日晷

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位于上海市世纪大道的东方之光

日晷是一種由太陽位置告知當天時間的裝置。在設計上,有一個晷針投射出陰影在晷面上,經由晷面上的標線指示出時間。在西方最常見的是水平日晷,在中國則是赤道日晷。晷針提示時間的方式通常是以細桿、明銳邊緣的投影,當太陽移動著劃過天際,陰影邊緣會與不同的時間線對齊。所有形式的日晷都必須對正方位,其晷針都必須平行於地球的自轉軸,才能在整年都提供正確的時間。因此晷針與水平面的夾角必須等於所在地的地理緯度,而一般常見廉價的裝飾日晷是大批量產的,所以晷針的角度與時角是不正確的,也就不能提供正確的時間[1][2]

簡介[编辑]

在英格蘭薩福克郡奧德堡,在議論大廳面向南南西的垂直日晷。

日晷有許多不同的樣式。有些使用陰影或陰影的邊緣,而有些利用線或光點來顯示時間。

產生陰影的物體稱為晷針,可以是一根細長的桿子,或是其它有明銳或直線邊緣的物體。日晷有許多類型的晷針,晷針可以是固定不動的,也可以隨著季節移動,晷針的方向可能是水平或垂直於地面,或平行於地球自轉軸的指向,或透過數學的計算,朝向任何的方向[來源請求]

當日晷使用光來指示時間,會讓陽光透過窄窄的狹縫或柱面透鏡聚焦,形成平行的光。陽光經過一個小孔或一個小圓鏡的反射可以形成光點,也能用來指示時間[來源請求]

日晷可以有各種不同的表面來承接光點或陰影。平面是最常用的表面,但是也有球面圓筒錐狀和其他的形狀,以提高準確性或只是為了美觀[來源請求]

日晷在它們的可攜性和指向上也有所不同。許多刻度盤需要知道所在地的緯度、精準的垂直方向(使用水平儀或垂直氣泡),並且要指向真北。可攜式的盤面是可以調整:例如,它可能有兩種以不同規則遭做的盤面,像是水平和投影日晷的盤面,一起裝在同一個盤子上。在這樣的設計下,只有正確放職時才會顯示一致的時間[來源請求]

日晷顯示的是地方太陽時,有些在設計上作了變更,可以顯示平太陽時或是日光節約時間。例如,要符合官方時鐘的時間,可能需要進行三種類型的修正。

首先,地球的軌道不是理想的圓,自轉的軸也沒有垂直於晷道平面,因此日晷顯示的太陽時與鐘錶時在一年中的每一天都會有些許不同的差異。這種差別稱為均時差,其的最大值可以達到15分鐘。一個複雜的日晷,可以彎曲它的晷針或時間線來內入這樣的修正。但是日晷通常都是很簡單的,使用小說明板板或均時差表給出一年中不同日期的修正量。

其次,太陽時必須修正日晷所在地的經度相對於官方時間所在時區經度上的差別。例如,在英國格林尼治西方的日晷,使用同一個時區的時間,顯示的時間會比官方的時間早。它會在官方時間的中午過後,才會因為太陽稍晚些通過子午線而顯示正午的時間。這種修正往往可以經由旋轉經度上相差的角度來加以修正

最後,如果還要調整日光節約時間,日晷需要將太陽時調整一個定量的時間,通常是一小時。這種調整通常是使用說明版,或是標示兩組時間來做修正[來源請求]

太陽的視運動[编辑]

一個赤道日晷的頂視圖。Top 小時現在圓上是等分的。同樣的,晷針(細圓柱棒)的影子也是均勻的移動;晷針的長度是圓盤外圈半徑的5/12。此動畫模擬的是在夏至日的上午3點至下午9點(不修正日光節約時間),當時太陽的位置在赤緯的最大值(大約23.5°)。當天,在北緯57.05° ,大致是亞伯丁阿拉斯加的地理緯度,日出和日落時間大約是上午3點和下午9點。

從太陽的視運動最容易理解日晷的原理。地球在它的軸上自轉,並以橢圓軌道繞著太陽公轉。一個良好的近似,假設太陽是在天球上穩定的圍繞著地球的天體,每24小時繞著天球的軸轉一圈。天球的軸是連接兩個天極之間的直線。 由於天球的軸和地球的自轉軸是對齊的,所以當地的水平面與軸的夾角就是地理緯度

不同於恆星的是,太陽會改變它在天球上的位置。在春天和夏天,它的赤緯度數是正值(在北天球),秋天和冬天,赤緯值是負的,並且有赤緯數值是零的(即位於赤道時的春分和秋分)。太陽的黃經也會改變,每年在天球上環繞一圈。太陽在天球上經過的路徑稱為黃道,黃道在天球上經過的星座被等分為12個區域,稱為黃道12宮,太陽每年依序經過這12個區域。

