日晷(古代計時儀器):簡介,工作原理,分類,地平式日晷,赤道式日晷,極地晷,垂直式

日晷(古代計時儀器)

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古代計時儀器大型雕塑

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(表)和晷面(帶刻度的表座)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。

基本介紹

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

簡介,工作原理,分類,地平式日晷,赤道式日晷,極地晷,垂直式日晷,投影日晷,摺疊式日晷,等高儀日晷,使用方法,注意事項,文獻記載,日規,日晷,

簡介日晷有兩層含義,一般指的是第2個含義。(1)“日”指“太陽”,“晷”表示“影子”,“日晷”的意思為“太陽的影子”。(2)利用太陽投射的影子來測定時刻的裝置,又稱“日規”。日晷通常由銅製的指針和石制的圓盤組成。銅製的指針叫做“晷針”,垂直地穿過圓盤中心,起著圭表中立竿的作用,因此,晷針又叫“表”;石制的圓盤叫做“晷面”,安放在石台上,呈南高北低,使晷面平行於天赤道面,這樣,晷針的上端正好指向北天極,下端正好指向南天極。晷面兩面都有刻度,分子、醜、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二時辰,每個時辰又等分為“時初”、“時正”,這正是一日24小時。絕大部分的日晷顯示的都是視太陽時,有些在設計上作了變更,可以顯示標準時或是日光節約時間。人類使用日晷的歷史非常遙遠,古巴比倫在遠古時期的6000年前就開始使用了,中國是在3000多年前的周朝。日晷不但能顯示一天之內的時刻,還能顯示節氣和月份。當然它的缺點也是顯而易見的,笨重而且看不到陽光的時候不能用,比如陰天和晚上。這項發明被人類所用達幾千年之久,直至1270年在義大利和德國才現早期的機械鐘,而中國則在1601年明代萬曆皇帝才得到二架外國的自鳴鐘,清代時雖有很多進口和自製的鐘表,但都為王宮貴府所用,一般平民百姓還是看天曉時。工作原理在一天中,被太陽照射到的物體投下的影子在不斷地改變著:銅製的指針叫“晷針”第一是影子的長短在改變。早晨的影子最長,隨著時間的推移,影子逐漸變短,一過中午它又重新變長;第二是影子的方向在改變。在北回歸線以北的地方,早晨的影子在西方,中午的影子在北方,傍晚的影子在東方。從原理上來說,根據影子的長度或方向都可以計時,但根據影子的方向來計時更方便一些。故通常都是以影子的方位計時。隨著時間的推移,晷針上的影子慢慢地由西向東移動。移動著的晷針影子好像是現代鐘錶的指針,晷面則是鐘錶的表面,以此來顯示時刻。早晨,影子投向盤面西端的卯時附近;當太陽達正南最高位置(上中天)時,針影位於正北(下)方,指示著當地的午時正時刻。午後,太陽西移,日影東斜,依次指向未、申、酉各個時辰。分類日晷依晷面所放位置、擺放角度、使用地區的不同,日晷可分成地平式、赤道式、子午式、卯酉式、立晷等多種,套用範圍也不盡相同。按晷面的擺放角度,可分為:地平式、垂直式、赤道式。地平式日晷亦稱水平式日晷(The Horizontal SundialE),地平日晷的晷面必須嚴格水平,晷面和晷針之間的夾角就是當地的地理緯度。晷面刻度需要利用三角函式計算才能確定。適合低緯度的使用。由於日晷的產生是從觀察陽光下豎直物體影子的方向變化而開始的,因此最早的日晷可能是地平式日晷。但它必須在使用其他計時工具進行精確計時的條件下,根據表影隨時間變化的實際情況來進行刻劃,這顯然是不方便的,但如果採用均勻刻劃的方法又會帶來相當大的計時誤差。這是地平式日晷重大的缺陷。地平日晷製造容易,安裝簡便,除了把它作為一般的測時工具外,常常在城市廣場、花園、道路、小區、寺堂、學校、碼頭和遊覽點等都可看到它的蹤影,顯得非常別致和美觀。赤道式日晷赤道式日晷(The ERquatorial Sundial)的晷面為赤道面,依照使用地的緯度,使赤道式日晷的晷面平行於赤道面。晷盤上的刻度是等分的,夏季和冬季軸投影在晷盤上的影子會分在晷盤的北面和南面。適合中低緯度地區使用。若將晷盤改為圓環則稱為赤道式羅盤日晷。赤道式日晷亦稱斜晷。赤道式日晷是日晷世界中最重要和最常見的,也是中國古代最經典和傳統的天文觀測儀器。赤道式日晷的明確記載初見於南宋曾敏行《獨醒雜誌》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。北京故宮等處保存的都是清代製造的石質赤道式日晷。極地晷極地晷(The polar Dial)晷盤與晷針平行,即晷盤與地平面的夾角和地理緯度相同,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。垂直式日晷亦稱立晷。它是晷盤面垂直於地平面刻度盤面採用垂直方向的日晷。歐洲的英國、法國、德國、義大利、奧地利等國,在一些古代和現代華麗的中層建築的向南和向北(東西方向)以及向東和向西(南北方向)的牆上,附建有各種不同色調、大小和風格相異的日晷雕塑。清早期掛式日晷垂直式日晷有標準向南、向北和向東、向西四個面,可分為三種:“垂直向南日晷”、“垂直向北日晷”和“垂直向東和向西日晷”。垂直向南日晷(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(Vertical Direct East or West)刻度盤面朝向正東或正西且垂直地面的日晷。這一種日晷只能在上半日(東向)或下半日(西向)使用,但全球各緯度都適用。

