Đồng hồ mặt trời Heliochronometer chính xác nhất thế giới

Tóm tắt

Heliochronometer chính xác như tên gọi của nó - một chiếc đồng hồ mặt trời. Nó không phải là một món đồ chơi, hay một đồ trang trí vườn thông thường, mà là một dụng cụ thiên văn cho việc đo thời gian chính xác cũng như giáo dục.

Tính năng chính

• Chính xác trong vòng 5 phút (phiên bản 1), hoặc 1 phút (phiên bản 2), trong suốt cả năm mặt trời từ bất kỳ vị trí nào ở bán cầu bắc (hoặc nam). Tuy nhiên, trên thực tế, độ chính xác sẽ được xác định bởi chất lượng của việc chế tạo, lắp ráp và độ chính xác của việc căn chỉnh cuối cùng;
• Hiển thị thời gian mặt trời trung bình địa phương trực tiếp bằng cách tính toán các điều chỉnh cho thời gian mặt trời thực, hoặc thời gian mặt trời biểu kiến. Nó đạt được điều này bằng cách sử dụng một máy tính cơ học hình ảnh, còn được gọi là tấm analemma;
• Chuyển đổi Thời gian Trung bình Địa phương sang Thời gian Địa phương Chuẩn thông qua các điều chỉnh trên mặt đồng hồ kinh tuyến;
• Bù đắp cho Giờ tiết kiệm ánh sáng ban ngày;
• Có thể điều chỉnh vĩ độ;
• Có 4 tùy chọn cơ sở; 3 với la bàn từ tính và mức tích hợp, và 1 không có. Đối với các tùy chọn la bàn/mức, tham khảo các liên kết có thể in sau:
  • Chân ba: Cải tiến thiết kế cơ sở đồng hồ mặt trời Heliochronometer với mức bọt khí và la bàn từ tính tích hợp bởi yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com
  • Cơ sở cân bằng & đầu chân máy: Giá đỡ đồng hồ mặt trời Heliochronometer cho cơ sở cân bằng đầu hoặc đầu bóng chân máy bởi yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com
• Kích thước lắp ráp là 180x200x200mm (R x D x C).

Lịch sử thay đổi

CẬP NHẬT (10-2-24): Đã thêm các phiên bản dấu cắt sâu hơn cho văn bản, dấu tick trên mặt đồng hồ, v.v. cho cả phiên bản 1 và phiên bản 2. Tìm các tệp có (deeper) trong tên.

Cập nhật (12-07-24): Nếu bạn sống ở bán cầu nam, hãy chắc chắn sử dụng thiết kế analemma của bán cầu nam bên cạnh tấm đồng hồ của bán cầu nam.

Danh sách nâng cấp trong Ver. 2:

• Độ phân giải mặt đồng hồ cao hơn; tức là 5 phút so với 15 phút ban đầu;
• Giới thiệu thước chính phụ thứ hai cho Alidade cho phép đọc thời gian trong vòng ½ phút. Như trong ver. 1, độ chính xác sẽ được xác định bởi chất lượng xây dựng, lắp ráp và độ chính xác của việc căn chỉnh cuối cùng;
• Cải thiện độ phân giải đường cong Analemma;
• Thay thế hình nón Nodus bằng ống ngắm tròn nhỏ hơn để cải thiện độ phân giải đọc (hoặc áp dụng thiết kế tùy chỉnh của riêng bạn);
• Cải thiện đầu giữ mặt đồng hồ với dấu hiệu kinh tuyến tốt hơn và chân đế có thể điều chỉnh cho cơ sở chân máy;
• Như trong ver. 1, có 4 tùy chọn cơ sở; 3 với la bàn và mức độ từ tính tích hợp, và 1 không có. Xem liên kết ở trên để tải xuống thiết kế cơ sở.

Chi tiết thiết kế

Chiếc đồng hồ heliocron này được xây dựng từ sợi nhựa ABS. Kiểm tra phần Chi tiết Kỹ thuật bên dưới để biết các bộ phận khác nhau tạo nên chiếc đồng hồ heliocron này. Đường cong analemma được tính toán & vẽ bằng MS Excel và sau đó được điều chỉnh kích thước (đường kính) để phù hợp với kích thước của đồng hồ heliocron. Kiểm tra mô tả bên dưới về Cách thiết kế Đường cong Analemma vào chiếc đồng hồ Heliocron này.

