Часы с уравнением времени Марса и способ определения уравнения времени на циферблате часов Российский патент 2020 года по МПК G04B49/02 

Изобретение относится к области часовой техники, к часовым механизмам со стрелочной индикацией времени, а, более конкретно, к часовым механизмам усложненного типа, имеющим дополнительную функцию индикации уравнения времени на Марсе.

Уровень техники

Известно, что солнечные часы принципиально отличаются от всех остальных инструментов измерения времени. Дело в том, что они измеряют не одинаковые промежутки времени, как это делают все остальные часы, а неравномерное движение Солнца, что не одно и то же. Разница между средним временем и солнечным описывается уравнением времени. Обычно, уравнение времени можно отобразить на графике, где визуально отображается изменение уравнения времени в течение года на Земле. Положительное значение означает, что солнечное время опережает среднее, а отрицательное значение - что оно отстает.

Все часы, кроме солнечных, отмеряют одинаковые промежутки времени и показывают среднее время. Промежутками могут быть часы, минуты, секунды или миллисекунды. Чем меньше разница между двумя одинаковыми отмеренными промежутками, тем часы точнее и, стало быть, лучше. Если бы Солнце уподобилось точным часам, то оно должно было бы вращаться вокруг Земли с постоянной скоростью по круговой орбите, расположенной в плоскости экватора. Такое Солнце называют фантомным. Все наши современные представления о времени и сама система его подсчета основаны на движении этого самого фантомного Солнца, которое обращается вокруг Земли с постоянной скоростью 24 часа в сутки. И происходит это каждый день в течение всего года. Однако в реальности орбита, по которой Солнце вращается вокруг Земли эллиптическая, а не круговая. К тому же ось вращения Земли наклонена к плоскости вращения Солнца (эклиптике) под углом 23,5°. Именно эти два фактора приводят к тому, что реальное Солнце ведет себя по-другому и, наряду с фантомным средним временем, существует истинное время, которое умеют показывать только солнечные часы.

Истинный солнечный день (согласно тому, что астрономы называют истинным солнечным временем) - это время, которое требуется для двух последовательных прохождений солнца через меридиан в любой точке; другими словами - это продолжительность времени между двумя истинными полуднями.

Поэтому мы используем среднее солнечное время - среднее значение за все солнечные дни (до 24 часов).

Самое простое объяснение среднего солнечного дня: это равное разделение времени на 24 сегмента по 60 минут, в каждой из которых по 60 секунд. Это деление осуществляет часовой механизм.

В течение года всего четыре раза среднее солнечное время и истинное солнечное время совпадают и составляют в сумме около 24 часов. Это происходит в марте, июне, сентябре и декабре. То есть описанное несоответствие среднего времени истинному имеет 6-месячный период и равняется нулю четыре раза в год: в дни равноденствия и солнцестояния.

Все остальные дни в течение года либо более длинные, либо более короткие, с максимальной разницей примерно от 16 минут (в начале ноября) до плюс 14 минут (в феврале), с разным промежутком времени.

Таким образом, на Земле за счет фактора несоответствия эклиптики экватору (то есть из-за наклона земной оси) уравнение времени изменяется примерно от -9,87 до +9,87 минут в течение года.

Столетиями часовых дел мастера использовали механизмы с уравнением времени, чтобы показать разницу между истинным солнечным днем и средним солнечным днем. Современные часовые мастера иногда оснащают индикатором уравнения времени свои самые совершенные механизмы. В основном, это можно было увидеть на примере усложненных астрономических часов, выпускаемых в прошлом.

Такие часовые дома как Audemars Piguet, Breguet, Blancpain и Panerai выпускали модели с усложнением в виде уравнения времени, обычно сочетая его с вечным календарем.

Ранее печатались специальные таблицы, в которых указывалось различие между истинным и средним солнечным временем для каждого дня в году. В частности, например, напольные часы зачастую продавались вместе с этими таблицами, чтобы их владелец мог вычислить разницу.

Далее были придуманы часы с уравнением времени, которые показывали среднее и истинное солнечное время, избавляя владельцев от необходимости высчитывать разницу.

Для успешного отслеживания истинного солнечного времени мы должны сначала отследить среднее солнечное время. Тогда можно подсчитать и показать разницу.

В современных часах это делают двумя способами.

