III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ВРЕМЯ И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ
Маршалкин В.Ю.
Автор работы награжден дипломом участника конкурса
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Актуальность выбора темы

Время… Вся жизнь и деятельность людей проходит во времени и пространстве. Явление природы такие как смена дня и ночи воспринимался людьми как временной отрезок, хотя измерять его научились значительно позднее. Природа показала людям, что в природе все циклично день – ночь, зима – лето. И эти периодические явления нельзя изменить: человечество не знает времени когда их не было. Значит природа подарила нам сутки, месяц, год. Отрезки времени меньше чем сутки людям пришлось изобретать самим, а заодно и научиться хранить их. Систему счета значительных промежутков времени, основанную на периодических явлениях окружающего мире , принято называть календарем. Именно календарь позволяет устанавливать определенный порядок счета дней в году; он неотделим от человеческой культуры. Хотя календарь, которым мы пользуемся в настоящее время, появился не сразу. Он имеет свою давнюю сложную историю, которая еще не завершена и до сих пор, так как современный календарь нельзя назвать совершенным. При установлении эталона для измерения времени возникали значительные трудности в силу того, что внесистемные единицы времени – месяц и год – несоизмеримы между собой. А время наряду с пространством является одной из основных форм существования материи.

И все же такое время? Самый простой ответ: время – это то, что отмеряют часы. А часы это прибор, а точнее автомат. И как бы он не выглядел- часами с кукушкой или швейцарскими навороченными часами- суть их работы остается той же они просто измеряют время. И я думаю любимая игрушка людей будет всегда любимой и востребованной пока будет на Земле существовать человек. Даже если человек покинет нашу планету, то и тогда чело мы придумаем, подкорректируем и будем опять использовать чудо техники и мысли – часы.

Прочитав немало статей, испытав гордость за все то, что изобрели наши далекие предки, я решил внести посильный вклад в дело восстановления некоторых видов часов.

1.2 Цели и задачи исследовательской работы

Цель исследования - экспериментальное изучение некоторых видов часов.

Задачи :

1.Понять уникальность различных видов часов..

2.Описать принцип работы и способы изготовления солнечных и водяных часов.

3.Изготовить модели древних водяных часов и солнечных (экваториальных и горизонтальных)

Объект исследования - процесс измерения времени.

Предмет - виды часов как инструменты измерения времени.

Гипотезы исследования:

Во-первых, если пользоваться конструкцией часов, связанной с движением Солнца, то можно обеспечить точное измерение промежутка времени?

Во-вторых, если связать скорость вытекания жидкости из одного сосуда в другой с объёмом вытекающей жидкости, то можно создать водяные часы.

Методы исследования:

теоретические –анализ, синтез, сравнение, обобщение;

эмпирические - экспериментальное измерение времени в условиях географической широты г. Владикавказа с помощью солнечных часов;

экспериментальное измерение интервалов времени с помощью водяных часов.

Актуальность темы: мы не можем в повседневной жизни совсем обойтись без часов, ведь в нашем суетливом и быстро меняющимся мире если на миг оторваться от хронографа, то можно пропустить для себя что - то важное и уже невосполнимое.

А что будет, если людей лишить часов? Как они способны будут оценить по своим субъективным ощущениям временной интервал между событиями? И насколько точно?

2.Теоретический материал для исследовательской работы.

  1.  
    1. Виды часов.

Человек разумный стал интересоваться, как измерить время. Древние люди для измерения времени использовали то, что некоторые тела сгорают не сразу, а горят постепенно. Например, свечи, масляные лампы, фитили. Эти предметы быта и стали первыми в ряду предметов, которые легли в основу измерения промежутков времени. Так древние китайцы придумали огненные часы. Эти часы состояли из горючих палочки или спирали, не которую вешали маленькие шарики. Когда огонь подбирался к нитям с шариками, то они падали в специальную чашу. Т.к. огонь горел равномерно, то шарики тоже падали через одинаковые промежутки. Промежутки между падением служило измерение отрезков времени.

В Европе огненные часы выглядели несколько иначе: они представляли собой большую свечу, боковая поверхность которой была разделена метками на равные промежутки времени. Чем не прибор для измерения времени. Кстати такие свечи можно найти и сейчас. Их используют скорее как элемент декора, чем как часы.