新加坡植物園的日晷。事實上,這個日晷的設計反映出新加坡幾乎位於赤道上。

這種形式的日晷有助於理解太陽的運動。如果投射因的晷針對準了天極,它的影子會以穩定的速度移動,並且這種旋轉會隨著季節改變。這是最常見的設計,在這種情況下,全年都可以使用相同的時間線。如果接收陰影的表面垂直與晷針(如赤道日晷)或環繞著晷針(如環形日晷),小時線會是等距劃分。

在其它情況下,即使陰影是均勻的移動,時間線的分配會是不均勻的。如果晷針沒有對正天極,或是他的陰影是不均勻的移動,轉動和時間線必須作相對應的修正。光線若是掠過晷針上的一個小孔,或從鏡子反射,就必須依據天極來追蹤影錐。相對應的光點或指標如果落在一個平坦的平面上,將描繪出如同雙曲線橢圓(在北極或南極點)的圓錐曲線

圓錐曲線是光的影錐與平面相交的截點組成的線。影錐和圓錐曲線會隨著季節變化而改變,也就是隨著太陽的赤緯變化而改變;因此,跟隨著光點位置的反社會陰影的位置提示的日晷,其小時線會有週年性的不同變化。這些都會在牧羊人日晷盤、戒指日晷和方尖石的垂直日晷盤面上呈現出來。或者,日晷可以改變晷針相對於時間線的位置或角度,例如投影日晷蘭伯特日晷的晷針。

歷史[编辑]

世界上最早的日晷來自埃及的帝王谷(大約西元前1,500年)。

在古老的埃及就有日晷的存在,且其他文化古國,包括中國、希臘羅馬都存在使用日晷的史料。

從考古紀錄上所知,最古老的日晷是古埃及天文學的方尖碑(西元前3,500年)和巴比倫天文學影鐘(西元前1,500年)。據推測,人類在更早的日期就已經知道陰影的長度可以量度時間,但很難得到驗證。大約在西元前700年,舊約描述了一個日晷 -在大先知書以賽亞書38:8歷史書列王紀20:9提到亞哈謝的日晷。羅馬作家Marcus Vitruvius Pollio(西元前25年)列出了當時所知的日晷和影鐘。義大利天文學家Giovanni Padovani在1570年發表一篇日晷的論文,其中包括製造和勾勒出鋪設壁畫(垂直)和水平日晷的說明。Giuseppe Biancani'sConstructio instrumenti ad horologia solaria(ca. 1620年)就在探討如何製作一個完美的日晷[來源請求]。 從16世紀以後,它們被廣泛的使用。

中國早在古代就將一根標準高度為八尺的竿子垂直豎立在水平的地面上,在一天裏從早到晚觀察竿子投影的變化,就可以用來計量白天的時間。東漢許慎《說文解字》雲:“晷,日景也。”此處“日景”即“日影”。

日晷的標準設施[编辑]

以適當角度傾斜安置的指針或稱為晷針是在大量生產的庭園日晷上唯一需要經驗才能安裝,用顯示時間的設備,因此有些大量製造的日晷並不能正確的顯示時間。 有許多日晷在北緯45度或更高的緯度上使用。

日晷只要適當的調整晷針的傾斜角度,與地球的自轉軸平行,就能在不同的緯度上使用。也就是說晷針的末端在北半球必須指向天球的北極點,在南半球則要指向天球的南極點。

Taganrog的地平日晷 (1833年).

如果要顯示標準時間,日晷的設計就需要能轉動來調整經度造成的時間偏差,由於每15度是一個時區,所以轉動的最大範圍是向東或西7.5度,但是晷針仍然必須對準天球的北(南)極點。不過即使日晷就放置在時區的中心經度線上,還是要作均時差的校正。

要修正日光節約時間,晷面上就需要有兩組的數字或是使用修正表,而且還是要作時區內的經度偏差修正。 而對有兩組數字的日晷,還有個非正式的規範,就是夏天的數字要用暖色表示,冬天的數字則用冷色來表示。晷面被扭曲的日晷是不能正確的顯示時間的,因為除了南北極點之外,在晷面上的時間標示角度不是等距的。

通常日晷顯示的真太阳時與鐘錶顯示的時間會有差異,這就是所謂的均時差,在一年之中最大的差值可以達到15分鐘。均時差的成因是地球的軌道是橢圓形的,還有自轉軸與軌道面之間的傾斜。 所以一個好的日晷必須附上一張永久性對照表,最少要以月為單位來修正均時差。比較複雜的做法則是將時間的標示作成曲線,或是將晷針作成弧度,或是其他的方法將均時差直接修正。