Thiết kế mặt đồng hồ cũng cho phép Điều chỉnh Giờ mùa hè (DST) bằng cách cho phép xoay mặt đồng hồ. Thiết kế được trình bày ở đây là để sử dụng ở bán cầu bắc, tuy nhiên, một mặt đồng hồ bán cầu nam có thể dễ dàng được tạo ra bằng cách sử dụng một máy tính trực tuyến như cái này; https://www.blocklayer.com/sundial-equatorial, hoặc sử dụng tệp đính kèm. Ngược lại, thiết kế mặt đồng hồ phiên bản 2 được tạo ra thông qua một kịch bản python mà tôi đã viết, xuất ra một tệp SVG, chỉnh sửa trong Inkscape, sau đó nhập vào Blender để tạo STL.

Mặt đồng hồ Analemma Cong vs. Phẳng

Mô hình này bao gồm một mặt đồng hồ analemma phẳng & một nút cố định. Bạn có thể đạt được một chút hiệu suất & độ chính xác đọc cao hơn từ đồng hồ heliocronometer của bạn nếu bạn áp dụng thiết kế mặt đồng hồ cong với nút nghiêng điều chỉnh được. Nếu bạn muốn thay thế chúng, hãy kiểm tra các thiết kế có thể in khác của tôi tại:

1. Mặt đồng hồ Analemma Cong cho Đồng hồ Heliocronometer của yba2cuo3 | Tải xuống mô hình STL miễn phí | F3D.com
2. Mặt đồng hồ Analemma Cong Lớn Hơn Mới với Nút Có Thể Nghiêng để sử dụng với 3 Thiết Kế Đồng hồ Heliocronometer Gốc của yba2cuo3 | Tải xuống mô hình STL miễn phí | F3D.com

Đồng hồ Mặt Trời & Đồng hồ Kết hợp Truyền động Hành Tinh - với Tối ưu hóa Độ chính xác Đọc

Ngoài ra, nếu bạn thấy các thang đo Vernier khó đọc, hãy kiểm tra thiết kế Đồng hồ Mặt Trời Heliocronometer Có Truyền động khác của tôi, sử dụng một Đồng hồ Phút Phụ Mới:

Đồng hồ Mặt Trời & Đồng hồ Kết hợp Truyền động Hành Tinh - với Tối ưu hóa Độ chính xác Đọc của 3DMason | Tải xuống mô hình STL miễn phí | F3D.com

Tại sao lại xây dựng một đồng hồ heliocronometer?

Tại sao một người sở hữu đồng hồ lại đi đến việc xây dựng một đồng hồ mặt trời? Bởi vì họ được thúc đẩy phần nào bởi sức hấp dẫn trí tuệ của một thiết bị mà, không có bộ phận chuyển động, có thể chuyển đổi vị trí thay đổi của mặt trời trực tiếp thành thời gian. Trong quá trình phát triển và xây dựng đồng hồ mặt trời này, người ta sẽ tiếp xúc với một sự pha trộn hấp dẫn và rõ ràng giữa toán học, hình học, địa lý và thiên văn học. Xây dựng một đồng hồ mặt trời chính xác là một thách thức đối với tài năng sáng tạo của bất kỳ ai, và việc xây dựng nó sẽ đặt khả năng thủ công của một người vào một bài kiểm tra khắt khe.

Nhiều đồng hồ mặt trời, cả di động và cố định, đã được chế tạo trong thế kỷ 18 và 19, trong đó có tích hợp phương trình thời gian vào cấu trúc của chúng. Điều này cho phép người ta đọc thời gian trung bình địa phương trực tiếp từ mặt đồng hồ và analemma là thiết bị đã làm cho việc đọc trực tiếp này trở nên khả thi. Trong số đó, heliocronometer nổi bật như một trong những công cụ đồng hồ mặt trời cơ khí và quang học thanh lịch nhất của thời đại đó. Chúng được dựa vào rất nhiều trước khi đồng hồ chính xác trở nên dễ dàng tiếp cận với công chúng. Đây là loại đồng hồ được sử dụng bởi các đường sắt ở Pháp để đặt đồng hồ, cho đến tận năm 1900. Nhúng vào thiết kế của nó là sự căn chỉnh thiên thể và theo dõi chuyển động của hành tinh chúng ta xung quanh mặt trời. Khi các điểm ngắm của nó được căn chỉnh với các tia sáng của mặt trời, nó thực sự đo lường vị trí của trái đất trong hệ mặt trời của chúng ta.

