Jak działają zegary słoneczne

Jak działają zegary słoneczne?
Od niepamiętnych czasów ludzie regulowali swoje życie według pozornego ruchu Słońca wokół
Ziemi i cienia rzucanego przez jego promienie. Używamy określenia „pozorny”, gdyż oczywiście to
obrót Ziemi wokół jej osi sprawia, że cień się przesuwa (co możemy zaobserwować każdego dnia).
Obrót Ziemi o 15° odbieramy jako przesunięcie się Słońca o 15° po swej codziennej trasie. Twórcy
zegarów słonecznych korzystają z obydwu spojrzeń na to zagadnienie, jednak zwykle łatwiej
myśleć, że to Słońce się porusza.
Zasadę działania zegarów słonecznych najłatwiej zrozumieć wyobrażając sobie zdjęcie Ziemi
wykonane dokładnie od strony bieguna północnego. Na poniższym rysunku to Słońce obraca się
wokół Ziemi o 15° w ciągu jednej godziny. Element zegara słonecznego, który rzuca cień zwykle
określa się terminem GNOMON i to właśnie jego krawędzie wskazują czas na tarczy zegara.

Widok bieguna polarnego

Poniższy rysunek pokazuje cztery „zdjęcia” wykonane aparatem fotograficznym umieszczonym
bezpośrednio nad biegunem północnym. Na wszystkich czterech widokach Ziemia obraca się wokół
swojej osi, zaś Słońce stoi cały czas w jednym miejscu. Zdjęcie pierwsze pokazuje południe na
zerowym południku w Greenwich. Drugie obrazuje obrót Ziemi o 15°, co trwa jedną godzinę (godz.
13.00). Na trzecim zdjęciu widać kolejny obrót o 15° (godz. 14.00). Zdjęcie ostatnie pokazuje
Ziemię po pełnym obrocie wokół swojej osi, czyli o 360°.

Równikowy zegar słoneczny

Zaskakującym może być fakt, że zegar słoneczny, który umieściliśmy na wizualizacji bieguna
północnego, nazwaliśmy RÓWNIKOWYM. Zrobiliśmy tak dlatego, że leży on równolegle do
płaszczyzny Równika, co ilustruje poniższy rysunek.

Polarny zegar słoneczny
Zegar równikowy czasem nazywa się ZEGAREM WZORCOWYM, gdyż według niego można
wyrysować wiele innych rodzajów zegarów słonecznych. Robi się to przez projekcję jego linii
godzinowych na odpowiednio ustawioną powierzchnię. Poniższy polarny zegar słoneczny jest
najlepszym przykładem.

Oś obrotowa Ziemi
Środek zimy na półkuli północnej ma miejsce wtedy, gdy oś Ziemi osiąga najdalsze odchylenie od
Słońca. Między październikiem a marcem Słońce w ogóle nie pojawia się na biegunie północnym,
podczas gdy na biegunie południowym nie zachodzi.
Środek lata na półkuli północnej ma miejsce wtedy, gdy oś Ziemi odchyla się dokładnie w kierunku
Słońca. Między kwietniem a wrześniem Słońce na biegunie północnym nie zachodzi, podczas gdy
na biegunie południowym w ogóle nie wschodzi.

Zegary słoneczne na biegunach i na Równiku

Na półkuli północnej liczby na tarczy zegara

słonecznego zwróconego ku niebu biegną w kierunku ruchu wskazówek zegara.

Zegar równikowy ustawiony na Równiku potrzebuje do działania dwóch tarcz i dwóch gnomonów.
Tarcza północna jest oświetlona od marca do września, zaś południowa od września do marca.

Na półkuli południowej liczby na tarczy zegara słonecznego zwróconego ku niebu biegną
w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Zegary słoneczne na różnych szerokościach geograficznych

Gnomon w zegarze równikowym jest

zawsze równoległy do osi Ziemi.

Zegar równikowy ustawiony na Równiku przypomina koło zawieszone na osi.

W krajach europejskich kąt nachylenia gnomona mieści się w przedziale od 40° do 60°. Kąt
pomiędzy gnomonem a podłożem równa się szerokości geograficznej danego miejsca. Górna
powierzchnia zegara działa latem, zaś dolna zimą.
Horyzontalne zegary słoneczne na różnych szerokościach geograficznych

Podczas gdy tarcza zegara słonecznego leży płasko na Ziemi (zegar horyzontalny), gnomon
pozostaje równoległy do osi Ziemi.
Kąt pomiędzy gnomonem a tarczą zegara równy jest szerokości geograficznej danego miejsca.
W tym przykładzie jest to mniej więcej 40° N (szerokości geograficznej północnej).

Tak widzą to lokalni mieszkańcy.

Wielokrotny zegar słoneczny

Model na zdjęciu obok pokazuje zależność trzech najpopularniejszych typów zegarów słonecznych
od zegara równikowego (wzorcowego).

Wszystkie cztery słoneczniki pokazują tę samą godzinę (9.00 rano) za pomocą cienia wspólnego
gnomonu.

