Экваториальные солнечные часы

 

Изобретение относится к приборам для определения времени по солнцу. Изобретение обеспечивает возможность отсчета времени в зимний период времени, повышает удобство и точность отсчета местного солнечного времени. Изобретение содержит основание со стойкой, в верхней части которой нижним концом закреплен гномон зимнего времени с возможностью углового перемещения и фиксации положения в вертикальной плоскости. На верхнем конце гномона соосно закреплены круг часовых углов, выполненный из прозрачного материала, и гномон летнего времени. Основание содержит визир, а круг - шкалу отсчета истинного времени и диаграмму смещения точки отсчета местного времени относительно центра тени, которая выполнена в виде графика уравнения времени, нанесенного на изображение теней, отбрасываемых гномоном. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к приборам для определения времени по Солнцу, и может использоваться для определения времени в светлый период суток.

Известны экваториальные солнечные часы Я.П. Шебалина, защищенные авторским свидетельством СССР 1760531, МПК 5 G 04 В 49/00, публ. 1992 г., бюл 33, содержащие корпус с крышкой, на которой снаружи закреплен циферблат. Крышка с корпусом скреплена шарнирно. Установка циферблата в плоскости небесного экватора осуществляется по квадранту, закрепленному на корпусе и снабженному фиксатором углового положения циферблата. Цифровая ось (гномон) установлена в центре циферблата. Для удобства транспортирования в корпусе имеются вырезы для размещения гномона и квадранта. Такие часы имеют невысокую точность отсчета местного времени и не могут использоваться для отсчета времени в зимний период (от даты осеннего равноденствия до даты весеннего равноденствия), когда тень от часовой оси (гномона) не будет падать на циферблат.

Из описания к авторскому свидетельству СССР 373752, МПК G 09 B 19/02, G 04 B 49/02, публ. 1973 г., бюл. 14, известны учебные универсальные астрономические часы, обеспечивающие отсчет декретного и истинного солнечного времени. Описанная конструкция этих часов содержит основание с рисками для ориентирования его по оси север-юг и стойкой, в которой закреплена полая ось. На верхнем конце полой оси закреплен круг часовых углов (циферблат) из органического стекла или другого прозрачного пластика. Внутри полой оси проходит часовая ось, на которой жестко закреплен круг прямых восхождений и шкала склонений с двумя стрелками-указателями. На нижнем конце полой оси установлен часовой механизм, обеспечивающий вращение часовой оси, а с ней и круга прямых восхождений, со скоростью один оборот в сутки. Полая ось закреплена в стойке с возможностью установки и фиксации положения этой оси в вертикальной плоскости в пределах 0...90^o, что позволяет совместить плоскость круга часовых углов с плоскостью небесного экватора.

Описанная конструкция экваториальных солнечных часов принята в качестве прототипа. Недостаток прототипа - сравнительно низкая точность отсчета местного солнечного времени и невозможность использования их в период от даты осеннего равноденствия до даты весеннего равноденствия.

Технический результат от использования изобретения - обеспечение возможности отсчета времени в зимний период и удобства точности отсчета местного солнечного времени.

Указанный технический результат достигается тем, что в экваториальных солнечных часах, содержащих гномон летнего времени, основание со стойкой, в которой с возможностью углового перемещения и фиксации положения в вертикальной плоскости закреплен цилиндрический стержень, верхним концом соединенный с кругом часовых углов из прозрачного материала, причем гномон летнего времени, цилиндрический стержень и круг часовых углов установлены соосно, а круг часовых углов имеет равномерную шкалу отсчета истинного солнечного времени, основание дополнительно снабжено визиром, линия визирования которого лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось гномона летнего времени, и вне проекции круга часовых углов на горизонтальную плоскость, цилиндрический стержень закреплен в стойке нижним концом, является гномоном зимнего времени и жестко скреплен с гномоном летнего времени и кругом часовых углов, который дополнительно содержит диаграмму смещения точки отсчета местного времени относительно центра тени, отбрасываемой гномоном летнего времени и гномоном зимнего времени.

