Уравнение часов

Часы с уравнением — это механические часы , которые включают в себя механизм, имитирующий уравнение времени , так что пользователь может читать или рассчитывать солнечное время , как показывают солнечные часы . Первые точные часы, управляемые маятниками , были запатентованы Христианом Гюйгенсом в 1657 году. В течение следующих нескольких десятилетий люди все еще привыкли использовать солнечные часы и хотели иметь возможность использовать часы для определения солнечного времени. Уравненные часы были изобретены, чтобы удовлетворить эту потребность.

Ранние часы с уравнениями имели указатель, который перемещался, показывая уравнение времени на циферблате или шкале. Сами часы идут с постоянной скоростью. Пользователь рассчитывает солнечное время, добавляя уравнение времени к показаниям часов. Более поздние часы с уравнением, созданные в 18 веке, выполняют компенсацию автоматически, поэтому часы напрямую показывают солнечное время. Некоторые из них также показывают среднее время , которое часто называют «время часов».

Механизмы моделирования

Все часы с уравнением включают в себя механизм, имитирующий уравнение времени, поэтому рычаг перемещается или вал вращается таким образом, что отражает изменения уравнения времени в течение года. Существует два часто используемых типа механизма:

Кулачково-рычажный механизм

В механизме этого типа вал приводится в движение часами, поэтому он вращается один раз в год с постоянной скоростью. На валу установлен кулачок , который имеет форму примерно «почки», так что его радиус, по сути, представляет собой график годовых изменений уравнения времени. Толкатель и рычаг опираются на кулачок, так что при вращении кулачка рычаг перемещается таким образом, что представляет собой изменяющееся уравнение времени. Этот рычаг управляет другими компонентами часов.

Двухвальный механизм

В близком приближении уравнение времени можно представить как сумму двух синусоидальных волн, одной с периодом в один год, другой с периодом в шесть месяцев, причем относительная фаза меняется очень медленно (незначительно заметно в течение периода времени). столетия). см. объяснение в Уравнении времени Более подробно .

Двухвальный механизм имеет два вала, вращающихся с постоянной скоростью: один поворачивается один раз в год, а другой — два раза в год. Кривошипы или штифты, прикрепленные к двум валам, перемещают два конца комбинированного рычага (иногда называемого рычагом) синусоидально; если размеры выбраны правильно, средняя точка стержня движется таким образом, что имитирует уравнение времени.

Типы уравнений часов

В тот период, когда создавались и использовались часы для уравнений, все часы делались вручную. Нет двух абсолютно одинаковых. Многие уравнения имеют и другие функции, например, отображение фазы луны или времени восхода и захода солнца. Оставляя в стороне такие дополнения, существует четыре различных способа работы часов. Следующие параграфы предназначены не для подробного описания отдельных часов, а для иллюстрации общих принципов этих четырех различных типов уравнений часов. Основные принципы работы конкретных часов напоминают эти, но детали различаются. Доступ к изображениям и описаниям различных часов с уравнениями, которые до сих пор существуют в музеях, можно получить по внешним ссылкам, указанным ниже.

Часы без солнечной индикации времени

Многие часы с уравнениями, особенно ранние, имеют обычный часовой механизм, показывающий среднее время, а также дисплей, на котором отображается уравнение времени. Механизм моделирования уравнения времени управляет указателем на этом дисплее. Пользователь должен добавить уравнение времени к времени часов, чтобы рассчитать солнечное время.

Часы, которые напрямую показывают солнечное время

Большинство более поздних уравнений, созданных в 18 веке, напрямую отображают солнечное время. Многие из них также отображают среднее время и уравнение времени, но пользователю не нужно выполнять сложение. Существует три типа:

Часы с подвижной минутной разметкой.

Были созданы часы, в которых минутные отметки расположены на круглой пластине, которую можно поворачивать вокруг той же оси, что и стрелки. Ось проходит через отверстие в центре тарелки, а руки находятся перед тарелкой. Минутная часть времени, показываемая часами, определяется положением минутной стрелки относительно отметок на пластине. Стрелка приводится в движение по часовой стрелке с постоянной скоростью с помощью часового механизма, а пластина поворачивается с помощью механизма, имитирующего уравнение времени, вращаясь против часовой стрелки, когда уравнение времени увеличивается, и по часовой стрелке, когда оно уменьшается. Если передаточные числа правильные, часы показывают солнечное время. Среднее время также может отображаться с помощью отдельного стационарного набора минутных отметок на циферблате, за пределами края пластины. Отображение часов не настроено на уравнение времени, поэтому показания часов являются приблизительными. Это не имеет никакого практического эффекта, поскольку всегда легко увидеть, какой час правильный. Эти часы механически проще, чем другие типы, описанные ниже, но у них есть недостатки: солнечное время трудно прочитать, не глядя внимательно на минутную отметку, и часы нельзя заставить пробьют час по солнечному времени.

Часы с переменным маятником

Эти часы включают в себя устройство наверху маятника, которое слегка меняет его эффективную длину, поэтому скорость часов меняется. Это устройство приводится в действие механизмом моделирования, который моделирует скорость изменения уравнения времени, а не его фактическое значение. Например, в декабре и январе, когда уравнение времени убывает, поэтому солнечные часы идут медленнее, чем обычно, механизм фактически делает маятник длиннее, чем обычно, поэтому часы идут медленнее и идут в ногу со временем солнечных часов. В другое время года маятник укорачивается, поэтому часы идут быстрее, снова идя в ногу со временем солнечных часов. Этот тип механизма показывает только солнечное (солнечные часы) время. Часы, использующие его, нелегко заставить показывать среднее время, если не включить отдельный часовой механизм с собственным маятником. Есть некоторые уравнения часов, в которых это делается, но для этого требуется, чтобы корпус часов был очень прочным, чтобы избежать сцепления между маятниками. Еще одним недостатком часов с переменным маятником является то, что уравнение времени нелегко отобразить.

