Patrz?c na ró?ne rodzaje zegarów s?onecznych warto wiedzie? nie tylko jak odczyta? czas pokazywany cieniem, lecz tak?e rozumie? ich zasad? dzia?ania, a tak?e pewne prawid?a, które wi??? si? z konstrukcj? owych przyrz?dów. Patrz?c z wiedz?, ju? na pierwszy rzut oka mo?na oceni?, czy mamy przed sob? prawdziwy zegar s?oneczny – zbudowany i wyliczony zgodnie z rzeczywistymi zasadami gnomoniki – czy te? jedynie atrap?, która nigdy nie poka?e prawdziwej godziny. Dlatego postanowili?my zebra? z dost?pnej nam literatury wszystkie istotniejsze informacje i zaprezentowa? je w formie swego rodzaju kompendium wiedzy. Horyzontalne zegary s?oneczne spotykamy w naszym kraju do?? cz?sto, a to za spraw? królów i ludzi zamo?nych. Oni to w?a?nie upodobali sobie ustawianie s?oneczników w ogrodach i przypa?acowych parkach, gdzie w czasie spacerów i rozkoszy dworskich zabaw, mogli ?atwo i szybko sprawdza? aktualn? godzin?. W Europie ju? w XV wieku zauwa?y? mo?na spory post?p w wiedzy dotycz?cej zegarów s?onecznych, a wielu uczonych badania swe przypiecz?towa?o wydaniem poka?nych tomów opisuj?cych zasady gnomoniki. Mo?ni tamtych czasów ch?tnie szli za mod? i post?pem, tote? w ich rezydencjach zacz??y masowo pojawia? si? s?oneczne czasomierze.
Kilka s?ów o czasie Przy pomiarze czasu s?onecznym cieniem nale?y zwróci? uwag? na ró?nice w rodzajach czasu. Poczynaj?c od po?udnika pocz?tkowego w Greenwich, co 15° d?ugo?ci geograficznej czas zmienia si? o jedn? godzin?, co w naturalny sposób tworzy strefy czasowe. Tak przynajmniej jest w teorii, gdy? ze wzgl?dów praktycznych niektóre pa?stwa – pomimo oczywistych ró?nic w po?o?eniu – przyj??y czas wspólny. Tak na przyk?ad dzieje si? w Europie, gdzie wi?kszo?? krajów stosuje czas ?rodkowoeuropejski. Czas zegarów s?onecznych to czas tak zwany prawdziwy, czyli miejscowy s?oneczny, który jest inny dla wszystkich d?ugo?ci geograficznych ka?dego kraju. Przyk?adowo Polska le?y mi?dzy 14°07' a 24°08' d?ugo?ci geograficznej wschodniej. Oznacza to, ?e rozpi?to?? wskaza? zegarów s?onecznych obserwowanych w tym samym momencie si?gaj?c? oko?o 40 minut (4 minuty na 1°). Czas strefowy, którym pos?uguj? si? zegary i zegarki mechaniczne, jest identyczny w ca?ej Polsce. Istniej? metody odczytania z zegara s?onecznego czasu strefowego lub dla u?atwienia modyfikacji jego konstrukcji, jednak nie b?dziemy si? tym zajmowa? w tym miejscu. Omawiaj?c konstrukcj? s?oneczników b?dziemy mówili zatem o podstawowym zegarze wskazuj?cym miejscowy czas s?oneczny. Koniecznie nale?y tak?e doda?, ?e takie zegary s?oneczne pokazuj? czas zimowy.
Poprawne pozycjonowanie Nazwa zegara horyzontalnego pochodzi od ustawienia jego tarczy godzinowej – jest ona dok?adnie pozioma, czyli równoleg?a do p?aszczyzny horyzontu. ?eby zamocowa? j? w idealnym po?o?eniu konieczne jest u?ycie poziomicy. Owo bardzo proste w swej konstrukcji narz?dzie natychmiast i nieomylnie wychwyci wszelkie, nawet najdrobniejsze odchylenia od w?a?ciwej p?aszczyzny. Gnomon w stosunku do tarczy powinien by? ustawiony pod k?tem równym szeroko?ci geograficznej danego miejsca, za? jego wierzcho?ek powinien wskazywa? Gwiazd? Polarn?, któr? niemal idealnie wskazuje biegun pó?nocny, czyli o? obrotu Ziemi. Oczywi?cie za dnia, kiedy zegar ci??ko pracuje pokazuj?c czas, Gwiazda Polarna jest niewidoczna, jednak inna zasada przychodzi z pomoc? w poprawnym ustawieniu urz?dzenia. Linia godziny 12 (XII) le?y dok?adnie na lokalnym po?udniku, który bardzo prostymi metodami ka?dy mo?e wyznacza? sobie sam. Teoretycznie mo?na te? skorzysta? z kompasu, ale tylko wtedy, gdy zna si? aktualn? warto?? deklinacji magnetycznej dla miejsca budowy zegara. Koniecznie trzeba to uwzgl?dni?, by odszuka? kierunek osi obrotowej Ziemi, a nie biegun magnetyczny. Wiedz?c to, ?atwo zrozumie?, dlaczego przed wiekami zegary s?oneczne nazywano w Polsce kompasami: gnomon wskazywa? kierunek pó?nocny. Linie godzinowe wyrysowa? mo?na na kilka sposobów i tylko od twórcy zegara zale?y, czy b?dzie wola? si?gn?? po geometri?, czy mo?e raczej trygonometri?. Oczywi?cie mo?na pój?? na ?atwizn? i przenie?? linie godzin z odpowiednio ustawionego zegara równikowego, który w niemal ka?dych warunkach mo?e pos?u?y? jako uniwersalny wzorzec. Ta technika jednak niesie ze sob? ryzyko pewnych przek?ama? wynikaj?cych z braku precyzji ludzkich r?k, wi?c je?li kto? chce rzecz wykona? jak nale?y, to raczej nie ominie której? z powy?szych ga??zi matematyki.
Cechy charakterystyczne Dobrze wykre?lona tarcza powinna posiada? kilka charakterystycznych cech, które s? kluczowe dla skutecznego dzia?ania s?onecznika:

• Po?udnik lokalny. W wymiarze globalnym jest to nic innego jak p?aszczyzna przechodz?ca przez oba bieguny Ziemi i miejsce, w którym ma sta? zegar. Oczywi?cie jest to twór wyimaginowany i nie nale?y go szuka? zakopanego pod piaskiem. W skali mikro z kolei, lokalny po?udnik postrzegamy jako lini? biegn?c? z po?udnia na pó?noc. Po?udnik naj?atwiej wyznaczy? obserwuj?c S?o?ce: cie? pionowo wbitego w pod?o?e pr?ta wska?e dok?adnie pó?noc w momencie górowania S?o?ca, czyli w s?oneczne po?udnie.
  
  Wyznaczanie po?udnika lokalnego poprzez oznaczanie przeci?cia ko?ca cienia pr?ta (gnomonu) z jednym z kr?gów o wspólnym ?rodku (1 – pomiar przed godz. 12, 2 – pomiar po godz. 12). Z tych dwóch punktów zakre?la si? dwa ?uki (3). Miejsce ich przeci?cia nale?y po??czy? z punktem ustawienia gnomonu – po?udnik lokalny zosta? wyznaczony. Zegar s?oneczny nale?y ustawi? na nim w taki sposób, by linia godziny 12 pokry?a si? idealnie z lini? po?udnika.
  
  
• Linia wschód-zachód. W zegarach poziomych godziny 6 i 18 le?? na jednej i tej samej linii, która musi by? prostopad?a do lokalnego po?udnika pozycjonuj?cego zegar. Godzina 6 wskazuje zachód, a 18 wschód.
  
  Linie godzin 6 (VI po stronie zachodniej) i 18 (VI po stronie wschodniej) wyznaczaj? kierunki odpowiednio zachodu i wschodu.
  
  
• Dwie osie symetrii. Pierwsza o? biegnie wzd?u? po?udnika i tym samym przebiega przez punkt godziny 12. Linie godzin po obu stronach tej osi s? swoimi lustrzanymi odbiciami. Dla przyk?adu k?t pomi?dzy godzin? 11 a 12 jest taki sam jak ten pomi?dzy 12 a 13. Druga o? symetrii przebiega przez lini? wschód-zachód. K?ty godzin po obu jej stronach równie? s? identyczne wzgl?dem siebie. Na przyk?ad k?t pomi?dzy godzin? 5 a 6 jest taki sam jak mi?dzy 6 a 7. UWAGA: nie nale?y si? jednak dziwi?, je?li linie godzin na zegarze horyzontalnym nie b?d? symetryczne wzgl?dem po?udnika. Mo?e to oznacza?, ?e autor uwzgl?dni? d?ugo?? geograficzn? zegara (odleg?o?? od g?ównego po?udnika strefy), wkalkulowuj?c t? ró?nic? w uk?ad godzin, lub ?e ustawi? skal? godzin na czas letni. Efektem powinno by? obrócenie wszystkich linii godzinowych od po?udnika, na którym ustawiona jest podstawa gnomonu (substyl).
  