Hình 1: Bóng từ điểm ngắm Nodus di chuyển dọc theo đường cong Analemma trong suốt một năm mặt trời.

Analemma thực sự là gì?

Đó là hình dạng số 8 được tìm thấy trên tấm chiếu hậu của một đồng hồ heliochronometer. Người ta thực sự có thể hình dung điều này bằng cách đo vị trí của mặt trời trên bầu trời vào một thời điểm cố định trong suốt một năm lịch. Hình dạng được chiếu lên bầu trời sẽ có dạng số 8. Trong trường hợp của tấm Analemma, đây là một đường cong được tính toán dựa trên Phương trình Thời gian (xem phần giải thích bên dưới), và được sử dụng để chuyển đổi thời gian mặt trời thực, hoặc thời gian mặt trời rõ, sang thời gian mặt trời trung bình. Trục dọc của Analemma là độ nghiêng của mặt trời bị phủ định và trục ngang của nó là sự điều chỉnh từ thời gian mặt trời thực sang thời gian mặt trời trung bình; (được lấy từ Phương trình Thời gian). Một bảng tính MS Excel đã được sử dụng để tạo ra đồ thị và đường cong analemma kết quả đã được điều chỉnh kích thước cho phù hợp với đường kính của tấm mặt đồng hồ và chiều cao của điểm ngắm nodus. Xem phần tệp để biết thêm chi tiết về analemma, bao gồm cả thiết kế của nó.

Hình 2: Tấm Analemma (bán cầu bắc). Đối với bán cầu nam, tấm analemma sẽ được xoay 180 độ sao cho phần lớn của vòng lặp ở phía dưới. Lưu ý rằng hình dạng của Analemma là ngược lại với những gì vị trí của mặt trời sẽ trông như thế nào trên bầu trời. Các hình thoi chỉ ra 2 điểm chí (đông chí/hạ chí) và 2 điểm phân (xuân/thu). Các dấu chấm tròn dọc theo đường cong chỉ ra ngày đầu tiên của một tháng cụ thể. Các chữ cái bên cạnh đường cong analemma chỉ ra tháng. Lưu ý rằng bóng đổ do Nodus tạo ra cần phải được căn chỉnh thủ công với đường cong analemma cho bất kỳ tháng cụ thể nào để đọc thời gian chính xác.

Hình 3: Analemma của Apollo, Tín dụng Hình ảnh & Bản quyền: Anthony Ayiomamitis (TWAN)

Cài đặt In

• Thương hiệu máy in: Prusa
• Mẫu: i3 MK2S
• Hỗ trợ: Có
• Độ phân giải: 0.15mm TỐT NHẤT
• Tỉ lệ lấp đầy: 50%
• Viền: Có - 10mm
• Thương hiệu vật liệu in: Không quan trọng
• Chất liệu vật liệu in: ASA hoặc ABS (dễ in hơn)
• Màu sắc vật liệu in: Không quan trọng
• Ghi chú đặc biệt:
  • In trong một hộp kín để có kết quả tốt nhất.
  • Sử dụng vật liệu in màu tối hơn ở một chiều cao lớp cụ thể để làm nổi bật văn bản nếu bạn có một đầu in đơn.
  • Giảm tốc độ máy in xuống 80% ở các lớp trên sẽ cải thiện việc sản xuất dấu tick.

Lắp ráp & Xây dựng

Việc xây dựng đồng hồ mặt trời này tương đối đơn giản, sử dụng phần cứng M4. Một danh sách vật liệu lắp ráp được cung cấp dưới đây, cùng với nơi nó được sử dụng. Cũng hãy kiểm tra mô tả liên quan đến từng tệp để biết thêm chi tiết lắp ráp. Tất cả các bộ phận có thể dễ dàng tháo rời và lắp lại để thuận tiện cho việc vận chuyển.

Danh sách phần cứng lắp ráp cần thiết

Tất cả HW là Bu lông đầu hình trụ bằng thép không gỉ và đai ốc, trừ khi có chỉ định khác.

