Как сделать солнечные часы

Как сделать полярные солнечные часы для сада

Прелесть этого солнечного хронометра заключается в его циферблате – он не круглый, как у большинства алогичных приборов, а линейный. Тень от гномона по нему перемещается по прямой линии, что в значительной мере упрощает технологию изготовления солнечных часов. По большому счету, это все те же экваториальные солнечные часы, только гномон у них представляет собой не штырек, а палочку, расположенную поперек так называемого циферблата. Деления в таких часах тоже наносятся неравномерно, что дает возможность утверждать, что солнечные часы данного типа являются некоторым гибридом между двумя первыми вариантами. Изготавливаются полярные солнечные часы своими руками следующим образом.

В принципе, имеется и четвертый вариант солнечных часов, которые являются весьма сложными в изготовлении и настройке – это вертикальные, или, как их еще называют, настенные солнечные часы. Они более удобны в использовании, но вот для их сборки нужны очень точные расчеты и весьма ювелирное (не менее точное) изготовление.

Солнечные часы своими руками фото

В заключение темы о том, как сделать солнечные часы своими руками, скажу несколько слов о материалах. Их выбор целиком и полностью зависит от целей изготовления. Если это баловство или просто методическое пособие для детей, то хронометр можно сделать из картона. Если же вы хотите изготовить действительно рабочую модель и пользоваться ею для определения времени, то выбирать нужно более надежные материалы. В этом случае циферблат можно сделать из бетона (как вариант, срезать поверхность природного камня большого размера), а гномон из стали – такие часы смело можно оставлять на свежем воздухе, и при этом прослужат они очень долго.

Хорошо иметь на даче часы, которые видно издалека и которые легко сделать из подручного материала. Они помогут проводить время на даче с пользой: ведь поливать растения можно только до 10 и после 4 часов дня, а находиться на солнце с 11 до 3 категорически запрещено из-за активного воздействия солнечного излучения.

Солнечные часы стали первым устройством для определения времени. Точное время они показывают всего три дня за весь дачный сезон (весеннее и осеннее равноденствие и летнее солнцестояние).
В остальные дни разница может доходить до 17 минут, но для дачных работ это не принципиально. Поэтому можно обойтись без создания таблицы погрешностей или графика, уточняющего время каждый день и час.

Солнечные часы показывают точное время только в дни равноденствия и солнцестояния

Какие бывают солнечные часы

Существует три вида солнечных часов:

• вертикальные;
• горизонтальные;
• экваториальные.

Сферические, полукруглые и другие — разновидности основных видов. Принцип всех часов основан на показаниях тени от предмета (гномона), падающей на заранее нанесённые на циферблат (кадран) деления в час, пятнадцать, десять или пять минут, в зависимости от пожелания изготовителя.

У горизонтальных часов кадран параллелен линии горизонта. В центре или ближе к югу устанавливается гномон — вертикальный предмет, тень которого и будет указывать время.

В горизонтальных часах циферблат параллелен горизонту

От вертикального гномона тень на любой широте России будет иметь разную длину.
Для того чтобы тень имела равную длину, гномон наклоняют на угол широты местности, которую можно точно определить по GPS-навигатору или в интернете. Например, Москва стоит на 55-й широте, угол наклона — 55 о от линии горизонта. Наклоняется гномон только в направлении север–юг по линии самой короткой тени в истинный полдень. Истинный полдень — момент верхней кульминации центра Солнца для данной точки земной поверхности.

Полуденная линия указывает на географический полюс, а не на магнитный

Экваториальные часы

У экваториальных часов кадран наклоняется в сторону географического севера (для России) относительно горизонта на угол: 90 минус величина широты этой местности. То есть циферблат будет параллелен линии экватора.
Гномон устанавливается перпендикулярно кардану, то есть параллельно земной оси. Поправки на местное время такие же, как для горизонтальных часов.

Показания экватариальных часов видны издалека

Вертикальные часы располагают на плоскости, перпендикулярной линии горизонта, а гномон устанавливается под углом к кадрану по полуденной линии на угол, равный разнице между 90 о и величиной широты местности. Полуденная линия определяется по линии самой короткой тени от горизонтального гномона.

