Teleskopie XXIV: Sluneční hodiny

1.12.2009 | Ivo Zajonc

V počátečním období vývoje astronomie měly pozorování oblohy především praktický význam. Pro tyto cíle byly určeny i první jednoduché přístroje. Úlohu tohoto druhu plnil i gnómon starověkých národů. Z délky, směru a pohybu stínu, který vrhal sloupek gnómonu osvětlený Sluncem, bylo možné určit celou řadu údajů jako je směr poledníku, sklon zdánlivé roční dráhy Slunce (ekliptiky) k nebeskému rovníku apod. Nejrozšířenější však bylo využití gnómonu jako časoměrného zařízení.

Z polohy jeho stínu se určoval místní čas. Později se pro tyto účely konstruovaly různé druhy slunečních hodin, které byly nejenom přesnější co do funkce, ale často představovaly i cenné umělecké dílo.

I dnes, když máme možnost měřit čas jinými zařízeními s vysokou přesností, jaké sluneční hodiny nemohou nikdy dosáhnout, zažívá tento starobylý časoměr jistou renesanci. Stále častěji je můžeme nalézt na veřejných budovách, v parcích, ale i na rodinných domech. Kromě užitku, který vyplývá z jejich původního určení, přináší jejich konstrukce a sledování změn stínu slunečních hodin mnoha zajímavých poznatků, které doplňují a rozšiřují naše hvězdářské znalosti.

Zdánlivý pohyb Slunce a měření času

V občanském životě je základem měření času pohyb naší Země, který se projevuje zdánlivým pohybem Slunce po obloze. Pokud přitom sledujeme pohyb skutečného Slunce – a to je typické pro naše sluneční hodiny – měříme pravý sluneční čas. Protože však pohyb naší Země vzhledem ke Slunci je nepravidelný (rychlejší v perihéliu a pomalejší v aféliu), i zdánlivý pohyb Slunce po obloze není pravidelný. Pravý sluneční čas proto plyne nerovnoměrně. Z praktických důvodů hvězdáři vytvořili tzv. střední sluneční čas, který udává pravidelně se pohybující tzv. střední Slunce. Vychází vždy na východě v 6 hodin, vrcholí ve 12 hodin a zapadá na západě v 18 hodin. Pohybuje se rovnoměrně.

Čas, který nám určuje střední Slunce na daném místě, označujeme jako střední místní čas. Je stejný pro všechny místa, která se nachází na stejném poledníku. Z praktických důvodů nepoužíváme na každém poledníku jeho místní čas, ale celá Země je rozdělená na 24 časových pásem, ze kterých každé zabírá 15° zeměpisné délky. Sousední pásma se odlišují v čase o 1 hodinu. Pro naši republiku platí tzv. středoevropský čas (SEČ) – je to střední sluneční čas 15. poledníku na východ od Greenwich.

Pro správnou orientaci slunečních hodin, které chceme konstruovat, potřebujeme určit polohu světového pólu. Je to místo na obloze, do kterého míří prodloužená zemská osa. Víme, že tento bod se nachází blízko Polárky. Jeho výška nad obzorem se rovná zeměpisné šířce daného místa φ. Spojnice světového pólu s nadhlavníkem (zenitem) a s jižním bodem na obzoru nám udává polohu astronomického poledníku. V okamžiku, kdy Slunce prochází tímto poledníkem, je 12 hodin pravého slunečního času. Protože projde svoji dráhu (360°) za 24 hodin, rozdělením kruhu na části po 15° získáme hodinový číselník slunečních hodin. Počátečním bodem je nejnižší místo dráhy Slunce pod severním bodem.

Následkem oběhu Země okolo Slunce se jeho poloha v průběhu roku mění. Ve dnech rovnodennosti (21. 3. a 23. 9.) se nachází na nebeském rovníku a opisuje největší zdánlivou kružnici. V tu dobu vychází přesně na východě a zapadá na západě. Výška nebeského rovníku nad jižním bodem obzoru se rovná 90° - φ. Nejmenší kružnici Slunce opisuje ve dnech slunovratu (21. 6. a 21. 12.). V době slunovratu se Slunce nachází 23 a ½° na sever od nebeského rovníku (letní slunovrat) nebo o tu samou hodnotu na jih od rovníku (zimní slunovrat). Zdánlivá dráha mezi hvězdami, kterou Slunce přejde za 1 rok, se nazývá ekliptika.

Konstrukce slunečních hodin

Sluneční hodiny rozdělujeme podle polohy číselníku na tři hlavní typy:

a) rovníkové sluneční hodiny (číselník je rovnoběžný s nebeským rovníkem)

b) vodorovné sluneční hodiny (číselník je vodorovně uložený)

c) svislé sluneční hodiny (číselník je ve svislé rovině)

Popíšeme si blíže konstrukci druhého a třetího typu.

Vodorovné (horizontální) hodiny

Obr. 1

Nakreslíme obrysy číselníku hodin a rozdělíme ho severo-jižní osou na dvě poloviny. Tuto osu prodloužíme severním směrem. Okraj číselníku na severní straně představuje kolmici k této ose, na které naznačíme nejprve bod A – budoucí střed číselníku. Zvolená vzdálenost bodu A od bodu B (tj. od průsečíku podélné osy a okraje číselníku) bude představovat jednotku v našich výpočtech. Potom si vyhledáme zeměpisnou šířku našeho stanoviště (φ) a vypočteme hodnotu sin φ (sinus zeměpisné šířky místa), kterou vyjádříme v délkové míře podle jednotky AB = 1. Tuto vzdálenost naneseme na prodlouženou severo-jižní osu z bodu B severním směrem. Dostaneme tak bod C. Okolo něho konstruujeme postupně přímky, jejichž směr se odlišuje u dvou sousedních vždy o 15°. Celý kruh tak můžeme rozdělit na 24 polí. Příslušné přímky prodloužíme až k okraji číselníku.

