日晷(古代計時儀器)
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古代計時儀器大型雕塑
日晷，本義是指太陽的影子。現代的“日晷”指的是人類古代利用日影測得時刻的一種計時儀器，又稱“日規”。其原理就是利用太陽的投影方向來測定並劃分時刻，通常由晷針（表）和晷面（帶刻度的表座）組成。利用日晷計時的方法是人類在天文計時領域的重大發明，這項發明被人類沿用達幾千年之久。
基本介紹
中文名：日晷外文名：sundial漢語拼音：rì guǐ組成部分：晷針，晷面
簡介,工作原理,分類,地平式日晷,赤道式日晷,極地晷,垂直式日晷,投影日晷,摺疊式日晷,等高儀日晷,使用方法,注意事項,文獻記載,日規,日晷,
簡介日晷有兩層含義，一般指的是第2個含義。(1)“日”指“太陽”，“晷”表示“影子”，“日晷”的意思為“太陽的影子”。(2)利用太陽投射的影子來測定時刻的裝置，又稱“日規”。日晷通常由銅製的指針和石制的圓盤組成。銅製的指針叫做“晷針”，垂直地穿過圓盤中心，起著圭表中立竿的作用，因此，晷針又叫“表”；石制的圓盤叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行於天赤道面，這樣，晷針的上端正好指向北天極，下端正好指向南天極。晷面兩面都有刻度，分子、醜、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二時辰，每個時辰又等分為“時初”、“時正”，這正是一日24小時。絕大部分的日晷顯示的都是視太陽時，有些在設計上作了變更，可以顯示標準時或是日光節約時間。人類使用日晷的歷史非常遙遠，古巴比倫在遠古時期的6000年前就開始使用了，中國是在3000多年前的周朝。日晷不但能顯示一天之內的時刻，還能顯示節氣和月份。當然它的缺點也是顯而易見的，笨重而且看不到陽光的時候不能用，比如陰天和晚上。這項發明被人類所用達幾千年之久，直至1270年在義大利和德國才現早期的機械鐘，而中國則在1601年明代萬曆皇帝才得到二架外國的自鳴鐘，清代時雖有很多進口和自製的鐘表，但都為王宮貴府所用，一般平民百姓還是看天曉時。工作原理在一天中，被太陽照射到的物體投下的影子在不斷地改變著：銅製的指針叫“晷針”第一是影子的長短在改變。早晨的影子最長，隨著時間的推移，影子逐漸變短，一過中午它又重新變長；第二是影子的方向在改變。在北回歸線以北的地方，早晨的影子在西方，中午的影子在北方，傍晚的影子在東方。從原理上來說，根據影子的長度或方向都可以計時，但根據影子的方向來計時更方便一些。故通常都是以影子的方位計時。隨著時間的推移，晷針上的影子慢慢地由西向東移動。移動著的晷針影子好像是現代鐘錶的指針，晷面則是鐘錶的表面，以此來顯示時刻。早晨，影子投向盤面西端的卯時附近；當太陽達正南最高位置（上中天）時，針影位於正北（下）方，指示著當地的午時正時刻。午後，太陽西移，日影東斜，依次指向未、申、酉各個時辰。分類日晷依晷面所放位置、擺放角度、使用地區的不同，日晷可分成地平式、赤道式、子午式、卯酉式、立晷等多種，套用範圍也不盡相同。按晷面的擺放角度，可分為：地平式、垂直式、赤道式。地平式日晷亦稱水平式日晷（The Horizontal SundialE），地平日晷的晷面必須嚴格水平，晷面和晷針之間的夾角就是當地的地理緯度。晷面刻度需要利用三角函式計算才能確定。適合低緯度的使用。