СОЛНЕЧНЫЕ ЧАСЫ
SUN CLOCK

Изобретение относится к устройству, определяющему истинное солнечное время, с функцией календаря и точного указания его географического местонахождения, а также дающему общее представление о расположении материков и океанов.
Из уровня техники известны солнечные часы US 1651621 А, 06.12.1927; US 4387999 А, 14.06.1983; US 4520572 А, 04.06.1985; US 4656748 А, 14.04.1987; DE 3429750 А1,20.02.1986; СН 667969 А, 30.11.1988, US 2013025141 A1, 31.01.2013.
К наиболее близкому аналогу для заявленного изобретения относятся солнечные часы, включающие сферический купол, встроенные в купол аналеммы и установленный под куполом оптический приемник (JP 2013002980 A, 07.01.2013). В известном устройстве оптический приемник состоит из полусферической линзы, концентрирующей проходящий сквозь купол солнечный свет, и отражающего элемента с зеркальным покрытием. При этом за счет преобразования солнечного света полусферической линзой зеркальное покрытие отражает концентрированный луч в точку на аналемме, по положению которой судят об истинном солнечном времени. Функция определения истинного солнечного времени осложняется тем, что разные часы солнечного времени отображаются соответственно в разных точках аналемм, распределенных по куполу. Данное обстоятельство является недостатком, поскольку отсутствует возможность отображения любого часа в одной фиксированной точке, что не обеспечивает достаточного удобства и простоты при использовании известного устройства. Кроме того, в прототипе не реализована функция отображения географического местонахождения объекта.
Задача заявленного изобретения заключается в устранении недостатков, выявленных при анализе прототипа, а также в расширении арсенала технических средств аналогичного назначения.
Технический результат заключается в упрощении использования устройства при определении истинного солнечного времени, увеличении его функциональных возможностей.
Достижение технического результата обеспечивают солнечные часы, включающие сферический купол, расположенные на куполе аналеммы и установленный под куполом оптический приемник, при этом купол выполнен прозрачным и закреплен на опоре, имеющей внутреннюю и внешнюю сферические поверхности с закрепленными на ней аналеммами, выполненными в виде цепочек из соединенных друг с другом сегментов, каждый из которых несет символьное обозначение соответствующего солнечного часа, при этом конфигурация и количество аналемм рассчитаны так, чтобы на поверхность оптического приемника падала тень символьного обозначения, соответствующая истинному солнечному часу, при движении солнца по небесной сфере, причем в опоре выполнен, по меньшей мере, один сквозной проем, а на внутренней поверхности сферической опоры и поверхности оптического приемника нанесено изображение карты земного шара, которое на полушария разделяет параллель, проходящая через центральную точку, отмеченную на оптическом приемнике, при этом полушария ориентированы в пространстве в соответствии с истинным положением сторон света, а центральная точка, отмеченная на оптическом приемнике, соответствует географическому положению солнечных часов.
Согласно заявленному изобретению аналеммы, а также изображение полушарий земного шара оснащены источниками света.
Согласно заявленному изобретению оптический приемник окружает заполненная жидкостью замкнутая сферическая емкость.
Согласно заявленному изобретению на опоре выполнено два сквозных проема.
Согласно заявленному изобретению напротив каждого проема установлено ограждение, при этом на сторонах ограждений, обращенных к проемам, нанесены фрагменты изображения земного шара, соответственно дополняющие по контуру каждого проема изображения частей земного шара, выполненные на внутренней поверхности опоры.
Согласно заявленному изобретению опора нижней частью установлена на фундаментной плите с возможностью вращательного изменения положения оси опоры относительно плиты.
На фиг.1 изображены солнечные часы в продольном разрезе.
На фиг.2 изображены солнечные часы в поперечном разрезе (вид сверху).
