Heliostat

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 14. července 2021; kontroly vyžadují 4 úpravy .

Heliostat  je zařízení, které dokáže otáčet zrcadlem tak, aby nasměrovalo sluneční paprsky neustále jedním směrem, a to i přes zdánlivý denní pohyb Slunce. Heliostaty byly použity ve slunečních dalekohledech, ale byly nahrazeny jednodušším coelotem .

Vylepšené zařízení sloužící k pozorování jiných nebeských těles kromě slunce se nazývalo siderostat ( lat.  sideris  – genitivní pád z lat.  sidus  – „nebeské těleso, hvězda“ a jiné řecké στατός  – „stojící, nehybný“). Nejjednodušší siderostaty se používaly již v 17. století. Od 18. století se k otáčení zrcadla používal hodinový mechanismus. [jeden]

Jak to funguje

Pro mnoho experimentů v optice v minulosti bylo nutné propustit paprsek slunečního světla odraženého od zrcadla přes řadu přístrojů pečlivě umístěných jeden za druhým na vodorovném stole nebo lavici. Ale Slunce má zdánlivý nepřetržitý pohyb, který během své viditelné denní rotace kolem osy světa PP' (viz obrázek 1) popisuje jeden z malých kruhů nebeské sféry .

Ve dnech jarní a podzimní rovnodennosti se tato kružnice shoduje s nebeským rovníkem BB' , v důsledku čehož se kužel popsaný paprskem promění v rovinu. Naopak v létě a v zimě, v době slunovratů , budou tyto kruhy AA' a CC' nejmenší a kužely popsané paprsky budou nejostřejší. V souladu s takovým pohybem slunečního paprsku při každodenním pohybu tohoto svítidla byly uspořádány "heliostaty" - zařízení, ve kterých hodinový stroj otáčí zrcadlem tak, že paprsek odražený od něj si po dlouhou dobu zachovává svůj původní směr. .

Historie a odrůdy heliostatu

První heliostat postavil podle Poggendorfa v polovině 17. století člen florentské akademie „del Cimento“ Borelli v souvislosti s experimenty s rychlostí světla , které tato akademie prováděla.

Nejjednodušší heliostat v teorii byl uspořádán Fahrenheitem v první čtvrtině 18. století. V něm hodinový mechanismus otáčel zrcadlem kolem osy rovnoběžné s osou světa rychlostí jedné otáčky za den . Pokud je zrcadlo tak nakloněno k ose rotace, že se sluneční paprsek při uvedení heliostatu do pohybu odráží rovnoběžně s touto osou, pak je zřejmé, že po celý den zůstane tento směr odraženého paprsku nezměněn. i když v jiné dny, kdy se deklinace slunce výrazně mění, bude potřeba již jiný úhel sklonu zrcadla k ose. Tento heliostat se ukázal jako nepohodlný, protože paprsek, směřující zespodu nahoru, podél osy světa, musel být pomocí druhého odrazu přiveden do vodorovného směru, doprovázený novou ztrátou světla. Konstrukce heliostatu Fahrenheita byla vylepšena Fraunhoferem a kolem roku 1860 Monkgoven uspořádal svůj velký heliostat pro fotografická zvětšení na stejném principu a své nástroje umístil šikmo, aby se vyhnul sekundárnímu odrazu.

Za druhý z hlediska jednoduchosti zařízení je třeba považovat litrovský heliostat (srpen, Hartnack), kde rovina zrcadla je rovnoběžná se světovou osou a rotace kolem stejné osy probíhá poloviční rychlostí otáčení. 24 hodin. Ve dnech rovnodennosti, kdy se Slunce pohybuje podél rovníku , bude paprsek dopadající na zrcadlo heliostatu a kolmice k rovině tohoto zrcadla v bodě dopadu oba uzavřeny v rovině rovníku, takže odražený paprsek zůstane ve stejné rovině. Při instalaci zařízení můžete otočit zrcadlo tak, aby se odražený paprsek stal vodorovným; ale v tomto případě bude směřovat k bodu západu nebo k bodu východu, protože podél této čáry se horizont protíná s rovinou rovníku. Odražený paprsek nezmění svůj směr během denního pohybu, pokud se zrcadlo otáčí stejným směrem jako slunce, ale poloviční rychlostí. Po natočení zrcátka MM do úhlu NON` , (viz obrázek 2) se úhel odrazu RON zmenší o NON` ; úhel dopadu SON` se musí zmenšit o stejnou hodnotu, aby si odražený paprsek zachoval stejný směr NEBO , tedy SOS=2NON` .

V jiné dny bude Slunce na nebeské sféře popisovat malé kruhy a dopadající paprsek zůstane na povrchu kužele, který má jeden z těchto kruhů ve své základně a svůj vrchol ve středu nebeské sféry. Paprsek odražený od pevného zrcadla rovnoběžného s osou světa bude popisovat přesně stejný kužel, ale umístěný symetricky na druhé straně rovníkové roviny. Takže v den slunovratu tento odražený paprsek opíše kužel, který dopadající paprsek popisuje při zimním slunovratu, a naopak. Pro každý den budou existovat dva směry, ve kterých je odražený paprsek horizontální; budou nasměrovány k bodům západu a východu slunce v den tak daleko od zimního slunovratu, jako je den pozorování od léta. A zde bude mít odražený paprsek konstantní směr, pokud se zrcadlo rovnoměrně otáčí rychlostí půl otáčky za 24 hodin; to lze dokázat na základě úplné symetrie dráhy paprsku vzhledem k rovině rovníku. Litrovův heliostat je samozřejmě také dost nepohodlný, protože nelze libovolně volit směr vodorovného paprsku; na druhou stranu jeho mechanismus není náročný na dobrý výkon a umí dát velmi plynulý pohyb.