Первый - через дополнительный циферблат, на котором нанесена шкала с отметками от минус 16 до плюс 14 минут. Индикация на дополнительном циферблате происходит посредством специального указателя, показывающего разницу между истинным и средним солнечным временем (индикатор показывает актуальное значение на шкале). В течение года эта разница будет меняться, и указатель будет двигаться по шкале. Владелец часов должен сам провести расчеты.

Второй метод расчета разницы - солнечная минутная стрелка. Солнечная минутная стрелка автоматически отслеживает солнечное время на том же циферблате и показывает его точно так же, как и обычные минуты. В этом случае расчет уже совершен, а данные «обычного» циферблата легко читаются. Этот метод требует более сложного механизма из-за дополнительных колес, которые нужны для отображения времени на той же оси. Стоит отметить, что уравнение времени зависит от широты, на которой находится пользователь, а, значит, оно требует дополнительной настройки для разных локаций.

Если же мы обратимся к измерению времени на Марсе, то следует отметить, что на Марсе отклонение среднего суточного времени от истинного, называющегося Уравнением Времени, намного больше, чем на Земле, и составляет от -51 до 40 мин в сутки.

То есть истинное время на Марсе значительно отличается от среднесуточного. Автором было разработано решение, позволяющее решить указанную проблему. Предложено устройство часов, которое ясно и наглядно показывает эту величину.

На сегодняшний день известны решения, направленные на отображение на часах истинное солнечное время. Так, известны часы для показания истинного солнечного времени, раскрытые в патенте RU 2408043 С2. Известные часы снабжены устройством отображения на аналемме отклонения положения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца, весеннего и осеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния, работа которого основана на механическом средстве, включающем шаблоны данных уравнения времени и суточного изменения склонения Солнца и сопряженного с указанными шаблонами средство индикации, выполненного с возможностью перемещения визуально воспринимаемого индикатора Солнца по аналемме.

Также известны часы по патенту RU 2619096, опубликованному 11.05.2017. Известные часы с аналеммой содержат корпус, циферблат, часовой механизм, аналоговый индикатор времени, приводное годовое колесо, модуль аналеммы, содержащий контур аналемматической "восьмерки" и указатель Солнца, при этом модуль аналеммы дополнительно содержит кинематически связанные с приводным годовым колесом кулачок радиуса и кулачок угла, при этом кулачок угла посредством передаточных механизмов приводит в действие колесо диска аналеммы, а кулачок радиуса посредством передаточных механизмов передает движение на указатель Солнца таким образом, что при вращении диска аналеммы указатель Солнца перемещается строго по траектории, обозначенной контуром аналемматической «восьмерки».

Недостатком всех известных конструкций является невозможность их адаптации и настройки для отображения уравнения времени на Марсе, так как все известные решения направлены только на расчет и отображение отклонения истинного и среднего солнечное время на Земле.

При этом автором не выявлено решений направленных на создание часов, способных отображать уравнение времени на Марсе.

В виду заявленных предполагаемых планов по дальнейшему освоению и изучению Марса у будущих исследователей, космонавтов, ученых, беспилотных аппаратов, марсоходов и т.п. будет острая потребность в определении истинного времени на Марсе в связи с очень большим отклонением среднего суточного времени от истинного (от -51 до 40 мин в сутки).

Задача и технический результат

Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, и технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в создании прибора времени с механизмом индикации уравнения времени на Марсе. Заявленное техническое решение позволяет значительно сократить время определения разницы между средним и истинным солнечным временем на Марсе, избавляя от необходимости высчитывать разницу.

Раскрытие изобретения

Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигаются тем, что прибор времени содержит корпус, циферблат, часовой механизм, и дополнительно содержит механизм индикации уравнения времени на Марсе, посредством которого отображается величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе.

При этом механизм индикации уравнения времени на Марсе содержит кулачок уравнения времени.

Также часовой механизм связан с кулачком уравнения времени при помощи кинематической связи.

Кроме этого кинематическая связь может быть осуществлена посредством редуктора.

При этом величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе отображается на циферблате при помощи стрелки уравнения времени, указывающей на отклонение истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на шкале отклонения.

При этом величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе отображается на циферблате по пересечению меток неподвижной шкалы и подвижного кулачка уравнения времени, который делает один оборот в год относительно неподвижной шкалы.

