Солнечные часы своими руками. Мастер-класс. Фотогалерея: горизонтальные солнечные часы

Солнечные часы – одно из самых древних устройств, созданных человеком. Спустя несколько сотен лет это изобретение не потеряло своего функционала.

Его можно сделать вместе с детьми дома, на улице, в школьном дворе. Солнечные часы станут прекрасным . Кроме того, знание технологии их изготовления окажется полезным для любителей путешествовать.

Читайте также:

Историческая справка

Первые упоминания о солнечных часах были найдены на территории Древнего Египта. Еще 1300 лет до нашей эры люди пользовались такими часами. Применялись они и в Китае и Греции. Оттуда технология создания солнечных часов распространилась по всему миру.

Большую популярность они получили в XVIII веке – в то время использовались как декоративный элемент в пейзажных садах и дворцовых ансамблях.

Принцип работы

Работа часов основана на взаимосвязи элементов: основы (кадрана), циферблата и гномона.

Основа может устанавливаться под разным углом, в связи с этим выделяют различные виды часов.

Гномон представляет собой элемент, который отбрасывает тень на циферблат, это своеобразное подобие стрелки обыкновенных часов.

Виды солнечных часов

Выделяют три основных вида солнечных часов:

1. Экваториальные часы . Их основа расположена параллельно экватору. Гномон представляет собой стержень, расположенный параллельно земной оси. Для их правильной установки необходимо знать географическую широту местоположения.

2. Вертикальные часы . Плоскость кадрана расположена вертикально, обычно – на стене здания.

3. Горизонтальные часы . Основа расположена параллельно линии горизонта. Гномон создается в виде треугольника, с углом, соответствующим широте местоположения.

Создание экваториальных солнечных часов

Основа часов расположена параллельно экватору. Солнце равномерно движется, поэтому за час тень будет смещаться на 15. Отметим, что на данном циферблате должно быть не 12 делений, а 24. Таким образом, чтобы сделать циферблат, достаточно разделить основу на 24 сектора по 15.

Если часы предполагается расположить в саду или любой другой открытой местности, то для изготовления желательно брать прочные материалы.

В качестве основы подойдет камень, железо, древесина, пластик.

Гомон можно изготовить из длинного гвоздя или спиц для вязания.

Следующий шаг – правильно определить угол наклона циферблата . Он определяется как разница 90 и географической широты местоположения.

Необходимо установить кадран с циферблатом на освещенном месте, прикрепить гномон – и часы готовы.

Как правильно разместить циферблат

Обычные солнечные часы правильно работают, если полдень, как и задумано, наступает в 12:00.

В разной местности полдень наступает в различное время, поэтому важно учесть этот фактор. Для того чтобы часы показывали местное время, необходимо сместить цифры на циферблате вокруг своей оси , чтобы полуденная, самая короткая, тень двигалась по направлению север-юг.

Как узнать это направление? Необходимо взять лист фанеры, прикрепить к нему гвоздь под прямым углом и расположить лист на солнце. Далее необходимо каждые 15 минут в течение 3 часов отмечать передвижение тени гвоздя. Затем определить самую маленькую тень. Она будет полуденной линией.

Полярные часы

Необычная разновидность солнечных часов. Циферблат в данном случае напоминает шкалу, деления расположены по направлению запад-восток. Сам макет циферблата можно найти в Интернете.

Самое важное – правильно разместить кадран. Он должен быть расположен под углом, соответствующим географической широте местоположения, в направлении полярной звезды.

Отметим, что самые простые солнечные часы показывают солнечное время, которое может отличаться от реального времени.

Во время путешествия порой необходимо ориентироваться по солнцу, для чего нужно знать примерное время. Если нет часов с циферблатом, можно сделать солнечные часы своими руками. Помимо практического значения, такая конструкция станет отличным украшением садового участка. К тому же, изготовление солнечного определителя времени станет увлекательным занятием для детей, чтобы следить за движением солнца и узнавать время суток. Как сделать солнечные часы? Подробнее об этом можно узнать ниже.

