XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Тайна времени. Моделирование солнечных и песочных часов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пустынников П.С. 1

---

1МАОУ Средняя общеобразовательная школа №76 им. Д.Е. Васильева

Основина Л.Ю. 1

---

1МАОУ Средняя общеобразовательная школа №76 им. Д.Е. Васильева

Работа в формате PDF

2.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Часы идут: тик-так, тик-так,

Идут они для нас,

Чтоб знать могли мы все тотчас,

Который нынче час?

Время – это одна из самых загадочных и одновременно самых привычных составляющих нашей жизни.

Время – это особая величина, оно идет само, движется бесконечно день за днём, независимо от нас.

С древних времён часы помогали людям измерять время, что было необходимо для сбора урожая, религиозных ритуалов, в мореплавании и других важных дел. На это ушло тысячи лет. Однажды, посетив выставку часов в нашем историческом музее, мне стало интересно: как люди раньше определяли время, когда не было часов?

Из энциклопедии я узнал, что именно древние египтяне разделили сутки на 24 часа. Ночь состояла у них из 12 частей, что соответствовало регулярному перемещению звёзд на небосклоне. Когда определённая звезда появлялась на небе, они знали какой час закончился и какой начался. Затем египтяне решили разделить и день на 12 частей, но в дневные часы звёзды не видны. Поэтому они ориентировались на солнце и тень, отбрасываемую солнечными лучами.

Мне стало интересно, как же древние египтяне ориентировались по солнцу и мы решили создать свою модель солнечных часов.

В ходе проекта мы узнаем, как же древние египтяне использовали тени для определения времени? Как создавали водяные часы, которые могли работать даже ночью? Как средневековые мастера конструировали механизмы, которые изменили восприятие времени навсегда?

Мы погрузимся в эти загадки, исследуя не только технические моменты, но и культурное значение каждого часового устройства.

Цель проекта:

Создание моделей первых древних часов.

Задачи:

1. изучить эволюцию развития часов;

2. изучить принцип действия солнечных, водяных и песочных часов;

3. составить технологическую карту по сборке моделей солнечных и песочных часов;

4. собрать модели часов, провести сравнительный анализ их работы;

5. Провести мастер класс по изготовлению солнечных и песочных часов

1.1. Изучение истории развития часов

Чтобы изучить историю развития часов, я отправился в нашу городскую библиотеку П.П. Бажова.

Историю часов принято подразделять на два главных этапа:

Первый - от первобытных времен до Средневековья. Люди начинают понимать необходимость определения времени и пользуются примитивными и неточными приспособлениями: солнечными, водяными, песочными и «живыми» часами. В Средневековье впервые появляются механические часы без маятника;

Второй - берет начало в 17 веке, когда Галилео Галилей создает часовой маятниковый механизм. Этот этап продолжается и по сей день - часовые дома активно осваивают новые технологии и снабжают ими свои часовые механизмы.

Рассмотрим первые в мире часы: живые, солнечные, водяные и песочные часы

Самыми примитивными «часами» были «живые» часы у первобытных людей – чтобы приблизительно определить время и выбрать удобный отрезок для охоты или кочевки, они наблюдали за природой – например, по цветам определяли раннее утро (они раскрываются в районе 4-5 часов утра).

Дальнейшее развитие часов происходит в нарастающем порядке:

Солнечные часы – очень скоро стало понятно, что простая палка, воткнутая в землю, не совсем удобна для точного определения времени. Появляются солнечные часы – один из самых древних инструментов для измерения времени. Они использовались в различных культурах, начиная с древних египтян и заканчивая древними греками и римлянами. Существует несколько видов солнечных часов: горизонтальные, вертикальные и наклонные.

На данный момент солнечные часы носят исключительно декоративный характер и не несут никакого практического значения;

Рисунок 1 – Первые солнечные часы

Водяные часы считаются следующим этапом развития после солнечных часов, они известны также как клепсидры. Водяные часы появились в Древнем Египте около 1500 года до н.э.

Согласно некоторым китайским источникам подобные конструкции часов применялись в Китае уже XXVII-XXVI века до нашей эры. Все эти факты свидетельствует о том, что наряду с солнечными часами водяные часы были широко распространены и известны уже тысячелетия назад.

Рисунок 2 – Первые водяные часы

Песочные часы – первые часы такого типа были изобретены французским монахом Лиутпрандом. Изначально их использовали преимущественно моряки, а затем и обычные люди оценили песочные часы: они были достаточно точными, недорогими, не зависели от погоды и отличались компактностью. Песочные часы пользовались популярностью достаточно долгое время, однако с изобретением механических моделей по понятным причинам стали терять свои позиции. Но их используют и сегодня - в основном благодаря необычному дизайну и возможности активно использовать в интерьерном декоре.

