Đồng hồ mặt trời heliochronometer Gard B4003

Tóm tắt

Thiết kế này được lấy cảm hứng từ Đồng hồ mặt trời Aten Heliochronometer, mẫu B4003, được thiết kế và chế tạo vào những năm 1990 bởi thợ thủ công J.D. Gard ở Tucson, Arizona. Đây là một dụng cụ đẹp được làm bằng đồng và nhôm và nó tuyên bố độ chính xác trong vòng 1 phút. Thật không may, chỉ có một vài chiếc được chế tạo và chúng hiện là một phát hiện tương đối hiếm. Dụng cụ này có thể điều chỉnh cho vĩ độ và kinh độ và được hiệu chỉnh theo phương trình thời gian; tức là Analemma, để đo thời gian chính xác ở bất kỳ múi giờ nào. Nó ban đầu cao khoảng 26cm và rộng 30cm nhưng mẫu này được thu nhỏ một chút để thuận tiện cho việc in ấn.

Thiết kế này có thể được sử dụng ở cả bán cầu bắc và bán cầu nam.

Hình 1: Đồng hồ mặt trời Aten Heliochronometer, mẫu B4003

Để biết thông tin nền tảng hữu ích về heliochronometers; tức là lịch sử, lý thuyết hoạt động, thiết kế, cách căn chỉnh và sử dụng, v.v. hãy tham khảo tài liệu in ấn hữu ích này: Heliochronometer - Đồng hồ mặt trời chính xác nhất thế giới của yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com

Các tính năng chính

• Chính xác trong vòng 1 phút trong suốt cả năm mặt trời từ bất kỳ vị trí nào ở bán cầu bắc. Tuy nhiên, về mặt thực tiễn, độ chính xác sẽ được xác định bởi chất lượng của việc xây dựng, lắp ráp và độ chính xác của việc căn chỉnh cuối cùng;
• CẬP NHẬT (12-26-24): Bây giờ hỗ trợ bán cầu nam! Hãy chắc chắn lấy tấm dial chính của bán cầu nam & tấm analemma từ phần tệp.
• Độ phân giải đọc 5 phút trên tấm dial chính;
• Độ phân giải đọc từ 0 đến 5 phút trên thang đo Vernier phụ lớn, dễ đọc, theo từng bước 30 giây;
• Tấm dial chính đã được giảm xuống thành một vòng, tương tự như những cái được tìm thấy trên đồng hồ mặt trời xích đạo, với mục đích giảm vật liệu & thời gian in ấn mà không làm giảm độ chính xác hay độ bền;
• Độ phân giải điều chỉnh vĩ độ 1 độ;
• Cấu trúc cải tiến, sử dụng số lượng bộ phận tối thiểu và một cánh tay thước đo điều chỉnh vĩ độ đơn giản nhưng được gia cố;
• Nón Nodus có thể thay thế với điểm nhìn hình tròn nhỏ để cải thiện độ phân giải đọc, hoặc áp dụng thiết kế tùy chỉnh của riêng bạn!;
• Hiển thị giờ mặt trời trung bình địa phương trực tiếp bằng cách tính toán các điều chỉnh cho giờ mặt trời thực hoặc giờ 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 Giờ Trung Bình Địa Phương thành Giờ Địa Phương Chuẩn thông qua các điều chỉnh bù dial kinh tuyến;
• Xin lưu ý rằng phiên bản đồng hồ mặt trời này không thể được điều chỉnh để hiển thị giờ tiết kiệm ánh sáng ban ngày trực tiếp từ dial & do đó cần phải được tính toán thủ công. Tính năng này có thể được thêm vào trong một phiên bản sau tùy thuộc vào sự quan tâm;
• Có 4 tùy chọn cơ sở có sẵn; 3 có la bàn từ tính và mức tích hợp, và 1 không có.

