Календарное устройство отображения на аналемме отклонения положения центра истинного солнца относительно среднего солнца, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния (варианты)

Область техники

Полезная модель относится к приборам времени с календарными устройствами, позволяющими не только показывать календарные даты и периоды (дни, месяцы, сезоны, полугодия), но и наглядно демонстрировать уравнение времени по разности во времени между истинным и средним солнечным полднем и склонение Солнца на протяжении года, а также визуально отображать отклонения положения истинного Солнца относительно среднего Солнца на аналемме, определять даты весеннего и осеннего равноденствия и даты летнего и зимнего солнцестояния. Уровень техники

Уровень техники

Широко известны механические часы со стрелочной индикацией времени, однако показываемое обычными часами среднее время не совпадает с истинным солнечным временем.

Определение истинного, согласованного с движением Солнца, солнечного времени необходимо как при судовождении для поправки компаса, так и для некоторых геофизических работ, поэтому для определения истинного солнечного времени на практике используют специальные астрономические таблицы поправок к показываемыми обычными часами среднему времени.

Разность между средним и истинным солнечным временем как разность восхождений истинного и среднего Солнца (или разность во времени между истинным и средним солнечным полднем) обычно называют уравнение времени [здесь и далее 1-5].

Уравнение времени отражает неравномерность течения истинного солнечного время, измеряемое часовым углом истинного Солнца вследствие, во-первых, неравномерности движения Земли по орбите и, во-вторых, наклоном эклиптики к экватору.

Уравнение времени представляют также как результат сложения двух волн приблизительно синусоидальной формы и почти равной амплитуды. Одна из этих волн имеет годичный, другая - полугодичный периоды.

Четыре раза в году, а именно: около 16 апреля, 14 июня, 1 сентября и 25 декабря уравнение времени равно нулю и достигает 4 раза наибольшего значения (по абсолютной величине): около 12 февраля + 14,3 мин, 15 мая -3,8 мин, 27 июля + 6,4 мин и 4 ноября - 16,4 мин.

С помощью уравнения времени может быть найдено среднее местное солнечное время, если известно истинное солнечное время, определенное по наблюдениям Солнца, например с помощью солнечных часов.

Изображенную графически 8-образную кривую уравнения времени с отметками истинного времени на момент полудня по среднему времени или среднего времени на момент полудня по истинному времени обычно называют аналемма (греч. - «основа, фундамент»), отражающая траекторию движения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца.

По форме аналемма напоминает несимметричную восьмерку, представляющую собой описываемую в течение года траекторию центра Солнца, если его положение фиксировать в одно и тоже время суток, т.е. в одинаковые моменты среднего солнечного времени.

Наличие аналеммы определяется наклоном земной оси и эллиптической формой орбиты, что обуславливает различную высоту

солнца на небе в течение года в одно и то же время, а также различную минимальную высоту, на которой находится солнце в небе в одно и то же время дня.

Наклон Земли влияет на отклонение Солнца (склонения Солнца) вправо или влево в одно и то же время дня.

Во время летнего и зимнего солнцестояния (21 июня и 21 декабря), полуденное солнце находится точно над Северным и Южным тропиками, где линии долготы ближе друг к другу, чем на экваторе.

Во время летнего и осеннего равноденствий (21 марта и 21 сентября) солнце в полдень будет точно над экватором, где линии долготы находятся дальше друг от друга.

Местное время связано с долготой.

Дважды в год скорость движения солнца увеличивается в направлении слева направо или с востока на запад. Происходит это весной и осенью. В течение зимы и лета скорость, наоборот, уменьшается.

Наклон Земли вызывает также изменение скорости движения солнца в течение года как с востока на запад, так и с севера на юг.

Вместе эти факторы приводят к тому, что аналемма имеет форму несимметричной цифры «восемь», в концах которой находятся солнцестояния находятся, а в точке пересечения равноденствия.