Диаметр гномона летнего времени относится к диаметру гномона зимнего времени и к диаметру окружности шкалы отсчета времени круга часовых углов как 1:2:38 с погрешностью не более 5%. Диаграмма смещения точки отсчета местного времени относительно центра тени, отбрасываемой гномоном летнего времени или гномоном зимнего времени, выполнена в виде графика уравнения времени, нанесенного на временную ось, изображающую в масштабе один к одному тень от гномона летнего времени в период от весеннего равноденствия до осеннего равноденствия и тень от гномона зимнего времени в период от осеннего равноденствия до весеннего равноденствия. При отношении диаметра гномона летнего времени к диаметру гномона зимнего времени и к диаметру окружности шкалы отсчета истинного солнечного времени, равном 1:2:38, точка отсчета местного времени совпадает с центром тени 16-го апреля, 14-го июня, 1-го сентября и 25-го декабря, с передним краем тени 27-го марта, 23-го июля, 24-го января и 5-го марта, а с задним краем тени 17-го сентября, 5-го октября и 28-го ноября. Одна из поверхностей круга часовых углов выполнена матовой. Основание снабжено элементами ориентирования оси гномонов в направлении оси мира, обеспечивающими установку круга часовых углов в плоскости, параллельной плоскости небесного экватора.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена конструкция заявленных экваториальных солнечных часов. На фиг.2 изображена шкала отсчета истинного солнечного времени. На фиг. 3 - диаграмма смещения точки отсчета местного времени относительно центра тени, отбрасываемой гномонами летнего и зимнего времени. На фиг.4 показано крепление гномона зимнего времени в стойке основания. На фиг.5 приведены возможные варианты закрепления круга часовых углов на верхнем конце гномона зимнего времени.

На фиг.1...5 цифрами обозначены: 1 - основание; 2 - стойка; 3 - гномон зимнего времени; 4 - круг часовых углов; 5 - гномон летнего времени; 6 - гайка; 7 - буртик на гномоне летнего времени; 8 - шкала отсчета истинного солнечного времени; 9 - диаграмма смещения точки отсчета местного времен относительно центра тени, отбрасываемой гномонами летнего и зимнего времени;
10 - визир;
11 - шарнирное соединение гномона зимнего времени со стойкой;
12 - втулка;
13 - прорезь в стойке;
14 - винт;
15 - гайка;
16 - график уравнения времени;
17 - изображение тени, отбрасываемой гномоном летнего времени;
18 - изображение тени, отбрасываемой гномоном зимнего времени.

Заявленные экваториальные солнечные часы содержат основание 1 со стойкой 2, в верхней части которой нижним концом закреплен гномон 3 зимнего времени с возможностью углового перемещения и фиксации положения в вертикальной плоскости. На верхнем конце гномона 3 выполнена посадочная выточка, на которую скользящей посадкой соосно оси гномона 3 насажен круг 4 часовых углов. Гномон 5 летнего времени резьбовым соединением скреплен верхним торцом гномона 3 (фиг.5). Круг 4 фиксируется на выточке гномона 3 либо гайкой 6 (фиг. 5а), либо буртиком 7 гномона 5 (фиг.5б). Круг 4 выполнен из прозрачного материала, например органического стекла, и содержит шкалу 8 отсчета истинного солнечного времени и диаграмму 9 смещения точки отсчета местного времени относительно центра тени, отбрасываемой гномонами 3 и 5. Шкала 8 представляет собой окружность, разделенную на кратное 24-м число частей, например 144, при цене одного деления 10 минут (фиг.2). Основание 1 имеет визир 10, линия визирования которого лежит в одной плоскости с осью, общей у гномонов 3, 5 и круга 4. Гномон 3 закреплен в стойке 2 шарнирным соединением 11 (фиг. 4). На нижнем конце гномона 3 выполнена втулка 12, ось которой перпендикулярна оси гномона 3. В стойке 2 выполнена прорезь 13 с соосными отверстиями в стенках. Втулка 12 установлена в прорезь 13 без зазора соосно отверстиям в стенках прорези 13 и с помощью винта 14 и гайки 15 фиксируется в заданном положении. Диаграмма 9 (фиг. 3) выполнена в виде графика 16 уравнения времени, нанесенного на изображение тени 17, отбрасываемой гномоном 5 и на изображение тени 18, отбрасываемой гномоном 3. Диаметр гномона 5 относится к диаметру гномона 3 и к диаметру окружности шкалы 8 как 1:2:38. Для большей заметности тени от гномонов 3 и 5 на шкале 8 одна из поверхностей круга 4 выполнена матовой. Точка отсчета местного времени при отношении диаметра гномона 5 к диаметру гномона 3 и диаметру окружности шкалы 6, равном 1:2:38, совпадают с центром тени 16-го апреля, 14-го июня, 1-го сентября и 25-го декабря, с передним краем тени - 27-го марта, 23-го июля, 24-го января и 5-го марта, и с задним краем тени 17-го сентября, 5-го октября и 28-го ноября.

