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日晷

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日晷日晷本义是指日影,是使用太阳的位置来测量时间的一种设备,主要由一根投射太阳阴影的指标、承受指标投影的投影面 (即晷面) 和晷面上的刻度线组成。最常见的设计,也就是最普通的,就是所谓的庭园日晷,让日影投射在一个标有时刻的平面上,当太阳移动时,影子所指示的时间也跟着变动。其实,日晷可以设计在任何物体的表面上,让固定的指针产生阴影来测量时间,因此日晷有许多种不同的形式,基本上可以分为地平式日晷、赤道式日晷、子午式日晷和卯酉式日晷等等。

绝大部分的日晷显示的都是视太阳时,有些在设计上作了变更,可以显示标准时或是日光节约时间。.

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历史编辑本段回目录

在古老的埃及也有日晷的存在,并且由其他文化古国进一步的发展,包括中国希腊罗马。一种没有指针的日晷被记载在古老的旧约 内。

数学兼天文学家 Theodosius of Bithynia (ca. 160 BC-ca. 100 BC) 据说曾经发明一种泛用日晷,在世界各地都可以使用。 法国天文学家 Oronce Finé 在1524年曾使用象牙雕制出日晷, 意大利天文学家 Giovanni Padovani 在1570年发表了有关日晷的文章,其中就包含了制作在墙面上的垂直式和水平式日晷。 Giuseppe Biancani's的 Constructio instrumenti ad horologia solaria 就在研究如何做出理想的日晷,并附有插图说明。

中国早在古代就将一根标准高度为八尺的竿子垂直竖立在水平的地面上,在一天里从早到晚观察竿子投影的变化,就可以用来计量白天的时间。东汉许慎《说文解字》云:“晷,日景也。”此处“日景”即“日影”。

日晷的标准设施编辑本段回目录

日晷以适当角度倾斜安置的指针或称为晷针是在大量生产的庭园日晷上唯一需要经验才能安装,用以显示时间的设备,因此有些大量制造的日晷并不能正确的显示时间。 有许多日晷在北纬45度或更高的纬度上使用。

日晷只要适当的调整晷针的倾斜角度,与地球的自转轴平行,就能在不同的纬度上使用。. 也就是说晷针的末端在北半球必须指向天球的北极点,在南半球则要指向天球的南极点。

如果要显示标准时间,日晷的设计就需要能转动来调整经度造成的时间偏差,由于每15度是一个时区,所以转动的最大范围是向东或西7.5度,但是晷针仍然必须对准天球的北(南)极点。不过即使日晷就放置在时区的中心经度线上,还是要作均时差的校正。

要修正日光节约时间,晷面上就需要有两组的数字或是使用修正表,而且还是要作时区内的经度偏差修正。而对有两组数字的日晷,还有个非正式的规范,就是夏天的数字要用暖色表示,冬天的数字则用冷色来表示。晷面被扭曲的日晷是不能正确的显示时间的,因为除了南北极点之外,在晷面上的时间标示角度不是等距的。

通常日晷显示的真太阳时与钟表显示的时间会有差异,这就是所谓的均时差,在一年之中最大的差值可以达到15分钟。均时差的成因是地球的轨道是椭圆形的,还有自转轴与轨道面之间的倾斜。 所以一个好的日晷必须附上一张永久性对照表,最少要以月为单位来修正均时差。比较复杂的做法则是将时间的标示作成曲线,或是将晷针作成弧度,或是其他的方法将均时差直接修正。

专门名词编辑本段回目录

日晷上产生阴影的装置称为晷针。

晷针在太阳下的阴影落在的平面称为晷面,有时也简称为面。

大部分的日晷由晷针投在晷面的阴影只是一条线,称为晷影。

在庭园日晷,晷影是晷针上缘的影子。 晷针必须平行于地球的自转轴。

有些日晷借由晷针上特殊点的影子,不仅指示时间,还能显示日期。这个点称为节点。在垂直式和水平式的日晷,节点通常是晷针的端点,但也有随意选定的。

有些日晷有晷针也有节点,特别是极地仪,节点可以是一个小球,也可以是晷针上的缺口或凹槽,或只是晷针的尖端。

作为晷面的材料,一般最好选择浅色的,以增加晷影与晷面的对比。晷面上的数字则要选深色的材料,在阳光下才容易辨识。. 晷针必须坚固,最好是金属的材质,因为晷针通常是纤细,是整个日晷中最容易被损坏的。传统上被视为豪华的日晷是由乳白色的大理石制作晷面,晷针则视作过防腐蚀处理的古铜色金属。

