Как сделать солнечные горизонтальные часы
Солнечные часы своими руками. Мастер-класс
Здравствуйте, дорогие читатели КАРТОНКИНО.ru! Весна. Где-то она уже в самом разгаре, где-то её прихода пока только ждут, через месяцок-другой, но солнце везде светит ярче и дольше. И у нас есть прекрасная возможность пустить солнечный свет в дело, смастерив солнечные часы своими руками. Разумеется, они не заменят традиционные — механические и электронные — часы, но самоделка эта — очень занимательная, а для представителей подрастающего поколения — ещё и познавательная, ведь модель солнечных часов, которую мы будем делать, — самая что ни на есть действующая, а её изготовление потребует определённых знаний в области астрономии и тригонометрии.
Существует немало разновидностей этого древнейшего прибора для измерения времени. Но среди всего многообразия солнечных часов, когда-либо использовавшихся, в качестве основных или классических выделяют следующие типы:
— экваториальные (у таких солнечных часов плоскость кадрана (циферблата) параллельна экватору, а гномон (та часть, которая отбрасывает тень), обычно представляющий собой металлический стержень, параллелен земной оси);
Экваториальные солнечные часы на берегу Темзы (Лондон, Англия)
— горизонтальные (плоскость кадрана параллельна плоскости горизонта, а гномон имеет форму треугольника, одна из сторон которого наклонена к плоскости кадрана на угол, равный географической широте места установки часов);
Горизонтальные солнечные часы (Лимассол, Кипр)
— вертикальные (как следует из названия, циферблат таких часов размещается в вертикальной плоскости, обычно на стенах зданий).
Настенные солнечные часы (Собор Или, Англия)
Мы с вами будем делать солнечные часы экваториального типа, как самые простые в изготовлении. Благодаря тому, что циферблат устанавливается параллельно экватору, а солнце движется по небесной сфере практически равномерно, тень от гномона за каждый час будет смещаться на угол, равный 15°. Поэтому часовые деления на циферблат наносятся также, как и в обычных часах, только отметок нужно не 12, а 24. Понятно, что верхняя часть циферблата вряд ли пригодится, разве только жителям заполярья, когда наступит полярный день, и солнце будет светить круглосуточно.
Чертить циферблат самостоятельно необходимости нет, можете воспользоваться готовыми шаблонами — круглым или квадратным (какой больше по душе):
Наша задача сводится к тому, чтобы правильно сориентировать в пространстве солнечные часы. Угол наклона циферблата относительно горизонтальной плоскости определяется так:
где φ — географическая широта. Узнать широту своего места жительства можно по карте или в Википедии.
А зная необходимые углы, очень просто сделать для наших солнечных часов наклонную подставку из картона или бумаги и потом наклеить на неё распечатанный на принтере циферблат либо подготовить в графическом редакторе развертку корпуса часов с нанесённым изображением циферблата.
Давайте посмотрим, как рассчитать размеры корпуса солнечных часов.
Размеры шаблона циферблата нам известны. Боковая сторона корпуса представляет собой прямоугольный треугольник. Таким образом, нам известны длина гипотенузы С и углы треугольника, а длины катетов A и B рассчитываются по тригонометрическим формулам:
Остаётся только начертить развёртку по полученным размерам, можно даже без боковых стенок.
Я сделала корпус с открывающейся задней крышкой (ниже объясню, для чего):
Что ни делай, всё равно коробочка получается 
Ну вот, теперь в центре циферблата нужно установить гномон. Для этого можно использовать любой подходящий по размеру стержень (например, пластиковую трубочку от пакетика с соком). А можно также сделать его из картона или бумаги:
— вырезаем прямоугольную полоску шириной 60 мм (длину определяем эмпирически, на глаз, так, чтобы при сворачивании получилась плотная трубочка диаметром около 5-6 мм с небольшим отверстием);
— наклеиваем на 1 край двусторонний скотч и сворачиваем трубочку;
— вырезаем ещё одну прямоугольную полоску шириной 15-20 мм и также сворачиваем ее в трубочку диаметром, совпадающим с диаметром отверстия первой трубочки;
— отрезаем часть первой трубочки на расстоянии 10 мм от края (это будет что-то вроде гайки)
и соединяем детали;
— закрепляем гномон на циферблате, фиксируя его с обратной стороны «гайкой» (тут-то и пригодилась открывающаяся крышка).