Заявленные экваториальные солнечные часы (фиг.1) для работы устанавливают определенным образом.

В начале отпускают гайку 15 и, поворачивая гномон 3, устанавливают угол между кругом 4 и основанием 1 равным широте места, после чего гайкой 15 фиксируют положение гномона 3. Угол устанавливают с использованием угломера или трафарета. Затем гномон 5 ориентируют в направлении на север по компасу или небесному светилу, а основание 1 устанавливают в горизонтальной плоскости, используя уровень или отвес. Для обеспечения горизонтирования одна или две опоры основания могут быть выполнены с регулировкой по высоте. Далее круг 4 разворачивают вокруг оси таким образом, чтобы точка отсчета истинного полдня по шкале 8 совпала с линией визирования визира 10. В результате проведенных манипуляций экваториальные солнечные часы готовы к работе. Отсчет истинного солнечного времени производится по центру тени, отбрасываемой гномоном 5 в период от весеннего до осеннего равноденствия, и по центру тени, отбрасываемой гномоном 3 в период от осеннего до весеннего равноденствия. Отсчет местного времени производится при смещении точки отсчета местного времени относительно центра или краев тени, определяемому по диаграмме 9. Наличие диаграммы 9 в виде графика 16 уравнения времени, нанесенного на временную ось, изображающую в масштабе один к одному тень от гномона 3 в период от осеннего до весеннего равноденствия и от гномона 5 в период от весеннего до осеннего равноденствия, не только повышает удобство и скорость отсчета местного времени, но и повышает точность за счет исключения грубых ошибок. Рассмотрим сколько мысленных операций должен произвести человек, определяя местное время традиционно при отсутствии такой диаграммы. Вначале по дате измерения он должен из представленного графически или таблично уравнения времени определить разность между средним (местным) и истинным солнечным временем в минутах. Эта процедура на так проста, поскольку при графическом представлении уравнения времени вначале надо найти дату на временной оси, затем перевести взгляд па другую ось и считать численное значение разности между средним и солнечным временем, сохраняя в памяти удаление точки на графике уравнения времени от временной оси. При удалении точки отсчета от начала координат временной оси переносить взгляд приходится неоднократно. Если же уравнение времени представлено таблично, то человеку приходится считать значения разности между средним и истинным солнечным временем до и после даты измерения и путем интерполяции вычислить значение этой разности на дату измерения. Далее человек должен снять отсчет истинного солнечного времени по шкале 8 и прибавить к нему или вычесть значение ранее определенной разности между средним и истинным солнечным временем. Естественно, выполнение этих операций требует от человека сосредоточенности внимания, умственных усилий и занимает сравнительно длительное время, а вследствие того, что отсчет времени по шкале 8 производится против часовой стрелки, велика вероятность грубых ошибок при отсчете местного времени. Наличие диаграммы 9 существенно упрощает отсчет местного времени, так как отпадает необходимость проведения вычислительных операций.

