十字窥管透明圆柱形时间节气日晷的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种通过物体在阳光下的影子来测定时间、节气的赤道式日晷。本实用新型十字窥管透明圆柱形时间节气日晷，包括底座、调节与固定装置、透明圆柱体、窥管、套环，透明圆柱体为空心部件，其侧面上标有一组时间母线与一组节气圆圈，时间母线为透明圆柱体母线，节气圆圈与透明圆柱体两底平行，窥管为圆筒形，半径较小且不透明，窥管从透明圆柱体两底面中心穿出，内设窥孔，正对北极星，窥管外位于透明圆柱体轴的中点处设有半径略大于窥管半径的不透明套环，窥管与套环组成十字形外观。由窥管的影子所在的时间母线的刻度读出时间，可以随时由套环的影子所在的节气圆圈刻度读出节气，而不必局限于正午时分。
【专利说明】十字窥管透明圆柱形时间节气日晷
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种天文演示仪器，特别是涉及一种运用物体在太阳下的影子的位置测定时间与节气的十字窥管透明圆柱形时间节气日晷。
【背景技术】
[0002]传统用于在阳光下物体的影子的天文仪器主要有两种:一种是石制的圭表，圭表是根据正午日影的长短测定季节、全年日数，可以推算历法等，传统圭表只有正午才能测量节气；另一种是石制的日晷，日晷有东西日晷、水平日晷和赤道日晷等，其工作原理是根据晷针在太阳下的影子投射到晷面上，由影子的方位读出时间。我国特色的赤道式日晷只能测时间，不能测节气，而且传统日晷的缺点是:形体较大，而且不易安装，现代很多地方的日晷仅作为一种陈设，而不能准确度量时间，失去其科学与教育价值。
实用新型内容
[0003]为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种美观、安装简便、适用于赤道及赤道以北地区，在太阳下能随时测知时间与节气的十字窥管圆柱形时间节气日晷。
[0004]本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案是:
[0005]一种十字窥管透明圆柱形时间节气日晷，包括底座、调节与固定装置、透明圆柱体、窥管、套环，所述透明圆柱体和窥管为空心部件，透明圆柱体由透明材料制成，窥管和套环由有色材料制成，窥管从透明圆柱体的两底面中心穿出，套环位于窥管外侧中间位置，套环的圆心与透明圆柱体的轴的中点重合，所述透明圆柱体两底边缘处固定在底座与调节与固定装置上。
[0006]所述透明圆柱体两底面中心分别为南极S与北极N，透明圆柱体侧面上标有一组时间母线，时间母线绕轴每旋转15度表示I小时，每旋转30度表示一个时辰，自南极S向北极N看，按逆时针方向自上向下依次标注:子/0时、I时，丑/2时、3时，寅/4时、5时，卯/6时、7时，辰/8时、9时，巳/10时、11时，午/12时、13时，未/14时、15时，申/16时、17时，酉/18时、19时，戌/20时、21时，亥/22时、23时。
[0007]所述透明圆柱体上标有一组节气圆圈，节气圆圈的每个圆面与透明圆柱体的两底面平行且与时间母线互相垂直，透明圆柱体侧面正中间的节气圆圈上标注:春分/秋分，若透明圆柱体底面半径为R，则自春分/秋分节气圆圈向南极S方向依次在与其相距0.3IR处的圆圈上标注:清明/白露，与其相距0.61R处圆圈上标注:谷雨/处暑，与其相距0.88R处圆圈上标注:立夏/立秋，与其相距1.1R处圆圈上标注:小满/大暑，与其相距1.25R处圆圈上标注:芒种/小暑，与其相距1.3R处圆圈上标注:夏至；自春分/秋分节气圆圈向北极N方向依次在与其相距0.31R处圆圈上标注:惊蛰/寒露，与其相距0.61R处圆圈上标注:雨水/霜降，与其相距0.88R处圆圈上标注:立春/立冬，与其相距1.1R处圆圈上标注:大寒/小雪，与其相距1.25处圆圈上标注:小寒/大雪，与其相距1.3R处圆圈上标注:冬至。
[0008]窥管从透明圆柱体的两极S与N处穿出，窥管为空心圆筒形部件，窥管内设有窥孔。
[0009]在窥管位于两极S与N的中点处设有套环，套环为有色部件，其套环半径大于窥管半径，窥管所在直线与套环所在平面垂直，窥管与套环组成十字形结构。
[0010]由调节与固定装置将透明圆柱体的两底面边缘处固定在底座上，调节与固定装置用于在安装时调节窥管的仰角大小，使窥孔正对北极星。
[0011]本实用新型的有益效果:本实用新型与现有技术相比，本实用新型适用于赤道及赤道以北地区，在夜间安装，由调节与固定装置调节窥管的角度，使窥孔正对北极星，则窥管与地球地轴平行。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型十字窥管圆柱形时间节气日晷的结构示意图；
