日晷

[rì guǐ]
古代计时仪器、天文计时领域重大发明
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日晷,本义是指太阳的影子。现代的“日晷”指的是人类古代利用 日影 测得时刻的一种 计时仪器 ,又称“日规”。其原理就是利用太阳的投影方向来测定并划分时刻,通常由 晷针 (表)和晷面(带刻度的表座)组成。利用日晷计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明,这项发明被人类沿用达几千年之久。
中文名
日晷
外文名
sundial
汉语拼音
rì guǐ
组成部分
晷针,晷面,底座

名词释义

日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“ 晷针 ”,垂直地穿过圆盘中心,起着 圭表 中立竿的作用,因此,晷针又叫“ ”;石制的圆盘叫做“ 晷面 ”,安放在 石台 上,呈南高北低,使晷面平行于天赤道面,这样,晷针的上端正好指向 北天极 ,下端正好指向 南天极
晷面两面都有刻度,分子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥 十二时辰 ,每个时辰又等分为“时初”、“时正”,这正是一日 24小时 [3] 绝大部分的日晷显示的都是 视太阳时 ,有些在设计上作了变更,可以显示 标准时 或是 日光节约时间
日晷不但能显示一天之内的时刻,还能显示 节气 和月份。当然它的缺点也是显而易见的,笨重而且看不到阳光的时候不能用,比如 阴天 和晚上。
这项发明被人类所用达几千年之久,直至1270年在 意大利 和德国才现早期的 机械钟 ,而中国则在1601年明代 万历皇帝 才得到二架外国的 自鸣钟 ,清代时虽有很多进口和自制的钟表,但都为王宫贵府所用,一般平民百姓还是看天晓时。
北京故宫日晷

工作原理

第二是影子的方向在改变。在 北回归线 以北的地方,早晨的影子在西方,中午的影子在北方,傍晚的影子在东方。从原理上来说,根据影子的长度或方向都可以计时,但根据影子的方向来计时更方便一些。故通常都是以影子的方位计时。 [1] 随着时间的推移,晷针上的影子慢慢地由西向东移动。移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针,晷面则是钟表的表面,以此来显示时刻。
早晨,影子投向盘面西端的 卯时 附近;当太阳达正南最高位置(上中天)时,针影位于正北(下)方,指示着当地的午时正时刻。午后,太阳西移, 日影 东斜,依次指向未、申、酉各个时辰。

分类

按晷面的摆放角度,可分为:地平式、垂直式、赤道式。
由于日晷的产生是从观察阳光下竖直物体影子的方向变化而开始的,因此最早的日晷可能是地平式日晷。但它必须在使用其他计时工具进行精确计时的条件下,根据表影随时间变化的实际情况来进行刻划,这显然是不方便的,但如果采用均匀刻划的方法又会带来相当大的计时误差。这是地平式日晷重大的缺陷。
地平日晷制造容易,安装简便,除了把它作为一般的 测时 工具外,常常在城市广场、花园、道路、小区、寺堂、学校、码头和游览点等都可看到它的踪影,显得非常别致和美观。 [4]
赤道式日晷(The ERquatorial Sundial)的晷面为赤道面 [5] ,依照使用地的纬度,使赤道式日晷的晷面平行于 赤道面 。晷盘上的刻度是等分的,夏季和冬季轴投影在晷盘上的影子会分在晷盘的北面和南面。适合中 低纬度 地区使用。若将晷盘改为圆环则称为赤道式罗盘日晷。 [6]
赤道式日晷亦称 斜晷 。赤道式日晷是日晷世界中最重要和最常见的,也是中国古代最经典和传统的 天文观测 仪器。 [5]
赤道式日晷的明确记载初见于 南宋 曾敏行 独醒杂志 》卷二中提到的晷影图,但晷盘是木制的。后世改用石质晷盘,金属晷针。 北京故宫 等处保存的都是清代制造的石质赤道式日晷。 [7]
极地晷(The polar Dial)晷盘与晷针平行,即晷盘与 地平面 的夹角和地理纬度相同,并朝向正北。时间的刻画可以用简单的几何图来处理,投影的时间线是平行的线条,适合各种不同的纬度使用。 [6]
垂直式日晷亦称立晷。它是晷盘面垂直于地平面刻度盘面采用垂直方向的日晷。 [3] 欧洲的英国、法国、德国、意大利、 奥地利 等国,在一些古代和现代华丽的中层建筑的向南和向北(东西方向)以及向东和向西(南北方向)的墙上,附建有各种不同色调、大小和风格相异的日晷雕塑。
垂直式日晷有标准向南、向北和向东、向西四个面,可分为三种:“垂直向南日晷”、“垂直向北日晷”和“垂直向东和向西日晷”。 [8]
垂直向南日晷(Vertical Direct South Dial)刻度盘面朝向正南且垂直地面的日晷。这一种日晷较适合在 中纬度 (30~70)使用。
东或西向垂直式(Vertical Direct East or West)刻度盘面朝向正东或正西且垂直地面的日晷。这一种日晷只能在上半日(东向)或下半日(西向)使用,但全球各纬度都适用。 [6]
投影日晷不设置指时针,仅在地平面依地理纬度的不同绘制不同 扁率 的椭圆,在其上刻划时间线,并将长轴指向正东西方向,短轴指向南北向并刻上日期,指示立竿测量时刻的正确位置。 [6]
让两个晷面以不同的角度结合(会产生不同的投影),折叠式日晷便可以自行调整。当两晷面显示出相同的时间,而且绞链是水平的,折叠式日晷指示的是当地的视太阳时。另外,当绞链朝向北方(在 北半球 时),折叠式日晷被旋转了一个角度,晷针才能与地球的 自转轴 平行,则当正午、日出与日落时,折叠式日晷的时间不会受到纬度改变的影响,但是在早上9点和下午3点,纬度每偏差1度,在两个晷面上的时间便会相差4分钟(肇因於日晷在错误的纬度上)。
折叠式日晷可以像 指南针 一样来使用,甚至可以测量纬度。有些折叠式日晷附有小的 铅锤 分度器 来读取正确的纬度;也有些附有指南针,可以测量地理上的特徵。在古代,大型的(1公尺以上的)摺叠式日晷曾经被用於航海上。
等高仪 日晷(Elevation sundial)可以显示正确的日期,是使用在导航与天文学上的日晷。在设计上是一个平坦的小圆环,有一个小把手,或是像 表链 上的饰物,还是小装饰。 当以把手将环悬吊起来时,小孔会在环的内侧投下阴影,经由环内的标示可以显示时间,但在测量时,使用者必须知道是上午还是下午。通常这个小孔被设置在一片可以滑动和锁住,用来调整日期的金属片上。

注意事项

  1. 1.
    使用日晷,无论是何种形式都有一根指时针(Gnomon),这根指时针与地平面的夹角必须与当地的 地理纬度 相同,并且正确的指向 北极星 ,也就是都有一根与 地球自转 轴平行的指针。观察这根指针在指定区域内的投影,就能确定时间。
  2. 2.
    由于日晷必须依赖日照,不能用于阴天和黑夜。因此,单用日晷来计时是不够的,还需要其他种类的计时器,如 水钟 ,来与之相配。 [1]
  3. 3.
    春分到秋分期间,太阳总是在 天赤道 的北侧运行,晷针的影子投向晷面 上方 ;从秋分到春分期间,太阳在天赤道的南侧运行,晷针的影子投向晷面的 下方 。所以在春分以后看晷盘的 上面 ;秋分以后看晷盘的 下面 [3]

使用方法

假设 地理纬度 为φ,指时针的高度为H,要刻划的时间与正午的差值为T;时间 线与 指时针的夹角为A,距离为D,则各形日晷的计算式如下:
(1) 地平式日晷
(2) 赤道式日晷:等分圆盘,每小时相当与十五度,正午线垂直朝下。
(3) 极地晷:
(4) 南向 垂直日晷:
(5) 东或西向垂直式:
(6) 侧向垂直式:θ为日晷墙面的 斜角
指时针与墙面 垂线 的夹角W,
指时针高出于墙面的夹角O,
指时针与正午线的时间线夹角R,
6点与12点时间线的夹角S,
(7) 投影日晷
时间点 在长轴方向上的值:
时间点在 短轴 方向上的值:
椭圆长轴与短轴的比:
竖竿(人立足)的位置:
,其中del为太阳的 赤纬 [6]

文献记载

中国最早的可靠记载是《隋书·天文志》中提到的袁充于594年( 隋开皇 十四年)发明的短影平仪(即 地平式日晷 )。赤道日晷的明确记载初见于 南宋 曾敏行 的《 独醒杂志 》卷二中提到的晷影图。 [7]
唐· 柳宗元 《问答·晋问》:“当空发耀,英精互绕,晃荡洞射,天气尽白,日规为小,铄云破霄。” [9]
周髀算经 》卷上:“故冬至日晷丈三尺五寸,夏至日晷尺六寸。冬至日晷长,夏至日晷短。”
艺文类聚 》卷七七引 北齐 · 邢劭 景明寺碑 》:“及日晷停流,星光辍运,香雨旁注,甘露上悬。”
唐· 方干 赠上虞胡少府百篇 》诗:“日晷未移三十刻,风骚已及四千言。”
元· 柯丹邱 《荆钗记·续姻》:“日晷渐长人尽悦,绣纹弱线添些。”
明· 马中锡 中山狼传 》:“相持既久,日晷渐移。” [2]
2. 时光
宋· 王安石 本朝百年无事札子 》:“臣以浅陋,误承圣问,迫於日晷,不敢久留,语不及悉,遂辞而退。”
清·陆以湉《冷庐杂识·周文忠公》:“日晷已促,不得尽言。” [2]
3. 古代测日影定时刻的仪器
汉书 ·艺文志》有《日晷书》三十四卷。
清· 钱泳 《履园丛话·艺能·铜匠》:“测十二时者,古来惟有 漏壶 ,而后世又作日晷、 月晷 ,日晷用于 日中 ,月晷用于夜中,然 是日 有风雨,则不可用矣。” [2]