Что такое солнечные часы?
Солнечные часы — это древнейший научный инструмент для измерения времени, основанный на наблюдении за движением Солнца по небу. Они представляют собой простейший хронометрический прибор, действие которого основано на суточном (а в редких случаях — годовом) движении нашего светила. Поразительно, но этот механизм, вобравший в себя астрономические познания древних цивилизаций, дошёл до наших дней, практически не изменив своей фундаментальной сути.
История развития: от неравных часов к точным гелиохронометрам
Самые ранние известные солнечные часы датируются примерно 1500 годом до н.э. Это был каменный брусок длиной около 30 см с Т-образным навершием. На бруске делали насечки, которые обозначали неравные промежутки времени. Утром прибор ориентировали на восток, а после полудня поворачивали на запад, и время определяли по положению тени от верхней кромки. Такие древние устройства часто показывали «неравные часы», так как они делили промежуток от восхода до заката на фиксированное количество частей. Поскольку продолжительность светового дня меняется в течение года, зимние «часы» были короче летних. Поэтому на циферблаты наносили несколько наборов часовых линий, соответствующих ключевым дням года, например, солнцестояниям и равноденствиям.
Одно из первых письменных упоминаний солнечных часов встречается в Библии (73 г. до н.э.), в Книге Царств, где описываются «часы Ахаза», предположительно, обелискового типа.
Настоящий прорыв произошёл в начале нашей эры с открытием принципа наклонного гномона. Если установить стержень (гномон) параллельно оси вращения Земли (на полюс мира), то тень от него будет двигаться равномерно. Это позволило создать «равные часы», разделив окружность движения тени на равные части. С этого момента создание солнечных часов превратилось в сложную геометрическую и тригонометрическую задачу. Их разработкой занимались мастера-гномонисты. В XIV—XVIII веках были популярны изящные и точные карманные солнечные часы, считающиеся шедеврами часового искусства.
Солнечные часы оставались основным инструментом для хранения времени вплоть до XVIII века. С развитием механики их совершенствовали для отображения среднего солнечного времени, а позже — и поясного. В XIX—XX веках были созданы сверхточные гелиохронометры для измерения времени на фиксированном меридиане.
Устройство и принцип работы
Установка солнечных часов требует точного определения широты места, ориентации по горизонту и меридиану.
Основными компонентами прибора являются:
- Циферблат — поверхность с нанесёнными часовыми линиями.
- Гномон — элемент, отбрасывающий тень. Его край, указывающий на полюс мира, называется «указателем».
Высота указателя соответствует углу его наклона к циферблату. Точка, где указатель пересекает плоскость циферблата, является центром, от которого радиально расходятся часовые линии. На указателе часто есть особая точка — узел. Тень от этого узла используется для отсчёта не только времени, но и высоты Солнца, его склонения и азимута.
Способы определения времени и виды индикации
По положению Солнца время определяют тремя основными способами:
- По часовому углу от меридиана — самый распространённый метод, используемый в обычных садовых часах.
- По высоте Солнца над горизонтом.
- По азимуту Солнца (углу между направлением на юг и направлением на Солнце в плоскости горизонта). Для этого метода нужен вертикальный указатель.
Большинство стационарных часов работает по первому способу, а портативные модели часто используют второй и третий.
Индикация времени может осуществляться тремя методами:
- Тенью — самый распространённый способ.
- Световой точкой (например, от небольшого отверстия в гномоне).
- Магнитной стрелкой — используется только в портативных часах, часто в сочетании с компасом для ориентации прибора. Недостаток — магнитное склонение может вносить погрешность.
Основные типы солнечных часов
Горизонтальные — самые популярные, часто встречаются в парках и садах. Циферблат расположен параллельно горизонту.
Вертикальные — устанавливаются на стенах зданий, ориентированных по сторонам света. Если стена не ориентирована, используют повёрнутый циферблат.
Склонённые и отклонённые — используются в многосторонних часах (например, в форме куба), устанавливаемых на углах зданий или крышах.
Экваториальные и полярные — их циферблаты параллельны плоскости экватора или полярной оси соответственно.
Аналемматические — интересный тип с горизонтальным циферблатом (часто прямо на земле) и вертикальной стрелкой, положение которой меняется в зависимости от времени года. Детально метод был разработан астрономом Жозефом Лаландом в XVIII веке.
Армиллярные — сложные и красивые часы, состоящие из системы колец, имитирующих круги небесной сферы. Часовые деления нанесены на внутренней стороне экваториального кольца.
Рефракционные — работают на принципе преломления света. Чаша, наполненная водой до определённого уровня, служит линзой. Преломлённый луч света попадает на шкалу внутри сосуда, указывая время. Часто изготавливались в форме кубков.
Зеркальные — в них солнечный луч отражается от зеркала на циферблат, расположенный на стене. Широкое распространение получили в XVII веке. Сохранился циферблат таких часов в Ольштыне, авторство которых приписывают Николаю Копернику.
Самые простые «часы»: человеческая рука
Простейшим солнечным инструментом была… человеческая рука. «Сельскими часами» называли метод, при котором левая рука располагалась ладонью вверх, а большой палец, играя роль гномона, поднимался вертикально. Время оценивали по длине тени от большого пальца относительно теней остальных пальцев или по её положению на ладони. Этот способ был в ходу в сельской местности вплоть до XX века. В качестве импровизированного указателя также использовали небольшую веточку, зажатую между пальцами.