由於日晷的產生是從觀察陽光下豎直物體影子的方向變化而開始的，因此最早的日晷可能是地平式日晷。但它必須在使用其他計時工具進行精確計時的條件下，根據表影隨時間變化的實際情況來進行刻劃，這顯然是不方便的，但如果採用均勻刻劃的方法又會帶來相當大的計時誤差。這是地平式日晷重大的缺陷。地平日晷製造容易，安裝簡便，除了把它作為一般的測時工具外，常常在城市廣場、花園、道路、小區、寺堂、學校、碼頭和遊覽點等都可看到它的蹤影，顯得非常別致和美觀。赤道式日晷赤道式日晷（The ERquatorial Sundial）的晷面為赤道面，依照使用地的緯度，使赤道式日晷的晷面平行於赤道面。晷盤上的刻度是等分的，夏季和冬季軸投影在晷盤上的影子會分在晷盤的北面和南面。適合中低緯度地區使用。若將晷盤改為圓環則稱為赤道式羅盤日晷。赤道式日晷亦稱斜晷。赤道式日晷是日晷世界中最重要和最常見的，也是中國古代最經典和傳統的天文觀測儀器。赤道式日晷的明確記載初見於南宋曾敏行《獨醒雜誌》卷二中提到的晷影圖，但晷盤是木製的。後世改用石質晷盤，金屬晷針。北京故宮等處保存的都是清代製造的石質赤道式日晷。極地晷極地晷（The polar Dial）晷盤與晷針平行，即晷盤與地平面的夾角和地理緯度相同，並朝向正北。時間的刻畫可以用簡單的幾何圖來處理，投影的時間線是平行的線條。適合各種不同的緯度使用。垂直式日晷亦稱立晷。它是晷盤面垂直於地平面刻度盤面採用垂直方向的日晷。歐洲的英國、法國、德國、義大利、奧地利等國，在一些古代和現代華麗的中層建築的向南和向北(東西方向)以及向東和向西(南北方向)的牆上，附建有各種不同色調、大小和風格相異的日晷雕塑。清早期掛式日晷垂直式日晷有標準向南、向北和向東、向西四個面，可分為三種：“垂直向南日晷”、“垂直向北日晷”和“垂直向東和向西日晷”。垂直向南日晷（Vertical Direct South Dial）刻度盤面朝向正南且垂直地面的日晷。這一種日晷較適合在中緯度（30～70）使用。東或西向垂直式（Vertical Direct East or West）刻度盤面朝向正東或正西且垂直地面的日晷。這一種日晷只能在上半日（東向）或下半日（西向）使用，但全球各緯度都適用。
投影日晷投影日晷不設定指時針，僅在地平面依地理緯度的不同繪製不同扁率的橢圓，在其上刻劃時間線，並將長軸指向正東西方向，短軸指向南北向並刻上日期，指示立竿測量時刻的正確位置。摺疊式日晷一種便於攜帶的日晷稱為摺疊式日晷，含有以絞鏈結合在一起的兩個小晷面，通常會摺疊起來放在平整的小盒子內，以方便放在口袋中。晷針則是在兩晷面之間的帶子，當帶子被扯緊拉直時，兩個晷面會互相垂直，一個面形成垂直式日晷，另一個面則是水平式的日晷。讓兩個晷面以不同的角度結合(會產生不同的投影)，摺疊式日晷便可以自行調整。當兩晷面顯示出相同的時間，而且絞鏈是水平的，摺疊式日晷指示的是當地的視太陽時。另外，當絞鏈朝向北方(在北半球時)，摺疊式日晷被旋轉了一個角度，晷針才能與地球的自轉軸平行，則當正午、日出與日落時，摺疊式日晷的時間不會受到緯度改變的影響，但是在早上9點和下午3點，緯度每偏差1度，在兩個晷面上的時間便會相差4分鐘(肇因於日晷在錯誤的緯度上)。摺疊式日晷可以像指南針一樣來使用，甚至可以測量緯度。有些摺疊式日晷附有小的鉛錘和分度器來讀取正確的緯度；也有些附有指南針，可以測量地理上的特徵。在古代，大型的(1公尺以上的)摺疊式日晷曾經被用於航海上。