Слънчевият часовник е прибор за измерване на времето, който показва текущото време от денонощието (в съвременната употреба — гражданско време) въз основа на видимото положение на Слънцето на небето при наличието на пряка слънчева светлина. В най-тесния смисъл на думата той се състои от плоска пластина, наречена циферблат, и гномон, който хвърля сянка върху нея. Тъй като Слънцето се движи по небето от гледна точка на земния наблюдател, сянката се премества и съвпада с различни часови линии, нанесени върху циферблата, за да отчита времето.
Стилът е онзи работен ръб на гномона, по който непосредствено се отчита времето, макар че при някои конструкции за целта може да служи само една точка (така нареченият нодус). Самият гномон обикновено хвърля широка сянка, а времето се показва именно от ясната сянка на неговия стил. Гномонът може да представлява обикновен прът, тел или сложно украсен метален детайл. За да бъде слънчевият часовник точен през цялата година, стилът му трябва да е успореден на оста на въртене на Земята. Същевременно ъгълът на наклон на стила спрямо хоризонта винаги е равен на географската ширина, на която е поставен часовникът.
В по-широк смисъл терминът „слънчев часовник“ може да се отнася за всеки уред, който използва височината или азимута на Слънцето (или и двата параметъра едновременно), за да показва времето. Днес слънчевите часовници се ценят високо като декоративни предмети, литературни метафори, а също и като обекти на исторически интерес и математически изследвания.
Ходът на времето може да се проследи дори с най-прости средства: достатъчно е да забиете пръчка в пясъка или пирон в дъска и да правите отметки на ръба на сянката през определени интервали от време. Струва си да се отбележи, че евтините декоративни слънчеви часовници масово производство често имат неправилно поставени гномони и грешно изчислени часови линии. Затова използването им като точен уред и тяхното коригиране често е напълно невъзможно.
Общи сведения
Съществуват няколко различни вида слънчеви часовници. При едни слънчеви часовници за показване на времето се използва сянка или нейният ръб, докато при други — линия или светлинно петно.
Обектът, който хвърля сянка (познат като гномон), може да представлява дълъг тънък прът или друг предмет с остър връх или прав ръб. При слънчевите часовници се използват най-различни видове гномони. Гномонът може да бъде неподвижен или да се мести в зависимост от сезона. Той може да бъде ориентиран вертикално, хоризонтално, успоредно на земната ос или да сочи в съвсем друга посока, определена по математически път.
Тъй като слънчевите часовници използват светлина за показване на времето, светлинната линия може да се образува чрез пропускане на слънчевите лъчи през тънък процеп или чрез фокусирането им през цилиндрична леща. Светлинно петно може да се образува чрез пропускане на слънчевите лъчи през малък отвор, прозорец, окулус или чрез отразяването им от малко кръгло огледало. Размерът на светлинното петно може да варира от съвсем малък, като отвор в соларограф, до огромен, като окулуса в римския Пантеон.
За приемане на светлината или сянката при слънчевите часовници могат да се използват и различни видове повърхности. Плоските повърхности са най-разпространени, но за постигане на по-голяма точност или красота често са се използвали части от сфери, цилиндри, конуси и други фигури.
Слънчевите часовници се различават по своята преносимост и изискванията за ориентация в пространството. Монтирането на много циферблати изисква познаване на местната географска ширина, точната вертикална посока (например, с помощта на нивелир или отвес) и посоката към истинския географски полюс. Преносимите часовници имат способността да се самоориентират: те могат да разполагат с два циферблата, работещи на различни принципи (например, хоризонтален и аналематичен циферблат), монтирани върху обща пластина. При такива конструкции техните показания за времето съвпадат само тогава, когато пластината е правилно подравнена.
Слънчевите часовници могат да показват само местно слънчево време. За да се изчисли официалното поясно време, са необходими три корекции (за повече подробности вж. „Корекции за изчисляване на официалното време“): Корекция за лятно часово време: допълнително изместване на времето, което се прилага в някои региони. Корекция за географска дължина: отчита разликата между местната географска дължина и дължината на официалния часови пояс. Корекция за уравнението на времето: отчита елиптичността на земната орбита и наклона на оста на нейното въртене.
История
Най-древните слънчеви часовници, познати от археологическите находки, са т.нар. сенчести часовници (около 1500 г. пр. н. е.), чиято поява е тясно свързана с древноегипетската и вавилонската астрономия. В Африка жителите на древен Куш също са създавали свои собствени слънчеви часовници въз основа на познанията си по геометрия.
През Античността науката за измерване на времето отбелязва значителен напредък. Около 240 г. пр. н. е. гръцкият учен Ератостен изчислява обиколката на Земята с помощта на обелиск и кладенец с вода, а няколко века по-късно Клавдий Птолемей разработва метод за определяне на географската ширина на градовете чрез височината на Слънцето. Разнообразните видове слънчеви и сенчести часовници, познати по онова време, са подробно описани от римския архитект Витрувий в неговия трактат „Десет книги за архитектурата“ („De architectura“). Знаменитата Кула на ветровете в Атина е разполагала едновременно както със слънчев, така и с воден часовник.
Между VII и XIV век в Европа широко разпространение получават така наречените канонични слънчеви часовници. Те се използват предимно от религиозните ордени, за да указват каноничните часове за литургичните богослужения.