Солнечные часы

Солнечные определители времени делятся на три вида: вертикальные, горизонтальные, экваториальные. Первый вид крепится на стенах зданий, соответственно, имеет вертикальный циферблат, направленный строго на юг. Стержень для указания времени расположен выше центра циферблата с отклонением на угол, равный 90 градусам за минусом значения широты отдельно взятой местности.

Второй вид располагается на земле в горизонтальном положении. Часовой стержень имеет вид треугольника с углом, равным широте местности, называемый гномон. Он указывает северное направление. Такие часы показывают точное время круглый год, кроме зимы и поздней осени. Поверхность экваториальных часов находится под наклоном относительно уровня земли и повернута на север. Гномон представляет собой перпендикулярный циферблату стержень, расположенный параллельно земной оси. На циферблат нанесены деления аналогично обычным стрелочным часам, через каждые 15 градусов. Недостатком экваториальных часов является то, что они будут показывать информацию только в период между днями весеннего и осеннего равноденствия в северном полушарии, и, наоборот – в южном полушарии. Достоинством этого вида часов является их мобильность. Можно сделать небольшую конструкцию, которую можно перемещать на нужное место.

Как сделать солнечные часы своими руками: видео

Наиболее часто встречаются горизонтальные и экваториальные солнечные часы, но, несмотря на это стоит описывать изготовление каждого из трех типов. Перед изготовлением конструкции необходимо определить место для ее размещения. Это должна быть территория, не загороженная зданиями, деревьями и прочими объектами. Лучше предварительно понаблюдать за местом размещения будущих часов на протяжении года, чтобы оно постоянно было солнечным. В зависимости от места расположения будет зависеть то, какой тип часов изготовить – вертикальный, горизонтальный или экваториальный. Если на участок падает множество теней от столбов, изгородей, лучшим вариантом станет изготовление вертикальных солнечных часов, которые можно будет прикрепить к стене дома или на декоративный столбик.

Экваториальные солнечные часы: изготовление

За основу нужно взять фанеру или кусок пластика, на котором через каждые 15 градусов наносятся деления. По центру основания закрепляется металлический стержень или штырь из любого другого крепкого материала. Его длина варьируется в зависимости от размера часов.

Для того чтобы придать правильный наклон циферблату, его устанавливают на специальную подставку. Чтобы правильно рассчитать угол наклона, нужно от 90 градусов отнять значение градуса широты местности, где устанавливаются солнечные часы.

После того как циферблат будет установлен, их нужно сориентировать так, чтобы гномон указывал на север. Сделать это нужно так: за некоторое время до наступления полудня стержень (гномон) закрепляется на горизонтальной плоскости. То место, куда будет падать тень от стержня, нужно отметить точкой, затем провести окружность с помощью циркуля. Центр этой окружности будет находиться там, где закреплен гномон. Длина тени в момент наблюдения будет обозначать радиус окружности. Далее нужно наблюдать за движением тени. Отходя от нарисованной окружности, она постепенно будет уменьшаться, затем снова расти, снова пересекая окружность. В том месте, где она второй раз ее пересекает, нужно поставить отметку и соединить ее с первой отметкой. Отрезок, который в результате получится, нужно разделить пополам. Прямая, которая проходит через середину получившегося отрезка и центр окружности, будет указывать направление север-юг. Далее нужно обозначить циферблат, для чего основание размечается на 24 одинаковых отрезка по 15 градусов каждый, нанести числовые разметки.

Для правильной ориентации экваториальных самодельных часов необходимо соблюдать условия:

• Часть циферблата, на которой обозначены цифры от 6 до 18, должна находиться строго горизонтально.
• Часть циферблата с цифрами 12-24 должна совпадать с определенным направлением север-юг.
• Циферблат нужно наклонить таким образом, чтобы угол составлял значение местной широты.

Как сделать солнечные часы горизонтального типа

Солнечные часы своими руками с горизонтальным циферблатом изготавливаются еще проще, чем экваториальные.

