солнечный календарь - гномон "сэргэ" с номограммой уравнения времени и склонения солнца

Формула изобретения

Солнечный календарь, состоящий из двух установленных рядом друг с другом на полуденной линии вертикальных стержней, один из которых выполняет роль гномона, а другой - экрана, на циферблате которого приведены календарные даты - дни, месяцы, сезоны, полугодия, отличающийся тем, что циферблат экрана представляет собой номограмму, выполненную по ежедневным отметкам в течение года по тени верхней части гномона и состоящую из трех основных частей - центральной продольной линии с отметками истинных солнечных полдней, сетки, образованной из календарных (горизонтальных) и минутных (дополнительных продольных) линий, и 8-образной кривой уравнения времени с отметками истинного времени на момент полдня по среднему времени или среднего времени на момент полдня по истинному времени, при этом календарные даты, цифровые пояснения данных номограммы, а также шкала склонений солнца приведены по боковому краю циферблата.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к солнечным календарям гномонам "Сэргэ", учебным пособиям по астрономии, приборам по определению времени по солнцу, т. к. циферблат экрана календаря усовершенствован в номограмму, позволяющую определять не только календарные даты (дни, месяцы, сезоны, полугодия, даты солнцестояний и равноденствий), но и наглядно демонстрирует уравнение времени по разности во времени между истинным и средним солнечным полднем и склонение солнца на протяжении года

Известен солнечный календарь-гномон "Сэргэ" - пат. RU 2101775, G 04 B 49/02, публ. 10.01.98, состоящий из двух, установленных рядом с другом на полученной линии вертикальных стержней, один из которых выполняет роль гномона, а другой - экрана, на циферблате которого приведены календарные даты и время истинного солнечного полдня.

Недостатком этого солнечного календаря является то, что он не демонстрирует ежедневных величин уравнения времени и склонений солнца, а также показателей среднего солнечного времени, приходящихся на моменты истинных полдней.

Задача предлагаемого изобретения - расширить информативность и демонстрационные возможности солнечного календаря "Сэргэ".

Техническое решение поставленной задачи достигнуто тем, что циферблат экрана усовершенствован в номограмму, выполненную по ежедневным отметкам в течение года по тени верхней части гномона и состоящую из трех основных частей - центральной продольной линии с отметками истинных солнечных полдней, сетки, образованной из календарных (горизонтальных) и минутных (дополнительных продольных) линий, и 8-образной кривой уравнения времени с отметками истинного времени на момент полдня по среднему времени или среднего времени на момент полдня по истинному времени, при этом календарные даты, цифровые пояснения данных номограммы, а также шкала склонений солнца приведены по боковому краю циферблата.

Солнечный календарь имеет два варианта экрана: стержневой и дугообразный (фиг. 1, 2). Каждый из них в свою очередь может иметь два взаимообратимых варианта номограммы (фиг. 3, 4).

В наиболее простом варианте предлагаемое изобретение представляет солнечный календарь - гномон "Сэргэ" (1), состоящий из двух вертикальных стержней, установленных рядом друг с другом на полуденной линии в следующем порядке: полуденное солнце - стержень-гномон - стержень-экран. В дальнейшем изложении два последних термина употребляются без слова "стержень", т.к. экран в предлагаемом изобретении может иметь форму как прямого или дугообразноизогнутого стержня, так и форму дуги, вписанной в любой крупный предмет: куб, параллелепипед, стену, скалу, глыбу камня и прочее.

Верхняя часть гномона служит "прицелом" календаря, по тени которого на циферблате ежедневно в течение года делают по две отметки истинного солнечного времени - в полдень по истинному и в полдень по среднему солнцу.

Циферблат представляет обращенную к полуденному солнцу грань экрана. Главной рабочей частью циферблата является номограмма. Она представлена тремя основными частями: центральной продольной линией с отметками моментов истинных солнечных полдней, 8-образной кривой с ежедневными отметками уравнения времени, сеткой, образованной из календарных (горизонтальных) и минутных (дополнительных продольных) линий.

