить географическую широту места установки часов через φ, количество часов до полудня (после полудня) через m, то угол между полуденной линией и соответствующим часовым делением на часах α можно определить по формуле tg α = sin φ * tg (15* m)

3. Вертикальные солнечные часы обычно размещают на стенах зданий и различных строений. Поэтому их кадран вертикален — перпендикулярен плоскости горизонта, но может быть повёрнут в различные стороны. От стороны, в которую повёрнут кадран, зависит расположение часовых делений на кадране. Симметричными относительно полуденного деления они будут лишь при кадране, обращённом строго на юг (географический, не магнитный!) — в северном полушарии, или на север — в южном полушарии, иными словами — при кадране, перпендикулярном полуденной линии. Для так направленного кадрана гномон должен лежать в плоскости небесного меридиана, иными словами — быть перпендикулярным как плоскости кадрана, так и плоскости горизонта, а одна из его сторон должна быть параллельной земной оси, откуда следует, что она должна составлять с плоскостью кадрана угол, равный 90°- φ, где φ — широта места установки. Формула для угла наклона часовых линий к полуденному делению выводится аналогично горизонтальным часам — из рассмотрения прямоугольного сферического треугольника, образованного кругом склонения Солнца, плоскостью кадрана и плоскостью небесного меридиана. Она имеет вид:

tg α = cos φ * tg (t) = cos φ * tg (15*m)

где φ — широта места установки часов, m количество часов до полудня (после полудня) через, α — угол между полуденным делением и соответствующим часовым делением, t — угол между кругом склонения Солнца и плоскостью небесного меридиана.

4. 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.