Zegar słoneczny to urządzenie służące do określania czasu na podstawie pozornego ruchu Słońca. Obiekt napromieniowany przez Słońce rzuca cień, a czas można określić na podstawie rzeczywistej pozycji cienia. Pomiar czasu jest matematycznie pochodną kombinacji dwóch podstawowych ruchów Ziemi i Słońca. Z regularnego obrotu Ziemi wokół własnej osi (pora dnia) i z obrotu Ziemi wokół Słońca (pora roku). Jest to prawdopodobnie najstarsze i najbardziej rozpowszechnione z elementarnych (tj. wykorzystujących naturalne elementy) urządzeń do pomiaru czasu, które obejmują klepsydry, zegary wodne, zegary olejowe i inne. Większość typów zegarów słonecznych ma tarczę od 6:00 rano do 6:00 po południu. Cyfry są zazwyczaj cyframi rzymskimi. Pierwsze zegary słoneczne powstały prawdopodobnie już siedem tysięcy lat temu.
Drewniany kołek wbijany prostopadle w ziemię najprawdopodobniej służył jako główny wskaźnik zegara słonecznego. Został on następnie zastąpiony przez obrobiony kamień - gnomon.
Najwcześniejsze zegary słoneczne znane są z wykopalisk archeologicznych w Knowth (Irlandia, środkowy wschód). Pochodzą one z około 5000 r. p.n.e. Około 3500 r. p.n.e. obeliski były już używane w Egipcie, Babilonii, Indiach i Chinach, służąc jako gnomon.
Między 2000 a 1500 r. p.n.e. poświadczone jest użycie egipskiego zegara cieniowego (prawdopodobnie pierwszego przenośnego typu). Początki ich historii można znaleźć w Egipcie w drugim tysiącleciu p.n.e., kiedy to powstały drewniane, metalowe i kamienne zegary. Były to zasadniczo poziome linijki ze znacznikami godzin i prostopadłymi poziomymi wskazówkami na jednym końcu. Później, w czasach hellenistycznych, zostały one wyposażone w linie dla różnych pór roku. Mniejsze wersje scaphe były również używane jako przenośne.
Uważa się, że starożytni Grecy zostali wprowadzeni do budowy zegarów słonecznych przez Anaksymandra z Miletu około 560 roku pne. Według Herodota starożytni Grecy przejęli wiedzę na temat zegara słonecznego od Babilończyków, a cała nauka dotycząca budowy i znajomości zegara słonecznego była dalej rozwijana. Było to możliwe dzięki ich zaawansowanej wiedzy z zakresu matematyki i geometrii, a w szczególności dzięki znajomości przekrojów stożkowych, takich jak hiperbola, parabola i elipsa, które są krzywymi narysowanymi przez węzeł. Teodozjusz z Bitynii (160-100 p.n.e.), matematyk i astronom, wprowadził do greckiego świata zegar słoneczny, który mógł być używany w dowolnym miejscu na Ziemi. Powszechne było również stosowanie zegarów pionowych, z poziomą wskazówką - rysikiem i tarczą zegara czasowego. Przykładem może być ateńska Wieża Wiatrów, zbudowana w latach 50-41 p.n.e.
W 25 r. p.n.e. rzymski autor Witruwiusz wymienił wszystkie znane typy zegarów słonecznych w księdze VIII swojego tomu "Dziesięć ksiąg o architekturze" (De architectura libri decem) i wymienił je wraz z ich greckimi wynalazcami. Wszystkie z nich prawdopodobnie wykorzystywały nodus i różniły się jedynie powierzchnią, na którą padał cień.
Rzymianie przejęli konstrukcję i wykorzystanie zegarów słonecznych od Greków, do tego stopnia, że Plaut w jednej ze swoich sztuk narzeka, że jego dzień jest pocięty na kawałki przez wszechobecny zegar słoneczny.
Słynny rzymski obelisk na Placu Świętego Piotra, o wysokości 35,5 metra, został przywieziony z Heliopolis (niedaleko dzisiejszego Kairu) przez cesarza Kaligulę w 38 r. n.e.. Podobnie prace archeologiczne prowadzone na rzymskim Piazza del Popolo, gdzie znajduje się 36-metrowy obelisk pochodzenia egipskiego z XII wieku p.n.e., ujawniły dużą, miejską tarczę.
Odkrycie polosa (wskaźnika równoległego do osi obrotu Ziemi) jest zwykle datowane na I wiek naszej ery. Po kilkuset latach popadł on jednak w zapomnienie. Około 605 roku papież Sabinianus nakazał instalację zegarów słonecznych na kościołach. Następnie na ścianach chrześcijańskich kościołów i klasztorów zaczęły pojawiać się zegary słoneczne, ponownie z poziomymi wskazówkami i dzielące dzień na 4, 8 lub 10 części. Najstarszy zegar tego typu w Niemczech, na ścianie kościoła św. Michała w Fuldzie, został wykonany w 822 roku przez opata Hrabanusa Maurusa.