Центральная продольная линия расположена на меридиане данной местности. Она делит номограмму и циферблат в целом на две части. На правой половине циферблата расположены календарные сведения полугодия подъема полуденного солнца над уровнем горизонта, а на левой - снижения. Каждая отметка истинного полдня на центральной линии является общей для совпадающих по таким отметкам обоих полугодий, но основанные на них шкалы календарных дат каждого полугодия записаны на соответствующей половине календаря по наружному краю горизонтальных линий номограммы (фиг. 3, 4, п. 14, 15, 16).

Горизонтальные линии проведены через отметки истинных полдней на центральной линии, с интервалом в пять дней. Они разбивают год на 72 пятидневки, по 36 на полугодие. Четыре дня 73-ей пятидневки расположены в нижней части циферблата, по два на левой и правой половинах. Один день этой пятидневки помещен в верхней части левой половины циферблата. Правая половина экрана внизу заканчивается пунктирной линией, обозначающей конец суток последнего дня полугодия подъема солнца (21.06). День летнего солнцестояния, в который полуденное светило достигает высшей точки над уровнем горизонта в своем годовом цикле, перенесен на левую половину циферблата, как общепринятый день начала нового полугодия. В верхней части левой половины циферблата пунктиром обозначен конец последних суток полугодия снижения солнца (21.12). Промежуточным полдням пятидневок соответствуют короткие поперечные черточки на внутренней стороне крайних продольных линий. Жирная часть горизонтальных линий обозначает первые дни месяцев.

Пунктирная поперечная линия, проведенная через обе половины циферблата, тождественна дням весеннего и осеннего равноденствия. В верхней части правой половины номограммы точками показана линия, условно соответствующая 366-му дню високосного года. На свободных боковых частях циферблата размещены цифровые пояснения основных данных номограммы и приведена шкала склонения солнца.

8-образная кривая проведена по отметкам тени истинного солнца, сделанным в момент полдня по среднему солнцу, т.е. в 12 ч 00 мин по местному времени, когда воображаемая тень невидимого среднего солнца находится на центральной линии (фиг. 4). На фиг. 3 представлен обращенный вариант номограммы, где 8-образная кривая служит указателем среднего времени на момент истинного полдня, когда с центральной линией совпадает тень истинного солнца. Все данные обоих номограмм взаимообращаемы. 8-образная кривая является наружной границей годового графика уравнения времени, представленного ежедневно изменяющимся расстоянием между отметками полдней на центральной линии и соответствующими отметками на 8-образной кривой. Следовательно, 8-образная кривая фактически является кривой уравнения времени. Центральная линия служит внутренней границей уравнения времени двух полугодий и одновременно началом отсчета каждого из них. Календарная дата уравнения времени определяется по пересечению 8-образной кривой с горизонтальной линией на левом или правом поле номограммы. Величину уравнения времени находят по минутной градации номограммы. Такая градация выполнена дополнительными продольными линиями.

Продольные линии проведены параллельно центральной линии. Расстояние между ними пропорционально минуте времени, т.е. тень гномона в течение одной минуты преодолевает дистанцию между двумя соседними линиями. Продольные линии имеют 2 шкалы: верхняя указывает уравнение времени и его знак в дни, когда продольная линия попадает в место пересечения 8-образной кривой с горизонтальной линией, а нижняя указывает непосредственно среднее время с учетом уравнения времени на момент полдня по истинному (фиг. 3) или истинное время на момент полдня по среднему солнцу (фиг.4).

В более точном варианте предлагаемого изобретения экран изогнут в виде дуги (фиг. 2). Она составляет участок внутренней поверхности воображаемой сферы, центр которой представлен заостренным верхним концом гномона или его прицелом. Циферблат имеет вогнутую форму. Расстояние между гномоном и экраном равно радиусу сферы, поэтому все точки циферблата равноудалены от источника тени. В Средней полосе длина дугообразного экрана должна составлять около 0,25 окружности упомянутой сферы.

Центральная линия циферблата с отметками истинных полдней находится в плоскости меридиана. Отметки времени на 8-образной кривой удалены от центральной линии на расстояние, графически соответствующее уравнению времени на данный день и лишь в четырех местах пересечения с центральной линией имеют нулевое значение. Одинаковая удаленность всех точек поверхности дугообразного циферблата от источника тени исключает искажения показателей уравнения времени, наблюдаемые при стержневом варианте солнечного календаря, где они обусловлены разной удаленностью верхней и нижней точек циферблата от вершины гномона. В остальном разметки циферблата стержневого и дугообразного экранов аналогичны.

