円環型日時計の作り方

2020年11月27日更新

日時計は太陽光によって出来る影の位置で時刻を知るものです。
地面に棒を立てて置くと、朝、太陽が昇ると棒の影は西に長く伸び、徐々に影の長さが短くなりながら西北に移り、太陽が真南に見えたときに影は真北に伸びて、その長さは最も短くなります。
日本標準時の基準になっている東経１３５度（明石市）線上では、太陽が真南、棒の影が真北に伸びたときが昼１２時になります。
しかし、１３５度より東の地域ではもっと早く太陽が真南に見え、１３５度より西の地域ではもっと遅い時刻に太陽が真南に見えます。
天動説的に考えると、太陽は１日（２４時間）で地球を一回りするので、３６０度÷２４時間÷６０分で１分で０．２５度動きます。
逆に言えば、経度が１度違うと時間で４分違います。
ですから、時計が昼１２時のとき、東経１４０度地点（たとえば東 京）は
５度×４分で、東京で真南に太陽が見えたときから２０分過ぎています。
東経１３０度地点（たとえば福岡）は２０分後に太陽が真南に見えることになります。
日時計の場合は真北に影が落ちたときを昼１２時にすると、目盛りはこの地点だけで通用する
地方時になります。
日時計が多く使われた古代は人々の生活範囲が狭かったので地方時でよかったのかも知れませんし、遠くの人と待ち合わせても現代のように分単位で時刻を決めることも無かったのです。

その他、地球は太陽の周りを楕円軌道で回っているために時間当たりの太陽の動く角度が
年周期で変化するために、日常使っている時刻とは差が出ます。
日常使っている時刻は平均した値なので、日時計が示す時刻との差を「 均時差 」と呼びます。
結局、日時計を普通の時計に合わせるのは、東経１３５度の差の時間と、均時差を補正しなければなりません。
このページではこれらの補正は考えないことにします。

さて、日時計には色々なタイプがあります。
時刻目盛りを刻む所の形状によって、水平型、垂直型、傾けた円盤に目盛りを刻んだコマ型、縦に半分に割った筒の内側に目盛りを刻んだ円環型などです。
ここでは目盛りが簡単な円環型をつくってみます。写真は公園に設置されていた日時計です。

下写真は手許にあった紙箱を壊して作ったものなので綺麗ではありません。
夏休みの自由研究で作るときは、工夫して公園に設置されていた日時計の様に飾り物風に綺麗に作ってください。

作り方ですが、先ず、日時計の大きさを決めます。
筒の直径を１０．０ｃｍ
筒の長さを５．０ｃｍとすれば、 この筒の円周は、直径×円周率で
１０．０ｃｍ×３．１４＝３１．４ｃｍ
３１．４ｃｍの上を投影棒の影が２４時間で一回りするのですから、 １時間の目盛りは
３１．４ｃｍ÷２４．０時間
約１．３１ｃｍ/時間

半周分だけ使うので時刻目盛り板の大きさは、横３１．４÷２ｃｍ、縦５．０ｃｍ
私が作った上の日時計は天の北極に向く方が開いていますが、覆った方が目盛り板の断面がより円弧に近くなるので反対側と同じように円板の半分をつけます。
（庭などの装飾用として作る場合には金属などの硬い物を使って、時刻目盛り板を細い板にし、両端を板で支えなくても時刻目盛り板が歪まないようにします。庭の景観に合うように工夫しましょう）
下図のように厚紙を切り抜いて貼り合わせます。
のりしろが書いてないので、のりしろを使って張り合わせる場合は注意してください。


半円板の円の中心（図の赤い点）には、直径１ｍｍぐらいの針金や竹ひごなどを通して投影棒にします。
この投影棒を「天の北極」に向くように日時計を固定しますが、ここは適当に考えてください

私は左図の黒で示した三角形を厚紙で作って投影棒を天の北極に向けました。
θは日時計を設置する場所の緯度です。