Đồng hồ mặt trời là gì? Cách sử dụng đồng hồ mặt trời

Đồng hồ mặt trời là gì? Cấu tạo và cách hoạt động của đồng hồ mặt trời thế nào? Bài viết sau đây sẽ giúp bạn trả lời chi tiết nhất.

Khi công nghệ chưa phát triển, con người thường sử dụng đồng hồ mặt trời để xem thời gian. Vậy đồng hồ mặt trời là gì? Cấu tạo và cách hoạt động của loại đồng hồ này thế nào? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.

Đồng hồ mặt trời là gì?

Đồng hồ mặt trời là một công cụ đo thời gian dựa trên góc độ mà mặt trời chiếu vào nó. Người cổ đại sử dụng đồng hồ mặt trời để xác định thời gian trong ngày thông qua bóng của mặt trời chiếu lên mặt dĩa (thiết bị phản chiếu bóng), phương pháp này thường được gọi là “Nhật Quỹ.”

Khoảng 2000 năm sau đó, đồng hồ mặt trời đã trải qua sự cải tiến bằng cách sử dụng đĩa tròn chia thành 12 phần bằng nhau và dựa trên kim hứng bóng mặt trời để xác định thời gian.

Lịch sử của đồng hồ mặt trời

Đồng hồ mặt trời còn được gọi là Sundial, ra đời vào khoảng năm 3500 TCN. Đây là thời điểm người Ai Cập cổ đại phát triển và chế tạo loại đồng hồ mặt trời đầu tiên.

Vì phương Đông có nền nông nghiệp phát triển, người dân cần một công cụ đo thời gian cụ thể để dự đoán mùa màng và thời tiết. Chính vì vậy, đồng hồ mặt trời hình thành và trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng ngày.

Cấu tạo đồng hồ mặt trời

Đồng hồ mặt trời có cấu tạo như sau:

• Gnomon: là vật tạo bóng, được làm thành một thanh dài mỏng hoặc vật thể có đầu nhọn/ cạnh thẳng. Đồng hồ mặt trời sử dụng nhiều loại gnomon khác nhau, có thể cố định hoặc di chuyển theo mùa và có định hướng khác nhau.
• Ánh Sáng và Bóng: Đồng hồ mặt trời sử dụng ánh sáng để biểu thị thời gian. Một vạch ánh sáng có thể được tạo ra bằng cách cho các tia Mặt trời đi qua một khe mỏng hoặc tập trung chúng qua một thấu kính hình trụ. Một điểm sáng có thể được tạo ra bằng cách cho tia Mặt trời đi qua một lỗ nhỏ, cửa sổ, mắt kính hoặc bằng cách phản chiếu chúng từ một gương tròn nhỏ.
• Mặt đồng hồ: Sử dụng nhiều loại bề mặt khác nhau để nhận ánh sáng hoặc bóng tối, bao gồm mặt phẳng, hình cầu, hình trụ, hình nón và các hình dạng khác. Mặt số di động có thể tự động căn chỉnh để đảm bảo tính chính xác.
• Định hướng đồng hồ: Định hướng của đồng hồ mặt trời là quan trọng để xác định thời gian chính xác. Đồng hồ mặt trời ở một vị trí cụ thể ở một bán cầu sẽ hoạt động đối nghịch với đồng hồ ở vị trí đối diện trên bán cầu khác.

Với những nguyên tắc này, đồng hồ mặt trời có thể biểu thị thời gian dựa trên vị trí của Mặt trời và địa điểm đặt đồng hồ.

Cách làm đồng hồ mặt trời

Để tạo ra một chiếc đồng hồ mặt trời, bạn có thể làm như sau. 

Đầu tiên, chọn 1 cây cột và 1 mặt đĩa tròn. Sau đó, đặt cây cột với góc nghiêng khoảng 50-70 độ so với mặt đĩa. Tiếp theo, chia tấm đĩa tròn thành 12 phần bằng nhau, cách nhau 15 độ để biểu thị 12 giờ trên đồng hồ.

Khi tính toán, cần xem xét vị trí địa lý của bạn. Ví dụ, nếu bạn ở Hà Nội, góc nghiêng của đồng hồ mặt trời sẽ là 21 độ, bởi vì vĩ độ của Hà Nội là 21 độ Vĩ Bắc, còn ở TPHCM góc nghiêng sẽ là 10 độ.