На вертикальных часах цифры не всегда симметричны, если стена не смотрит строго на географический юг

Экваториальные солнечные часы

Свое название такие солнечные часы получили из-за того, что плоскость их циферблата параллельна плоскости небесного экватора.

Наклон шкалы у этих часов требуется для того, чтобы даже стоящее в полном зените Солнце отбрасывало тень.

Такие часы желательно сделать в виде плоского круга, в центр которого воткнут гномон, причем таким образом, чтобы одна его часть возвышалась с одной стороны циферблата, а другая — торчала с другой. Если этого не сделать, то в период с сентября по март (в средних и высоких широтах северномго полушария) такими часами пользоваться не получится, ведь Солнце опустится ниже небесного экватора, а значит верхняя часть часов перестанет освещаться его лучами.

Экваториальные часы устанавливают так, чтобы гномон по отношению к горизонту оказался приподнят на угол, соответствующий широте местности, и указывал на географический север. В этом случае плоскость циферблата окажется параллельной плоскости небесного экватора.

От точки крепления гномона к циферблату в северном направлении (для средних и высоких широт северного полушария) по циферблату проводится ровная линия. Эту линию тень от гномона будет пересекать в истинный (астрономический) полдень.

С помощью транспортира или любым другим доступным способом на циферблат наносятся и другие деления в виде лучей с центром в месте крепления гномона. Угол между соседними «лучами» должен соответствовать 15 градусам — именно это угловое расстояние, как помним, Солнце, а соответственно и тень, проходят за один час.

Над центральной разметкой, соответствующей полдню, ставится цифра «12». Лучи, расположенные западнее нумеруются в обратном порядке, то есть «11», «10», «9» и так далее, а лучи, расположенные восточнее, нумеруются по возрастанию, то есть «13», «14, «15»» и так далее. В результате получается циферблат.

Аналогичная шкала делается и на нижней части часов.

Такие часы можно быстро изготовить из транспортира, однако в этом случае вместо цифр, соответствующих часам, нужно будет пользоваться отметками углов. Так, отметка в 90 градусов будет соответствовать 12 часам дня, а за каждый час тень гномона будет смещаться либо в одну, либо в другую сторону на 15 градусов, из чего делается вывод, сколько времени прошло либо должно пройти, чтобы «стрелка» оказалась на 90 градусах, то есть дала понять, что наступил полдень. Это не очень удобно, однако же и времени на сооружение таких солнечных часов уйдет минимум.

Кстати, в районе экватора такие часы будут стоять вертикально, подобно колесу. А на полюсах — горизонтально, подобно волчку во время его вращения.

В видео показано, как такие часы изготавливаются своими руками:

Несмотря на простоту конструкции, такие часы обладают недостатком: ими сложно пользоваться в дни близкие к моменту весеннего и осеннего равноденствий, поскольку плоскость движения Солнца по небосводу в этом случае располагается параллельно плоскости циферблата экваториальных солнечных часов.

При обращении к многочисленным Интернет-источникам, мне доводилось встречать информацию о том, что экваториальные солнечные часы не могут работать в указанные дни, и ни разу не попадалась информация, как определять время в этих случаях. Поэтому поделюсь своими соображениями. На самом деле все просто: нужно на стороне циферблата, противоположной направлению Солнца, сделать небольшой бортик, выступающий над поверхностью. На этом бортике тень от гномона будет видна даже в дни равноденствия.

Экваториальные солнечные часы удобны своей универсальностью, поскольку будут работать в любой точке Земли в ясный солнечный день. Однако определить с их помощью дату и месяц будет сложно из-за слишком длинной тени и ограниченных размеров циферблата. Зато с функцией календаря с легкостью справляются горизонтальные солнечные часы, о которых и поговорим далее.

Как сделать солнечные часы своими руками

Солнечные часы — древнейший механизм для определения времени. Солнечные часы — простейший прибор, но в нем заложены знания и наблюдения наших древних предков. В настоящее время солнечные часы используются как ландшафтное украшение. На примере солнечных часов родители учат своих детей строению солнечной системы, да и сама постройка солнечных часов своими руками — увлекательнейшее занятие для наших детей, например, будучи на пляже. При изготовлении солнечных часов надо знать некоторые моменты и особенности их конструкции, о которых мы и расскажем в этой статье.

