Сонечны гадзі́ннік — прылада для вымярэння часу, якая паказвае бягучы час сутак (у сучасным ужытку — грамадзянскі час) па бачным становішчы Сонца на небе пры наяўнасці прамога сонечнага святла. У самым вузкім сэнсе гэтага слова ён складаецца з плоскай пласціны, якая называецца цыферблатам, і гномана, які адкідвае цень на гэтую пласціну. Па меры таго як Сонца рухаецца па небе з пункту гледжання зямнога назіральніка, цень перамяшчаецца і супадае з рознымі гадзіннымі лініямі, нанесенымі на цыферблат для адлюстравання часу.
Стыль — гэта той працоўны край гномана, па якім непасрэдна вызначаюць час, хаця ў некаторых канструкцыях для гэтага можа выкарыстоўвацца толькі адна кропка (так званы нодус). Сам гноман звычайна адкідвае шырокі цень, і час паказвае менавіта выразны цень ад ягонага стылю. Гноман можа ўяўляць сабой просты стрыжань, дрот або мудрагеліста аздобленую металічную дэталь. Каб сонечны гадзіннік заставаўся дакладным на працягу ўсяго года, ягоны стыль павінен быць паралельны восі вярчэння Зямлі. Пры гэтым вугал нахілу стылю адносна гарызанталі заўсёды роўны геаграфічнай шырацы, на якой усталяваны гадзіннік.
У больш шырокім сэнсе тэрмін «сонечны гадзіннік» можа адносіцца да любой прылады, якая для адлюстравання часу выкарыстоўвае вышыню або азімут Сонца (ці абодва параметры адначасова). У наш час сонечныя гадзіннікі высока цэняцца як дэкаратыўныя прадметы, літаратурныя метафары, а таксама як аб’екты гістарычнай цікавасці і матэматычных даследаванняў.
За плынню часу можна назіраць нават пры дапамозе самых простых сродкаў: дастаткова ўваткнуць кій у пясок або цвік у дошку і рабіць адзнакі на краі ценю праз пэўныя прамежкі часу. Варта адзначыць, што танныя дэкаратыўныя сонечныя гадзіннікі масавай вытворчасці часта маюць няправільна ўсталяваныя гноманы і памылкова разлічаныя гадзінныя лініі, таму выкарыстоўваць іх як дакладны прыбор і адкарэкціраваць часцяком проста немагчыма.
Агульныя звесткі
Існуе некалькі розных тыпаў сонечных гадзіннікаў. У адных сонечных гадзінніках для адлюстравання часу выкарыстоўваецца цень або ягоны край, у той час як у іншых — лінія або светлавая пляма.
Аб’ект, які адкідвае цень (вядомы як гноман), можа ўяўляць сабой доўгі тонкі стрыжань або іншы прадмет з вострым канцом ці прамым краем. У сонечных гадзінніках прымяняюцца шматлікія віды гноманаў. Гноман можа быць нерухомым або перамяшчацца ў залежнасці ад пары года. Ён можа быць арыентаваны вертыкальна, гарызантальна, паралельна восі Зямлі, або быць накіраваным у зусім іншым напрамку, вызначаным з дапамогай матэматыкі.
Паколькі сонечныя гадзіннікі выкарыстоўваюць святло для паказу часу, светлавая лінія можа ўтварацца шляхам прапускання сонечных прамянёў праз тонкую шчыліну або іхняй факусоўкі праз цыліндрычную лінзу. Светлавая пляма можа ўтварацца прапусканнем сонечных прамянёў праз невялікую адтуліну, акно, окулюс, або шляхам іхняга адбіцця ад невялікага круглага люстэрка. Памер светлавой плямы можа быць ад зусім маленькага, як адтуліна ў салярографе, да вялізнага, як окулюс у рымскім Пантэоне.
Для прыёму святла або ценю ў сонечных гадзінніках таксама могуць выкарыстоўвацца розныя тыпы паверхняў. Плоскасці з’яўляюцца найбольш распаўсюджанымі паверхнямі, але для дасягнення большай дакладнасці або прыгажосці часта выкарыстоўваліся часткі сфер, цыліндраў, конусаў і іншых фігур.
Сонечныя гадзіннікі адрозніваюцца па сваёй партатыўнасці і патрабаваннях да арыентацыі ў прасторы. Устаноўка многіх цыферблатаў патрабуе ведання мясцовай шыраты, дакладнага вертыкальнага напрамку (напрыклад, з дапамогай узроўня або адвеса) і напрамку на сапраўдны геаграфічны полюс. Партатыўныя гадзіннікі здольныя да самаарыентацыі: напрыклад, яны могуць мець два цыферблаты, якія працуюць на розных прынцыпах (напрыклад, гарызантальны і аналематычны цыферблат), устаноўленыя разам на адной пласціне. У такіх канструкцыях іхнія паказанні часу супадаюць толькі тады, калі пласціна выраўнавана правільна.