Кроме этого величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе отображается на циферблате по пересечению меток на вращающемся указателе-шкале, который делает один оборот за марсианский год относительно изображения контура кулачка уравнения времени, нанесенного на циферблат.

Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигаются тем, что в способе отображения величины отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе, используют вышеуказанный прибор времени.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Конструктивно в предпочтительном, но не единственно обязательном, варианте исполнения заявляемое устройство индикации уравнения времени Марса включает следующие детали:

1 - Корпус

2 - Заводная головка

3 - Ремешок

4 - Часовая стрелка

5 - Минутная стрелка

6 - Шкала отклонения

7 - Стрелка уравнения времени

8 - Кулачек уравнения времени

9 - Циферблат

10 - Гребенка

11 - Щуп гребенки

12 - Зубчатая часть гребенки

13 - Колесо стрелки уравнения времени

14 - Колесо выборки люфта

15 - Пружина выборки люфта

16 - Штифт колеса выборки люфта

17 - Минутный триб

18 - Часовое колесо

19 - Вексельный триб

20 - Вексельное колесо

21 - Суточное колесо

22 - Первый триб редуктора

23 - Первое колесо редуктора

24 - Второй триб редуктора

25 - Второе колесо редуктора

26 - Третий триб редуктора

27 - Третье колесо редуктора

28 - Неподвижная шкала

29 - Изображение профиля кулачка уравнения времени на циферблате

30 - вращающийся указатель-шкала

На фиг. 1 показаны часы с индикатором марсианского уравнения времени.

На фиг. 2 показана вариант построения кулачка марсианского уравнения времени.

На фиг. 3 показан первый вариант механизма привода индикации марсианского уравнения времени, согласно которому отклонение истинного солнечного времени от среднего солнечного времени отображается на шкале отклонения 6 при помощи стрелки уравнения времени 7.

На фиг. 4 показан другой вариант механизма привода индикации марсианского уравнения времени, где вращается указатель в виде кулачка уравнения времени 8 относительно неподвижной шкалы 28 на циферблате.

На фиг. 5 показан еще один вариант индикации, согласно которому на циферблат наносится изображение траектории уравнение времени - профиль кулачка времени 29 относительно которого перемещается подвижный указатель-шкала 30.

На фиг. 6 отображен график, отображающий уравнение времени на Марсе, где по оси абсцисс указана шкала продолжительности марсианского года в земных сутках (от 1 до 687), а по оси ординат шкала отклонения среднего солнечного времени от истинного солнечного времени в минутах от 0 до плюс 50 и минус 50.

Осуществление изобретения

Необходимо отметить, что Марс имеет наклон оси и период вращения схожие с земным. Поэтому на планете бывают почти такие же, как и на Земле, времена года - весна, лето, осень и зима, а продолжительность дня близка к земной. Однако продолжительность года на Марсе почти вдвое длиннее, чем на Земле, а эксцентриситет орбиты - значительно больше, из-за чего продолжительность разных времен года на Марсе может сильно отличаться, а солнечное время может отклоняться от часового времени значительно заметнее, чем на Земле.

Средняя продолжительность марсианских звездных суток составляет 24 ч 37 мин 22.663 сек (если брать за основу систему единиц измерения СИ), а продолжительность солнечного дня (для обозначения которого часто употребляют термин сол, от англ. solar - «солнечный») составляет 88 775.24409 секунд, или 24 ч 39 мин 35.24409 сек. Указанные величины для Земли равны 23 ч 56 мин 4.0916 сек и 24 ч 00 мин 00.002 сек, соответственно. Таким образом, можно вычислить соотношение сутки/сол, которое дает преобразованное значение - 1.0274912510 суток/сол. Иными словами, марсианские солнечные сутки лишь на 2,7% длиннее земных.

Кроме этого, марсианский день на 39 минут и 35,244 секунд дольше, чем наземные солнечные сутки, а марсианский год длится 668,5907 марсианских дней или 686,98 земных суток. Каждое марсианское десятилетие длится шесть лет по 669 и четыре года по 668 дней. Эти годы обычно называют високосными годами. Таким образом при произведении расчетов уравнения на Марсе, автором учитывалось следующее:

- марсианский год содержит 24 месяца по 28 или 27 солов (668 или 669 солов);

- в марсианский високосный длинный год последний месяц содержит 28 солов.