Эллиптическая форма орбиты приводит к тому, что Земля движется быстрее в то время, когда она находится близко к солнцу (в начале октября и марта).

Когда Земля в начале января достигает перигелия (ближе всего подходит к Солнцу), то она движется с максимальной скоростью.

В начале марта и октября, достигая афелия (максимально удаляясь от солнца) и в начале июля. Земля движется медленнее всего.

Из-за наклона Земли расположение Солнца кажется смещенным влево или вправо, относительно местного времени. Эти процессы приводят к тому, что в течение года в одно и то же время Солнце движется слева-направо

в определенный период с максимальной или минимальной скоростью

Земля достигает точки перигелия между 2-м и 5-м января, спустя почти две недели после зимнего солнцестояния (21 декабря).

Аналогично, Земля приходит в афелий между 3-м и 7-м июля, спустя две недели после летнего солнцестояния (21 июня).

Максимальная и минимальная скорость движения по эллиптической орбите не меняют основной формы аналеммы, но вносят в фигуру асимметричность, то есть зимняя петля несколько больше летней, в результате чего обозначающие равноденствия точки немного удалены от пересечения аналеммы.

Таким образом, посредством аналеммы можно объяснить, почему самый короткий день не совпадает с самым ранним рассветом и поздним закатом и приходится на разные дни календаря.

Значения уравнения времени на каждый день даются в астрономических ежегодниках и календарях, однако их использование не позволяет визуально отображать положения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния, поэтому разрабатывают различные устройства для визуального отображения истинного солнечного времени и определения времени по Солнцу.

Известны часы для показания истинного солнечного времени [6] в которых в часовом механизме применен дифференциал, сопряженный с шайбой, имеющей соответствующий криволинейный контур, в результате чего стрелки часов механически получают ускоренный или замедленный ход в соответствии с поправками времени в зависимости от времени года.

Известны горизонтальные солнечные часы [7], которые содержат циферблат, гномон с прямолинейной гранью, причем величина угла наклона грани к циферблату в рабочем положении гномона равна значению географической широты места измерения времени, объемное основание с

полостью для гномона, находящегося в рабочем положении и стороной основания размещения циферблата, выводе в этой стороне основания и циферблате для гномона, средство шарнирного соединения гномона с основания, при этом гномон выполнен в виде квадранта, средство шарнирного соединения гномона с основанием включает ось вращений квадранта, часы снабжены фиксатором углового положения гномона.

Известен хронометр для [8], который для указания времени восхода и захода Солнца и положения Солнца содержит часовую стрелку, которая совершает один оборот за 24 ч, пластину указания времени восхода, содержащую указатель времени восхода, имеющий шкалу для указания времени восхода, пластину указания времени захода, содержащую указатель времени захода, имеющий шкалу для указания времени захода. При этом одна из указанных пластин, либо пластина указания времени восхода Солнца, либо пластина указания времени захода Солнца выполнена с возможностью вращения, а другая пластина выполнена с возможностью вращения в противоположном направлении к указанной первой пластине при сохранении сцепленного состояния с указанной первой пластиной. При этом хронометр может содержать минутную стрелку, которая совершает один оборот за час, а часовая стрелка может иметь дизайн, символизирующий Солнце.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании техническом результату (прототипом) является солнечный календарь [9 (прототип)], состоящий из двух установленных рядом друг с другом на полуденной линии вертикальных стержней, один из которых выполняет роль гномона, а другой - экрана, на циферблате которого приведены календарные даты - дни, месяцы, сезоны, полугодия, отличающийся тем, что циферблат экрана представляет собой номограмму, выполненную по ежедневным отметкам в течение года по тени верхней части гномона и состоящую из трех основных частей - центральной продольной линии с отметками истинных солнечных полдней, сетки,

образованной из календарных (горизонтальных) и минутных (дополнительных продольных) линий, и 8-образной кривой уравнения времени с отметками истинного времени на момент полдня по среднему времени или среднего времени на момент полдня по истинному времени, при этом календарные даты, цифровые пояснения данных номограммы, а также шкала склонений солнца приведены по боковому краю циферблата. В данном устройстве для определения времени по Солнцу, циферблат экрана календаря усовершенствован в номограмму, позволяющую определять не только календарные даты (дни, месяцы, сезоны, полугодия, даты солнцестояний и равноденствий), но и наглядно демонстрирует уравнение времени по разности во времени между истинным и средним солнечным полднем и склонение Солнца на протяжении года.