投影日晷投影日晷不設定指時針,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,短軸指向南北向並刻上日期,指示立竿測量時刻的正確位置。摺疊式日晷一種便於攜帶的日晷稱為摺疊式日晷,含有以絞鏈結合在一起的兩個小晷面,通常會摺疊起來放在平整的小盒子內,以方便放在口袋中。晷針則是在兩晷面之間的帶子,當帶子被扯緊拉直時,兩個晷面會互相垂直,一個面形成垂直式日晷,另一個面則是水平式的日晷。讓兩個晷面以不同的角度結合(會產生不同的投影),摺疊式日晷便可以自行調整。當兩晷面顯示出相同的時間,而且絞鏈是水平的,摺疊式日晷指示的是當地的視太陽時。另外,當絞鏈朝向北方(在北半球時),摺疊式日晷被旋轉了一個角度,晷針才能與地球的自轉軸平行,則當正午、日出與日落時,摺疊式日晷的時間不會受到緯度改變的影響,但是在早上9點和下午3點,緯度每偏差1度,在兩個晷面上的時間便會相差4分鐘(肇因於日晷在錯誤的緯度上)。摺疊式日晷可以像指南針一樣來使用,甚至可以測量緯度。有些摺疊式日晷附有小的鉛錘和分度器來讀取正確的緯度;也有些附有指南針,可以測量地理上的特徵。在古代,大型的(1公尺以上的)摺疊式日晷曾經被用於航海上。等高儀日晷等高儀日晷(Elevation sundial)可以顯示正確的日期,是使用在導航與天文學上的日晷。在設計上是一個平坦的小圓環,有一個小把手,或是像表鏈上的飾物,還是小裝飾。 當以把手將環懸吊起來時,小孔會在環的內側投下陰影,經由環內的標示可以顯示時間,但在測量時,使用者必須知道是上午還是下午。通常這個小孔被設定在一片可以滑動和鎖住,用來調整日期的金屬片上。使用方法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,都有關係。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:(1) 地平式日晷:(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:(4) 南向垂直日晷:(5) 東或西向垂直式:(6) 側向垂直式:θ為日晷牆面的斜角指時針與牆面垂線的夾角W,指時針高出於牆面的夾角O,指時針與正午線的時間線夾角R,6點與12點時間線的夾角S,(7)投影日晷:時間點在長軸方向上的值:時間點在短軸方向上的值:橢圓長軸與短軸的比:豎竿(人立足)的位置: ,其中del為太陽的赤緯

注意事項使用日晷,無論是何種形式都有一根指時針(Gnomon),這根指時針與地平面的夾角必須與當地的地理緯度相同,並且正確的指向北極星,也就是都有一根與地球自轉軸平行的指針。觀察這根指針在指定區域內的投影,就能確定時間。由於日晷必須依賴日照,不能用於陰天和黑夜。因此,單用日晷來計時是不夠的,還需要其他種類的計時器,如水鐘,來與之相配。春分到秋分期間,太陽總是在天赤道的北側運行,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,晷針的影子投向晷面的下方。所以在春分以後看晷盤的上面;秋分以後看晷盤的下面。文獻記載人類使用日晷的時間非常久遠,古巴比倫人在遠古時代的6000年前就開始使用了,中國是在3000年前的周朝。日晷不但能顯示一天之內的時刻,還能顯示節氣和月份。當然它的缺點也是顯而易見的,笨重而且看不到陽光的時候不能用,比方陰天和晚上。中國最早的可靠記載是《隋書·天文志》中提到的袁充於594年(隋開皇十四年)發明的短影平儀(即地平式日晷)。赤道日晷的明確記載初見於南宋曾敏行的《獨醒雜誌》卷二中提到的晷影圖。日規唐·柳宗元《問答·晉問》:“當空發耀,英精互繞,晃蕩洞射,天氣盡白,日規為小,鑠雲破霄。”日晷1.日影《周髀算經》卷上:“故冬至日晷丈三尺五寸,夏至日晷尺六寸。冬至日晷長,夏至日晷短。”《藝文類聚》卷七七引 北齊·邢劭《景明寺碑》:“及日晷停流,星光輟運,香雨旁註,甘露上懸。”唐·方乾《贈上虞胡少府百篇》詩:“日晷未移三十刻,風騷已及四千言。”元·柯丹邱《荊釵記·續姻》:“日晷漸長人盡悅,繡紋弱線添些。”明·馬中錫《中山狼傳》:“相持既久,日晷漸移。”2.時光宋·王安石《本朝百年無事札子》:“臣以淺陋,誤承聖問,迫於日晷,不敢久留,語不及悉,遂辭而退。”清·陸以湉《冷廬雜識·周文忠公》:“日晷已促,不得盡言。”3.古代測日影定時刻的儀器《漢書·藝文志》有《日晷書》三十四卷。清·錢泳《履園叢話·藝能·銅匠》:“測十二時者,古來惟有漏壺,而後世又作日晷、月晷,日晷用於日中,月晷用於夜中,然是日有風雨,則不可用矣。”

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