Вимірювання часу
Відповісти на питання «що таке час» нелегко. У найзагальнішому вигляді можна сказати, що час - це безперервна низка змінюють один одного явищ. Головна властивість часу полягає в тому, що воно триває, тече безупинно. Простір можна захистити, але час зупинити неможливо. Час необоротно - подорожі на машині часу в минуле неможливі. «Не можна двічі увійти в одну й ту ж річку», - говорив Геракліт.
Величний Стоунхендж - одна з найдавніших астрономічних обсерваторій, побудована п'ять тисяч років тому в Південній Англії.
Доба розділені на 24 години, щогодини - на 60 хвилин. Тисячі років тому люди помітили, що багато чого в природі повторюється: Сонце встає на сході і заходить на заході, літо змінює зиму і навпаки. Саме тоді виникли перші одиниці часу - день, місяць і рік. За допомогою найпростіших астрономічних приладів було встановлено, що в році близько 360 днів, і приблизно за 30 днів силует Місяця проходить цикл від одного повного місяця до наступного. Тому халдейські мудреці взяли в основу шестидесятеричной систему числення: добу розбили на 12 нічних і 12 денних годин, окружність - на 360 градусів. Щогодини і кожен градус були розділені на 60 хвилин, а кожна хвилина - на 60 секунд. Проте подальші більш точні вимірювання безнадійно зіпсували це досконалість. Виявилося, що Земля робить повний оборот навколо Сонця за 365 діб 5 годин 48 хвилин і 46 секунд. Місяці ж, щоб обійти Землю, потрібно від 29,25 до 29,85 діб.
Виберемо будь-яку зірку і зафіксуємо її положення на небі. На тому ж самому місці зірка з'явиться через добу, точніше через 23 години 56 хвилин. Доба, виміряні відносно далеких зірок, називаються зоряними (якщо бути зовсім точними, зоряна доба - проміжок часу між двома послідовними верхніми кульмінаціями точки весняного рівнодення). Куди ж діваються ще 4 хвилини? Справа в тому, що внаслідок руху Землі навколо Сонця воно зміщується для земного спостерігача на тлі зірок на 1 ° за добу. Щоб «наздогнати» його, Землі і потрібні ці 4 хвилини. Доба, пов'язані з видимим рухом Сонця навколо Землі, називаються сонячними. Вони починаються в момент нижньої кульмінації Сонця на даному меридіані (тобто опівночі). Сонячна доба не однакові - через ексцентриситету земної орбіти взимку в північній півкулі добу тривають трохи більше, ніж влітку, а в південному - навпаки. Крім того, площина екліптики нахилена до площини земного екватора. Тому й було запроваджено середні сонячні добу, рівні 24 годинам.
Внаслідок руху Землі навколо Сонця воно зміщується для земного спостерігача на тлі зірок на 1 ° за добу. Проходить 4 хвилини, перш ніж Земля «наздоганяє» його. Отже, Земля робить один оборот навколо своєї осі за 23 години 56 хвилин. 24 години - середні сонячні добу - час обороту Землі відносно центра Сонця.
Нульовий меридіан проходить через Грінвічську обсерваторію, розташовану недалеко від Лондона. Людина живе і працює за сонячному годиннику. З іншого боку, астрономам для організації спостережень потрібно саме зоряний час. У кожній місцевості існує своє сонячне та свій зоряний час. У містах, розташованих на одному меридіані, воно одне і те ж, а при переміщенні вздовж паралелі воно буде змінюватися. Місцевий час зручно для повсякденного життя - воно пов'язане з чергуванням дня і ночі в даній місцевості. Однак багато служб, наприклад, транспорт, повинні працювати за одним і того ж часу; так, всі потяги в Росії йдуть за московським часом. Щоб не виникало плутанини, було введено поняття грінвічського часу (UT): це місцевий час на нульовому меридіані, на якому розташована Грінвіцька обсерваторія. Але росіянам жити за одним часу з лондонцями незручно; так з'явилася ідея поясного часу. Були обрані 24 земних меридіана (через кожні 15 градусів). На кожному з цих меридіанів час відрізняється від всесвітнього на ціле число годин, а хвилини і секунди збігаються з гринвичським. Від кожного з цих меридіанів відміряли 7,5 ° в обидві сторони і провели межі часових поясів. Усередині часових поясів час всюди однаково. Для того, щоб окремі населені пункти не виявлялися відразу в двох часових поясах, межі між поясами трохи зсунули: вони проводяться по межах держав і областей. У нашій країні поясний час був введений з 1 липня 1919 року. У 1930 році на території колишнього Радянського Союзу всі годинники були переведені на годину вперед. Так з'явилося декретний час. А в березні росіяни переводять годинник ще на годину вперед (тобто вже на 2 години порівняно з поясним) і до кінця жовтня живуть за літнім часом. Подібна практика прийнята в багатьох європейських країнах.
Часові пояси Землі
За московським зимовим часом справжній опівдні в Москві настає о 12 годині 30 хвилин, по літньому - о 13 годині 30 хвилин. Повертаючись з першого кругосвітнього плавання, експедиція Фернана Магеллана з'ясувала, що кудись загубилися цілу добу: по корабельному часу була середа, а місцеві жителі, всі як один, стверджували, що вже четвер. Ніякої помилки в цьому немає - мандрівники пливли весь час на захід, наздоганяючи Сонце, і, в підсумку, заощадили 24 години. Схожа історія трапилася з російськими землепрохідцями, зустрілися на Алясці з англійцями і французами. Щоб вирішити цю проблему, було прийнято угоду про міжнародної лінії зміни дат. Вона проходить через Берингову протоку по 180-му меридіану. На острові Крузенштерна, що лежить на схід, за календарем на добу менше, ніж на острові Ротманова, що лежить на захід від цієї лінії.