在日晷刻上座右铭也是一种传统。

种类编辑本段回目录

赤道式日晷

在北京紫禁城内的赤道式日晷
在北京紫禁城内的赤道式日晷
最简单的日晷只是在圆盘的中心穿过一根平行于地球自转轴的棒子,而圆环的平面与地球的赤道面平行。盘的两面都被标示上时间,以便能利用棒的投影来指示时间。通常正午位在环的最低处,早上6点标示在环的西侧,黄昏的6点在环的东侧。在冬季,盘的北侧照不到阳光,必须使用盘的南侧;在夏季,阳光照射在盘的北侧,南侧的盘面就不能使用了。

在这种设计中,棒子就是晷针;晷面就是圆盘的两个平面。在夏季,晷针的北端可以作为节点,但到了冬季,节点就要换成南侧的端点了。

在晷面上可以刻上一系列的同心圆让节点可以指示出日期,这样的日晷不仅可以当成钟表,还可以当成日历来使用,晷影显示时间,节点显示日期。这种具有固定盘面的赤道式日晷有一点不方便的地方,就是当太阳在天球赤道时,也就是在分点的前后,很难读取到盘面上的资料。

庭园日晷(水平式日晷)

水平式日晷
水平式日晷
古典的庭园日晷只有简单的使用规则,除了晷面上的线需要使用三角学来绘制,晷面只需要与地面平行。这种日晷的优点是终年都可以显示时间,但如果是垂直的墙面日晷,就不能显示整个白天的时间。在许多地区,日晷会被放置在广场上,或高高的挂在墙上,霜白色的玻璃晷面,从地面上可以清楚的看见。晷针的上缘平行于地球的自转轴,投影将横越在晷面上的时间标线。 每个标示的边缘与产生晷影的晷针紧密结合,晷面与屋顶和晷针的角度都要经过计算来设置:

晷面角度 = ATN(SIN(地理纬度) X TAN(时角))
晷针角度 = 地理纬度

垂直式日晷

垂直式日晷
垂直式日晷
虽然现在已经很难看见,但面向南方的墙面日晷(在南半球的则是要面向北方),在古代是很方便的公共设施。 不需要太多的花费与整理,从远处就能看见。 将晷针作成三脚架的结构,就能很牢固的固定在墙面上。花俏的日晷还可以将石雕镶嵌在晷面上。

唯一的问题是垂直式日晷只有在墙面被阳光照到时才能指示时间。晷面上的时间线与庭园日晷非常相似,设置的计算式如下:

晷面角度 = ATN(COS(地理纬度) X TAN(时角)
晷针角度 = 90 – 地理纬度
传统上会在高塔的顶端与周围的墙上设置四个垂直式日晷来显示时间,这样才能整年都能指示出正确的时间。. 实际上,只要正确的使用三角学计算,日晷可以用任何倾斜角度设置在朝向任何方向的墙面上。例如,在屋顶上的日晷,非常坚固与实用,只是计算的难度较高。

用于导航和计时的携带式日晷编辑本段回目录

大约在 中世纪 先进的,便于携带的日晷被发展出来。

折叠式日晷

一种便于携带的日晷称为折叠式日晷,他有以绞链结合在一起的两个小晷面,通常会折叠起来放在平整的小盒子内,以方便放在口袋中。晷针则是在两晷面之间的带子,当带子被扯紧拉直时,两个晷面会互相垂直,一个面形成垂直式日晷,另一个面则是水平式的日晷。最考究的晷面材料是以白色的象牙制作,图饰上来自中国的暗色真漆,晷针则是黑色的丝绸亚麻大麻纤维

如果在晷针上正确的位置打个结作为节点,折叠式日晷也能当作日历来使用,至少可以显示农作的适当时机。

让两个晷面以不同的角度结合(会产生不同的投影),折叠式日晷便可以自行调整。当两晷面显示出相同的时间,而且绞链是水平的,折叠式日晷指示的是当地的视太阳时。另外,当绞链朝向北方(在北半球时),折叠式日晷被旋转了一个角度,晷针才能与地球的自转轴平行,则当正午、日出与日落时,折叠式日晷的时间不会受到纬度改变的影响,但是在早上9点和下午3点,纬度每偏差1度,在两个晷面上的时间便会相差4分钟(肇因于日晷在错误的纬度

建筑在巴黎的日晷
建筑在巴黎的日晷
上)。

等高仪日晷

等高仪可以显示正确的日期,是使用在导航与天文学上的日晷。

在设计上是一个平坦的小圆环,有一个小把手,或是像表链上的饰物,还是小装饰。. 当以把手将环悬吊起来时,小孔会在环的内侧投下阴影,经由环内的标示可以显示时间,但使用者自己必须知道现在是上午还是下午。通常这个小孔被设置在一片可以滑动和锁住,用来调整日期的金属片上。

在现代,美国的特种部队仍然喜欢在他们的刀片上刻上一个简易的日晷,以便在手表失效时仍能知道时间。

精密日晷 (日光天文钟)

一种精密的日晷,被称为日光天文钟,可以校正视太阳时为平太阳时或是其他的标准时。 日光天文钟的精确度可以达到与世界时的差异少于一分钟,相关的讨论请参考Sundial Accuracy.

