Как правильно настроить солнечные часы. Солнечные часы своими руками. Горизонтальные солнечные часы: особенности конструкции

Наконец нашел время написать статейку о создании солнечных часов своими руками. На написание данного материала меня натолкнули ценные комментарии и правки пользователя Александра. На первый взгляд, создание солнечных часов не совсем относится к теме выживания . Но поняв принцип работы солнечных часов и сконструировав несколько образцов, вы лучше поймете принципы ориентирования, определения географических координат и и.т.д. Да и в целом, создание солнечных часов своими руками - очень увлекательное занятие. Надеюсь эта тема будет интересна широкому кругу читателей нашего сайта.

Как вы знаете, солнечные часы - это один из самых древних научных инструментов, используемых нашими предками дя определения времени. Нас же, по мимо непосредственного определения времени, интересует понимание принципов работы часов, которые строятся на принципах ориентирования. Существует великое множество видов солнечных часов. Попробуем рассмотреть некоторые из них.

В простейшем виде, солнечные часы состоят из гномона, откидывающего тень от Солнца на циферблат. Тень работает по аналогии со стрелкой в обычных часах. По тому же принципу импровизированный гномон используется для определения географической широты и долготы , где требуется определение солнечного времени и местного полудня.

Солнечные часы показывают не местное среднее время, а истинное солнечное. Если же вы хотите видеть местное время, то необходимо корректировать и сдвигать значения циферблата. Поскольку истинный полдень может на час другой отличаться от местного. Залог правильного определения времени - это правильно сориентированные в пространстве часы.

Если гномон будет перпендикулярен плоскости циферблата и направлен на мировой полюс, т.е параллельно оси мира, то отбрасываемая от него тень ляжет в плоскость часового круга. Иными словами плоскость циферблата будет паралельна плоскости экватора. Полученный угол между плоскостью часового круга и меридианом и будет являться истинным солнечным временем, выраженным в градусах.

Часовые деления равномерно наносятся на циферблат через каждые 15°, исходя из того, что 1 ч в угловом измерении равен 15°. Именно такой отрезок проходит Земля за 1 ч своего вращения. В горизонтальной плоскости экваториальные часы должны устанавливаться точно на истинный Север для Северного полушария, и наоборот для Южного полушария. Причем циферблат для Южного полушария будет иметь зеркальную копию Северного. Для России все же актуальней первый вариант.

Компас для нахождения линии Север-Юг использовать не совсем правильно, поскольку компасное направление на Север отличается от истинного на величину магнитного склонения, которое может достигать 7-8°, что составит погрешность до получаса. Хотя можно по топографическим картам местности узнать магнитное склонение и ежегодное магнитное склонение и вычислить эту величину на данный момент. Необходимо определить истинный полдень местности, тогда тень от гномона и будет указывать на истинный Север.

Достоинством экваториальных часов является простота изготовления и равномерность градуировки циферблата. Главным недостатком экваториальных солнечных часов, в отличии от других типов, является ограниченность применения - они будут работать только в период между весенним и осенним равноденствием. Для Северного полушария весеннее равноденствие - в марте, осеннее - в сентябре.

Приведенный ниже макет усовершенствованных экваториальных солнечных часов позволяет использовать их практически без ограничения, благодаря циферблату на обратной стороне.

Северное полушарие - июнь 1:00 PM Северное полушарие - декабрь 11:00 AM

Макет экваториальных солнечных часов для самостоятельного изготовления можно скачать здесь

Все, что нужно, это распечатать на принтере макет в оригинальном масштабе на плотной бумаге, либо наклеить на картон, или на тонкий пластик. Проверить масштаб распечатанного макета солнечных часов можно линейкой по дюймовой шкале, приведенной на одном из листов. В архиве экваториальные часы 3 размеров для Северного и Южного полушарий. Выбирайте тот, который вам нравиться, но больший размер более нагляден и точен. Также необходимо найти стержень для изготовления гномона.

После склейки макета, часы нужно расположить по линии истинного полудня и выставить широту на задней части. И даже не надо высчитывать угол наклона циферблата по формуле 90° -φ, где φ - широта . Просто соедините обратную часть гномона со значением широты вашей местности. И можно наслаждаться древним способом измерения времени))

В отличии от экваториальных солнечных часов, у горизонтальных циферблат распологается параллельно плоскости горизонта. Поэтому циферблат проградуирован неравномерно. После полудня тень каждый следующий час поворачивается на больший угол. Как правило, у горизонтальных часов гномон выполнен в виде трегольника со стороной, направленной на полюс мира, т.е угол между ней и плоскостью циферблата будет равен географической широте.

Простого, но интересного макета горизонтальных солнечных часов я пока не нашел.

Еще один тип простых солнечных часов. Особенностью является расположение линии циферблата по направлению Запад - Восток. Все, что вам нужно, это распечатать макет, наклеить на картон, и выставить угол наклона циферблата с гномоном по широте вашей местности при помощи шкалы нанесенной на обратную сторону часов.

Если вы — фанат удивительных вещей, знаете как вырастить кристалл из соли , дать вторую жизнь старым вещам и создавать всевозможные поделки, - попробуйте смастерить солнечные часы своими руками, придайте им индивидуальный дизайн и установите в нужном направлении. Теперь можете смело хвастаться перед друзьями - такой вещицы точно ни у кого нет!