Давня індійська обсерваторія в Делі, виконувала також роль сонячного годинника.
Наш календар і наш час підстроєні під Сонце і Місяць, однак ці світила не годяться для точного виміру часу: Земля і Місяць нерівномірно рухаються по своїх орбітах, швидкість обертання Землі, крім того, поступово зменшується під дією приливів. І вже тим більше незручно вимірювати за світилам короткі проміжки часу - хвилини і секунди. Здавна для більш точного вимірювання часу застосовували пісочні та водяний годинник, а в XI столітті з'явилися перші механічні годинники, але їх час доводилося по кілька разів на день звіряти з сонячним годинником. У середині XVII століття, відкривши закон коливання маятника, Галілео Галілей вивів механічний годинник на новий рівень точності. Однак навіть кращі механічні годинники показують не зовсім точний час: вони поспішають або відстають через неточну регулювання, вібрації, перепадів у температурі, якихось зовнішніх впливів. У 1939 році астрономи замінили механічні маятниковий годинник на кварцові: точність ходу зросла в сотні разів і стала складати 10-4-10-6 c на добу. А ще через двадцять років з'явилися атомний годинник; відхилення ходу у них всього 10-10-10-11 с.
Сонячні і зоряні годинник
Сонячний годинник
Людство відраховує час по сонячному годиннику з незапам'ятних часів. Складно сказати, хто і коли вперше запропонував використовувати Сонце (і тінь від нього) в якості годинникової стрілки. Одне очевидно - винахід це було геніальним! Ось чому і зараз - у століття надточної механіки, електроніки і ядерних частинок - любителям астрономії вельми корисно виготовити хоча б найпростіші сонячний годинник, стрілкою яких буде служити тінь від найближчої до нас зірки ...
Як відомо, існує три основних види сонячних годин: екваторіальні, вертикальні і горизонтальні. Екваторіальні годинник - найпростіші. Площина їх циферблату лежить у площині небесного екватора (тобто розташована під кутом (90 ° - f), де f - географічна широта). Сам циферблат розділений на однакові кути з розрахунку 1 год = 15 °. Покажчиком може служити будь-який "штирек", що був в центрі годин перпендикулярно їх площини. Виготовити екваторіальні сонячний годинник нескладно, але в північній півкулі вони будуть працювати тільки тоді, коли схилення Сонця позитивно (від весняного рівнодення до осіннього). У зимовий період доведеться використовувати нижню частину циферблату, що дуже незручно.
Вертикальні годинник набагато більш витончені. Але і тут є декілька "підводних каменів". По-перше, їх математична модель досить складна. По-друге, (і це головне!) Для виготовлення вертикальних сонячних годин потрібно точно виміряти азимут стіни будівлі, де вони будуть прикріплені. Звичайно, всі труднощі переборні, але на першому етапі я б порадив власноруч змайструвати горизонтальні сонячний годинник, які вдало поєднують в собі точність, ефективність і простоту. Такі годинники можуть мати різний розмір: від переносних (10-20 см в діаметрі), до стаціонарних (1-2 метри і більше). Отже, горизонтальні сонячний годинник складаються з двох частин: 1) циферблата, розташованого в площині горизонту, 2) відкидає тінь покажчика, який в простому випадку представляє з себе трикутник, один з кутів якого дорівнює географічній широті місця установки. Площина покажчика лежить у площині небесного меридіана (тобто розташована у напрямку північ - південь). При цьому кут трикутника, що дорівнює широті місця, повинен вказувати на північ (полюс світу), а лінії годин (і хвилин) на циферблаті повинні як би "віялом" розходитися від південної точки підстави покажчика. Тепер про градуюванні циферблата. Якщо ми хочемо, щоб наші горизонтальні сонячний годинник "показували" той же самий час, що і звичайні годинники, чинимо так.
1) Розраховуємо момент істинного полудня. Це нескладно зробити за формулою:
Т (стать) = 12 + h-L + n +1, де
Т (стать) - момент істинного полудня, h - рівняння часу (різниця між середнім сонячним і істинним сонячним часом), L - географічна довгота (виражена в годинній мірі), n - номер часового поясу, 1 - поправка за декретний час. У літній період доведеться додати ще одну годину (через перехід на "літній час"). Що стосується рівняння часу, то їм, у принципі, можна знехтувати, оскільки протягом року воно змінюється від -16 хвилин (приблизно 2 листопада) до +14 хвилин (близько 11 лютого), звертаючись в нуль поблизу 15 квітня 1914 червня, 1 вересня і 24 грудня. Ну, а якщо ви хочете виготовити суперточні сонячні години, то вам доведеться розрахувати кілька циферблатів і міняти їх у міру зміни рівняння часу.
Наприклад, для Вологди в літній час (L = 2ч 40м, h = 0, n = 3) маємо:
Т (стать) = 12 + 0 - (2ч 40м) + 3 + 1 = 13ч 20м Саме в цей момент Сонце знаходиться точно на півдні і, відповідно, відкидає тінь від покажчика на північ (N на малюнку). Значить, опівдні наш годинник повинні показати 13ч 20м. (У період дії зимового часу - 12год 20м).
2) оцифровує циферблат. Озброїмося калькулятором і скористаємося наступною формулою: tg (a) = sin (f) * tg (t), де а - кути, на які буде розкреслений циферблат, f - широта, t - інтервал часу, виражений, звичайно, в градусній мірі ( з розрахунку 1ч = 15 °). Наприклад, ми хочемо дізнатися, на якому кутовій відстані від напряму на північ буде знаходитися відмітка "13 годин". Нескладно здогадатися, що замість t треба підставити 20 хвилин, виражені в градусах і їх долях. (Для цього ділимо 20 на 60 і множимо на 15). Після обчислень (підставляючи точні значення широти для м. Вологди) отримуємо 4,4 °. Саме такий кут потрібно відкласти від напряму на північ проти годинникової стрілки. Після всіх обчислень отримуємо таблицю (негативні кути для а вказують, що їх треба відкладати на циферблаті за годинниковою стрілкою). Зрозуміло, не слід розраховувати дані для ночі ...