В России масляная лампа была источником освещения и естественно, что ее приспособили под прибор для измерения времени. Основной деталью таких часов был сосуд различной формы и размеров ( большой для большего промежутка времени, а маленький для маленького) с вертикальной шкалой. Т.к. сосуд был прозрачный, то убыль масла при горении и было мерилом промежутков времени.

Но ведь не только убыль масла можно использовать в хронометрах, на убыль например воды ( или любой другой жидкости) или наконец песка. Так возникли водяные и песочные часы. А всего – то надо иметь два соединенных между собой сосуда и жидкость или песок. И готов прибор. За определенный промежуток времени песок пересыпается из верхнего сосуда в нижний. Чтобы измерить следующий промежуток часы нужно перевернуть.

Водяные часы назывались клепсидры или гидрологиум в которых вода вытекала по каплям из сосуда и количество этой воды была мерилом промежутка времени. Упоминание о таких часах можно найти в древней Греции, Египте, Вавилоне. А вот представители Азии сосуд делали полукруглой формы, внизу такого сосуда делалось небольшое отверстие. Если теперь его поместить в сосуд с водой большего размера, то полусфера плавая, начнет постепенно заполняться водой. народов Азии принцип действия был другой. Водяные часы использовались до XVII век

Еще один тип часов пришедший к нам из прошлого это солнечные часы. Они, хотя и утратили свое первоначальное предназначение, но в полной мере являются украшением парков и сиен церквей.

Первое упоминание о солнечных часах мы находим в документах Древнего Египта. Дошла до наших дней надпись в гробнице Сети I, датируемая 1306—1290 гг. до н. э. Надпись повествует о том, как измерить время по длине тени от Солнца отбрасываемой на пластинку с делениями. На одном конце её прикреплён невысокий брусок с длинной горизонтальной планкой, которая и отбрасывала тень. Конец пластины с планкой направлялся на восток, и по меткам на прямоугольной пластине устанавливался час дня, который в Древнем Египте определялся как 1/12 промежутка времени от восхода до заката. После полудня конец пластины направлялся на запад. И такие часы дошли до нас: первые часы датируются 1479- 1425 гг. до нашей эры ( время правления Тутмоса III), а вторые были найдены в египетском городе Саисе. Но вторые солнечные часы были на 500 лет моложе. На конце у них есть только брусок, без горизонтальной планки, а также имеется желобок для отвеса для придания устройству горизонтального положения. В своем изучении материала я встретил еще два типа солнечных часов из Египта. Такие часы отбрасывали тень на наклонную плоскость или на ступени. Они были лишены недостатка часов с ровной поверхностью: в утренние и вечерние часы тень выходила за пределы пластины. Эти типы часов были сделаны из известняка и хранятся в Каирском египетском музее. Их происхождение датируются несколько более поздним временем, чем часы из Саиса. Такие часы выглядят так, что с одной стороны модели - две наклонные плоскости со ступенями, одна из них была ориентирована на восток, другая при этом указывала на запад, для того чтобы до полудня тень падала на первую плоскость, постепенно опускаясь по ступеням сверху вниз, а после полудня - на вторую плоскость, постепенно поднимаясь снизу вверх, в полдень тени не было. С другой стороны модели - две наклонные плоскости без ступеней. Этот тип часов действовал аналогично часам со ступенями. В Кантаре ( замок на Кипре) нашли переносные солнечные часы с наклонной плоскостью. Время их создания около 320 до нашей эры с одной наклонной плоскостью, на которой были нанесены деления, и отвесом. Плоскость ориентировалась на Солнце. Ученые Базельского университета ( старейший университет Швейцарии)в 2013 году нашли изображение на известняке вертикальные солнечные часы, возраст которых приблизительно 3,3 тысячи лет

Первое упоминание о солнечных часах в Китае, вероятно, задача о гномоне, приводимая в древнем китайском задачнике «Чжоу-би» (англ. Zhou Bi Suan Jing), составленном около 1100 г. до н. э. В эпоху Чжоу в Китае применялись экваториальные солнечные часы в виде каменного диска, устанавливаемого параллельно небесному экватору и пронизывающего его в центре стержня, устанавливаемого параллельно земной оси. В эпоху Цин в Китае изготавливали портативные солнечные часы с компасом: либо экваториальные — опять-таки со стержнем в центре диска, устанавливаемого параллельно небесному экватору, либо горизонтальные — с нитью в роли гномона над горизонтальным циферблатом.