Солнечные часы стали одним из первых приборов по вычислению времени, когда человек научился ориентироваться по тени предметов в солнечный день. Конструирование такого хронометра требует определенных астрономических и физических познаний. Попробуйте создать солнечные часы своими руками вместе с дочкой или сыном — процесс покажется вам не только увлекательным, но и познавательным для ваших детей.

Виды часов

Существует несколько разновидностей солнечных часов. Все они состоят из 2 основных деталей: кадрана, или циферблата, и гномона — стрелки. Различие в часах появляется при разном угле установки кадрана.

Ознакомившись с классификацией, вы поймете, что не все виды можно смастерить своими руками.

Свое название эти часы получили благодаря линиям установки деталей. Как правило, кадран ставят под углом той широты, в которой находится прибор. При этом получается, что плоскость кадрана параллельна земному экватору, а линия гномона параллельна земной оси.

Минусы этого типа часов в том, что они показывают правильное время только в определенные сезоны. В северном полушарии это — период с весеннего по осеннее равноденствие, в южном — наоборот.

Этот тип устанавливается параллельно плоской линии горизонта таким образом, чтобы при пересечении линий циферблата и гномона получалась линия, параллельная полуденной.

В данном случае гномон устанавливают также, как и на экваториальных часах — под углом, равным географической широте места расположения.

Такие солнечные часы тяжелее смастерить своими руками, чем первые 2 вида. Во время установки вертикального определителя времени гномон располагается параллельно горизонту строго в направлении на географический юг для северного полушария.

Часовые деления можно размещать на кадране симметрично только в том случае, если при такой позиции гномон будет строго перпендикулярен циферблату.

Существуют и менее известные разновидности солнечных часов: полярные, конусовидные, цилиндрические и шаровые. Из-за внешнего вида они имеют чаще декоративное значение, чем практическое, и используются для украшения места, в котором были установлены. К примеру, шаровыми хронометрами часто дополняют дизайн детских спален — у них нет острых углов, а потому приборы безопасны для детей.

Солнечные часы: мастер-класс

Попробуйте смастерить солнечные часы своими руками вместе со своим ребенком. Это занятие поможет вам детально объяснить малышу, как узнать время по таким часам, почему они так устроены и чем один вид отличается от другого.

Первым делом попробуйте сконструировать своими руками экваториальные солнечные часы — самые простые в исполнении.

Вам не нужно рассчитывать количество часовых делений на циферблате и градусную меру каждого из них — в Интернете можно найти множество шаблонов для кадрана.

Перед началом чертежа макета рассчитайте длину сторон. На изображении вы видите угол α, который рассчитывается по такой формуле: 90 градусов минус градусная мера географической широты, в которой вы находитесь. Соответственно, противоположный угол будет равен: 90 градусов минус величина угла α.

Выберите произвольную величину для стороны С — такой длины будут стороны вашего циферблата.

Боковая сторона этого макета представлена в виде прямоугольного треугольника. Поэтому, зная гипотенузу (сторона С) и все углы треугольника, мы можем вычислить оставшиеся стороны при помощи следующих формул: сторона А равна стороне С, умноженной на синус угла α, а сторона В — стороне С, умноженной на косинус угла α.

По полученным данным своими руками начертите макет прибора на листе необходимого размера, вырежьте и склейте. Гномоном в данном случае может послужить любая палочка необходимого диаметра. Просто проделайте отверстие в необходимом месте и установите гномон перпендикулярно циферблату.

Установите солнечные часы на подоконник так, чтобы гномон направлялся точно на север. Направление вы можете рассчитать при помощи компаса.

Горизонтальные солнечные часы создать своими руками еще проще, чем экваториальные. Подберите жесткий материал, чтобы позже было легко чертить циферблат: пластик, картон или тонкое дерево.

Изготовьте круглый или квадратный циферблат.

Изготовьте треугольный гномон. Перед началом работы рассчитайте его параметры: один угол должен быть равен 90 градусам, а другой — географической широте, в которой находятся часы.

Установите гномон в центре циферблата.

Поставьте часы на подоконник так, чтобы нижний крайний угол гномона смотрел точно на юг.

Возьмите часы. Каждый час отмечайте положение тени кадрана на циферблате. После того, как вы отметите все 12 пунктов, расчертите циферблат своими руками.

После того, как вы узнали, как сделать настольные солнечные часы своими руками, попробуйте смастерить карманные солнечные часы. В этом вам поможет следующий видеоурок.

Горизонтальные часы можно увеличивать в размерах, украшать и использовать как декоративный элемент вашей клумбы или сада. К примеру, гномон и каждую цифру на циферблате вы можете вылепить своими руками и раскрасить в тон растущих вокруг цветов. А можете сделать прибор на основе деревянного спила — тогда лучшим украшением станет выжигание по дереву фигурных цифр.

Забирай себе, расскажи друзьям!

Читайте также на нашем сайте:

Что можно сделать из ракушек? Оказывается, разных интересных идей – великое множество. Мастера рукоделия изготавливают даже целые панно и картины, а также украшения, вазы, подсвечники, букеты, декорируют морскими дарами предметы интерьера. Хотите попробовать – вам помогут наши мастер-классы.

