Đồng hồ mặt trời và phương trình thời gian

Nội dung chính

Đồng hồ mặt trời

Đồng hồ mặt trời là gì?

Đồng hồ mặt trời chính là một thiết bị đo đạc thời gian dựa trên góc độ mặt trời chiếu xuống thiết bị đo. Dựa vào bóng của thiết bị chiếu xuống mặt dĩa (thiết bị phản chiếu bóng) mà những người cổ xưa đã xác định được thời gian trong ngày, cách đo đạc này còn được biết đến với tên gọi “ Nhật Quỹ”.

Hình ảnh đồng hồ mặt trời vẫn còn quá xa lạ với giới trẻ ngày nay

Thiết bị chủ yếu của đồng hồ hệ mặt trời bao gồm hai phần, một đĩa đá và một kim đồng hồ (làm từ đồng).

Mặt đá của dĩa được chạm khắc mười hai canh giờ giống như các loại đồng hồ cơ hiện nay, nhưng dưới dạng Tý, Sửu, Dần, Mão, Thìn, Tỵ, Ngọ, Mùi, Thân, Dậu Tuất, Hợi tượng trung cho 1 cho đến 12 giờ tiêu biểu.

Điểm sơ qua về nguồn gốc đồng hồ mặt trời thì quá trình chế tạo của đồng hồ mặt trời Ai Cập cổ đại đã được tạo ra từ khoảng hơn 3500 trước Công Nguyên, kim được làm từ cột lớn. Tuy nhiên, đồng hồ mặt trời lúc sơ khai có độ chính xác không cao.

Mặt đá của đồng hồ mặt trời chạm khắc dưới dạng 12 con giáp

Cho đến gần 2000 năm sau, đồng hồ mặt trời Ai Cập cổ đại mới có ngoại hình đẹp hơn và độ chính xác tốt hơn với việc thay thế cột lớn thành một thanh kim loại để hứng bóng mặt trời.

●●● Điểm lưu ý của đồng hồ mặt trời Ai Cập cổ đại là khi mặt trời đạt chính ngọ thì sẽ được xoay 180 độ để hiện giờ chiều. Sau này, người Ai Cập cổ đại đã chế tạo thành công đồng hồ mặt trời có thể xoay 360 độ.

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ mặt trời

Đồng hồ hệ mặt trời hoạt động dựa theo độ dài của hình ảnh, phản chiếu của kim đồng hồ trên mặt dĩa. Hình ảnh phản chiếu của kim có chiều dài lớn nhất vào buổi sáng tinh mơ và ngắn nhất khi vào giữa trưa lúc mặt trời ở đỉnh đầu.

Nếu xét chiếc đồng hồ hệ mặt trời theo chí tuyến Bắc thì vào buổi sáng hình ảnh phản chiếu của kim sẽ lần lượt ở hướng Tây vào buổi sáng, hướng Bắc vào buổi trưa, và buổi chiều tà chiếc bóng sẽ ở hướng Đông.

Về vị trí của bóng, tuân theo quy luật từ xưa đến nay, mặt trời mọc đằng Đông và lặn phía Tây

Để dễ dàng quan sát và quản lý được thời gian thì việc quan sát độ dài ngắn của hình ảnh phản chiếu sẻ đơn giản nhất, độ dài của hình ảnh phản chiếu sẽ thay đổi từ Tây sang Đông.

Cách sử dụng đồng hồ mặt trời

Hoạt động của đồng hồ mặt trời chủ yếu dựa theo hình ảnh phản chiếu của kim lên mặt đĩa. Vì vậy chúng ta phải hiểu rõ về quy trình hoạt động của đồng hồ.

Mặt trời chuyển động từ Đông sang Tây và liên tục không hề dừng lại. Sau khi đi về hướng Tây và biến mất rồi lại xuất hiện lại từ phía Đông thì khoản thời gian mặt trời biến mất và xuất hiện trở lại chính là thời điểm ban đêm của chúng ta.

Từ đó, chúng ta có thể dễ dàng hình dung mặt trời chuyển động 360 độ xung quanh chúng ta nhưng thực tế là do chính chúng ta di chuyển xung quanh mặt trời 360 độ trong 24 tiếng (đây là chu kỳ di chuyển).

Cách sử dụng đồng hồ mặt trời không quá phức tạp

Để có thể sử dụng đúng và chính xác đồng hồ mặt trời thì đầu tiên chúng ta phải xác định, đặt kim đồng hồ theo hướng trục của trái đất (hướng Bắc Nam).

Tiếp theo là xác định vĩ độ ở khu vực chúng ta đang sinh sống, điều này có thể xác định dựa theo bản đồ tọa độ (có thể tra Google). Việc xác định vĩ độ để điều chỉnh góc nghiêng của kim qua đó giúp chúng ta có thể đặt được thời gian chính xác nhất.

Ưu và nhược điểm của đồng hồ mặt trời

Về ưu điểm: sự tiện lợi khi ai cũng có thể tự làm cho mình một chiếc đồng hồ để có thể nắm bắt được thời gian khi chỉ cần một cây gỗ thẳng đứng và một đĩa tròn chia thành 12 mảnh đều nhau và cách nhau 15 độ. Điều này rất cần thiết nếu chúng ta bị lạc trong rừng hoặc ở những nơi bị ảnh hưởng từ nhiều.

Ưu điểm của đồng hồ mặt trời và hạn chế của nó

Nhược điểm: yêu cầu nơi có nhiều ánh nắng mặt trời, hạn chế của đồng hồ mặt trời tiếp theo chính là chỉ có thể hoạt động trong thời gian ban ngày và cuối cùng chính là độ chính xác của đồng hồ này.

⇒ Vậy là ưu điểm và nhược điểm của đồng hồ mặt trời đã được chúng ta đưa ra rất cụ thể. Hy vọng các bạn có thể vận dụng nếu ở trong các trường hợp khẩn cấp

Cách tạo ra đồng hồ mặt trời

Để có thể tạo ra đồng hồ mặt trời việc chọn một cây cột và một mặt đĩa tròn là vật không thể thiếu. Tiếp đó, đặt cây cột xéo một góc 50-70 độ so với mặt đĩa, rồi tiếp tục chia tấm đĩa tròn thành 12 miếng đều nhau và cách nhau 15 độ để hiển thị 12 giờ đồng hồ.

Về tính toán:

Ví dụ nếu chúng ta đang ở Hà Nội thì góc nghiêng sẽ là 21 độ, do vĩ độ tại Hà Nội là 21 độ Vĩ Bắc, còn ở TPHCM thì là 10 độ.

Về độ dài của thanh cột: bạn chỉ cần lựa chọn sao cho hình ảnh phản chiếu bằng với bề mặt dĩa đã chọn lúc đầu.

Cách tạo ra đồng hồ mặt trời

✶✶✶Công thức được chúng ta vận dụng lần này là: tanB = tanA/tanC, trong đó:

✔ B: góc giờ để chúng ta xác định trên bề mặt đồng hồ mặt trời với tâm là 6h và lần lượt là 7,8,9,10,11 từ trái sang phải, và 5,4,3,2,1 cho chiều ngược lại.

✔ C: vĩ độ nơi bạn đang sinh sống (bạn có thể kiểm tra trên các công cụ hoặc phần mềm hỗ trợ).

✔ A: các góc tăng đều 15 độ tính từ số 7, tương tự các số 8,9,10,11 sẽ là 30,45,60 và 75 độ.

Tạo đồng hồ mặt trời theo công thức toán học

⇒ Sau khi xác định được các góc chúng ta có thể trang trí thêm cho mặt đồng hồ để tạo thêm điểm nhấn và sang trọng cho chiếc đồng hồ tự tay bạn thiết kế.

Phương trình thời gian

Đặt vấn đề

Trong thực tế, quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời gần giống với hình tròn, nhưng bản chất vẫn là hình elip.

Nhiều người trong chúng ta không mấy để ý về sự chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng hay các hành tinh, có lẽ hầu hết chúng ta sống ở những nơi ô nhiễm không khí và ô nhiễm ánh sáng nên chúng ta khó có thể nhìn thấy bầu trời.

Do đó, chúng ta giả định chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời là chuyển động đều, mất chính xác 24 giờ để Mặt Trời trở lại vị trí cũ mỗi ngày.

Nhưng thực tế không đơn giản vậy. Giữa vị trí của Mặt Trời đối với Trái Đất cùng thời điểm trong ngày có sự sai lệch tối đa 30 phút, diễn ra trong suốt cả năm. Cụ thể, Mặt Trời ở “phía sau” khoảng 14 phút 6 giây (khoảng ngày 12 tháng Hai hằng năm) và ở “phía trước” lên đến 16 phút 33 giây (khoảng ngày 3 tháng 11 hằng năm).

Có 2 lí do để giải thích:

1. Trái Đất xoay quanh Mặt Trời theo một hình elip, chứ không phải một vòng tròn như chúng ta đã thấy ở trên. Điều này có nghĩa Trái Đất không quay quanh Mặt Trời với một tốc độ nhất định.

2. Trái Đất nghiêng 23.44 độ

Nếu Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời theo một vòng tròn hoàn hảo và không có độ nghiêng, chúng ta sẽ thấy Mặt Trời lên cao trong cùng vị trí như vậy mỗi ngày.

Người Hy Lạp cổ đã viết về vấn đề này, nhưng vì họ không có đồng hồ chính xác nên họ không quá quan tâm đến.

Đến thế kỷ XVI với sự phát minh ra đồng hồ quả lắc, con người biết được chính xác Mặt Trời ở đâu vào thời điểm trong năm có vai trò quan trọng trong việc đi biển.

Xây dựng Phương trình đường thời gian

Phương trình thời gian sử dụng 2 lý do trên và có thể cho chúng ta biết Mặt Trời ở phía trước hay phía sau Trái Đất và khoảng cách giữa chúng là bao xa.

Một hàm số có xấp xỉ tốt cho phương trình thời gian như sau, trong đó d là ngày trong năm và kết quả hàm số là số phút sai lệch:

Sự biến thiên thời gian=−7.655sin(d) +9,873sin(2d + 3.588)

Phương trình này có 2 phần:

Sự biến thiên theo độ nghiêng của Trái Đất = −7.655sin(d)

Biểu thức này làm tăng thêm 7.655 phút cho phương trình thời gian, chu kỳ là một năm (365.25 ngày).

Sở dĩ ta có điều trên là do ảnh hưởng của độ lệch tâm quỹ đạo. Vì vậy, ta phải điều chỉnh cho thời gian chính xác. Phương trình điều chỉnh thời gian là:

−7.665sin(2πd365)

Thành phần thứ hai:

Biến thiên do quỹ đạo hình elip= 9.873sin(2d + 3.588) Biểu thức này làm tăng thêm 9.873 phút vào sự thay đổi vị trí Mặt Trời, có chu kỳ khoảng nửa năm.