日晷

日晷

日晷,本義是指太陽的影子。現代的"日晷"指的是人類古代利用日影測得時刻的一種計時儀器,又稱"日規"。其原理就是利用太陽的投影方向來測定並劃分時刻,通常由晷針和晷面組成。利用日晷計時的方法是人類在天文計時領域的重大發明,這項發明被人類沿用達幾千年之久。

  • 中文名稱
    日晷
  • 外文名稱
    sundial
  • 漢語拼音
    rì guǐ
  • 組成部分
    晷針,晷面

概述

日晷本義是指日影,是使用太陽的位置來測量時間的一種設備,主要由一根投射太陽陰影的指標、承受指標投影的投影面 (即晷面) 和晷面上的刻度線組成。最常見的設計,也就是最普通的,就是所謂的庭園日晷,讓日影投射在一個標有時刻的平面上,當太陽移動時,影子所指示的時間也將跟著變動。其實,日晷可以設計在任何物體的表面上,讓固定的指針產生陰影來測量時間。因此,日晷有許多種不同的形式:如地平式日晷、赤道式日晷、子午式日晷以及卯酉式日晷等等。

日晷

常見分類

水準式日晷

日晷

水準式日晷(The Horizontal SundialE)是最常用的日晷,採用水準式的刻度盤,日晷軸的傾斜度,依使用地的緯度設定,刻度需要利用三角函式計算才能確定。適合低緯度的使用。

赤道式日晷

赤道式日晷(The ERquatorial Sundial)是依照使用地的緯度,將軸(指時針)朝向北極固定,觀察軸投影在垂直于軸的圓盤上的刻度來判斷時間的裝置。盤上的刻度是等分的,夏季和冬季軸投影在圓盤上的影子會分在圓盤的北面和南面,適合中低緯度的使用。若將圓盤改為圓環則稱為赤道式羅盤日晷。

極地晷

極地晷(TheRE polar Dial)供指時針投影的平面與指時針平行,即與地平面的夾角與地理緯度相同,並朝向正北。時間的刻畫可以用簡單的幾何圖來處理,投影的時間線是平行的線條。適合各種不同的緯度使用。

南向垂直日晷

南向垂直日晷(Vertical Direct South Dial)刻度盤面朝向正南且垂直地面的日晷。這一種日晷較適合在中緯度(30~70)使用。

東或西向垂直式

東或西向垂直式Vertical Direct East or West)刻度盤面朝向正東或正西且垂直地面的日晷。這一種日晷隻能在上半日(東向)或下半日(西向)使用,但全球各緯度都適用。

側向垂直式

側向垂直式(Vertical Declining)刻度盤面採用垂直方向的日晷。這一種日晷需要依照建築物的牆面方向換算刻度,不容易製作。依季節及時間的不同,有時不會產生影子。南向與東西垂直日晷都可視為此形的特例。

投影日晷

投影日晷(Analemmatic Sundial)不設定指時針,僅在地平面依地理緯度的不同繪製不同扁率的橢圓,在其上刻劃時間線,並將長軸指向正東西方向,南北向的短軸上則需刻上日期,指示立竿測量時刻的正確位置。

平日晷

平日晷晷面水準放置而晷針指向北極,晷面和晷針之間的夾角就是當地的地理緯度。

相關計算

日晷的製作除了指時針必需正確的安裝之外,時間線的刻劃也不能忽視。各形日晷時間線的刻劃與日晷的地理位置,指時針的高度等,都有關系。假設地理緯度為φ,指時針的高度為H,要刻劃的時間與正午的差值為T;時間線與指時針的夾角為A,距離為D,則各形日晷的計算式如下:

日晷

(1) 水準式日晷:TAN(A)=TAN(T)*SIN(φ)

(2) 赤道式日晷:等分圓盤,每小時相當與十五度,正午線垂直朝下。

(3) 極地晷:D=H*TAN(15*T)

(4) 南向垂直日晷:TAN(A)=TAN(T)*COS(φ)

(5) 東或西向垂直式:D=H*TAN((6-T)*15)

(6) 側向垂直式:TAN(A)=SIN(O)*TAN(R+15*T)

指時針與牆面垂線的夾角TAN(W)=SIN(θ)*COT(φ)

指時針高出于牆面的夾角SIN(O)=COS(θ)*COS(φ)

指時針與正午線的時間線差COT(R)=COT(θ)*SIN(φ)

6點與12點時間線的夾角COT(S)=SIN(θ)*TAN(φ)

θ:日晷牆面的斜角

(7)投影日晷:D= SIN(T*15),V= sin(φ)*COT(φ)

橢圓長軸與短軸的比:sin(φ)

豎竿(人立足)的位置:Z=TAN(del)*COS(φ)

del:太陽的赤緯,V:時間點在短軸方向上的值

D:時間點在長軸方向上的值 

由于從春分到秋分期間,太陽總是在天赤道的北側運行,因此,晷針的影子投向晷面上方;從秋分到春分期間,太陽在天赤道的南側運行,因此,晷針的影子投向晷面的下方。所以在觀察日晷時,首先要了解兩個不同時期晷針的投影位置。中國古代測時儀器。由晷針和晷盤組成,晷盤上有時間刻度,晷針垂直于盤面,通過晷針日影在盤面上的方向就能測定時間。因盤面安置的方向不同,日晷可分為地平日晷、赤道日晷、立晷、斜晷。日晷的早期歷史尚不清楚,最早的可靠記載是《隋書·天文志》中提到的袁充于隋開皇十四年(594)發明的短影平儀(即地平日晷)。赤道日晷的明確記載初見于南宋曾敏行《獨醒雜志》卷二中提到的晷影圖,但晷盤是木製的。後世改用石質晷盤,金屬晷針。北京故宮等處儲存的都是清代製造的石質赤道日晷。赤道日晷的晷面平行于赤道面,晷針指向南北極。相持既久,日晷漸移。——明·馬中錫中山狼傳

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