Весьма полезный инструмент. И чрезвычайно занимательный для детей. Кроме того, если к делу подойти масштабно и творчески, можно смастерить не только картонную модельку, но и целую композицию, которая будет украшать ваш садовый или дачный участок. Так давайте разберем, как сделать солнечные часы своими руками. И первым делом рассмотрим модели устройств.

Какими могут быть солнечные часы?

За все время своей истории человечество изобрело четыре вида таких часов:

горизонтальные;
вертикальные;
полярные;
экваториальные.

Что можно сделать самостоятельно?

Из перечисленных солнечных часов своими руками проще всего соорудить следующие:

Мы уже приблизительно знаем, как сделать солнечные часы своими руками. Но давайте обратимся к подробным инструкциям?

Самодельные экваториальные часы

Макет солнечных часов своими руками мы будем делать по такой схеме:

Вырезаем подходящий круг из фанеры, пластика или плотного картона.
Берем старый добрый транспортир и через каждые 15 градусов делаем разметку. В середине у нас 12. В правую сторону от цифры отходит 11, 10, 9, 8, 7. В левую сторону от двенадцати идет 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Таким образом, перед нами будет некий полукруг, который будет "лежать" на наиболее выпуклой точке.
Можно просто нанести фломастером или ручкой эти цифры, а можно подойти к делу с энтузиазмом и все это красиво оформить.
В середину полукруга, прямо над отметкой "12", мы вставляем ровную палочку, стержень, штырь или что-то подобное.
Как делать солнечные часы своими руками дальше? Теперь самое важное - расположить конструкцию под правильным углом. Как мы говорили, он должен соотноситься с широтой того пункта, где вы находитесь. Это можно выяснить как по географической карте, так и обратившись к поисковикам, интернет-энциклопедиям.
Как мы определяем правильный градус наклона? От 90 отнимаем широту вашего местоположения. К примеру, вы в Москве. Это 55° северной широты. Значит, 90 - 55 = 35°. На 35 градусов мы и наклоним наш циферблат.
С этим разобрались. Теперь определяем, где север. Именно туда должна смотреть стрелка и "лицо" наших часов.

Экваториальные солнечные часы своими руками можно сделать так. Минус их в том, что зимой устройство верно показывать время не будет.

Картонные экваториальные часы

Возможно сделать солнечные часы своими руками из картона. Действуем по инструкции:

Горизонтальные солнечные часы

Проще всего сделать своими руками для детей солнечные часы такого вот типа. Начинаем:

Вырезаем из плотного материала гномом - стрелку для нашего устройства. Здесь нужен тоже транспортир - один угол делаем прямым, а тот, что будет ложиться на циферблат, надо определять - он будет равен широте вашего города. Возьмем Москву - для этого населенного пункта данный угол гномона будет равен 55°.
Стрелка устанавливается на высчитанный угол на крепкую основу - пластик, фанеру и проч. Наносить деления пока не нужно.
Устанавливаем солнечные часы на местности так, что острие высчитанного угла будет смотреть на юг, а исходящие из него стороны треугольника должны устремляться на север.
Важно, чтобы наша конструкция была статичной.
А теперь дело за наблюдениями в солнечный день. Каждый час наносим соответствующее деление по тени от гномона.

Солнечные часы на даче

Неплохо сделать своими руками солнечные часы на даче - горизонтальные или экваториальные. Это не только полезная поделка, но и любопытная штука для детей, элемент, украшающий ландшафт. Так как часы будут находиться на открытом пространстве, не защищенные от стихий, эти факты надо продумать при их изготовлении:

Первым делом выберите самую солнечную площадку, которую не затеняют постройки и деревья, разровняйте ее.
В качестве циферблата можно использовать керамическую плитку, камень с ровной поверхностью, спил бревна, большую декоративную тарелку, металлическую крышку от бака. Превосходно смотрятся на фото солнечные часы, своими руками обустроенные на цветочной клумбе.
Можно и просто разровнять площадку, засыпать ее песком, после чего выложить деления и цифры камушками. Можно использовать акриловую, эмалевую или другую устойчивую краску.
Гномон делается также из прочных материалов - пластик, дерево. В случае с экваториальными часами можно использовать металлический стержень, штырек.

Об иных видах солнечных часов

Мы с вами разобрали, как сделать солнечные часы своими руками, - горизонтальные и экваториальные. Если вам этого показалось мало, то можете попробовать создать экспериментальные модели других разновидностей.

Полярные солнечные часы характерны тем, что линия циферблата у них горизонтальная, вытянутая в направлении "восток-запад". Гномон - это прямоугольник, лежащий в середине циферблата на своей широкой стороне. В правую сторону наносятся цифровые деления (от гномона) с 1 до 6, в левую сторону (от гномона) с 12 до 7. Разметка кладется каждый час по тени, ложащейся от прямоугольника. Здесь также важно, как и в случае с экваториальными часами, наклонить циферблат согласно широте вашего местоположения.

Вертикальные солнечные часы сложны тем, что мастерить их надо уже на перпендикулярной земли поверхности, обязательно на южной стороне (для северного полушария). Если это стена, то следует позаботиться о том, как вы будете монтировать на ней стрелку. Циферблат параллелен горизонту. После того, как вы установили стрелку (чуть выше основания циферблата), от нее вниз спускается отвес - он устанавливает время полудня. Другие цифровые обозначения наносятся по тени от гномона.