Ten rodzaj gnomonu jest często nazywany BIEGUNOWYM.

Czerwono-białe paski na wskaźniku mają charakter wyłącznie poglądowy.

Gnomony płaskie i luka południowa

Zegar horyzontalny dla 55°N (szerokości geograficznej północnej).

Poranne cienie od 4.00 do 6.00 rzucane są przez wschodnią (tutaj czerwoną) krawędź wskaźnika.

Przedpołudniowe cienie od 6.00 do południa rzucane są przez zachodnią (tutaj zieloną) krawędź
wskaźnika.

Zegar horyzontalny dla 55°N (szerokości geograficznej północnej).

Popołudniowe cienie od godz 12.00 do 18.00 rzucane są przez wschodnią (tutaj czerwoną) krawędź

wskaźnika.

Wieczorne cienie od 18.00 do 20.00 rzucane są przez zachodnią (tutaj zieloną) krawędź wskaźnika.

Słoneczne południe wskazywane jest przez obie krawędzie wskaźnika jednocześnie, co tworzy
LUKĘ POŁUDNIOWĄ.

Zakres godzin na różnych szerokościach geograficznych

Horyzontalne zegary słoneczne na różnych szerokościach północnych

Zwróć uwagę, jak ściśnięte są linie godzinowe w okolicach południa na zegarze dla szerokości
20°N, zaś bardziej równomiernie rozłożone na zegarze dla szerokości 68°N.
Na Równiku zegar horyzontalny staje się polarnym.
Zauważ jak rośnie ilość wskazywanych godzin wraz z postępem ku północy.

Czas słoneczny, uwzględnienie długości geograficznej i czas uniwersalny (GMT)

W swojej drodze ze wschodu na zachód, Słońce potrzebuje 4 minut by pokonać 1° długości
geograficznej. Wszystkie zegary słoneczne ustawione na tej samej długości geograficznej (czyli na
tym samym południku) pokazują ten sam czas, co dla jasności pokazano poniżej za pomocą
zegarów wskazówkowych. Zegary słoneczne na południku 4° spóźniają się w stosunku do
południka Greenwich (0°) o 16 minut, a te na 8° o 32 minuty.
Przykład: Miasto Plymouth leży o 4° 08' na wschód od Greenwich. Zatem zegary słoneczne
w Plymouth pokazują czas o 16 minut i 32 sekundy późniejszy niż słoneczniki w Greenwich o tej
samej porze.
Aby uniknąć chaosu wywołanego pierwszymi szybkimi połączeniami kolejowymi wschodu
z zachodem Anglii, w 1880 roku wprowadzono czas uniwersalny (GMT), dzięki czemu wszystkie
zegary w tym kraju wskazywały ten sam czas, co zegar Big Ben w Londynie.

Odkrycie analemy

W 1656 roku holenderski uczony Christian Huygens jako pierwszy zbudował precyzyjny zegar
mechaniczny oparty na wahadle. Jego późniejsze czasomierze działały z dokładnością do 1 sekundy
na dobę. Jeśli by codziennie regulować taki zegar względem zegara słonecznego, można by
pomyśleć, że mechaniczny działa niedokładnie i o różnych porach roku ta wielkość się zmienia.
Tymczasem prawda była taka, że to zegar mechaniczny działał punktualnie, podczas gdy wskazania
słoneczników były różne na przestrzeni roku.
Dzisiaj wiemy, że wszystkie zegary mechaniczne pokazują inny czas niż słoneczne, co wywołane
jest zmienną długością dnia wyznaczaną przez Słońce. Przez mniej więcej trzy pierwsze miesiące
roku każdy kolejny dzień jest dłuższy od poprzedniego o kilka sekund, po czym przez kolejne trzy
miesiące skraca się do punktu, w którym proces zaczyna się powtarzać. W ten sposób odkryto
analemę.

Mechanizm wahadłowy wynaleziony przez Christiana Huygensa i zastosowany w bardzo
precyzyjnych zegarkach jego produkcji.

Czym jest analema?

Gdyby ktoś spróbował wykonać serię zdjęć Słońca na tej samej klatce filmu otwierając migawkę co
dziesięć dni dokładnie w południe (12.00) według swojego zegarka, to zapewne spodziewałby się
efekty pokazanego na rysunku obok.

Po wywołaniu zdjęcia zobaczymy na

nim nie linię prostą, lecz figurę przypominającą spłaszczoną „ósemkę”. Tę właśnie figurę
nazywamy ANALEMĄ.
Różnicę we wskazaniach czasu słonecznego i czasu uniwersalnego określamy RÓWNANIEM
CZASU.
Do uwzględnienia codziennych poprawek we wskazaniach czasu przez zegary słoneczne,
posługujemy się tabelą z dokładnymi wartościami w minutach i sekundach, bądź wykresem
graficznym.
Gdy Słońce się późni, do wskazań słonecznika należy dodać odpowiednią wartość odczytaną
z równania czasu. Gdy Słońce się spieszy, od wskazań słonecznika należy odjąć odpowiednią
wartość odczytaną z równania czasu.

© 2010 by British Sundial Society