Циферблат, розкреслений згідно з наведеними обчислень, можна бачити на малюнку. Для невеликих горизонтальних сонячних годин (діаметром близько 15 см) часовий розмітки цілком достатньо, так як хвилини легко оцінити на око, дивлячись на тінь покажчика. Більш великі годинники потребуватимуть додаткових розрахунків хвилин (або хоча б четвертьчасових відміток) - це також можна зробити за вищенаведеною формулою.
t 22ч 21ч 20ч 19ч 18ч 17ч
a -134,2 ° -118,4 ° -101,5 ° -84,1 ° -66,9 ° -50,7 °
t 16ч 15ч 14ч 13ч 12ч 11ч
a -35,7 ° -21,7 ° -8,5 ° 4,4 ° 17,5 ° 31,1 °
t 10ч 9ч 8ч 7ч 6ч 5ч
a 45,8 ° 61,6 ° 78,5 ° 95,9 ° 113,1 ° 129,3 °
Не забудьте, що в період дії зимового часу числові значення годин слід зменшити на одиницю. Наприклад, замість "13 годин" одержимо "12-ть", замість "14-ти" - "13-ть" і так далі. До речі, переносні горизонтальні сонячні годинники можна використовувати як компас. Для цього за звичайними годинах виставляємо на потрібний час наші сонячні годинники: тоді трикутний покажчик покаже напрямок північ - південь, причому північ буде там, де намальовані відмітки "12" і "13".
Зоряні години
Якщо ясним днем час можна відраховувати за Сонцем, то як бути вночі? Правильно! Нам допоможуть зірки! Для справжнього любителя астрономії не складе великих труднощів визначити час по характерному розташуванню зірок у той чи інший сезон року. Але простіше дізнатися котра зараз година з орієнтації сузір'я Великої Ведмедиці. Тим більше, що в безхмарну погоду в середніх і північних широтах "Небесний Ківш" ніколи не опускається під горизонт. Уявіть собі величезний небесний циферблат, в центрі якого розташована Полярна зірка. Тоді сузір'я Великої Ведмедиці стане гігантській космічній стрілкою.
Зверніть увагу (див. рис), що наш циферблат розділений не на 12 годин (як у звичайних годинах), а на 24 години. При цьому відмітка "0ч" знаходиться над точкою півночі, відмітка "12год" - по інший бік від Полярної зірки. Значення "6ч" і "18ч" відповідно розташовуються в східному і західному напрямках. Іншими словами, хід часу в зоряних годинах відраховується проти годинникової стрілки, оскільки саме так "обертається" Велика Ведмедиця, як, втім, і всі інші навколополярні сузір'я. Далі. Проводимо пряму лінію від Полярної зірки до зірок "Дельта" (Мегрец) і "Гама" (Фекда), прикрашають ліву сторону Ковша Великої Ведмедиці (див. рис). Стрілка вкаже на точку осіннього рівнодення. (Неважко здогадатися, що точка весняного рівнодення буде знаходитися в діаметрально протилежному напрямку, в якому, на жаль, немає зірок Великої Ведмедиці).
Тоді цифри на нашому уявному небесному циферблаті покажуть так зване зоряний час (часовий кут точки весняного рівнодення). Так, на малюнку зоряний час вийшло рівним приблизно 1 год 30 м. З сферичної астрономії відомо, що зоряний час (S) дорівнює сумі прямого сходження (RA) будь-якого небесного об'єкта (наприклад, зірки, Місяця, Сонця ...) і його годинного кута (t).
S = RA + t
Оскільки зоряний час нам вже відомо, то яким-небудь чином дізнавшись пряме сходження Сонця, ми зможемо обчислити його часовий кут (t = S - RA). Додавши до отриманого результату 12 годин, ми отримаємо місцевий сонячний час. (Після цього можна перейти до поясного часу). Але як дізнатися пряме сходження Сонця? Звичайно, можна скористатися астрономічними календарями, де на кожен день наводяться екваторіальні координати Сонця. Краще, однак, ці відомості "вирахувати" самостійно - астрономічний щорічник не завжди буває під рукою! Насправді, якщо не гнатися за супердеталний, то дізнатися пряме сходження Сонця для будь-якої дати нескладно.
Потрібно лише запам'ятати, що 21 березня (у день весняного рівнодення) пряме сходження Сонця дорівнює 0ч, 22 червня (літнє сонцестояння) - 6ч, 23 вересня (осіннє рівнодення) - 12г і 22 грудня (зимове сонцестояння) - 18ч. Крім того, запам'ятайте, що за добу пряме сходження Сонця збільшується приблизно на 4 хвилини.
Отже, припустимо, ми поглянули на зоряні годинник і знайшли зоряний час рівним 1ч 30м. Нехай ми проводимо спостереження, скажімо, 1 жовтня. Від осіннього рівнодення пройшло 8 днів і RA Сонця збільшилася на 8 х 4 = 32 хвилини і становить 12 год 32 м. Знайдене значення, звичайно, округлимо до 12 год 30 м. Знаходимо часовий кут Сонця t = 1ч 30м - 12год 30м = 25ч 30м - 12год 30м = 13ч 00м
Значить (додаємо 12 годин), місцевий сонячний час дорівнює 25 год 00 м (або 1 год 00 м). Припустимо, ми спостерігаємо у Вологді. Довгота цього міста дорівнює 2 год 40 м. Віднімаємо з 25 год 00 м 2 год 40 м, отримуємо 22 год 20 м - саме таке в даний момент всесвітній час. Переходимо до поясного часу (додаємо 3 години) і ось він, довгоочікуваний результат: зараз 1 год 20 м! Перевіряємо по рухомій карті зоряного неба і переконуємося, що ми не помилилися ...