Мастеру на заметку

Вот мы и разобрали все практические инструкции. Также хотим вам в заключение представить практические рекомендации:

Солнечные часы "работают", пока на небе видно наше главное светило. Поэтому не стоит наносить на циферблат время после захода солнца или до рассвета - это лишняя работа.
К нашему изобретению не совсем относится выражение "работает как часы". Из-за особенностей колеблющегося светового дня время на них будет спешить весной и отставать осенью. Поэтому не нужно делать конструкцию монументальной, чтобы иметь возможность корректировать деления часов в соответствии с сезоном.

Сделать собственные солнечные часы - интересно, несложно и познавательно. Это не только развивающая игрушка для детей, но и отличное украшение дачного участка!

Предлагаю вашему вниманию занимательную поделку, сделанную своими собственными руками из подручных материалов. С одной стороны это просто игрушка, сувенир, а с другой- серьёзная вещь, для пользования которой требуются некоторые знания и навыки в таких областях науки как астрономия, география, математика и физика. Речь пойдёт о древнем приборе для определения времени- солнечных часах, о которых наверняка все слышали, некоторые даже видели, кто-то возможно даже делал. Подробно расписывать принцип работы и конструкции стационарных часов думаю нужды нет, в интернете очень подробно всё описано, остановлюсь лишь на нескольких деталях и особенностях.

Для построения данной конструкции нам понадобятся:
1. Фанера 3-х слойная 4 мм
2. Компас с сухой стрелкой
3. Латунь листовая толщиной 1мм.
4. Провод медный ø 0,8-1мм.

Инструментальный набор таков:
1. Ножовка по дереву
2. Очень острый нож
3. Лобзик обычный (не электро)
4. Чертёжный инструмент (циркуль, транспортир, линейка и тд)
5. Ножницы по металлу
6. Паяльник
7. Набор надфилей
8. Строительный фен
9. Наждачная бумага различной зернистости
10. При желании аппарат для выжигания

Из названия статьи уже становится понятно, что данный прибор является мобильным, то есть переносным, которому для определения времени необходима ориентация относительно земных координат, а именно: полуденная линия часов должна совпадать с направлением меридиана. Для этого в конструкции был установлен компас. Кстати, эти часы будут корректно показывать время только в той местности, координаты которой использовались в расчётах. Долгота места определяет угол наклона гномона (стрелки часов) и часовые деления кадрана (циферблата), а широта имеет значение для поправки местного времени к часовому поясу (гражданскому времени).

Наши часы будут состоять из следующих элементов:

1 Компас. Для более точной ориентировки направления на север в часах применён немного доработанный обычный стрелочный компас. Доработка заключается в том, что картушка компаса наклеена непосредственно на стрелку, и не просто наклеена, а с корректировкой магнитного склонения (для нашей местности это составляет 11°, что может дать ошибку около часа)

Для начала разобрал компас на составные части:

Понравившийся рисунок картушки просто скачал из интернета, распечатал в нужном размере на фотобумаге и наклеил на стрелку с учётом магнитного склонения, благо градуировка на картушке уже имелась

С балансировкой пришлось повозиться подшкуривая обратную сторону.

И ещё одна функция такого компаса- картушка, помимо указания направления на север, работает как уровень для установки плоскости часов в горизонтальном положении. Конечно лучше было бы дополнительно установить пузырьковый уровень, но за неимением оного решил, что установка горизонтальности по картушке будет достаточно для игрушки-сувенира, сверять по ним куранты никто не будет.

2 Кадран (циферблат) у горизонтальных часов отличается от экваториального тем, что углы между часовыми метками расположены неравномерно. Для горизонтальных солнечных часов разметку кадрана можно сделать тремя способами:

Первый способ самый лёгкий, но не точный, просто нужно установить часы, строго сориентировав их, и затем каждый час делать отметку на кадране и таким образом разметить весь циферблат. Делать это лучше в дни, когда поправка уравнения времени близка к нулю (см. «Аналемма»). И показывать такие часы будут уже приведённое гражданское время, учитывающее поправку по долготе.

Второй способ - разметка при помощи геометрических построений, для него нужны карандаш, транспортир и циркуль.

Чертим две взаимно перпендикулярные линии и отмечаем точку А.

Из которой проводим линию АС, чтобы угол САВ был равен широте нашей местности.

Из точки В проводим перпендикуляр на линию АС и обозначаем точкой D

Далее из точки В проводим окружность радиусом ВD до пересечения с прямой АВ, и отмечаем точку О. Теперь используя эту точку в качестве центра чертим окружность радиусом ОВ, и делим её на секторы по 15°, продлевая каждый луч до линии ВС. Точки пересечения лучей с линией определят часовую разметку наших часов.

Соединяя эти точки с точкой А получаем половину циферблата, вернее его четверть так как часовые линии с 6 до 12 симметричны линиям с 12 до 18 относительно оси АВ, а отметки с 18 до 6 часов (назовём их ночными) симметричны дневным.

