ساعت آفتابی: نخستین زمان‌سنج بشر
ساعت آفتابی چگونه کار می‌کند؟
اساس کار همهٔ ساعت‌های آفتابی، حرکت ظاهری خورشید در آسمان است. از آنجا که زمین به دور خود می‌چرخد، به نظر میرسد خورشید در آسمان از شرق به غرب در حرکت است. یک ساعت آفتابی ساده از یک میله یا صفحه‌ای نوک‌تیز به نام شاخص گنومون و یک صفحهٔ نشان‌دهنده به نام صفحهٔ ساعت تشکیل شده است. با حرکت خورشید، سایهٔ این شاخص بر روی صفحهٔ ساعت می‌افتد و مکان این سایه، زمان تقریبی را نشان می‌دهد.
برای مثال، وقتی خورشید دقیقاً در بالای سر (در سمت الرأس) باشد، سایهٔ شاخص کوتاه‌ترین است و زمان ظهر حقیقی را نشان می‌دهد. صبح‌ها سایه بلند و به سمت غرب است و عصرها بلند و به سمت شرق.
انواع مختلف ساعت آفتابی
ساعت‌های آفتابی بسته به جهت قرارگیری صفحهٔ آنها، انواع مختلفی دارند. هر کدام برای مکان و کاربری خاصی طراحی شده‌اند.
| نوع ساعت | توضیح | کاربرد و مکان نصب |
|---|---|---|
| افقی | صفحهٔ ساعت به صورت افقی روی زمین قرار می‌گیرد و شاخص با زاویه‌ای برابر با عرض جغرافیایی[1] محل نصب شده است. | متداول‌ترین نوع. مناسب برای حیاط مدرسه، پارک‌ها و باغ‌ها. |
| عمودی | صفحهٔ ساعت روی یک دیوار عمودی نصب می‌شود. شاخص معمولاً موازی با محور زمین است. | روی دیوارهای جنوبی (در نیمکرهٔ شمالی) نصب می‌شوند. |
| استوایی | صفحهٔ ساعت موازی با صفحهٔ استوای آسمان[2] است. ساخت آن ساده‌تر است اما فقط در نیمی از سال کار می‌کند. | برای آموزش مفاهیم نجومی بسیار مناسب است. |
یک آزمایش ساده: ساخت ساعت آفتابی استوایی
حالا بیایید با هم یک ساعت آفتابی استوایی ساده بسازیم تا این مفاهیم را به صورت عملی درک کنیم.
مواد مورد نیاز: یک مقوای مستطیلی سفت، یک چوب‌کباب‌تیزی یا مدادی، یک نقاله، یک قطب‌نما (یا اپلیکیشن قطب‌نما روی تلفن همراه)، و خودکار.
مراحل ساخت:
1. مقوا را به شکل یک نیم‌دایره برش بزنید. این صفحهٔ ساعت شما خواهد بود.
2. با استفاده از نقاله، روی لبهٔ نیم‌دایره، از مرکز آن، هر 15 درجه یک خط بکشید. (چرا 15 درجه؟ چون زمین در هر ساعت 15 درجه می‌چرخد: $ 360^\circ \div 24 = 15^\circ $). روی این خطوط اعداد 6 صبح تا 6 عصر را بنویسید.
3. چوب‌کباب‌تیزی را از مرکز نیم‌دایره، به صورت عمود بر صفحه، عبور دهید. این چوب، شاخص شماست.
4. حالا صفحه را با زاویه‌ای برابر با مکمل عرض جغرافیایی محل زندگی‌تان قرار دهید. برای پیدا کردن عرض جغرافیایی شهر خود می‌توانید از گوگل کمک بگیرید (مثلاً عرض جغرافیایی تهران approximately 35.7^\circ$ است). برای ساعت استوایی، صفحه باید با افق زاویه‌ای برابر با $ 90^\circ - \phi $ بسازد (که در آن $\phi$ عرض جغرافیایی است).
5. ساعت را طوری در فضای باز قرار دهید که شاخص آن به سمت قطب شمال سماوی (ستارهٔ قطبی) اشاره کند. برای این کار از قطب‌نما استفاده کنید و صفحه را کمی بچرخانید تا شاخص در جهت شمال-جنوب قرار گیرد.
حالا می‌بینید که سایهٔ شاخص بر روی صفحه، زمان تقریبی را به شما نشان می‌دهد!
ساعت آفتابی در تاریخ و تمدن
قدمت استفاده از ساعت آفتابی به بیش از 3500 سال پیش بازمی‌گردد. مصریان باستان با ابزاری به نام ساعت سایه‌ای زمان را اندازه می‌گرفتند. یونانیان و رومیان باستان این فناوری را توسعه دادند و ساعت‌های آفتابی پیچیده‌تری ساختند. در تمدن اسلامی، دانشمندان بزرگی مانند ابوریحان بیرونی دربارهٔ انواع ساعت‌های آفتابی تحقیق کردند و کتاب‌ها نوشتند. آنها با استفاده از ریاضیات پیشرفته، ساعت‌هایی ساختند که نه تنها زمان، بلکه تاریخ روزهای سال را نیز نشان می‌داد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. اساس کار ساعت آفتابی، وجود خورشید و ایجاد سایه است. در شب یا هوای بسیار ابری که خورشید دیده نمی‌شود، این ساعت‌ها کاربردی ندارند. به همین دلیل است که تمدن‌های باستان برای اندازه‌گیری زمان در شب، از ابزارهای دیگری مثل ساعت آبی یا ساعت شنی استفاده می‌کردند.
پاسخ: به دو دلیل اصلی: ۱. معادلهٔ زمان: به دلیل بیضوی بودن مدار زمین و انحراف محور آن، سرعت ظاهری خورشید در آسمان در طول سال ثابت نیست. ۲. تفاوت طول جغرافیایی: زمان رسمی بر اساس مرکز یک ناحیهٔ زمانی (مثلاً 52.5 درجهٔ شرقی برای ایران) تعریف می‌شود. اگر شما در شرق یا غرب این نصف‌النهار باشید، زمان ظاهری خورشیدیتان با زمان رسمی تفاوت خواهد داشت.
پاسخ: بله! برخی ساعت‌های آفتابی پیشرفته که به آنها نوساعته یا کره‌ای می‌گویند، می‌توانند تاریخ تقویمی را نیز نشان دهند. این کار به طور کلی با دنبال کردن بالاترین نقطه یا پایین‌ترین نقطهٔ سایهٔ خورشید در طول روز انجام می‌شود که در روزهای مختلف سال تغییر می‌کند.
پاورقی
[1]عرض جغرافیایی (Latitude): فاصلهٔ زاویه‌ای یک نقطه از استوای زمین. بین 0^\circ$ (استوا) تا $90^\circ$ (قطب) اندازه‌گیری می‌شود.
[2]صفحهٔ استوای آسمان (Celestial Equator): تصویر استوای زمین بر روی کرهٔ آسمان.
[3]معادلهٔ زمان (Equation of Time): اختلاف بین زمان ظاهری خورشیدی و زمان میانگین خورشیدی. این مقدار در طول سال بین -14 تا +16 دقیقه تغییر می‌کند.
[4]طول جغرافیایی (Longitude): فاصلهٔ زاویه‌ای یک نقطه از نصف‌النهار مبدأ (گرینویچ). برای محاسبهٔ اختلاف زمان بر اساس طول جغرافیایی، به ازای هر 15 درجه اختلاف، 1 ساعت اختلاف زمان وجود دارد.