Точний час і визначення географічної довготи.
Сонце завжди висвітлює тільки половину земної кулі: на одній півкулі - день, а на іншому в цей час ніч, відповідно завжди є точки, де в даний момент опівдні, і Сонце знаходиться у верхній кульмінації. У міру того як Земля обертається навколо осі, опівдні настає в тих місцях, які лежать на захід. За положенням Сонця (або зірок) на небі визначається місцевий час для будь-якої точки земної кулі. Місцевий час у двох пунктах (T1 і Т2) відрізняється рівно на стільки, на скільки відрізняється їх географічна довгота:
Т1-Т2 = L1-L2.
Ясно, що опівдні настає в даному пункті Землі пізніше, ніж в іншому, рівно на стільки, скільки часу потрібно планеті, щоб повернутися на кут, відповідний різниці їх довгот. Так, наприклад, в Санкт-Петербурзі, який знаходиться на 8 ° 45 'на захід від Москви, опівдні настає на 35 хвилин пізніше. Визначивши із спостережень місцевий час у цьому пункті та порівнявши його з місцевим часом іншого, географічна довгота якого відома, можна обчислити географічну довготу пункту спостереження. Домовилися відраховувати довготу від початкового (нульового) меридіана, що проходить через Грінвічську обсерваторію. Місцевий час цього меридіана називають всесвітнім часом - Universal Time (UT). Тоді T1 = UT + L1, інакше кажучи, місцевий час будь-якого пункту одно всесвітнім часом в цей момент плюс довгота даного пункту від початкового меридіана, виражена в годинній мірі. Точний рахунок часу ускладнюється тим, що його колишній еталон - період обертання Землі - виявився не цілком надійним. Однією з основних одиниць часу вже давно були обрані сонячні доба - проміжок часу, який проходить від однієї верхньої кульмінації Сонця до іншого. Але в міру зростання точності астрономічних спостережень стало очевидно, що тривалість доби не залишається постійною.
Швидкість обертання нашої планети змінюється протягом року, а крім того, відбувається, хоча і дуже повільно, уповільнення її обертання. Тому зрозуміло, що визначення секунди як одиниці часу, що становить 1 / 86400 частину доби, зажадало уточнення. Сучасне визначення секунди вам відомо з курсу фізики. Використання атомних годин, які мають служби точного часу і державний еталон часу і частоти, забезпечує виключно малу похибку у рахунку часу (близько 5 • 10-9 с за добу). Трансльовані по радіо сигнали точного часу передаються саме з атомного годинника. Беручи ці сигнали і визначаючи місцевий час за спостереженнями моментів кульмінації зірок, можна обчислити точні координати будь-якого пункту земної поверхні. Ці пункти служать опорними точками при складанні карт, прокладання трас газопроводів, автомобільних і залізниць, будівництві великих об'єктів і ряді інших робіт.
Сигнали точного часу, поряд з іншими засобами (радіомаяками, навігаційними супутниками і т. п.) необхідні в авіаційній та морської навігації. Якщо б у своєму повсякденному житті ми користувалися місцевим часом, то в міру пересування на захід чи схід доводилося б безперервно пересувати стрілки годинника. Виникаючі при цьому незручності настільки очевидні, що в даний час практично все населення земної кулі користується поясним часом. Поясний система відліку часу була запропонована в 1884 р. Згідно з цією системою всю земну кулю був розділений по довготі на 24 часових пояси (за кількістю годин у добі), кожен з яких займає приблизно 15 °. По суті справи, рахунок часу по цій системі ведеться тільки на 24 основних меридіанах, віддалених один від одного на 15 ° по довготі. Час на цих меридіанах, які розташовані приблизно посередині кожного часового поясу, відрізняється рівно на одну годину. Місцевий час основного меридіана даного поясу називається поясним часом. По ньому ведеться відлік часу на всій території, що відноситься до цього часового поясу. Поясний час, яке прийнято в конкретному пункті, відрізняється від всесвітнього на число годин, рівних номером його часового поясу:
Т = UT + n,
де UT - всесвітній час, an - номер часового поясу.
Межами часових поясів є лінії, які йдуть від Північного полюса Землі до Південного і відстоять приблизно на 7,5 ° від основних меридіанів. Ці кордони далеко не завжди проходять строго по меридіанах, а проведені по адміністративних границях областей чи інших регіонів так, щоб на всій їх території діяло одне і те ж час. Природно, наприклад, що Москва живе за часом одного (другого) часового поясу. Якщо ж формально дотримуватися прийнятого правилом поділу на часові пояси, то потрібно було б провести кордон пояса так, що місто виявилося б розділеним на дві нерівні частини.
У нашій країні поясний час був введений з 1 липня 1919 р. З тих пір межі часових поясів неодноразово переглядалися і змінювалися. З січня 1992 р., коли в Росії годинники були переведені на одну годину вперед, ми живемо у так званій декретному часу, яке було введено в СРСР ще в 1930 р. Наприкінці березня країна переходить на літній час, стрілки годинника переводяться ще на один годину вперед. Скасовується літній час в кінці вересня, стрілки повертають на одну годину назад. Дні, коли вводиться і скасовується літній час, щорічно встановлюються розпорядженням уряду. Московське декретний час, яке показують годинник не тільки в Москві, але також у Санкт-Петербурзі і центральних областях Росії, відрізняється від всесвітнього часу на 3 години взимку і на 4 години влітку.