Ну и наконец третий способ- тригонометрический или расчётный. Определяем углы часовых линий по формуле: tg α = sin φ x tg t

Где α- часовой угол на кадране
φ- широта места
t- временной отрезок, выраженный в градусной мере (из расчёта 1ч- 15°)

Например для моего случая угол между линиями 11 и 12 часов составит sin57°x tg15°= 0,8386х0,2679 = 0,2247, что соответствует 12,6°, вот почему, повторюсь ещё раз, картушка компаса скорректирована на величину магнитного склонения (11°).

Получасовые и четвертьчасовые линии достаточно просто разметить делением часового участка.

Итак, одним из последних двух способов, кадран был нами размечен. Получившаяся разметка будет показывать нам местное среднее время, которое отличается от поясного (гражданского) времени на величину, зависящую от долготы места наблюдения.

Как известно, отсчёт времени идёт от гринвичского меридиана (GMT), и далее через 15° меняются часовые пояса. Для Московского времени (МСК) часовой пояс GMT +3, но и это условно относительно истинного солнечного времени, например разница истинного и поясного времени в Москве составляет 29 минут 40 секунд. Это означает, что когда куранты на Красной площади отбивают полночь, истинная полночь по солнечному времени наступит только через полчаса. В моей местности разница составляет 31 минуту, поэтому и деления смещены на полчаса. Вот как это выглядит на готовом изделии:

3 Гномон (стрелка) по определению должен быть складным. Задача состояла в том, чтобы выдерживать угол широты и вертикальность плоскости установки. Можно конечно просто укладывать его набок, но в таком случае размеры получались небольшими и гномон как бы терялся на плоскости часов, посему решено было сделать эту деталь подъёмной. В этом случае и длину можно увеличить до нужных пропорций, и вертикальность выдерживается в приемлемых пределах (люфт гномона в пределах 1°), и угол широты места устанавливается подтачиванием пятки гномона, который в последующем не меняется.

Детали выполнены из латуни толщиной 1мм. Выбор материала обусловлен тем, что он должен быть немагнитным, чтобы не обманывать компас, и хорошо поддавался пайке мягкими припоями.

4 Анале́мма (греч. ανάλημμα, «основа, фундамент») — кривая, соединяющая ряд последовательных положений центральной звезды планетарной системы (в нашем случае — Солнца) на небосводе одной из планет этой системы в одно и то же время суток в течение года (Википедия).

Иными словами эта кривая показывает на сколько спешат или отстают наши часы относительно среднего времени. Так например в октябре Солнце оказывается в зените на 16 минут раньше, а в феврале на 14 минут позже полудня по среднегодовому времени. Связано это явление с эллиптичностью орбиты и наклоном оси Земли. Не будем вдаваться в подробности, нам важно знать сколько минут в какой день нужно прибавить или отнять от показания наших солнечных часов чтобы относительно точно определить время. Для этого мы эту красивую загогулину расположим на внутренней поверхности крышки.

Теперь собираем всё вышеуказанное воедино.

Условно разделим наш прибор на две части- собственно солнечные часы и крышку (у нас же они карманные, значит будут иметь вид портсигара). Из листа фанеры нарезаем пять прямоугольников размером 100х120 мм.

У заготовок срезаем углы по 15мм. с каждой стороны, как видно на деталях крышки:

Для установки гномона и компаса прорезаем отверстия в заготовках кадрана с обратной стороны и следующей за ним подложкой. Гномон заглубляем так, чтобы ось его поворота лежала в плоскости кадрана срезая один слой фанеры (он чуть больше 1мм.).

Склеиваем детали, затем, как в анекдоте, тщательно обрабатываем напильником, а если быть точнее торцевые части оклеиваем шпоном из той же фанеры и обрабатываем наждачкой. Петли, соединяющие крышку с корпусом сделаны из медной проволоки и вклеены с помощью эпоксидной смолы.

А чтобы придать старинный вид обработаем изделие феном. В результате получаем вот такую игрушку для взрослых.

Заключение. Мне кажется такой подарок для подростка гораздо интереснее и полезнее любого новомодного гаджета, купленного в магазине (тем более уже ни чем не удивишь). По меньшей мере эта вещь заставляет работать мозги, ну а если ещё и разбудит любопытство узнать подробности в науках- это будет просто замечательно.

Типичный гномон в оригинальном виде

Также гномоном принято называть часть солнечных часов, отбрасывающую тень на циферблат.

Гномоника - наука, изучающая солнечные часы. На сегодняшний день гномоника является не более, чем научным хобби, поскольку для определения истинного меридиана и времени созданы более точные и удобные в обращении приборы.

Теоретические сведения

Перечислим некоторые факты, основанные на знаниях астрономии, которые помогут разобраться в принципе работы гномона.

Факт №1. Солнце всегда движется с востока на запад, а значит тень от гномона движется в противоположном направлении, то есть с запада на восток.

Факт №2. Во время восхода и захода Солнца, когда оно находится непосредственно над горизонтом, тень от гномона имеет самую большую длину, а в солнечный полдень - самую короткую.

Факт №3. Самая короткая тень от гномона получается, когда Солнце находится в зените, то есть наивысшей точке траектории своего движения по небосводу. В этот момент Солнце пересекает истинный меридиан, то есть линию, соединяющую север с югом.

