Определение местного времени и сторон света с помощью гномона

Определения и обозначения

Гномон — вертикальный стержень или предмет, который отбрасывает тень. По положению тени можно понять, с какой стороны находится Солнце, и наблюдать, как меняется его положение в течение дня. Такие наблюдения помогают оценить время и определить направления на местности.

Местное солнечное время — время, связанное с положением Солнца над определённым местом. Оно отличается от времени на обычных часах, которые показывают поясное время, общее для большой территории. Поэтому солнечное время удобно оценивать по тени, но оно может не совпадать с показаниями часов.

Истинный полдень — момент, когда Солнце достигает наибольшей высоты над горизонтом в течение дня. В это время тень гномона становится самой короткой. Истинный полдень определяют по наблюдениям за Солнцем и тенью, а не просто по цифрам на часах.

Стороны света — основные направления горизонта: север, юг, восток и запад. Солнце кажется движущимся по небу с востока на запад, а конец тени перемещается в обратном направлении. Наблюдая за тенью в разные моменты, можно найти линии направлений и сориентироваться на местности.

Как это устроено

Свет от Солнца распространяется по прямым линиям. Когда на его пути оказывается вертикальный гномон, он задерживает часть света, и за ним появляется тень. Поэтому направление тени противоположно направлению на Солнце: если тень легла в одну сторону, источник света находится с другой. Чем выше Солнце, тем короче тень при прочих равных условиях.

Сам гномон неподвижен, но в течение дня меняется направление, с которого на него падает солнечный свет. Это происходит потому, что Земля вращается вокруг своей оси, и Солнце кажется перемещающимся по небосводу с востока на запад. Из-за такого кажущегося движения положение тени тоже меняется. Конец тени обычно проходит по земле с запада на восток.

Чтобы найти направление восток—запад, поставьте гномон на ровную площадку и отмечайте положение конца тени через равные промежутки времени. Затем сравните отметки: более поздние положения покажут, куда перемещался конец тени. Линия между последовательными отметками помогает установить направление движения тени, то есть с запада на восток. Чем точнее вы фиксируете время и положение конца тени, тем проще сравнивать результаты.

В истинный полдень Солнце находится выше, чем в другие моменты этого дня, поэтому его лучи падают на вертикальный гномон более отвесно, а тень получается самой короткой. В Северном полушарии во многих местах Солнце в полдень находится примерно на юге, поэтому короткая тень направлена примерно на север. Направление, противоположное тени, будет южным. Для определения сторон света следует учитывать местоположение: в некоторых районах и сезонах положение Солнца может отличаться от этого обычного случая.

Длину и направление тени можно использовать, чтобы примерно оценить местное солнечное время. Короткая тень означает, что Солнце высоко, а длинная — что оно ниже над горизонтом; направление тени показывает, с какой стороны находится Солнце. Однако часы показывают поясное, а не местное солнечное время, поэтому истинный полдень не обязательно приходится на 12:00. На расхождение также могут влиять сезонные поправки и летнее время, если оно применяется.

Наблюдения за тенью гномона и выводы

Сначала определите, куда направлена тень и как меняется её положение, затем найдите самую короткую тень. Последний шаг — провести перпендикуляр к линии север—юг, чтобы получить направления востока и запада. Выводы будут надёжными, если гномон стоит вертикально, а площадка ровная.

Разбор задач

Задача 1. Гномон установлен на ровной площадке. Положение конца его тени отмечают в 10:00, 11:00, 12:00 и 13:00. Нужно определить, куда движется тень. Здесь важен порядок отметок: сравнивать следует не длину одной тени с другой, а положение их концов на земле.

1. Отметьте конец тени в 10:00 и запишите, где он находится относительно гномона.
2. Повторите наблюдения в 11:00, 12:00 и 13:00, не передвигая гномон.
3. Сравните отметки по времени: более поздняя показывает следующее положение конца тени.

