Солнечные часы состоят из трех деталей: гномона то есть предмета, отбрасывающего тень, циферблата, на который эта тень падает и самого солнца. Линии на циферблате, форма и величина гномона рассчитываются индивидуально для каждых часов в зависимости от географических координат места их установки.
Солнечные часы это астрономический прибор, предназначенный для измерения высоты, азимута и склонения солнца. Размерность этих величин – градусы дуги. По своему усмотрению мы можем придавать им различный физический смысл. Так, по значению азимута и высоты солнца над горизонтом мы может измерять время. А по значению склонения — регистрировать даты перехода солнца из одного зодиакального созвездия в другое, определять наступление дня равноденствия, солнцестояния или любой другой даты, например, дня рождения.

Расположение линий на циферблате солнечных часов зависит от ориентации циферблата относительно полюса мира, математического горизонта и небесного экватора. Циферблат же может быть нарисован где угодно, например — на сферической поверхности.
Несмотря на то, что конструкции солнечных часов чрезвычайно разнообразны, большинство людей полагает, что солнечные часы это диск, к которому прикреплен треугольник. Отчасти, это верно. Именно так выглядят наиболее часто встречающиеся горизонтальные солнечные часы.

Рассмотрим, как устроены типичные горизонтальные солнечные часы.

Шкалы .

Главный элемент циферблата это шкала для регистрации времени. Точность шкалы зависит от точности изготовления солнечных часов и тщательности сборки их деталей. Кроме того, точность шкалы определяется размером солнечных часов (чем больше их размер, тем точнее может быть сделана шкала). Деления шкалы представляют собой отрезки так называемых часовых линий. То есть линий, образованных тенью гномона на циферблате солнечных часов. На фотографии ниже часовые линии выделены цветом.

Раньше, до введения в обиход поясного времени, хватало единственной шкалы, предназначенной для регистрации местного времени – то есть времени на меридиане, проходящем через место установки солнечных часов. Теперь на циферблатах можно увидеть две или даже три шкалы. Одну – для регистрации местного времени, вторую – для регистрации поясного летнего времени, а третью – для регистрации поясного зимнего времени. Это делается, чтобы не затруднять пользователя вычислениями. Следует иметь в виду, что это не разные виды времени, а просто разные способы измерения одного и того же.

Бывают особые случаи, когда на циферблат помещают дополнительные шкалы. Необходимость в этом возникает, когда солнечные часы установлены в одной часовой зоне, но предназначены для регистрации времени в другой часовой зоне, отдаленной от места установки тысячами километров. Например, как на этих солнечных часах, которые установлены в г. Умеа (Швеция), но регистрируют время в Москве.

Солнечные часы для часовых зон GMT+3 и GMT+1

Иногда, кроме шкал, предназначенных для регистрации времени, на солнечных часах выполняются шкалы для измерения азимута солнца и высоты солнца над горизонтом а также шкала географической долготы.

Шкала азимутов солнца и шкала высоты солнца над горизонтом, градусы дуги.

Азимут это угол между направлением на полюс и направлением на какой-либо удаленный предмет. В гномонике, в отличие от геодезии, азимут традиционно отсчитывается от направления на южный географический полюс. Это означает, что в момент истинного полудня азимут солнца по определению равен 180º, а в тот момент, когда солнце находится точно на западе или точно на востоке, его азимут соответственно равен 90º и -90º. Большинство людей полагает, что солнце всегда восходит на востоке и заходит на западе. С помощью шкалы азимутов легко убедиться, что это не так. Лишь два раза в году, в дни равноденствий, солнце восходит на востоке и заходит на западе.

Шкалу, измеряющую высоту солнца над горизонтом, обычно помещают на циферблат солнечных часов, предназначенных служить учебным пособием по географии и астрономии. В обычной жизни, в быту, нет необходимости знать, какова в данный момент высота солнца над горизонтом. Но на солнечных часах, установленных на школьной астрономической площадке, такая шкала уместна.

Шкала географической долготы, дополненная названиями городов

Шкала географической долготы позволяет наблюдать перемещение солнца по планете. Когда солнце пересекает какой-либо местный меридиан, на этом меридиане наступает истинный солнечный полдень, солнце занимает высшую точку своего дневного пути а его азимут равен точно 180º. То есть в этот момент солнце находится точно на юге. Если шкалу географической долготы дополнить списком городов таким образом, чтобы название города располагалось напротив соответствующей долготы, то по тени гномона можно, не прибегая к вычислениям, узнать, в каком городе сейчас истинный полдень.

Уравнение времени и аналемма .

На циферблате солнечных часов или рядом с солнечными часами часто помещают таблицу уравнения времени (или его график) и аналемму. Чтобы понять что это такое, необходимо сделать некоторые объяснения. Дело в том, что показания солнечных часов совпадают с показаниями наручных часов только четыре раза в году – 15 апреля, 12 июня, 1 сентября и 24 декабря. В остальные дни года солнечные часы либо спешат, либо отстают в пределах (+ 14) – (-16) минут. Причина в том, что солнечные часы измеряют истинное, объективно существующее время, тогда как наручные часы измеряют так называемое среднее время, специально придуманное людьми, чтобы упростить процесс его измерения. Чтобы по истинному времени, измеряемому, солнечными часами узнать среднее время, к их показаниям следует добавить специальную поправку, называемую уравнением времени. Уравнение времени это разница между показаниями наручных и солнечных часов. В специальной литературе ее обычно обозначают как µ или ЕоТ. В разные дни года величина µ имеет различные значения. Выраженная графически зависимость µ от календарной даты называется графиком, номограммой или таблицей уравнения времени.