Описание поясняется чертежом. На фигурах 1 и 2 изображен общий вид календаря с стержневым и дугообразным вариантами экрана, соответственно. На фиг. 3 представлена схема циферблата с номограммой, у которой отметки 8-образной кривой указывают величину уравнения времени и среднее время в момент истинного полдня. Фиг. 3 имеет разрядки отдельных участков циферблата 3А, 3Б, 3В, 3Г. Фиг. 4 представляет циферблат, номограмма которого имеет 8-образную кривую уравнения времени с отметками истинного времени, приходящимися на момент среднего полдня. 1 - экран, 2 - циферблат с номограммой, 3 - восьмеркообразная кривая с отметками моментов средних полдней, 4 - центральная линия с отметками моментов истинных полдней, 5 - день весеннего равноденствия (21.03), 6 - день осеннего равноденствия (23.09), 7 - шкала склонений солнца, 8 - гномон, 9 - солнце в день летнего солнцестояния, 10 - солнце в день зимнего солнцестояния, 11 - положение "истинного" солнца относительно меридиана в момент полдня по среднему солнцу в дни, когда истинное время отстает от среднего, 12 - солнце в момент истинного полдня, 13 - положение "истинного" солнца относительно меридиана в средний полдень в дни, когда истинное солнце находится впереди среднего. 11" - отметка кривой уравнения времени в один из дней отстающего истинного солнца. 12" - отметка момента истинного полдня на центральной линии, 13" - отметка кривой уравнения времени в один из дней опережающего истинного солнца, 11", 12" - пример графика уравнения времени с отрицательным знаком, имеющий место в один из дней февраля (истинное время отстает от среднего), 12" - 13" - пример графика уравнения времени с положительным знаком в один из дней октября, когда истинное время находится впереди среднего, 14 - первые дни календарных пятидневок - сплошные поперечные линии, 15 - промежуточные дни пятидневок, 16 - первые дни месяцев - жирные линии, 17 - конец суток последних дней полугодий - пунктир, 18 - шкала числовых обозначений важных календарных дат, подчеркнуты даты с максимальными значениями уравнения времени и дни совпадения на центральной линии моментов истинного и среднего полдня, 19 - условный 366-й день високосного года, 20 - меридиан, 21 - шкала времени на момент полдня, 22 - шкала значений уравнения времени в минутах. 23 - римскими цифрами указаны месяцы на кривой уравнения времени.

Подготовка циферблата и работа календаря. Диаметр гномона произвольный. Высота гномона и стержневого экрана могут быть одинаковыми и произвольно варьируют от 20 см до нескольких метров. Для получения четкой тени на циферблате прицел гномона должен быть достаточно тонким или заостренным. Прицел может быть представлен отверстием в верхней части гномона или снабжен оптикой, обеспечивающей фокусировку полуденных лучей на поверхности циферблата в течение полугодового смешения высоты полуденного солнца над уровнем горизонта.

Минимальная ширина номограммы циферблата соответствует формуле:

s = l tg0,

где l - расстояние между гномоном и экраном;

0 - угол горизонтального смещения солнца за 30 мин 41 сек, округленно равный 8 градусам;

s - ширина номограммы.

При этом на одной половине циферблата максимальное расстояние от центральной линии до края номограммы должны соответствовать не менее чем 16 мин 25 сек, а на другой - 14 мин 16 сек. Ширина циферблата экрана должна быть шире номограммы для записи календарных дат.

Расстояние между гномоном и экраном определяется по формуле:



где l - расстояние между стержнями;

b - высота гномона;

h - угловая высота полуденного солнца в день летнего солнцестояния;

0,75 - показатель отношения расстояния между гномоном и экраном к длине полуденной тени гномона.

При установке календаря вершина гномона (прицел) и центральная линия циферблата должны расположиться в плоскости меридиана. Направление полуденной линии наиболее удобно определять 14 июня, 1 сентября, 24 декабря или 15 апреля, т.к. в эти дни года моменты истинного и среднего полдней совпадают и в 12 ч 00 мин по местному времени тень гномона точно направлена вдоль меридиана.

В течение первого года после установки календаря составляется номограмма, указанная на фигуре 4. Для этого в солнечные дни по тени "прицела" гномона на центральной линии циферблата делают отметки истинных полдней, на основе которых формируются указатели календарных дат, склонений солнца и часть графика уравнения времени.