赤道弓形日晷

传统上的日光天文钟是赤道弓形日晷,作为晷针的是一根伸展开来与地球自转轴平行的棒状物,晷面是在在内侧标示上了时间的标线半圆形的环,环的直径在2~3米,材质是不会受温度影响而膨胀或收缩的因钢,这是在第一次世界大战前在法国发明的钢材,使铁路整年都能畅通无阻。

读取时间的方法是最简单的,只要看相两个希腊瓶的弓形晷针在赤道环上的投影。[3] 瓶型的阴影落在时间线上的位置可以指出一年中正确的日期和太阳高度的改变。

目前最巨大的赤道弓形日晷是位在印度斋浦以石材制造的日晷,是一系列天文设施中的一件。

古希腊的日晷

古希腊使用一种称为pelekinon的日晷(轴像,明显的因为等时线和日期线的形状,暗示这种古老的日晷是双轴的pelekus)。 晷针是标尺或是极,竖立在平面上或是半球型的晷面上,标尺顶端的投影在平面的晷面上扫掠出双曲线的轨迹,或在球面上画出圆弧。这种日晷的优点是可以确实的标记出一年中所有季节的 时日。

 地球仪式日晷

日晷地球仪式日晷可以将时间修正为平太阳时或其他的标准时间,他们通常会按照地球仪的均时差将等时线绘成8字形。 均时差的成因是地球的轨道是椭圆形的,还有自转轴与轨道面之间的倾斜,在一年之中最大的差值可以达到15分钟。

在公共的广场非常适合安置这种精确的日晷,在旗竿上的球可以作为晷针上的节点,晷面则可以镶嵌在道路上。

 变心日晷

有趣,但精确度稍差的变心日晷可以用混凝土来制作等时线,然后让使用着站在标示月份的方格中,安排好的月份方格可以修正季节的差异,而使用者的头部就当成晷针。如果日晷是被铸造在混凝土中,他就几乎不可能被破坏,并且具有合理的准确度和使用的乐趣。.

一个变心日晷的结构非常简单,首先想像有一个赤道日晷悬浮在空中,有一根指向天球极点的棒子和垂直于这根棒子的圆环,"12"点标记在圆环的最低处,齐他的时间则如平常的标记在环上。在某一个特定的日期和时刻,棒上的一个点"A"(能落在环上的点与一年中的日期和时间有关)投影落在环上的点"B" (与时间和地球在轨道上的位置有关),然后在地面上绘出A点与B点的垂足A'与B'点。这时你若站在A'点上,你的影子就会投映到B'点上,因为太阳就在 ABA'B'这个平面上。

在中纬度,这个椭圆形和时间标记的大小可以达到6米,这样观察者的头(晷针)的影子都能落在时间标记的附近。

 反射日晷

牛顿利用南向的窗户发明了反射日晷,他在窗台上放置一小片的镜子,然后将天花板和墙面当成晷面,绘制上时间的标记。镜子好比是晷针上的节点,反射阳光成为一个亮点。这提供了一个巨大、精确且完全可以校正的日日晷晷,使用的材料最少,而且不占用到任何的空间。 这种设计可以简单的作成年历表。

地平式日晷

最后,介绍一种有趣的经过改变但还能正确显示时间,晷面作成心型的地平式日晷(心脏的形状),基本上还是一种庭园日晷。心脏线是横过晷面, 阴影横过心脏线的边缘处是读取时间标记的位置,再这儿可以独到盘面上所显示的时间。虽然晷面不能移动,但只要转动晷面下的等角时间标示,这个日晷可以调整为夏令时间。

 数位日晷

数位化的日晷利用光和影来"写"时间,以数字或文字来取代在不同地点的时间标记。一种设计是在屏幕上使用两个平行的遮罩,由阳光进入的样式来判断时间和日期。

参考编辑本段回目录

《日晷设计原理》,吴振华著,上海交通大学出版社,2001年6月。

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