ЧАСЫ С АНАЛЕММОЙ И СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ АНАЛЕММЫ
CLOCK WITH ANALEMMA AND METHOD OF DISPLAYING ANALEMMA

Область техники
Изобретение относится к области часовой техники, к часовым механизмам со стрелочной индикацией времени, а, более конкретно, к механическим часам и часовым механизмам усложненного типа, имеющим дополнительную функцию отображения аналеммы, которая позволяет согласовать среднее и истинное время, а также определить величину склонения Солнца.
Уровень техники
Известно, что солнечные часы принципиально отличаются от всех остальных инструментов измерения времени. Дело в том, что они измеряют не одинаковые промежутки времени, как это делают все остальные часы, а неравномерное движение Солнца, что не одно и то же. Разница между средним временем и солнечным описывается уравнением времени. На фиг. 1 изображен график, отображающий, как меняется уравнения времени в течение года. Положительное значение означает, что солнечное время опережает среднее, а отрицательное значение - что оно отстает.
Определение истинного, согласованного с движением Солнца, солнечного времени необходимо как при судовождении для поправки компаса, так и для некоторых геофизических работ, поэтому для определения истинного солнечного времени на практике используют специальные астрономические таблицы поправок к показываемому обычными часами среднему времени.
Все часы кроме солнечных отмеряют одинаковые промежутки времени и показывают среднее время. Промежутками могут быть часы, минуты, секунды или миллисекунды. Чем меньше разница  между двумя одинаковыми отмеренными промежутками, тем часы точнее и, стало быть, лучше. Если бы Солнце уподобилось точным часам, то оно должно было бы вращаться вокруг Земли с постоянной скоростью по круговой орбите, расположенной в плоскости экватора. Такое Солнце называют фантомным. Все наши современные представления о времени и сама система его подсчета основаны на движении этого самого фантомного Солнца, которое обращается вокруг Земли с постоянной скоростью 24 часа в сутки. И происходит это каждый день в течение всего года. Однако в реальности орбита, по которой Солнце вращается вокруг Земли эллиптическая, а не круговая. К тому же ось вращения Земли наклонена к плоскости вращения Солнца (эклиптике) под углом 23,5°. Именно эти два фактора приводят к тому, что реальное Солнце ведет себя по-другому и, наряду с фантомным средним временем, существует истинное время, которое умеют показывать только солнечные часы.
Описанное несоответствие среднего времени истинному имеет 6-месячный период и равняется нулю четыре раза в год: в дни равноденствия и солнцестояния. За счет фактора несоответствия эклиптики экватору (то есть из-за наклона земной оси) уравнение времени изменяется примерно от -9,87 до +9,87 минут в течение года.
Вторая причина несоответствия среднего времени истинному, то есть уравнения времени, заключается в том, что годовое движение Солнца вокруг Земли происходит по эллиптической, а не круговой орбите. В начале XVII века немецкий астроном Иоганн Кеплер открыл три закона вращения планет, из которых к уравнению времени имеют отношение первые два. Первый закон описывает все возможные орбиты движения небесных тел относительно друг друга. В частности, при огибании Солнцем Земли по эллиптической орбите Земля располагается в одном из фокусов данного эллипса, как изображено на рисунке слева. При этом точка 1 соответствует максимальному удалению Солнца от Земли и называется апогей. Минимальное расстояние между Землей и Солнцем достигается в точке 2, называемой перигей. Ближе всего Солнце подходит к Земле 3 января, а дальше всего находится 4 июня. Следует заметить, что ближайшая к Солнцу точка называется перигелий, а самая удаленная - афелий. Второй закон Кеплера утверждает, что при движении Солнца по эллиптической орбите его скорость не будет постоянной, а будет увеличиваться при приближении к Земле в точке перигея и уменьшаться в точке апогея.
Таким образом, уравнение времени складывается из двух несоответствий между временем средним и истинным, то есть солнечным. Первое несоответствие связано с наклоном земной оси. А второе несоответствие проистекает из того, что Солнце движется не по круговой, а по эллиптической орбите. Поскольку сами несоответствия сложно синхронизированы и имеют разные значения, то результирующий график уравнения времени, изображенный на фиг. 1, несимметричен относительно нулевого значения. Уравнение времени принимает положительное значение, когда Солнце пересекает локальный меридиан раньше, чем это сделало бы фантомное Солнце, двигающееся равномерно по среднему времени. Отрицательное значение означает, что истинное время опаздывает по сравнению со средним. Как видно на графике, изображенном на фиг. 1, значение уравнения времени равно нулю четыре раза в год: 15 апреля, 13 июня, 1 сентября и 25 декабря.
Изображенную графически 8-образную кривую уравнения времени с отметками истинного времени на момент полудня по среднему времени или среднего времени на момент полудня по истинному времени обычно называют аналемма, отражающая траекторию движения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца.