歷史古跡[编辑]

  • 1985年10月10日-考古學家們在美國伊利諾州西南部的一條河谷中修復了一座巨大的古代印第安人日晷。這個直徑136米的圓圈是由40棵6米高的杉樹幹圍成的,據考證,西元900-1100年間居住在這一帶的克赫克雅印第安人就是用它來分辨四季,確定日期的。

專門名詞[编辑]

日晷上產生陰影的裝置稱為晷針

晷針在太陽下的陰影落在的平面稱為晷面,有時也簡稱為

大部分的日晷由晷針投在晷面的陰影只是一條線,稱為晷影

在庭園日晷,晷影是晷針上緣的影子。 晷針必須平行於地球的自轉軸。

有些日晷藉由晷針上特殊點的影子,不僅指示時間,還能顯示日期。這個點稱為節點。在垂直式和水平式的日晷,節點通常是晷針的端點,但也有隨意選定的。 [1].

有些日晷有晷針也有節點,特別是極地儀,節點可以是一個小球,也可以是晷針上的缺口或凹槽,或只是晷針的尖端。

作為晷面的材料,一般最好選擇淺色的,以增加晷影與晷面的對比。晷面上的數字則要選深色的材料,在陽光下才容易辨識。. 晷針必須堅固,最好是金屬的材質,因為晷針通常是纖細,是整個日晷中最容易被損壞的。 傳統上被視為豪華的日晷是由乳白色的大理石製作晷面,晷針則視作過防腐蝕處理的古銅色金屬。

在日晷刻上座右銘也是一種傳統。

日晷的種類[编辑]

赤道式日晷[编辑]

EquatorealSundialFig.png

最簡單的日晷只是在圓盤的中心穿過一根平行於地球自轉軸的棒子,而圓環的平面與地球的赤道面平行。 盤的兩面都被標示上時間,以便能利用棒的投影來指示時間。通常正午位在環的最低處,早上6點標示在環的西側,黃昏的6點在環的東側。在冬季,盤的北側照不到陽光,必須使用盤的南側;在夏季,陽光照射在盤的北側,南側的盤面就不能使用了。

在這種設計中,棒子就是晷針晷面就是圓盤的兩個平面。在夏季,晷針的北端可以作為節點,但到了冬季,節點就要換成南側的端點了。

在北京紫禁城內的赤道式日晷。

在晷面上可以刻上一系列的同心圓讓節點可以指示出日期,這樣的日晷不僅可以當成鐘錶,還可以當成日曆來使用,晷影顯示時間,節點顯示日期。這種具有固定盤面的赤道式日晷有一點不方便的地方,就是當太陽在天球赤道時,也就是在分點的前後,很難讀取到盤面上的資料。

水平式日晷[编辑]

水平式日晷

古典的庭園日晷只有簡單的使用規則,除了晷面上的線需要使用三角學來繪製,晷面只需要與地面平行。這種日晷的優點是終年都可以顯示時間,但如果是垂直的牆面日晷,就不能顯示整個白天的時間。 在許多地區,日晷會被放置在廣場上,或高高的掛在牆上,霜白色的玻璃晷面,從地面上可以清楚的看見。 晷針的上緣平行於地球的自轉軸,投影將橫越在晷面上的時間標線。 每個標示的邊緣與產生晷影的晷針緊密結合,晷面與屋頂和晷針的角度都要經過計算來設置:

  • 晷面角度 = ATN(SIN(地理緯度) X TAN(時角))
  • 晷針角度 = 地理緯度

垂直式日晷[编辑]

兩座垂直式日晷

雖然現在已經很難看見,但面向南方的牆面日晷(在南半球的則是要面向北方),在古代是很方便的公共設施。不需要太多的花費與整理,從遠處就能看見。將晷針作成三腳架的結構,就能很牢固的固定在牆面上。花俏的日晷還可以將石雕鑲嵌在晷面上。

唯一的問題是垂直式日晷只有在牆面被陽光照到時才能指示時間。晷面上的時間線與庭園日晷非常相似,設置的計算式如下:

  • 晷面角度 = ATN(COS(地理緯度) X TAN(時角)
  • 晷針角度 = 90 – 地理緯度

傳統上會在高塔的頂端與周圍的牆上設置四個垂直式日晷來顯示時間,這樣才能整年都能指示出正確的時間。. 實際上,只要正確的使用三角學計算,日晷可以用任何傾斜角度設置在朝向任何方向的牆面上。例如,在屋頂上的日晷,非常堅固與實用,只是計算的難度較高。