Рисунок 3 – Песочные часы

Существовали в древности и огненные часы. Иногда их называли лампадными. В глиняный сосуд – лампадку – наливалось масло и вставлялся фитилёк такой длины, чтобы хватило на определённое время горения этого светильника. А в Китае это были свечные часы – особая свечка с метками. Каждая метка – отрезок времени. И свечка догорала до полудня, до вечера, до утра, когда пора было отправляться на работу.

Рисунок 4 – Древние огненные часы

Создание часов со спусковым механизмом было очень важным этапом истории развития часов. Благодаря ему были сконструированы первые механические часы.

Спусковой механизм — это устройство, которое поддерживает одинаковую скорость вращения анкерного колеса и колебания маятника. Спуск — промежуточный вариант между колесным механизмом и регулятором.

Первый спусковой механизм был изобретен в Китае монахом И Сином. Он работал на основе жидкости и не отличался особой точностью. Первые механические штыревые спуски стали делать в средневековой Европе и устанавливать их в башенные часы.

Рисунок 5 –Часы на Спасской башне

Изобретение механических часов.

Рисунок 6 – Первые механические часы

Первые механические часы были созданы в Европе в 13 веке – автор изобретения, к сожалению, остался неизвестным. Часы постоянно совершенствовались – например, в 14 веке в Италии были изготовлены башенные часы с циферблатом, часовой стрелкой, подвешенным грузом и боем. Они требовали ежедневного завода и имели погрешность до часа в сутки, однако на тот момент все равно представляли собой высшую степень часового искусства. А вот уже в конце 15 века появились первые домашние механические часы.

Изобретение часов с маятником.

Рисунок 7 – Маятниковые часы

В 17 веке Галилео Галилей совершает настоящий прорыв – ведь человечество требует все большей точности определения времени. Ученый устанавливает, что время можно довольно точно определять по маятниковым колебаниям, ведь их периодичность зависит только от длины подвеса.

Изобретение карманных часов.

Рисунок 8 - Часы Петера Хенляйна, 1505 год

Часовых дел мастер Петер Хенляйн из Нюрнберга в 1505 году сконструировал компактное устройство, которое можно было носить с собой.

Однако пeрвыe кaрмaнныe чaсы имели существенный недостаток – в них не было маятника и поэтому они были неточными. Решение было найдено механиком из Австрии Гюйгенсом - в 1674 oн придyмaл прyжинный aнaлoг мaтeмaтичeскoгo мaятникa. После этого было налажено массовое производство карманных часов.

Карманные часы обычно подвешивались на цепочку, другой конец которой крепился к одежде, нередко к пуговице пиджака или жилета. Предмет повлиял и на фасон мужского костюма: на жилете появился специальный карман, предназначенный именно для часов. Циферблат карманных часов закрывался стеклом, но иногда в конструкцию добавлялась крышка — обычно ее покрывали затейливой гравировкой, инкрустацией или другим декором. Вообще, карманные часы нередко становились семейной реликвией, которая передавалась от отца к сыну.

Рисунок 9 – Современные карманные часы

Изобретение наручных часов.

Первую схему наручных и карманных часов придумал голландский мастер Петер Хенляйн в 16 веке (кстати, ее используют до сих пор). Любопытно, что изначально наручные часы считались исключительно женским аксессуаром и использовались больше в качестве украшения, чем по прямому назначению. Они назывались «wristlet», или «браслет». Первые наручные часы впервые появились в истории в 1571 году, когда Роберт Дадли, граф Лестер, преподнёс их Елизавете I в качестве подарка.

Рисунок 10 – Современные наручные механические часы

Считается, что первыми применили наручные часы во время боевых действий солдаты английской армии.

Изобретение кварцевых часов.

В кварцевых часах колебательным элементом является кристалл кварца. Такие часы считаются более точными, чем механические. Самый первый вариант кварцевых часов было создан в 1927 году - они были очень большого размера и сложными в эксплуатации и поэтому использовались лишь в качестве эталона времени в научных лабораториях и учреждениях.

Рисунок 11 – Современные наручные кварцевые часы

Механические кварцевые часы работают с точностью ±15 секунд в месяц. Когда кварцевый кристалл вибрирует, он теряет энергию, замедляется и теряет время (чаще всего такие часы спешат). Подводить такие часы нужно примерно два раза в год.

Изобретение электронных часов

В начале ХХ века электронные часы вытеснили механические. Принцип действия электронных часов основан на периодических колебаниях электронного кварцевого генератора, которые преобразуются в дискретные сигналы и выводятся на цифровое табло, служащее индикатором текущего времени.