Сонечныя гадзіннікі могуць паказваць толькі мясцовы сонечны час. Каб атрымаць афіцыйны паясны час, патрабуюцца тры папраўкі (падрабязней гл. ): : дадатковы зрух часу, які прымяняецца ў некаторых рэгіёнах. : улічвае розніцу паміж мясцовай даўгатой і даўгатой афіцыйнага часавага пояса. : улічвае эліптычнасць арбіты Зямлі і нахіл восі яе вярчэння.
Гісторыя
Найранейшыя сонечныя гадзіннікі, вядомыя па археалагічных знаходках, — гэта ценявыя гадзіннікі (каля 1500 г. да н. э.), шчыльна звязаныя са старажытнаегіпецкай і вавілонскай астраноміяй. У Афрыцы жыхары старажытнага Куша таксама стваралі ўласныя сонечныя гадзіннікі, абапіраючыся на веды па геаметрыі.
У часы антычнасці навука аб вымярэнні часу значна крочыла наперад. Да 240 года да н. э. грэчаскі навуковец Эратасфен вылічыў акружнасць Зямлі з дапамогай абеліска і студні з вадой, а праз некалькі стагоддзяў Клаўдзій Пталамей навучыўся вызначаць геаграфічную шырату гарадоў, выкарыстоўваючы вышыню Сонца. Шматлікія віды сонечных і ценявых гадзіннікаў, вядомыя на той час, падрабязна апісаў рымскі архітэктар Вітрувій у сваім трактаце «Дзесяць кніг пра архітэктуру» (). Знакамітая Вежа Вятроў у Афінах для вызначэння часу была абсталявана адначасова як сонечным, так і вадзяным гадзіннікам.
У перыяд з VII па XIV стагоддзе ў Еўропе былі распаўсюджаны так званыя кананічныя сонечныя гадзіннікі. Яны выкарыстоўваліся пераважна рэлігійнымі ордэнамі і паказвалі кананічныя гадзіны літургічных набажэнстваў.
Пачынаючы з XVI стагоддзя сонечныя гадзіннікі ўвайшлі ў шырокі ўжытак, пачалі з’яўляцца грунтоўныя навуковыя працы па іхнім праектаванні. Так, італьянскі астраном Джавані Падавані ў 1570 годзе апублікаваў трактат з настановамі па вырабе і разметцы насценных (вертыкальных) і гарызантальных цыферблатаў. Пазней, каля 1620 года, Джузэпэ Б’янкані ў сваёй працы «» падрабязна абмеркаваў прынцыпы стварэння ідэальнага сонечнага гадзінніка.
Гэтыя прылады заставаліся галоўным спосабам вымярэння часу ажно да вынаходніцтва дакладных механічных гадзіннікаў і наступнай мадэрнізацыі грамадства. Працэс іхняга паступовага выцяснення пачаўся ў сярэдзіне XVII стагоддзя і канчаткова завяршыўся толькі ў XIX стагоддзі разам з увядзеннем стандартызаванага паяснога часу.
Тэарэтычныя асновы і прынцып дзеяння
Бачны рух Сонца
Прынцыпы работы сонечных гадзіннікаў прасцей за ўсё зразумець, зыходзячы з бачнага руху Сонца. Зямля круціцца вакол сваёй восі і абарачаецца па эліптычнай арбіце вакол Сонца. Добрым прыбліжэннем з’яўляецца дапушчэнне, што Сонца круціцца вакол нерухомай Зямлі па нябеснай сферы, якая робіць поўны абарот вакол сваёй нябеснай восі кожныя 24 гадзіны. Нябесная вось — гэта лінія, якая злучае нябесныя полюсы. Паколькі нябесная вось супадае з воссю, вакол якой круціцца Зямля, вугал паміж гэтай воссю і плоскасцю мясцовага гарызонту роўны мясцовай геаграфічнай шыраце.
У адрозненне ад нерухомых зорак, Сонца змяняе сваё становішча на нябеснай сферы: ягонае схіленне з’яўляецца дадатным у перыяд вясны і лета ў Паўночным паўшар’і, адмоўным — восенню і зімой, і нулявым (г.зн. знаходзіцца на нябесным экватары) — у дні раўнадзенстваў. Нябесная даўгата Сонца таксама змяняецца, робячы адзін поўны абарот за год. Шлях Сонца па нябеснай сферы называецца экліптыкай. На працягу года экліптыка праходзіць праз дванаццаць сузор’яў задыяка.
Гэтая мадэль руху Сонца дапамагае зразумець прынцып дзеяння сонечных гадзіннікаў. Калі гноман, які адкідвае цень, накіраваны на нябесныя полюсы, ягоны цень будзе паварочвацца з пастаяннай хуткасцю, і гэта вярчэнне не будзе змяняцца ў залежнасці ад пары года. Гэта найбольш распаўсюджаная канструкцыя. У такіх выпадках адны і тыя ж гадзінныя лініі могуць выкарыстоўвацца на працягу ўсяго года. Гадзінныя лініі будуць размешчаны раўнамерна, калі паверхня, на якую падае цень, перпендыкулярная гноману (як у экватарыяльным сонечным гадзінніку) або ўяўляе сабой акружнасць вакол яго (як у армілярнай сферы).