Tam, kde se s ním protnou, se nacházejí příslušné body rozdělující číselník horizontálních hodin na 24 dílů. Spojnice číslic označující 6 a 18 h je rovnoběžná s okrajem číselníku. Pro hodiny 1 – 5 a 19 – 24 dostaneme příslušné průsečíky prodloužením protilehlých přímek (pro hodiny 13 – 17 a 7 – 11). Ukazatel trojúhelníkovitého tvaru se nasadí mezi bodem A a bodem B tak, že jeho přepona svírá s číselníkem v bodě A úhel φ a v bodě B je ukazatel kolmý na číselník.

Při správném postavení hodin musí být číselník orientovaný vodorovně (ověříme si libelou). Přesná orientace se nám podaří, pokud základní destičku číselníku upevníme na 3 šrouby, které budou mít úlohu nožiček s proměnlivou délkou. Ukazatel musí být namířený ve směru poledníku. Můžeme přitom postupovat i tak, že si podle mapy určíme zeměpisnou délku místa a z hvězdářské ročenky si přepočítáme, kdy nastává pravé místní poledne. V tu dobu zorientujeme hodiny tak, aby ukazovaly 12 hodin. Potřebné propočty jsou uvedeny v závěru.

Svislé (vertikální) hodiny

Obr. 2

Konstrukce číselníku těchto hodin je stejná jako v předchozím případě, pouze vzdálenost BC = cos φ (zatímco u horizontálních hodin to byl sin φ). Číselník má proto trochu jiné rozdělení. Doporučuje se nejprve vyrobit celý výkres v měřítku 1:1 na papír a potom ho přenést na příslušnou plochu (nejčastěji na stěnu domu, orientovanou ve směru východ-západ).

Ukazatel se musí opět připevnit tak, aby byl přesně v rovině poledníku, s vodorovnou rovinou tvoří úhel φ. Nejlépe je viditelný stín tenčího paličkovitého ukazatele. Je proto výhodné použít k tomuto účelu tužší ocelový drát, který upevníme v bodě A, kde bude se svislou stěnou svírat úhel 90 – φ.

Přesnější určení časových údajů ze slunečních hodin

Naše sluneční hodiny nám ukazují pravý místní sluneční čas. Abychom mohli z pravého místního slunečního času tp určovat středoevropský pásmový čas t, který u nás platí, musíme uskutečnit dvě korekce. Především musíme pravý místní sluneční čas tp převést na střední místní sluneční čas ts a ten potom na pásmový čas t. Na první korekci využijeme časovou rovnici E = tp – ts, jejichž hodnoty můžeme přímo odečíst na jejím grafickém znázornění (obr. 3). Platí:

ts = tp – E

Obr. 3

Pro převod středního slunečního času na pásmový čas SEČ použije vztah:

tSEČ = ts + λ + 1 h,

ve kterém λ je zeměpisná délka místa, na kterém jsou postaveny sluneční hodiny. Vyjadřujeme ji v hodinách se záporným znaménkem (pásmo SEČ je na východ od Greenwiche).

Abychom tedy mohli porovnat občanský čas s časem na slunečních hodinách, musíme od času slunečních hodin odpočítat hodnotu časové rovnice (s ohledem na její znaménko) pro daný den a připočítat zeměpisnou délku stanoviště slunečních hodin (pro pásmo SEČ se záporným znaménkem) a ještě 1 h. V období platnosti letního času přidáme ještě 1 h. Platí tedy:

tSEČ = tp – E – λ + 1 h
tLSEČ = tp – E – λ + 2 h

Časovou korekci na zeměpisnou délku můžeme zabudovat přímo do slunečních hodin. Stačí, abychom celý jejich číselník pootočili o potřebný počet minut, který je roven λ + 1 h ve směru klesajícího času. Sluneční hodiny budou pak ukazovat pravý čas, jaký je na pásmovém poledníku SEČ, tj. na 15° východní zeměpisné délky.

Sluneční hodiny je možné uspořádat i v mnohých dalších úpravách podle polohy plochy, na které mají být umístěny, podle použitého materiálu, jakož i podle dalších hledisek. Podrobnější informace obdržíte v uvedené literatuře i v mnohých dalších pracích.

Literatura:

KULIN, G. A távcsö világa. Budapest: Gondolat Kiadó, 1975.
LINDNER, K. Astronomie selbst erlebt. Leipzig: Urania verlag, 1973.
PŘÍHODA, P. Sluneční hodiny. Praha: Hvězdárna hl. m. Prahy, 1969.

Původní článek byl publikován v Astronomické ročenke (SK).

Články ze seriálu TELESKOPIE byly v minulých letech postupně uveřejňovány v Astronomické ročenke vydávané Slovenskou ústrednou hvezdárňou v Hurbanove. Děkujeme vedení tohoto ústavu za souhlas se zveřejněním těchto příspěvků na webu Jihlavské astronomické společnosti. Seriál je třeba chápat především v historických souvislostech. Mnohé informace jsou dnes již neaktuální.


Webové stránky vytvořil DUOWEB.cz