Đối với các tùy chọn la bàn/cấp, tham khảo các liên kết có thể in này:

• Tri-leg: Cải tiến thiết kế đế đồng hồ mặt trời Heliochronometer với cấp độ bóng khí tích hợp và la bàn từ yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com
• Đế cân bằng & đầu chân máy: Giá đỡ đồng hồ mặt trời Heliochronometer cho đế cân bằng đầu hoặc bóng chân máy từ yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com
• Kích thước lắp ráp là 180x200x200mm (R x D x C).

CẬP NHẬT (14-10-24): Đã thêm các phiên bản dấu cắt sâu hơn cho văn bản, dấu tick trên mặt số, v.v. Hãy tìm các tệp có (deeper) trong tên.

Chiếc đồng hồ heliocronometer này được chế tạo từ filament nhựa ABS. Kiểm tra phần Chi tiết Kỹ thuật & Cách mà Đường cong Analemma được Thiết kế vào chiếc Đồng hồ Heliocronometer này từ cái khác có thể in: Heliochronometer - Đồng hồ mặt trời chính xác nhất thế giới của yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com Đường cong analemma* đã được tính toán & vẽ bằng MS Excel và sau đó được tỷ lệ để phù hợp với kích thước (đường kính) của chiếc đồng hồ heliocronometer này.

Bảng Analemma Cong so với Bảng Phẳng:

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

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

Cài đặt In

• Thương hiệu máy in: Prusa
• Mẫu: i3 MK2S
• Hỗ trợ: Có
• Độ phân giải: 0.15mm TỐT NHẤT
• Tỷ lệ lấp đầy: 20%
• Viền: Có - 10 đến 20mm
• Thương hiệu filament: Không quan trọng
• Chất liệu filament: ABS
• Màu sắc filament: Không quan trọng
• Ghi chú đặc biệt:
  • In trong một khoang kín để có kết quả tốt nhất.
  • Sử dụng filament màu tối ở một độ cao lớp cụ thể để làm nổi bật văn bản nếu bạn có một đầu in đơn.
  • Giảm tốc độ máy in xuống 75% ở các lớp trên sẽ cải thiện việc sản xuất dấu tick.

Xây dựng

Việc xây dựng đồng hồ mặt trời này tương đối đơn giản, sử dụng phần cứng M3 & M4. Một danh sách vật liệu lắp ráp được cung cấp bên dưới, cùng với vị trí sử dụng của nó. 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.

Nếu bạn sống ở bán cầu nam, hãy chắc chắn sử dụng thiết kế analemma bán cầu nam cùng với đĩa đồng hồ bán cầu nam.

Danh sách phần cứng lắp ráp cần thiết

Tất cả phần cứng là Vít đầu tròn bằng thép không gỉ và đai ốc, trừ khi có chỉ định khác.

Công cụ xử lý sau

1. Công cụ loại bỏ bavia để loại bỏ nhựa thừa từ các bộ phận in
2. Khoan tay hoặc máy khoan đứng
3. Mũi khoan 2.5mm hoặc 7/64" để mở rộng lỗ cho M3
4. Mũi khoan 3.3mm hoặc 1/8" để mở rộng lỗ cho M4
5. Mũi khoan M4 để tạo ren

Để căn chỉnh đồng hồ mặt trời

1. La bàn từ tính
2. Cấp độ bong bóng hình tròn

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

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: Cách_Thiết_Lập_đồng_hồ_Heliochronometer_Gard_Chi_tiết_Hướng_dẫn-v1

Cách sử dụng:

1. Hãy chắc chắn rằng đồng hồ mặt trời của bạn đã được căn chỉnh trước!
2. Nếu bạn chưa làm điều đó, bạn phải điều chỉnh mặt số trước cho sự khác biệt về kinh độ giữa vị trí của bạn và kinh tuyến giờ tiêu chuẩn của bạn. Xem ví dụ dưới đây về cách tính toán độ lệch cho Thời gian Trung bình Địa phương (LMT) đến Thời gian Tiêu chuẩn (ST). Với dấu hiệu kinh tuyến chính của alidade (nơi có ốc vít M3) được căn chỉnh với dấu 0 trên mặt số phụ Vernier, xoay alidade sao cho dấu 0 trên Vernier được căn chỉnh với 12 giờ trưa, sau đó siết chặt ốc vít pivot để alidade không thể xoay.
3. Nới lỏng ốc vít M3 giữ Vernier với alidade và xoay nó một chút sao cho dấu 0 trên Vernier nằm ở thời gian điều chỉnh mà bạn đã tính toán; tức là sự khác biệt giữa kinh tuyến giờ tiêu chuẩn của bạn và kinh độ của bạn. Hãy chắc chắn không di chuyển alidade khi xoay thang đo Vernier. Khi mọi thứ đã được thiết lập, siết chặt ốc vít Vernier và nới lỏng đai ốc pivot để alidade có thể quay lại. Vì điều này luôn giữ nguyên, Vernier sẽ vẫn được khóa ở vị trí này sau khi bước này hoàn thành. Dấu 0 của alidade trên Vernier bây giờ sẽ chỉ vào thời gian tiêu chuẩn được chỉ định.
4. Để có được thời gian trung bình địa phương vào bất kỳ giờ nào của 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. Trong vị trí này, kim chỉ trên alidade sẽ chỉ ra thời gian trung bình địa phương.

Dưới đây là một ví dụ về cách đọc thời gian với thang đo Vernier phụ:

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

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

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

1. Đánh dấu số không trên thước đo Vernier chỉ ra 10 phút sau 3 giờ trên mặt đồng hồ; tức là 2x 5 phút đánh dấu nhỏ qua đánh dấu chính 3 giờ;
2. Bây giờ tìm các đánh dấu căn chỉnh tiếp theo trên thước đo Vernier trùng với những đánh dấu 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.

Bối cảnh: Có những loại thời gian khác nhau nào?

Trước khi tìm hiểu cách 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 Thật hoặc Thời gian Mặt trời Hiện tại. Bởi vì sự quay của Trái đất không ổn định, các ngày mặt trời thay đổi một chút về độ dài khi nó theo dõi đường ecliptic. Điều này có nghĩa là tốc độ của thời gian mặt trời thật không ổn định. Cần nhớ rằng một đồng hồ mặt trời đo góc giờ của Mặt trời thật như quan sát trên bầu trời. Thực tế, góc giờ thật 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 đường ecliptic. Nhiều hơn 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 đều có độ dài giống nhau bất kể mùa nào. Thời gian mặt trời trung bình có thể nhanh hơn hoặc chậm hơn thời gian mặt trời thật 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;

• Giờ chuẩn (ST) cũng được gọi là giờ chính thức của một khu vực được xác định bởi khoảng cách từ Đường kinh tuyến gốc của kinh tuyến chạy qua khu vực đó. Ví dụ; Giờ chuẩn Thái Bình Dương (PST) → (UTC−08:00), có một đường kinh tuyến gốc ở 120 độ kinh 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 gốc, 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 4 phút cho mỗi độ.

Chuyển đổi thời gian & cài đặt mặt đồng hồ của bạn để chuyển đổi sang ST:

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

Thời gian mặt trời thực + EOT → Thời gian trung bình địa phương + Điều chỉnh thời gian kinh độ → Giờ 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 chỉnh sửa như một đồng hồ heliocronometer, để hiển thị Giờ chuẩn (đồng hồ) thực tế. Lý do cho điều này là các phép đo đồng hồ mặt trời mà không có điều chỉnh kinh độ chỉ chính xác nếu đồng hồ mặt trời nằm chính xác trên đường kinh tuyến cho 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 mỗi 24 giờ, hoặc 360°/24 giờ = 15°/giờ, hoặc 4 phút cho mỗi độ kinh độ. Các múi giờ được trung tâm trên các đường 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 đến 7.5° x 4 phút/độ = 30 phút nhanh, so với một chiếc đồng hồ thông thường. Ngược lại, các đồng hồ mặt trời ở phần cực tây sẽ đọc chậm đến 30 phút. Điều này nhấn mạnh 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 thực tế của đồng hồ.