Ответ. Конец тени последовательно смещается с запада на восток. Так проявляется кажущееся движение Солнца по небу с востока на запад.

Задача 2. В Северном полушарии самая короткая тень гномона направлена на север. Требуется определить юг, восток и запад. Короткую тень принимают за ориентир для линии север—юг, а остальные направления находят относительно неё. Для этого нужно представить, что вы стоите лицом к северу.

1. Направление самой короткой тени обозначьте как север.
2. Противоположное направление обозначьте как юг.
3. Проведите через гномон линию, перпендикулярную линии север—юг.
4. Если смотреть на север, отметьте справа восток, а слева запад.

Ответ. Север задаёт направление короткой полуденной тени, юг расположен напротив. Перпендикулярная линия показывает восток и запад: справа от севера — восток, слева — запад.

Задача 3. В неизвестный момент тень имеет ту же длину, что и утром в 9:00. Нужно оценить местное солнечное время. Для этого используем то, что при одинаковой высоте Солнца тени одного и того же гномона имеют одинаковую длину. В течение одного дня такое положение примерно повторяется по другую сторону от истинного полудня.

1. Считайте момент 9:00 временем до истинного полудня.
2. Найдите, на сколько часов он отстоит от истинного полудня; если он примерно в 12:00 по местному солнечному времени, разница составляет около трёх часов.
3. Прибавьте такую же разницу к моменту полудня: получится примерно 15:00.

Ответ. Наблюдение сделано примерно в 15:00 по местному солнечному времени. Это оценка: истинный полдень не всегда совпадает с 12:00 на часах, а длина тени зависит от даты и места наблюдения.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что направление тени указывает на Солнце. Так думают, потому что замечают саму тень, но забывают, что предмет закрывает свет, а потому тень направлена в противоположную сторону. Проверьте себя: посмотрите, откуда падают солнечные лучи, и укажите направление от гномона к Солнцу — оно не совпадёт с тенью.

Истинный полдень не обязательно наступает ровно в 12:00 по часам. Путаница появляется потому, что обычные часы показывают поясное время, а положение Солнца над конкретным местом задаёт местное солнечное время; могут влиять и сезонные поправки. Сверьте короткую тень с показаниями часов: если они не показывают 12:00, это не означает, что наблюдения неверны.

Нельзя определять север по любой случайной тени: её направление меняется в течение дня. Надёжнее найти самую короткую тень и учитывать полушарие и место наблюдения. Проверьте вывод повторными отметками: если тень ещё укорачивается, истинный полдень, вероятно, не наступил.

Наклонная или неровная поверхность искажает наблюдения: гномон может оказаться не вертикальным, а конец тени — смещаться не так, как ожидается. Это происходит потому, что меняется положение предмета относительно земли и падающего света. Перед началом проверьте, что площадка ровная, а стержень стоит вертикально; иначе длину и направление тени сравнивать ненадёжно.

Связь с другими темами

Для работы с гномоном нужно знать стороны горизонта, уметь ориентироваться по Солнцу и понимать, что Земля вращается вокруг своей оси. Эти знания объясняют, почему Солнце кажется движущимся по небу, а тень — в обратную сторону. Различие между часовыми поясами и местным солнечным временем помогает правильно сравнивать тень с показаниями часов.

Способ пригодится при ориентировании на местности и полевых наблюдениях. По тому же принципу можно устроить простые солнечные часы: положение тени будет указывать на солнечное время. Для более точных выводов важно соблюдать условия наблюдения и записывать отметки.

Что запомнить

• Гномон — вертикальный стержень, по тени которого проводят наблюдения.
• Тень направлена в сторону, противоположную Солнцу.
• В течение дня конец тени перемещается с запада на восток.
• Самая короткая тень соответствует истинному полудню.
• В Северном полушарии полуденная тень направлена примерно на север.
• Местное солнечное время не всегда совпадает с показаниями часов.
• Для точного определения направлений гномон ставят вертикально на ровной площадке.