Основание изготавливается из твердого материала, можно взять фанеру или пластик. Его можно сделать круглым или квадратным. Гномон изготавливается из этого же материала в виде треугольника, один угол которого должен равняться 90 градусам, а второй – широте отдельно взятой местности. Треугольная стрелка крепится к основанию, и устанавливается на земле в нужном месте. Для того чтобы повернуть стрелку на север, ориентируются по компасу. Для обозначения делений на циферблате необходимо завести таймер, и каждый час отмечать тень от стрелки.

Изготовление вертикальных солнечных часов

Вертикальные солнечные часы лучше размещать на южной стороне. Изготовление этого типа солнечных часов более сложное, чем первых двух. Циферблат располагается параллельно горизонту в строгом южном направлении для северного полушария. Чуть выше центральной части основания определителя времени нужно отметить расположение стрелки, и от этой точки спустить отвес, по которому нужно начертить линию. Эта линия будет обозначать время полудня. Числовые обозначения располагаются на циферблате симметрично только в том случае, если при этом стержень окажется в строго перпендикулярном положении относительно циферблата. Закрепить стержень в стене не так просто: для начала нужно просверлить отверстие большим, чем гномон, диаметром. Часть стержня, которая будет закреплена внутри стены, нужно немного расплющить для того, чтобы предотвратить его проворачивание. Место крепления увлажняется, туда вставляется стержень так, чтобы место изгиба было точно в стене. Стержень нужно повернуть так, чтобы он составлял угол 90 градусов с поверхностью стены до того, как раствор в месте крепления застынет.

В преддверии лета, солнца, дачного сезона, огородных дел и всякого подобного хочу предложить вам пошаговую инструкцию, как сделать солнечные часы горизонтального типа на вашем участке. Узнавать по ним время - иногда даже удобнее, чем по мобильному телефону (потому что телефон не всегда с собой; руки грязные; солнце отсвечивает от экрана).

Основа солнечных часов - гномон. Это палка, тень от которой и будет показывать нам время. Чем точнее мы сориентируем эту палку параллельно оси вращения Земли (как это сделать - см. пункты 1, 2, 3 ниже), тем точнее будет устройство. В качестве гномона сгодится любая ровная палка, похожая по габаритам на черенок от лопаты (можно и сам черенок, если завалялся ненужный).

Находим место, где не бегает много людей и собак, и мимо которого вы часто проходите. Главное, чтобы оно было освещено солнцем большую часть дня. Для этого найдите юг (либо сориентируйтесь по Google Earth, либо в районе 12–13 часов повернитесь лицом к солнцу) и поищите на участке место с максимально свободной (от крыш, деревьев и тому подобное) южной половиной неба.

Пункты 1 и 2 посвящены нахождению точного направления на Север. Да, для этого можно использовать и компас, но надо помнить, что магнитное склонение (то есть отклонение показаний компаса от реального направления на географический Север) в нашей стране может достигать 10, 20 и более градусов. Кроме того, вы можете словить локальную магнитную аномалию. Поэтому метод определения Севера по солнцу - точнее и надёжнее.

1. К моменту истинного полудня (солнечной кульминации, еще ее ошибочно называют "зенитом") готовим отвес (например подвешиваем на веревке камешек/железяку и следим, чтобы все это не болталось на ветру) и горизонтальную площадку, на которой видна тень от веревки. Методы вычисления времени истинного полудня для вашей местности я опишу ниже.

2. В момент истинного полудня (предварительно время неплохо бы синхронизировать с интернетом, например по сервису time.is, ну или по андроид–приложению ClockSync) отмечаем направление солнечной тени отвеса, например, с помощью нескольких камешков, которые выкладываем вдоль тени. Это точное направление север–юг (направление меридиана).

3. Вычисляем тангенс угла к горизонтали, под которым должен стоять гномон (то есть наша палка). Для этого выясняем широту места, вбиваем ее в калькулятор и жмем tan. Например, если широта 56 градусов, то tan(56) = 1.483.