Круговой график уравнения времени и аналемма, предназначенная для вычисления среднего времени по показаниям солнечных часов.

Земля обращается вокруг солнца в плоскости, называемой эклиптикой. Ось вращения земли направлена на север и наклонена к этой плоскости под углом примерно 23 градуса. Это означает, что в течение полугода мы видим, что солнце находится ниже эклиптики. В это время в северном полушарии зима. В течение другой половины года мы видим, что солнце находится выше эклиптики. В это время в северном полушарии лето. Выраженная в градусах дуги высота солнца над эклиптикой называется склонением ρ . Графически выраженная зависимость уравнения времени µ от склонения солнца ρ называется аналеммой. В координатах ρ, µ аналемма представляет собой красивую кривую в форме восьмерки.

Горизонтальные солнечные часы с таблицей уравнения времени и аналеммой, расположенной вдоль часовой линии. На этих солнечных часах аналемма используется в качестве инструмента для поверки механических, электронных или любых иных часов.

Применительно к солнечным часам аналемму можно использовать двумя способами. Первый способ состоит в том, что на аналемме обозначаются точки, соответствующие календарным датам. Тогда, если нам известно, какое сегодня число, мы можем по координате µ определить, сколько минут в этот день нужно добавить к показаниям солнечных часов, чтобы узнать, который сейчас час в терминах общепринятого среднего времени. Заодно, по координате ρ , мы можем узнать величину склонения солнца.

График уравнения времени может быть вырезан из камня и установлен рядом с солнечными часами в качестве отдельного арт-объекта.

Второй способ не требует знания текущей календарной даты. В этом случае специально рассчитанную аналемму, разделённую на отрезки, соответствующие календарных датам, располагают вдоль одной из часовых линий. В тот момент когда тень нодуса (о нем ниже) пересекает аналемму (не часовую линию, sic!), показания солнечных часов совпадают со средним временем, а точка аналеммы, в которой её пересекает тень нодуса, соответствует календарной дате. Расположенную таким образом аналемму очень удобно использовать для поверки механических часов и для определения текущей календарной даты. Если размер солнечных часов достаточно большой, а сопряжение их деталей выполнено точно, мы можем разбить аналемму на 365 участков и таким образом наделить солнечные часы еще одной функцией — служить вечным календарем.

Тень нодуса пересекает «восьмерку» аналеммы дважды. Поэтому использование аналеммы в качестве инструмента для поверки наручных часов и для определения даты предполагает, что пользователю известно, что в аналемме различают две части — зимнюю и летнюю и что они несимметричны друг другу. Графически они похожи на зеркально отраженные относительно друг друга S-образные кривые. Зимнюю часть используют в период между осенним и весенним равноденствием, летнюю — в период между весенним и осеним равноденствием.

Для более подробного знакомства с понятием аналеммы можно обратиться к учебному видео материалу Ивана Королева .

Существуют десятки способов графического изображения этих зависимостей и великое множество приемов выполнения их в материале. Вот некоторые из них.

График и таблица уравнения времени могут быть выполнены из камня и из покрытого золотом, патинированного или состаренного цветного металла.

Гномон .

Гномон это предмет, отбрасывающий тень на циферблат и служащий для регистрации времени. На горизонтальных солнечных часах он обычно имеет форму треугольника, а угол его наклона соответствует географической широте. Плоскость треугольника параллельна местному меридиану, а верхняя его сторона параллельна земной оси и всегда направлена на северный полюс мира. (Разумеется, только в северном полушарии).

Гномон это материальный объект, и у него есть толщина. Ее следует учитывать при расчете циферблата. В шкалах делаются разрывы, ширина которых равна толщине гномона. Строго говоря, у точных солнечных часов есть два гномона – восточный и западный. Западный представляет собой ребро, образованное западной и верхней гранями. По его тени регистрируется время от восхода солнца до полудня. Восточный представляет собой ребро, образованное восточной и верхней гранями треугольника. По его тени регистрируется время от полудня до захода солнца.

Гномон, выполненный методом пластического литья. Бронза, патинирование.

Гномон с фактурной патинированной поверхностью. Латунь.

Гномон с нодусом. На восточной грани гномона награвирована фраза из книги Гарри Гаррисона «Стальная Крыса идет в армию». Латунь, золото 999 пробы.

Одна из граней гномона криволинейна. Делается это, по-видимому, не только из эстетических соображений, но также для того, чтобы не перепутать, какую именно грань следует использовать для регистрации времени. Плоскость гномона не обязательно должна быть сплошной. Она может быть выполнена методом пластического литья, с помощью гидроабразивной резки или любым другим способом, зависящим от предпочтений. Важно лишь, чтобы грань, предназначенная для регистрации времени, была строго прямолинейной и находилась в расчетных точках циферблата.

Гномон нодусом. На западной грани гномона награвирована фраза из текста статьи М.В. Ломоносова «Об усовершенствовании зрительных труб»1762 года.

На солнечных часах обычно бывает только один гномон. Исключение составляют так называемые Оттоманские солнечные часы. На них устанавливают два гномона. Один – для регистрации времени, другой, меньшего размера, — для определения времени исламских молитв. Но бывают исключения. Например, на этих солнечных часах большой гномон предназначен для регистрации времени, тогда как маленький конический предназначен для того, чтобы раз в год, в день рождения владельца, тень от вершины конуса следовала вдоль специально рассчитанной юбилейной линии.