Солнечные часы включают прозрачный сферический купол 1 и расположенные на куполе аналеммы 2. Под куполом установлен оптический приемник 3. Купол 1 закреплен на опоре 7, которая установлена на фундаментной плите 10, с возможностью вращательного изменения положения опоры 7 относительно плиты 10. Опора 7 имеет внутреннюю и внешнюю сферические поверхности. На опоре по сферической поверхности купола установлены аналеммы 2. Аналеммы 2 выполнены в виде цепочек из соединенных друг с другом сегментов 11. Каждый сегмент 11 несет символьные обозначения, по меньшей мере, одного из двенадцати месяцев года и соответствующего солнечного часа. В опоре выполнены один или два круглых проема 6, каждый из которых обеспечивает вход внутрь устройства. Напротив проемов установлены ограждения 9. На внутренней поверхности сферической опоры и поверхности оптического приемника нанесено изображение карты земного шара 5, которое на полушария разделяет параллель, проходящая через центральную точку, отмеченную на оптическом приемнике. При этом полушария ориентированы в пространстве в соответствии с истинным положением сторон света, а центральная точка, отмеченная на оптическом приемнике, соответствует географическому положению солнечных часов. На внутренних сторонах ограждений 9 нанесены фрагменты изображений полушарий земного шара, соответственно дополняющие по контуру проемов 6 изображение 5 полушарий, выполненное на внутренней сферической поверхности опоры 7. Оптический приемник 3 выполнен в виде столика и окружен заполненной жидкостью полусферической замкнутой емкостью 8 из прозрачного материала (полимер или стекло). Аналеммы 2, а также изображения частей земного шара на внутренней поверхности опоры 7 и ограждениях 9 оснащены светодиодными источниками света (не показаны).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перед началом строительства объекта путем расчетов моделируют рисунок аналемм для их последующей установки по контуру купола. Аналемма - совокупность точек, характеризующих положение Солнца на небе в заданный конкретный час в разные дни в течение года, зафиксированное из одной точки. Полная аналемма напоминает восьмерку и состоит из одиннадцати соединенных друг с другом сегментов, десять из которых соответствуют разным месяцам года и один соответствует двум разным месяцам, в которые положение Солнца имеет одинаковые координаты (соответственно такой сегмент может включать два символьных обозначения каждого месяца). В зависимости от широты наклон такой восьмерки может быть разным. Кроме того, в разные месяцы года в один и тот же час высота солнца будет разной, в связи с чем сегмент аналеммы для летнего времени, например, соответствующий 18:00, будет активен для светлого времени суток, однако в зимнее время в этот же час высота солнца может быть отрицательной относительно горизонта и сегмент аналеммы, соответствующий этому часу и этому месяцу, не будет взаимодействовать с солнечным светом. В заявленном изобретении предусмотрена возможность отображения солнечного времени круглый год в течение суток как в дневное, так и в ночное время. Как отмечалось ранее, для каждой широты φ, на которой предполагается возведение заявленного устройства, конфигурация монолитной опоры, рисунок расположения аналемм на куполе, а также их количество будут индивидуальными. Например, для конструкции, устанавливаемой за полярным кругом, количество аналемм может достигать двадцати четырех. Параметры и координаты расположения элементов устройства определяются расчетным путем, для чего используют методику компьютерного моделирования. В первую очередь производят расчет рисунка активных сегментов аналемм в светлое время суток в течение года и характерного для данной широты. Положение Солнца на небе в каждый момент времени определяется двумя координатами: азимут А и высота (угол) Солнца над горизонтом h. Азимут отсчитывается от точки юга; к западу значения А - положительные, к востоку - отрицательные. Вместо h можно использовать «зенитное расстояние» Солнца z - это угол между точкой зенита и Солнцем. Очевидно, что z=90°-h. Координаты А и h вычисляются по известным формулам сферической тригонометрии. Например, для расчета аналемм для любой широты φ применяются следующие формулы:
1) sin h=sin φ · sin δ + cos φ cos δ cos t
где;
h - высота Солнца над горизонтом в градусах,
δ - склонение Солнца;
от -23°, 5′ в зимнее солнцестояние
до + 23°, 5′ в летнее солнцестояние,
t - часовой угол:
Θ
t=(Т-12ч)·15°
Θ
Т - истинное солнечное время
2)
А - азимут, отсчитываемый от точки юга в горизонтальной плоскости.
Определив А и h Солнца для каждого часа в течение года, из проектной точки, являющейся центром оптического приемника, проводят лучи. При этом точки пресечения проведенных лучей и смоделированного купола дадут характерный для данной широты рисунок активных в светлое время суток сегментов аналемм на поверхности сферического купола. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения рисунок сегментов аналемм дополняют сегментами соответствующими месяцу и часу, когда Солнце находится ниже горизонта. При этом не взаимодействующие с солнечным светом сегменты устанавливают выше уровня оптического приемника, так чтобы лучи от расположенных на них осветительных приборов падали в центр оптического приемника. Таким образом, каждая аналемма включает одинадцать сегментов, некоторые из которых могут быть неактивными, т.