Відповісти на питання «що таке час» нелегко. У найзагальнішому вигляді можна сказати, що час - це безперервна низка змінюють один одного явищ. Головна властивість часу полягає в тому, що воно триває, тече безупинно. Простір можна захистити, але час зупинити неможливо. Час необоротно - подорожі на машині часу в минуле неможливі. «Не можна двічі увійти в одну й ту ж річку», - говорив Геракліт.
Величний Стоунхендж - одна з найдавніших астрономічних обсерваторій, побудована п'ять тисяч років тому в Південній Англії.
Доба розділені на 24 години, щогодини - на 60 хвилин. Тисячі років тому люди помітили, що багато чого в природі повторюється: Сонце встає на сході і заходить на заході, літо змінює зиму і навпаки. Саме тоді виникли перші одиниці часу - день, місяць і рік. За допомогою найпростіших астрономічних приладів було встановлено, що в році близько 360 днів, і приблизно за 30 днів силует Місяця проходить цикл від одного повного місяця до наступного. Тому халдейські мудреці взяли в основу шестидесятеричной систему числення: добу розбили на 12 нічних і 12 денних годин, окружність - на 360 градусів. Щогодини і кожен градус були розділені на 60 хвилин, а кожна хвилина - на 60 секунд. Проте подальші більш точні вимірювання безнадійно зіпсували це досконалість. Виявилося, що Земля робить повний оборот навколо Сонця за 365 діб 5 годин 48 хвилин і 46 секунд. Місяці ж, щоб обійти Землю, потрібно від 29,25 до 29,85 діб.
Виберемо будь-яку зірку і зафіксуємо її положення на небі. На тому ж самому місці зірка з'явиться через добу, точніше через 23 години 56 хвилин. Доба, виміряні відносно далеких зірок, називаються зоряними (якщо бути зовсім точними, зоряна доба - проміжок часу між двома послідовними верхніми кульмінаціями точки весняного рівнодення). Куди ж діваються ще 4 хвилини? Справа в тому, що внаслідок руху Землі навколо Сонця воно зміщується для земного спостерігача на тлі зірок на 1 ° за добу. Щоб «наздогнати» його, Землі і потрібні ці 4 хвилини. Доба, пов'язані з видимим рухом Сонця навколо Землі, називаються сонячними. Вони починаються в момент нижньої кульмінації Сонця на даному меридіані (тобто опівночі). Сонячна доба не однакові - через ексцентриситету земної орбіти взимку в північній півкулі добу тривають трохи більше, ніж влітку, а в південному - навпаки. Крім того, площина екліптики нахилена до площини земного екватора. Тому й було запроваджено середні сонячні добу, рівні 24 годинам.
Внаслідок руху Землі навколо Сонця воно зміщується для земного спостерігача на тлі зірок на 1 ° за добу. Проходить 4 хвилини, перш ніж Земля «наздоганяє» його. Отже, Земля робить один оборот навколо своєї осі за 23 години 56 хвилин. 24 години - середні сонячні добу - час обороту Землі відносно центра Сонця.
Нульовий меридіан проходить через Грінвічську обсерваторію, розташовану недалеко від Лондона. Людина живе і працює за сонячному годиннику. З іншого боку, астрономам для організації спостережень потрібно саме зоряний час. У кожній місцевості існує своє сонячне та свій зоряний час. У містах, розташованих на одному меридіані, воно одне і те ж, а при переміщенні вздовж паралелі воно буде змінюватися. Місцевий час зручно для повсякденного життя - воно пов'язане з чергуванням дня і ночі в даній місцевості. Однак багато служб, наприклад, транспорт, повинні працювати за одним і того ж часу; так, всі потяги в Росії йдуть за московським часом. Щоб не виникало плутанини, було введено поняття грінвічського часу (UT): це місцевий час на нульовому меридіані, на якому розташована Грінвіцька обсерваторія. Але росіянам жити за одним часу з лондонцями незручно; так з'явилася ідея поясного часу. Були обрані 24 земних меридіана (через кожні 15 градусів). На кожному з цих меридіанів час відрізняється від всесвітнього на ціле число годин, а хвилини і секунди збігаються з гринвичським. Від кожного з цих меридіанів відміряли 7,5 ° в обидві сторони і провели межі часових поясів. Усередині часових поясів час всюди однаково. Для того, щоб окремі населені пункти не виявлялися відразу в двох часових поясах, межі між поясами трохи зсунули: вони проводяться по межах держав і областей. У нашій країні поясний час був введений з 1 липня 1919 року. У 1930 році на території колишнього Радянського Союзу всі годинники були переведені на годину вперед. Так з'явилося декретний час. А в березні росіяни переводять годинник ще на годину вперед (тобто вже на 2 години порівняно з поясним) і до кінця жовтня живуть за літнім часом. Подібна практика прийнята в багатьох європейських країнах.
Часові пояси Землі
За московським зимовим часом справжній опівдні в Москві настає о 12 годині 30 хвилин, по літньому - о 13 годині 30 хвилин. Повертаючись з першого кругосвітнього плавання, експедиція Фернана Магеллана з'ясувала, що кудись загубилися цілу добу: по корабельному часу була середа, а місцеві жителі, всі як один, стверджували, що вже четвер. Ніякої помилки в цьому немає - мандрівники пливли весь час на захід, наздоганяючи Сонце, і, в підсумку, заощадили 24 години. Схожа історія трапилася з російськими землепрохідцями, зустрілися на Алясці з англійцями і французами. Щоб вирішити цю проблему, було прийнято угоду про міжнародної лінії зміни дат. Вона проходить через Берингову протоку по 180-му меридіану. На острові Крузенштерна, що лежить на схід, за календарем на добу менше, ніж на острові Ротманова, що лежить на захід від цієї лінії.
