اصول حاکم بر همه ی ساعت های آفتابی خیلی ساده تر از آن است که اغلب مردم تصور میکنند.هیچ لزومی ندارد که ساعت های آفتابی پیچیده و دائمی باشد،بلکه میتوانید نمونه های ساده و موقتی بسازید.آزمایش با طرح های ساده جالب است و خوشایند است که ببینیم ابزارهای ساده ای که ساخته ایم زمان را با دقت نشان می دهند.شاید این کار مارا به ساختن ساعت های آفتابی دیگر با مسائل دائمی تر بکشاند.استفاده از روش طبیعی برای نشان دادن امری بنیادی مانند زمان،بسیار جالب است. این پند را هرگز فراموش نکنید((ایام عزیز عمر را دریاب))! در این بخش ما برآنیم تا این موضوع ساعت ستاره ای را بصورت جزئی مورد بررسی قرار دهیم.

این وسیله بر اساس استفاده از سه ستاره ی درخشان نیمکره ی شمالی برای تعیین زمان،در شب ساخته شده است.چون ستاره ی قطبی ثابت به نظر میرسد و مثل مرکزی است که ستاره های دیگر به دور آن میچرخند، میتوانیم از آن به عنوان مرکز ساعت آسمانی بزرگی استفاده کنیم. خطی که از ستاره ی قطبی به دوستاره ی کناری دب اکبر ( دب اکبر) که دبٌه و مراق نام دارند وصل میشود، برای این منظور قابل استفاده است. با اندازه گییری زاویه ای که این خط در آسمان می سازد می توان زمان را تعیین کرد. اگر  زمین تنها خود به دور خورشید نمی چرید، ستاره ها هر شب در زمان یکسان، وضعیت یکسانی در آسمان داشتند، اما در اثر حرکت زمین به دور خورشید ، هر شب در مسیر اندکی متفاوت به فضا نگاه میکنیم و ستاره ها هر شب 3دقیقه 55/9 ثانیه زود تر به وضعیت شب قبل میرسند. به همین دلیل است که برای تعیین زمان، تاریخ را روی ساعت ستاره ی تنظیم می کنیم.

یافتن راستای شمال

ساعت آفتابی تنها وقتی درست کار میکند که شاخص آن به سوی قطب شمال آسمانی باشد. زاویه ی لبه ی شاخص با صفحه ی افق برای عرض جغرافیایی محل نصب ساعت آفتابی ، ضمن ساخت هر مدل تنظیم شده است. بنابراین کافی است شاخص دقیقاً در راستای شمال قرار بگیرد. در این جا سه روش برای تعیین  دقیق راستای شمال و جنوب بیان شده است:

*روش اول استفاده از قطب نمای مغناطیسی

اغلب اشخاص برای یافتن راستای شمال بلافاصله به فکر قطب نمای مغناطیسی می افتند، اما قطب نمای مغناطیسی به سوی شمال مغناطیسی می ایستد که با شمال حقیقی یکی نیست. مقدار خطا انحراف مغناطیسی نامیده میشود که گذشت زمان به کندی تغیر میکند. برای یافتن مقدار آن باید به نقشه ای با مقیاس بزرگ مراجعه کرد.در سال 1383مقدار انحرف مغناطیسی در تهران تقریباً 4درجه ی شرقی بوده است. قطب نمای مغناطیسی این مزیت را دارد که با آن میتوانیم امتداد شمال-جنوب را در هر زمان از شبانه روز چه خورشید بتابد و چه نتابد، بدست آوریم،اما باید مطمئن شویم که هیچ جسم آهنی ای در نزدیکی آن وجود ندارد وگرنه ممکن است نتیجه ی خیلی نادرستی حاصل شود.

 *روش دوم استفاده از از قطب نمای خورشیدی

این ابزار برای یافتن شما و جنوب طراحی شده است. بنابراین وسیله ی مناسبی برای این منظور است. چون برای تنظیم آن از ساعت دیواری استفاده میکنیم. امتداد شمال-جنوب را در فاصله ی زمانی 9صبح تا3بعد از ظهر به وقت ظاهری میتوان تعیین کرد، به شرطی که هوا آفتابی باشد.

*روش سوم مسیر نمای خورشید

شاید این بهترین روش باشد اما فقط در ظهر محلی می توان از آن نتیجه دقیق گرفت، در این لحظه مسیر نمای خورشیددرست روبه جنوب خواهد بود و می توانید امتداد شمال-جنوب را تعیین کنید. بد نیست راستای شمال-جنوب را روی سطح افقی که مدل های ساعت های آفتابی را روی آن می گذارید مشخص کنید. چون این مدل ها مقوایی اند آنها را نمی توان همیشه در نور شدید آفتاب گذاشت. پس باید به راحتی بتوان ان را دوباره در راستای درست بگذارید.

