Đồng hồ mặt trời là gì? Cách hoạt động của đồng hồ mặt trời

Đồng hồ là vật dụng không thể thiếu trong đời sống hiện nay. Tuy nhiên, bạn có thắc mắc trước khi nó xuất hiện thì mọi người xem thời gian bằng cách nào không? Cùng SHOPDONGHO.com tìm hiểu về đồng hồ mặt trời trong bài viết này nhé.

Đồng hồ mặt trời là gì?

Đồng hồ mặt trời là gì? Đồng hồ mặt trời hay Sundial là một thiết bị đo thời gian đầu tiên trên thế giới dựa vào vị trí của Mặt Trời. Trong thiết kế thường gặp nhất, như trong đồng hồ mặt trời ngang, mặt trời đổ bóng kim (một thanh kim loại mỏng và sắc) lên trên một mặt phẳng có khắc các đường chỉ thời gian trong ngày. Khi mặt trời di chuyển trong ngày, bóng của kim sẽ đổ xuống thẳng hàng với các đường trên mặt đĩa. 

Thiết kế như vậy đòi hỏi kim thẳng hàng với trục quay của Trái Đất. Vì thế, để một đồng hồ Mặt trời chỉ được giờ chính xác, kim phải chỉ về cực bắc và góc của kim với đường ngang phải bằng vĩ độ của chiếc đồng hồ. Do đó, những loại đồng hồ Mặt Trời được sản xuất hàng loạt nhằm mục đích trang trí nhiều khi không chỉ đúng thời gian.

Dong ho mat troi la gi Cach hoat dong cua dong ho mat troi 1
Đồng hồ mặt trời là gì? Đồng hồ mặt trời hay Sundial là một thiết bị đo thời gian đầu tiên trên thế giới dựa vào vị trí của Mặt Trời

Nguồn gốc đồng hồ mặt trời

Đồng hồ mặt trời sớm nhất được biết đến từ hồ sơ khảo cổ học là đồng hồ shadow (1500 TCN hoặc BCE) từ thiên văn học Ai Cập cổ đại và thiên văn học Babylon. Người dân Kush tạo ra các mặt số mặt trời thông qua hình học. Đồng hồ mặt trời kinh điển là đồng hồ chỉ giờ kinh điển của các hành vi phụng vụ. Những đồng hồ mặt trời như vậy đã được các thành viên của cộng đồng tôn giáo sử dụng từ thế kỷ thứ 7 đến thế kỷ 14.

Nhà thiên văn học người Ý Giovanni Padovani đã xuất bản một chuyên luận về đồng hồ mặt trời vào năm 1570. Trong đó, ông đưa ra các hướng dẫn về cách sản xuất và bố trí các bức tranh tường (dọc) và đồng hồ mặt trời nằm ngang. Constructio Instrumenti ad horologia Solaria (khoảng năm 1620) của Giuseppe Biancani thảo luận về cách tạo ra một chiếc đồng hồ mặt trời hoàn hảo. Chúng đã được sử dụng phổ biến từ thế kỷ 16.

Dong ho mat troi la gi Cach hoat dong cua dong ho mat troi 11
Nhà thiên văn học người Ý Giovanni Padovani đã xuất bản một chuyên luận về đồng hồ mặt trời vào năm 1570

Cấu tạo đồng hồ mặt trời

Vật tạo bóng, được gọi là gnomon, có thể là một thanh dài mỏng hoặc vật thể khác có đầu nhọn hoặc cạnh thẳng. Đồng hồ mặt trời sử dụng nhiều loại gnomon. Gnomon có thể được cố định hoặc di chuyển theo mùa. Nó có thể được định hướng theo chiều dọc, chiều ngang, thẳng hàng với trục Trái đất hoặc định hướng theo một hướng hoàn toàn khác được xác định bởi toán học.

Đồng hồ mặt trời sử dụng ánh sáng để biểu thị thời gian, một vạch ánh sáng có thể được hình thành bằng cách cho các tia Mặt trời đi qua một khe mỏng hoặc tập trung chúng qua một thấu kính hình trụ. Một điểm sáng có thể được hình thành bằng cách cho tia Mặt trời đi qua một lỗ nhỏ, cửa sổ, mắt kính hoặc bằng cách phản chiếu chúng từ một gương tròn nhỏ. Một điểm sáng có thể nhỏ như một lỗ kim trong ảnh chụp mặt trời hoặc lớn như một điểm sáng trong đền Pantheon.

Đồng hồ mặt trời cũng có thể sử dụng nhiều loại bề mặt để nhận ánh sáng hoặc bóng tối. Mặt phẳng là bề mặt phổ biến nhất, bên cạnh đó còn có hình cầu, hình trụ, hình nón và các hình dạng khác đã được sử dụng để có độ chính xác hoặc vẻ đẹp cao hơn.

Đồng hồ mặt trời khác nhau về tính di động và nhu cầu định hướng. Việc lắp đặt nhiều mặt số đòi hỏi phải biết vĩ độ địa phương, hướng thẳng đứng chính xác (ví dụ: theo cấp độ hoặc dây dọi) và hướng về hướng Bắc thực. Mặt số di động có khả năng tự căn chỉnh. Ví dụ, nó có thể có hai mặt số hoạt động theo các nguyên tắc khác nhau, chẳng hạn như mặt số nằm ngang và mặt số tương tự, được gắn với nhau trên một tấm. Trong những thiết kế này, thời gian của chúng chỉ đồng ý khi tấm được căn chỉnh chính xác.

Đồng hồ mặt trời ở một vĩ độ cụ thể ở một bán cầu phải được đảo ngược để sử dụng ở vĩ độ đối diện ở bán cầu kia. Đồng hồ mặt trời hướng nam thẳng đứng ở Bắc bán cầu trở thành đồng hồ mặt trời hướng bắc thẳng đứng ở Nam bán cầu. Để định vị chính xác đồng hồ mặt trời nằm ngang, người ta phải tìm đúng hướng Bắc hoặc Nam.

Quá trình tương tự có thể được sử dụng để làm cả hai. Gnomon, được đặt ở vĩ độ chính xác, phải chỉ về hướng Nam thực sự ở Nam bán cầu cũng như ở Bắc bán cầu, nó phải chỉ về hướng Bắc thực sự. Các số giờ cũng chạy theo hướng ngược nhau, do đó, trên mặt số nằm ngang, chúng chạy ngược chiều kim đồng hồ (Mỹ: ngược chiều kim đồng hồ) thay vì theo chiều kim đồng hồ.

Dong ho mat troi la gi Cach hoat dong cua dong ho mat troi 3
Đồng hồ mặt trời sử dụng ánh sáng để biểu thị thời gian, một vạch ánh sáng có thể được hình thành bằng cách cho các tia Mặt trời đi qua một khe mỏng hoặc tập trung chúng qua một thấu kính hình trụ

Cách hoạt động của đồng hồ mặt trời

Đồng hồ mặt trời biểu thị thời gian bằng cách tạo bóng hoặc chiếu ánh sáng lên một bề mặt được gọi là mặt quay số hoặc tấm quay số . Mặc dù thường là mặt phẳng, mặt quay số cũng có thể là bề mặt bên trong hoặc bên ngoài của hình cầu, hình trụ, hình nón, hình xoắn ốc và nhiều hình dạng khác.

Thời gian được biểu thị khi bóng hoặc ánh sáng chiếu lên mặt số, thường được khắc bằng vạch giờ. Mặc dù thường thẳng nhưng những đường giờ này cũng có thể bị cong, tùy thuộc vào thiết kế của đồng hồ mặt trời. Trong một số thiết kế, có thể xác định được ngày trong năm hoặc có thể phải biết ngày để tìm ra thời gian chính xác.

