Солнечные часы — прибор для измерения времени по Солнцу, относится к простейшему хронометрическому прибору, который разработан на суточном движении Солнца, в редких случаях — годовом. Представляет собой древнейший научный измерительный инструмент, который не претерпел существенных изменений, пройдя сквозь века до наших дней. Солнечные часы — это прибор, в который было вложено все доступное познание человека древности относительно движения небесных тел.
Самые древние солнечные часы, о которых известно, были созданы примерно в 1500 г. до н. э. Они представляли собой каменные часы в виде бруска, длина которого составляла приблизительно 30 см, оснащенного Т-образным навершием, установленным на одном конце бруска. На брусок были нанесены засечки, представлявшие собой неодинаковые промежутки. Время определялось по этим насечкам. Устанавливались по отвесу горизонтально, каждое утро Т-образный конец устанавливался на восток, после обеда поворачивался на запад, полученная от верхней кромки тень и принималась за время. Многие древние солнечные часы относились к «неравным часам», которые разрабатывались на основе деления времени от восхода до заката Солнца на заданное количество составляющих. Протяженность светового дня за период полного года подвергается изменениям, вследствие этого зимой световой день короче, а летом длиннее. Солнечные часы создавались с часовыми линиями относительно определенных дней года, которые разделялись приблизительно одним месяцем, относительно дней равноденствий и солнцестояний.
Письменное описание солнечных часов относится к 73 г. до н. э., в Библии, двадцатой главе Книги Царств рассказывается о солнечных часах Ахаза, которые представляли собой обелисковые часы.
Начало христианской эры стало моментом открытия принципа наклонного гномона, это привело к созданию «равных часов», что позволяло определять более точное время. При установлении стержня гномона на полюс мира стержень представлял собой ось, параллельную экватору окружности, являющейся окружностью обращения Солнца. Эта окружность делилась на 4 равные части, что позволяло создать часы равной продолжительности. Солнечные часы точного и равномерного порядка стали представлять собой исключительно геометрическую и тригонометрическую деятельность. Развитие математики и астрономии способствовало усовершенствованию и солнечных часов. Очень долгое время созданием таких часов занимались мастера, которые владели гномоникой. В XIV—XVIII вв. достаточно широко изготавливались карманные солнечные часы высокой точности, которые считаются жемчужиной мирового часового искусства. Практически до XVIII в. применялись солнечные чат сы для хранения времени. Затем вместе с разработками, механических часов развивались и солнечные часы, которые создавались для установления среднего времени. С введением поясного времени солнечные часы также были ориентированы на поясное время. В XIX— XX вв. разработаны точные солнечные часы для измерения поясного времени, среднего солнечного времени на фиксированном меридиане, такие часы были названы гелиохронометрами.
Для установки солнечных часов находится специальное место, для которого определяются его широта, положение относительно горизонта и меридиана, где будут расположены часовые линии.
Главными частями солнечных часов являются циферблат, представляющий собой поверхность с нанесенными часовыми линиями, и гномон, предназначенный для отбрасывания тени. Край гномона, указывающий на время, в обязательном порядке устанавливаемый на полюс мира, получил название «указатель».
Высота указателя соответствует углу наклона указателя к циферблату. Центр циферблата представляет собой точку радиального расхождения часовых линий и является точкой пересечения указателя с плоскостью циферблата.
На указателе находится специальная точка, называемая узлом, тень от узла предназначена для отсчета высоты, склонения, азимута, времени.
По солнцу определяют время тремя способами:
1) измерение времени основано на часовом угле от меридиана, применяется в обычных садовых солнечных часах;
2) состоит на измерении высоты над горизонтом;
3) измерение высоты по азимуту, т. е. по углу, расположенному между направлением на точку юга и вертикальным кругом, движущимся через Солнце, измеряется в плоскости горизонта, также для измерения по азимуту необходим вертикальный указатель у гномона.
Во многих стационарных солнечных часах определение времени основано на способе измерения часового угла. Остальные способы используются для портативных солнечных часов.