Давня індійська обсерваторія в Делі, виконувала також роль сонячного годинника.
Наш календар і наш час підстроєні під Сонце і Місяць, однак ці світила не годяться для точного виміру часу: Земля і Місяць нерівномірно рухаються по своїх орбітах, швидкість обертання Землі, крім того, поступово зменшується під дією приливів. І вже тим більше незручно вимірювати за світилам короткі проміжки часу - хвилини і секунди. Здавна для більш точного вимірювання часу застосовували пісочні та водяний годинник, а в XI столітті з'явилися перші механічні годинники, але їх час доводилося по кілька разів на день звіряти з сонячним годинником. У середині XVII століття, відкривши закон коливання маятника, Галілео Галілей вивів механічний годинник на новий рівень точності. Однак навіть кращі механічні годинники показують не зовсім точний час: вони поспішають або відстають через неточну регулювання, вібрації, перепадів у температурі, якихось зовнішніх впливів. У 1939 році астрономи замінили механічні маятниковий годинник на кварцові: точність ходу зросла в сотні разів і стала складати 10-4-10-6 c на добу. А ще через двадцять років з'явилися атомний годинник; відхилення ходу у них всього 10-10-10-11 с.
Сонячні і зоряні годинник
Сонячний годинник
Людство відраховує час по сонячному годиннику з незапам'ятних часів. Складно сказати, хто і коли вперше запропонував використовувати Сонце (і тінь від нього) в якості годинникової стрілки. Одне очевидно - винахід це було геніальним! Ось чому і зараз - у століття надточної механіки, електроніки і ядерних частинок - любителям астрономії вельми корисно виготовити хоча б найпростіші сонячний годинник, стрілкою яких буде служити тінь від найближчої до нас зірки ...
Як відомо, існує три основних види сонячних годин: екваторіальні, вертикальні і горизонтальні. Екваторіальні годинник - найпростіші. Площина їх циферблату лежить у площині небесного екватора (тобто розташована під кутом (90 ° - f), де f - географічна широта). Сам циферблат розділений на однакові кути з розрахунку 1 год = 15 °. Покажчиком може служити будь-який "штирек", що був в центрі годин перпендикулярно їх площини. Виготовити екваторіальні сонячний годинник нескладно, але в північній півкулі вони будуть працювати тільки тоді, коли схилення Сонця позитивно (від весняного рівнодення до осіннього). У зимовий період доведеться використовувати нижню частину циферблату, що дуже незручно.
Вертикальні годинник набагато більш витончені. Але і тут є декілька "підводних каменів". По-перше, їх математична модель досить складна. По-друге, (і це головне!) Для виготовлення вертикальних сонячних годин потрібно точно виміряти азимут стіни будівлі, де вони будуть прикріплені. Звичайно, всі труднощі переборні, але на першому етапі я б порадив власноруч змайструвати горизонтальні сонячний годинник, які вдало поєднують в собі точність, ефективність і простоту. Такі годинники можуть мати різний розмір: від переносних (10-20 см в діаметрі), до стаціонарних (1-2 метри і більше). Отже, горизонтальні сонячний годинник складаються з двох частин: 1) циферблата, розташованого в площині горизонту, 2) відкидає тінь покажчика, який в простому випадку представляє з себе трикутник, один з кутів якого дорівнює географічній широті місця установки. Площина покажчика лежить у площині небесного меридіана (тобто розташована у напрямку північ - південь). При цьому кут трикутника, що дорівнює широті місця, повинен вказувати на північ (полюс світу), а лінії годин (і хвилин) на циферблаті повинні як би "віялом" розходитися від південної точки підстави покажчика. Тепер про градуюванні циферблата. Якщо ми хочемо, щоб наші горизонтальні сонячний годинник "показували" той же самий час, що і звичайні годинники, чинимо так.
1) Розраховуємо момент істинного полудня. Це нескладно зробити за формулою:
Т (стать) = 12 + h-L + n +1, де
Т (стать) - момент істинного полудня, h - рівняння часу (різниця між середнім сонячним і істинним сонячним часом), L - географічна довгота (виражена в годинній мірі), n - номер часового поясу, 1 - поправка за декретний час. У літній період доведеться додати ще одну годину (через перехід на "літній час"). Що стосується рівняння часу, то їм, у принципі, можна знехтувати, оскільки протягом року воно змінюється від -16 хвилин (приблизно 2 листопада) до +14 хвилин (близько 11 лютого), звертаючись в нуль поблизу 15 квітня 1914 червня, 1 вересня і 24 грудня. Ну, а якщо ви хочете виготовити суперточні сонячні години, то вам доведеться розрахувати кілька циферблатів і міняти їх у міру зміни рівняння часу.
Наприклад, для Вологди в літній час (L = 2ч 40м, h = 0, n = 3) маємо:
Т (стать) = 12 + 0 - (2ч 40м) + 3 + 1 = 13ч 20м Саме в цей момент Сонце знаходиться точно на півдні і, відповідно, відкидає тінь від покажчика на північ (N на малюнку). Значить, опівдні наш годинник повинні показати 13ч 20м. (У період дії зимового часу - 12год 20м).
2) оцифровує циферблат. Озброїмося калькулятором і скористаємося наступною формулою: tg (a) = sin (f) * tg (t), де а - кути, на які буде розкреслений циферблат, f - широта, t - інтервал часу, виражений, звичайно, в градусній мірі ( з розрахунку 1ч = 15 °). Наприклад, ми хочемо дізнатися, на якому кутовій відстані від напряму на північ буде знаходитися відмітка "13 годин". Нескладно здогадатися, що замість t треба підставити 20 хвилин, виражені в градусах і їх долях. (Для цього ділимо 20 на 60 і множимо на 15). Після обчислень (підставляючи точні значення широти для м. Вологди) отримуємо 4,4 °. Саме такий кут потрібно відкласти від напряму на північ проти годинникової стрілки. Після всіх обчислень отримуємо таблицю (негативні кути для а вказують, що їх треба відкладати на циферблаті за годинниковою стрілкою). Зрозуміло, не слід розраховувати дані для ночі ...