Из чего состоят солнечные часы

Солнечные часы состоят из стрелки-указателя, отбрасывающей тень (эта стрелка называется гномон) и циферблата солнечных часов. Время по солнечным часам определяют по тени, отбрасываемой гномоном на циферблат. Все просто, однако есть некоторые особенности. Циферблат солнечных часов делится на 24 часа, а не на 12 часов, как в обычных механических часах. Циферблат или гномон должны быть наклонены над плоскостью. Солнечные часы не учитывают переход на летнее время. Солнечные часы работают только в ясную или малооблачную  погоду в светлое время суток. Вот и все ограничения солнечных часов.

Существует несколько видов солнечных часов. Давайте разберемся с ними по-порядку.

Горизонтальные солнечные часы.

Горизонтальные солнечные часы можно делать прямо на песке на пляже. Для начала нам нужно знать две вещи: на какой широте мы находимся и где находится север. Если вторую часть можно установить методом подбора, то с первой придется быть подготовленным. Итак, у нас есть компас и мы знаем свою широту (Санкт-Петербург — 60, Москва — 55, Нижний Новгород — 56, Екатеринбург — 56, Сочи — 43, Ростов-на-Дону — 47, Новосибирск — 55, Владивосток — 43 градусов северной широты). Если мы делаем циферблат солнечных часов на переносимой поверхности — чертим круг и делим его на 24 части. Если делаем солнечные часы на земле, рисуем круг, в центр круга вставляем палку (гномон) и наклоняем ее на север так, чтобы угол между поверхостью земли и гномоном был равен нашей широте, от нижнего конца гномона ровно на север рисуем черту — это будет 12 часов дня по астрономическому времени. Остальные линии расчерчиваем, деля весь круг на 24 равных сектора. Каждый сектор солнечных часов равен 15 градусам.

Здесь нас ожидает засада. После грамотного разграфления циферблата и наклона гномона, время показывающее солнечными часами может отличаться от времени, которое показывает местное телевидение. Проблема кроется в декретном времени и часовых поясах, которые были для удобства созданы искусственно. Переносимый циферблат с легкостью решит эту проблему, просто вовернем его, пока время не будет правильным. С часами, нарисованными на песке чуть посложнее, этот момент надо учесть при начале разрисовывания циферблата. Например, можно отложить разметку циферблата до 12 часов, когда мы и север без компаса определим и точно главную ось циферблата наших солнечных часов нарисуем. Если ждать некогда, и творчество рвется из Вас, разграфите циферблат солнечных часов в черновом варианте и скорректируйте свой циферблат на ту погрешность, которая у Вас получилась.

В наших широтах солнечные часы работают в самый разгар лета часов с 8 утра и до 8 вечера, так что расовать числа между этими значениями практически бессмысленно. Из-за этого часто на круглом циферблате основание гномона сдвигают вниз.

Экваториальные солнечные часы.

Экваториальные солнечные часы — те же самые горизонтальные часы, только гномон установлен четко вертикально, а сам циферблат наклонен к поверхности земли на угол широты места установки таких часов. 

Вертикальные солнечные часы.

Вертикальные солнечные часы обычно крепят на стенах домов. Тот же самый наклоненый гномон и расчерченный через 15 градусов циферблат.

Обычно в городах делают смешанный тип солнечных часов, т.е. на половину угла наклоняют циферблат, наполовину угла наклоняют гномон. Такое построение солнечных часов смотрите эффектнее, собственно, из-за чего их и делают.

Построение солнечных часов своими руками действительно увлечет Вашего ребенка и, кроме того, расширит его  кругозор.

Перевод астрономического времени в местное время

Для того, чтобы узнать «земное» время, зная астрономическое, определенное по солнечным часам, нужно учесть два основных момента: долготу местности, где проводится измерение времени, и уравнение времени

О том, почему это важно, и как это влияет на разницу в показаниях времени на обычных и солнечных часах, мы рассказывали здесь

Для того, чтобы сделать поправку на первый момент, связанный с долготой, нужно вспомнить, что Земля вращается вокруг своей оси с угловой скоростью приблизительно равной 15 градусам в час. Таким образом, можно определить разницу между астрономическим временем в этой местности и астрономическим временем в нулевом меридиане, то есть в Гринвиче.