  Dwie linie symetrii tarczy s?onecznika. Jednakowym kolorem pokazano na obu rysunkach linie godzin o takim samym k?cie dziel?cym je od linii po?udnika (po lewej) i osi wschód-zachód (po prawej).
  
  
• Pocz?tek (?rodek) zegara s?onecznego. Wbrew pozorom nie jest to centralny punkt tarczy, lecz miejsce przeci?cia si? obu osi symetrii. To w?a?nie st?d wyrasta gnomon. Precyzyjne jego ustawienie jest kluczowe dla poprawnego dzia?ania zegara. Dlaczego jest to a? tak wa?ne? Otó? dlatego, ?e je?li gnomon zostanie cho?by odrobin? przesuni?ty, to jego cie? nigdy w pe?ni nie pokryje si? z liniami godzinowymi, a tym samym niemo?liwym stanie si? precyzyjne odczytanie czasu.
  
  Pochy?y gnomon (polos) zegara s?onecznego musi zaczyna? si? dok?adnie w miejscu przeci?cia si? obu osi symetrii jego tarczy.
  
  
• Ustawienie gnomonu. Nie ma znaczenia czy gnomon w zegarze ma posta? przytwierdzonego do tarczy trójk?ta, czy te? zwyk?ego pr?ta. Co natomiast jest istotne, to jego nachylenie do tarczy zegara, które musi mie? warto?? odpowiadaj?c? szeroko?ci geograficznej miejsca, w którym zegar stoi. W gnomonice ten k?t okre?lany jest jako wysoko?? gnomonu. Jego wierzcho?ek powinien wskazywa? Gwiazd? Polarn?. Warto tutaj wspomnie? o pewnej ciekawostce: zasada Gwiazdy Polarnej obowi?zuje wy??cznie na pó?nocnej pó?kuli – na pó?kuli po?udniowej wierzcho?ek gnomonu wskazuje nie pó?noc, a po?udnie.
  
  Kraw?d? gnomonu musi by? nachylona do tarczy zegara pod k?tem równym szeroko?ci geograficznej miejsca, w którym stoi s?onecznik. Przyk?adowo dla naszego zegara zaprojektowanego dla Rynku Starego Miasta w Warszawie jest to k?t 52°25' szeroko?ci geograficznej pó?nocnej.
  
  
• Luka po?udniowa. Na godzinie 12 konieczne jest utworzenie luki po?udniowej, czyli szczeliny równej grubo?ci gnomonu. Obie po?owy tarczy zegara (wschodnia i zachodnia) powinny zosta? odsuni?te od linii godziny 12 o po?ow? tej warto?ci. W ten sposób powstaj? niejako dwie linie godziny 12, z którymi w po?udnie pokrywaj? si? obie kraw?dzie boczne gnomonu. Je?eli gnomonem jest prosty, okr?g?y w przekroju pr?t, to luk? po?udniow? mo?na pomin?? – w tym przypadku ?rodek cienia b?dzie pokazywa? czas. Takie rozwi?zanie oznacza jednak mniejsz? precyzj?.
  
  Luka po?udniowa, uwzgl?dniaj?ca szeroko?? gnomonu. To bardzo istotny element konstrukcji s?onecznika – dzi?ki niemu czas pokazywany jest du?o precyzyjniej. W s?oneczne po?udnie ca?y gnomon wype?nia sw? szeroko?ci? przerw? mi?dzy dwiema po?owami tarczy zegara.
  