等高儀日晷等高儀日晷(Elevation sundial)可以顯示正確的日期，是使用在導航與天文學上的日晷。在設計上是一個平坦的小圓環，有一個小把手，或是像表鏈上的飾物，還是小裝飾。 當以把手將環懸吊起來時，小孔會在環的內側投下陰影，經由環內的標示可以顯示時間，但在測量時，使用者必須知道是上午還是下午。通常這個小孔被設定在一片可以滑動和鎖住，用來調整日期的金屬片上。使用方法日晷的製作除了指時針必需正確的安裝之外，時間線的刻劃也不能忽視。各形日晷時間線的刻劃與日晷的地理位置，指時針的高度等，都有關係。假設地理緯度為φ，指時針的高度為H，要刻劃的時間與正午的差值為T；時間線與指時針的夾角為A，距離為D，則各形日晷的計算式如下：（1） 地平式日晷：（2） 赤道式日晷：等分圓盤，每小時相當與十五度，正午線垂直朝下。（3） 極地晷：（4） 南向垂直日晷：（5） 東或西向垂直式：（6） 側向垂直式：θ為日晷牆面的斜角指時針與牆面垂線的夾角W，指時針高出於牆面的夾角O，指時針與正午線的時間線夾角R，6點與12點時間線的夾角S，（7）投影日晷：時間點在長軸方向上的值：時間點在短軸方向上的值：橢圓長軸與短軸的比：豎竿（人立足）的位置： ，其中del為太陽的赤緯
注意事項使用日晷，無論是何種形式都有一根指時針（Gnomon），這根指時針與地平面的夾角必須與當地的地理緯度相同，並且正確的指向北極星，也就是都有一根與地球自轉軸平行的指針。觀察這根指針在指定區域內的投影，就能確定時間。由於日晷必須依賴日照，不能用於陰天和黑夜。因此，單用日晷來計時是不夠的，還需要其他種類的計時器，如水鐘，來與之相配。春分到秋分期間，太陽總是在天赤道的北側運行，晷針的影子投向晷面上方；從秋分到春分期間，太陽在天赤道的南側運行，晷針的影子投向晷面的下方。所以在春分以後看晷盤的上面；秋分以後看晷盤的下面。文獻記載人類使用日晷的時間非常久遠，古巴比倫人在遠古時代的6000年前就開始使用了，中國是在3000年前的周朝。日晷不但能顯示一天之內的時刻，還能顯示節氣和月份。當然它的缺點也是顯而易見的，笨重而且看不到陽光的時候不能用，比方陰天和晚上。中國最早的可靠記載是《隋書·天文志》中提到的袁充於594年(隋開皇十四年)發明的短影平儀(即地平式日晷)。赤道日晷的明確記載初見於南宋曾敏行的《獨醒雜誌》卷二中提到的晷影圖。日規唐·柳宗元《問答·晉問》：“當空發耀，英精互繞，晃蕩洞射，天氣盡白，日規為小，鑠雲破霄。”日晷1.日影《周髀算經》卷上：“故冬至日晷丈三尺五寸，夏至日晷尺六寸。冬至日晷長，夏至日晷短。”《藝文類聚》卷七七引 北齊·邢劭《景明寺碑》：“及日晷停流，星光輟運，香雨旁註，甘露上懸。”唐·方乾《贈上虞胡少府百篇》詩：“日晷未移三十刻，風騷已及四千言。”元·柯丹邱《荊釵記·續姻》：“日晷漸長人盡悅，繡紋弱線添些。”明·馬中錫《中山狼傳》：“相持既久，日晷漸移。”2.時光宋·王安石《本朝百年無事札子》：“臣以淺陋，誤承聖問，迫於日晷，不敢久留，語不及悉，遂辭而退。”清·陸以湉《冷廬雜識·周文忠公》：“日晷已促，不得盡言。”3.古代測日影定時刻的儀器《漢書·藝文志》有《日晷書》三十四卷。清·錢泳《履園叢話·藝能·銅匠》：“測十二時者，古來惟有漏壺，而後世又作日晷、月晷，日晷用於日中，月晷用於夜中，然是日有風雨，則不可用矣。”
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