[0013]图2为本实用新型十字窥管圆柱形时间节气日晷的窥管示意图；
[0014]图3为本实用新型十字窥管圆柱形时间节气日晷的节气纬圈度数计算原理图。
【具体实施方式】
[0015]如图1、图2所示，本实用新型一种十字窥管圆柱形时间节气日晷，包括底底座1、调节与固定装置2、透明圆柱体3、窥管4、套环5，所述透明圆柱体3为空心部件，透明圆柱体3的两底面中心分别为南极S与北极N，窥管4为不透明圆筒形部件，半径较小，窥管4从透明圆柱体3的两极穿出，窥管4内设有窥孔6，套环5固定在窥管4的外侧中点处，套环5由不透明材料制作，其半径略大于窥管4的半径，窥管4所在直线与套环5所在平面互相垂直，构成十字形外观。所述透明圆柱体3固定在底座I上，由调节与固定装置2调节窥管4的角度。透明圆柱体3上标有一组时间母线7和一组节气圆圈8，时间母线7每15度表示I小时,每30度表示一个时辰。节气圆圈8所在平面与时间母线7垂直，透明圆柱体侧面正中间的节气圆圈表示春分/秋分节气，春分/秋分节气圆圈面与套环5所在平面重合。透明圆柱体3的两极部位由调节与固定装置2将其固定在底座I上，调节与固定装置2用于在安装时调节窥管4的仰角大小。
[0016]与现有技术相比，本实用新型适合赤道以北地区测定时间与节气，安装方便，在晴朗的夜间，由调节与固定装置2调节窥管5的仰角，使窥孔6正对北极星，因为北极星位于地球地轴所在直线上，所以安装好的十字窥管透明圆柱形时间节气日晷的窥管5所在直线与地球地轴平行，安装时使透明圆柱体3的南极S在南面，北极N在北面。若透明圆柱体3底面半径为R，则自春分/秋分节气圆圈向南极S方向依次在与其相距0.3IR处的节气圆圈上标注:清明/白露，与其相距0.61R处节气圆圈上标注:谷雨/处暑，与其相距0.88R处节气圆圈上标注:立夏/立秋，与其相距1.1R处节气圆圈上标注:小满/大暑，与其相距1.25R处节气圆圈上标注:芒种/小暑，与其相距1.3R处节气圆圈上标注:夏至；自春分/秋分节气节气圆圈向北极N方向依次在与其相距0.31R处节气圆圈上标注:惊蛰/寒露，与其相距
0.61R处节气圆圈上标注:雨水/霜降，与其相距0.88R处节气圆圈上标注:立春/立冬，与其相距1.1R处节气圆圈上标注:大寒/小雪，与其相距1.25处节气圆圈上标注:小寒/大雪，与其相距1.3R处节气圆圈上标注:冬至。在透明圆柱体3靠天空一侧的最上方的时间母线上标注:子/0时；自南极S向北极N看，自子/0时时间母线起，按逆时针方向时间母线绕透明圆柱体3的轴每旋转15度所得母线上依次标注:1时、丑/2时、3时、寅/4时、5时、卯/6时、7时、辰/8时、9时、巳/10时、11时、午/12时、13时、未/14时、15时、申/16时、17时、酉/18时、19时、戌/20时、21时、亥/22时、23时。
[0017]太阳光线穿过透明圆柱体3，将窥管4与套环5的影子投射到透明圆柱体3的侧面上，由窥管5的影子所在的时间母线7的刻度读出时间，由套环5的影子所在的节气圆圈8的刻度读出节气。与现在技术相比，本方案能在有阳光照射时的任意时间读出节气，而不必局限于正午时分。
[0018]我们知道，按平太阳时太阳在地球上的直射纬度在一天中保持不变，但一天中太阳直射点的经度在不断变化。若太阳直射观测地，则为地方时正午时分，太阳直射点经度每移动15度的时间为I小时，自观测地所在经线开始，向东每隔15度依次为11时、10时、9时、8时等，向西每隔15度依次为13时、14时、15时等，而物体的影子的移动方向与太阳直射点的移动方向正好相反。太阳直射点纬度不同则节气不同。
[0019]下面通过地球与太阳的相对运动规律进行解析，以便理解上述技术方案。
[0020]地球与太阳之间的位置关系与地球的运动有关，地球的运动主要有两种，绕过南北两极的地轴的自转运动和绕太阳的公转运动。地球自转从北往下看是逆时针方向或自西向东方向，但地球上的人们习惯上认为是太阳绕地球转动，太阳在天空中自东向西运动，使一天中的时间不断变化。由于地球绕太公转的黄道面与地球的赤道面之间有23.43度夹角，这样地球在黄道上的运动使太阳直射点在地球上南、北回归线之间来回移动，一年一个周期，导致地球上一年有四季变更或节气变化。太阳直射某地时，过该地经线上的所有地区都是地方时下午12时。太阳直射点的纬度不同，则节气不同，如太阳直射赤道时，为春分或秋分节气，太阳直射北回线时为夏至节气。由于太阳与地球之间的距离很远，所以太阳光照到地球上每一个地方的光线都是互相平行的，即地球上任意地方的太阳光线都与直射点的那束太阳光线平行。因此可以用本方案所述的窥管4与套环5的影子投射到透明圆柱体3的侧面上时间母线7与节气圆圈8的刻度来度量太阳的直射位置，从而测定时间与节气。由于本方案中透明圆柱体3的轴与地轴平行，春分/秋分节气圆圈面与赤道面平行，因此每隔15度的时间母线表示一小时，太阳照射到本方案透明圆柱体3上的光线与透明圆柱体3上的春分/秋分节气圆圈面所成的角度和太阳直射纬度一致，由于太阳在一天中的直射纬度是不变的，所以一天中本方案套环5的影子在透明圆柱体3侧面上某条节气圆圈上运动。
[0021]本方案的优点还在于无论太阳直射南半球还是北半球，窥管4和套环5均会在透明圆柱体3的侧面上有影子，而且套环5的影子在透明圆柱体3的侧面上的轨迹是某条节气圆圈，所以只要有阳光，可以随时读出节气，而不必局限于正午。
[0022]下面结合图3说明各节气太阳直射纬度数的确定方法，如图3，可视黄道为圆，地球在黄道上绕太阳每移动15度角为一个节气。黄道面与地球赤道面成23.43度的角，黄道面与赤道面交于AB,太阳位于黄道圆心F点处,若地球位于黄道面上E点处,设E点在赤道上的正射影为D点，过D点作DC垂直于AB，垂足为C，连结EC，设角AFE为Θ，则Θ为太阳离开二分日的角度，设角EFD为Ω，则Ω为太阳在地球上直射点的纬度数，由图3中的几何模型知sin Ω = sin23.43.sin θ，由公式R.tan Ω计算出各节气圆圈面与春分/秋分圆圈面之间距离。
[0023]以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种十字窥管透明圆柱形时间节气日晷，其特征在于:包括底座(I)、调节与固定装置(2)、透明圆柱体(3)、窥管(4)、套环(5)，所述透明圆柱体(3)和窥管(4)为空心部件，透明圆柱体(3)由透明材料制成，窥管(4)和套环(5)由有色材料制成，窥管(4)从透明圆柱体(3)的两底面中心穿出，套环(5)位于窥管(4)外侧中间位置，套环(5)的圆心与透明圆柱体(3)的轴的中点重合，所述透明圆柱体(3)两底边缘处固定在底座(I)与调节与固定装置⑵上。
2.根据权利要求1所述的十字窥管透明圆柱形时间节气日晷，其特征在于:所述透明圆柱体(3)两底面中心分别为南极S与北极N，透明圆柱体(3)侧面上标有一组时间母线(7)，时间母线(7)绕轴每旋转15度表示I小时，每旋转30度表示一个时辰，自南极S向北极N看，按逆时针方向自上向下依次标注:子/0时、I时，丑/2时、3时，寅/4时、5时，卯/6时、7时，辰/8时、9时，巳/10时、11时，午/12时、13时，未/14时、15时，申/16时、17时，酉/18时、19时，戌/20时、21时，亥/22时、23时。
3.根据权利要求2所述的十字窥管透明圆柱形时间节气日晷，其特征在于:所述透明圆柱体(3)上标有一组节气圆圈(8)，节气圆圈(8)的每个圆面与透明圆柱体(3)的两底面平行且与时间母线(7)互相垂直，透明圆柱体(3)侧面正中间的节气圆圈上标注:春分/秋分，若透明圆柱体(3)底面半径为R，则自春分/秋分节气圆圈向南极S方向依次在与其相距0.31R处的圆圈上标注:清明/白露，与其相距0.61R处圆圈上标注:谷雨/处暑，与其相距0.88R处圆圈上标注:立夏/立秋，与其相距1.1R处圆圈上标注:小满/大暑，与其相距1.25R处圆圈上标注:芒种/小暑，与其相距1.3R处圆圈上标注:夏至；自春分/秋分节气圆圈向北极N方向依次在与其相距0.31R处圆圈上标注:惊蛰/寒露，与其相距0.61R处圆圈上标注:雨水/霜降，与其相距0.88R处圆圈上标注:立春/立冬，与其相距1.1R处圆圈上标注:大寒/小雪，与其相距1.25处圆圈上标注:小寒/大雪，与其相距1.3R处圆圈上标注:冬至。
4.根据权利要求1或2所述的十字窥管透明圆柱形时间节气日晷，其特征在于:窥管(4)从透明圆柱体(3)的两极S与N处穿出，窥管(4)为空心圆筒形部件，窥管(4)内设有窥孔(6)。
5.根据权利要求4所述的十字窥管透明圆柱形时间节气日晷，其特征在于:在窥管(4)位于两极S与N的中点处设有套环(5)，套环(5)为有色部件，其套环半径大于窥管(4)半径，窥管(4)所在直线与套环(5)所在平面垂直，窥管(4)与套环(5)组成十字形结构。
6.根据权利要求1或2所述的十字窥管透明圆柱形时间节气日晷，其特征在于:由调节与固定装置(2)将透明圆柱体(3)的两底面边缘处固定在底座(I)上，调节与固定装置(2)用于在安装时调节窥管⑷的仰角大小，使窥孔(6)正对北极星。
【文档编号】G09B19/12GK203587983SQ201320649315
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】汪汇川 申请人:汪汇川