Часы с уравнением — это механические часы , которые включают в себя механизм, имитирующий уравнение времени , так что пользователь может читать или рассчитывать солнечное время , как показывают солнечные часы . Первые точные часы, управляемые маятниками , были запатентованы Христианом Гюйгенсом в 1657 году. В течение следующих нескольких десятилетий люди все еще привыкли использовать солнечные часы и хотели иметь возможность использовать часы для определения солнечного времени. Уравненные часы были изобретены, чтобы удовлетворить эту потребность.
Ранние часы с уравнениями имели указатель, который перемещался, показывая уравнение времени на циферблате или шкале. Сами часы идут с постоянной скоростью. Пользователь рассчитывает солнечное время, добавляя уравнение времени к показаниям часов. Более поздние часы с уравнением, созданные в 18 веке, выполняют компенсацию автоматически, поэтому часы напрямую показывают солнечное время. Некоторые из них также показывают среднее время , которое часто называют «время часов».
Все часы с уравнением включают в себя механизм, имитирующий уравнение времени, поэтому рычаг перемещается или вал вращается таким образом, что отражает изменения уравнения времени в течение года. Существует два часто используемых типа механизма:
В механизме этого типа вал приводится в движение часами, поэтому он вращается один раз в год с постоянной скоростью. На валу установлен кулачок , который имеет форму примерно «почки», так что его радиус, по сути, представляет собой график годовых изменений уравнения времени. Толкатель и рычаг опираются на кулачок, так что при вращении кулачка рычаг перемещается таким образом, что представляет собой изменяющееся уравнение времени. Этот рычаг управляет другими компонентами часов.
В близком приближении уравнение времени можно представить в виде суммы двух синусоидальных волн, одной с периодом в один год, другой с периодом в шесть месяцев, причем относительная фаза меняется очень медленно (незначительно заметно в течение периода времени). столетия). Более подробно см. объяснение в Уравнении времени .
Двухвальный механизм имеет два вала, вращающихся с постоянной скоростью: один вращается один раз в год, а другой — два раза в год. Кривошипы или штифты, прикрепленные к двум валам, перемещают два конца комбинированного рычага (иногда называемого рычагом) синусоидально; если размеры выбраны правильно, средняя точка стержня движется таким образом, что имитирует уравнение времени.
В тот период, когда создавались и использовались часы для уравнений, все часы делались вручную. Нет двух абсолютно одинаковых. Многие уравнения имеют и другие функции, например, отображение фазы луны или времени восхода и захода солнца. Если оставить в стороне подобные дополнения, то часы функционируют четырьмя различными способами. Следующие параграфы предназначены не для подробного описания отдельных часов, а для иллюстрации общих принципов этих четырех различных типов уравнений часов. Основные принципы работы конкретных часов напоминают эти, но детали различаются. Доступ к изображениям и описаниям различных часов с уравнениями, которые до сих пор существуют в музеях, можно получить по внешним ссылкам, указанным ниже.
Многие часы с уравнениями, особенно ранние, имеют обычный часовой механизм, показывающий среднее время, а также дисплей, на котором отображается уравнение времени. Механизм моделирования уравнения времени управляет указателем на этом дисплее. Пользователь должен добавить уравнение времени к времени часов, чтобы рассчитать солнечное время.
Большинство более поздних уравнений, созданных в 18 веке, напрямую отображают солнечное время. Многие из них также отображают среднее время и уравнение времени, но пользователю не нужно выполнять сложение. Существует три типа:
Были созданы часы, в которых минутные отметки расположены на круглой пластине, которую можно поворачивать вокруг той же оси, что и стрелки. Ось проходит через отверстие в центре тарелки, а руки находятся перед тарелкой. Минутная часть времени, показываемая часами, определяется положением минутной стрелки относительно отметок на пластине. Стрелка приводится в движение по часовой стрелке с постоянной скоростью с помощью часового механизма, а пластина поворачивается с помощью механизма, имитирующего уравнение времени, вращаясь против часовой стрелки, когда уравнение времени увеличивается, и по часовой стрелке, когда оно уменьшается. Если передаточные числа правильные, часы показывают солнечное время. Среднее время также может отображаться с помощью отдельного стационарного набора минутных отметок на циферблате, за пределами края пластины. Отображение часов не настроено на уравнение времени, поэтому показания часов являются слегка приблизительными. Это не имеет никакого практического эффекта, поскольку всегда легко увидеть, какой час правильный. Эти часы механически проще, чем другие типы, описанные ниже, но у них есть недостатки: солнечное время трудно прочитать, не глядя внимательно на минутную отметку, и часы нельзя заставить отбивать часы по солнечному времени.