Древняя Греция и Древний Рим

Скафис — солнечные часы древних. На сфероидальной выемке нанесены линии часов. Тень бросал горизонтальный или вертикальный прут, или шарик в центре инструмента. По рассказу Витрувия, вавилонский астроном Берос, поселившийся в VI в. до н. э. на острове Косе, познакомил греков с вавилонскими солнечными часами, имевшими форму сферической чаши — так называемым скафисом. Эти солнечные часы были усовершенствованы Анаксимандром и Анаксименом. В середине XVIII столетия при раскопках в Италии нашли именно такой инструмент, какой описан у Витрувия. Древние греки и римляне, как и египтяне, делили промежуток времени от восхода до заката Солнца на 12 часов, и поэтому их час (как мера времени) был различной длины в зависимости от времени года. Поверхность выемки в солнечных часах и «часовые» линии на них подбирались так, чтобы конец тени прута указывал час. Угол, под которым срезана верхняя часть камня, зависит от широты места, для которого изготовлены часы. Последующие геометры и астрономы (Евдокс, Аполлоний, Аристарх) придумывали разнообразные формы солнечных часов. Сохранились описания таких инструментов, носивших самые странные названия сообразно их виду. Иногда гномон, отбрасывающий тень, располагался параллельно оси земли.

Из Греции солнечные часы достигли Рима. В 293 г. до н. э. Папирий Курсор велел соорудить солнечные часы в храме Квиринал, а в 263 г. до н. э. другой консул, Валерий Мессала, привёз солнечные часы из Сицилии. Устроенные для более южной широты, они показывали час неверно. Для широты Рима первые часы устроены около 170 г. до н. э. Марцием Филиппом.

Солнечные часы применялись в древнегреческих колониях Северного Причерноморья. Четыре экземпляра часов, найденных на городищах Пантикапейи Китей, хранится в Керченском музее.

Древняя Русь и Россия.

В древнерусских летописях часто указывался час какого-то события, это наводило на мысль, что в то время на Руси уже использовались определённые инструменты или объекты для измерения времени по крайней мере днём. Черниговский художник Георгий Петраш обратил внимание на закономерности в освещении Солнцем ниш северо-западной башни Спасо-Преображенского собора в Чернигове и на странный узор («меандры») над ними. На основании более подробного их изучения он высказал предположение, что башня представляет собой солнечные часы, в которых час дня определяется освещением соответствующей ниши, а меандры служат для определения пятиминутного интервала[7][8]. Подобные особенности были отмечены и у других храмов Чернигова, и был сделан вывод, что солнечные часы в Древней Руси применяли ещё в XI веке. В XVI веке в России появились западноевропейские портативные солнечные часы. На 1980 год в советских музеях было семь таких часов. Самые ранние из них относятся к 1556 году и хранятся в Эрмитаже, они были предназначены для ношения на шее и представляют собой горизонтальные солнечные часы с секторным гномоном для указания времени, компасом для ориентации часов в направлении север—юг и отвесом на гномоне для придания часам горизонтального положения. Все эти элементы установлены на плате, которая может отклоняться от горизонтального положения, обеспечивая возможность использования часов не на одной, а в интервале широт: 47—57 градусов.

Вертикальные солнечные часы на «мраморной пирамиде» на углу набережной Фонтанки и Московского проспекта, Санкт-Петербург.