Công cụ xử lý sau in

1. Công cụ loại bỏ burr để loại bỏ nhựa thừa từ các bộ phận in
2. Khoan tay hoặc máy khoan
3. Mũi khoan 3.3mm hoặc 1/8" để mở rộng lỗ cho M4 tap
4. M4 tap để tạo ren

Để Căn Chỉnh Đồng Hồ Mặt Trời

1. La bàn từ tính
2. Thước thủy hình tròn

Các lựa chọn thay thế: Điện thoại thông minh với: 1) ứng dụng la bàn hoặc GPS, 2) ứng dụng thước thủy.

Chi Tiết Kỹ Thuật

Một đồng hồ heliocronometer được cấu thành từ những gì?

Đồng hồ heliocronometer bao gồm bốn phần cơ bản: 1) Đế, 2) Bảng đồng hồ xích đạo, 3) Alidade, hoặc dụng cụ ngắm, và 4) Analemma.

1. Đế được cố định vững chắc tại chỗ. Nó giữ bảng đồng hồ xích đạo trên một bề mặt rắn, không di chuyển và cho phép điều chỉnh theo độ nghiêng để phù hợp với các vĩ độ khác nhau;
2. Bảng đồng hồ xích đạo được gắn vào đế để có thể quay quanh tâm của nó. Trục của nó được căn chỉnh với cực bắc thiên thể để bề mặt của nó song song với đường xích đạo;
3. Alidade được gắn vào bảng đồng hồ để có thể quay quanh tâm của nó, mà trùng với tâm của bảng đồng hồ. Bao gồm một tấm phẳng, alidade có hai cánh tay thẳng đứng cố định vuông góc với bảng đồng hồ. Một cánh tay chứa điểm ngắm phía trước hoặc nodus, cánh tay còn lại chứa analemma;
4. Analemma bao gồm một dấu ấn của đường cong analemma trên một bề mặt phẳng (hoặc đôi khi cong) và dựa trên phương trình thời gian. Hầu hết các bảng analemma chứa các đường cong cơ bản. Các gợi ý thiết kế thay thế: Có thể làm cho thiết kế trở nên thú vị hơn bằng cách thêm các tháng trong năm, đánh dấu mỗi năm ngày trên analemma và chỉ ra độ nghiêng ở một bên và độ cao ở phía bên kia của analemma. Với dữ liệu này được tích hợp, một bảng đồng hồ trở nên rất hữu ích. Nó có thể được sử dụng để hiển thị độ nghiêng và độ cao của mặt trời, ngày trong năm, thời gian hiện tại, thời gian trung bình, thời gian chuẩn và phương trình thời gian.

Một tính năng thiết kế bổ sung đã được tích hợp vào cấu trúc của mặt đồng hồ xích đạo để cho phép đọc trực tiếp Giờ Chuẩn từ Giờ Trung Bình Địa Phương. Điều này được thực hiện trong thiết kế này bằng cách cho phép mặt đồng hồ xoay trên nền tảng sao cho độ lệch kinh độ từ meridian múi giờ chuẩn có thể được điều chỉnh và khóa lại bằng một con vít.

Hình 4: Các bộ phận của một đồng hồ heliocronometer

Cách Căn Chỉnh

Không thể nhấn mạnh đủ tầm quan trọng của việc có một đồng hồ heliocronometer được căn chỉnh tốt để thực hiện các phép đo chính xác và nhất quán.

CẬP NHẬT (01-02-25): Như đã yêu cầu, vui lòng làm theo bộ hướng dẫn thiết lập chi tiết mới được cung cấp trong phần tệp có tiêu đề: How_to_Setup_your_Original_Heliochronometer_Sundial-Detailed-Instructions-v1