Горизонтальные солнечные часы с двумя гномонами. В день рождения владельца этих солнечных часов тень от вершины конического гномона следует вдоль специально рассчитанной линии.

В очень редких случаях на солнечных часах устанавливают более двух гномонов. Так, на этих солнечных часах имеются три циферблата, каждый из которых снабжен собственным гномоном. Один из них предназначен для измерения истинного местного времени на меридиане места установки, другой предназначен для измерения истинного поясного времени, а третий — для измерения азимута солнца.

Солнечные часы с тремя гномонами.

Нодус, линии склонения, юбилейная линия .

Нодус (в переводе с греческого – узел) это такая точка на гномоне, тень которой соответствует склонению солнца. Склонение - это высота солнца над эклиптикой. Эклиптика - это плоскость в которой Земля обращается вокруг солнца.

Нодус обычно выполняется в виде отметки на полярной грани гномона.

Каждому дню года соответствует определенная величина склонения солнца. По мере того, как солнце, осуществляя свой дневной путь, движется с востока на запад, тень нодуса перемещается по циферблату с запада на восток. Траектория тени нодуса уникальна для каждого дня года и не меняется заметно в течение столетий. Эта траектория называется линией склонения.

Линии склонения. На циферблате награвированы линии склонения, соответствующие датам перехода солнца из одного зодиакального созвездия в другое.

В Международный день музеев тень нодуса следует вдоль специально рассчитанной юбилейной линии склонения.

Линии склонения на циферблате можно рассчитать для любой даты. Но обычно их рассчитывают для дат, имеющий астрономический смысл. Например, для дней равноденствия и солнцестояния. По мере того, как Земля совершает годовой оборот вокруг солнца, звездный фон нашего светила меняется. С незапамятных времен он разделяется на 12 секторов, именуемых зодиакальными созвездиями, а переход солнца из одного зодиакального созвездия в другое многие люди все еще склонны рассматривать как значительное астрономическое событие. Если линии склонения на солнечных часах рассчитать для каждого из этих двенадцати секторов, то у солнечных часов появится еще одна функция. Кроме времени они будут регистрировать дату смены зодиакальных созвездий.

В течение года в жизни каждого человека происходит много событий. Некоторые из них субъективно гораздо важнее, чем смена зодиакальных месяцев. Линия склонения солнца, рассчитанная для такого дня, который имеет особенное значение в личной жизни человека, называется юбилейной линией.

На одном циферблате можно поместить несколько юбилейных линий склонения. По одной для каждого члена семьи.

Обычно юбилейную линию рассчитывают для дня свадьбы или для дня рождения. Но есть немало других событий, достойных сопоставления с положением Земли на ее орбите. Например, день окончания строительства дома, день защиты диссертации, день публикации первого стихотворения – все это очень достойные поводы, чтобы отмечать их ежегодно с помощью солнечных часов. На одном циферблате можно поместить несколько юбилейных линий для каждого члена семьи. А можно на одних солнечных часах сделать несколько циферблатов для каждого из них.

Каждый год в один и тот же день солнечная тень следует вдоль специально рассчитанной юбилейной линии. Так будет продолжаться до тех пор, пока существует Солнечная система. То есть в ближайшие четыре с половиной миллиарда лет.

Чем солнечные часы отличаются от обычных, например механических часов .

Солнечные часы показывают истинное солнечное время.
Наручные часы показывают среднее солнечное время.
Момент, когда солнце достигает высшей точки своего суточного пути и пересекает местный меридиан, называется истинным солнечным полуднем. Промежуток времени между двумя последовательными полуднями называется истинными солнечными сутками.

Истинные солнечные сутки — величина непостоянная. Иногда они длиннее, иногда короче. Стало быть, и части их, то есть часы, минуты и секунды не всегда равны между собой.
Затруднительно сконструировать часовой механизм так, чтобы он шел точно по солнцу, то есть в один день быстрее, в другой медленнее. Поэтому наручные часы показывают не солнечное и некое другое время, называемое средним. Продолжительность средних суток, называемых еще гражданскими, получают путем расчетов. Складывают продолжительность всех солнечных суток года и делят получившуюся сумму на количество суток в году. Гражданские сутки, а стало быть, гражданские часы, минуты и секунды, есть величина постоянная по определению.

До изобретения атомных часов, самой стабильной единицей времени считались звездные сутки, определяемые по промежутку времени между двумя последовательными восходами какой-либо отдаленной звезды. Чтобы измерить продолжительность солнечных суток, а затем путем расчетов определить продолжительность средних суток, по традиции используют именно звездное время — звездные часы, минуты и секунды.

Сравнительная продолжительность суток, выраженная в среднем времени выглядит следующим образом:

Средние солнечные (гражданские) сутки
24 h 00 m 00 s

Истинные солнечные сутки
24 h 00 m 00 s ± 17 m

Звездные сутки
23 h 56 m 4,09 s

Ось нашей планеты наклонена к плоскости ее обращения вокруг солнца на 23°. Кроме того, орбита нашей планеты имеет эксцентриситет, из чего следует, что скорость ее обращения вокруг солнца непостоянна. По этим двум причинам момент времени, приходящийся точно на середину гражданских суток и называемый средним солнечным полуднем, совпадает с истинным солнечным полуднем только четыре раза в году. В остальные дни гражданский полдень либо опережает истинный солнечный, либо запаздывает относительно него. Это же относится вообще к любому моменту времени, а не только к полудню.