Эти часы включают в себя устройство наверху маятника, которое слегка меняет его эффективную длину, поэтому скорость часов меняется. Это устройство приводится в действие механизмом моделирования, который моделирует скорость изменения уравнения времени, а не его фактическое значение. Например, в декабре и январе, когда уравнение времени убывает, поэтому солнечные часы идут медленнее, чем обычно, механизм фактически делает маятник длиннее, чем обычно, поэтому часы идут медленнее и идут в ногу со временем солнечных часов. В другое время года маятник укорачивается, поэтому часы идут быстрее, снова идя в ногу со временем солнечных часов. Этот тип механизма показывает только солнечное (солнечные часы) время. Часы, использующие его, нелегко заставить показывать среднее время, если не включить отдельный часовой механизм с собственным маятником. Есть некоторые уравнения часов, в которых это делается, но для этого требуется, чтобы корпус часов был очень прочным, чтобы избежать сцепления между маятниками. Еще одним недостатком часов с переменным маятником является то, что уравнение времени нелегко отобразить.
В некоторых более поздних часах с уравнением маятник качается с постоянной частотой , управляя обычным часовым механизмом. Часто этот механизм управляет дисплеем, показывающим среднее (часы) время. Однако есть дополнительные компоненты: механизм моделирования уравнения времени, описанный выше, и устройство, которое автоматически добавляет уравнение времени к времени часов и управляет дисплеем, показывающим солнечное время. Сложение осуществляется аналоговым методом , с использованием дифференциала . [1] Этот тип механизма часов с уравнениями является наиболее универсальным. Солнечное и среднее время могут быть легко и четко отображены, как и уравнение времени. Бить часы в обоих видах времени также легко организовать. После изобретения в 1720 году [2] этот механизм стал стандартным и использовался на протяжении большей части XVIII века, пока спрос на уравнения часов не прекратился.
Медленные изменения в движении Земли вызывают постепенные изменения в годовом ходе уравнения времени. [3] График в верхней части этой статьи показывает годовое изменение в его нынешнем виде, примерно в 2000 году. Через много столетий в прошлом или будущем форма графика будет совсем другой. Большинство уравнений часов было построено около трех столетий назад, с тех пор изменение годового хода уравнения времени было небольшим, но заметным. Часы воплощают годовой ход, каким он был на момент их изготовления. Они не компенсируют медленные изменения, о которых тогда не было известно, поэтому сейчас они немного менее точны, чем были, когда были новыми. Самая большая ошибка по этой причине в настоящее время составляет около одной минуты. Если через столетия эти часы выживут, ошибки будут еще больше.
Уравнения часов как таковые больше не используются широко. Однако компоненты, функционально те же, что и в уравнениях часов, все еще используются, например, в солнечных трекерах , которые движутся так, чтобы следовать за движением Солнца по небу. Многие из них не чувствуют положения Солнца. Вместо этого у них есть механизм, который вращается вокруг полярной оси с постоянной скоростью 15 градусов в час, соизмеримой со средней скоростью вращения Земли относительно Солнца. Иногда создается цифровое представление этого вращения, а не физическое вращение компонента. Затем к этому постоянному вращению добавляется уравнение времени, создавая вращение трекера, которое соответствует видимому движению Солнца. Как правило, в этих машинах используются современные технологии, включая электронику и компьютеры, вместо механических устройств, которые использовались в исторических часах с уравнениями, но функция та же.
Примечание. В некоторых из этих исторических материалов время на часах называется «равным временем», а время солнечных часов — «кажущимся временем» или «истинным солнечным временем».