Рисунок 12- Современные электронные часы

В некоторых моделях таким же образом отображается дата, месяц и год. Так, электронные часы-будильник стали встраивать в различные устройства и бытовые приборы, такие как микроволновки, пароварки и другие. Также электронные часы стали на сегодняшний день обязательным элементом таких технических устройств как телевизоры, радиоприемники, компьютеры, видеомагнитофоны, цифровые фотоаппараты, сотовые телефоны и прочих.

Изобретение атомных часов

С развитием атомной физики, учёные предложили использовать в качестве колебательных систем именно частицы вещества. Так появились первые атомные часы. Идею о возможности использования атомных колебаний водорода для измерения времени предложил еще в 1879 году английский физик лорд Кельвин, однако только к середине XX века это стало возможным.

Рисунок 13 – Атомные часы

Совсем недавно в США были созданы высокоточные атомные часы, которые совершают ошибку в одну секунду за 300 миллионов лет. Эти часы, заменили старую модель, которая допускала ошибку в одну секунду за сто миллионов лет.

Атомные часы используются и в спутниковой системе навигации; они необходимы для определения точного времени и координат спутника. 

1.2. Принцип действия солнечных, водяных и песочных часов

Рассмотрим принципы действия первых древних часов:

Солнечные часы

Солнечные часы состоят из следующих основных компонентов:

1. Гномон -это стержень или столб, который отбрасывает тень на циферблат. Он обычно делается из дерева, металла или камня. Форма гномона может быть различной: от простого вертикального столба до более сложных конструкций.

2. Циферблат - это плоская поверхность, на которой отбрасывается тень от гномона. Она может быть сделана из различных материалов, таких как камень, металл или пластик. На циферблате обычно нанесены деления, которые соответствуют определенным временным интервалам.

Рисунок 14 – Схема солнечных часов

Принцип работы солнечных часов основан на том, что тень, отбрасываемая гномоном, меняется в течение дня из-за движения Солнца. В полдень тень самая короткая, а в полночь - самая длинная. Положение тени на циферблате указывает на текущее время.

Солнечные часы могут быть разных форм и размеров, в зависимости от их назначения и места использования. Они могут быть стационарными или мобильными, и могут использоваться как внутри помещений, так и на открытом воздухе.

Солнечные часы – это простой и древний способ измерения времени, основанный на движении солнца по небу. Чтобы использовать солнечные часы, следуйте этим шагам:

1. Найдём солнечное место для установки часов. Убедимся, что на них не падает тень от деревьев.

2. Расположим часы на горизонтальной поверхности, например, на земле или на столе.

3. Установим их так, чтобы гномон был направлен на север с помощью компаса; 

4. После этого вы можете использовать часы для определения времени в течение дня. Тень от гномона будет указывать на время на циферблате. Но, помним, что солнечные часы работают только в светлое время суток и не учитывают ночные часы. К сожалению, они не работают в облачные или дождливые дни, когда солнце не видно.

Песочные часы измеряют количество времени, необходимое песку для перетекания из одного конца стеклянной ёмкости в другой. Время, необходимое песку для прохождения через узкое горлышко песочных часов, зависит от размера ёмкости, размера горлышка и размер частиц песка.

Если перевернуть песочные часы, песок начнет перетекать из верхней ёмкости в нижнюю. Песчинки одна за другой движутся через узкое горлышко песочных часов, Как только последняя песчинка упадет через горлышко, песочные часы можно снова перевернуть, и процесс повторится.

Водяные часы. Существовало два вида водяных часов: наполняющиеся и вытекающие. Наполняющиеся водяные часы содержали две емкости: первая емкость была установлена довольно высоко, а вторая емкость была расположена под первой. Из первой емкости по трубке, расположенной под статуей, истекала вода, наполняя вторую емкость.

На стенках второй емкости были нанесена шкала с делениями для определения уровня. По тому, до какого уровня емкость наполнялась водой, и определялось время.

Вытекающие водяные часы представляли из себя каменную емкость в виде усеченного конуса с маленьким отверстием в дне, из которого по капле вытекала вода. Емкость в виде конуса была необходима для равномерности вытекания воды. Из-за конусообразности сосуда уровень воды уменьшается практически одинаково. Поэтому можно было на внутренней стороне прибора делать отметки на одинаковом расстоянии.

Египтяне придумали наносить деления в виде небольших точек, 12 точек (двенадцать часов) составляли один столбец, столбцов было тоже 12 - это месяцы. Точки, которые отмечали ночные часы, были нанесены в столбцах на разных уровнях. Т.е. водяные часы учитывали колебание продолжительности ночи в разное время года.

1.3. Анкетирование среди учеников нашего класса

В процессе работы над проектом я провёл анкетирование. Всего было опрошено 30 респондентов - ученики вторых классов нашей школы

Рисунок 15 – Анкетирование

Рисунок 16 – Результаты анкетирования

Анкетирование показало, что 16 человек из 30 носят механические наручные часы и 19 человек знают как определять время по ним; большинство ребят не в курсе, что раньше люди узнавали время не только по солнечным часам, но и по звёздам, растениям, птицам и насекомым. Только 4 человека знают, что самые точные часы – атомные. Итогом анкетирования стало то, что все ребята выразили желание узнать о часах больше.