Разница между истинным и средним солнечным временем называется уравнением времени. Чтобы по показаниям солнечных часов получить показания наручных, надо учесть уравнение времени. Кроме того, обычно требуется внести поправку на поясное время, декретное время и, если последнее введено, поправку на летнее время.

Обычные часы помогают решать практические вопросы — не опоздать на работу, вовремя проснуться. Это очень полезная вещь — обычные часы. В мире, где расписание поездов и цена на бензин реальнее самих законов Кеплера, без обычных часов не прожить и дня. Тем не менее, результаты эволюции нельзя отменить и наши тела продолжают жить по истинному солнечному времени и продолжают помнить, как себя чувствовали наши далекие предки, не отделяющие еще время от пространства, а себя от природы и счастливые уже по одной этой причине.

Солнечные часы помогают нам более сдержанно оценивать свою роль в этом мире. Они помогают нам не забыть, что Земля это очень маленькая планета с ограниченными ресурсами, что вращается она вокруг желтой звезды среднего размера, а сама эта звезда всего лишь одна из великого множества ей подобных составляющих нашу малую родину — Галактику Млечный путь.

В этой статье мы рассмотрим историю солнечных часов, первых из созданных человеком. Необходимость измерять время была продиктована потребностью древнего человека следить за сменой времен года. Время посева, сбора урожая, сезонность передвижения перелетных птиц было важно для человека.

История солнечных часов началась тогда, когда человеку стала очевидна связь между расположением и длиной солнечной тени от предметов и положением Солнца на небосводе. До наших дней сохранилось несколько древних грандиозных сооружений, позволяющих с удивительной точностью отслеживать положение Солнца, звезд и Луны на небосводе, восходы и заходы небесных объектов в каждый из дней года.

История солнечных часов

Одним из таких сооружений в Европе является Стоунхендж, служивший весьма точным календарем для прогнозирования смены времен года, нужного для ведения сельского хозяйства, и обсерваторией для предсказания солнечных и лунных затмений, необходимого, по видимому, для осуществления культовых обрядов.

Время его постройки, согласно исследованиям ученых, датируется 1850-м годом до н.э.

Огромные каменные постройки для астрономических наблюдений найдены в разных уголках мира: на территориях Древнего Вавилона, Египта, в Китае.

Самые известные из них это "Игла Клеопатры", находящаяся сейчас в Лондоне, и гигантский обелиск недалеко от Каира, построенный за 3000 лет до н.э.

История солнечных часов берет свое начало в Ассирии и Вавилоне. Вавилоняне достигли больших успехов в астрономии и математике.

Одним из инструментов, необходимых для астрономических наблюдений являлись полусферические солнечные часы, которые они приспособили и для определения ночного времени. Двенадцать известных древним астрономам созвездий, которые мы сейчас знаем как "знаки зодиака", появлялись в небе с разницей в один час.

Шар из проволоки скользил по циферблату в виде чаши. Вокруг шара был круг, представляющий эклиптику.

На нем изображались двенадцать созвездий, так чтобы угловые расстояния соответствовали реалиям.

По такому инструменту можно было определить место Солнца на проволочной сфере, если иметь знание о положении дневного светила в том или ином знаке зодиака.

Этот астрономический прибор позволял заметить разницу между солнечным и звездным временем, сравнить время пути Солнца и созвездий по эклиптике. Сравнение производилось с помощью водяных часов (клепсидры).

Таким образом, солнечные часы (гномон) Древнего Вавилона положили начало развитию самостоятельной ветви науки - гномоники, тесно связанной с астрономией и математикой.

В музеях Каира и Берлина находятся несколько древних инструментов для наблюдений за Солнцем и звездами, найденных при раскопках в Египте.

Самое раннее упоминание в египетских рукописях о солнечных часах датируется 1521 годом до н.э., хотя это вовсе не означает, что до этого времени они там не использовались.

Египетские солнечные часы того периода определяли время по длине тени от гномона.

О солнечных часах в Древней Иудеи мы знаем из Книги Пророка Исайи. Когда царь Езекия просит у Бога знамение, Бог отвечает ему через своего Пророка: " - Вот, я возвращу назад на десять ступеней солнечную тень, которая прошла по ступеням Ахазовым. И возвратилось солнце на десять ступеней по ступеням, по которым оно сходило." (Исайя 38;8)

Итак, что же представляли из себя "Ахазовы ступени"?

Исследователи Священного Писания полагают, что это не что иное, как солнечные часы, устройство которых Ахаз позаимствовал у ассирийцев и вавилонян.

Как полагают те же исследователи они представляли из себя стоящую на возвышении колонну, от нее вниз шли ступени, являющиеся делениями, по падению тени на которые определяли время. Время правления царя Ахаза 873-852 годы до н.э.

В Китае гномоном пользовались для определения времен года с VIII века до нашей эры.

В округе Гуйчжоу археологи нашли нефритовые солнечные часы, относящиеся к III-му веку до н.э. Из-за особенностей исчисления времени, история солнечных часов в Китае достаточно самобытна.

Это был диск из камня с установленным в центре гномоном.

На двух сторонах диска была шкала, возле делений которой написаны названия 12-ти китайских сдвоенных часов.

По верхней части диска измеряли время от весеннего до осеннего равноденствия, а по нижней части от осеннего до весеннего равноденствия.