У іншых выпадках гадзінныя лініі размешчаны нераўнамерна, нават калі цень паварочваецца раўнамерна. Калі ж гноман не накіраваны на нябесныя полюсы, то нават ягоны цень не будзе паварочвацца раўнамерна, і гадзінныя лініі павінны быць адпаведным чынам скарэктаваны. Прамяні святла, якія праходзяць па краі кончыка гномана, альбо пранікаюць праз невялікую адтуліну, альбо адбіваюцца ад маленькага люстэрка, апісваюць конус, вось якога супадае з нябеснай воссю. Адпаведная светлавая пляма або кончык ценю пры падзенні на плоскую паверхню будзе апісваць канічнае сячэнне, такое як гіпербала, эліпс або (на Паўночным або Паўднёвым полюсах) акружнасць.
Гэтае канічнае сячэнне з’яўляецца перасячэннем конуса светлавых прамянёў з плоскай паверхняй. Гэты конус і ягонае канічнае сячэнне змяняюцца ў залежнасці ад пары года, паколькі змяняецца схіленне Сонца. Таму сонечныя гадзіннікі, якія адсочваюць рух такіх светлавых плям або кончыкаў ценю, часта маюць розныя гадзінныя лініі для рознага часу года. Гэта можна ўбачыць у пастухоўскіх гадзінніках, сонечных кольцах і такіх вертыкальных гноманах, як абеліскі. Як альтэрнатыва ў сонечных гадзінніках можа змяняцца вугал або становішча (або і тое, і іншае) гномана адносна гадзінных ліній, як у аналематычных гадзінніках або гадзінніках Ламберта.
Будова сонечнага гадзінніка
Увогуле, сонечныя гадзіннікі паказваюць час, адкідваючы цень або накіроўваючы святло на паверхню, вядомую як цыферблат (або шкала). Хаця звычайна ён уяўляе сабой плоскасць, цыферблат таксама можа быць унутранай або знешняй паверхняй сферы, цыліндра, конуса, спіралі і мець розныя іншыя формы.
Час вызначаецца па тым, куды падае цень або святло на цыферблаце, на якім звычайна нанесеныя гадзінныя лініі. Хаця часцей за ўсё яны прамыя, гэтыя гадзінныя лініі таксама могуць быць выгнутымі, у залежнасці ад канструкцыі сонечнага гадзінніка. У некаторых канструкцыях можна вызначыць дату, або для знаходжання правільнага часу можа спатрэбіцца ведаць дату. У такіх выпадках можа быць некалькі набораў гадзінных ліній для розных месяцаў, або могуць існаваць механізмы для ўстаноўкі і разліку месяца. У дадатак да гадзінных ліній на цыферблаце могуць быць прадстаўлены і іншыя даныя, такія як гарызонт, экватар і тропікі.
Увесь аб’ект, які адкідвае цень або накіроўвае святло на цыферблат, называецца гноманам сонечнага гадзінніка. Аднак часцей за ўсё цень, які выкарыстоўваецца для вызначэння часу, адкідваецца толькі краем гномана (або іншым лінейным элементам) — гэты лінейны элемент называецца стылем () сонечнага гадзінніка. Стыль звычайна выраўнаваны паралельна восі нябеснай сферы і, такім чынам, супадае з мясцовым геаграфічным мерыдыянам. У некаторых канструкцыях сонечных гадзіннікаў для вызначэння часу і даты выкарыстоўваецца толькі кропкавы элемент, напрыклад, кончык стылю, вядомы як нодус ( — «вузел») сонечнага гадзінніка. Некаторыя сонечныя гадзіннікі выкарыстоўваюць як стыль, так і нодус для вызначэння часу і даты.
Гноман звычайна нерухомы адносна цыферблата, але не заўсёды. У некаторых канструкцыях, такіх як аналематычны сонечны гадзіннік, стыль перамяшчаецца ў залежнасці ад месяца. Калі стыль фіксаваны, лінія на плоскасці цыферблата, праведзеная перпендыкулярна непасрэдна пад стылем, называецца падстылем (або падстыльнай лініяй). Вугал паміж стылем і плоскасцю цыферблата называецца вышынёй стылю. На многіх насценных гадзінніках падстыль не супадае з паўдзённай лініяй (падрабязней гл. ў ). Вугал на цыферблаце паміж паўдзённай лініяй і падстылем называецца адлегласцю падстыля.
Цыферблат называецца роўнавугольным, калі ягоныя гадзінныя лініі прамыя і размешчаны на аднолькавай адлегласці адна ад адной. Большасць роўнавугольных сонечных гадзіннікаў мае нерухомы стыль гномана, накіраваны ўздоўж восі вярчэння Зямлі, а таксама паверхню, што прымае цень, сіметрычную адносна гэтай восі. Да прыкладаў належаць экватарыяльны цыферблат, экватарыяльная дуга, армілярная сфера, цыліндрычны і канічны цыферблаты. Аднак існуюць і іншыя роўнавугольныя канструкцыі, такія як цыферблат Ламберта — разнавіднасць аналематычнага сонечнага гадзінніка з рухомым стылем.