Человеку достаточно по дате измерения отметить положение точки отсчета местного времени относительно центра или любого края тени, перенести его на тень, отбрасываемую гномоном 5 или гномоном 3, и по шкале 8 произвести отсчет. Поскольку изображение тени на диаграмме 8 равно размерам тени, отбрасываемой гномономи 3 и 5, то определение точки отсчета местного времени на шкале 8 не требует умственных усилий и исключает грубые ошибки. Особо следует отметить что при отношении диаметра гномона 5 к диаметру гномона 3 и диаметру окружности шкалы 8, равном 1:2:38, погрешность измерения местного времени не превысит две минуты, т.е. по точности заявленные экваториальные солнечные часы не уступают другим солнечным часам. Упомянутое выше отношение выбрано из условия, что при таком отношении тень, отбрасываемая гномоном 5, будет сопоставима со значениями разности между средним и истинным солнечным временем в период от весеннего до осеннего равноденствия, а тень, отбрасываемая гномоном 3 - значениями между средним и истинным солнечным временем в период от осеннего до весеннего равноденствия, т.е. при таких отношениях график 16 уравнения времени вписывается в изображение тени, отбрасываемой и гномоном 5 и гномоном 3. Это позволяет с высокой точностью определять смещение точки отсчета местного времени или относительно центра тени, или одного из ее краев. Например, при диаметре шкалы 6 458 мм, длине гномонов 3 и 5, равной 115 мм, диаметре гномона 5, равном 12 мм, а гномона 3 - 24 мм, скорость движения тени по окружности шкалы будет равна 1 мм в минуту, а точность отсчета местного летнего времени будет составлять ± 1 минута и зимнего ± 2 минуты, что превышает точность известных экваториальных солнечных часов со шкалой такого же диаметра.

Формула изобретения

1. Экваториальные солнечные часы, содержащие гномон летнего времени, основание со стойкой, в которой с возможностью углового перемещения и фиксации положения в вертикальной плоскости закреплен цилиндрический стержень, верхним концом соединенный с кругом часовых углов из прозрачного материала, причем гномон летнего времени, цилиндрический стержень и круг часовых углов установлены соосно, а круг часовых углов имеет равномерную шкалу отсчета истинного солнечного времени, отличающиеся тем, что основание дополнительно снабжено визиром, линия визирования которого лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось гномона летнего времени, и вне проекции круга часовых углов на горизонтальную плоскость, цилиндрический стержень скреплен со стойкой нижним концом, является гномоном зимнего времени и жестко скреплен с гномоном летнего времени и кругом часовых углов, который дополнительно содержит диаграмму смещения точки отсчета местного солнечного времени относительно центра тени, отбрасываемой гномоном летнего времени и гномоном зимнего времени.

2. Экваториальные солнечные часы по п. 1, отличающиеся тем, что диаметр гномона летнего времени относится к диаметру гномона зимнего времени и к диаметру окружности шкалы отсчета истинного солнечного времени как 1: 2: 38 с погрешностью не более 5%.

3. Экваториальные солнечные часы по п. 1 или 2, отличающиеся тем, что диаграмма смещения точки отсчета местного солнечного времени относительно центра тени, отбрасываемой гномоном летнего времени и гномоном зимнего времени, выполнена в виде графика уравнения времени, нанесенного на временную ось, изображающую в масштабе один к одному тень от гномона летнего времени в период от весеннего равноденствия до осеннего равноденствия и тени от гномона зимнего времени в период от осеннего равноденствия до весеннего равноденствия.

4. Экваториальные солнечные часы по пп. 2 и 3, отличающиеся тем, что при отношении диаметра гномоном летнего времени к диаметру гномона зимнего времени и к диаметру окружности шкалы отсчета истинного солнечного времени, равном 1: 2: 38, точка отсчета местного времени совпадает с центром тени 16-го апреля, 14-го июня, 1-го сентября и 25-го декабря, с передним краем тени 27-го марта, 23-го июля, 24-го января и 5-го марта и с задним краем тени 17-го сентября, 5-го октября и 28-го ноября.

5. Экваториальные солнечные часы по одному из пп. 1-4, отличающиеся тем, что одна из поверхностей круга часовых углов выполнена матовой.

6. Экваториальные солнечные часы по одному из пп. 1-5, отличающиеся тем, что основание снабжено элементами ориентирования от гномонов в направлении оси мира, обеспечивающими установку круга часовых углов в плоскости, параллельной плоскости небесного экватора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5