Z mnoha heliostatů, které umožňují přijímat paprsek slunečního světla odraženého v jakémkoli horizontálním nebo nakloněném směru, se jako praktická ukázala pouze zařízení Silberman a Foucault . Když je dán směr odraženého paprsku, stačí nasměrovat kolmici k rovině zrcadla tak, aby neustále půlila úhel mezi tímto směrem a dopadajícím paprskem a problém heliostatu je vyřešen. Ale protože úhlopříčka kosočtverce půlí úhly, kterými je nakreslen, s jakýmkoliv sklonem stran, lze to použít pro heliostat, jako to udělal Zilberman. Zrcadlo tt (viz obrázek 3) jeho zařízení je integrální s úhlopříčkou μf kolmou k jeho rovině spojeného čtyřúhelníku αμef , jehož strana αμ směřuje rovnoběžně s dopadajícím paprskem soc a strana μe  je nasměrována rovnoběžně s odraženým nebo .

Hodinový mechanismus umístěný v krabici H otáčí celým obloukem cs kolem osy F rovnoběžné s osou koule a rámy podpírající zrcadlo se otáčejí kolem os Co a nebo ; proto normála k zrcadlu sama o sobě vždy zůstává v rovině obou paprsků a pohyb volně pokračuje po celý den, od východu do západu slunce. Pomocí oblouku se nastaví sklon osy podle zeměpisné šířky místa pozorování , poté se cs přišroubuje šroubem D tak, aby ukazatel byl na dílku označujícím měsíc a den pozorování a na na jiném povrchu tohoto oblouku bude nonie ukazovat odpovídající úhel sklonu slunce. Poté zbývá nastavit šipku výbušného číselníku na skutečný čas pozorování, spustit mechanismus a otáčet celým zařízením kolem svislé osy jeho základny, dokud paprsek procházející průzorem s nedopadne na střed desky p . Odražený paprsek můžete nasměrovat na požadované místo pohybem oblouku rr' a otáčením jeho roviny kolem světové osy pomocí šroubů A a E. Nedostatečná pevnost dílů Zilbermanova heliostatu, částečně visících na hlavní ose hodinového stroje, a malé rozměry vodícího čtyřúhelníku neumožňují umístění velkého zrcadla a narušují zcela správný pohyb. Ve Foucaultově heliostatu (viz obrázek 4) spočívá zrcadlo na speciálním pevném stojanu a lze jej tedy vzít v jakékoli velikosti.

Hodinový mechanismus boxu B se otáčí kolem osy, která je nastavena rovnoběžně s osou světa, tyč AOC , kterou lze nasměrovat rovnoběžně se slunečními paprsky pomocí oblouku f , číselníku a zaměřovače, uspořádaného jako v heliostatu Silbermann: samotné zrcadlo je vybaveno „ocasem“ EC , nasměrovaným normálně k jeho rovině . Tento ocas má kruh rotující kolem vodorovné osy vzhledem k vidlici, která se zase volně otáčí kolem svislé osy H. Zrcadlo se tedy může otáčet kolem bodu E všemi směry; navíc se otáčí ve své vlastní rovině vzhledem ke kruhu a ocasu. Střed O oblouku f musí být umístěn na stejné svislé čáře jako střed kružnice KL a délka OE musí být přesně rovna vzdálenosti OS . V tomto případě zůstane trojúhelník ECE rovnoramenný po celou dobu pohybu hodinového stroje a pro všechny možné polohy základny zrcadla na kružnici KL ; proto úhel dopadu SEN zůstane stejný jako úhel odrazu NER a odražený paprsek ER nezmění svou počáteční polohu. Štěrbinová deska obklopující konec A tyče SOA a připojená k zrcadlu má za účel nasměrovat největší délku této tyče rovnoběžně s rovinou odrazu paprsků, aby se udržela dostatečná šířka odraženého paprsku světla. V zeměpisné šířce St. Petersburg fungují oba výše popsané heliostaty uspokojivě pouze v létě; ale v zimě slunce vychází tak málo nad obzor, že jejich mechanismy buď nelze vůbec uvést do správné polohy, nebo začnou fungovat nesprávně, protože v kloubních systémech má největší vliv nevyhnutelná mezera v kloubech a bodech klouzání. na poloze prvků, když se jejich směry protínají pod malými úhly. Mechanismus, který udržuje paprsek svítidla v konstantním směru, lze také použít k pozorování tohoto svítidla namísto samohybných instalací dalekohledů používaných astronomy. Takové zařízení, nazývané siderostat , bylo implementováno v různých dobách Fizeau a Foucault , Lossed a Mongoven, ale spíše neúspěšně. Díky Foucaultově práci byly nalezeny metody, jak získat dokonale pravidelná skleněná zrcadla, postříbřená na vnějším povrchu a nezkreslující odražený obraz, když je zrcadlo v klidu; ale chvění způsobené pohybem hodinového stroje to celé kazí. Příliš nepomohlo ani nahrazení běžného hodinového stroje útěkem, poskytujícím stejnoměrně periodický chod a používaným v heliostatu, s mechanismem s Foucaultovým regulátorem pro hladký, rovnoměrný chod. Nejlepší siderostat byl Tollonův ruční heliostat od Gauthiera, kde velké pravidelné zrcadlo uvedl do pohybu kolem svislé a vodorovné osy pomocí nekonečných šroubů a šňůr samotný pozorovatel.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Siderostat // Velká sovětská encyklopedie (třetí vydání)

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích