Làm đồng hồ Mặt Trời

Làm đồng hồ Mặt Trời

Trong các hoạt động sinh hoạt của các CLB thiên văn thì hoạt động kỹ năng thực nghiệm là khá thú vị mang tính chất vừa học vừa chơi.

Ở đây mình xin giới thiệu các mô hình Mặt Trời đơn giản để chúng ta hiểu thêm về sự chuyển động của bầu trời.

Do chưa có thời gian nên chỉ xin giới thiệu cách làm còn vì sao nó lại như vậy Mặt Trời trong năm chuyển động như thế nào... sẽ xin trình bày sau, và cũng mong các bạn cùng tham gia thảo luận.

---------------------------------------------------------------------------
Cấu tạo đồng hồ Mặt Trời.

1- Loại xích đạo: ]

Cấu tạo là 1 đĩa tròn ở tâm có 1 cọc nhọn vuông góc.

Đĩa khắc các vạch thể hiện giờ, 15 độ là 1 vạch 1 vòng tròn 360 độ là 24 vạch giờ nhưng chúng ta chỉ sử dụng 12 h ban ngày. Khắc vạch ở cả hai bên mặt đĩa.

15 độ là 1 h thế còn phút và giây ? Các bạn cứ chia nhỏ ra theo tỉ lệ 1/60 cung giờ cho 1 phút ...


Ảnh: Đồng hồ Mặt trời cổ ở Tử cấm thành - TQ



Làm như thế nào ?

- Dựng đĩa tròn nghiêng về hướng bắc tạo thành góc tù ở phía bắc và góc nhọn ở phía nam. Góc nhọn ở phía nam của mặt phẳng đĩa và mặt đất hay là góc giữa cọc và mặt đất phải bằng chính vĩ độ địa lý của bạn. Vạch 12 giờ phải ở gần mặt đất nhất.

- Bạn cần có 1 cái la bàn để chỉnh sao cho hướng của cọc chiếu xuống thẳng xuống mặt đất chính là hướng của kim la bàn.

Thực tế như đã biết hướng bắc của la bàn lệch khoảng 1 độ so với hướng bắc thực, nhưng không là vấn đề lớn. Như vậy nếu chỉnh đúng hướng thì cọc sẽ chỉ đúng sao bắc cực. (các bạn có thể dùng kim khâu và nam châm để làm la bàn, ai chưa biết hỏi lại nhé !).

Sử dụng ra sao ?

Chỉ cần trời không mây là dùng được rồi ! Bóng nắng chỉ vào vạch nào là giờ là nó đó.


Từ xuân phân đến hạ chí bóng sẽ ở mặt đĩa phía Bắc. còn thu phân đến đông chí bóng ở mặt đĩa phía nam.

Khi cọc ở giữa quá to chúng ta sẽ hiểu chỉnh lại xác định chỉ sử dụng bóng nắng ở rìa cọc





Các bạn đọc thêm về kiểu đồng hồ này
http://www.mysundial.ca/tsp/equatorial_sundial.html

Được fairydream sửa chữa / chuyển vào 21:40 ngày 26/02/2008

Kiểu trên hơi khó làm phải không ? Khó ở việc giữ cho đĩa ổn định nằm nghiêng.
2- Kiểu chân trời - đặt đĩa nằm ngang

Đặt cái đĩa bằng đá to như ở Tử cấm thành lỡ đó đổ thì chắc chết người :sm (15): và dựng lên chắc cũng vất vả.
Vậy chi bằng làm theo cách này ! Khá đơn giản nhưng bù lại lại cần phải tính toán một chút.
Chỉ cần ta làm 1/2 vòng tròn chia thành 12 vạch đều nhau để trên mặt đất ? Đời đâu có đơn giản vậy! Khi ở trên mặt đất mỗi giờ bóng của cọc sẽ đi được một khoảng không đều nhau. Ta phải tính toán chia vạch một chút.

Cách làm
Lấy nửa cung tròn, đường trung trực của đường kính là chỉ 12 giờ và đặt cung này sao cho vạch 12 hướng về đúng hướng bắc (dùng la bàn thôi). ở giữa tâm là một que sao cho góc của que và mặt đất chính là vĩ độ của bạn (như ở đồng hồ kiểu xích đạo).