По форме аналемма напоминает несимметричную восьмерку, представляющую собой описываемую в течение года траекторию центра Солнца, если его положение фиксировать в одно и тоже время суток, т.е. в одинаковые моменты среднего солнечного времени.
Наличие аналеммы определяется наклоном земной оси и эллиптической формой орбиты, что обуславливает различную высоту солнца на небе в течение года в одно и то же время, а также различную минимальную высоту, на которой находится солнце в небе в одно и то же время дня.
Наклон Земли влияет на отклонение Солнца (склонения Солнца) вправо или влево в одно и то же время дня.
Во время летнего и зимнего солнцестояния (21 июня и 21 декабря) полуденное солнце находится точно над Северными и Южными тропиками, где линии долготы ближе друг к другу, чем на экваторе.
Во время летнего и осеннего равноденствий (21 марта и 21 сентября) солнце в полдень будет точно над экватором, где линии долготы находятся дальше друг от друга.
Местное время связано с долготой.
Дважды в год скорость движения солнца увеличивается в направлении слева направо или с востока на запад. Происходит это весной и осенью. В течение зимы и лета скорость, наоборот, уменьшается.
Наклон Земли вызывает также изменение скорости движения солнца в течение года как с востока на запад, так и с севера на юг.
Вместе эти факторы приводят к тому, что аналемма имеет форму несимметричной цифры «восемь», в концах которой находятся солнцестояния, а в точке пересечения равноденствия.
Эллиптическая форма орбиты приводит к тому, что Земля движется быстрее в то время, когда она находится близко к солнцу (в начале октября и марта).
Когда Земля в начале января достигает перигелия (ближе всего подходит к Солнцу), то она движется с максимальной скоростью.
В начале марта и октября, достигая афелия (максимально удаляясь от солнца), и в начале июля Земля движется медленнее всего.
Из-за наклона Земли расположение Солнца кажется смещенным влево или вправо, относительно местного времени. Эти процессы приводят к тому, что в течение года в одно и то же время Солнце движется слева направо в определенный период с максимальной или минимальной скоростью
Земля достигает точки перигелия между 2-м и 5-м января, спустя почти две недели после зимнего солнцестояния (21 декабря).
Аналогично Земля приходит в афелий между 3-м и 7-м июля, спустя две недели после летнего солнцестояния (21 июня).
Максимальная и минимальная скорости движения по эллиптической орбите не меняют основной формы аналеммы, но вносят в фигуру асимметричность, то есть зимняя петля несколько больше летней, в результате чего обозначающие равноденствия точки немного удалены от пересечения аналеммы.
Таким образом, посредством аналеммы можно объяснить, почему самый короткий день не совпадает с самым ранним рассветом и поздним закатом и приходится на разные дни календаря.
Значения уравнения времени на каждый день даются в астрономических ежегодниках и календарях, однако их использование не позволяет визуально отображать положения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния, поэтому разрабатывают различные устройства для визуального отображения истинного солнечного времени и определения времени по Солнцу.
Известны часы для показания истинного солнечного времени, раскрытые в патенте RU 2408043 С2. Известные часы снабжены устройством отображения на аналемме отклонения положения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния, работа которого основана на механическом средстве, включающем шаблоны данных уравнения времени и суточного изменения склонения Солнца и сопряженного с указанными шаблонами средство индикации, выполненного с возможностью перемещения визуально воспринимаемого индикатора Солнца по аналемме.
Эти часы являются наиболее близким аналогом (прототипом) настоящего изобретения.
Недостатком прототипа является громоздкость конструкции ввиду использования системы линейных направляющих, совершающих движение по декартовым координатам кулачков. Это также ведет к наличию большого количества дискретных элементов, что ведет к снижению точности при реализации часов, так как неточное выполнение хотя бы одного элемента из ряда ведет к цепочке неточностей системе передачи в целом и далее к снижению точности отображения истинного значения времени на аналемме. Кроме этого в известном устройстве невозможно пропустить указатель времени, например, сквозь аналемму.
Задача и технический результат
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, и технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в упрощении конструкции часов с аналеммой, уменьшение габаритных размеров часов с аналеммой с одновременным повышением точности при отображении истинного времени на часах, отображения величины склонения Солнца, и приблизительной календарной даты.
Раскрытие изобретения
Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигаются тем, что часы с аналеммой содержат корпус, циферблат, часовой механизм, аналоговый индикатор времени, приводное годовое колесо, модуль аналеммы, содержащий контур аналемматической "восьмерки" и указатель Солнца, при этом модуль аналеммы дополнительно содержит кинематически связанные с приводным годовым колесом кулачок радиуса и кулачок угла, при этом кулачок угла посредством передаточных механизмов приводит в действие колесо диска аналеммы, а кулачок радиуса посредством передаточных механизмов передает движение на указатель Солнца таким образом, что при вращении диска аналеммы указатель Солнца перемещается строго по траектории, обозначенной контуром аналемматической «восьмерки».