е. не взаимодействующими с солнечным светом. Согласно другому варианту осуществления изобретения количество установленных на аналеммах сегментов соответствует максимальному количеству дневных часов для данной местности, которые не дополняются сегментами, соответствующими месяцу и часу, когда Солнце находится ниже горизонта. По такому варианту осуществления изобретения час в ночное время определяется путем подсветки сегмента, соответствующего данному часу. В зависимости от варианта осуществления изобретения по полученной модели купола с расположенным на нем расчетным рисунком аналемм моделируют конфигурацию монолитной опоры таким образом, чтобы граница, разделяющая монолитную опору и сферический купол, очерчивала полученный рисунок аналемм, нанесенный на сферический купол. В соответствии с полученной моделью возводят конструкцию солнечных часов. Сначала укладывают фундаментную плиту 10 со сферической выемкой под монолитную опору 7. В фундаментной плите 10 размещают деталь, соединяющую монолитную опору 7 с фундаментной плитой 10, которая выполнена в виде шара со стержнем (не показаны). При этом стержень жестко закреплен в фундаментной плите 10, а шар установлен в нижней части монолитной опоры 7, обеспечивая вращательные и угловые перемещения ее оси относительно фундаментной плиты, с возможностью фиксации монолитной опоры в нужном положении за счет элементов фиксации (например, стяжных болтов, упирающихся в поверхность шара). Такая конструкция позволяет ориентировать солнечные часы в нужном направлении или менять их ориентацию после установки устройства. Монолитная опора 7 выполнена из армированного железобетона или мрамора. Внутри монолитной опоры установлен оптический приемник 3, выполненный в виде круглого стола, например из мрамора или бетона. Опора оптического приемника окружена прозрачной сферической емкостью 8, которая заполнена жидкостью. На внутренней сферической поверхности опоры и на поверхности оптического приемника нанесено изображение карты земного шара, которую на два полушария разделяет параллель, проходящая через центральную точку, отмеченную на оптическом приемнике 3, при этом полушария ориентированы в пространстве в соответствии с истинным положением сторон света, а центральная точка, отмеченная на оптическом приемнике, соответствует географическому положению солнечных часов. В одной или двух областях опоры имеются круглые проемы 6, обеспечивающие возможность свободного прохода человека внутрь сферического корпуса устройства. Напротив каждого проема установлено ограждение 9. На сторонах ограждений, обращенных к проемам, нанесены фрагменты изображения земного шара, соответственно дополняющие по контуру каждого проема изображения частей земного шара, выполненные на внутренней поверхности опоры. На монолитной опоре 7 последовательно крепят аналеммы 2 в соответствии с полученной моделью так, чтобы тень от символьных обозначений активного сегмента каждой аналеммы, падающая на оптический приемник, соответствовала истинному солнечному часу для местности, на которой установлен объект. Максимальное количество овальных сегментов 11, из которых может состоять аналемма 2, составляет одиннадцать, в которые включены символьные обозначения (например, цифры майя), указывающие истинный солнечный час и месяц. При этом один из сегментов, соответствующий одинаковому положению Солнца два раза в год, может включать символьное обозначение двух разных месяцев года. Система из закрепленных на опоре 7 аналемм 2 представляет собой каркас, в котором устанавливают прозрачные сегменты (например, выполненные из стекла), в целом образующие прозрачный купол. Сторона системы аналемм, ориентированная внутрь устройства, а также все части изображения земного шара включают светодиодные осветительные приборы. При этом осветительные приборы направлены в центр оптического приемника. Осветительные приборы, установленные на системе аналемм, обеспечивают световое отображение истинного солнечного времени путем подсветки соответствующего сегмента аналеммы в ночное время или облачную погоду. Таким образом, при движении Солнца над горизонтом действуют активные сегменты аналемм, а в темное время суток время отображается путем подсветки осветительных приборов на неактивных сегментах или на активных сегментах, дневной час которых соответствует ночному часу. Корректную работу осветительных приборов обеспечивает процессор с программным обеспечением, электрически соединенный с осветительными приборами и пультом управления. Прозрачный купол расчерчен вдоль пути движения Солнца четырьмя линиями, соответствующими летнему и зимнему солнцестоянию, а также весеннему и осеннему равноденствию. В некоторых вариантах изобретения таких линий может быть больше четырех, каждая из которых соответствует определенному календарному периоду. Эти линии состоят из стеклянных призм, закрепленных с внутренней стороны прозрачного купола и при прохождении солнечных лучей через призмы они так же, как сегменты аналемм, отбрасывают тень на оптический преемник.
Следует отметить, что при движении солнца по небесной сфере в некоторых интервалах на оптический приемник может падать тень как одного полного сегмента, так и нескольких неполных сегментов, один из которых всегда будет соответствовать текущему часу. В последнем случае определить тень сегмента, указывающего на текущий час, можно, сопоставив символьные обозначения месяца каждого сегмента с сезонными погодными условиями. Однако в широтах, где климатические особенности разных сезонов почти не различимы, могут быть использованы специальные средства, обеспечивающие дополнительный контроль над месяцами года. Например, в полу опоры 7 проделывают множество выемок, образующих рисунок аналеммы (в виде восьмерки). При этом количество выемок выбирается из расчета временных интервалов, принятых в данной системе учета за эталон (например, месяцы, недели или дни). Для идентификации текущего момента используют элемент (например, шар), периодически устанавливаемый в выемке, соответствующей конкретному временному интервалу. Таким образом, при падении тени на оптический приемник от нескольких сегментов возможно использование дополнительного средства для определения времени года и его сопоставления с символьными обозначениями падающих от сегментов теней, что позволяет точно определить тень сегмента, на которую следует ориентироваться.
Таким образом достигнуто отображение истинного солнечного часа в соответствии с положением солнца на небесной сфере как в светлое время суток, так и в темное за счет осветительных приборов в одной фиксированной точке на оптическом приемнике, что обеспечивает простоту восприятия пользователем отображаемых данных, а также определение солнечного времени во всех широтах. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства, заключающееся в определении точного географического нахождения объекта с указанием сторон света, в обеспечении календарной функции. Солнечные часы могут быть использованы в качестве архитектурного сооружения с высокими эстетическими характеристиками. Устройство может быть установлено в любой части земного шара, для каждой из которых может быть рассчитан рисунок аналемм, соответствующий годовому движению Солнца, характерному для каждой конкретной широты.