Ця тема стала особливо актуальною в кінці 19, початку 20 століття. У зв'язку з арктичними подорожами і навігацією. У приполярних районах, поблизу магнітного і географічного полюсів помилка магнітного компаса може бути невизначено великий, плюс-мінус 180 градусів. Наприклад, якщо корабель опиниться на лінії що з'єднує магнітний і географічний полюс то стрілка компаса покаже північ в сторону магнітного полюса, а південь в сторону географічного. Не кажучи вже про магнітні бурі, що створюють північні сяйва і теж впливають на магнітні компаси.
Тому придумали сонячний компас, який по положенню сонця і показаннями годин - вказує сторони горизонту.
Ідея орієнтуватися по сонцю (і іншим небесним світилам) виникла ще в найдавніші часи. Тому що на незнайомій місцевості або в море все одно більше не по чому орієнтуватися. -) Складність в тому, що сонце і інші небесні світила постійно рухаються і це рух треба враховувати, якщо потрібно витримувати одне заданий напрямок руху.
Щоб враховувати добовий рух сонця якраз і придумали сонячний годинник. Це дві нерозривно пов'язані теми.
Не будемо вдаватися в подробиці, чому в добі 24 години. Просто так склалося історично. За 1 сонячні добу приймають час від одного сонячного півдня - найвищої точки сонця на небі до наступного (це так в астрономії, а не в уряді). Полудень - верхня кульмінація сонця, як кажуть в народі. Весь цей відрізок часу ділять на 24 години.
До слова сказати, є ще зоряна доба точно так само як сонячні, але від однієї верхньої кульмінації будь-якої обраної зірки до наступної верхньої кульмінації цієї ж зірки. І зоряна доба нерівні сонячним! Є й середні сонячні добу ... Багато чого є, але це зовсім інша історія.
Приймемо до відома: 1 оборот сонця це 24 ділення (тут рано говорити рівні поділу!) В одиницях часу і одночасно 360 рівних поділок в градусах. Значить, намалюємо горизонтальну окружність, позначивши на ній точку 12 ч. Дня - опівдні за найкоротшою тіні від покажчика сонячного годинника - гномона. Тепер поділимо окружність вправо і вліво від ділення 12 на рівні відрізки по 15 градусів кожен. І годинник готові! У нас навіть є напрямок на південь, яке в сонячний годинник завжди збігається з цифрою 12 дня.
Для бажаючих можемо зробити ще сонячний годинник (і навіть заробити купу грошей на цьому бізнесі). Причому для правильної установки нового годинника тепер не треба чекати півдня. Що само по седее клопітно заняття. Досить новий годинник обертати в горизонтальній площині поки тінь на них не покаже час таке ж, як на наших перших - еталонних годиннику. Нові сонячний годинник встановляться на потрібний час і автоматично правильно визначаться в напрямку північ-південь.
Ось так вирішується пряме завдання - визначення часу за сонцем і зворотна - визначення напрямку північ-південь по відомому часу. Знаючи час - можна визначити напрямок на південь (або іншу сторону світла) Знаючи азимут сонця - можна визначити час. В теорії.
Рівномірний 24 годинний циферблат сонячного годинника
На практиці радість триватиме недовго. Як тільки ми захочемо зробити пісочний годинник, щоб дізнаватися час після заходу сонця. Так відразу і продзвенить перший тривожний дзвінок - годину по пісочним годинах - завжди однаковий. А по сонячним - різний! Найдовший час на вищеописаних сонячний годинник у полудня, найкоротший при сході і заході сонця. Тобто 15 градусів тінь найповільніше проходить близько полудня і дуже швидко при сході і заході.
Це все працює в обмежених умовах. Сонячний годинник жорстко пов'язані з місцем їх установки. Якщо переміститися на схід - опівдні настане раніше, ніж на наших еталонних годиннику. Перемістимося на захід - опівдні настане пізніше, ніж на еталонних годиннику. Але це далеко ще не всі проблеми.
Хоча з цим жили тисячі років. У Римі, наприклад, все світлий час тупо ділили на 12 годин, темне теж на 12. Відразу ж пригадується, що влітку довгий день, а взимку довга ніч. Але римських імператорів і сенаторів це не хвилювало.
На малюнку видно нерівномірність поділів опівдні і вранці-ввечері і гномон сонячного годинника нахилений до горизонту під кутом рівним широті місця. На іншій широті годинник будуть показувати час з помилкою.
Подекуди в малювали нерівномірні годинні ділення на циферблаті. Однак ці нерівномірні розподілу не працювали в іншому місті. Того разу глобалізація не пройшла.
Це працювало з найдавніших часів але в межах одного міста і поточної доби. Глобальної навігації та служби часу на цьому не побудуєш. Точніше не побудуєш на основі вищезазначених горизонтальні сонячного годинника.
Правильна установка горизонтальних сонячних годин.
З найдавніших часів було відомо, що вся небесна сфера обертається навколо однієї точки - полюси. Дуже близького до Полярної зірки. Але тільки довгі пошуки привели приблизно в 15-16 столітті до прогресивної думки: якщо гномон (покажчик) сонячного годинника направити в сторону Полярної зірки, а циферблат розташувати в площині перпендикулярній вказівником, то сонячний годинник, нарешті, стануть рівними і в полудень і на сході . І такі сонячний годинник з нахиленим циферблатом можна використовувати на будь-якій широті, якщо встановлювати на кожному новому місці нахил циферблата на кут 90 градусів мінус широта місця. Хід часу став рівномірним на різних широтах. Напевно і успіхи в географічних відкриттях нерозривно з цим пов'язані.
Екваторіальні сонячний годинник. Шкала рівномірна і 24 годинна.
Правильна установка екваторіальних сонячного годинника
Йшов час, механічний годинник ставали все точніше. Вони навіть перевершили сонячні в точності. Показали, що сонячні добу тільки в середньому 24 години, а в кожен конкретний день більше або менше різниця ця до 15 хвилин протягом року.
І на початку 20 століття робота сонячного компаса виглядала так. За точним механічному годиннику розраховують місцевий сонячний час. Встановлюють його на шкалі компаса. Повертають цю шкалу до суміщення з напрямком на сонце і навпаки ділення 12 буде південь. А значить і всі інші градуси компасної котушки стануть правильно.