用於導航和計時的攜帶式日晷[编辑]

大約在 中世紀 先進的,便於攜帶的日晷被發展出來。

摺疊式日晷[编辑]

可攜帶的摺疊式日晷

一種便於攜帶的日晷稱為摺疊式日晷,他有以絞鏈結合在一起的兩個小晷面,通常會折疊起來放在平整的小盒子內,以方便放在口袋中。晷針則是在兩晷面之間的帶子,當帶子被扯緊拉直時,兩個晷面會互相垂直,一個面形成垂直式日晷,另一個面則是水平式的日晷。 最考究的晷面材料是以白色的象牙製作,圖飾上來自中國的暗色真漆,晷針則是黑色的絲綢、亞麻或大麻纖維。

如果在晷針上正確的位置打個結作為節點,摺疊式日晷也能當作日曆來使用,至少可以顯示農作的適當時機。

讓兩個晷面以不同的角度結合(會產生不同的投影),摺疊式日晷便可以自行調整。當兩晷面顯示出相同的時間,而且絞鏈是水平的,摺疊式日晷指示的是當地的視太陽時。另外,當絞鏈朝向北方(在北半球時),摺疊式日晷被旋轉了一個角度,晷針才能與地球的自轉軸平行,則當正午、日出與日落時,摺疊式日晷的時間不會受到緯度改變的影響,但是在早上9點和下午3點,緯度每偏差1度,在兩個晷面上的時間便會相差4分鐘(肇因於日晷在錯誤的緯度上)。

這表示摺疊式日晷可以像指南針一樣來使用,甚至可以測量緯度。也些摺疊式日晷附有小的鉛錘和分度器來讀取正確的緯度;也有些附有指南針,可以測量地理上的特徵。在古代,大型的(1公尺以上的)摺疊式日晷曾經被用於航海上。

於1742年在都柏林以黃銅製造的攜帶式日晷。

18世紀早期的攜帶式日晷[编辑]

這一種形式的日晷以黃銅製造,直徑約8公分,當攜帶外出時有黃銅的蓋子保護(圖中未顯示)。有些特點使他能保持足夠的精確度,如附有指南針可以正確的定出北方,時間的刻度為5分鐘。這個日晷是1742年由在都柏林的一位數學儀器製造商Gabriel Stokes製造的。

等高儀日晷(Elevation sundial)[编辑]

等高儀可以顯示正確的日期,是使用在導航與天文學上的日晷。

在設計上是一個平坦的小圓環,有一個小把手,或是像錶鏈上的飾物,還是小裝飾。. 當以把手將環懸吊起來時,小孔會在環的內側投下陰影,經由環內的標示可以顯示時間,但使用者自己必須知道現在是上午還是下午。通常這個小孔被設置在一片可以滑動和鎖住,用來調整日期的金屬片上。

在現代,美國的特種部隊仍然喜歡在他們的刀片上刻上一個簡易的日晷,以便在手錶失效時仍能知道時間。

曼陀玲上的日晷,大約在 1612
建築在 巴黎的旅者日晷,可能是Butterfield在18世紀末葉製作的

精密日晷 (日光天文鐘)[编辑]

一種精密的日晷,被稱為日光天文鐘,可以校正視太陽時平太陽時或是其他的標準時。 日光天文鐘的精確度可以達到與世界時的差異少於一分鐘,相關的討論請參考Sundial Accuracy.

赤道弓形日晷[编辑]

傳統上的日光天文鐘是赤道弓形日晷,作為晷針的是一根伸展開來與地球自轉軸平行的棒狀物,晷面是在在內側標示上了時間的標線半圓形的環,環的直徑在2~3公尺,材質是不會受溫度影響而膨脹或收縮的因鋼,這是在第一次世界大戰前在法國發明的鋼材,使鐵路整年都能暢通無阻。

讀取時間的方法是最簡單的,只要看相兩個希臘瓶的弓形晷針在赤道環上的投影。[2] 瓶型的陰影落在時間線上的位置可以指出一年中正確的日期和太陽高度的改變。

目前最巨大的赤道弓形日晷是位在印度齋浦以石材製造的日晷,是一系列天文設施中的一件。

古希臘的日晷[编辑]

在古希臘使用一種稱為pelekinon的日晷(軸像,明顯的因為等時線和日期線的形狀,暗示這種古老的日晷是雙軸的pelekus)。 晷針是標尺或是極,豎立在平面上或是半球型的晷面上,標尺頂端的投影在平面的晷面上掃掠出雙曲線的軌跡,或在球面上畫出圓弧。這種日晷的優點是可以確實的標記出一年中所有季節的 時日。