Cách Sử Dụng

1. Đảm bảo rằng đồng hồ mặt trời của bạn đã được căn chỉnh trước!
2. Nếu bạn chưa làm như vậy, trước tiên bạn phải điều chỉnh mặt đồng hồ cho sự khác biệt về kinh độ giữa vị trí của bạn và meridian múi giờ chuẩn của bạn. Xem ví dụ bên dưới về cách tính toán độ lệch cho Giờ Trung Bình Địa Phương (LMT) đến Giờ Chuẩn (ST). Tháo 4 con vít khóa mặt đồng hồ và xoay mặt đồng hồ cho đến khi đường kinh tuyến chính trên mặt đồng hồ; tức là đường kéo dài đến mép ngoài của mặt đồng hồ, đối diện với 12 giờ, nằm ở vị trí điều chỉnh thời gian mà bạn đã tính toán; tức là sự khác biệt giữa meridian múi giờ chuẩn của bạn và kinh độ của bạn. Vì điều này luôn giữ nguyên, mặt đồng hồ có thể được khóa ở vị trí này một khi bước này hoàn thành. Điểm alidade bây giờ sẽ chỉ ra giờ chuẩn.
3. Để có được giờ trung bình địa phương vào bất kỳ giờ nào trong bất kỳ ngày nào, chỉ cần xoay alidade cho đến khi ánh sáng mặt trời đi qua lỗ ngắm được căn giữa trên phần của đường cong analemma tương ứng với tháng hiện tại trong năm. Ở vị trí này, kim chỉ trên alidade sẽ chỉ ra giờ trung bình địa phương và nếu được điều chỉnh, giờ chuẩn địa phương.

Dưới đây là một ví dụ sử dụng thiết kế đồng hồ heliocronometer phiên bản 2 phức tạp và chính xác hơn với thang đo Vernier phụ:

• Điểm nắng được tạo ra bởi tầm nhìn Nodus được căn chỉnh lên đường cong Analemma cho tháng hiện tại. Trong trường hợp này là tháng Chín. Nó cũng là ngày 25, vì vậy điểm nắng nằm ngay trên Điểm Xuân Thu được chỉ định bởi hình dạng kim cương; (xem bên dưới)

- Thang đo Vernier phụ nằm ở phía analemma của alidade có từ 0 đến 5 phút, với các bước nhảy 30 giây; (xem bên dưới)

- Do đó, trong ví dụ này, thời gian được đọc như sau;

1. Dấu hiệu số không trên thang đo Vernier chỉ ra 10 phút sau 3 giờ trên mặt đồng hồ; tức là 2x 5 phút dấu tick nhỏ qua dấu 3 giờ chính;
2. Bây giờ hãy tìm các dấu hiệu căn chỉnh tiếp theo trên thang đo Vernier mà gặp các dấu hiệu trên mặt đồng hồ. Điều này xảy ra ở 3 phút (± 30 giây). Do đó, thời gian sẽ được đọc là 3: 10+3 phút = 3:13 PM PST.

Có thể điều chỉnh mặt đồng hồ để hiển thị Giờ Tiết Kiệm Ánh Sáng không? Có! Ở một số địa điểm, đồng hồ được điều chỉnh tiến lên một giờ cho Giờ Tiết Kiệm Ánh Sáng (DST). Để điều chỉnh cho DST, mặt đồng hồ được xoay trước (theo chiều ngược kim đồng hồ) 15 độ, hoặc 1 giờ. Sự lệch kinh độ sau đó dựa trên giờ tiết kiệm ánh sáng.

Xem mô tả bên dưới về cách đặt đồng hồ mặt trời của bạn để đọc ST hoặc DST trực tiếp.

Bối cảnh

Các loại thời gian khác nhau là gì?

Trước khi tìm hiểu cách mà một đồng hồ heliocronometer thực sự hoạt động, chúng ta cần hiểu các loại thời gian khác nhau: tức là

• Một đồng hồ mặt trời cho thấy Thời gian Mặt trời Thực hoặc Thời gian Mặt trời Hiển thị. Bởi vì sự quay của Trái đất không ổn định, các ngày mặt trời có độ dài thay đổi một chút khi nó di chuyển theo quỹ đạo. Điều này có nghĩa là tốc độ của thời gian mặt trời thực không ổn định. Cần nhớ rằng một đồng hồ mặt trời đo góc giờ của Mặt trời thực như quan sát từ bầu trời. Trên thực tế, góc giờ thực của Mặt trời là do hai chuyển động: chuyển động hàng ngày, tức là chuyển động của Trái đất khi nó quay quanh trục của nó; và chuyển động hàng năm, tức là sự dịch chuyển về phía đông của Mặt trời dọc theo quỹ đạo. Thêm thông tin về điều này sau;