Đối với độ dài của thanh cột, chỉ cần chọn sao cho hình ảnh phản chiếu trên bề mặt đĩa tròn tương đương với bề mặt đĩa ban đầu bạn đã chọn.

Công thức áp dụng là: tanB = tanA/tanC, trong đó:

• B: góc giờ mà bạn muốn xác định trên bề mặt đồng hồ mặt trời (ví dụ: 6 giờ, 7 giờ, 8 giờ…) và tương ứng với các số từ 1 – 12 cho chiều ngược lại.
• C: vĩ độ của địa điểm bạn đang ở 
• A: các góc tương ứng với các giờ (ví dụ: 7 giờ sẽ là 30 độ, 8 giờ sẽ là 45 độ, và cứ tiếp tục như vậy).

Sau khi đã xác định được các góc, bạn có thể tự do trang trí thêm cho mặt đồng hồ để tạo điểm nhấn và làm cho chiếc đồng hồ của bạn trở nên độc đáo và sang trọng hơn.

Cách hoạt động của đồng hồ mặt trời

Đồng hồ mặt trời biểu thị thời gian bằng cách tạo ra bóng hoặc chiếu ánh sáng lên một bề mặt được gọi là mặt quay số hoặc tấm quay số. Mặc dù thường là mặt phẳng, mặt quay số cũng có thể nằm bên trong hoặc bên ngoài của các hình dạng như hình cầu, hình trụ, hình nón, hình xoắn ốc và nhiều hình dạng khác.

Thời gian được hiển thị khi bóng hoặc ánh sáng chiếu lên mặt số thường được đánh dấu bằng các đường vạch giờ. Mặc dù thẳng nhưng đường giờ này cũng có thể được uốn cong, tùy vào thiết kế của đồng hồ. Nếu để xác định ngày trong năm hoặc để biết thời gian chính xác, có thể sử dụng nhiều nhóm dòng giờ cho các tháng khác nhau hoặc cơ chế cài đặt/tính tháng.

Bên cạnh các vạch giờ, mặt số đồng hồ mặt trời cũng có thể cung cấp các thông tin khác như đường chân trời, đường xích đạo và vùng nhiệt đới.

Đồng hồ mặt trời có ý nghĩa như thế nào?

Đồng hồ mặt trời mang hai ý nghĩa:.

• Cụm từ “Ngày” chỉ “Mặt trời” “Quỹ” chỉ “Bóng dáng” và “Bóng mặt trời” ám chỉ “Bóng dáng của mặt trời.”
• Đây là một thiết bị sử dụng bóng của mặt trời để đo thời gian, còn được gọi là “Nhật QUỸ.”

Đồng hồ mặt trời thường bao gồm một con trỏ đồng gọi là “kim,” nằm thẳng đứng qua trung tâm của đĩa và đóng vai trò trung tính. Vì vậy, kim đồng được biết đến với cái tên “bàn” đĩa đá được gọi là “mặt” và đặt trên một bục đá. Đồng hồ mặt trời thường cao ở phía nam và thấp ở phía bắc nên bề mặt của “bàn” chạy song song với bề mặt của đường xích đạo thiên thể. Do đó, đầu trên của kim chỉ vào cực thiên thể ở phía bắc và đầu dưới chỉ vào cực thiên thể ở phía nam.

Cả hai mặt của đồng hồ đều khắc độ chia thành mười hai giờ (Tý, Sửu, Dần, Mẹo, Thìn, Tỵ, Ngọ, Mùi, Thân, Dậu, Tuất, Hợi) và tổng 24h/ngày. Hầu hết các mô hình đồng hồ mặt trời dựa trên mặt trời, một số đã được điều chỉnh trong thiết kế để thể hiện thời gian chuẩn.

Phát minh của đồng hồ mặt trời đã phục vụ con người trong hàng nghìn năm, cho đến khi các chiếc đồng hồ cơ đầu tiên xuất hiện tại Ý và Đức vào năm 1270.

Phân loại đồng hồ mặt trời

Đồng hồ mặt trời xích đạo

Mặt số xích đạo (còn gọi là mặt số đẳng giác) là một mặt phẳng, vuông góc với kiểu dáng của gnomon. Mặt phẳng này được đặt tên là xích đạo vì nó chạy song song với đường xích đạo của Trái đất và thiên cầu.