Солнечные часы готовы. Теперь, чтобы они работали правильно, нужно поставить их на освещённом солнцем месте (на подоконнике, на балконе и т.д.) так, чтобы гномон «смотрел» на север (направление определяем по компасу).
Конечно, ждать точного совпадения показаний таких солнечных часов с показаниями обычных часов не стоит. Во-первых, солнечные часы, показывающие истинное солнечное время, не учитывают поясное время в конкретной местности. Во вторых, не стоит забывать, что магнитный и географический полюса Земли имеют расхождение, и то, что часы мы ориентировали по магнитному полюсу, также внесёт некоторую погрешность.
И наконец, главный момент, с которым также придётся считаться, — экваториальные часы работают только в период между днями весеннего и осеннего равноденствия. Всё остальное время время верхняя поверхность кадрана будет находиться в тени. Но день весеннего равноденствия в северном полушарии уже скоро, так что ждать остаётся недолго. Времени как раз хватит, чтобы сделать солнечные часы своими руками и настроить их на работу.
Успешных вам экспериментов!
Понравилась статья? Впереди ещё много интересного — подписывайтесь на обновления и получайте анонсы прямо себе на почту!
Кстати, уже готов новый мастер-класс по изготовлению солнечных часов. На этот раз речь идёт о модели карманных часов горизонтального типа.
Как сделать солнечные часы на даче: идеи, теория и практика
Хорошо иметь на даче часы, которые видно издалека и которые легко сделать из подручного материала. Они помогут проводить время на даче с пользой: ведь поливать растения можно только до 10 и после 4 часов дня, а находиться на солнце с 11 до 3 категорически запрещено из-за активного воздействия солнечного излучения.
Солнечные часы
Солнечные часы стали первым устройством для определения времени. Точное время они показывают всего три дня за весь дачный сезон (весеннее и осеннее равноденствие и летнее солнцестояние). В остальные дни разница может доходить до 17 минут, но для дачных работ это не принципиально. Поэтому можно обойтись без создания таблицы погрешностей или графика, уточняющего время каждый день и час.
Солнечные часы показывают точное время только в дни равноденствия и солнцестояния
Какие бывают солнечные часы
Существует три вида солнечных часов:
Сферические, полукруглые и другие — разновидности основных видов. Принцип всех часов основан на показаниях тени от предмета (гномона), падающей на заранее нанесённые на циферблат (кадран) деления в час, пятнадцать, десять или пять минут, в зависимости от пожелания изготовителя.
Горизонтальные часы
У горизонтальных часов кадран параллелен линии горизонта. В центре или ближе к югу устанавливается гномон — вертикальный предмет, тень которого и будет указывать время.
В горизонтальных часах циферблат параллелен горизонту
От вертикального гномона тень на любой широте России будет иметь разную длину. Для того чтобы тень имела равную длину, гномон наклоняют на угол широты местности, которую можно точно определить по GPS-навигатору или в интернете. Например, Москва стоит на 55-й широте, угол наклона — 55 о от линии горизонта. Наклоняется гномон только в направлении север–юг по линии самой короткой тени в истинный полдень. Истинный полдень — момент верхней кульминации центра Солнца для данной точки земной поверхности.
Истинный полдень, как правило, не совпадает с официальным временем. Поэтому тем, кто заранее нанёс деления на кадран, придётся просто повернуть циферблат на угол погрешности. При этом гномон остаётся наклонённым в сторону истинного полдня.
Полуденная линия указывает на географический полюс, а не на магнитный
Экваториальные часы
У экваториальных часов кадран наклоняется в сторону географического севера (для России) относительно горизонта на угол: 90 минус величина широты этой местности. То есть циферблат будет параллелен линии экватора. Гномон устанавливается перпендикулярно кардану, то есть параллельно земной оси. Поправки на местное время такие же, как для горизонтальных часов.
Показания экватариальных часов видны издалека
Вертикальные часы
Вертикальные часы располагают на плоскости, перпендикулярной линии горизонта, а гномон устанавливается под углом к кадрану по полуденной линии на угол, равный разнице между 90 о и величиной широты местности. Полуденная линия определяется по линии самой короткой тени от горизонтального гномона.
На вертикальных часах цифры не всегда симметричны, если стена не смотрит строго на географический юг
Солнечные часы своими руками
Сначала определите место и цель установки часов:
После того как вы определились с местом установки, выберите вид часов. Вертикальные часы подойдут только для южной стены, иначе они будут в тени сами. Горизонтальные хороши для открытых пространств, а экваториальные лучше будут смотреться на площадках или зонах отдыха.
Делаем горизонтальные часы
Самый простой и малозатратный способ изготовления солнечных часов — шест и камни. Вместо шеста подойдут кусок арматуры, длинная коряга или прут, кусок пластиковой или железной трубы, даже высокая бутылка, например, из-под шампанского. Предпринимаем следующие действия:
Уже через несколько дней такие горизонтальные часы будут отклоняться на минуту, но истинный полдень (даже если у вас он приходится на час дня) они будут показывать точно.
Фотогалерея: горизонтальные солнечные часы
Видео: как сделать горизонтальные солнечные часы
Будете ли вы наклонять гномон для получения одинаковой тени или нет, решайте сами. Можно наклонить сам циферблат, то есть установить экваториальные часы. К таким часам не надо подходить, чтобы узнать который час, что экономит и время и силы дачника.
Создаём экваториальные часы
Процесс изготовления экваториальных часов:
Фотогалерея: экваториальные солнечные часы
Видео: изготовление экваториальных солнечных часов
Солнечные часы, изготовленные своими руками, сделают дачу уникальной и помогут лучше планировать необходимые дела и отдых на участке.
Как сделать солнечные часы
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.
Далее смотрите на картинку:
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.
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;
Второй метод заключается в том, чтобы найти свой населённый пункт на погодном сайте, где указано время восхода и захода солнца. Например для случая Перми откроем погодный сайт яндекса, 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.
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).
3. Если хотите, можете сразу рассчитать циферблат для вашей местности с помощью, скажем, программы Shadows, взять из этого расчета углы и сразу отмерить их на земле, вместо того, чтобы бегать целый день и ставить отметки по солнечной тени.
В заключение в качестве иллюстрации могу привести одни из своих часов, сделанные «из топора».
Дубликаты не найдены
Замечена опечатка: «Например для сегодняшнего 22 мая мы получим«
Небольшое замечание: находясь в России, лучше всего синхронизировать время с одним из серверов ВНИИФТРИ: http://www.vniiftri.ru/index.php/ru/services/22-ntp Для европейской части РФ у них самая низкая погрешность.
Погрешность имеет свойство накапливаться. Полсекунды тут, полсекунды там — и вот уже часы становятся именно часами: определить можно только час, да и тот приблизительно.
очень толково, автор. А продолжения про учет географической широты и разные формы гномона будут?
интерес к теме не очень большой, потому что на Пикабу домовладельцев, озабоченных ландшафтным дизайном, таки сильно меньше :)))
Ну да, тут за веселыми гифками приходят, а не за инструкциями )
Надо было типа в сообщество Рукоделов закинуть наверно, че-т я тупанул
Всё хорошо, замечательно, красиво но у меня есть более простой вариант часов который можно изготовить за 5 минут, а потом довести до нужной кондиции.
Я описал это на: https://sundial.home.blog/
Если вы про идею использования нити в качестве гномона, то это попадается довольно регулярно, особенно для портативных солнечных часов. Можете поискать по картинкам в гугле по запросу sundial string
Вот например вариант:
А вот моей конструкции самодельных солнечных часов ещё ни где не видел.
Делаются буквально: «из говна и палок».
Can’t establish a connection with site.
The webpage might be temporarily down or it may have moved to a new web address.
ERR_NAME_RESOLUTION_FAILED
Как работают гномон и экваториальная монтировка
Всем привет. Хочу предложить вашему вниманию видеоматериал, в котором я на основе огородных солнечных часов рассказываю о вращении небесных объектов вокруг оси, параллельной оси вращения Земли (и значит вокруг гномона), со скоростью 15 градусов в час:
Если что-то останется неясным, задавайте вопросы в комментариях.