От XVI век насетне слънчевите часовници навлизат в масова употреба, което води до появата на задълбочени научни трудове за тяхното проектиране. Например, през 1570 г. италианският астроном Джовани Падовани публикува трактат с указания за изработването и разчертаването на стенни (вертикални) и хоризонтални циферблати. По-късно, около 1620 г., Джузепе Бианкани в своя труд „Constructio instrumenti ad horologia solaria“ обсъжда в детайли принципите за създаване на перфектния слънчев часовник.
Тези уреди остават основно средство за отчитане на времето чак до изобретяването на прецизните механични часовници и последвалата модернизация на обществото. Тяхното постепенно изместване от бита започва в средата на XVII век, но приключва окончателно едва през XIX век с въвеждането на стандартизираното поясно време.
Теоретични основи и принцип на действие
Видимо движение на Слънцето
Принципът на действие на слънчевите часовници се разбира най-лесно чрез видимото движение на Слънцето. Земята се върти около оста си и обикаля Слънцето по елиптична орбита. За целите на това обяснение е удобно да приемем опростения модел, при който Слънцето се движи около неподвижната Земя по небесната сфера, правейки една пълна обиколка около небесната ос на всеки 24 часа. Небесната ос е мислената линия, свързваща небесните полюси. Тъй като тя съвпада с оста на въртене на Земята, ъгълът между нея и равнината на местния хоризонт винаги е равен на местната географска ширина.
За разлика от неподвижните звезди, Слънцето променя положението си върху небесната сфера: неговата деклинация е положителна през пролетта и лятото в Северното полукълбо, отрицателна – през есента и зимата, и нулева (т.е. намира се на небесния екватор) – в дните на равноденствие. Небесната дължина на Слънцето също се променя, правейки една пълна обиколка годишно. Пътят на Слънцето по небесната сфера се нарича еклиптика, която в рамките на годината преминава през дванадесетте зодиакални съзвездия.
Този модел на слънчевото движение изяснява как функционират слънчевите часовници. Ако гномонът (елементът, хвърлящ сянката) е насочен към небесните полюси, неговата сянка ще се върти с постоянна ъглова скорост, която не зависи от годишното време. Това е най-разпространената конструкция, при която едни и същи часови линии могат да се използват целогодишно. Тези линии са разположени равномерно, ако повърхността, върху която пада сянката, е перпендикулярна на гномона (както при екваториалния слънчев часовник) или представлява окръжност около него (както при армиларната сфера).
В други случаи часовите линии са разположени неравномерно, дори ако самата сянка се върти равномерно. Ако обаче гномонът не е насочен към небесните полюси, сянката му също няма да се върти равномерно, което налага съответното коригиране на часовите линии. Светлинните лъчи, преминаващи покрай върха на гномона, проникващи през малък отвор или отразяващи се от малко огледало, описват конус, чиято ос съвпада с небесната. Съответното светлинно петно или върхът на сянката, падайки върху плоска повърхност, ще описва конично сечение, като хипербола, елипса или (на Северния и Южния полюс) окръжност.
Това конично сечение е резултат от пресичането на светлинния конус с плоската повърхност. Формата на конуса и съответно на неговото сечение се променя през годината поради промяната в слънчевата деклинация. Поради тази причина слънчевите часовници, които отчитат времето по светлинно петно или по върха на сянката, често имат различни часови линии за различните сезони. Това е характерно за пастирските часовници, слънчевите пръстени и за вертикални гномони като обелиските. Като алтернатива, при някои часовници (като аналематичните или часовниците на Фостър – Ламберт) може да се променя ъгълът или позицията на гномона спрямо часовите линии.
Устройство на слънчевия часовник
В най-общия случай слънчевите часовници показват времето, като хвърлят сянка или насочват светлина върху повърхност, наричана циферблат (или скала). Макар най-често да представлява плоска равнина, циферблатът може да бъде също така вътрешната или външната повърхност на сфера, цилиндър, конус, спирала, както и да заема най-различни други форми.
Времето се отчита според мястото, където сянката или светлината пада върху циферблата, на който обикновено са разчертани часови линии. Въпреки че най-често са прави, в зависимост от конструкцията на часовника те могат да бъдат и извити. При някои модели е възможно да се определи и датата, докато при други познаването на датата е задължително условие за точно отчитане на времето. В тези случаи може да са предвидени няколко набора от часови линии за различните месеци или специални механизми за задаване и отчитане на месеца. Освен часовите линии, върху циферблата могат да бъдат изобразени и други елементи, като хоризонтът, екваторът и тропиците.
Целият обект, който хвърля сянка или насочва светлина върху циферблата, се нарича гномон. Най-често обаче сянката, служеща за отчитане на времето, се хвърля само от ръба на гномона (или от друг линеен елемент) — той се нарича стил (от латински: stilus). Обикновено стилът е ориентиран успоредно на оста на небесната сфера, съвпадайки с местния географски меридиан. При някои видове слънчеви часовници за определяне на времето и датата се използва само точков елемент – например, върхът на стила, наричан нодус (от латински: nōdus — „възел“). Съществуват и модели, които съчетават стил и нодус за едновременно отчитане на времето и датата.
По правило гномонът е неподвижен спрямо циферблата, макар че има и изключения. При определени конструкции, като аналематичните слънчеви часовници, стилът се премества в зависимост от конкретния месец. Когато стилът е фиксиран, линията, спусната перпендикулярно от него към равнината на циферблата, се нарича субстил (или субстилна линия). Ъгълът между стила и равнината на циферблата е известен като височина на стила. При много стенни часовници субстилът не съвпада с пладнешката линия (вж. Вертикални слънчеви часовници). Ъгълът върху циферблата между пладнешката линия и субстила се нарича субстилно разстояние.