23 августа 1739 года Во время царствования Анны Иоанновны, вышел сенатский указ, в соответствии с которым на дороге из Санкт-Петербурга в Петергоф устанавливались деревянные верстовые столбы-обелиски, в 1744 году был издан указ о столблении дороги из Санкт-Петербурга в Царское Село. Вместо верстовых столбов-обелисков впоследствии поставили «мраморные пирамиды» с оформлением по работам итальянского архитектора работавшего а России Антонио Ринальди. Некоторые из этих пирамид имели солнечные часы, и путник мог узнать по ним расстояние и время. «Мраморные пирамиды» с солнечными часами сохранились в следующих местах: в Санкт-Петербурге на углу набережной реки Фонтанки и Московского проспекта (отмечающий одну версту от здания Почтамта) и в Пушкине у Орловских ворот, расположенных на южной границе Екатерининского парка. На «мраморной пирамиде» у Орловских ворот указана дата установки — 1775 год.

Средние века.

Арабские астрономы (Сабит ибн Корра, Ибн аш-Шатир, Абу-л-Хасан ибн Юнис) оставили обширные трактаты по гномонике, так называлось искусство строительства солнечных часов. Все строители часов были прекрасными математиками, умели рассчитать направление к Мекке, так называемая кибла.В исламе — точно установленное из любой точки земного шара направление в сторону священной Каабы в г. Мекке в Аравии, соблюдаемое всеми мусульманами во время совершения пятикратных ежедневных молитв. При использовании солнечных часов особенно важным считался момент дня, когда конец тени вертикально поставленного гномона приходился на линию киблы. С того момента когда была введена система равных часов дня и ночи (не зависящих от времени года) задача гномоники значительно упростилась: вместо того, чтобы замечать место конца тени на сложных кривых, стало достаточно замечать направление тени. Если штифт расположен по направлению земной оси, то тень его лежит в плоскости часового круга солнца, а угол между этой плоскостью и плоскостью меридиана есть часовой угол Солнца или истинное время. Остаётся только находить пересечение последовательных плоскостей с поверхностью «циферблата» часов. Чаще всего это была плоскость, перпендикулярная штифту, то есть параллельная небесному экватору (экваториальные, или равноденственные часы); на ней направление тени изменяется на 15° за каждый час. При всех других положениях плоскости циферблата углы, образуемые на ней направлением тени с линией полудня, не растут равномерно.

Гномоника занималась составлением правил нахождения различных положений тени на этих поверхностях. Солнечные часы, как уже сказано, дают не среднее, но истинное солнечное время. Одной из специальных задач гномоники было строить кривую на циферблате солнечных часов, которая указывала бы «средний» полдень в различное время года. В средневековой Европе гномоникой занимались: немецкий механик и астроном Петер Апиан, немецкий живописец и график Альбрехт Дюрер, Афанасий Ки́рхер немецкий учёный-энциклопедист и изобретатель.

До наших дней дошли несколько типов солнечных часов.

Это солнечные часы экваториальные, горизонтальные, вертикальные (если плоскость циферблата вертикальна и направлена с запада на восток), утренние или вечерние (плоскость вертикальна, с севера на юг). Строились также конические, шаровые, цилиндрические солнечные часы.

1.Экваториальные

Экваториальные солнечные часы состоят из кадрана (плоскость с часовыми делениями) и гномона. Часовые деления на кадран наносятся через равные угловые промежутки, как на циферблате обыкновенных часов, а гномон обычно представляет собой металлический стержень, устанавливаемый на кадране перпендикулярно его поверхности. Затем кадран ориентируется в горизонтальной плоскости так, чтобы прямая, соединяющая основание гномона и часовое деление, соответствующее полудню, была направлена параллельно полуденной линии в сторону юга — для Северного полушария, или в сторону севера — для Южного полушария, и наклоняется относительно плоскости горизонта, соответственно, в сторону севера или сторону юга на угол α=90°-φ, где φ — географическая широтаместа установки солнечных часов[13]. Кадран будет параллелен небесному экватору (отсюда — название этого типа солнечных часов), а поскольку небесная сфера в течение дня вращается равномерно, то и тень от гномона за любой час дня будет описывать равные углы (поэтому часовые деления и проводятся так же, как на циферблате обычных часов). Равные угловые промежутки (t=15°) между соседними часовыми делениями, как на циферблате обычных часов, и перпендикулярность гномона кадрану являются основными преимуществами экваториальных солнечных часов над горизонтальными и вертикальными. Главный недостаток экваториальных солнечных часов — то, что они, в отличие от горизонтальных, будут работать только от дня весеннего равноденствия до дня осеннего равноденствия (в Северном полушарии весеннее равноденствие — в марте, осеннее — в сентябре, в Южном полушарии весеннее равноденствие — в сентябре, осеннее — в марте). В остальную часть года они работать не будут, поскольку Солнце будет находиться по другую сторону от плоскости небесного экватора, и вся верхняя поверхность кадрана будет в тени. Конечно, этот недостаток можно устранить, если сделать кадран в виде пластины, нанести часовые деления и на верхнюю, и на нижнюю поверхность, а гномон продолжить под пластину, но и тогда в дни, близкие к дню весеннего или осеннего равноденствия солнечные часы не будут работать — Солнце будет светить на пластину не сверху и не снизу, а сбоку.