Чтобы учесть поправку, связанную с уравнением времени, нужно иметь таблицу либо график уравнения времени. Его удобно нанести прямо на солнечные часы в том месте, где он не будет мешать другим измерениям.

Этот график показывает, насколько раньше или позже 12-ти «земных» часов в заданный день Солнце окажется в зените, то есть показывает разницу в астрономическом и «земном» времени в заданный день на «средней» долготе, по которой определяется часовой пояс.

Сделав поправку на долготу и уравнение времени, можно получить гринвичское «земное» время. А зная гринвичское время и свой часовой пояс — легко посчитать местное «земное» время.

Конечно, можно пойти и другим путем, не пытаясь вычислять время по Гринвичу, но тогда придется ориентироваться на часовые пояса, которые не всегда четко соответствуют астрономическим показаниям ввиду политической составляющей, а значит и объяснение получится более путанным.

В связи с этим рассмотрим на примере указанный ранее алгоритм.

Измерения проводятся на местности с долготой 32 градусов 30 минут восточной долготы. Дата на календаре — 20 февраля. Показания на солнечных часах — 16 часов. Нужно определить усредненное «земное» время.

Решение выглядит так:

1. Рассчитывается разница с временем по Гринвичу: 32°30′ / 15 = 2 часа 9 минут. Поскольку долгота восточная, это означает, что в нулевом меридиане часы по сравнению с часами в данной местности будут отставать на 2 часа 9 минут.
2. Делается поправка на уравнение времени. По таблице уравнения времени для 20 февраля находится показатель — он соответствует +13,9. То есть астрономическое время в этот день отстает от «земного» на 13,9 минут, что соответствует 13 минутам 54 секунды. Значит «земное» время (но не усредненное по часовому поясу) в данный момент будет соответствовать 16 часов + 13 минут 54 секунды = 16 часов 13 минут 54 секунды. Округляем до минут — получается 16 часов 14 минут.
3. Зная «земное» (не усредненное) время в данной местности и разницу в часах с нулевым меридианом, определяется время по Гринвичу: 16 часов 14 минут – 2 часа 9 минут = 14 часов 5 минут.
4. Зная часовой пояс местности (+2), в которой проводятся измерения, определяется усредненное «земное» время в этой местности: 14 часов 5 минут + 2 часа = 16 часов 5 минут.

Если солнечные часы не планируется переносить в местность с другой долготой, поправку на долготу можно написать на самих часах, чтобы всякий раз ее не пересчитывать.

Также важно при переводе астрономического времени в «земное» не забывать, что в некоторых регионах часы переводят на летнее время. Если этого не сделать, ошибка может составить 1 час

Виды солнечных часов

Древние солнечные часы состоят из двух элементов: гномон (указатель) и циферблат. Различают конструкции по ориентировке этих частей друг относительно друга и их внешнему виду.

Полярные солнечные часы с горизонтальным циферблатом – парковые. Гномон ориентирован по оси вращения Земли в направлении Полярной звезды.

Фото 12

Полярные солнечные часы с вертикальным циферблатом

Обычно устанавливаются на южной стене зданий.

Фото 13

Фото 14 – вертикальные солнечные часы и указатель расстояния на верстовом столбе в Петербурге

Экваториальные солнечные часы. Циферблат часов разделен на 24 равные части, расположен параллельно плоскости экватора. В зимнее время, когда солнце находится ниже экватора, время определяется по обратной стороне циферблата. Нумерация отсчета идет против часовой стрелки.

Фото 15 — экваториальные солнечные часы. Испания

Гномон и циферблат расположены полярно, параллельно оси вращения Земли. Недостатком является рабочее состояние конструкции от 7 до 17 часов.

Фото 16

Солнечные часы с вертикальным гномоном – аналемматические. (Аналемма – это кривая линия, соединяющая точки движения Солнца на небосводе в одно и то же время в течение года).

Самые древние аналемматические солнечные часы, датируемые 12 веком до н.э., были обнаружены археологической экспедицией 2011 года на раскопках кургана бронзового века в Донецкой области России.

Фото 16 – схема установки часов из артефактов кургана бронзового века в Донецкой области.