Najwcześniejszy zegar słoneczny w Anglii (oprócz tego w Knowth), uważany za tak zwany "Bewcastle Cross", w Cumbrii w północno-zachodniej Anglii, pochodzi z 800 roku. Tarcza podzielona jest na 4 części dnia roboczego, co miało wpływ na Wikingów i ich kulturę morską
Greckie tarcze zostały następnie przyjęte i udoskonalone przez kulturę islamską oraz w Europie w okresie po renesansie. Greckie zegary wykorzystywały nodos i proste linie godzinowe, wyświetlając w ten sposób niedokładny czas. Nazywa się to "czasem temporalnym". Oznacza to, że czas zmienia się wraz z porami roku. Każdy dzień był podzielony na 12 równych części, a zatem godzina wskazywana przez taki zegar była krótsza zimą niż rzeczywista długość godziny. I odwrotnie, godzina pokazywana latem była dłuższa. Takie zegary odmierzały więc dokładnie czas tylko w czasie równonocy. W celu wyeliminowania tego problemu, w 1371 r. n.e. Abu'l-Hasan Ibn al-Shatir zmienił kierunek gnomonu z "prostopadłego do powierzchni miejsca" na "kierunek wyznaczony przez oś obrotu Ziemi", wskazując w ten sposób na Polaris. Ta znacząca poprawa wynikała również z faktu, że al-Shatir wykorzystał wielkie postępy w trygonometrii dokonane przez Muhammada ibn Jabira al-Harrani al-Battani (Albategni). Ibn al-Shatir zdał sobie sprawę, że użycie gnomonu równoległego do osi obrotu Ziemi umożliwiłoby stworzenie zegara słonecznego, który wyświetlałby taką samą długość godzin w każdym dniu roku. Jego zegar jest najstarszym zachowanym zegarem polarnym. Koncepcja ta zaczęła później pojawiać się w zegarach słonecznych na zachodzie, od co najmniej 1446 roku.
W 1524 r. francuski astronom Oronce Finé skonstruował zegar słoneczny z kości słoniowej. W 1525 roku Albrecht Dürer opublikował w Norymberdze traktat zatytułowany "Underweysung der Messung mit dem Zirckel und Richtscheyt". Opisał w nim konstrukcję tarczy poziomego i pionowego zegara słonecznego przy użyciu linijki i kompasu. Książka zawiera również jego własny projekt zegara słonecznego na dziesięciokącie. Różne rodzaje przenośnych i kieszonkowych zegarów zaczęły się rozprzestrzeniać w Europie w XVI wieku po rozpowszechnieniu się kompasu w połowie XVI wieku. Popularne były na przykład równikowe zegary podróżne wykonane z mosiądzu, a także dyptykowe (lub płytowe) zegary podróżne wykonane z kości słoniowej lub tańsze wersje wykonane z drewna, a także poziome zegary stołowe wykonane z mosiądzu lub szlachetniejszych rodzajów kamienia. W 1570 roku włoski astronom Giovanni Padovani opublikował traktat, w którym opracował procedurę produkcji i późniejszego umieszczania zarówno poziomych, jak i pionowych zegarów słonecznych. Co więcej, w 1620 roku Giuseppe Biancani napisał "Constructio instrumenti ad horologia solaria", w którym opisał sposób wykonania zegara słonecznego wraz z towarzyszącymi mu ilustracjami.
Rozwój przemysłu, manufaktur, podróży i innych gałęzi ludzkiego społeczeństwa sprawił, że coraz bardziej konieczne było stosowanie bardziej precyzyjnych metod pomiaru czasu, a także stawiał większe wymagania co do jego mobilności. Zapotrzebowanie na zegary słoneczne stopniowo malało wraz z udoskonalaniem mechanicznych zegarów kołowych, ale nadal były one używane przez długi czas, na przykład do regulacji zegarów wieżowych. Prawdziwy zmierzch praktycznego wykorzystania zegarów słonecznych nastąpił jednak wraz z porozumieniem w sprawie wprowadzenia czasu strefowego na Konferencji Waszyngtońskiej w 1884 roku. Obecnie zegary słoneczne pełnią raczej funkcję dekoracyjną niż użytkową, mierząc tak zwany prawdziwy czas słoneczny, który może różnić się od średniego czasu słonecznego nawet o +16 minut lub -12 minut (patrz równanie czasu).
