Солнечные часы. Первыми приборами для измерения времени были солнечные часы. Люди давно заметили, что самые длинные тени от предметов, освещенных Солнцем, бывают утром, к полудню они укорачиваются, а к вечеру вновь удлиняются. Заметили они также, что тени в течение дня меняют не только размеры, но и направление. Это явление и было использовано для создания простейших солнечных часов — гномона [18] . Циферблатом таких часов служит ровная горизонтальная площадка, на которой вертикально укреплен шест (стержень, пластинка), отбрасывающий тень (рис. 7). Утром тень от гномона обращена к западу, в полдень в нашем северном полушарии — к северу, а вечером — к востоку. По положению тени и определяется истинное солнечное время [19] . Однако тень от гномона в таких часах описывает в течение дня не окружность, а более сложную кривую, которая не остается постоянной не только в разные месяцы года, но меняется ото дня ко дню.

Для избавления солнечных часов от этого недостатка циферблат их стали делать из нескольких линий с делениями, каждая из которых предназначалась для определенного месяца года. Так, например, древнегреческий астроном Аристарх Самосский (конец IV — первая половина III в. до н. э.) для своих солнечных часов выполнил циферблат в форме чаши с прочерченной на ее внутренней поверхности сетью линий, а часы древнегреческого астронома Евдокса (ок. 408 — ок. 355 гг. до н. з.) имели на плоском циферблате очень сложную сеть линий, получивших название «арахнеа», что означает «паук».

Рис. 8. Экваториальные солнечные часы

В дальнейшем астрономы поняли, что для повышения точности солнечных часов их указатель следует направить на полюс мира, т. е. к той точке небесного свода, которая при вращении Земли кажется неподвижной. Если при этом плоскость циферблата расположить параллельно плоскости небесного экватора, т. е. перпендикулярно к стержню, то конец тени стержня станет описывать окружность. Скорость движения тени будет равномерной, и поэтому на таком циферблате расстояния по окружности между часовыми метками (штрихами) окажутся равными, и их можно определить из расчета 360° = 24 ч. Так были созданы экваториальные солнечные часы, в которых доска с циферблатом устанавливалась наклонно к горизонту под углом = 90° — , где — географическая широта места установки часов. На них деления нанесены на обеих сторонах циферблата (сверху и снизу), а указатель проткнут насквозь (рис. 8). Так, например, при изготовлении экваториальных солнечных часов для широты = 55°47' угол наклона циферблата должен быть = 34°13'. В таких часах в течение одной части года (в северном полушарии с марта по сентябрь) тень от стержня падает на циферблат сверху, а в течение другой — снизу, и поэтому часы пригодны для всех дней года. Однако отсчет времени, когда тень падает снизу, затруднителен.

Для устранения этого недостатка солнечные часы стали делать с горизонтально расположенным циферблатом с делениями, нанесенными из расчета tg x = tg t sin , где x — угол при центре циферблата между полуденной линией (линией «север — юг») и данным делением, t = To — 12 ч — часовой угол Солнца, а — географическая широта местонахождения часов. На таком циферблате линия, проходящая через штрихи, соответствующие 6 и 18 часам, будет перпендикулярна к полуденной линии. Указателем в таких часах служит треугольник (рис. 9) с острым углом, равным широте данной местности .

Рис. 9. Солнечные часы с горизонтальным циферблатом

Устанавливался он так, чтобы его плоскость была перпендикулярна к плоскости циферблата и совпадала с направлением север — юг, В таких часах скорость перемещения тени от треугольника неравномерна, а поэтому углы на циферблате, соответствующие часовым промежуткам времени, являются неравными.

В древности солнечные часы имели широкое распространение. В Египте за гномон солнечных часов принимали высокие обелиски. Паломники Индии пользовались посохами с вделанными в них миниатюрными солнечными часами.

В 10 г. до н. э. по распоряжению императора Августа (63 г. до н. э. — 14 г. н. э.) в честь победы над Египтом были созданы в Риме большие солнечные часы, гномоном для которых являлся гранитный обелиск высотой около 22 м и массой 250 т. На циферблате этих часов размером 170 на 80 м тень обелиска падала на 12 секторов со знаками зодиака (рис. 10); по часам такого типа определяли не только время суток, но и дату и сезон года [20] .

Зодиаком в Древней Греции называли пояс на небосводе, включающий 12 созвездий, расположенных вдоль эклиптики. В глубокой древности пояс зодиака делили на части по 30°; они имели названия тех созвездий, по которым проходила эклиптика. В каждой такой части — знаке зодиака — Солнце при своем годичном движении находилось в течение одного месяца: в знаке Водолея — в январе — феврале, в знаке Рыб — в феврале — марте, в знаке Овна — в марте — апреле, в знаке Тельца — в апреле — мае, в знаке Близнецов — в мае — июне, в знаке Рака — в июне — июле, в знаке Льва — в июле — августе, в знаке Девы — в августе — сентябре, в знаке Весов — в сентябре — октябре, в знаке Скорпиона — в октябре — ноябре, в знаке Стрельца — в ноябре — декабре, в знаке Козерога — в декабре — январе. За время с начала нашей эры точка весеннего равноденствия вследствие прецессии сместилась почти на 30°, и Солнце в декабре — январе проходит по созвездию Стрельца, в январе — феврале — по созвездию Козерога и т. д., но знаки зодиака остаются прежними. Сейчас они практического значения не имеют, в древности же применялись для составления гороскопов.

Рис. 20. Знаки зодиака

В 1278 китайский император Кошу-Кинг, стремясь повысить точность солнечных часов, построил в Пекине гномон, указатель которого по высоте был равен 40 ступеням. В Самарканде узбекский астроном Улугбек (1394–1449), внук известного завоевателя Тамерлана (1336–1405), стремясь увеличить точность определения времени по солнечным часам, воздвиг в 1430 г. гномон, стержень которого достигал высоты в 175 ступеней (около 50 м).

Известны солнечные часы, у которых полдень отмечался трезвоном. В других часах с помощью соответственно установленного и направленного зажигательного стекла солнечный луч управлял пушкой, заставляя ее стрелять в определенное время.

Солнечные часы не требовали завода, они не останавливались и даже «шли» правильнее, чем некоторые нынешние часы, но с двумя существенными оговорками: только в дневное время и в безоблачную погоду. Их продолжали строить вплоть до XVII и даже XVIII в.

Солнечные часы, как стационарные, так и переносные, длительное время широко использовались в общественной практике различными народами нашей страны. Стационарные часы изготовлялись из камня (преимущественно), реже из металла и дерева и, как правило, больших размеров, что позволяло повысить их точность и видеть их на значительном расстоянии. Многие из них сохранились не только в музеях, но и на месте первоначальной их установки.