• Thời gian Mặt trời Trung bình dựa trên độ dài của một ngày mặt trời trung bình hoặc trung bình, dài 24 giờ. Nó di chuyển với tốc độ ổn định dọc theo xích đạo thiên thể. Tất cả các giờ có cùng độ dài bất kể mùa nào. Thời gian mặt trời trung bình có thể nhanh hơn hoặc chậm hơn thời gian mặt trời thực tùy thuộc vào thời điểm trong năm;

• Thời gian Trung bình Địa phương (LMT) là Thời gian Mặt trời Trung bình cho một vị trí cụ thể trên Trái đất. Nó giống nhau cho tất cả các vị trí có cùng kinh độ;

• Thời gian Chuẩn (ST) còn được gọi là thời gian chính thức của một khu vực được xác định bởi khoảng cách từ Đường kinh tuyến chính của kinh tuyến chạy qua khu vực đó. Ví dụ; Thời gian Chuẩn Thái Bình Dương (PST) → (UTC−08:00), có một đường kinh tuyến chính ở kinh độ 120 độ. LMT có thể dễ dàng được suy ra từ ST bằng cách cộng hoặc trừ 4 phút cho mỗi độ cách xa đường kinh tuyến chính, hoặc 360°/24h = 15° cho mỗi giờ múi giờ. Nó tuân theo mối quan hệ đơn giản là 1 giờ hoặc 60 phút cho mỗi 15° kinh độ; hoặc 4m cho mỗi độ.

Chuyển đổi thời gian & thiết lập mặt số của bạn để chuyển đổi sang ST:

Mối quan hệ giữa thời gian đồng hồ mặt trời của bạn & thời gian thực tế trên đồng hồ của bạn như sau:

Thời gian Mặt trời Thực + EOT → Thời gian Trung bình Địa phương + Điều chỉnh Thời gian Kinh độ → Thời gian Chuẩn

Do đó, bạn sẽ cần điều chỉnh Thời gian Trung bình Địa phương (LMT); thường được hiển thị bởi một đồng hồ mặt trời analemmatic đã được điều chỉnh như một đồng hồ heliocronometer, để hiển thị Thời gian Chuẩn (đồng hồ) thực tế. Lý do cho điều này là rằng các chỉ số đồng hồ mặt trời mà không có điều chỉnh kinh độ chỉ chính xác nếu đồng hồ mặt trời được đặt chính xác trên kinh tuyến của múi giờ mà nó đang ở. Một múi giờ chuẩn rộng 15 độ kinh độ cho mỗi giờ; tức là 1 vòng quay của trái đất trong 24 giờ, hoặc 360°/24 giờ = 15°/giờ, hoặc 4 phút cho mỗi độ kinh độ. Các múi giờ được trung tâm trên các kinh tuyến; tức là -7.5° ← (Kinh tuyến) → +7.5°. Do đó, các đồng hồ mặt trời nằm ở phần cực đông của một múi giờ sẽ đọc nhanh tới 7.5° x 4 phút/độ = 30 phút so với một chiếc đồng hồ thông thường. Ngược lại, các đồng hồ mặt trời ở phần cực tây sẽ đọc chậm tới 30 phút. Điều này làm nổi bật tầm quan trọng của việc có khả năng bù đắp cho các sai lệch kinh tuyến nếu bạn muốn đồng hồ mặt trời của mình hiển thị chính xác thời gian đồng hồ thực tế.

Dưới đây là một ví dụ đơn giản về cách chuyển đổi Thời gian Trung bình Địa phương sang Thời gian Chuẩn (hoặc ngược lại) cho một đồng hồ mặt trời nằm ở Vancouver, BC, Canada. Lưu ý rằng mặt đồng hồ của bạn chỉ cần được cài đặt một lần cho vị trí của bạn để điều chỉnh cho Thời gian Chuẩn.

Vancouver BC: Kinh độ -123° 07m; tức là 3° 7m về phía Tây của kinh tuyến múi giờ Thời gian Chuẩn Thái Bình Dương (PST) tại 120°. Do đó, sự điều chỉnh thời gian (TC) sẽ là:

TC = (3 + 7/60) x 4m/độ = 12.467m hoặc 12m 28s.