Умножаем это число например на полметра (50 см), получаем 74 см. Втыкаем палку в землю, в направлении строго на север (мы его выяснили в прошлом пункте по отвесу) от этого места кладем камешек в 50 см от места, где воткнута палка, и наклоняем палку таким образом, чтобы она проходила над камешком на высоте 74 см. На рисунке 3 (и 3а для пущей наглядности) я показал отвес, который спускается от гномона и попадает на линию меридиана (длина этого отвеса в нашем примере = 74 см). Вместо отвеса можно "стрелять" глазом, но получится не так точно. И в таком положении начинаем вбивать палку, время от времени проверяя/корректируя, чтобы она проходила над нашим "полуметровым" камешком на заданной высоте. Как только палка будет крепко держаться, можем себя поздравить - самая ответственная часть работы сделана: мы сориентировали наш гномон параллельно земной оси. И, кстати, он заодно с хорошей точностью указывает на Полярную звезду (можете проверить ночью, "стрельнуть" глазом вдоль палки).

4 и 5. Следующие положения часовых меток, сделанные по таймеру. Надо отметить, что хоть на рисунке и отмечено 12 часов для полуденной метки, на самом деле гражданское время для неё будет иным. Чтобы об этом не думать, проще всего разметить циферблат, подходя к гномону в 13:00, 14:00 и так далее, и просто отмечать направление тени. А на следующий день с утра до полудня отметить остальные часовые метки.

Сами часовые метки могут быть какими угодно: можно вбить таблички с цифрами, можно выложить камнями.

Вычисление времени истинного полудня

Перечислю, какие именно вещи случаются в момент истинного полудня:
* солнце находится точно на Юге (для наших северных широт);
* горизонтальные тени от вертикальных предметов падают точно на Север;
* солнце находится в наивысшей точке своего дневного хода;
* это момент - с хорошей точностью середина между восходом и заходом солнца в этот день.

Для каждого меридиана - свой момент истинного полудня. Так, скажем, в сравнении с центром Москвы истинный полдень на востоке города случается примерно на 1 минуту раньше, а на западе - на минуту позже. Вот годовой график времени полудня для центра Москвы (для часового пояса UTC+3, в котором Москва постоянно находится с октября 2014 года):

То есть на меридиане Москвы вы просто можете использовать этот график. Точно такой же формы график получится и в вашем месте, только его нужно сместить по вертикальной оси на величину (Д–37.6)/15 часов, где Д - ваша географическая долгота. Например возьмём Пермь, её долгота составляет 56.2 градуса, подставляем в формулу: (56.2–37.6)/15 = 1.24 часа = 1 час 14.5 минут. То есть в Перми истинный полдень случается на 01ч14.5м раньше, чем в Москве, и по московскому времени от вышеприведённого графика надо отнять 01ч14.5м. Например для 22 мая мы получим 12ч26.5м минус 01ч14.5м = 11:12мск, прибавляем 2 часа (разница часовых поясов Перми и Москвы), получаем 13:12. Запомним это время, чтобы сравнить со следующим методом.

Второй метод заключается в том, чтобы найти свой населённый пункт на погодном сайте, где указано время восхода и захода солнца. Например для случая Перми открываем погодный сайт яндекса yandex.ru/pogoda/perm и видим там Восход: 04:37 Закат: 21:47, находим среднее арифметическое этих двух времён (04:37 + 21:47) / 2 = 13:12. То же самое время, что получили выше.

Третий метод - использование расчетных программ. Вы можете выбрать программу по вкусу, я пользуюсь своей Day–night (по ссылке daybit.ru/video/video-i-soft.html вы найдете и видео по ее использованию, и собственно саму программа), и она для Перми выдаёт время полудня = 13:11:45.