Vấn đề là sao để chia các vạch giờ
Công thức này ở đâu mà có ? Ta bàn sau nhé !

t là độ lệch giờ cần tính và 12 h trưa- vạch thẳng về hướng bắc . Ví dụ 10h là t=2, 14h ->t=2.
λ là vĩ độ của bạn cứ làm tròn đi vì sai số rất nhỏ , TPHCM là 10 độ , Hà nội là 21 độ ...
θ là góc lệch giữa vạch 12 h và vạch giờ cần tìm.
Sau khi đã khắc vạch và để đồng hồ đúng vị trí các bạn có thể nhìn bóng nắng để xem giờ rồi.
+ Dành cho những người lười tính toán :
Trang web tính các góc của đồng hồ dạng tọa độ chân trời. Góc lệch so với mốc là 12h góc =0 độ
http://www.sundials.uklinux.net/hd_calc.htm
Bạn nhập vĩ độ mình vào rồi nhấn Calculator để tính.
HCM là 10 độ. Hà nội khoảng 21 độ.
Lưu ý là vạch 12h phải hướng về đúng hướng bắc và góc của cọc xiên phải bằng vĩ độ của bạn.
Nếu không có La bàn có thể chấp nhận sai số dùng đồng hồ đeo tay để xác định giờ rồi xoay đồng hồ mặt trời sao cho bóng nắng vào đúng vị trí góc giờ đó.

Mô hình làm bằng giấy bìa đơn giản

Xem thêm hướng dẫn về mô hình này tại
http://hilaroad.com/camp/projects/sundial/sundial.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Sundial
Giờ mặt trời sẽ chỉ gần đúng theo giờ đồng hồ. Lí do tìm hiểu tiếp trong các bài sau nhé !
Được fairydream sửa chữa / chuyển vào 20:39 ngày 26/02/2008

Để dựng cho mặt phẳng kim chỉ giờ đảm bảo vuông góc với mặt phẳng giờ có thể làm như sau




được fairydream sửa chữa / chuyển vào 19:11 ngày 15/04/2008

Web để tính toán góc giờ http://www.anycalculator.com/horizontalsundial.htm
(web ở bài trước do họ viết bàng vbscript nên chỉ chạy được với IE)
Clip giới thiệu về đồng hồ mặt trời và hướng dẫn cách làm có phụ đề tiếng việt
http://clip.vn/watch/Src
Link download dạng flv http://server.tanduc.com/~vietastr/TaiLieu_DungXoa/phim/dhmt.flv

Do ttvnol bị lỗi nên các hình ảnh hướng dẫn cách làm để cho kim vuông góc với 1 mô hình đơn giản bằng bìa cứng các bạn có thể xem ở CLIP trên
-----------------
Bây giờ chúng ta thảo luận về công thức chia vạch giờ của đồng hồ đặt nằm ngang

t là độ lệch giờ cần tính và 12 h trưa- vạch thẳng về hướng bắc . Ví dụ 10h là t=2, 14h ->t=2.
λ là vĩ độ của bạn cứ làm tròn đi vì sai số rất nhỏ , TPHCM là 10 độ , Hà nội là 21 độ ...
θ là góc lệch giữa vạch 12 h và vạch giờ cần tìm.
Để xác định công thức này có thể dùng lượng giác cầu.
Nhưng chúng ta sẽ khảo sát phương pháp sử dụng mặt phẳng hình chiếu với hình học cơ bản.

Cái đĩa tròn là đồng hồ mặt trời dạng xích đạo với cái kim DP tạo thành 1 góc Beta là vĩ độ địa lý của bạn.
Như chúng ta đã biết đồng hồ dạng này thì trên mặt đĩa khắc 24 vạch đều nhau mỗi vạch là 15 độ. Nhưng khi dùng mặt nằm ngang của đồng hồ dạng chân trời thì vạch giờ không còn là cách đều 15 độ nữa mà nó là góc alpha.
Nhiệm vụ của chúng ta là xác định các góc alpha này.
Dựng các mặt phẳng hình chiếu như trên
Ta có các góc vuông ^DCP = ^BCN = ^DCN = ^DBC
^CDN = αlpha = là góc giờ cần tính.
^CDB = β = là vĩ độ của bạn
BN = là đường xác định giờ của đồng hồ dạng xích đạo tính từ gốc 12 giờ. n là độ lệch giờ so với 12h. Ví dụ 11h và 1h =>n=1, 10h và 2h =>n=2
n=1 thì ^CBN= 15°
với n ^CBN = 15n°
Trong tam giác vuông DBC ta có sinβ = BC/DC, vì thế BC = DCsinβ
Trong tam giác vuông CBN ta có góc ^CBN = 15n°
Suy ra tan(15n) = CN/ BC
CN = BC tan15n = DCsinβ tan15n
Cuối cùng với tam giác vuông DCN:
tanα = CN/DC = sinβ tan(15n)
Nhưng vậy công thức tính góc giờ alpha của đồng hồ đặt kiểu nằm ngang đã được xác định.
Ngoài ra còn 1 kiểu đồng hồ nữa đặt trên mặt phẳng vuông góc với mặt đất, tạm gọi là đồng hồ treo tường.
Công thức tính góc của loại này cũng tìm tương tự như trên
tanα ? = cosβ tan(15n)
Loại đồng hồ treo tường này chỉ hữu dụng nhất ở các nước có vĩ độ cao hơn 23.5 độ khi mặt trời không bao giờ cao hơn thiên đỉnh vào giữa trưa. Và ánh nắng mặt trời luôn chiếu sáng mặt tường phía Nam.
Còn như nước ta trong năm có lúc mặt trời chiếu sáng mặt tường phía nam và có lúc lại chỉ chiếu sáng mặt tường phía bắc. Nên nếu làm đồng hồ dạng này chúng ta phải làm ở cả 2 mặt tường bắc và nam
Mong được sự góp ý của các bạn nếu có sai sót, vì đồng hồ mặt trời nên đưa vào các trường phổ thông như là một hoạt động ngoại khóa. và hi vọng chúng ta sẽ cùng làm điều này.
"Ngọn nến thích chiếu sáng chung quanh nhưng dưới chân nó lại tối"