Planeta Ziemia wykonuje dwa ważne ruchy: obrót wokół własnej osi i orbitę wokół Słońca. Gdy Ziemia obraca się wokół własnej osi, powoduje to, że Słońce pozornie krąży ze wschodu na zachód. W ciągu roku możemy zauważyć, że pozorna ścieżka Słońca na niebie zmienia się w ciągu roku. Wynika to z eliptycznej orbity Ziemi wokół Słońca, gdzie Słońce znajduje się w jednym punkcie orbity. Odległość Ziemi od Słońca zmienia się zatem w ciągu roku, będąc najmniejszą w peryhelium i największą w aphelium. W wyniku 2. Prawa Keplera, Ziemia porusza się najszybciej w peryhelium i najwolniej w aphelium. Ponadto oś Ziemi nie jest prostopadła do płaszczyzny orbity Ziemi, ale jest odchylona od prostopadłej o około 23,5°. Obie te przyczyny powodują, że długość godziny na zegarze słonecznym zmienia się w ciągu roku. Zegary słoneczne zazwyczaj podają prawdziwy czas słoneczny lokalnego południka. Zegar pokazuje czas środkowoeuropejski, czyli czas 15. południka, przechodzącego przez miasta takie jak Český Dub czy Jindřichův Hradec, tylko zimą i w przybliżeniu. Jeśli więc znajdujemy się jeden stopień na wschód od 15 południka (np. Holice, Velké Meziříčí), musimy odjąć 4 minuty od czasu słonecznego i dodać 4 minuty na zachodzie (np. Nižbor, Příbram). Jeśli Ziemia obraca się wokół własnej osi mniej więcej raz na 24 godziny, możemy podzielić kulę ziemską na 24 części za pomocą okręgów zegarowych, które będą przechodzić przez bieguny. Ponieważ pełny kąt 360° orbity Słońca w ciągu dnia odpowiada 24 godzinom, na 1 godzinę przypada kąt 15°.
Zrozumienie zasady działania zegara słonecznego jest najłatwiejsze i najprostsze dzięki średniowiecznemu modelowi ruchu Słońca. Nauka udowodniła, że Ziemia obraca się wokół własnej osi i krąży po eliptycznym torze wokół Słońca. Jednak do uzyskania tej szczegółowej wiedzy potrzebne były obserwacje astronomiczne i eksperymenty fizyczne. Dla celów nawigacji i projektowania zegarów słonecznych doskonałym uproszczeniem i ułatwieniem jest założenie, że Słońce obraca się wokół statycznej Ziemi wewnątrz sfery niebieskiej (kuli), która obraca się co 23 godziny i 53 minuty wokół swojej osi niebieskiej (linia prosta narysowana między biegunami niebieskimi). Jeśli oś niebieska pokrywa się z osią Ziemi, wówczas jej kąt względem płaszczyzny lokalnej jest równy lokalnej szerokości geograficznej. Podczas gdy gwiazdy są statyczne i nie zmieniają pozycji na sferze niebieskiej, Słońce porusza się wzdłuż sfery niebieskiej, mając dodatnie nachylenie (deklinację) latem, ujemne nachylenie (inklinację) zimą i mając dokładnie zerowe nachylenie w równonoc (tj. Słońce znajduje się na równiku niebieskim). Droga Słońca na sferze niebieskiej jest znana jako ekliptyka i przechodzi przez wszystkie 12 znaków zodiaku w ciągu jednego roku.
Taki model ruchu Słońca pomoże lepiej zrozumieć zasadę działania zegara słonecznego.Jeśli wskazówka rzucająca cień jest identyczna z biegunami niebieskimi, to jej cień obraca się z tą samą prędkością i obrót ten nie zmienia się w zależności od pory roku.Zasada opisana powyżej jest najbardziej znaną konstrukcją i w takich przypadkach nawet ta sama liczba linii godzinowych jest używana przez cały rok.Linie godzinowe są rozmieszczone regularnie, jeśli powierzchnia, na którą pada cień, jest prostopadła (jak w równikowym zegarze słonecznym) lub kołowo symetryczna wokół wskazówki (jak w sferze armilarnej, gdzie termin "armilla" jest nazwą "modelu sfery niebieskiej").W innych przypadkach odstępy między segmentami skali nie są regularne, nawet gdy cień obraca się równomiernie, a zatem skale tarczy muszą być odpowiednio dostosowane.Promienie światła, które uderzają w górną część wskaźnika lub przechodzą przez wąską szczelinę, rysują stożek, który jest współosiowy z biegunami sfery niebieskiej.Odpowiedni punkt światła lub szczyt cienia, który pada na płaską powierzchnię, będzie przedstawiał stożkowy przekrój podobny do hiperboli, elipsy lub (na biegunie północnym lub południowym) okręgu.Ten stożkowy przekrój jest wynikiem przecięcia stożka promieni świetlnych z płaską powierzchnią. Ten stożek i jego stożkowa część zmieniają się wraz z porą roku, tj. wraz ze zmianą nachylenia (deklinacji / inklinacji) Słońca.
Dlatego też zegary słoneczne, które wykorzystują ten ruch punktu światła lub szczytu cienia, często mają różne tarcze dla różnych pór roku (takie jak zegar słoneczny Shepherd's Hole, zegar słoneczny pierścieniowy i pionowy gnomon obelisku).
Zegar słoneczny pokazuje lokalny czas słoneczny (o ile nie został w żaden sposób skorygowany). Aby uzyskać równomiernie działający czas standardowy, należy wprowadzić trzy podstawowe poprawki.
Zdjęcie: Tomasz Górny (Nemo5576)
Komentarze (2)
najlepsze
Astro Kowal