Первый летний день
Солнечная терраса
Тишина
Линза и трава
В принципе, если наловчиться, то по этому следу можно опрелелять который сейчас час.
Экваториальные солнечные часы, Новороссийск
Всем привет. Несколько дней назад попалась новость о том, что в Новороссийске начали монтировать солнечные часы экваториального типа, я по имеющейся информации (фотографии из СМИ и соцсетей, плюс специально отснятое видео) провёл небольшое исследование корректности установки этой малой архитектурной формы и подумал, что это хороший повод рассказать людям про такой тип солнечных часов.
1) оно различается в разных городах (даже внутри большого города будут заметные различия, например время на востоке Москвы будет отличаться от запада на 2 минуты);
Поэтому мы используем равномерное время и часовые пояса, то есть одинаковое время на большой территории, включающей множество населённых пунктов. В данном случае с учётом координат места установки часов 44.70498, 37.7842 и часового пояса UTC+3 мы можем вычислить, что солнечный полдень здесь случается (в среднем по году) на (3-37.7842/15) = 0.481час = 29 минут позже, чем 12:00, то есть в 12:29.
Как обычно поступают в таком случае?
1) Либо изначально учитывают это в конструкции и доворачивают циферблат (подчёркиваю, только циферблат, не всю конструкцию) на такой угол, чтобы строго внизу оказалось время не 12:00, а 12:29 (в данном случае на 7.2 градуса против часовой стрелки вокруг оси гномона).
2) Либо ставят поясняющую табличку, в которой указывают, что часы спроектированы для истинного солнечного времени (12 часов = истинный полдень), и приводят пояснения, как вычислить гражданское время из солнечного.
В этом случае авторы часов выставили «точное время» путём поворота всей конструкции по азимуту. Сначала я подумал «ну вот, блин, опять криво сделанные часы», но решил прикинуть, а какие же будут погрешности из-за такой кривой установки. Посидел, потупил, в чём бы прикинуть расхождения, думал про 3D-рисовалку, но в результате накидал расчёт в экселе. «Повернул» часы по азимуту на 18 градусов против часовой стрелки (чтобы в 12:00 в конце июля часы показывали «точное» время). И расчёт показал, что, как ни странно, масштаб трагедии не так уж велик, несмотря на то, что и гномон, и циферблат сориентированы неверно (результаты расчётов приведу ниже). Тем временем мне прислали несколько видео, из которых удалось получить следующие данные.
3) 8 августа, время 16:59, тень опять с точностью до нескольких минут попадает на V-часовую метку.
Теперь давайте оценим, к каким последствиям приведёт некорректная ориентация часов по азимуту.
Для этого посмотрим на поведение часов в летнее полугодие (с весеннего до осеннего равноденствия), начиная с летнего солнцестояния (около 22 июня) и расходясь в обе стороны по одному месяцу:
В качестве опорных данных на графиках заодно приведена зелёная линия, которая показывает, как обстояло бы дело, если бы вместо вращения всей конструкции по азимуту мы повернули бы лишь циферблат вокруг оси гномона так, чтобы внизу оказалось не 12:00, а 12:30. Как видно, в этом случае в течение одного дня отстройка показаний солнечных часов от гражданского времени оставалась бы одинаковой, и только постепенно, месяц от месяца, дрейфовала бы в пределах Уравнения Времени (в пределах +-6 минут за летние месяцы, и до четверти часа за весь год).
Тёмно-синяя линия показывает оценку того, насколько точно будут идти новороссийские часы (в минутах). Как видно, даже в течение одного дня разброс разницы показаний с гражданским временем будет доходить до четверти часа с лишним.
Ещё одним свойством криво установленных часов станет то, что солнце перестанет освещать циферблат не в районе дня равноденствия (22 сен), а неравномерно: сначала во второй половине августа циферблат окажется в тени в утренние часы (к вечеру будет освещён), а затем к 22 сентября будет в тени половину дня, и наконец во второй половине октября окончательно скроется в тени. Точно так же долго, но в обратной последовательности, циферблат будет выныривать из тени в районе весеннего равноденствия.