  
• Wska?niki gnomonu (?ac. stylus, w dawnej polszczy?nie styl). Im szerszy gnomon, tym wyra?niej wida? na jego grzbiecie dwie kraw?dzie, b?d?ce rzeczywistymi wska?nikami czasu. Tradycyjnie w gnomonice okre?lano je stylami, jednak w dzisiejszym j?zyku termin ten nie oddaje ju? rzeczywistej funkcji kraw?dzi gnomonu. Wska?nik wschodni pokazuje godziny od wschodu S?o?ca do 6. Od tej pory do po?udnia czas pokazuje wska?nik zachodni, po czym a? do 18 znowu pracuje wska?nik wschodni. Wtedy nast?puje ostatnia zamiana i do ko?ca dnia (do zachodu S?o?ca) pracuje wska?nik zachodni. Wida? st?d, ?e ka?dy wska?nik dzia?a przez maksymalnie 6 godzin z rz?du.
  
  Ka?dy z dwóch wska?ników pokazuje na zegarze s?onecznym inne zakresy godzin.
  
  
• Podstawa gnomonu (?ac. substylus, w dawnej polszczy?nie substyl). Podstawa trójk?tnego gnomonu to powierzchnia, któr? przylega on do tarczy zegara. W przypadku zegara poziomego podstawa gnomonu pokrywa si? z po?udnikiem, czyli lini? godziny 12. Je?li gnomon jest szeroki, to mie?cie si? on dok?adnie w luce po?udniowej.
  
  Podstawa gnomonu to linia ??cz?ca p?aszczyzn? gnomonu z tarcz? zegara. W zegarach horyzontalnych zawsze pokrywa si? z lini? po?udnika.
  
  
• Kierunek godzin. Oznaczenia godzin – od porannych, poprzez po?udnie, a? do wieczornych – rozmieszczone s? zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Na tarczy zegara horyzontalnego naj?atwiej zaobserwowa? drog? S?o?ca po niebie – to w?a?nie z tego ruchu zaczerpni?to pomys? na kierunek obrotu wskazówek w zegarkach, który odzwierciedla? drog? cienia po tarczy zegara s?onecznego.
  
  Kierunek godzin na tarczy poziomego zegara s?onecznego jest zgodny z kierunkiem obrotu wskazówek zegara, który zaczerpni?to z drogi S?o?ca po niebie.
  
  