Факт №4. Самое быстрое изменение длины тени наблюдается в часы восхода и захода Солнца за горизонт. В середине же дня скорость изменения длины тени минимальна.

Факт №5. Из-за наклона оси вращения Земли по отношению к плоскости земной орбиты на угол примерно равный 23,5 градуса, а также из-за вращения Земли вокруг Солнца наблюдаемое движение Солнца по небосводу происходит то ниже небесного экватора (в северном полушарии с сентября по март), то выше него (в северном полушарии с марта по сентябрь). И только в дни весеннего и осеннего равноденствий движение Солнца совпадает с плоскостью небесного экватора. При этом дальше всего от небесного экватора траектория движения Солнца лежит в дни зимнего и летнего солнцестояний.

К слову, небесный экватор - это большой круг небесной сферы, расположенный перпендикулярно оси вращения Земли, плоскость которого совпадает с плоскостью земного экватора.

Факт №6. Солнце движется по небосводу с угловой скоростью примерно равной 15 градусам в час.

Факт №7. Усредненное «земное» время не всегда совпадает с астрономическим временем по ряду причин.

Факт №8. Видимый с Земли диаметр Солнца равен приблизительно тридцати угловым минутам. Это делает тени от предметов размытыми.

Факт №9. Если стать таким образом, чтобы перед лицом оказался север, то позади окажется юг, справа - восток, а слева - запад.

Понимание процессов, лежащих в основе работы гномона и солнечных часов, необходимо не только для того, чтобы самостоятельно сделать эти приборы, но и для того, чтобы корректно ими пользоваться. Один раз довелось наблюдать забавную картину: человек, имея купленные солнечные часы, так и не смог понять, почему время на них и на часах в телефоне отличается. В видео показан этот пример:

Как с помощью гномона определить истинный меридиан

Гномон в этом случае представляет собой столб, колонну или другой прямой вертикальный объект, расположенный на ровной горизонтальной открытой для Солнца площадке. Считается, что увеличение длины гномона будет способствовать увеличению точности измерений, поскольку в этом случае становятся более заметны изменения длины тени. Тем не менее, не стоит забывать, что с увеличением длины будет снижаться четкость отбрасываемой тени, что может негативно сказаться на точности измерений. Также на точность результатов влияет толщина верхней части гномона, именно поэтому ее зачастую делают заостренной.

В ясный солнечный день самая короткая тень от гномона свидетельствует о наступлении астрономического полдня и указывает на север (в средних и высоких широтах северного полушария) и на юг (в средних и высоких широтах южного полушария). В тропиках и на экваторе ситуация может меняться в течение года, о чем мы подробно рассказывали здесь.

Таким образом, по самой короткой тени удается определить, как истинный полдень, так и направление истинного меридиана. Кроме прочего зная высоту гномона (В) и длину тени (L), нетяжело рассчитать угловую высоту (Н) Солнца над горизонтом. Для этого пользуются формулой tgH=B/L.

Однако из-за слабовыраженного изменения в длине тени от гномона в обеденные часы определить самую короткую тень не всегда получается точно. При необходимости получения более точных результатов можно воспользоваться другим способом. Для этого определяют биссектрису между двумя одинаковыми тенями гномона, отмеренными в утреннее и вечернее время, когда скорость изменения длины тени более существенна. Именно этот метод лежит в основе одного из способов ориентирования по тени от Солнца.

Зная истинный меридиан, можно легко сориентироваться на местности, определив направление на север или юг, а затем - и все остальные стороны света.

Как с помощью гномона определить широту местности

Кроме определения истинного меридиана, с помощью гномона можно приблизительно рассчитать широту местности, в которой проводятся измерения. Далее рассмотрим несколько способов, которые вытекают из знаний по астрономии.

Способ №1. В день осеннего или весеннего равноденствия в истинный полдень по рассмотренной ранее формуле определяется угловая высота Солнца. От 90 градусов отнимается полученное значение. Результатом вычислений станет широта местности.

Способ №2. В день зимнего солнцестояния в истинный полдень определяется угловая высота Солнца. Поскольку в этот момент Солнце находится ниже небесного экватора на угол, равный углу наклона земной оси, то есть на 23,5 градуса, то прибавляя этот угол к полученной из формулы угловой высоте Солнца, мы можем получить угловую высоту небесного экватора. При вычитании из 90 градусов высоты небесного экватора получается величина, соответствующая широте местности.

Движение Солнца по небосводу в летнее время в высоких широтах.

Этот способ может быть применен и в день летнего солнцестояния. Для этого из угловой высоты Солнца нужно отнять 23,5 градусов, чтобы получить угол наклона небесного экватора, а зная угол наклона, - и значения широты местности.

Движение Солнца в высоких широтах летом, когда оно не заходит за горизонт.

Способ №3. В истинный полдень ежедневно проводятся измерения длины тени. В результате этих измерений нужно получить самую длинную или самую короткую тень, что будет соответствовать зимнему или летнему солнцестоянию соответственно, а затем действовать по второму способу. Либо же, определив самую длинную и короткую тень, найти среднее значение длины, рассчитать по формуле угловую высоту Солнца, ориентируясь на полученное среднее значение, и действовать в соответствии с алгоритмом первого способа.