В те же дни, но в момент среднего полдня, т.е. в 12 ч 00 мин по местному времени, делают вторую отметку местоположения тени. Эта отметка истинного времени соответствует моменту среднего полдня, когда центр невидимого среднего солнца переходит через меридиан данной местности, а воображаемая тень его должна находиться на центральной линии. Причем отметки однодневных полдней истинного и среднего солнца на центральной линии совпадают, но тени их попадают на отметку с разностью, равной уравнению справа от центральной линии, и удалены от нее на разное расстояние. Годовая совокупность таких отметок истинного времени формирует 8-образную фигуру, которую обводят линией (фиг. 4, п. 3). Отличительной чертой этого времени является то, что верхняя точка ее находится справа от центральной линии, а нижняя слева.

Воображаемые отметки тени среднего полдня совпадают на центральной линии с однодневными отметками истинных полдней. Кроме того, они находятся на одном горизонтальном уровне с отметками истинного времени на 8-образной кривой обоих половин номограммы. Через указанные отметки проводят горизонтальные линии с интервалом в пять дней, начиная с верхней отметки истинного полдня, т.е. с дня зимнего солнцестояния. Полученные таким образом линии календарных пятидневных оказываются одинаковыми для обоих вариантов номограмм (фиг. 3 и 4).

Поскольку расстояние между отметкой центральной линии и соответствующей отметкой на 8-образной кривой является графическим выражением уравнения времени на данный день, то для определения величины уравнения времени проводят градацию циферблата на минуты.

Для этого измеряют расстояние, преодолеваемое тенью в течение одной минуты. Такие минутные шаги тени отмеряют на одной из горизонтальных линий на обоих половинах номограммы, начиная от центральной линии. Через минутные отметки проводят дополнительные продольные линии, параллельные к центральной. В верхней части циферблата продольные линии нумеруют в возрастающем порядке, начиная от центральной линии, которая принимается за нулевую. К номерам левой половины циферблата добавляют отрицательные знаки, к правой - положительные. Номера линий соответствуют количеству минут, отделяющих их от центральной линии, и выражают разность между средним и истинным солнечным временем, т.е. уравнение времени в дни, когда продольная и горизонтальная линия пересекаются на 8-образной кривой. При этом продольная линия указывает величину уравнения времени на данный день, а горизонтальная линия - календарную дату. Знаки плюс и минус указывают математические действия, которые должны быть произведены с уравнением времени относительно 12 ч 00 мин для определения истинного времени на момент полдня по среднему времени (фиг. 4) или, наоборот, среднего времени от истинного полдня (фиг. 3). В нижней части циферблата указывают часы и минуты околополуденного истинного солнечного времени, в пределах которых в течение года происходит смещение ежедневных значений уравнения времени.

По боковому краю номограммы на циферблате проставляют цифровые обозначения важных календарных дат: первые дни месяцев, дни летнего и зимнего солнцестояния, весеннего и осеннего равноденствия, дней с максимальными и минимальными значениями уравнения времени, шкалу склонений солнца. Размеченный таким образом циферблат превращается в номограмму, существенно расширяющую демонстрационные свойства солнечного календаря.

В дни летнего солнцестояния отметка момента истинного солнечного полдня находится на центральной линии в нижней части циферблата. В течение полугодия снижения полуденного солнца над уровнем горизонта тень ежедневно поднимается вдоль центральной линии вверх, достигая максимальной высоты в дни зимнего солнцестояния. В течение полугодия подъема полуденного солнца над горизонтом тень ежедневно снижается, достигая минимальной высоты в дни летнего солнцестояния.

Нижняя отметка кривой уравнения времени находится в дни летнего солнцестояния слева от центральной линии (фиг. 4). В течение полугодия снижения полуденного солнца в 12 ч 00 мин по среднему времени тень истинного солнца поднимается вверх сначала по левой половине циферблата, затем 1 сентября переходит на правую сторону, на которой она достигает высшей точки в дни зимнего солнцестояния. В течение следующего полугодия отметки истинного времени снижаются сначала по правой половине циферблата, затем 24 декабря переходят на левую половину, далее 15 апреля - на правую и в результате третьего перехода через центральную линию 14 июня оказываются на левой стороне, где достигают низшего уровня в дни летнего солнцестояния. Таким образом, 8-образная кривая в четырех точках пересекает центральную линию. Такие точки соответствуют моментам совпадения истинного и среднего солнечного времени. Уравнение времени в эти дни равно нулю.

