چگونه گذشتگان از سایه ها زمان را می سنجیدند؟ انواع ساعت های آفتابی اصول و ساخت آنها چگونه است؟ در این مقاله همه چیز درباره مفاهیم ابتدایی ساعت های آفتابی و ساخت و استفاده از آنها شرح داده شده است (همراه با نمودار تعدیل زمان قابل استفاده برای سراسر ایران).

اصول حاکم بر همه ساعت های آفتابی خیلی ساده تر از آن است که اغلب مردم فکر می کنند و هدف این مقاله آن است که این اصول را توضیح دهد و برخی فرمول های مفید را عرضه کند. امیدواریم این مقاله شما را تشویق کند تا چند ساعت آفتابی آزمایشی برای خودتان درست کنید. هیچ لزومی ندارد که این ساعت های آفتابی پیچیده و دائمی باشند. آنها می توانند موقتی باشند. آزمایش با طرح های ساده، جالب است و بسیار خوشایند است که ببینیم ابزارهای ساده ای که ساخته ایم زمان را با دقت نشان می دهند. شاید این ما را به ساختن ساعت های آفتابی دیگر با مصالح دائمی تری بکشاند. استفاده از وسایل طبیعی برای نشان دادن مفهومی بنیادی مثل زمان بسیار جذاب است. این پند را هم هرگز فراموش نکنید <ایام عزیز عمر دریاب!>

برای این که دریابیم ساعت های آفتابی چطور کار می کنند باید چرخش زمین و مدار آن به دور خورشید را در نظر بگیریم.

زمین حول محوری گذرنده از قطب شمال و قطب جنوب می چرخد و در ۲۳ ساعت و ۵۶ دقیقه و ۱/۴ ثانیه یک دور کامل می زند. همه نقاط روی زمین هم طی این مدت یک دور کامل می زنند. باید بفهمیم چرا طول شبانه روز که ۲۴ ساعت است به اندازه یک دور چرخش زمین نیست. زمین همچنین در مداری حول خورشید در فاصله تقریبی ۱۵۰ میلیون کیلومتر می گردد. در طول یک سال مدار کامل را طی می کند و صفحه حرکت آن صفحه دایره` البروج نامیده می شود. محور چرخش زمین همیشه در یک راستا باقی می ماند.

هر روز زمانی را که خورشید در بالاترین نقطه در آسمان دیده می شود <ظهر> می نامیم. همه مکان های روی یک نصف النهار ظهر مشترکی دارند. در هنگام ظهر نصف النهار ما بخشی از سطح زمین است که درست رو به روی خورشید قرار دارد.

زمان را روی زمین از ظهر یک روز تا ظهر روز بعد اندازه می گیریم. این مدت زمان به ۲۴ ساعت مساوی تقسیم می شود. چون زمین به اندازه ۳۶۵/۱ مدار خود را هم در ۲۴ ساعت می پیماید. باید کمی بیشتر از یک دور هم بگردد تا دوباره درست روبه روی خورشید قرار بگیرد. میانگین زمان انجام این کار ۳ دقیقه و ۹/۵۵ ثانیه است. به همین دلیل طول شبانه روز به اندازه زمان چرخش زمین به دور خودش نیست.

برای کار با ساعت های آفتابی بهتر است دیدگاه زمین­ مرکزی اختیار کنیم. می توانیم خودمان را ثابت و بقیه جهان را در حال حرکت به دورمان فرض کنیم. در این صورت به نظر می رسد خورشید در مسیر دایره وار به دور زمین می گردد. در یک عرض جغرافیایی که به تدریج با فصل تغییر می کند خورشید در لحظه ظهر درست از بالای سر می گذرد. تمام عرض های جغرافیایی که در آنها خورشید در زمانی درست از بالای سر می گذرد در نواری بر دو سوی خط استوا بین عرض های جغرافیایی ۲۳ درجه و ۲۶ دقیقه شمالی و ۲۳ درجه و ۲۶ دقیقه جنوبی واقع شده اند، که آن را منطقه استوایی می نامیم.

از اول دی تا اول تیر به نظر می رسد مسیر خورشید هر روز کمی شمالی تر می شود. در اول فروردین از استوا می گذرد و در اول تیر در عرض جغرافیایی ۲۳ درجه و ۲۶ دقیقه شمالی (مدار رأس السرطان) از بالای سر می گذرد. سپس به نظر می رسد مسیرش هر روز قدری جنوبی تر می شود. در اول مهر از استوا می گذرد و در اول دی دوباره به جنوبی ترین موضع خود در ۲۳ درجه و ۲۶ دقیقه جنوبی (مدار را‡س الجَدی) می رسد.

حداکثر ارتفاع خورشید در هر روز در ظهر رخ می دهد و برای آن روز با یک فرمول ساده به میل خورشید مربوط می شود.

متمَم عرض جغرافیایی حداکثر ارتفاع = میل خورشید

مثلا ً حداکثر ارتفاع خورشید در رشت که عرض جغرافیایی اش ۳/۳۷ درجه است، ۵/۶۹ درجه اندازه گیری شده است. متمم عرض جغرافیایی ْ۷/۵۲= ْ۳/۳۷ ْ۹۰ است: ْ۸/۱۶= ْ۷/۵۲ ْ۵/۶۹. بنابراین میل ۸/۱۶ درجه یا ۱۶ درجه و ۴۸ دقیقه است.

با استفاده از نقشه های جغرافیایی می توانیم ببینیم خورشید آن روز در هنگام ظهر درست از بالای سر بیجاپور (در هند) می گذشته است. همچنین با استفاده از جدول می توانیم دریابیم آزمایش باید در ۱۷ یا ۱۸ اردیبهشت یا در روز ۱۵ یا ۱۶ مرداد انجام شده باشد.

قسمتی از ساعت آفتابی را که سایه ایجاد می کند شاخص می نامند. این واژه ای عربی به معنای مشخص کننده یا نشان دهنده است. اگر شاخص را در راستای ستاره قطبی بگیریم، در این صورت با محور چرخش زمین موازی خواهد بود و همیشه با صفحه دایره` البروج زاویه ثابتی می سازد. اگر بخواهیم یک ساعت آفتابی بسازیم که در سرتاسر سال کار کند، این کار ضروری است.

سایه باید روی یک سطح بیفتد تا دیده شود و واضح است که جهت شیب سطح دریافت کننده بر جهت سایه تأثیر می گذارد. با اختیار دیدگاه زمین­ مرکزی خورشید در هر شبانه روز یک بار به دور زمین می گردد، بنابراین سایه محور آن بر صفحه استوا باید به طور یکنواخت دقیقاً ۳۶۰ درجه در ۲۴ ساعت یا ۱۵ درجه در هر ساعت بچرخد. این چرخش معادل یک درجه در هر ۴ دقیقه زمان است.

سایه روی هر صفحه دیگری که موازی صفحه استوا نباشد با سرعتی ثابت حرکت نخواهد کرد. بنابراین برای تعیین دقیق جایی که سایه در ساعت خاصی می افتد به مثلثات یا ترسیم هندسی دقیق نیاز داریم. اما اگر شاخص در راستای قطب شمال آسمانی باشد سایه دقیقاً هر روز در همان ساعت به همان نشانه ها می رسد.

ساعت آفتابی زمان را به طور کامل نشان می دهد؛ ساعت مُچی و ساعت دیواری هم همین کار را انجام می دهند. اما ساعت آفتابی و مثلا ً ساعت دیواری به ندرت زمان را یکسان نشان می دهند زیرا اساس کار آنها متفاوت است.

ساعت های آفتابی <زمان محلی ظاهری> را اندازه می گیرند که براساس ظهر در طول جغرافیایی محلی است. برای مثال، زمانی که خورشید در جنوب قرار می گیرد یا از نصف النهار می گذرد ظهر محلی نامیده می شود. طول جغرافیایی جاهایی که خورشید درحال گذر از نصف النهار آنهاست به طور یکنواخت با سرعت ۱۵ درجه در ساعت به سوی غرب جابه جا می شود. مثلا ً طول جغرافیایی رشت ­۶/۴۹ شرقی و طول جغرافیایی تهران ْ۴/۵۱ شرقی است. پس تفاوت طول جغرافیایی آنها ۸/۱ درجه است و در نتیجه ظهر محلی رشت همیشه ۲/۷ دقیقه یا ۷ دقیقه و ۱۲ ثانیه دیرتر از ظهر محلی تهران است (دقیقه ۲/۷= ْ۱۵/ دقیقه ۶۰* ْ۸/ ۱). بنابراین ساعت آفتابی در رشت همیشه زمان را ۷ دقیقه و ۱۲ ثانیه کمتر از ساعت آفتابی در تهران نشان می دهد.

چنین تفاوتی در زمان ساعت های دیواری موجب دردسر می شد. بنابراین در همه جای ایران زمان براساس نصف النهار مبدا‡ زمان رسمی ایران که از طول جغرافیایی ­۵/۵۲ شرقی می گذرد بیان می شود و ساعت مُچی در رشت همان زمان ساعت مچی در تهران را نشان می دهد. وقتی ساعت آفتابی در رشت ساعت ۱۲ را اعلام می کند ساعت مچی در رشت مثلا ً ساعت ۱۲ و ۷ دقیقه را نشان می دهد که هر دو درست هستند. علا وه براین، به دلیل تغییر محل خورشید در طول سال و تغییر ساعت برخی کشورها در تابستان، زمان رسمی با زمانی که ساعت آفتابی نشان می دهد، ممکن است متفاوت باشد.