При получении результатов одним из приведенных методов следует помнить, что на видимую высоту Солнца над горизонтом в некоторой степени влияет эффект преломления света - рефракция, о которой мы рассказывали здесь. Из-за этого эффекта все небесные светила могут казаться выше того места, где они расположены в действительности. И тем больше будет выражен этот эффект, чем ближе к горизонту будет расположен наблюдаемый объект.

Из этого следует, что вблизи полюсов в дни весеннего и осеннего равноденствий, когда Солнце проходит низко над горизонтом, результаты измерений могут несколько отличаться от реальных в сторону понижения широты.

А теперь рассмотрим, как с помощью гномона определять время и дату.

Гномон и солнечные часы

Солнечные часы - древний инструмент, позволяющий определять время по тени от Солнца в светлое время суток.

Одни из самых первых солнечных часов появились в Египте. Они представляли собой каменный брусок длиной примерно 30 см. Брусок этот располагался вдоль направления восток-запад. С одной стороны этих часов находился «Т»-образный брусок, тень от которого, уменьшаясь, «ползла» по бруску с утра до полдня, после чего солнечные часы поворачивали на 180 градусов и тень «ползла» в обратном направлении. По насечкам, сделанным на бруске определялось время.

Эскиз «египетских» солнечных часов.

Самые первые заметки о солнечных часах встречаются в египетских рукописях и датируются 1306-1290 годами до нашей эры. Найденные египетские солнечные часы, по мнению ученых, были сделаны задолго до найденных рукописей, их описывающих, - еще в 1479-1425 годах до нашей эры.

Одни из первых солнечных часов.

В Египте также были обнаружены и другие модели древних солнечных часов, отличающихся от описанной модели, но их возраст, если верить показаниям ученых, более молодой, поэтому рассматривать их, как самые древние солнечные часы, не приходится.

Реконструкция древних солнечных часов в Египте, экспонат каирского музея.

Независимо от Египта, солнечные часы появлялись и в других уголках мира, например, древнем Китае и в Древней Греции, откуда их идея перекочевала в Древний Рим.

На Руси в качестве солнечных часов стали использовать башни соборов, отбрасывающих тень. Но это все практиковалось уже аж в XI веке нашей эры.

Однако такие часы не могли показывать точное время, поскольку насечки делались путем равномерного деления шкалы на фиксированное число частей.

И только много веков спустя человечество придумало солнечные часы, которые показывали более точное время. Они были больше похожи на современные аналоговые часы за тем только исключением, что шкала у них была рассчитана лишь на промежуток времени с утра до вечера и выглядела более сжато.

Такие солнечные часы можно встретить и сегодня: ими стало модно украшать площади в скверах. Иногда солнечные часы можно встретить и на садовых и дачных участках, где они могут неплохо смотреться на пересечении дорожек.

Солнечные часы, как декоративный элемент.

Гномон является неотъемлемой частью солнечных часов. Именно он отбрасывает на циферблат тень, образующую «стрелку».

Нужно понимать, что солнечные часы могут показывать, как астрономическое, так и усредненное «земное» время: тут все зависит от разметки при их конструировании. Поэтому при создании самодельных часов нужно заранее определиться с тем, какое именно время мы хотим видеть на таких часах.

Кроме времени солнечные часы также могут показывать дату и месяц. Для этого на них наносятся дополнительные разметки.

Важно понимать, что корректно указывать дату и месяц такие часы могут только в случае, если они «откалиброваны» строго для конкретного места установки.

Но не нужно возлагать большие надежды на самодельные солнечные часы: из-за ряда неточностей, связанных с конструированием часов, неровностью поверхности для установки, ориентированием часов в пространстве, угловым диаметром Солнца, уравнением времени и другими факторами особо точных показаний от таких часов ждать не приходится.

Рассмотрим несколько основных моделей солнечных часов, которые можно сконструировать своими руками из дерева, пластика или картона.

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.

Часто встречается рекомендация устанавливать солнечные часы, используя компас. Однако, зачастую это создает дополнительную погрешность, поскольку географический север далеко не всегда совпадает с магнитным, на который указывает стрелка магнитного компаса, о чем было подробно рассказано в . Кроме того, дополнительная ошибка в этом случае может возникать из-за различных магнитных девиаций.

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.

Горизонтальные солнечные часы

В горизонтальных солнечных часах циферблат располагается горизонтально. Гномон в этом случае по аналогии с экваториальными часами расположен в северном (для средних и высоких широт северного полушария) направлении под углом к горизонту, равном широте местности.

Старинные солнечные часы из меди на стене крепости в крепости на горе Святого Михаила, Корнуолл, Великобритания.

Такие солнечные часы также располагаются строго по географическим сторонам света.

Пометка на циферблате, соответствующая 12 часам дня, делается по аналогии с предыдущим вариантом солнечных часов. В момент пересечения тени гномона этой отметки фиксируется время на обычных часах. После этого ровно через час делается следующая пометка. И так до тех пор, пока Солнце не скроется за горизонт. Все пометки соединяются прямыми с местом установки гномона - получаются своего рода лучи.

Лучи, соответствующие утренним часам, рисуются на циферблате зеркально вечерним. Далее каждый луч нумеруется по аналогии с предыдущим вариантом солнечных часов.