Кроме этого приводное годовое колесо кинематически связано с часовым механизмом. При этом кинематическая связь может быть осуществлена посредством редуктора.
Также диск аналеммы соосно насажен на ось колеса диска аналеммы и имеет на своей поверхности контур аналемматической «восьмерки». При этом на указателе аналеммы может быть нанесена шкала уравнения времени, склонения Солнца, даты и месяца, а также времени восхода и захода Солнца.
Кроме этого кулачок угла взаимодействует с щупом кулачка радиуса.
При этом часы могут быть как переносными, так и стационарными.
При этом часовой механизм может быть базовым, серийно выпускаемым, как в стандартном исполнении, так и с дополнительной доработкой, например часовой механизм для часов с 24 часовым циферблатом, часовой механизм для часов с возможностью отображения времени в разных городах мира.
Кроме этого часовой механизм может быть как механическим, так и электромеханическим.
Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигаются тем, что в способе отображения аналеммы на часах посредством механического модуля, сопряженного с часовым механизмом, и состоящего помимо прочего из диска аналеммы, с нанесенным на нем контуром аналемматической «восьмерки» при вращении диска аналеммы указатель Солнца перемещается строго по траектории, обозначенной этим контуром.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Конструктивно в показанном на чертежах предпочтительном, но не единственно обязательном, варианте исполнения заявляемые часы с аналеммой, т.е. часы для показания истинного солнечного времени включают следующие детали:
1 - корпус
2 - ремешок
3 - заводная головка
4 - часовая стрелка
5 - минутная стрелка
6 - циферблат
7 - контур аналемматической «восьмерки»
8 - указатель Солнца
9 - шкала склонения Солнца
10 - колесо диска аналеммы
11 - кулачок угла
12 - кулачок радиуса
13 - диск аналеммы
14 - опорный мост
15 - щуп кулачка угла
16 - щуп кулачка радиуса
17 - зубчатая рейка
18 - шкала уравнения времени
19 - ось вращения рычага
20 - приводное годовое колесо
21 - рычаг масштабирующий
22 - годовое колесо кулачка угла
23 - направляющая движения щупа радиуса
24 - гребенка угла
25 - пружина гребенки угла
26 - пружина гребенки выборки люфта
27 - гребенка выборки люфта
28 - рычаг указателя Солнца
29 - траектория движения Солнца на аналемме
30 - годовое колесо кулачка радиуса
На фиг. 1 изображен график, отображающий изменение уравнения времени в течение года.
На фиг. 2 показан внешний вид наручных часов с указателем аналеммы на циферблате 6 и изображенным указателем Солнца 8.
На фиг. 3 показан вариант настольных часов с аналеммой, на которых отображены контур аналемматической «восьмерки» 7, указатель Солнца 8, циферблат 6, корпус часов 1 и шкала уравнения времени 18.
На фиг. 4 показан вариант исполнения механизма отображения аналеммы (вид спереди).
На фиг. 5 показан вариант исполнения механизма отображения аналеммы (вид сзади).
На фиг. 6 показано построение кулачка радиуса 12.
На фиг. 7 показано построение кулачка угла 11.
На фиг. 8 приведена блок-схема кинематической связи блоков часов с аналеммой через годовой редуктор.
На фиг. 9 приведена блок-схема кинематической связи блоков часов с аналеммой через календарный механизм.
Осуществление изобретения Первоочередно необходимо отметить, что для упрощения конструкции модуля аналеммы и связанных с ней передаточных механизмов было предложено преобразовать линейные параметры уравнения времени и величины угла склонения в полярные координаты, обеспечивающие получение необходимого нелинейного перемещения точки на плоскости. Так как склонение Солнца и уравнение времени на каждый день календарного года известны, необходимо произвести перевод этих данных в полярные координаты. Для этого необходимо вычислить радиус г и угол (р по формулам
где в качестве х и у используем уравнение времени и угол склонения соответственно, то есть х - уравнение времени, а у - угол склонения.
Полученные результаты приведены в таблице 1.
Эти данные используют для проектирования и построения кулачка радиуса (фиг. 6) и кулачка угла (фиг. 7). Конструктивно выбирают наибольшее и наименьшее значение и, исходя из этих значений, выстраивают профили кулачков.