Расчет аналеммического уравнения времени был произведен при помощи формул, изложенных в статье «Accurate analytic representations of solar time and seasons on Mars with applications to the Pathfinder/Surveyor missions», опубликованной в журнале GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 24, NO. 16, PAGES 1967-1970, AUGUST 15, 1997 (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1029/97GL01950). A также опубликованных на сайте NASA (https://pubs.giss.nasa.gov/abs/al04000r.html)

Согласно указанному источнику информации уравнение времени (EOT) рассчитывается по формуле:

EOT=2°.860 sin 2Ls-0°.071 sin 4Ls+0°.002 sin6Ls-{(10°.691+3°.7×10-7d-1ΔtJ2000) sin M+0°623 sin 2M+0°.050 sin 3M+0.005° sin4M}.

Используя эту формулу, на каждые сутки марсианского года было получено значение уравнения времени.

Также была получена кривая уравнения времени на Марсе, которая отражает траекторию движения центра истинного Солнца относительно среднего Солнца.

Полученные результаты приведены в таблице 1.

По этим значениям был построен кулачек Марсианского уравнения времени по фиг. 2. Конструктивно выбирают наибольшее и наименьшее значение и, исходя из этих значений, выстраивают профиль кулачка уравнения времени.

Принцип работы устройства.

Рассмотрим устройство часов, представленное на фиг. 3.

Как показано, от минутного триба 17 кинематическое движение передается на вексельное колесо 20 через, далее через вексельный триб 19 на часовое колесо 18, которое делает один оборот за 12 часов. В свою очередь часовое колесо 18 передает движение на суточное колесо 21, которое делает один оборот в сутки.

На оси суточного колеса 21 находится первый триб редуктора 22, который передает движение на первое колесо редуктора 23. На оси первого колеса редуктора находится второй триб редуктора 24, который передает движение на второе колесо редуктора 25. На оси второго колеса редуктора 25 находится третий триб редуктора 26, который передает движение на третье колесо редуктора 27, которое делает один оборот за один марсианский год, который равен примерно 687 земным суткам.

В качестве редуктора преобразующего вращение суточного колеса (один оборот в сутки) во вращение за один марсианский год может использоваться цепочка колес со следующим количеством зубьев:

37/7×78/6×80/8=687,14

На оси третьего колеса редуктора 27 установлен рассчитанный по значениям, указанным в таблице 1, кулачок уравнения времени 8, который, вращаясь вместе с третьим колесом редуктора 27, приподнимает гребенку 10.

Непосредственно с поверхностью кулачка уравнения времени 8 взаимодействует щуп гребенки 11, а гребенка 10 также имеет зубчатую часть 12, которая взаимодействует с колесом 13 стрелки уравнения времени 7. Стрелка уравнения времени 7 показывает отклонение истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на шкале отклонения 6. Для того, чтобы прижать гребенку 10 и щуп гребенки 11 к поверхности кулачка уравнения времени 8, установлено колесо выборки люфта 14, на котором находится штифт 16, который подпружинивается пружиной выборки люфта 15.

Таким образом, посредством передаточного механизма, раскрытого на фиг. 3, на циферблате часов (например, указанных на фиг. 1) отображается величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе.

Согласно второму варианту выполнения, раскрытого на фиг. 4, движение от минутного триба 17 передается на вексельное колесо 20, далее через вексельный триб 19 на часовое колесо 18, которое в свою очередь совершает один оборот за 12 часов

Часовое колесо 18 передает движение на суточное колесо 21, которое делает один оборот в сутки.

На оси суточного колеса 21 находится первый триб редуктора 22, который передает движение на первое колесо редуктора 23. На оси первого колеса редуктора 23 находится второй триб редуктора 24, который передает движение на второе колесо редуктора 25. На оси второго колеса редуктора 25 находится третий триб редуктора 26, который передает движение на третье колесо редуктора 27, которое делает один оборот за один марсианский год, который равен примерно 687 земным суткам.

В качестве редуктора преобразующего вращение суточного колеса (один оборот в сутки) во вращение за один марсианский год может использоваться цепочка колес со следующим количеством зубьев:

37/7×78/6×80/8=687,14

При этом на оси третьего колеса редуктора 27 установлен рассчитанный по значениям, указанным в таблице 1, кулачок уравнения времени 8. Кулачок уравнения времени 8 делает один оборот в год относительно неподвижной шкалы 28. По пересечению меток неподвижной шкалы 28 и контура кулачка уравнения времени 8 определяется величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе.