Техническими недостатками данного устройства-прототипа является ограниченные функциональные возможности (ввиду обязательного присутствия Солнца) и сложность определения по ним среднего времени.

Общими техническими недостатками известных часов среднего времени является невозможность определения по ним истинного солнечного времени и склонения Солнца.

Задачи и технический результат

Задачей настоящего полезной модели является разработка и практическое применение приборов времени, в частности часов, с календарными устройствами, позволяющими визуально отображать отклонения положения истинного Солнца относительно среднего Солнца на ежегодной траектории движения Солнца, весеннее и осеннее равноденствие, а также летнее и зимнее солнцестояние, определять календарную дату и применять устройства, как демонстрационной модели при обучении.

Целью полезной модели и получаемым при использовании техническим результатом является повышение функциональных возможностей обычных часов среднего времени путем обеспечения

возможности не только показывать календарные даты (дни, месяцы, сезоны, полугодия, но и наглядно демонстрировать уравнение времени по разности во времени между истинным и средним солнечным полднем и склонение Солнца на протяжении года, но и визуально отображать отклонения положения истинного Солнца относительно среднего Солнца на аналемме, определять весеннее и осеннее равноденствие, а также летнее и зимнее солнцестояние, определять календарную дату и применять устройства, как демонстрационной модели при обучении.

Раскрытие полезной модели

Поставленная цель и получаемый при использовании технический результат достигается тем, что по способу визуально воспринимаемого отображения на аналемме отклонения положения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния, согласно полезной моделивизуально воспринимаемое отображение на аналемме положения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния осуществляют на основании данных уравнения времени и суточного изменения склонения Солнца посредством механического средства, включающего шаблоны данных уравнения времени и суточного изменения склонения Солнца и сопряженного с указанными шаблонами средство индикации, выполненного с возможностью перемещения визуально воспринимаемого индикатора Солнца по аналемме, при этом используют механическое средство, сопряженное с часовым механизмом и выполненное с возможностью поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме, выполненной на циферблате часового механизма и снабженной обозначениями календарных периодов и дат, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния.

При этом используют механическое средство, сопряженное с часовым механизмом и выполненное с возможностью регулярного или ежесуточного поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего регулярного перемещения индикатора Солнца по аналемме.

При этом используют механическое средство, сопряженное с часовым механизмом и выполненное с возможностью поворота шаблона данных уравнения времени и кратного по скорости поворота шаблона склонения и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме.

Поставленная цель и получаемый при использовании технический результат достигается также тем, что календарное устройство визуально воспринимаемого отображения на аналемме положения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния, согласно полезной модели содержит шаблон данных уравнения времени, шаблон данных суточного изменения склонения Солнца и сопряженное с указанными шаблонами средство индикации, выполненное с возможностью обеспечения перемещения визуально воспринимаемого индикатора Солнца по аналемме.

При этом календарное устройство выполнено сопряженным с часовым механизмом с возможностью регулярного или ежесуточного поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме.

При этом календарное устройство выполнено сопряженным с часовым механизмом с возможностью поворота шаблона данных уравнения времени и кратного поворота шаблона склонения с соответствующим перемещенияем индикатора Солнца по аналемме.