2. Практическая часть

2.1. Технологическая карта создания моделей солнечных и песочных часов

Основной задачей практической части исследования явилось изготовление трех видов часов: солнечных и песочных:

Солнечные часы

Таблица 1

Результаты эксперимента:

В дни, когда я опробовал свои солнечные часы, я вёл дневник наблюдений:

Таблица 2

22.01.25

Полдень наступает около 13.00 из-за сезонных переводов времени ранее и географической долготы города Лесного, т.е. разница местного и солнечного времени около 1 часа.

По результатам наблюдений можно сделать вывод, что в утренние часы до 12.00 и к вечеру после 12.00 - тень длинная, в полдень самая короткая.

При создании солнечных часов я столкнулся с тем, что солнечные часы работают только в ясную, безоблачную погоду. В пасмурную погоду, тень от гномона на солнечных часах не отбрасывается и это затрудняет определение времени.

Рисунок 17 – Солнечные часы в облачную погоду (тень отсутствует)

В январе, феврале ясных дней было очень мало, но всё же мне удалось завершить все необходимые измерения.

Также для интереса я создал наклонные солнечные часы, недостатком таких часов, в отличие от горизонтальных является то, что они работают только в период от весеннего равноденствия до осеннего, т.е. от 20 марта до 22 сентября.

Рисунок 17 – Наклонные солнечные часы

Песочные часы

Таблица 3

По результатам измерений, мы получили песочные часы на 4 мин 25 с

При сборке песочных часов я столкнулся со следующими моментами:

• наши попытки сделать переходник из белой глины, пластилина ни к чему не привели, потому что внутренняя поверхность отверстия переходника должны быть гладкой, т.е. важна шероховатость поверхности и для этого подходят такие материалы как пластмасса, стекло, метал;

• внутренние поверхности колб я покрыл пластилином, чтобы их выравнить, но это привело к залипанию песка;

Рисунок 18 – Залипание песка на стенках колбы

Чтобы понять точность моих песочных часов родители мне помогли посчитать абсолютную и относительную погрешность, для этого мы провели ряд измерений:

Рисунок 18 – Формулы для расчёта абсолютной и относительной погрешностей

1. измерили время, за которое песок пересыпается из одной колбы в другую, 4 мин 10 с = 250 с, это время измеряемое, А;

2. ͘͘͘͘͘͘Измерили время, за которое песок пересыпается из одной колбы в другую 3 раза, нашли среднее арифметическое значение времени пересыпания песка, 4 мин 25 с+4 мин 35 с+ 4 мин 30 с = 265 с+275 с+270 с = 810 с/3 = 270 с, это время расчётное, Ах;

3. Посчитали абсолютную погрешность песочных часов разностью расчётного времени и измеряемого: 270 с-250 с = 20 с

4. Посчитали относительную погрешность: 20 с/250 с / 100 % = 8 %

Точность песочных часов зависит от формы колб, от гладкости их внутренних стенок, от равномерности прохождения песка через отверстие, но прежде всего – от равномерной зернистости и сыпучести данного песка. 

Я решил также проверить точность магазинных 5 – минутных песочных часов и выяснил. Что их погрешность составляет 15 с.

Сравнительный анализ солнечных и песочных часов

Таблица 4

Заключение

В ходе проекта мною была достигнута цель: мы создали модели солнечных и песочных часов, также были решены задачи: изучил историю развития часов, изучил принципы работы первых древних часов, создал технологическую карту сборки моделей солнечных и песочных часов, провёл сравнительный анализ их работы и сделал выводы. Благодаря проведенным мною исследованиям и изученным материалам я научился определять стороны света, приобрёл навыки в создании моделей часов, используя различные материалы и теперь могу делиться своими знаниями с одноклассниками. И в моих планах усовершенствовать модель солнечных часов, сделать её универсальной для каждой местности, где бы я не находился.

Список литературы

1. https://kronostime.ru/blog/istoriya-chasov/?yadiscount=1

2. https://www.livemaster.ru/topic/3281828-blog-vodyanye-chasy

3. Мельников И.В. Про часы и о часах.М: Дет. лит., 1983

4. Пипуныров В. Н. История часов с древнейших времен до наших дней. М.: Наука, 1982.

5. Станислав Михаль. Часы. От гномона до атомных часов. М.: Знание, 1983.

6. Время/П. Беннет; Пер. с англ. Т. Сафроновой. – М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2002. – 32 с.: ил. – (Я ЗНАЮ ВСЁ).

Приложение

09.02.25

18.02