Циферблат, розкреслений згідно з наведеними обчислень, можна бачити на малюнку. Для невеликих горизонтальних сонячних годин (діаметром близько 15 см) часовий розмітки цілком достатньо, так як хвилини легко оцінити на око, дивлячись на тінь покажчика. Більш великі годинники потребуватимуть додаткових розрахунків хвилин (або хоча б четвертьчасових відміток) - це також можна зробити за вищенаведеною формулою.
t 22ч 21ч 20ч 19ч 18ч 17ч
a -134,2 ° -118,4 ° -101,5 ° -84,1 ° -66,9 ° -50,7 °
t 16ч 15ч 14ч 13ч 12ч 11ч
a -35,7 ° -21,7 ° -8,5 ° 4,4 ° 17,5 ° 31,1 °
t 10ч 9ч 8ч 7ч 6ч 5ч
a 45,8 ° 61,6 ° 78,5 ° 95,9 ° 113,1 ° 129,3 °
Не забудьте, що в період дії зимового часу числові значення годин слід зменшити на одиницю. Наприклад, замість "13 годин" одержимо "12-ть", замість "14-ти" - "13-ть" і так далі. До речі, переносні горизонтальні сонячні годинники можна використовувати як компас. Для цього за звичайними годинах виставляємо на потрібний час наші сонячні годинники: тоді трикутний покажчик покаже напрямок північ - південь, причому північ буде там, де намальовані відмітки "12" і "13".
Зоряні години
Якщо ясним днем час можна відраховувати за Сонцем, то як бути вночі? Правильно! Нам допоможуть зірки! Для справжнього любителя астрономії не складе великих труднощів визначити час по характерному розташуванню зірок у той чи інший сезон року. Але простіше дізнатися котра зараз година з орієнтації сузір'я Великої Ведмедиці. Тим більше, що в безхмарну погоду в середніх і північних широтах "Небесний Ківш" ніколи не опускається під горизонт. Уявіть собі величезний небесний циферблат, в центрі якого розташована Полярна зірка. Тоді сузір'я Великої Ведмедиці стане гігантській космічній стрілкою.
Зверніть увагу (див. рис), що наш циферблат розділений не на 12 годин (як у звичайних годинах), а на 24 години. При цьому відмітка "0ч" знаходиться над точкою півночі, відмітка "12год" - по інший бік від Полярної зірки. Значення "6ч" і "18ч" відповідно розташовуються в східному і західному напрямках. Іншими словами, хід часу в зоряних годинах відраховується проти годинникової стрілки, оскільки саме так "обертається" Велика Ведмедиця, як, втім, і всі інші навколополярні сузір'я. Далі. Проводимо пряму лінію від Полярної зірки до зірок "Дельта" (Мегрец) і "Гама" (Фекда), прикрашають ліву сторону Ковша Великої Ведмедиці (див. рис). Стрілка вкаже на точку осіннього рівнодення. (Неважко здогадатися, що точка весняного рівнодення буде знаходитися в діаметрально протилежному напрямку, в якому, на жаль, немає зірок Великої Ведмедиці).
Тоді цифри на нашому уявному небесному циферблаті покажуть так зване зоряний час (часовий кут точки весняного рівнодення). Так, на малюнку зоряний час вийшло рівним приблизно 1 год 30 м. З сферичної астрономії відомо, що зоряний час (S) дорівнює сумі прямого сходження (RA) будь-якого небесного об'єкта (наприклад, зірки, Місяця, Сонця ...) і його годинного кута (t).
S = RA + t
Оскільки зоряний час нам вже відомо, то яким-небудь чином дізнавшись пряме сходження Сонця, ми зможемо обчислити його часовий кут (t = S - RA). Додавши до отриманого результату 12 годин, ми отримаємо місцевий сонячний час. (Після цього можна перейти до поясного часу). Але як дізнатися пряме сходження Сонця? Звичайно, можна скористатися астрономічними календарями, де на кожен день наводяться екваторіальні координати Сонця. Краще, однак, ці відомості "вирахувати" самостійно - астрономічний щорічник не завжди буває під рукою! Насправді, якщо не гнатися за супердеталний, то дізнатися пряме сходження Сонця для будь-якої дати нескладно.
Потрібно лише запам'ятати, що 21 березня (у день весняного рівнодення) пряме сходження Сонця дорівнює 0ч, 22 червня (літнє сонцестояння) - 6ч, 23 вересня (осіннє рівнодення) - 12г і 22 грудня (зимове сонцестояння) - 18ч. Крім того, запам'ятайте, що за добу пряме сходження Сонця збільшується приблизно на 4 хвилини.
Отже, припустимо, ми поглянули на зоряні годинник і знайшли зоряний час рівним 1ч 30м. Нехай ми проводимо спостереження, скажімо, 1 жовтня. Від осіннього рівнодення пройшло 8 днів і RA Сонця збільшилася на 8 х 4 = 32 хвилини і становить 12 год 32 м. Знайдене значення, звичайно, округлимо до 12 год 30 м. Знаходимо часовий кут Сонця t = 1ч 30м - 12год 30м = 25ч 30м - 12год 30м = 13ч 00м
Значить (додаємо 12 годин), місцевий сонячний час дорівнює 25 год 00 м (або 1 год 00 м). Припустимо, ми спостерігаємо у Вологді. Довгота цього міста дорівнює 2 год 40 м. Віднімаємо з 25 год 00 м 2 год 40 м, отримуємо 22 год 20 м - саме таке в даний момент всесвітній час. Переходимо до поясного часу (додаємо 3 години) і ось він, довгоочікуваний результат: зараз 1 год 20 м! Перевіряємо по рухомій карті зоряного неба і переконуємося, що ми не помилилися ...