地球儀式日晷[编辑]

地球儀式日晷可以將時間修正為平太陽時或其他的標準時間,他們通常會按照地球儀均時差將等時線繪成8字形。 均時差的成因是地球的軌道是橢圓形的,還有自轉軸與軌道面之間的傾斜,在一年之中最大的差值可以達到15分鐘。

在公共的廣場非常適合安置這種精確的日晷,在旗竿上的球可以作為晷針上的節點,晷面則可以鑲嵌在道路上。

變心日晷[编辑]

有趣,但精確度稍差的變心日晷可以用混凝土來製作等時線,然後讓使用著站在標示月份的方格中,安排好的月份方格可以修正季節的差異,而使用者的頭部就當成晷針。如果日晷是被鑄造在混凝土中,他就幾乎不可能被破壞,並且具有合理的準確度和使用的樂趣。.

投影日晷[编辑]

一個變心日晷是結構非常簡單的投影日晷,首先想像有一個赤道日晷懸浮在空中,有一根指向天球極點的棒子和垂直於這根棒子的圓環,"12"點標記在圓環的最低處,其他的時間則如平常的標記在環上。在某一個特定的日期和時刻,棒上的一個點"A"(能落在環上的點與一年中的日期和時間有關)投影落在環上的點"B"(與時間和地球在軌道上的位置有關),然後在地面上繪出A點與B點的垂足A'與B'點。這時你若站在A'點上,你的影子就會投映到B'點上,因為太陽就在ABA'B'這個平面上。

在中緯度,這個橢圓形和時間標記的大小可以達到6公尺,這樣觀察者的頭(晷針)的影子都能落在時間標記的附近。

蘭伯特日晷[编辑]

蘭伯特日晷(Lambert dials)是另一種晷針必須移動的變心日晷[3]。相對於橢圓形的投影日晷,蘭伯特日晷的時間線類似於赤道日晷、球形或圓柱日晷,是均勻等角度的圓形刻畫。蘭伯特日晷的晷針不是垂直的,而是朝向極點傾斜一個角度,而這個角的大小是α=45-(ψ/2),此處的ψ是所在地的地理緯度。因此,在北緯40°的蘭伯特日晷的晷針的傾角是朝向北方傾斜25°。要讀取正確的時間,晷針也必須配合太陽的赤緯在子午線上移動適當的距離Y:


Y = R \tan \alpha   \tan \delta \,

此處的R是蘭伯特日晷的半徑,δ是一年當中太陽在當時的赤緯。

反射日晷[编辑]

牛頓 利用南向的窗戶發明了反射日晷,他在窗台上放置一小片的鏡子,然後將天花板和牆面當成晷面,繪製上時間的標記。鏡子好比是晷針上的節點,反射陽光成為一個亮點。這提供了一個巨大、精確且完全可以校正的日晷,使用的材料最少,而且不佔用到任何的空間。 這種設計可以簡單的作成年曆表。

地平式日晷[编辑]

最後,介紹一種有趣的經過改變但還能正確顯示時間,晷面作成心型的地平式日晷(心臟的形狀),基本上還是一種庭園日晷。心臟線是橫過晷面 the shape that connects the intersections between the solar-time marks of a conventional sundial, and the equal-angles of a true clock-time face. 陰影橫過心臟線的邊緣處是讀取時間標記的位置,在這兒可以讀到盤面上所顯示的時間。雖然晷面不能移動,但只要轉動晷面下的等角時間標示,這個日晷可以調整為夏令時間。

數位日晷[编辑]

數位化的日晷利用光和影來"寫"時間,以數字或文字來取代在不同地點的時間標記。一種設計是在屏幕上使用兩個平行的遮罩,由陽光進入的樣式來判斷時間和日期。

參考文獻[编辑]

  • 《日晷设计原理》,吴振华著,上海交通大学出版社,2001年6月。
  • Sundials: Their Theory and Construction, Albert E. Waugh, Dover Publications, Inc., 1973, ISBN 0-486-22947-5.
  • "Sundials Old and New", A.P.Herbert, Methuen & Co. Ltd, 1967.

参看[编辑]

外部連結[编辑]

  • ^ Sundial FAQ. Accurate Sundials. [21 September 2013]. 
  • ^ Moss, Tony. How do sundials work. British Sundial society. [21 September 2013]. "This ugly plastic ‘non-dial’ does nothing at all except display the ‘designer’s ignorance and persuade the general public that ‘real’ sundials don’t work." 
  • ^ Mayall & Mayall 1938, pp. 190–192.