Vì Vancouver nằm về phía Tây của kinh tuyến múi giờ PST: LMT = PST - TC

hoặc ngược lại: PST = LMT + TC

Trong ví dụ này, đồng hồ mặt trời ở Vancouver sẽ chạy chậm hơn đồng hồ mặt trời nằm trên kinh tuyến của múi giờ chuẩn Thái Bình Dương. Do đó, mặt đồng hồ cần được xoay ngược chiều kim đồng hồ; tức là, phải tiến lên từ dấu kinh tuyến của nó 12-1/2 phút để đọc đúng PST. Lưu ý rằng mỗi dấu tick nhỏ trên mặt đồng hồ chính là 5 phút, vì vậy việc xoay sẽ là 2-½ tick nhỏ tiến lên trên mặt đồng hồ. Các điều chỉnh được làm nổi bật trong các hình dưới đây:

Hình 5: Mặt đồng hồ trên Kinh tuyến (bên trái). Mặt đồng hồ đã điều chỉnh cho PST ở Vancouver; tức là LMT+ 12-1/2 phút (bên phải)

Để điều chỉnh cho giờ tiết kiệm ánh sáng ban ngày, mặt đồng hồ cần được xoay thêm về phía trước thêm 1 giờ; (xem bên dưới).

Hình 6: Mặt đồng hồ được xoay thêm 1 giờ để hiển thị giờ tiết kiệm ánh sáng ban ngày trực tiếp.

Điều gì làm cho nó hoạt động (thêm chi tiết)

Cách mà đồng hồ heliocronometer thực sự báo giờ?

Để tính toán giờ chuẩn, đồng hồ heliocronometer sử dụng một số thông tin: vĩ độ và kinh độ của người quan sát, góc giờ của mặt trời, hướng bắc thật, tháng trong năm, độ nghiêng của mặt trời và một công thức thiên văn gọi là Phương trình thời gian (EOT).

Phương trình thời gian là gì? Phương trình thời gian (EOT) là sự khác biệt giữa thời gian mặt trời thật hoặc thời gian mặt trời rõ ràng và thời gian mặt trời trung bình trong suốt một năm. Sự khác biệt về thời gian là do hai hiệu ứng: độ lệch tâm của quỹ đạo Trái Đất và độ nghiêng hoặc độ nghiêng của trục quay của Trái Đất.

• Độ lệch tâm của quỹ đạo Trái Đất: Quỹ đạo của Trái Đất xung quanh mặt trời không phải là một hình tròn hoàn hảo mà là một hình elip. Điều này có nghĩa là tốc độ quỹ đạo của Trái Đất thay đổi trong suốt năm, di chuyển nhanh hơn khi nó gần Mặt Trời (perihelion) và chậm hơn khi nó xa hơn (aphelion). Do sự biến đổi này về tốc độ, chuyển động của Mặt Trời qua bầu trời không xảy ra với một tỷ lệ cố định khi đo so với một chiếc đồng hồ chạy đều. Khi Trái Đất di chuyển nhanh hơn trong quỹ đạo của nó, ngày mặt trời (thời gian từ một buổi trưa mặt trời đến buổi trưa tiếp theo) sẽ dài hơn một chút so với trung bình, và khi Trái Đất di chuyển chậm hơn, ngày mặt trời sẽ ngắn hơn một chút.

• Độ nghiêng trục của Trái Đất: Trục của Trái Đất nghiêng một góc khoảng 23,5 độ so với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt Trời. Độ nghiêng này khiến cho quỹ đạo của Mặt Trời trong bầu trời (đường hoàng đạo) bị nghiêng so với xích đạo thiên thể. Kết quả là, tốc độ mà Mặt Trời dường như di chuyển dọc theo xích đạo thiên thể thay đổi trong suốt cả năm. Khi quỹ đạo của Mặt Trời tạo thành một góc dốc với xích đạo (như trong các thời điểm chí), chuyển động về phía đông của nó dọc theo xích đạo chậm hơn mức trung bình. Ngược lại, khi quỹ đạo này song song hơn với xích đạo (như trong các thời điểm phân), chuyển động của nó nhanh hơn. Như đã đề cập, hai hiệu ứng kết hợp này dẫn đến sự chênh lệch giữa thời gian mặt trời thực và thời gian mặt trời trung bình. EOT là một cách để định lượng sự chênh lệch này. Nó thay đổi trong suốt cả năm, thường dao động giữa khoảng -14 và +16 phút. Nó đạt giá trị tối đa và tối thiểu xung quanh thời điểm của các chí mùa hè và đông và bằng không gần các điểm phân xuân và thu. Sự chênh lệch này là lý do tại sao đồng hồ mặt trời đôi khi chạy nhanh hơn đồng hồ và vào những lúc khác lại chậm hơn, và lý do tại sao độ dài của một ngày mặt trời thực không chính xác là 24 giờ suốt cả năm. EOT điều chỉnh cho những biến động này, cho phép chúng ta hòa giải thời gian mặt trời với đồng hồ 24 giờ được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày.