Кроме этого календарное устройство содержит сопрягаемое с часовым механизмом передаточное колесо с зубчатым зацеплением звездочек или колес шаблона данных уравнения времени и шаблона склонения с возможностью поворота шаблонов данных уравнения времени

и склонения и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме или шаблоны данных уравнения времени и склонения содержат забчатые колеса с возможностью их взаимного зацепления и поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме.

Аналемма выполнена на циферблате часового механизма в виде прорези в циферблате часового механизма и снабжена обозначениями календарных периодов и дат, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния.

Аналемма может быть выполнена как линия печатным способом, а циферблат выполнен прозрачным.

При этом средство индикации содержит размещенные на платине направляющую оси склонения и направляющую оси уравнения времени, сопрягаемый с шаблоном данных склонения Солнца щуп-палец оси склонения, сопрягаемый с шаблоном данных уравнения времени щуп-палец оси уравнения времени и головку с индикатором Солнца.

Календарное устройство может быть выполнено с возможностью размещения в часах или устройствах индикации времени с возможностью реализации описанного выше способа по изобретению. ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Описание чертежей

На фиг.1 изображен шаблон ежедневных данных уравнения времени.

На фиг.2 - шаблон ежедневных данных склонения Солнца.

На фиг.3 и 4 показаны особенности конструкции механического средства, сопряженного с часовым механизмом и выполненного с возможностью поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения Солнца и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме, выполненной на циферблате часового механизма и снабженной обозначениями календарных периодов и дат, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния. При этом на фиг.3

изображен механизм с положением индикатора Солнца на 1 июля, а на фиг.4 - на 1 января.

На фиг.5 показаны особенности конструктивного исполнения индикатора Солнца в механическом средстве.

На фиг.6 изображен циферблат часов с устройством по изобретению, в котором выполнена прорезь в форме аналеммы с перемещающимся в ней индикатором Солнца.

Раскрытие полезной модели

Устройство по полезной модели включает в себя (фиг.1-5):

шаблон склонения Солнца 1, шаблон уравнения времени 2, колесо склонения 3, Колесо уравнения времени 4, передаточное колесо 5, Ось Х - ось 6 склонения Солнца, Ось Y - ось 7 уравнения времени, платину 8, направляющую 9 оси X, направляющая 10 оси Y, головку 11, щупалец 12 оси склонения Солнца, щуп-палец 13 оси уравнения времени, пружину 14 щупа-пальца 12, пружину 15 щупа-пальца 13, планку 16 направляющих 10, планку 17 направляющих 9, траекторию 18 движения индикатора Солнца в форме аналеммы, циферблат часов 19, стрелки часов 20, вырез 21 в форме аналеммы в циферблате часов 19.

Варианты конструктивного исполнения устройства механизма показаны на фигурах 3, 4, 5.

В показанных вариантах конструктивного исполнения устройства по полезной моделиза горизонтальную ось Х в системе координат механизма принята ось уравнения времени 6, а за вертикальную ось Y принята ось склонения 7.

Визуальное полуденное положение Солнца показывает головка 11. Перемещения головки 11 производятся вдоль направляющих 9 и 10.

Направляющие расположены в пазах платины 8. Вертикальное перемещение головки задается шаблоном данных склонения Солнца 1, горизонтальное - шаблоном уравнения времени 2.

Управление перемещениями осуществляется с помощью щупов-пальцев 12 и 13. Щупы-пальцы 12 и 13 считывают показания с шаблонов. При изменении, в результате поворота, текущего радиуса кулачка, щуп-палец перемещается вдоль направляющих. Поджатие щупов к кулачкам обеспечивают пружины 14 и 15. Щупы-пальцы связаны с направляющим посредством планок 16 и 17. Головка устанавливается на пересечении планок 16 и 17 (см. фиг.3). Вращение кулачков обеспечивается передачей от передаточного зубчатого колеса 5 к зубчатым колесам 3 и 4, сопряженным с кулачками 1 и 2 соответственно. Шаблоны 1 и 2 совершают синхронное вращение с одинаковой угловой скоростью. Скорость (цикличность) вращения шаблонов -1 оборот в год. Перемещение головки по двум направлениям происходит непрерывно. В результате головка за год описывает траекторию 18.