На таком циферблате также можно сделать пометки для определения даты. Для этого:

В день летнего солнцестояния в течение дня через каждый час на циферблат наносятся пометки, соответствующие концу тени гномона.
Отметки соединяются плавной кривой.
Возле полученной кривой подписывается дата и месяц, в день которой были сделаны пометки.
Аналогичные действия повторяются ровно через месяц и так до тех пор, пока не настанет день зимнего солнцестояния.
С противоположной стороны кривых наносятся даты и месяца, соответствующие периоду с декабря по июнь. Так, июль будет соответствовать маю, август - апрелю, сентябрь - марту, октябрь - февралю, а ноябрь - январю.

Для того, чтобы приблизительно определить дату по таким часам, нужно посмотреть, на какой кривой находится конец тени гномона или между какими кривыми, а затем методом интерполяции определить приблизительную дату и месяц. Для этого конечно необходимо знать хотя бы, в какой период проводится измерение, ведь, например, 21 ноября тень будет примерно той же длины, что и 21 января.

Вертикальные солнечные часы

Вертикальные солнечные часы, как уже понятно из названия, имеют вертикально расположенный циферблат. Такой циферблат зачастую крепят к столбу или стене здания. Однако следует заметить, что для удобства такой циферблат нужно располагать строго на юг (для средних и высоких широт северного полушария) или строго на север (для средних и высоких широт южного полушария).

Подмосковье, фасад храма Серафима Саровского, вертикальные солнечные часы, выполненные из инкерманского известняка. Размер плиты — 100х50 см.

Гномон в этом случае, как и в предыдущем, должен быть наклонен под углом по отношению к горизонту равным широте местности, где устанавливаются солнечные часы.

Разметка циферблата и календаря в этих часах осуществляется аналогично горизонтальным солнечным часам.

Главный недостаток вертикальных солнечных часов - невозможность использования их в тропической и экваториальной зоне, когда расположение Солнца в полдень смещается с севера на юг или наоборот. В этом случае можно поступить по аналогии с экваториальными солнечными часами, сделав их циферблат двусторонним. Тем не менее, пользоваться календарем в таких часах не получится из-за слишком длинной тени от гномона.

По сути, на экваторе вертикальные солнечные часы являются частным случаем экваториальных солнечных часов, поскольку здесь плоскость их циферблата параллельна небесному экватору, а гномон расположен перпендикулярно этой плоскости.

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:

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.
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.
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.
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.

Можно ли купить солнечные часы?

На сегодняшний день в продаже можно увидеть множество различных моделей солнечных часов. К сожалению, многие из них выполняют чисто декоративную функцию и для точных измерений времени не пригодны. Лично мне посчастливилось лишь раз лицезреть такую модель, с помощью которой действительно можно определять время.

При покупке «рабочих» солнечных часов в первую очередь следует обратить внимание на то, к какому типу они относятся. Экваториальный тип солнечных часов, как было сказано ранее, универсален, а значит есть вероятность того, что они смогут быть нормально установлены в любой местности и обеспечат корректную работу.

Такие часы должны быть оснащены механизмом, позволяющим регулировать наклон циферблата, и по возможности - вращающейся шкалой, позволяющими использовать в любой местности.

Существуют также фирмы, занимающиеся изготовлением солнечных часов под заказ, но их услуги, насколько мне известно, весьма дорогостоящие.

Исходя из этого, как мне кажется, проще самому изготовить солнечные часы из картона или фанеры. В этом случае человек не только обзаведется реально работающим инструментом, но и лучше усвоит принципы, на которых эти часы работают. А принципы эти - основополагающая вещь всех методов ориентирования по Солнцу, звездам и Луне, так необходимых путешественникам, рассматривающих риски чрезвычайных ситуаций и изучающие способы выхода из них.

Подводя итог всему вышесказанному, можно отметить несколько моментов.

Для человека, оказавшегося в дикой природе, солнечные часы и гномон в частности позволят сориентироваться на местности. Переносные солнечные часы в этом плане - более универсальный инструмент, так как дают возможность найти приблизительное расположение сторон света в любой момент дня, если известно время, координаты местности, а Солнце не скрыто облаками. Со стационарными солнечными часами все еще проще: они дают возможность сориентироваться в пасмурную погоду и даже ночью, поскольку, как правило, ориентированы строго по сторонам света.

Такие функции солнечных часов, как время и дата, не столь необходимы в условиях туризма и аварийного выживания. По крайней мере, мне ни разу не доводилось слышать про то, что кто-то сильно пострадал, не узнав день календаря или местное время. Если же все-таки необходимость сориентироваться во времени по Солнцу, как по мне, проще это сделать, зная стороны света и направление на Солнце в данный момент. Да, результат будет не очень точным, и в низких широтах такой метод мало чем сможет помочь, однако и носить с собой громоздкие солнечные часы либо тратить время на сооружение их на местности из подручных материалов тоже не придется.

Если все-таки появится острая необходимость в солнечных часах, то ориентировать их стоит не по компасу, а по Полярной звезде либо по сторонам света, определенным с помощью гномона. Как было сказано ранее, магнитные полюса не совпадают с географическими, а местность, где устанавливаются солнечные часы, может находиться в зоне магнитной аномалии. Все это не даст возможности корректно установить солнечные часы, используя магнитный компас.