Рассмотрим устройство часов, представленных на фиг. 4 и на фиг. 5. На приводное годовое колесо 20 передается движение от часового механизма (на чертежах не показано). Для примера от стандартного часового колеса часового механизма приводится в движение суточное колесо, которое через редуктор с передаточным отношением 365:1 (73×5) фиг. 8, приводит в движение колесо 20, которое делает один оборот в год. Колесо 20 приводит в движение годовое колесо кулачка угла 22, которое имеет неподвижное соединение с кулачком угла 11, а также годовое колесо кулачка радиуса 30, которое имеет неподвижное соединение с кулачком радиуса 12. Таким образом, кулачки угла 11 и радиуса 12 совершают один оборот в год.
К фасонной поверхности кулачка угла 11 прилегает щуп кулачка угла 15, находящийся на конце зубчатой рейки 17. С зубчатой рейкой 17 входит в зацепление гребенка угла 24, которая второй зубчатой частью взаимодействует с колесом диска аналеммы 10. На ось указанного колеса диска аналеммы 10 соосно насажен непосредственно сам диск аналеммы 13. Диск аналеммы 13 имеет на своей поверхности контур аналемматической «восьмерки» 7. С колесом диска аналеммы 10 также взаимодействует гребенка выборки люфта 27, подпружиненная пружиной гребенки выборки люфта 26.
С фасонной поверхностью кулачка радиуса 12 взаимодействует щуп кулачка радиуса 16, который находится в направляющей прорези движения щупа радиуса 23, образованной на опорном мосте 14. На оси вращения рычага 19 находится масштабирующий рычаг 21, который передает движение на рычаг указателя Солнца 28. На рычаге указателя Солнца 28 расположен непосредственно сам указатель Солнца 8.
Вращаясь, кулачок угла 11 перемещает зубчатую рейку 17 и гребенка угла 24 поворачивает колесо диска аналеммы 10, а с ним и диск аналеммы 13.
Вращаясь, кулачок радиуса 12 перемещает через щуп кулачка радиуса 16, рычаг масштабирующий 21 и рычаг указателя Солнца 28, тем самым перемещается указатель Солнца 8.
Таким образом, диск аналеммы 13 с нанесенным на него контуром аналемматической «восьмерки» 7 совершает вращение по часовой и против часовой стрелки, с заданной скоростью и направлением вращения заданной от кулачка угла 11. Одновременно с этим указатель Солнца 8 совершает возвратно-поступательные движения с заданной скоростью и направлением движения, которое задается от кулачка радиуса 12.
Причем кулачки радиуса 12 и угла 11 рассчитаны и установлены таким образом, что указатель Солнца 8 совершает движение строго по траектории, очерченной контуром аналемматической «восьмерки» 7 вращающегося диска аналеммы 13. Тем самым повторяют астрономическую траекторию аналеммы.
Еще один вариант выполнения часов - это совмещение того же редуктора с календарным механизмом. Этот вариант не раскрыт на чертежах, но может быть понятен специалисту в данной области техники. Как пример колесо - звездочка с 365 зубьями, подпружиненная фиксатором, на ось которой насажена стрелка, показывающая одновременно даты и месяцы. Суточное колесо раз в сутки поворачивает это колесо на один зуб, и стрелка на оси показывает следующую дату. Для приведение в действие аналеммы, эта звездочка может выполнять роль, как годового колеса, так и быть кинематически связана с ним. Кроме этого существует ряд календарных и астрономических функций имеющих годовой цикл.
Например, подвижная карта звездного неба, указатель восхода и захода Солнца, указатель номера года и т.д.
Каждое из указанных вариантов выполнения дает возможность использовать предложенное решение не только в стационарных часах (напольных, каминных), но и в переносных часах (карманных, наручных и пр.).
Таким образом, заявленное изобретение решает поставленную перед ним задачу и обеспечивает достижение заявленного технического результата, который заключается в упрощении конструкции часов с аналеммой, уменьшение габаритных размеров часов с аналеммой, повышение точности отображения истинного времени и отображения величины склонения Солнца за счет исключения большого количества дискретных элементов и разработки принципиально новой конструкции кулачковых механизмов угла и радиуса.
Учитывая новизну совокупности существенных признаков, техническое решение поставленной задачи, изобретательский уровень и существенность всех общих и частных признаков заявленного изобретения, доказанных в разделе «Уровень техники» и «Раскрытие изобретения», доказанную в разделе «Осуществление и промышленная реализация изобретения» техническую осуществимость и промышленную применимость изобретения, решение поставленных изобретательских задач и уверенное достижение требуемого технического результата при реализации и использовании изобретения, по нашему мнению, заявленная группа изобретений удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.
Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели изобретения, но и позволяют реализовать изобретение промышленным способом.
Кроме этого анализ совокупности существенных признаков изобретения и достигаемого при их использовании единого технического результата показывает наличие единого изобретательского замысла, тесную и неразрывную связь между часами с аналеммой и способом отображения аналеммы на часах. Это позволяет объединить изобретения в одной заявке, то есть обеспечить требования критерия единства изобретения.