Время подвергается трем методам индикации: тенью, световой точкой, магнитной стрелкой. Для основной части солнечных часов свойственна индикация тенью, в редких случаях в стационарных часах используется индикация света, три метода употребляются только в портативных солнечных часах. Магнитная стрелка применяется в солнечных часах двух видов. К первому относятся часы с часовыми отметками, расположенными на корпусе компаса квадратной формы, при этом корпус поворачивается с исчезновением тени на его боковых гранях, затем по ориентациям стрелки определяют время. Второй тип солнечных часов с магнитной стрелкой представляет собой часы с часовыми отметками, расположенными на эллиптическом поясе, перемещающемся относительно дня года. Такой подход характерен для большого количества азимутальных часов, при этом корпус разворачивается до момента исчезновения тени на боковых гранях. Далее, ориентируясь по указаниям стрелки, определяют время. Отмечено достаточно точное измерение времени при помощи солнечных часов такого типа. Их недостаток состоит в отклонении магнитной стрелки от истинного направления на север.
Солнечные часы горизонтального типа стали самыми распространенными, они часто устанавливаются в городских садах и парках.
Вертикальный циферблат используется на часах, установленных на стенах, которые ориентированы по сторонам света. В случае неориентирования стен по сторонам света применяется повернутый циферблат.
Склоненные и отклоненные типы предназначены для многосторонних часов, включающих в себя 3 и даже больше циферблатов, таким часам свойственна форма куба. Циферблаты при этом наклоняются к наблюдателю или отклоняются от наблюдателя. Солнечные часы такого типа располагают на гребнях стен, которые ориентированы по сторонам света, или на крышах. Повернуто-отклоненный и повернуто-склоненный циферблаты предназначены для установления на строениях, которые не ориентированы по сторонам света.
Экваториальные и полярные солнечные часы оснащаются плоскостями циферблатов, которые параллельны плоскости экватора и полярной оси соответственно.
Аналемматические экваториальные часы оснащались стрелкой, направленной перпендикулярно плоскости часовой шкалы, расположенной не в плоскости, параллельной экватору, а в горизонтальной плоскости, даже прямо на земле. Для измерения при помощи аналемматических часов времени необходимо вынести часовую шкалу на эллиптическую кривую и вместе с этим перемещать стрелку в меридиональной плоскости относительно времени года. Солнечные часы такого типа были описаны в астрономических трудах XVI в., однако применение для определения времени было детально разработано в середине XVIII в. астрономом Джозефом Джаромом Лаландом, являвшимся директором Парижской обсерватории.
Армиллярные солнечные часы обеспечиваются экваториальным циферблатом, оснащаются несколькими кольцами, отождествляющими большие круги земной и небесной сферы, количество которых может исчисляться десятками. В этих часах часовые деления расположены во внутренней части экваториального круга. В часах установлен стержень, показывающий полярную ось.
Рефракционные солнечные часы оснащались чашей с часовой шкалой и теневой стрелкой. В основе действия лежит принцип преломления светового луча, проходящего наклонно на плоскость раздела двух разнообразных сред.
Чаша наполняется водой на заранее установленную высоту, преломление происходит на разделе воздуха и воды. Полученный при этом преломленный луч направлен на установленную в воду временную шкалу, определяя время.
Изготавливались рефракционные часы в виде кубков или сосудов.
Зеркальные солнечные часы созданы на основе отражения солнечного луча при помощи зеркала на циферблат, который устанавливался на стену дома. Впервые такие часы упоминаются Бене-диктусом в научных трудах, которые были изданы в 1754 г. в Турине. На замке в Ольштыне сохранился циферблат для зеркальных солнечных часов, создание которых приписывается Николаю Копернику. Довольно широкое распространение солнечные часы такого типа получили в начале XVII в.
Существуют солнечные часы, созданные на основе человеческой руки, где теневым указателем служил большой палец. Простейшим измерением времени, называемым сельскими часами, было движение левой руки ладонью вверх, при этом большой палец направлялся вверх, играя роль теневой стрелки. Время определялось по продолжительности тени большого пальца относительно длины тени остальных пальцев. В сельских районах таким способом измерения времени пользовались до XX в. Также для этого метода использовали как теневой указатель короткую веточку, не более мизинца, которую устанавливали перпендикулярно между мизинцем и безымянным пальцем.