Часы, которые производят механическое сложение

В некоторых более поздних часах с уравнением маятник качается с постоянной частотой , управляя обычным часовым механизмом. Часто этот механизм управляет дисплеем, показывающим среднее (часы) время. Однако есть дополнительные компоненты: механизм моделирования уравнения времени, описанный выше, и устройство, которое автоматически добавляет уравнение времени к времени часов и управляет дисплеем, показывающим солнечное время. Сложение осуществляется аналоговым методом , с использованием дифференциала . ^[1] Этот тип механизма часов с уравнениями является наиболее универсальным. Как солнечное, так и среднее время могут быть легко и четко отображены, как и уравнение времени. Бить часы в обоих видах времени также легко организовать. После его изобретения в 1720 г. ^[2] этот механизм стал стандартным и использовался на протяжении большей части XVIII века, пока спрос на уравнения часов не прекратился.

Медленные изменения в уравнении времени

Медленные изменения в движении Земли вызывают постепенные изменения в годовом ходе уравнения времени. ^[3] График в верхней части этой статьи показывает годовое изменение в его нынешнем виде, примерно в 2000 году. Через много столетий в прошлом или будущем форма графика будет совсем другой. Большинство уравнений часов было построено около трех столетий назад, с тех пор изменение годового хода уравнения времени было небольшим, но заметным. Часы воплощают годовой ход, каким он был на момент их изготовления. Они не компенсируют медленные изменения, о которых тогда не было известно, поэтому сейчас они немного менее точны, чем были, когда были новыми. Самая большая ошибка по этой причине в настоящее время составляет около одной минуты. Если через столетия эти часы выживут, ошибки будут еще больше.

Подобные современные устройства

Уравнения часов как таковые больше не используются широко. Однако компоненты, функционально те же, что и в уравнениях часов, все еще используются, например, в солнечных трекерах , которые движутся так, чтобы следовать за движением Солнца по небу. Многие из них не чувствуют положения Солнца. Вместо этого у них есть механизм, который вращается вокруг полярной оси с постоянной скоростью 15 градусов в час, соизмеримой со средней скоростью вращения Земли относительно Солнца. Иногда создается цифровое представление этого вращения, а не физическое вращение компонента. Затем к этому постоянному вращению добавляется уравнение времени, создавая вращение трекера, которое соответствует видимому движению Солнца. Как правило, в этих машинах используются современные технологии, включающие электронику и компьютеры, вместо механических устройств, которые использовались в исторических часах с уравнениями, но функция та же самая.

См. также

Ссылки и сноски

^ Дифференциал — это совокупность шестерен, которая связана с внешним миром тремя валами (или цепями, или чем-то подобным, или какой-либо комбинацией). Шестерни заставляют скорость вращения одного из валов быть пропорциональной сумме скоростей вращения двух других. Дифференциалы имеют множество применений. В настоящее время они используются почти во всех автомобилях, позволяя двум ведущим колесам вращаться с разной скоростью при повороте автомобиля. Скорость двигателя пропорциональна сумме скоростей колес.
^ Первые часы с уравнениями, в которых для сложения использовался дифференциал, были созданы Джозефом Уильямсоном в 1720 году. Эти часы также являются самым ранним устройством, в котором точно известно, что где-либо использовался дифференциал для каких-либо целей, хотя постулировались и предыдущие.
^ Карни, Кевин. «Вариации уравнения времени» (PDF) .

Внешние ссылки

Примечание. В некоторых из этих исторических материалов время на часах называется «равным временем», а время солнечных часов — «кажущимся временем» или «истинным солнечным временем».

Часы с переменным маятником в Британском музее .
Часы с уравнениями Британского музея с описаниями.
Карманные часы, работающие по принципу уравнений. По описанию следует, что это механическое сложение.
Часы с подвижной минутной разметкой на кольце.
Письмо Джозефа Уильямсона , написанное около 1715 года, в котором говорится об изобретении часов, показывающих солнечное время, работающих с помощью подвижных минутных отметок или переменного маятника.
В «Уравнении времени» приведены иллюстрированные примеры развития уравнений часов.

[1] Дифференциал — это совокупность шестерен, которая связана с внешним миром тремя валами (или цепями, или чем-то подобным, или какой-либо комбинацией). Шестерни заставляют скорость вращения одного из валов быть пропорциональной сумме скоростей вращения двух других. Дифференциалы имеют множество применений. В настоящее время они используются почти во всех автомобилях, позволяя двум ведущим колесам вращаться с разной скоростью при повороте автомобиля. Скорость двигателя пропорциональна сумме скоростей колес.

[2] Первые часы с уравнениями, в которых для сложения использовался дифференциал, были созданы Джозефом Уильямсоном в 1720 году. Эти часы также являются самым ранним устройством, в котором точно известно, что где-либо использовался дифференциал для каких-либо целей, хотя постулировались и предыдущие.

[3] Карни, Кевин. «Вариации уравнения времени» (PDF) .

[1]

[2]

[3]