Однако, история солнечных часов в Греции не так однозначна: существует мнение, что уже в X-м веке до н.э. в Грецию были привезены солнечные часы из Ассирийского или Вавилонского Царства. Несомненно лишь заимствование у вавилонян солнечных часов, что, учитывая торговые связи того времени, неудивительно.

В III-м веке до н.э. в Греции использовались полусферические солнечные часы, в которых наклон полусферы повторял наклон эклиптики на широте места где был изготовлен.

В античной Греции добились значительных успехов в астрономии и математике. Конические солнечные часы были изобретены на основе теории конических сечений Аполлония.

Суть этих часов в том, что ось вогнутого сегмента конуса находится параллельно Земной оси.

Конус направлен туда же, куда и горизонтальный гномон.

На основной, направленной на юг, стороне солнечных часов имелся циферблат, расположенный перпендикулярно конусной оси и параллельно экватору. Через разделенные на 12 равных частей дуги были проведены часовые линии.

Падающая тень пересекала эти дуги, и по точкам пересечения можно было узнать который час. Несколько конических солнечных часов сейчас хранятся в Лувре.

Плоские солнечные часы появились в результате усовершенствования конических. Такие часы с вертикальным циферблатом устанавливали на башне, чтобы по ним можно было издалека видеть который час. Так появились первые солнечные . В Афинах на Башне Ветров находятся едва ли не самые древние вертикальные солнечные часы, сохранившиеся до наших дней. Вообще, эта башня сама по себе уникальна уже тем, что является первой метеорологической станцией. На крыше был расположен флюгер, в ней самой находились водяные часы, на фасаде первые солнечные башенные часы.

В Риме первые солнечные часы появляются в 292 году до нашей эры. В результате Первой Пунической войны и уже после ее окончания римлянами были завоеваны греческие острова и часы были вывезены оттуда в качестве трофея. Впрочем из-за этого они показывали время того места, где были сделаны. Уже очень скоро солнечные часы стали неотъемлемой частью быта римлян. Их устанавливали на площадях, возле храмов и в других общественных местах.

На площади Монтечиторио в Риме и сейчас можно увидеть один из древнейших обелисков с солнечными часами. Установленный еще во времена императора Августа на Марсовом поле, он был убран с площади в эпоху упадка империи, но найден в 1463 г. и поставлен вновь в 1792 году.

Римляне стали устанавливать и использовать солнечные часы для разных бытовых нужд. Так, по ним регулировали вход в бани.

Появились часы на частных виллах и переносные солнечные часы, которые можно было брать с собой в дорогу. Они учитывали разницу во времени в крупных городах - Риме, Александрии и других. Существовали также солнечные часы для всех широт, из которых до наших дней сохранилось два экземпляра.

Римляне мало привнесли в развитие гномоники, они пользовались тем, что делали греческие мастера.

В начале Средних веков в Европе пользовались лишь солнечными и водяными часами.

Приблизительно в XIII в. там входят в употребление песочные часы,

которые, являясь альтернативой водяным, получают значительное распространение уже к началу XIV века.

В Византии, в Средневековье были популярны вертикальные солнечные часы. Их размещали на фасадах монастырей, башен, общественных зданий и храмов. На циферблатах впервые указывают числа. В связи с популярностью походных часов появляется профессия часовщика. Совершенствуется астролябия Гиппарха. В это же время арабские мастера учатся у византийцев изготавливать солнечные и водяные часы. Развитие гномоники в Индии и на мусульманском Ближнем Востоке в средневековье дает начало изучению тригонометрии, геометрии и математике. Индусы активно используют в расчетах теорему Пифагора и другие знания, заимствованные у эллинов.

К развитию тригонометрии у арабов привело появление переводов трудов Птоломея и индийских "сиддхант".

После завоевания турками Константинополя, на всех мечетях, в которые нередко переделывали Православные Храмы, устанавливали солнечные часы. По ним определяли время молитв, а на циферблате наносилась линия, указывающая направление на Мекку.

В Багдаде и Дамаске были построены обсерватории.

Переняв у византийцев искусство создания астролябий и угломерных инструментов, водяных и солнечных часов мусульманские ученые достигли больших успехов в их совершенствовании.

В Европе одним из первых людей, проявивших интерес к гномонике, был папа Сильверст II. Прочитав книги Боэция по геометрии и астрономии, где были описаны основные виды часов того времени, он написал трактат по геометрии, где озвучил основные правила для сооружения солнечных часов. Благодаря ему Европа узнала про устройство и применение астролябии. Это был X век нашей эры.

В XII - XIII веках арабские астрономические таблицы и трактаты перевели на латинский язык. Гномоника продолжила свое развитие уже в Европе.

Перевод греческих текстов в XIV веке способствовал новому интересу к науке и к гномонике, как ее частному направлению. В конце XIV в. Европа перешла на новый счет времени, основанный на равных дневных и ночных часах. И это был очень важный шаг для всей истории часов . Нужно было модернизировать солнечные часы к этому счету времени.

В XVI веке солнечные часы устанавливают на фасадах общественных зданий и Соборов, башнях и стенах. Они уже адаптированы для измерения равных часов. Набирают популярность переносные солнечные часы, в том числе совмещенные в исполнении с компасом. В XVI -XVIII веках они еще достаточно популярны, но по мере удешевления и совершенствования механических часов , применение их начинает постепенно падать. Как мы видим, история солнечных часов включает в себя различные временные периоды развития гномоники: от Древнего мира, через эпоху античности и средневековье до XIV века, когда набирающие популярность механические часы стали постепенно вытеснять солнечные.

Однако в наше время стало модным украшать солнечными часами парки, бульвары и скверы городов.

Солнечные часы Севастополя.

Так, например в 2008-м году, к 225-летию города, на Приморском бульваре Севастополя, вблизи Памятника затонувшим кораблям были устроены солнечные часы, которые несомненно стали украшением города. Они привлекают внимание многочисленных туристов и горожан. Циферблат выложен разноцветной плиткой, а тень небольшого гномона довольно точно показывает время.

История солнечных часов уже насчитывает не одно тысячелетие, но когда именно люди начали их применять достоверно неизвестно. Установлено, что в Древнем Египте, Вавилоне и Китае такими приборами пользовались ранее, чем за тысячу лет до нашей эры. Первые упоминания об определении времени по солнечным лучам с помощью специального устройства относятся к 1306-1290 гг. до н.э.

Любые солнечные часы имеют циферблат со шкалой и часовую стрелку, называемую гномоном. При этом по их ориентации солнечные часы подразделяются на горизонтальные, вертикальные и экваториальные. Существует множество их модификаций, такие как ступенчатые, кольцевые, пластинчатые, зеркальные, бифилярные и другие.

Солнечные часы это не обязательно диск, имеющий перпендикулярный гномон. Так, циферблат может быль полусферой или кольцом. Универсальными экваториальными часами можно пользоваться на всех широтах. В их конструкции участвуют два перпендикулярных друг другу кольца и гномон. Для определения времени необходимо выставить широту по шкале на одном из колец и установить дату. Затем часы поворачивают вокруг вертикальной оси, до появления на циферблате точки, показывающей время. В этот момент одно кольцо ориентировано на север вдоль меридиана, а второе - параллельно плоскости экватора.

В горизонтальных солнечных часах плоскость циферблата не перпендикулярна гномону, который должен быть параллелен земной оси, а также указывать на север, то есть угол между ними равен широте местности. Горизонтальные часы удобны и просты в установке. Для их использования на другой широте достаточно изменить угол и направить гномон на север.

В Древнем Египте были сконструированы разные модели солнечных часов, например, с горизонтальной шкалой, которая составляла угол 90 градусов с плоскостью местного меридиана, а гномонами их являлись обелиски, высота которых обычно достигала нескольких метров. Для того чтобы по ним узнать время, использовалось направление, которое указывала тень от гномона. Еще одни солнечные часы, именуемые «ступенчатыми», имели две поверхности, наклоненные на восток и на запад и поделенные на уровни. При движении солнца тень перемещалась с одной ступени на другую, и время определялось по ее длине.

В Центральной Европе до XV века широкое распространение получили настенные вертикальные солнечные часы, гномон которых был горизонтальным. Правда точность определения времени по ним была невысока.

В тоже время существовало несколько вариантов дорожных хронометров, например, кольцевые солнечные часы. Они представляли собой два кольца, в одном из которых было отверстие для прохождения солнечного луча, а на другое наносились шкалы месяцев и часов. Были еще пластинчатые часы, в конструктивное решение которых входили две, иногда три, одинаковые пластинки, имевшие прямоугольную форму и скрепленные между собой, при этом на нижней устанавливался компас.

Имеется описание средневековых восьмигранных палок с четырьмя сквозными отверстиями в ручках, в которые для определения времени надо было вставлять металлические стержни. Примерно тогда же появились оконные хронометры. Они относились к вертикальным. Принцип работы солнечных часов заключался в использовании окна ратуши или храма в качестве циферблата с нанесенной полупрозрачной шкалой. Это давало возможность узнавать время, находясь внутри помещения. Зеркальные солнечные часы использовали отраженный с помощью зеркала солнечный луч, который они направляли на стену здания, где находился циферблат.

С незапамятных времен люди организуют свою жизнь по видимому движению Солнца. Мы говорим «видимое движение», поскольку конечно же вращение Земли вокруг своей оси приводит к движению теней, которое мы наблюдаем каждый день. Каждый час Земля поворачивается на 15°, это выглядит также, как будто Солнце передвинулось на 15° по своему ежедневному пути. Оба подхода используется при изготовлении солнечных часов, но обычно принято считать, что движется именно Солнце. Возможно легче всего понять, как работают солнечные часы, если представить себе земной шар со стороны Северного полюса. На приведенном рисунке кажется, что это Солнце каждый час передвигается на 15°. Элемент солнечных часов, который отбрасывает тень называется «гномон».

Если смотреть строго сверху, со стороны воображаемой фотокамеры, то можно запечатлеть снимки тени, от воображаемого гномона в разное время:

Часы, которые мы представили себе расположенными на Северном полюсе, называются экваториальными солнечными часами. Это потому, что плоскость циферблата параллельна плоскости экватора.
Экваториальные солнечные часы можно назвать «базовыми», поскольку с их помощью можно построить много других типов солнечных часов. Это делается путем проецирования часовых линий экваториальных часов на любую другую подходящую поверхность. Полярные часы, изображенные ниже, — очевидный пример.

Середина зимы наступает в северном полушарии, когда ось вращения Земли наклонена в сторону от Солнца. С октября по март Солнце никогда не восходит на северном полюсе, а на южном — никогда не заходит.
Середина лета в северном полушарии наступает, когда ось вращения Земли наклонена в сторону Солнца. С апреля по сентябрь Солнце никогда не заходит на северном полюсе, а на южном — никогда не восходит.

Часы с толстым гномоном и их полуденная отметка

Солнцу требуется четыре минуты для перемещения на один градус долготы с востока на запад (в северном полушарии, а в южном — Солнце движется в противоположном направлении). Солнечные часы на одной и той же долготе (на одном меридиане) показывают одинаковое время. Солнечные часы на меридиане 4° западной долготы отстают на 16 минут от времени в Гринвиче (нулевой меридиан), а на меридиане 8° западной долготы отстают уже на 32 минуты. Пример: Плимут располагается в 4° 08’ западнее Гринвича, поэтому солнечные часы в Плимуте всегда отстают на 16 минут и 32 секунды. Соответственно, часы, расположенные восточнее Гринвича, спешат на время, рассчитанное из соотношения 1 градус — 4 минуты. В 1880 году, чтобы избежать хаоса на железных дорогах британский парламент установил среднее время в Гринвиче (GMT), как единое Британское время, и все часы соединенного королевства стали показывать такое же время, как часы Биг Бен в Лондоне. Первые точные механические часы были сделаны в 1656 году датским ученым Кристианом Гюйгенсом. Точность его поздних моделей составляла одну секунду в сутки. Выставляя свои механические часы по солнечным, Гюйгенс мог бы предположить, что его часы в течение года идут неточно, однако именно его часы были точны, а солнечные часы то опаздывают, то спешат. Показания всех известных часов не будут соответствовать показаниям солнечных часов, поскольку продолжительность солнечных суток увеличивается на несколько секунд в течение 3 месяцев, потом она соответственно уменьшается в течение 3 месяцев, а в оставшиеся полгода процесс повторяется. Если в каком-то месте мы направим камеру на штативе на юг и будем фотографировать в режиме мультиэкспозиции каждый полдень через 10 дней, мы увидим фигуру, напоминающую восьмерку.

Эта фигура называется аналемма. Появление такой фигуры обусловлено неравномерным движением Солнца по небесной сфере. Из-за эксцентриситета земной орбиты зимой в северном полушарии сутки длятся немного больше, чем летом, а в южном – наоборот. Поэтому было введено такое понятие как средние солнечные сутки, равные 24 часам на протяжении всего года. Для определения понятия средних солнечных суток вводится дополнительное понятие «среднее Солнце» – фиктивная точка, которая равномерно движется по небесному экватору (не по эклиптике!). Разница между средним и солнечным временем называется уравнением времени. Уравнение времени позволяет переходить от истинного солнечного времени к среднему солнечному и наоборот. Чтобы воспользоваться уравнением времени нам нужна или таблица со значениями коррекции в минутах и секундах на каждый день, или годовой график, по которому мы можем определить величину ежедневной коррекции

Если бы Земля застыла на одном месте и только бы вращалась вокруг своей оси, то продолжительность всех дней была бы одинаковой. Однако, когда мы смотрим на Солнце, то наблюдаем его сами находясь в движении. Именно изменение скорости нашего движения по эллиптической орбите вокруг Солнца и наклон оси вращения Земли определяют значения уравнения времени.
Солнечные часы, ориентированные точно на юг, имеют вертикальную полуденную линию по центру циферблата и часовые отметки, симметричные относительно нее.

Солнечные часы на стенах, которые не ориентированы строго по сторонам света, называются повернутыми. Полуденная линия повернутых часов тоже будет вертикальной, однако сам гномон будет повернут так, чтобы совпадать с осью вращения Земли.

Изготовить солнечные часы не сложно. Основные правила просты: гномон должен быть ориентирован вдоль направления строго на север и быть параллельным оси мира, т.е. иметь наклон относительно горизонта на угол равный широте места установки часов. При использовании солнечных часов нужно принять во внимание, что в повседневной жизни в Российской Федерации мы пользуемся средним декретным временем, т.е. временем для основного меридиана принятого часового пояса плюс один час. Например, Санкт-Петербург расположен на меридиане 30 градусов восточной долготы, что соответствует основному меридиану второго часового пояса. Значит, чтобы перейти к показаниям солнечных часов, помимо уравнения времени, необходимо прибавлять один час, или сместить шкалу солнечных часов на один час вперед. В Москве еще сложнее, т.к. она расположена восточнее основного меридиана второго часового пояса на 7 градусов. Не сложно вычислить, что 7 градусов долготы соответствует 28 минутам времени. Т.е. полдень наступает в Москве на 28 минут раньше, чем в Санкт-Петербурге. Поэтому постоянная поправка для показаний солнечных часов, расположенных на меридиане 37 градусов к московскому среднему времени составит +1 час 28 минут. Также не следует забывать об уравнении времени. Среднее время совпадает с показаниями солнечных часов только четыре раза в году – 15 апреля, 12 июня, 1 сентября и 24 декабря. В остальные дни года солнечные часы либо спешат, либо отстают в пределах (+ 14) – (-16) минут. Обычные часы помогают решать практические вопросы - не опоздать на работу, вовремя проснуться. Это очень полезная вещь - обычные часы для яхтинга. В мире, где расписание поездов и цена на бензин реальнее самих законов Кеплера, без обычных часов не прожить и дня. Тем не менее, результаты эволюции нельзя отменить и наши тела продолжают жить по истинному солнечному времени и продолжают помнить, как себя чувствовали наши далекие предки, не отделяющие еще время от пространства, а себя от природы и счастливые уже по одной этой причине. Солнечные часы помогают нам более сдержанно оценивать свою роль в этом мире. Они помогают нам не забыть, что Земля — это очень маленькая планета с ограниченными ресурсами, что вращается она вокруг желтой звезды среднего размера, а сама эта звезда всего лишь одна из великого множества ей подобных составляющих нашу малую родину - Галактику Млечный путь.