Trong những trường hợp như vậy, có thể có nhiều nhóm dòng giờ cho các tháng khác nhau hoặc có thể có cơ chế cài đặt/tính tháng. Ngoài các vạch giờ, mặt số có thể cung cấp các dữ liệu khác. Chẳng hạn như đường chân trời, đường xích đạo và vùng nhiệt đới.

Dong ho mat troi la gi Cach hoat dong cua dong ho mat troi 4
Thời gian được biểu thị khi bóng hoặc ánh sáng chiếu lên mặt số, thường được khắc bằng vạch giờ

Phân loại đồng hồ mặt trời

Đồng hồ mặt trời xích đạo

Đặc điểm phân biệt của mặt số xích đạo (còn gọi là mặt số đẳng giác ) là bề mặt phẳng nhận bóng, vuông góc chính xác với kiểu dáng của gnomon. Mặt phẳng này được gọi là xích đạo vì nó song song với đường xích đạo của Trái đất và thiên cầu.

Nếu gnomon được cố định và thẳng hàng với trục quay của Trái đất, chuyển động quay biểu kiến ​​của mặt trời quanh Trái đất sẽ tạo ra một tấm bóng quay đều từ gnomon; điều này tạo ra một đường bóng quay đều trên mặt phẳng xích đạo. Vì Trái đất quay 360° trong 24 giờ nên các vạch giờ trên mặt số xích đạo đều cách nhau 15° (360/24).

Dong ho mat troi la gi Cach hoat dong cua dong ho mat troi 5
Đồng hồ St Katharine Docks , London (1973) mặt số đẳng giác của Wendy Taylor

Đồng hồ mặt trời ngang

Trong đồng hồ mặt trời nằm ngang (còn gọi là đồng hồ mặt trời trong vườn), mặt phẳng nhận bóng được căn chỉnh theo chiều ngang, thay vì vuông góc với kiểu như trong mặt số xích đạo. Do đó, đường bóng không xoay đồng đều trên mặt số; đúng hơn, các dòng giờ được đặt cách nhau theo quy tắc. 

Ưu điểm chính của đồng hồ mặt trời nằm ngang là dễ đọc và ánh sáng mặt trời chiếu sáng mặt đồng hồ quanh năm. Tất cả các vạch giờ giao nhau tại điểm mà kiểu dáng của gnomon cắt mặt phẳng ngang. Do kiểu được căn chỉnh với trục quay của Trái đất nên kiểu hướng về hướng Bắc thực và góc của nó với phương ngang bằng với vĩ độ địa lý của đồng hồ mặt trời.

Dong ho mat troi la gi Cach hoat dong cua dong ho mat troi 6
Đồng hồ mặt trời ngang ở Minnesota . Ngày 17 tháng 6 năm 2007 lúc 12:21. 44°51′39,3″B, 93°36′58,4″T

Đồng hồ mặt trời dọc  

Trong mặt số dọc thông thường, mặt phẳng nhận bóng được căn chỉnh theo chiều dọc; như thường lệ, kiểu dáng của gnomon được căn chỉnh theo trục quay của Trái đất. Giống như ở mặt số ngang, đường bóng không di chuyển đồng đều trên mặt; đồng hồ mặt trời không phải là hình vuông .

Mặt số có các mặt vuông góc với mặt đất và hướng thẳng về hướng Nam, Bắc, Đông hoặc Tây được gọi là mặt số hướng thẳng đứng. Người ta tin tưởng rộng rãi và được tuyên bố trong các ấn phẩm đáng kính rằng mặt số thẳng đứng không thể nhận được hơn 12 giờ ánh sáng mặt trời mỗi ngày, bất kể có bao nhiêu giờ ban ngày. Tuy nhiên, có một ngoại lệ.

Đồng hồ mặt trời thẳng đứng ở vùng nhiệt đới hướng về cực gần hơn (ví dụ hướng về phía bắc ở vùng giữa Xích đạo và Chí tuyến) thực sự có thể nhận được ánh sáng mặt trời trong hơn 12 giờ từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn trong một khoảng thời gian ngắn vào khoảng thời gian hạ chí.