[qoute]Giờ mặt trời sẽ chỉ gần đúng theo giờ đồng hồ. Lí do tìm hiểu tiếp trong các bài sau nhé ![/quote]
Chúng ta sẽ cùng thảo luận tiếp vấn đề này.
Số 8 gì đây ?

Nó có tên gọi là analemma là quĩ đạo dịch chuyển của Mặt trời cùng một thời điểm trong ngày theo từng ngày trong năm.
Số tám trên được ghép lại bởi 365 bức ảnh trong năm, quĩ đạo của MT vẽ nên hình số 8.
Từ khóa google : "analemma", "equation of time"
Một số link tham khảo:
Thời gian mặt trời http://vi.wikipedia.org/wiki/Th%E1%B...t_Tr%E1%BB%9Di
http://en.wikipedia.org/wiki/Analemma
http://www.analemma.com/Pages/framesPage.html
Mình trích 1 bài bên wiki

Thời gian Mặt Trời thực
Thời gian Mặt Trời thực hay thời gian Mặt Trời biểu kiến là thang đo thời gian dựa hoàn toàn trên đồng hồ Mặt Trời, trong đó 12h trưa chính là lúc Mặt Trời nằm ở điểm cao nhất trên bầu trời. Đây là cơ sở để xây dựngngày Mặt Trời biểu kiến, đó là khoảng thời gian giữa hai lần Mặt Trời đi qua điểm cao nhất trên bầu trời địa phương thiên đỉnh
Ngày Mặt Trời biểu kiến dài hơn ngày theo sao Lý do là khi hành tinh quay trọn một vòng quanh trục của nó đối với nền sao, thì cùng lúc nó đã di chuyển trên quỹ đạo được một góc nhỏ, và vị trí của Mặt Trời đã thay đổi trên nền sao. Điều này khiến người quan sát trên hành tinh cần quay thêm góc nhỏ đúng bằng góc mà hành tinh đã di chuyển trên quỹ đạo để lại được nhìn thấy Mặt Trời trên kinh tuyến của mình. Như vậy khoảng thời gian dài thêm của ngày Mặt Trời chính là khoảng thời gian cần để hành tinh tự quay quanh trục một góc bằng góc (so với nền sao) mà nó đã di chuyển được trên quỹ đạo trong một ngày.
Ngày Mặt Trời biểu kiến là một khoảng thời gian không cố định, có thể thay đổi từ ngày này qua ngày khác trong năm. Đó là do quỹ đạo của hành tinh quanh Mặt Trời không thực sự là đường tròn mà là đường elip và hành tinh không thực sự chuyển động tròn đều trên quỹ đạo. Theo định luật Kepler điểm cận nhật và ít hơn tại điểm viễn nhật. Suy ra tại điểm cận nhật, ngày Mặt Trời thực dài ra, và tại điểm viễn nhật, ngày này ngắn lại.
Đối với Trái đất, do trục của Trái đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời, đường đi của Mặt trời trên thiên cầu (đường hoàng đạo) nghiêng so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất. Khi Mặt trời đi qua hai điểm phân (giao điểm của mặt phẳng hoàng đạo và mặt phẳng xích đạo), hình chiếu của chuyển động này trên xích đạo sẽ chậm nhất. Khi Mặt trời đi qua hai điểm chí (lên cao nhất phía bắc và xuống thấp nhất về phía nam so với xích đạo), hình chiếu của chuyển động Mặt trời trên xích đạo sẽ là nhanh nhất. Do đó ngày Mặt trời biểu kiến sẽ ngắn hơn vào các ngày 26-27 tháng 3, 12-13 tháng 9 và dài hơn vào các ngày 18-19 tháng 6, 20-21 tháng 12. Những ngày này lệch đi một chút so với các ngày phân và ngày chí thực do điều chỉnh theo tốc độ nhanh/chậm của Trái đất tại các điểm cận nhật và viễn nhật.
Thời gian Mặt Trời trung bình
Thời gian Mặt Trời trung bình được tính theo trung bình của thời gian mặt trời và dùng để tính thời gian cho đồng hồ nhân tạo, sao cho tất cả các ngày Mặt Trời trung bình có độ dài bằng nhau là 24h (86.400 giây). Chênh lệch giữa độ dài của một ngày Mặt trời biểu kiến và độ dài một ngày Mặt trời trung bình dao động từ ngắn hơn 22 giấy cho đến dài hơn 29 giây. Vì các ngày dài hoặc ngắn thường đi liền nhau nên khoảng thời gian chênh lệch này được tích lũy lại, và có thể lên tới sớm hơn 17 phút hoặc chậm hơn 14 phút. Vì các chu kỳ này là tuần hoàn nên không có sự tích lũy chênh lệch thời gian qua 1 năm.
Mối liên hệ giữa thời gian Mặt Trời trung bình và thời gian Mặt Trời thực được mô tả chính xác qua phương trình thời gian. Trong một năm, giờ xác định theo vị trí Mặt trời có thể nhanh hơn giờ đồng hồ tới 16 phút 33 giây (vào khoảng 31 tháng 10 hoặc 1 tháng 11 dương lịch) hoặc chậm hơn đến 14 phút 6 giây (vào ngày 11 hoặc 12 tháng 2).
Tương tự, thời điểm Mặt Trời ở thiên đỉnh có thể không trùng vào 12h trưa. Trên Trái Đất, thời điểm này có thể bị lệch khoảng 15 phút, còn trên Sao Hỏa, hành tinh có quỹ đạo méo hơn, thời điểm này có thể bị lệch tới 1h.
Chúng ta sẽ cùng nghiên cứu việc hiệu chỉnh đồng hồ mặt trời cho chính xác với thời gian trung bình theo đồng hồ.
Đây là đồ thị của phương trình thời gian thể hiện sự chênh lệch giữa giờ đồ hồ mặt trời và h đồng hồ theo các ngày trong năm