Тень гномона движется по циферблату слева направо. Поэтому тень опережающего солнца всегда находится справа, тень отстающего солнца слева. В течение весенне-летнего времени, с 16 апреля по 13 июня, и осенне-зимнего, с 2 сентября по 23 декабря, истинное солнце движется впереди среднего и кривая истинного времени располагается справа от центральной линии (фиг. 4). Уравнение времени при этом имеет положительное значение, поскольку к 12 ч 00 мин по среднему времени истинное солнце уже проходит свой полдень и будет больше среднего на величину уравнения времени данного дня. В указанные периоды года истинное время составляет: T_исв = T_ссв + n, где n - уравнение времени, T_ссв - среднее солнечное время, T_исв - истинное солнечное время.

В течение другой половины года, с 25 декабря по 14 апреля и с 15 июня по 31 августа, истинное солнце запаздывает, кривая его располагается на левой половине циферблата, уравнение времени имеет отрицательное значение и истинное время составит: T_исв = T_ссв - n.

Например, если 12 сентября уравнение времени имеет значение около + 3 минут, а 1 апреля равно, приближенно, - 4 минутам, то во время среднего полдня (12 ч 00 мин) в эти дни истинное время составит 12 ч 03 мин в первом случае и 11 ч 56 мин во втором. Наибольшие различия между истинным и средним солнечным временем наблюдаются 2 ноября (+16 мин 24 с) и 11 февраля (-14 мин 22 с).

Следует учитывать, что в верхней петле 8-образной кривой осенне-зимние даты уравнения времени переходят с левой на правую половину циферблата, а зимне-весенние занимают левую половину, в то время как обычные календарные даты этих периодов остаются на своей левой и правой стороне циферблата, т.е. на стороне своего полугодия.

В шкале склонений солнца 0 соответствует дням весеннего и осеннего равноденствия. В дни зимнего солнцестояния склонение достигает отрицательного максимума (-23, 27 градусов), в летнее равноденствие - положительного (+23, 27). Промежуточные значения склонений солнца по Астрономическому календарю за 1990 год (4) соответствуют приближенно следующим датам: -5 градусов - 8 марта и 6 октября, -10 градусов - 23 февраля и 20 октября, -15 градусов - 8 февраля и 3 ноября, -20 градусов - 21 января и 22 ноября, +5 - 3 апреля и 10 сентября, +10 - 16 апреля и 28 августа, +15 - 1 мая и 12 августа, +20 - 23 июля и 21 мая. В приведенном выше примере склонение солнца 1 апреля составит около +4 градусов.

Т. о. календарные даты определяют по верхнему краю тени, падающей на центральную линию от вершины гномона. Тень указывает истинный полуденный час, день, а также другие календарные даты, такие как месяц, сезон, полугодие, склонение солнца. Момент совпадения верхнего края тени с отметкой 8-образной кривой соответствует истинному солнечному времени на момент полдня по среднему времени и определяется по нижней шкале продольных линий (фиг. 4, п. 21). Значимость уравнения времени на текущий день определяется по этой же отметке на 8-образной кривой, но по верхней шкале (фиг. 4, п. 22).

Вариант номограммы, представленный на фиг. 2 - 3, может быть создан на основе первичных данных, изображенных на фиг. 4, путем поворота 8-образной кривой на 180 градусов вокруг центральной линии. При этом "+" и "-" знаки показателей уравнения времени обращаются на противоположные. Циферблат и сетка остаются в неизменном положении, со своими знаками. 8-образная кривая используется в качестве отметок среднего времени в моменты истинных полдней и отметок величины уравнения времени, а центральная линия - как указатель истинных полдней и календарных дат (фиг. 2, 3, п. 4). Данный вариант номограммы предпочтителен тем, что указывает непосредственно момент истинного полдня и наглядно раскрывает все свои демонстрационные возможности, в то время как в варианте с фиг. 4 момент среднего полдня только укладывается по отметкам 8-образной кривой или может быть определен с помощью механических и прочих часов.