Точний час і визначення географічної довготи.
Сонце завжди висвітлює тільки половину земної кулі: на одній півкулі - день, а на іншому в цей час ніч, відповідно завжди є точки, де в даний момент опівдні, і Сонце знаходиться у верхній кульмінації. У міру того як Земля обертається навколо осі, опівдні настає в тих місцях, які лежать на захід. За положенням Сонця (або зірок) на небі визначається місцевий час для будь-якої точки земної кулі. Місцевий час у двох пунктах (T1 і Т2) відрізняється рівно на стільки, на скільки відрізняється їх географічна довгота:
Т1-Т2 = L1-L2.
Ясно, що опівдні настає в даному пункті Землі пізніше, ніж в іншому, рівно на стільки, скільки часу потрібно планеті, щоб повернутися на кут, відповідний різниці їх довгот. Так, наприклад, в Санкт-Петербурзі, який знаходиться на 8 ° 45 'на захід від Москви, опівдні настає на 35 хвилин пізніше. Визначивши із спостережень місцевий час у цьому пункті та порівнявши його з місцевим часом іншого, географічна довгота якого відома, можна обчислити географічну довготу пункту спостереження. Домовилися відраховувати довготу від початкового (нульового) меридіана, що проходить через Грінвічську обсерваторію. Місцевий час цього меридіана називають всесвітнім часом - Universal Time (UT). Тоді T1 = UT + L1, інакше кажучи, місцевий час будь-якого пункту одно всесвітнім часом в цей момент плюс довгота даного пункту від початкового меридіана, виражена в годинній мірі. Точний рахунок часу ускладнюється тим, що його колишній еталон - період обертання Землі - виявився не цілком надійним. Однією з основних одиниць часу вже давно були обрані сонячні доба - проміжок часу, який проходить від однієї верхньої кульмінації Сонця до іншого. Але в міру зростання точності астрономічних спостережень стало очевидно, що тривалість доби не залишається постійною.
Швидкість обертання нашої планети змінюється протягом року, а крім того, відбувається, хоча і дуже повільно, уповільнення її обертання. Тому зрозуміло, що визначення секунди як одиниці часу, що становить 1 / 86400 частину доби, зажадало уточнення. Сучасне визначення секунди вам відомо з курсу фізики. Використання атомних годин, які мають служби точного часу і державний еталон часу і частоти, забезпечує виключно малу похибку у рахунку часу (близько 5 • 10-9 с за добу). Трансльовані по радіо сигнали точного часу передаються саме з атомного годинника. Беручи ці сигнали і визначаючи місцевий час за спостереженнями моментів кульмінації зірок, можна обчислити точні координати будь-якого пункту земної поверхні. Ці пункти служать опорними точками при складанні карт, прокладання трас газопроводів, автомобільних і залізниць, будівництві великих об'єктів і ряді інших робіт.
Сигнали точного часу, поряд з іншими засобами (радіомаяками, навігаційними супутниками і т. п.) необхідні в авіаційній та морської навігації. Якщо б у своєму повсякденному житті ми користувалися місцевим часом, то в міру пересування на захід чи схід доводилося б безперервно пересувати стрілки годинника. Виникаючі при цьому незручності настільки очевидні, що в даний час практично все населення земної кулі користується поясним часом. Поясний система відліку часу була запропонована в 1884 р. Згідно з цією системою всю земну кулю був розділений по довготі на 24 часових пояси (за кількістю годин у добі), кожен з яких займає приблизно 15 °. По суті справи, рахунок часу по цій системі ведеться тільки на 24 основних меридіанах, віддалених один від одного на 15 ° по довготі. Час на цих меридіанах, які розташовані приблизно посередині кожного часового поясу, відрізняється рівно на одну годину. Місцевий час основного меридіана даного поясу називається поясним часом. По ньому ведеться відлік часу на всій території, що відноситься до цього часового поясу. Поясний час, яке прийнято в конкретному пункті, відрізняється від всесвітнього на число годин, рівних номером його часового поясу:
Т = UT + n,
де UT - всесвітній час, an - номер часового поясу.
Межами часових поясів є лінії, які йдуть від Північного полюса Землі до Південного і відстоять приблизно на 7,5 ° від основних меридіанів. Ці кордони далеко не завжди проходять строго по меридіанах, а проведені по адміністративних границях областей чи інших регіонів так, щоб на всій їх території діяло одне і те ж час. Природно, наприклад, що Москва живе за часом одного (другого) часового поясу. Якщо ж формально дотримуватися прийнятого правилом поділу на часові пояси, то потрібно було б провести кордон пояса так, що місто виявилося б розділеним на дві нерівні частини.
У нашій країні поясний час був введений з 1 липня 1919 р. З тих пір межі часових поясів неодноразово переглядалися і змінювалися. З січня 1992 р., коли в Росії годинники були переведені на одну годину вперед, ми живемо у так званій декретному часу, яке було введено в СРСР ще в 1930 р. Наприкінці березня країна переходить на літній час, стрілки годинника переводяться ще на один годину вперед. Скасовується літній час в кінці вересня, стрілки повертають на одну годину назад. Дні, коли вводиться і скасовується літній час, щорічно встановлюються розпорядженням уряду. Московське декретний час, яке показують годинник не тільки в Москві, але також у Санкт-Петербурзі і центральних областях Росії, відрізняється від всесвітнього часу на 3 години взимку і на 4 години влітку.