Индикатор Солнца в виде головки, которая может быть выполнена различной формы с двумя сделанными крест накрест пазами (фиг.5), в которые вставлены планки 16, 17 по которым скользит головка.

В циферблате часов 19 с устройством по полезной модели(фиг.6) выполняют прорезь 21 в форме аналеммы с перемещающимся в ней индикатором Солнца 11, при этом по краям прорези 21 в форме аналеммы указывают диапазоны месяцев года, календарных дат, даты летнего солнцестояния (ЛС), зимнего солнцестояния (ЗС), осеннего равноденствия (ОР) и зимнего равноденствия (ЗР).

Материалы используемые в конструкции механизма по полезной модели стандартные для часового производства - латунь, сталь, пластик и т.д.

Заявляемое календарное устройство предназначено для визуального отображения движения траектории Солнца. Возможно также его применение в качестве календаря, а также удобно для визуального отображения весеннего и осеннего равноденствия, а также летнего и зимнего солнцестояния.

Для изготовлении шаблонов устройства по полезной модели каждый день календарного года был последовательно пронумерован и по каждому дню из известных астрономических справочников были определены данные склонения Солнца и уравнения времени. Результаты приведены ниже.

Перечисленные ежедневные данные используют для проектирования профиля шаблона склонения Солнца и шаблона уравнения времени по следующему алгоритму:

Конструктивно выбирают наибольший и наименьший радиусы шаблонов. Исходя из наибольшего и наименьшего рабочих радиусов шаблонов, строят граничные окружности (фиг.1, 2).

Делением амплитуды заданной функции (склонения или времени) на разность радиусов граничных окружностей определяют масштаб перемещения щупа.

Окружность наибольшего радиуса шаблона делят на части кратно количеству дней в году.

На радиусах делений от окружности наименьшего радиуса шаблона (кулачка) откладывают расстояния в заданном масштабе соответствующие значениям функции шаблона (кулачка). Затем найденные точки соединяют сплайном, который и образует профиль шаблона (фиг.1, 2).

Изготавливают отдельные элементы календарного устройства по полезной модели общеизвестными методами из обычно используемых в часовой промышленности материалов с использованием обычного известного оборудования.

Таким образом, обеспечивается повышение функциональных возможностей обычных часов среднего времени при одновременном обеспечении не только показывать календарные даты (дни, месяцы, сезоны, полугодия, но и наглядно демонстрировать уравнение времени по разности во времени между истинным и средним солнечным полднем и склонение Солнца на протяжении года, но и визуально отображать отклонения положения истинного Солнца относительно среднего Солнца на аналемме, определять весеннее и осеннее равноденствие, а также летнее и зимнее солнцестояние.

Источники информации

1. Климишин И.А. Календарь и хронология. - 2-е изд., переработ. И доп.- М., Наука. Главная редакция физико-математической литературы., 1985, 320 с.

2. Э.В.Кононович, В.И.Мороз. Общий курс астрономии: Учебное пособие/ под редакцией В.В.Иванова. Изд. 2-е исправленное. М.: Едиториал УРСС, 2004. - 544 с. (Классический университетский учебник)

3. П.Г.Куликовский, Справочник любителя астрономии, Издание 5-е, переработанное и полностью обновленное., М.: Едиториал УРСС, 2002. - 688 с.

4. Большая Советская Энциклопедия. Статья уравнение времени.

5. Институт теоретической астрономии Академии Наук СССР, Морской астрономический ежегодник на 1990 г., Шестьдесят первый год издания, Издание Главного управления навигации и океанографии Министерства обороны, 1989 г. 320 с.