Zegary horyzontalne w ró?nych szeroko?ciach geograficznych Zegar horyzontalny wymaga wokó? siebie sporo pustej przestrzeni – zale?nie od szeroko?ci geograficznej mo?e by? o?wietlony przez S?o?ce w ci?gu dnia przez inn? liczb? godzin. Im dalej pójdziemy na pó?noc, tym wi?kszy zakres godzin poka?e s?onecznik, a im bardziej na po?udnie, tym b?dzie ich mniej, jednak dolna granica to 12. Je?li ustawi? zegar poziomy w okolicach bieguna pó?nocnego, to nasz s?onecznik poka?e a? 24 godziny, cho? niestety b?dzie dzia?a? tylko przez pó? roku, a przez drug? po?ow? b?dzie trwa?a noc polarna. Tymczasem na Równiku s?onecznik poka?e tylko do 12 godzin – od 6 do 18 (dwa razy do roku pokazuje dok?adnie 12, a przez pozosta?y czas nieznacznie wi?cej). W szeroko?ciach geograficznych zajmowanych przez Polsk? horyzontalny zegar s?oneczny dzia?a zwykle w zakresie od 4 do 20. Z tych te? powodów zegar obliczony i wykonany dla Gda?ska nie mo?e by? u?yty w Krakowie, co oczywi?cie dzia?a w obie strony.
S?onecznik dla podró?nika Przed wiekami odkryto jednak sposób wykorzystania zegarów poziomych w charakterze czasomierzy podró?nych. W tym celu do pomniejszonych do rozmiarów kieszeni s?oneczników tego typu, mocowano niewielkie kompasy, a czasem tak?e ustawiane prostopadle do tarczy, zegary pionowe (wertykalne). Po??czenia tego dokonali uczeni w Norymberdze i st?d te? potoczna ich nazwa, zegary norymberskie. Gnomonem by?a nitka, której k?t nachylenia nad tarcz? mo?na by?o zmienia? przez przewleczenie jej przez odpowiedni otworek w pionowej tarczy. Na odwrocie zegara umieszczano zwykle tabel? z szeroko?ciami geograficznymi wa?niejszych miast. Oczywi?cie nadal pozostawa? problem poprawnego ustawienia zegara na lokalnym po?udniku, w czym teoretycznie pomaga? mia? kompas, jednak deklinacja magnetyczna bieguna pozwala?a na jedynie zaokr?glon? dok?adno??. Rozwi?zaniem tego problemu okaza?o si? po??czenie zegara poziomego z analematycznym, w którym zale?nie od daty pionowy gnomon ustawia si? stosownym miejscu na tarczy. ?eby skierowa? taki zegar idealnie ku pó?nocy, a tym samym odnale?? lokalny po?udnik, trzeba by?o tak obróci? zegar, by obie tarcze wskaza?y t? sam? godzin?. W tym po?o?eniu s?onecznik dzia?a bez zarzutu, pokazuj?c lokalny czas s?oneczny.
Kalendarz s?oneczny i astronomia Horyzontalny zegar s?oneczny, jak wiele innych odmian s?oneczników, mo?e na tarczy zawiera? tak?e kalendarz. Odczyta? z niego mo?na aktualny dzie? i miesi?c oraz wszystkie najbardziej charakterystyczne daty w ci?gu roku s?onecznego. Pokazuj? to rysowane obok gnomonu krzywe obrazuj?ce deklinacj? S?o?ca, czyli jego roczn? drog? po niebie. Dzi?ki tym liniom na s?oneczniku zobaczy? mo?na: przesilenie zimowe (najd?u?szy cie? gnomonu), przesilenie letnie (najkrótszy cie?) oraz wiosenne i jesienne zrównanie dnia z noc?, co wyra?a prosta linia. Do wskazania odpowiedniej daty na kalendarzu s?u?y wierzcho?ek gnomonu lub specjalna szczerbina tworzona na jego grzbiecie, nazywana nodusem. Kalendarz mo?e te? zawiera? linie pokazuj?ce kiedy S?o?ce wchodzi w kolejne znaki zodiaku. To jednak nie koniec mo?liwo?ci poziomego s?onecznika. Wielebny William Oughtred, ?yj?cy w XVII wieku angielski uczony, wpad? na pomys?, by na jednym zegarze poziomym umie?ci? de facto dwa s?oneczniki – jeden z gnomonem pochy?ym (polosem) i drugi z pionowym. Co ciekawsze uda?o mu si? oba te gnomony po??czy? w jedn? form? i na tej samej tarczy poza godzinami zamie?ci? dodatkowo tablic?, z której odczyta? mo?na dok?adne warto?ci s?onecznej deklinacji oraz aktualne po?o?enie S?o?ca na ekliptyce. Okazuje si? zatem, ?e zegar s?oneczny przy swej niezwyk?ej, wr?cz banalnej prostocie, mo?e jednocze?nie stanowi? niezwykle precyzyjny instrument do pomiarów astronomicznych. Tarcza zegara poziomego mo?e przyjmowa? rozmaite kszta?ty zale?nie od inwencji twórcy. Spotykamy zatem tarcze kwadratowe, prostok?tne, okr?g?e i o?miok?tne. Oczywi?cie, ?eby dostosowa? zegar do odczytu nie tylko czasu s?onecznego, ale tak?e uniwersalnego, nale?y uwzgl?dni? poprawk? na ró?nic? d?ugo?ci geograficznej (odleg?o?? zegara od g?ównego po?udnika strefy czasowej) i zamie?ci? gdzie? obok wykres równania czasu. Poprawka d?ugo?? geograficznej mo?e zosta? wkalkulowana w linie godzinowe (st?d czasem widujemy s?oneczniki poziome, w których godzina 12 nie le?y dok?adnie na po?udniku) lub w tablic? z warto?ciami poprawek równania czasu, koryguj?ce ró?nic? mi?dzy czasem prawdziwym s?onecznym a uniwersalnym.

Przypisy

• Tony Moss – How Sundials Work, prezentacja edukacyjna wykonana dla potrzeb British Sundial Society, The Lindisfarne Presse 2010
• Albert E. Waugh – Sundials: Their Theory and Construction, Dover Publications Inc., Nowy Jork 1973
• Denis Savoie – Sundials: Design, Construction and Use, Praxis Publishing, Chichester 2009
• John Davis i Michael Lowne – The Double Horizontal Dial (BSS Monograph No. 5), The British Sundial Society, Londyn 2009

Seria: Rodzaje zegarów s?onecznych

• Zegar s?oneczny poziomy (horyzontalny)
  
• Zegar s?oneczny pionowy (wertykalny) - cz. 1
  
• Zegar s?oneczny pionowy (wertykalny) - cz. 2
  

Komentarze z Forum