Dưới đây là ví dụ đơn giản về cách chuyển đổi Giờ Trung Bình Địa Phương sang Giờ 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 điều chỉnh một lần cho vị trí của bạn để phù hợp với Giờ Chuẩn.

Vancouver BC: Kinh độ -123° 07m; tức là 3° 7m về phía Tây của kinh tuyến Giờ Chuẩn Thái Bình Dương (PST) tại 120°. Do đó, độ 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 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 giờ chuẩn Thái Bình Dương. Do đó, thước vernier cần được di chuyển theo chiều ngược kim đồng hồ; tức là tiến lên từ dấu kinh tuyến giờ 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 sự quay 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 2: Đồng hồ trên Kinh Tuyến (bên trái). Đồng hồ điều chỉnh cho PST ở Vancouver; tức là LMT+ 12-1/2 phút (bên phải)

Xin lưu ý rằng phiên bản đồng hồ mặt trời này không thể được điều chỉnh để hiển thị giờ tiết kiệm ánh sáng ban ngày.

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

Heliochronometer thực sự xác định thời gian như thế nào?

Để tính toán giờ chuẩn, heliochronometer sử dụng một số thông tin: vĩ độ và kinh độ của người quan sát, góc giờ của mặt trời, hướng bắc thực, 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 giờ mặt trời thực hoặc giờ mặt trời rõ ràng và giờ mặt trời trung bình trong suốt một năm. Sự khác biệt về thời gian này 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.

• Nghiêng Trục của Trái Đất: Trục của Trái Đất nghiêng một góc khoảng 23.5 độ so với mặt phẳng quỹ đạo của nó xung quanh Mặt Trời. Sự nghiêng này khiến cho đường đi 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 xuất hiện di chuyển dọc theo xích đạo thiên thể thay đổi trong suốt năm. Khi đường đi của Mặt Trời tạo một góc dốc với xích đạo (như trong các thời điểm chí), chuyển động hướng đông của nó dọc theo xích đạo chậm hơn mức trung bình. Ngược lại, khi đường đi 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 khác biệt giữa thời gian mặt trời thực và thời gian mặt trời trung bình. EOT là một cách để định lượng sự khác biệt này. Nó thay đổi trong suốt năm, thường dao động giữa khoảng -14 và +16 phút. Nó đạt giá trị tối đa và tối thiểu xung quanh thời điểm chí hè và chí đông và bằng không gần các thời điểm phân xuân và phân thu. Sự khác biệt này là lý do tại sao đồng hồ mặt trời đôi khi chạy trước đồng hồ và đôi khi lại chậm hơn, và tại sao độ dài của một ngày mặt trời thực không chính xác là 24 giờ trong suốt cả năm. EOT điều chỉnh cho những biến đổi này, cho phép chúng ta hòa hợp thời gian mặt trời với đồng hồ 24 giờ được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày.

Nếu bạn nghĩ rằng đây là một thiết kế thú vị, 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 - Cấu trúc và Sử dụng của chúng, R. Newton Mayall & Margaret Mayall, Dover Publications Inc., 1994
2. Phương trình thời gian: Phương trình thời gian
3. Heliochronometer - Đồng hồ mặt trời chính xác nhất thế giới của yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com
4. Heliochronometer (phiên bản 2) - Đồng hồ mặt trời chính xác nhất thế giới của yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com
5. Bảng Analemma cong cho đồng hồ mặt trời Heliochronometer của yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com
6. Bảng Analemma cong lớn hơn mới với Nodus có thể nghiêng để sử dụng với 3 thiết kế đồng hồ mặt trời Heliochronometer gốc của yba2cuo3 | Tải mô hình STL miễn phí | F3D.com