Представляют собой каменную плиту 100 на 70 см, весом более 130 кг. Самые большие солнечные часы Самурат Янтра находятся в индийском городе Джайпур штата Раджастан.

Фото 17

Грандиозное сооружение возведено в 1734 году.

Фото 18

Высота гномона 21,34 м, размеры полукруглых шкал – циферблатов составляет около 15 м, точность показаний не превышает 2 минуты.

Самый высокий обелиск 35 метров установлен на площади Святого Петра в Ватикане. Он был вывезен из Египта императором Калигулой. Четырехгранный шпиль высечен из розового гранита, увенчан бронзовым шаром. Легенда гласит, что в шаре заключен прах Юлия Цезаря.

Фото 19 — обелиск на площади Святого Петра в Ватикане

Экваториальные солнечные часы династии Чжоу, Китай.

Фото 20

Огромный диск из белого мрамора параллелен экватору. На его двух сторонах видны деления циферблата. Железный гномон направлен на ось земного шара. В зависимости от положения Солнца над экватором определялось «зимнее» или «летнее» время. Эти каменные часы из Запретного города в Пекине – олицетворение символа власти и могущества императора.

Разновидности изделий и их устройство

Прежде чем приступать к изготовлению солнечных часов, необходимо подробно изучить конструктивные особенности этого изделия, а также выбрать одну из разновидностей. Всё это поможет лучше подготовиться к работе и получить необходимые знания.

Любой вид солнечных часов имеет примерно одинаковые составные части. Среди них:

• Гномон — прикреплённый к ровной поверхности стержень. Он выполняет функцию стрелки, а отбрасываемая им тень помогает точно определить время.
• Кадран — плоская поверхность, на которую нанесена специальная разметка. Эта деталь конструкции используется в качестве циферблата.

За всю историю развития солнечных часов было придумано только 3 их разновидности:

1. Горизонтальные. Главной особенностью этих часов является способность показывать время не только в летом, но и осенью или зимой. Подобной функцией не обладает ни один другой вид устройства, что делает горизонтальные часы самыми универсальными и популярными. Гномон такой конструкции располагают относительно горизонтали под углом, который равен географической широте того или иного региона. В большинстве случаев устройства этого типа устанавливают на цветочной клумбе, газоне или искусственном водоёме. При изготовлении горизонтальных часов можно использовать любые подручные материалы, что значительно снижает финансовые затраты.
2. Вертикальные. Отличительной чертой этой конструкции является то, что все её детали устанавливают на стенах строений, заборах и столбах. Кадран такого устройства обязательно должен быть направлен на юг. При этом угол между ним и полуденной линией не может превышать 90 градусов. Сделанный своими руками гномон лучше расположить не в центре циферблата, а немного выше него. Кроме этого, вторую главную деталь конструкции нужно также направлять на юг.
3. Экваториальные. Такая разновидность солнечных часов популярна в северных регионах. Это обусловлено тем, что они могут правильно показывать время лишь с 22 марта по 22 сентября. Именно в этот период и проводят все дачные работы. В южных регионах точные данные будут доступны только поздней осенью и зимой. При самостоятельном изготовлении таких часов следует помнить, что кадран должен быть расположен параллельно небесному экватору.

Солнечные батареи для часов

Нет-нет, рассказ пойдет не о тех солнечных часах, что применялись еще в глубокой древности. Наш рассказ о вполне современных часах – электронных, получающих энергию от миниатюрной солнечной батареи, встроенной в корпус.

Вечные часы

Особенность таких часов в том, что они очень долговечны, поскольку нет  в ходе их эксплуатации никаких механических действий по замене источника питания.

Как правило, электронные часы с обычной батарейкой внутри, выходят из строя при попытках применить более доступные источники питания

При этом владелец часов зачастую обращает внимание лишь на размеры самой батарейки, а не на ее емкость и напряжение

Но даже в случае, если батарейка «подошла» по размеру, есть  риск неправильной ее установки. Итог при этом плачевный – часы выходят из строя.

Сейчас выпуском наручных часов с солнечной батарейкой занимаются фирмы (называю в порядке популярности): Casio, Sanyo, Citizen, Seiko, Orient, Pulsar, Timex, Swatch.