Được fairydream sửa chữa / chuyển vào 13:10 ngày 16/04/2008

Tài liệu khá chi tiết về các loại đồng hồ mặt trời của Hội Đồng Hồ Mặt Trời Bắc Mỹ.
http://www.wsanford.com/~wsanford/exo/sundials/sundial_geometry.pdf

Trong 1 chuyến đi lên miền bắc nước Pháp, mình thấy 1 cái đồng hồ Mặt Trời trong một viện bảo tàng. Tiếc rằng không có máy ảnh nên chỉ nhờ chụp một tấm:

Cái đồng hồ ở trên có thêm cái kính để làm gì ta ? Hay để hội tụ ánh sáng tạo bóng rõ hơn ?!
------------------------------------------------------------------
Ở đây ta quay lại đồng hồ đang nằm ngang Horizontal Sundial một chút.
Có công thức chúng ta có thể tính ra các góc giờ, nhưng nếu không có máy tính hay hướng dẫn cho các trẻ em không biết tính toán thì chúng ta phải làm sao ?
Đồng hồ dạng này còn gọi là Garden Sundial vì hay đặt ở trong vườn các ngôi nhà ở vùng quê Châu Âu.
Hãy xem các các nhà vườn làm sao nhé.
Chỉ cần kéo dài các góc giờ của mặt đồng hồ dạng xích đạo chạm mặt phẳng nằm ngang và đáng dấu lại. Quá đơn giản mà không phải tính toán gì.
http://www.qwerty.co.za/sundials/images/hori***pl.gif

Các bạn có thể xem kĩ hơn tại
http://www.qwerty.co.za/sundials/howto/modelhoz.html

Loại đồng hồ này anh có nghe nói nhưng chưa từng thấy ảnh.
Thấu kính hội tụ đặt sao cho vào đúng 12h trưa, ánh nắng mặt trời hội tụ đúng vào điểm kích hoả của súng đại bác, và khi đó "bùm" báo giờ cho thiên hạ biết.
Cảm ơn bức ảnh của Tú.
Nếu có thêm tỉ lệ nữa thì hay quá. Cái này anh em mình cũng có thể làm được !