Солнечные часы представляют собой плоскость с закрепленным на ней гномоном. В зависимости от расположения плоскости часы делятся на экваториальные, горизонтальные и вертикальные. Можно изготовить и более сложные виды солнечных часов, однако мы не будем рассматривать их в этой книге, ведь наша цель - объяснить базовые астрономические понятия и математические законы, необходимые для создания этого прибора.

Принцип действия солнечных часов основан на видимом движении Солнца, которое мы наблюдаем с Земли. Так как Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, нам кажется, что Солнце каждый день встает на востоке и садится на западе. Так как мы видим, что Солнце движется относительно оси вращения Земли, гномон солнечных часов должен быть направлен вдоль этой оси независимо от того, где мы их установим. Таким образом, важно знать координаты места, где будут установлены наши часы, в частности широту (знать долготу нужно будет только для того, чтобы определять время по солнечным часам, но об этом мы расскажем чуть позже).

Чтобы гномон был направлен вдоль оси вращения Земли, нужно, чтобы он указывал на Полярную звезду, или на Северный полюс мира (если мы находимся в Северном полушарии), либо на Южный полюс мира (если мы находимся в Южном полушарии). В любом случае угол между гномоном и плоскостью горизонта должен равняться широте места, где установлены часы.

Как показано на рисунке, угловая высота полюса мира над плоскостью горизонта равна широте точки наблюдений, то есть углу между земным экватором и точкой наблюдений, отложенному на меридиане места. Широта определяется углом между плоскостью земного экватора и отвесом или, что аналогично, угловой высотой полюса, или оси вращения Земли, относительно плоскости горизонта. Эти углы равны, так как их стороны соответственно перпендикулярны.

Экваториальные солнечные часы

В зависимости от расположения циферблата существуют различные виды таких часов. Начнем с самого простого случая - солнечных часов, циферблат которых параллелен экватору. В дни осеннего и весеннего равноденствия Солнце движется по небесному экватору, а в другие дни - параллельно ему и в конце концов достигает Северного тропика (с отклонением +23,5°) или Южного тропика (с отклонением -23,5°). Для изготовления простейших солнечных часов достаточно расположить плоскость параллельно плоскости небесного экватора и закрепить на ней гномон, направленный вдоль оси вращения Земли, как показано на следующем рисунке. Таким образом, угол наклона гномона относительно горизонтали будет равен широте места, где установлены часы. Гномон необходимо направить в сторону полюса мира, то есть вдоль линии север - юг. Для этого можно воспользоваться компасом и учесть небольшое отклонение, вызванное тем, что Северный географический полюс и Северный магнитный полюс не совпадают. Впрочем, этой ошибкой можно пренебречь.

Плоскость экватора будет располагаться перпендикулярно оси вращения Земли и, следовательно, перпендикулярно прямой север - юг, лежащей в плоскости горизонта. Линия на циферблате, соединяющая точку пересечения гномона с плоскостью часов и точку пересечения плоскости часов с линией север - юг, на которой расположены часы, будет указывать полдень. Очевидно, что Солнце будет проходить над линией север - юг точно в полдень. Остальные часы размечаются под равными углами 13°, так как Солнце совершает полный оборот в 360° за 24 часа (360/24 = 15°).

Эти солнечные часы, несомненно, изготовить проще всего, однако они обладают любопытной особенностью: весной и летом они указывают время в верхней части плоскости, осенью и зимой - в нижней части плоскости. Следовательно, циферблат нужно разметить с двух сторон, как показано на рисунке. Это самые простые, но не самые популярные часы: чаще всего циферблат солнечных часов располагается горизонтально или вертикально. Горизонтальные и вертикальные часы можно изготовить на основе экваториальных, построив простую проекцию и применив основные тригонометрические функции.

Горизонтальные солнечные часы

Плоскость этих часов расположена строго горизонтально. Гномон образует с линией север - юг угол, равный широте точки, в которой установлены часы, и направлен в сторону полюса мира. Прямая север - юг будет указывать 12 часов. Расположение остальных линий на циферблате определяется по следующему выражению

где ? - угол между линией, указывающей 12 часов, и искомой часовой линией,

Н = 15°, 30°, 43°…, соответственно, согласно следующей иллюстрации.

Вертикальные солнечные часы Спроецировав часовые линии экваториальных солнечных часов на вертикальную плоскость, направленную вдоль линии запад - восток, получим линии циферблата новых часов. Нужно всего лишь учесть, что tg ? = СА/АО, tg H = СА/АВ, sin (90° - ф) = АВ/АО, откуда следует, что tg ? = tg Н соs ф. При Н = 15° ? будет углом, под которым расположена часовая линия, указывающая 11 и 13 часов. При Н = 30° угол? укажет расположение часовой линии 10 и 14 часов и так далее до линии 6 и 18 часов.

Однако стены большинства домов не направлены вдоль линии запад - восток, а образуют с этой линией некоторый угол, который можно точно измерить. В этом случае разметка циферблата заметно усложняется. Необходимые для этого тригонометрические расчеты приведены в приложении.

<<< Назад

Вперед >>>