6. А.С. СССР 21036, дата публикации 1931.05.31, G04B49/02.

7. 20063646 RU, G04B 49/02, дата публикации 1996.07.10.

8. 2225632 RU, G04B 19/26, дата публикации 2003.10.10.

9. 2127894 RU G04B 49/02, дата публикации 1999.03.20 (прототип).

1. Календарное устройство визуально воспринимаемого отображения на аналемме положения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния, отличающееся тем, что календарное устройство содержит шаблон данных уравнения времени, шаблон данных суточного изменения склонения Солнца и сопряженное с указанными шаблонами средство индикации, выполненное с возможностью обеспечения перемещения визуально воспринимаемого индикатора Солнца по аналемме, причем календарное устройство выполнено сопряженным с часовым механизмом с возможностью регулярного поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме.

2. Календарное устройство по п.1, отличающееся тем, что календарное устройство выполнено сопряженным с часовым механизмом с возможностью ежесуточного поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего ежесуточного перемещения индикатора Солнца по аналемме.

3. Календарное устройство по п.1, отличающееся тем, что календарное устройство выполнено сопряженным с часовым механизмом с возможностью поворота шаблона данных уравнения времени и кратного поворота шаблона склонения с соответствующим перемещенияем индикатора Солнца по аналемме.

4. Календарное устройство по п.1, отличающееся тем, что календарное устройство содержит сопрягаемое с часовым механизмом передаточное колесо с зубчатым зацеплением звездочек или колес шаблона данных уравнения времени и шаблона склонения с возможностью поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме.

5. Календарное устройство по п.1, отличающееся тем, что шаблоны данных уравнения времени и склонения содержат зубчатые колеса с возможностью их взаимного зацепления и поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме.

6. Календарное устройство по п.1, отличающееся тем, что аналемма выполнена на циферблате часового механизма и снабжена обозначениями календарных периодов и дат, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния.

7. Календарное устройство по п.1, отличающееся тем, что аналемма выполнена в виде прорези в циферблате часового механизма.

8. Календарное устройство по п.1, отличающееся тем, что аналемма выполнена как линия печатным способом, а циферблат выполнен прозрачным.

9. Календарное устройство по п.1, отличающееся тем, что средство индикации содержит размещенные на платине направляющую оси склонения и направляющую оси уравнения времени, сопрягаемый с шаблоном данных склонения Солнца щуп-палец оси склонения, сопрягаемый с шаблоном данных уравнения времени щуп-палец оси уравнения времени и головку с индикатором Солнца.

10. Календарное устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью размещения в часах или устройствах индикации времени.

11. Календарное устройство визуально воспринимаемого отображения на аналемме положения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния, отличающееся тем, что календарное устройство содержит шаблон данных уравнения времени, шаблон данных склонения Солнца и сопряженное с указанными шаблонами средство индикации, выполненное с возможностью обеспечения перемещения визуально воспринимаемого индикатора Солнца по аналемме, при этом календарное устройство выполнено сопряженным с часовым механизмом с возможностью регулярного поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме, снабженной обозначениями календарных периодов и дат, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния, причем сопряжение календарного устройсва с часовым механизмом выполнено с зубчатым зацеплением звездочек или зубчатых колес шаблона данных уравнения времени и шаблона склонения с возможностью поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего перемещения индикатора Солнца по аналемме, а средство индикации содержит размещенные на платине направляющую оси склонения и направляющую оси уравнения времени, сопрягаемый с шаблоном данных склонения Солнца щуп-палец оси склонения, сопрягаемый с шаблоном данных уравнения времени щуп-палец оси уравнения времени и головку с индикатором Солнца.

12. Календарное устройство по п.11, отличающееся тем, что календарное устройство выполнено сопряженным с часовым механизмом с возможностью ежесуточного поворота шаблонов данных уравнения времени и склонения и соответствующего ежесуточного перемещения индикатора Солнца по аналемме.