То есть геометрия этих часов не позволит привести группу школьников и сказать, дескать, смотрите, там у нас Северный Полюс Мира, а вот так у нас проходит Небесный Экватор, а ночью вы сможете по плоскости циферблата определить склонение звёзд, ну и прочие занятные вещи. Точнее, рассказать-то всё это можно, но придётся каждый раз делать оговорку «если бы эти часы стояли правильно».
Ну и наконец. Зимой, хоть часами и можно будет воспользоваться (по внутренней грани циферблата, напоминаю), но погрешности будут наиболее впечатляющими. Например 22 декабря они в районе полудня превысят 30 минут.
Аналемматические солнечные часы
Всем привет. Сегодня хочу рассказать про любопытную разновидность солнечных часов, в которых в качестве гномона (палки, отбрасывающей тень) используется не наклонный шест, параллельный оси вращения нашей планеты, а вертикальный шест, который переставляется по так называемой линии дат. Линия дат частично унаследована от аналеммы (из-за этого часы называются аналемматическими). Чаще всего в качестве гномона используется человек, который должен встать в определённое место линии дат (в зависимости от текущего месяца):
Солнечные часы 2009 года (предположительно здесь)
Однако может использоваться и неодушевлённый периодически переставляемый гномон:
Кнехт, показывающий время с 2013 года (Владивосток)
Сначала мы разберём, как работают аналемматические солнечные часы, а в следующем разделе представим алгоритм действий для расчёта и разметки такого типа часов.
Геометрия аналемматических часов
Давайте разберём, почему возможно использование вертикального гномона (вместо наклонного). Основой аналемматических часов являются обычные экваториальные солнечные часы (циферблат которых параллелен плоскости земного экватора), и для данной широты рассчитывается их проекция на горизонтальную (для этой широты) плоскость.
Примечание: двадцать вторые числа беру условно, для простоты, при этом можно считать, что в течение года склонение солнца меняется как функция синуса с амплитудой 23.4 градуса и изменением фазы по 30 градусов за месяц, с приемлемой погрешностью.
Обозначим точки на гномоне, соответствующие июню, июлю, августу и сентябрю, как A B C D. Эти же точки B C и D соответствуют маю, апрелю и марту (так же по месяцу отступаем от июня, только в обратную сторону). Ниже циферблата симметрично проставляем точки E F G для октября (февраля), ноября (января) и декабря:
На этой картинке отображены оптические пути теней от точек-шаров, которые в «свой» месяц попадают на край диска циферблата.
Здесь у нас уже имеются стороны света, слева направо проходит меридиан Север-Юг (N->S), а поворачивали мы нашу конструкцию относительно оси Запад(W)->Восток. Нас в результате всех построений интересует проекция «Вид сверху» для локальной вертикали широты fi. В следующем разделе для таких построений будет использована моя программа Day-night, однако как вы заметили, в этих построениях нет ничего сложного, и вы можете проделать их самостоятельно в любом подручном редакторе/калькуляторе. Надо лишь отметить, что если вы хотите учесть часовой пояс, нужно ещё довернуть часовые метки циферблата вокруг оси AG на величину, соответствующую разнице вашей долготы и центральной долготы вашего часового пояса.
Как сделать аналемматические солнечные часы
Перейдём к практической части, в которой я изложу алгоритм действий для изготовления аналемматических солнечных часов.
Напоминаю, что использование компаса для нахождения Севера может приводить к большим погрешностям, а потому нежелательно. Тем более, если вы делаете солнечный прибор, грех не использовать для ориентации само солнце.
Несмотря на то, что название часов включает слово «аналемма», из аналеммы здесь участвует не вся «восьмёрка», а только продольная её часть (склонение). Соответственно, если вы видите аналемматические часы с нарисованной восьмёркой в качестве линии дат, это не совсем верно изготовленный инструмент (появляются дополнительные погрешности). Также бывают варианты часов, когда месяцы написаны не вдоль оси линии дат, а справа и слева от неё. В этом случае люди, как правило, встают на сами названия месяцев, что опять приводит к погрешностям:
Аналемматические часы в Красной Пахре
В заключение отмечу, что существуют альтернативные разработки аналемматических часов для гиков, разнесённых на две отдельные части (до полудня и после). В таких часах путём оптимизации можно уменьшить погрешность, связанную с Уравнением Времени.