Dong ho mat troi la gi Cach hoat dong cua dong ho mat troi 7
Hai mặt số dọc tại Houghton Hall Norfolk UK 52°49′39″B 0°39′27″E . Mặt số bên trái và bên phải lần lượt hướng về hướng Nam và Đông. Cả hai kiểu đều song song, góc của chúng với phương ngang bằng vĩ độ. Mặt số hướng về phía Đông là mặt số cực có các vạch giờ song song, mặt quay số song song với kiểu dáng.

Đồng hồ mặt trời hình cầu 

Bề mặt nhận bóng không nhất thiết phải là mặt phẳng mà có thể có bất kỳ hình dạng nào, miễn là người chế tạo đồng hồ mặt trời sẵn sàng đánh dấu các vạch giờ. Nếu kiểu dáng thẳng hàng với trục quay của Trái đất, thì hình cầu sẽ thuận tiện vì các vạch giờ cách đều nhau, giống như chúng nằm trên mặt số xích đạo được hiển thị ở đây; đồng hồ mặt trời có hình tam giác.

Đây là nguyên lý đằng sau hỗn thiên cầu và đồng hồ mặt trời cung xích đạo. ​​Tuy nhiên, một số đồng hồ mặt trời hình tam giác – chẳng hạn như mặt số Lambert được mô tả dưới đây – dựa trên các nguyên tắc khác.

Trong đồng hồ mặt trời cung xích đạo, gnomon là một thanh, rãnh hoặc dây căng song song với trục thiên thể. Mặt là hình bán nguyệt, tương ứng với đường xích đạo của hình cầu, có dấu ở bề mặt bên trong. Mô hình này, được chế tạo rộng vài mét bằng thép bất biến nhiệt độ, được sử dụng để giữ cho các đoàn tàu chạy đúng giờ ở Pháp trước Thế chiến thứ nhất.

Dong ho mat troi la gi Cach hoat dong cua dong ho mat troi 8
Đồng hồ mặt trời hình cung xích đạo ở Hasselt , Flanders ở Bỉ 50°55′47″B 5°20′31″Đ . Các tia sáng đi qua khe hẹp, tạo thành một tấm ánh sáng quay đều chiếu vào cánh cung tròn. Các vạch giờ cách đều nhau; trong hình ảnh này, giờ mặt trời ở địa phương là khoảng 15:00 giờ ( 3 giờ chiều ). Vào ngày 10 tháng 9, một quả bóng nhỏ được hàn vào khe sẽ tạo bóng ở giữa dải giờ.

Đồng hồ mặt trời hình trụ, hình nón và các mặt phẳng khác 

Các bề mặt không phẳng khác có thể được sử dụng để nhận bóng của gnomon. Là một giải pháp thay thế trang nhã, kiểu dáng (có thể được tạo ra bởi một lỗ hoặc khe trên chu vi) có thể nằm trên chu vi của hình trụ hoặc hình cầu, thay vì ở trục đối xứng trung tâm của nó.

Trong trường hợp đó, các đường giờ lại cách đều nhau, nhưng ở góc gấp đôi thông thường, do định lý góc nội tiếp hình học. Đây là cơ sở của một số đồng hồ mặt trời hiện đại, nhưng nó cũng đã được sử dụng từ thời cổ đại.

Trong một biến thể khác của hình trụ được căn chỉnh theo trục cực, mặt số hình trụ có thể được hiển thị dưới dạng bề mặt giống như dải băng xoắn ốc, với một gnomon mỏng nằm dọc theo tâm hoặc ở ngoại vi của nó.

Dong ho mat troi la gi Cach hoat dong cua dong ho mat troi 9
Đồng hồ mặt trời chính xác ở Bütgenbach, Bỉ. (Độ chính xác = ±30 giây) 50°25′23″B 6°12′06″E

Bài viết đã cung cấp cho bạn thêm thông tin về đồng hồ mặt trời là gì. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngại để lại bình luận để SHOPDONGHO.com giải đáp thắc mắc nhé.

Post a Comment

Previous Post Next Post