Nếu gnomon được cố định và thẳng hàng với trục quay của Trái đất, chuyển động biểu kiến của Mặt trời quanh Trái đất sẽ tạo ra một bóng tròn đều từ gnomon; điều này tạo thành một dải bóng tròn đều trên mặt phẳng xích đạo. Bởi vì Trái đất hoàn thành một vòng quay 360° trong 24 giờ, nên các vạch giờ trên mặt số xích đạo được chia cách nhau mỗi 15° (360/24).

Đồng hồ mặt trời ngang

Đồng hồ mặt trời nằm ngang còn được gọi là đồng hồ mặt trời trong vườn, mặt phẳng sẽ tiếp nhận bóng được điều chỉnh theo phương ngang thay vì vuông góc như trong mặt số xích đạo. Do đó, đường bóng không di chuyển đều trên mặt số hay các dòng giờ được đặt cách nhau theo một quy tắc nhất định.

Ưu điểm chính của loại đồng hồ này là dễ đọc và ánh sáng mặt trời chiếu vào mặt đồng hồ suốt cả năm. Tất cả các vạch giờ giao nhau tại một điểm mà kiểu dáng của gnomon cắt với mặt phẳng ngang. Do kiểu dáng này được điều chỉnh theo trục quay của Trái đất, nó tự nhiên hướng về phía Bắc và góc nghiêng của nó so với phương ngang tương đương với vĩ độ địa lý của đồng hồ mặt trời.

Đồng hồ mặt trời dọc

Trong mặt số dọc thông thường, mặt phẳng tiếp nhận bóng được điều chỉnh theo phương dọc; Theo đó, kiểu dáng của gnomon được điều chỉnh theo trục quay của Trái đất. Mặt số có các mặt vuông góc với mặt đất và hướng về phía Nam, Bắc, Đông hoặc Tây được gọi là mặt số hướng thẳng đứng. Nhiều người cho rằng mặt số thẳng đứng không thể nhận ánh sáng mặt trời quá 12 giờ mỗi ngày. Tuy nhiên, có một trường hợp đặc biệt.

Đồng hồ mặt trời thẳng đứng ở vùng nhiệt đới, hướng về cực gần hơn có thể nhận ánh sáng mặt trời lâu hơn 12 giờ từ khi mặt trời mọc cho đến khi mặt trời lặn trong khoảng thời gian ngắn vào thời kỳ mùa hạ.

Đồng hồ mặt trời hình cầu

Bề mặt nhận bóng không cần phải là mặt phẳng, có thể có bất kỳ hình dạng nào, miễn là có đánh dấu các vạch giờ. Nếu kiểu dáng thẳng với trục quay của Trái đất thì hình cầu là lựa chọn tốt nhất vì các vạch giờ sẽ cách đều nhau.

Đây là nguyên tắc cơ bản đằng sau các loại đồng hồ mặt trời cung xích đạo và hỗn thiên cầu. Tuy nhiên, có một số đồng hồ mặt trời hình tam giác khác như mặt số Lambert mà chúng dựa trên nguyên tắc khác.

Trong đồng hồ mặt trời cung xích đạo, gnomon là một thanh, rãnh hoặc dây căng song song với trục thiên thể. Mặt số thường có hình dạng bán nguyệt, tương ứng với đường xích đạo của hình cầu, các vạch giờ được đánh dấu trên bề mặt bên trong. Mô hình này đã được chế tạo rộng vài mét bằng thép bất biến nhiệt độ và được sử dụng để duy trì độ chính xác của các đoàn tàu tại Pháp trước Thế chiến thứ nhất.

Đồng hồ mặt trời hình trụ

Có nhiều cách để sử dụng các bề mặt không phẳng khác nhau để nhận bóng của gnomon. Một trong số đó là tạo kiểu dáng trên bề mặt của hình trụ hoặc hình cầu thay vì ở trục đối xứng trung tâm của chúng.

Theo đó, các đường giờ vẫn cách đều nhau nhưng ở góc gấp đôi so với trường hợp thông thường. Đây là cơ sở của một số loại đồng hồ mặt trời hiện đại nhưng đã được sử dụng từ thời cổ đại.

Trong một biến thể khác, hình trụ được căn chỉnh theo trục cực, mặt số hình trụ có thể được thiết kế như một bề mặt giống như dải băng xoắn ốc, và có thể có một gnomon mỏng nằm dọc theo tâm hoặc ở ngoại vi của nó.

Trên đây là những thông tin chi tiết về đồng hồ mặt trời. Hy vọng thông tin trong bài sẽ giúp bạn hiểu hơn về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ý nghĩa của chiếc đồng hồ này.