Также предложен еще один вариант устройства, индикация отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени, раскрытый на фиг. 5. Согласно фиг. 5 подвижным является вращающийся указатель-шкала 30, который делает один оборот за марсианский год. На циферблате в свою очередь нанесено изображение контура кулачка уравнения времени 29, который также рассчитывается по значениям, приведенным в таблице 1.

Каждое из указанных вариантов выполнения дает возможность использовать предложенное решение не только в стационарных часах (напольных, каминных), но и в переносных часах (карманных, наручных и пр.).

При этом в качестве основы для таких часов может быть взят любой стандартно выпускаемый часовой механизм. То есть базовый часовой механизм и стрелочная система могут быть практически любыми из числа известных и применяемых в часовой технике при выполнении ими их обычных для часов функций. Кроме этого часовой механизм может быть выполнен как для 12-ти часовой индикации, так и для 24-ти часовой индикации. Также в часах может быть использован часовой механизм, разработанный автором и раскрытый в патентном документе RU 2685764. Указанный часовой механизм дополнительно содержит редуктор, состоящий из двух соосных зубчатых колес, закрепленных друг с другом жестко либо фрикционно, причем редуктор обеспечивает преобразование скорости вращения элемента стрелочной передачи в скорость вращения механизма, отображающего среднее марсианское солнечное время.

Таким образом, заявленное изобретение решает поставленную перед ним задачу и обеспечивает достижение заявленного технического результата, который заключается в создании прибора времени с механизмом индикации уравнения времени на Марсе. Заявленное техническое решение позволяет значительно сократить время определения разницы между средним и истинным солнечным временем на Марсе, избавляя от необходимости высчитывать разницу.

Учитывая новизну совокупности существенных признаков, техническое решение поставленной задачи, изобретательский уровень и существенность всех общих и частных признаков заявленного изобретения, доказанных в разделе «Уровень техники» и «Раскрытие изобретения», доказанную в разделе «Осуществление и промышленная реализация изобретения» техническую осуществимость и промышленную применимость изобретения, решение поставленных изобретательских задач и уверенное достижение требуемого технического результата при реализации и использовании изобретения, по нашему мнению, заявленная группа изобретений удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.

Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели изобретения, но и позволяют реализовать изобретение промышленным способом.

Использование: изобретение относится к области часовой техники. Сущность: прибор времени содержит корпус, циферблат, часовой механизм и дополнительно содержит механизм индикации уравнения времени на Марсе, посредством которого отображается величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе. Технический результат: создание прибора времени с механизмом индикации уравнения времени на Марсе. Заявленное техническое решение позволяет значительно сократить время определения разницы между средним и истинным солнечным временем на Марсе, избавляя от необходимости высчитывать разницу. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Прибор времени, содержащий корпус, циферблат, часовой механизм, характеризующийся тем, что дополнительно содержит механизм индикации уравнения времени на Марсе, посредством которого отображается величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе.

2. Прибор времени по п. 1, отличающийся тем, что механизм индикации уравнения времени на Марсе содержит кулачок уравнения времени.

3. Прибор времени по п. 2, отличающийся тем, что часовой механизм связан с кулачком уравнения времени при помощи кинематической связи.

4. Прибор времени по п. 3, отличающийся тем, что кинематическая связь может быть осуществлена посредством редуктора.

5. Прибор времени по п. 1, отличающийся тем, что величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе отображается на циферблате при помощи стрелки уравнения времени, указывающей на отклонение истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на шкале отклонения.

6. Прибор времени по п. 2, отличающийся тем, что величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе отображается на циферблате по пересечению меток неподвижной шкалы и подвижного кулачка уравнения времени, который делает один оборот в год относительно неподвижной шкалы.

7. Прибор времени по п. 2, отличающийся тем, что величина отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе отображается на циферблате по пересечению меток на вращающемся указателе-шкале, который делает один оборот за марсианский год относительно изображения контура кулачка уравнения времени, нанесенного на циферблат.

8. Способ отображения величины отклонения истинного солнечного времени от среднего солнечного времени на Марсе, характеризующийся тем, что используют прибор времени по пп. 1-7.