Примечания

1. Вышеприведённый график для Москвы - это следствие так называемого Уравнения времени - разницы среднего солнечного и истинного солнечного времени. Надо отметить, что именно с такой же амплитудой, как в этом графике, будут меняться показания ваших солнечных часов. То есть до плюс–минус четверти часа в течение года. Однако если присмотреться, видно, что в наиболее интересное для нас летнее время колебания не столь велики, и укладываются в плюс–минус 5–6 минут. Иногда, когда хотят получить минутную точность, для солнечных часов специально составляют график поправок в течение года.

Из этого графика, например, видно, что если вы разметили свои солнечные часы в середине июня, то к середине сентября они будут спешить на 5 минут.

2. Почему не стоит использовать просто вертикальную палку? Зачем морочиться с ее наклоном и её параллельностью оси вращения Земли? Дело в том, что часы, сделанные с помощью вертикальной палки, рано или поздно начнут показывать заметно неверное время. Так, часы, сделанные для вертикальной палки в июне, будут в сентябре врать на 1 час по утрам и вечерам. Тут подробнее sundial-ru.livejournal.com/2337.html

3. Если хотите, можете сразу рассчитать циферблат для вашей местности с помощью, скажем, программы Shadows shadowspro.com, взять из этого расчета углы и сразу отмерить их на земле, вместо того, чтобы бегать целый день и ставить отметки по солнечной тени.

Елена Белега

Солнечные часы — самые надежные, ведь они никогда не убегают вперед и не опаздывают. Поэтому, наверное, их строили египтяне, китайцы, вавилоняне, греки, индусы, перуанские инки. Хотите попробовать? Изготовление таких часов может стать к тому же замечательным уроком по математике и астрономии для ваших детей. Простейшие экваториальные солнечные часы можно сделать из подручных материалов и расположить их в саду или на балконе. Экваториальными эти часы называются потому, что плоскость их циферблата параллельна плоскости земного экватора.

1. Определим направление на север самым древним и точным способом. Для этого закрепим вертикальный штырь (гномон) на горизонтальной поверхности. За пару часов до солнечного полдня отметим точкой положение тени от гномона и проведем окружность с центром в месте закрепления гномона и радиусом, равным длине тени от него в начальный момент наблюдения.

2. Последим за тенью: она будет уменьшаться, отходить от нарисованной нами окружности, но в какой-то момент начнет расти и вновь пересечет ее. Зафиксируем это касание тени второй точкой и соединим ее с первой. Полученный отрезок разделим пополам. Прямая, проходящая через центр окружности и середину отрезка, даст нам полуденную линию. Эта линия — точное направление север-юг.

3. Теперь разметим циферблат. Для экваториальных часов это сделать проще простого: делим круг на 24 равные части по 15° (24h х 15° = 360°) и наносим обозначение часов.

4. Пришло время изготовить корпус. Для этого подойдет плотный картон, кусок фанеры, тонкая дощечка (мы воспользовались пенопластом). Перпендикулярно поверхности необходимо закрепить гномон и насадить на него циферблат.

5. Осталось только правильно сориентировать полученную конструкцию. Для этого нужно соблюсти следующие условия: а) линия циферблата «6-18» должна располагаться строго горизонтально; б) линия «12-24» должна совпадать с направлением север-юг, которое мы уже нашли (см. 1); в) плоскость циферблата часов следует наклонить на север так, чтобы угол между гномоном часов и плоскостью горизонта составил величину равную географической широте вашей местности (для Москвы это примерно 55,5°). Часы готовы!

Они отображают истинное солнечное время, и их показания совпадут с вашими наручными часами, если вы учтете действующее у нас в стране летнее и декретное время. Зимой часы такой конструкции, к сожалению, работать не будут: солнце в наших широтах находится слишком низко над горизонтом, и гномон не даст тени.

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:

1. В день летнего солнцестояния в течение дня через каждый час на циферблат наносятся пометки, соответствующие концу тени гномона.
2. Отметки соединяются плавной кривой.
3. Возле полученной кривой подписывается дата и месяц, в день которой были сделаны пометки.
4. Аналогичные действия повторяются ровно через месяц и так до тех пор, пока не настанет день зимнего солнцестояния.
5. 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:

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.

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.