  1.  
    1. Горизонтальные

Горизонтальные солнечные часы в городеПерт, Австралия, с характерными для Южного полушария особенностями: тень в полдень — на юге, а Солнце — на севере; видимый путь Солнца по небосводу проходит справа налево, поэтому нумерация часов идёт против часовой стрелки.

Горизонтальные солнечные часы, так же, как и экваториальные, состоят из кадрана и гномона. Однако в данном случае кадран устанавливается параллельно плоскости горизонта. Чаще всего гномон представляет собой треугольник, перпендикулярный плоскости кадрана, а одна из его сторон наклонена к ней на угол, равный географической широте места установки часов. Линия пересечения гномона и кадрана направляется параллельно полуденной линии — линии, вдоль которой в данном месте направлена тень вертикального стержня в истинный полдень.

Если обозначить географическую широту места установки часов через φ, количество часов до полудня (после полудня) через m, то угол между полуденной линией и соответствующим часовым делением на часах α можно определить по формуле

  1.  
    1. Вертикальные

Вертикальные солнечные часы обычно размещают на стенах зданий и различных строений. Поэтому их кадран вертикален — перпендикулярен плоскости горизонта, но может быть повёрнут в различные стороны. От стороны, в которую повёрнут кадран, зависит расположение часовых делений на кадране. Симметричными относительно полуденного деления они будут лишь при кадране, обращённом строго на юг (географический, не магнитный!) — в северном полушарии, или на север — в южном полушарии, иными словами — при кадране, перпендикулярном полуденной линии. Для так направленного кадрана гномон должен лежать в плоскости небесного меридиана, иными словами — быть перпендикулярным как плоскости кадрана, так и плоскости горизонта, а одна из его сторон должна быть параллельной земной оси, откуда следует, что она должна составлять с плоскостью кадрана угол, равный 90°-φ, где φ — широта места установки. Формула для угла наклона часовых линий к полуденному делению выводится аналогично горизонтальным часам — из рассмотрения прямоугольного сферического треугольника, образованного кругом склонения Солнца, плоскостью кадрана и плоскостью небесного меридиана. Она имеет вид:

,

где φ — широта места установки часов, m количество часов до полудня (после полудня) через, α — угол между полуденным делением и соответствующим часовым делением, t — угол между кругом склонения Солнца и плоскостью небесного меридиана. В Московском планетарии установлены вертикальные солнечные часы показывающие время и дату.

Сравнительный анализ различных видов часов

Виды часов

Преимущества

Недостатки

Солнечные

Высокая точность, так как они привязаны к явлению природы, т.е. полдень абсолютен.

Нет возможности пользоваться в дождливую погоду или ночью.

Водяные

Работают в любую погоду.

Краткосрочность, невысокая точность.

Песочные

Работают в любую погоду.

Краткосрочность; измельчение зерен песка увеличивает отверстия в середине диафрагмы, что приводит к изменению скорости прохождения песка; измерение конечного интервала времени при переворачивании прибора с низкой точностью.

Огненные

Работают в любую погоду.

Будильник.

Краткосрочность.

3.Практисеская часть. Изготовление модели солнечных и водяных часов

  1.  
    1. .Изготовление водяных часов.

Моей задачей в практической части работы было изготовление солнечных, огненных и водяных часов. Опираясь но то, что при создании водных часов необходимо чтобы основная « деталь» - вода переливалась из одного сосуда в другой за некоторый интервал времени.

  1.  
    1. Изготовление солнечных часов.

Для изготовления солнечных горизонтальных часов необходима плоская доска, вертикальный небольшой шест, тень от которого отбрасывается на дощечку. А чтобы было понятно который час на дощечке нанесен специальный циферблат. В различное время дня тень изменяет не только направление, но и свою длину. Ели установить дощечку горизонтально, то мы можем измерять время по тени только часть светового дня: либо до полудня либо после полудня. Убрал я этот недостаток продев вертикальный шест через доску так, чтобы половина ее была с одной стороны а половина с другой. Теперь дощечка стала наклонной и половина дня тень падала с одной стороны , а половина с другой.

  1. Алгоритм создания данного вида часов также представлен в Приложении № 1. Построенные нами горизонтальные солнечные имеют цену деления 1 час, а погрешность 30 минут.

  1.  
    1. Изготовление огненных часов. Связать скорость горения и промежутки времени я смог конструируя огненные часы. Я взял свечи, про экспериментировал какая из них сгорит за какой промежуток времени. Получил несколько результатов.: 2ч, 3,5 ч, 6ч. А теперь нарисовал шкалы к каждой свечи, ставя разметку через каждые полчаса. Вот вам и огненные примитивные огненные часы.

3.Заключение

  1. Солнечные часы обладают важным достоинством – они привязаны к явлению природы, т.е. полдень абсолютен.

  2. В основе измерения времени во всех часах лежит принцип периодичности.

  3. Существуют особенности в понимании единицы времени в разных видах часов. Если единица времени по солнечным часам выводилась из вращения Земли и ее движения вокруг Солнца, то для хронометрических приборов (водяных, песочных, огненных и других) надо было создать искусственный эталон единицы времени, например, в виде интервала времени, необходимого для вытекания или сгорания определенного количества вещества в хронометрическом устройстве.

  4. Изучение истории создания и развития древних видов часов позволило утверждать, что путь, пройденный человечеством с глубокой древности до наших дней, можно рассмотреть не только через громкие даты, события, жизнь знаменитых людей, но и через историю великого изобретения – часов.

  5. Изучение принципов работы солнечных и водяных часов, а также алгоритмов их выполнения, позволило создать три модели часов: солнечные экваториальные, солнечные горизонтальны и водяные. Солнечные часы созданы с условием географической широты г. Тобольска, которая равна 58 градусам.

  6. Экспериментальная проверка работы солнечных часов проводилась в зимнее время при температуре -360С и показала их точность.

  7. Выдвинута идея о создании модели солнечных часов в нашем городе на первом туристическом маршруте как элемента образовательного туризма и декора.

  8. Изучение мнений обучающихся и учителей по различным вопросам, связанным с необходимостью солнечных часов в наши дни и переходом на летнее время показало, что в целом школьники задумываются о проблемах, связанных с понимаем и измерением времени, имеют свою оценку происходящих событий, связанных со сменой числа часовых поясов и переходом на летнее время и, к счастью, не слишком ощущают на своем здоровье эти перемены.

  9. Работа над исследовательским проектом потребовала знаний из разных учебных предметов: физики, математики, истории, географии, природоведения, астрономии, изобразительного искусства, технологии и других.

Список использованной литературы:

1.Библия, 4 Царств, 20:10, Исайя, 38.

2.Большая иллюстрированная энциклопедия древностей. - Прага, «Артия», 1980.

3.Джеймс П., Торп Н. Древние изобретения. - М., ООО «Попурри», 1997.

4.Послание Федеральному Собранию Российской Федерации 12 ноября 2009 года

5. Рыжов К.В. 100 великих изобретений. - М., Вече, 1999.

6. Хренова Л.С. и Голуба И.Я. Время и календарь. – М., 2005.

7. Чернина А.Д. Физика времени. – Челябинск, 2007.

8.Энциклопедия для детей. Том 14. Техника. - М., ЗАО «Дом Книги «Аванта+»», 1999.

9.http://vremya.iatp.by/histori.html

10. http://timecount.ru/

11. https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечные_часы