В чем же преимущества электронных часов на солнечной батареи по сравнению с обычными? Прежде всего, в том, что не требуется механическое воздействие на них со стороны владельца – отвинчивание задней крышки для смены батарейки. Операция, вроде бы, очень простая.

При самостоятельной же смене батарейки довольно часто рвется уплотнительная резинка и часы перестают быть водонепроницаемыми. Последствия этого предсказуемы.

Принцип действия часов на солнечной батареи

Солнечная батарея в часах может быть разной по «оформлению».  Обычно это небольшая, слегка выпуклая линза на корпусе. Или же под стеклом находится маленькое еще окошко, стилизованное под какой-либо дизайнерский знак.

1. Работают часы по следующему принципу: свет (не обязательно солнечный – любой) попадает на фотоэлемент-панельку, преобразуется в электричество, которое «отправляется» в миниатюрный аккумулятор.
2. Хотя его называют «батарейкой», на самом деле это – непрерывно подзаряжаемый аккумулятор.
3. Электронная «начинка» часов чрезвычайно экономно использует аккумулятор. Емкости полностью заряженного аккумулятора часам хватает на полгода работы в полной темноте.
4. При этом владелец не только видит показываемое время, но и может регулярно подсвечивать табло при необходимости. Полная зарядка достигается, если положить часы на подоконник в солнечный день на три часа.

Разумеется, процесс может быть прерван в любой момент. Фантастика, но даже минутная зарядка обеспечивает часам нормальную работу на сутки!

Условия работы солнечной батареи в часах

Но вообще-то нет никакой необходимости в специальной подзарядке часов. Дело в том, что они заряжаются даже в ситуации, когда на корпус падает любой свет – например, от электрической лампочки, монитора компьютера или экрана телевизора.

Яркий солнечный свет часам не нужен. Хотя, конечно, при таком свете подзарядка аккумулятора станет идти быстрее. Но не будем забывать о том, что подзарядка идет автоматически при любом попадании света на фотоэлемент.

Даже от свечи или горящей спички!

К сожалению, стоимость солнечных часов пока довольно приличная. Речь, конечно, о оригинальных таких часах, а не о китайских подделках под них, в которых нет дорогого фотоэлемента, хотя он и имитируется на корпусе.

Но «лишнюю» точку или букву очень трудно бывает увидеть из-за крайне мелкого шрифта. Так что будьте внимательными при покупке.

Примечания

1. ↑ Stanislav Michal. Hodiny : Od gnómonu k atomovým hodinám. — 2-е изд. — Прага: Státní nakladatelství technické literatury (SNTL), 1987. — 269 с. Первое издание книги было переведено на русский язык: Станислав Михаль. Часы. От гномона до атомных часов. — М.: Знание, 1983. — 256 с. — (Переводная научно-популярная литература).
2. ↑
3. ↑ , с. 9.
4. Духовная культура Китая / Редакторы тома М. Л. Титаренко, А. И. Кобзев, В. Е. Еремеев, А. Е. Лукьянов. — М.: Восточная литература, 2009. — Т. 5. Наука, техническая и военная мысль, здравоохранение и образование. — 1087 с. — ISBN 9785020363816.
5. ↑ , с. 52.
6. ↑
7. Текст указа:
8. Радченко Б.Г. Тень измеряет время // Часы Ленинграда. — Л.: Лениздат, 1975. — С. 59—69.
9. ↑ Моисеев А. Солнечные часы в вашем саду (рус.) // Наука и жизнь. — 1992. — № 9. — С. 65—66.
10. Транковский С. Солнечные часы (рус.) // Наука и жизнь. — 1983. — № 8. — С. 133—135.
11. Солнечные часы // Большая Советская Энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская Энциклопедия, 1976. — Т. 24, кн. I : Собаки — Струна. — С. 148. — 631 000 экз.
12. Эта скорость приближённо равна длине параллели, делённой на 24 часа (высоту самолёта, если она несколько километров, как и несферичность Земли, в грубом приближении можно не учитывать), например, для широты 55 градусов это 2π⋅6370⋅cos⁡55∘24≈960{\displaystyle {\tfrac {2\pi \cdot 6370\cdot \cos 55^{\circ }}{24}}\approx 960} км/ч