Cách mà Đường cong Analemma được Thiết kế vào đồng hồ Heliocronometer này

Đơn giản hóa toán học, mối quan hệ giữa khoảng cách giữa nút và các cánh tay thẳng đứng của analemma như sau (giả định bạn đang sử dụng biểu đồ analemma được cung cấp trong phần tệp):

• Kích thước của đường cong Analemma trên trục Y (mm): B x (867,17 x 10E-3);
• Kích thước của đường cong Analemma trên trục X (mm): B x (133,849 x 10E-3);

nơi, B là khoảng cách ngang (nội bộ) giữa các tấm nút và analemma được gắn trên alidade ngang. Khoảng cách B/2 nằm ở trung tâm của tấm đồng hồ, hoặc điểm xoay của alidade.

Nếu bạn thích tạo ra các biểu đồ analemma của riêng mình từ các nguyên tắc cơ bản, hãy kiểm tra Printable khác của tôi để biết chi tiết: Bảng Analemma Cong cho Đồng hồ Mặt trời Heliochronometer của yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com

Ví dụ Thiết kế:

Một nhà thiết kế quyết định về đường kính mặt đồng hồ (D) là 160mm và chiều dài alidade (cánh tay ngang) là 130mm. Dựa trên các kích thước này, người dùng chọn khoảng cách B là 80mm. Một lần nữa, điều này tương ứng với khoảng cách giữa cánh tay nodus thẳng đứng và cánh tay analemma (hoặc các bảng).

Sử dụng biểu đồ analemma SVG đính kèm trong phần tệp, người ta sẽ điều chỉnh tổng chiều cao và chiều rộng của đường cong mong muốn như sau:

• Chiều cao analemma trục Y: 80 x (867.17 x 10E-3) = 69.3736 mm
• Chiều rộng analemma trục X: 80 x (133.849 x 10E-3) = 10.7079 mm

Đường cong mới được điều chỉnh này bây giờ cần phải được chồng lên một bảng thẳng đứng và được căn chỉnh chính xác với lỗ nodus. Làm thế nào để đạt được điều này? Câu trả lời: có một điểm cô lập (dấu căn chỉnh) trên biểu đồ analemma, nằm giữa các điểm phân cực xuân và thu (hình thoi). Điểm này cần phải được căn chỉnh hoàn hảo với vị trí lỗ nodus ở cả hai hướng X và Y. Trong ví dụ cụ thể này, chiều cao nodus trên mặt đồng hồ (C) là 50mm. Lưu ý rằng lỗ nodus cũng cần được căn giữa dọc theo đường trung tâm (trục X) của mặt đồng hồ; tức là D/2 mm. Do đó, điểm căn chỉnh trên đường cong analemma đã được điều chỉnh sẽ cần phải cách bề mặt của mặt đồng hồ chính xác 50mm (cùng chiều cao với lỗ nodus), và cũng được căn chỉnh với đường trung tâm của mặt đồng hồ (D/2).

Trong hầu hết các trường hợp, đường kính của mặt đồng hồ sẽ lớn hơn B để tạo thêm không gian cho các ký hiệu thời gian và số, v.v., thường nằm ở mép của mặt đồng hồ.

Nếu bạn nghĩ rằng thiết kế này thật tuyệt, đừng quên nhấn nút thích. Tôi hy vọng bạn thích xây dựng thiết kế này & cảm ơn bạn đã ủng hộ!

Tài liệu tham khảo

1. Đồng hồ mặt trời - Cách xây dựng & Sử dụng, R. Newton Mayall & Margaret Mayall, Dover Publications Inc., 1994
2. Phương trình thời gian: Phương trình thời gian

Danh mục: Ngoài trời & Vườn