Zanim pojawiły się zegarki, ludzie odczytywali czas z cienia, wypływającej wody i przesypującego się piasku. Zegary słoneczne i klepsydry działają na bardzo prostych zasadach, więc łatwo zrozumieć, jak z nich korzystano, i samodzielnie sprawdzić, jak wypadają w praktyce.
Jak działa zegar słoneczny
Zegar słoneczny wykorzystuje fakt, że w ciągu dnia Słońce zmienia położenie na niebie, a razem z nim wędruje cień. Najprostszą wersją jest gnomon, czyli pionowy kij wbity w ziemię. Rano jego cień jest długi i pada w jedną stronę, w południe jest najkrótszy, a wieczorem znów się wydłuża, ale w przeciwnym kierunku. Podobne rozwiązania znano już w starożytnych cywilizacjach, między innymi w Egipcie i Babilonie.
Z czasem do gnomonu dodano tarczę z podziałką. W dokładniejszych zegarach ramię rzucające cień ustawia się równolegle do osi obrotu Ziemi, czyli pod kątem równym szerokości geograficznej miejsca. Dzięki temu cień zachowuje się podobnie o różnych porach roku. Dlatego zegar słoneczny jest zwykle projektowany dla konkretnej lokalizacji, a przeniesiony w inne miejsce będzie się mylił.
Dlaczego zegar słoneczny nie zgadza się z zegarkiem
Jeśli porównasz cień z zegarkiem na ręku, często zobaczysz różnicę. Powodów jest kilka:
- Czas słoneczny a czas strefowy. Zegar słoneczny pokazuje czas lokalny, wynikający z położenia Słońca. Zegarki są ustawione według czasu obowiązującego w całej strefie, więc w zależności od miejsca w kraju występuje stała różnica.
- Czas letni. W okresie jego obowiązywania zegarki są przesunięte o godzinę względem czasu zimowego, a zegar słoneczny tego nie uwzględnia.
- Nierówny ruch Słońca. W ciągu roku Słońce raz wyprzedza zegar, a raz się spóźnia względem czasu średniego. Różnice sięgają kilkunastu minut.
- Ograniczenia pogodowe. Zegar słoneczny nie działa w nocy ani przy zachmurzonym niebie.
W starożytności nie było to takim problemem, bo dzień dzielono często na stałą liczbę godzin, które w lecie były dłuższe, a w zimie krótsze. Dopiero potrzeba równych, mechanicznie odmierzanych godzin zmieniła podejście do czasu.
Klepsydra: woda czy piasek?
Dziś słowem „klepsydra” najczęściej nazywamy zegar piaskowy, ale pierwotnie określenie to, wywodzące się z języka greckiego, dotyczyło zegara wodnego. Działał on tak: z naczynia z małym otworem powoli wypływała woda, a poziom cieczy w naczyniu lub w zbiorniku pod spodem pokazywał, ile czasu minęło. Wewnątrz zaznaczano kreski, które pozwalały odczytać wynik. Takie urządzenia znano w starożytnym Egipcie i Grecji, a według przekazów używano ich także do odmierzania czasu wypowiedzi w sądach.
Zegar wodny ma jednak wadę: gdy poziom wody spada, spada też ciśnienie, więc strumień płynie coraz wolniej. Na tempo wypływu wpływa również temperatura, a w chłodne dni woda może zamarzać. Dlatego konstruktorzy próbowali różnych kształtów naczyń i sposobów utrzymywania stałego poziomu, żeby wyrównać przepływ.
Zegar piaskowy składa się z dwóch szklanych baniek połączonych wąskim przewężeniem. Piasek przesypuje się w dość stałym tempie, bo drobne ziarna zachowują się inaczej niż woda, a wysokość słupa niewiele zmienia szybkość przesypywania. Nie ma też problemu z zamarzaniem czy parowaniem. Dzięki temu taki zegar nadawał się do miejsc, gdzie ważniejsze było odmierzenie określonego odcinka czasu niż odczytanie pory dnia. Ma to zastosowanie do dziś, na przykład w kuchni czy podczas gier.
Warto pamiętać o tej różnicy: zegar słoneczny pokazuje porę dnia, a klepsydra, wodna lub piaskowa, mierzy czas trwania czegoś. Po przesypaniu się piasku trzeba ją odwrócić i zaczyna od początku, niezależnie od tego, która jest godzina.
Wypróbuj w domu
Oba rodzaje zegarów można zbudować z domowych rzeczy i sprawdzić, jak działają.
- Prosty zegar słoneczny: wbij prosty kij w ziemię na otwartej, nasłonecznionej przestrzeni albo ustaw go w doniczce wypełnionej piaskiem. W słoneczny dzień co godzinę zaznaczaj kamykiem lub kredą koniec cienia i podpisz godzinę odczytaną z zegarka. Następnego dnia o tych samych porach możesz porównać wyniki. Po kilku tygodniach zauważysz, że ślady cienia się przesuwają.
- Domowa klepsydra wodna: w jednorazowym kubku zrób małą dziurkę w dnie, postaw go nad przezroczystym pojemnikiem i nalej wodę. Za pomocą zegarka lub stopera zaznacz na pojemniku poziomy po kolejnych minutach. Zauważysz, że odstępy między znacznikami nie są równe, bo woda płynie coraz wolniej.
- Piaskowy odpowiednik: dwie małe plastikowe butelki połączone zakrętkami z otworem i wypełnione suchym piaskiem utworzą prostą klepsydrę. Czas przesypywania możesz dopasować, zmieniając ilość piasku lub wielkość otworu.
Przy obserwacjach pamiętaj, żeby nigdy nie patrzeć bezpośrednio w Słońce. Wystarczy patrzeć na cień na ziemi.
Czego uczą dawne zegary
Zegary słoneczne i klepsydry pokazują, że pomiar czasu zaczynał się od obserwacji natury: ruchu Słońca, przepływu wody i opadania piasku. Każde z tych rozwiązań miało swoje ograniczenia, a próby ich pokonania prowadziły do coraz dokładniejszych urządzeń, w tym zegarów mechanicznych. Mimo to dawne metody nadal się przydają, choćby jako sposób na zrozumienie, skąd wzięły się nasze godziny i dlaczego czas na zegarku i czas „słoneczny” to nie to samo.