اولین اصول

برای این که در بیابیم که ساعت های آفتاب چگونه کار میکنند باید چرخش زمین ومدار آن بدور خورشید را در نظر بگیریم. زمین به دور محوری گذرنده از دو قطب شمال و جنوب می چرخد و 23ساعت 56 دقیقه و 4/1ثانیه یک دور  کامل میزند.همه ی نقاط روی زمین هم در این مدت یک دور کامل می چرخند.باید دربیابیم چرا طول شبانه روز که 24ساعت است به اندازه ی زمان یک دور چرخش زمین نیست. زمین همچنین در مداری به دور خورشید در فاصله ی 150،000،000 کیلومتری آن میچرخد. در طول یک سال مدار کامل را طی میکند و صفحه ی  حرکت آن صفحه ی دایرةالبروج نامیده میشود، و محور چرخش زمین همیشه در یک راستا باقی میماند. هر روز زمانی که خورشید در بالاترین نقطه اش در

آسمان دیده میشود ((ظهر)) می نامیم.همه ی مکان های روی یک نصف النهار، ظهر مشترکی دارند.در هنگام ظهر، نصف النهار ما بخشی از سطح زمین است که درست روبروی خورشید قرار دارد.زمان را روی زمین از ظهر یک روز تا ظهر روز بعد اندازه میگیریم. این مدت زمان به 24 سا عت مساوی تقسیم میشود. چون زمین در 24 ساعت 1/365 مدار  خود را هم می پیمایدباید اندکی بیشتر بچرخد تا درست روبروی خورشید قرار بگیرد. میانگین زمان این چرخش اضافی 3دقیقه و 55/9 ثانیه است. به همین علت است که طول شبانه روز با زمان یک دور چرخش زمین مساوی نیست.

قطب آسمان

نقاطی که درست بالای قطب شمال و قطب جنوب زمین قرار دارند قطب های آسمانی خوانده میشوند. محور زمین در سراسر شبانه روز و سراسر سال موازی با خود باقی میماند، اما اما در مدار بسیار بزرگ دایره شکلی بدور خورشید حرکت می کند.بنابراین، ممکن است فکر کنید که قطب های آسمانی باید در طول سال در زمینه ی ستاره ها حرکت ظاهری داشته باشند. اما ستاره ها چنان دورند که این جابجایی تنها با ابزارهای خیلی عمیق و دقیق قابل سنجش است.پس میتوانیم بگوییم قطب های آسمانی نقاط ثابتی در جهان هستند. یک ستاره ی نسبتاً درخشان در نزدیک قطب شمال آسمانی وجود دارد که اسم آن ستارهی قطبی است و برای موارد عملی می توانیم بگوییم که در قطب آسمانی قرار دارد.در نیمکره جنوبی آسمان چنین ستاره ی مفیدی وجود ندارد محور زمین به صفحه ی استوا عمود است اما بر صفحه ی دایرة البروج عمود نیست و صفحه ی دایرة البروج 23درجه و 26دقیقه است ضمن گردش زمین به دور خورشیدمحور چرخش آن همیشه در یک راستا می ماند. بسته به موقعیت زمین در مدارش نور خورشید با زاویه ی متغیری نسبت به صفحه ی استوا به زمین می تابد از روی زمین مسیر خورشید در آسمان ظاهراً هر روز قدری تغییر میکند. میتوانیم فرض کنیم  خودمان ثابتیم و جهان در حال حرکت به دور ما است در این صورت خورشید ظاهراً در مسیره ماپیچ ملایمی به دور زمین میچرخد که دوره ی آن یک سال طول می کشد. در عرض جغرافیایی خاصی که به تدریج با فصل تغیر میکند،خورشید در لحظه ی ظهر درست از بالای سر می گذرد.تمام عرض های جغرافیایی که در آنها خورشید درست از بالای سر می گذرد در نواری بر دو سوی خط استوا بین عرض های 23 درجه و 26 دقیقه شمالی و 23 درجه و 26 دقیقه جنوبی واقعند که آن را منطقه استوایی می نامند.

شکار سایه:سایه باید روی سطحی بیفتد تا دیده شود واضح است که جهت شیب سطح دریافت کننده بر جهت سایه تاثیر می گذارد با اختیار دیدگاه زمین مرکزی خورشید در هر شبانه روز یک یکبار بدور زمین میچرخد بنابراین سایه ی محور آن بر روی صفحه ی استوا باید به طوریکنواخت دقیقاً 360 درجه در 24 ساعت یا 15درجه در یک ساعت بچرخد این چرخش معادل 1درجه در هر 4دقیقه است سایه ی روی هر صفحه ی دیگر که با صفحه ی استوا موازی نباشد با سرعت ثابت حرکت نخواهد کرد. بنابراین، برای تعیین دقیق جایی که سایه در هر ساعتی می افتد به مثلثات یا ترسیم هندسی دقیق نیاز داریم. اما اگر شاخص در راستای قطب شمال آسمانی باشد، سایه هر روز در همان ساعت دقیقاً به همان نشانه ها میرسد.

ردیابی مسیر خورشید: مسیر نمای خورشید ساعت آفتابی نیست و زمان را نشان نمی دهد ولی ابزار جالبی برای بررسی مسیر حرکت روزانه ی خورشید در اسمان استنگاه کردن مستقیم به خورشید خطر ناک است و ما می توانیم با مسیر نمای خورشید ارتفاع و سمت آن را اندازه گیری کنیم.اگر آن را روی سطح افقی بگذاریم و چنانکه در قاعده اش توضیح داده شده تنظیم کنیم می توانیم زاویه ی ارتفاع خورشید و زاویه یجهت خورشید(سمت آن) را هر چند بار که بخواهیم پیدا کنیم این نتیجه ها را می توان به اشکال گوناگون ثبت کرد ولی بهترین راه ترسیم آن بر روی کاغذ دایره ای مدرج است (که می توانید با مراجعه به صفحه13 کتاب شناخت و ساخت ساعت آفتابی آن را تهیه کنید) می باشد. در شهر پترزبورگ روسیه که عرض جغرافیایی آن حدود60 درجه شمالی است تفاوت چشمگیری بین تابستان و زمستان وجود دارد در تابستان خورشید چندان از افق پایین تر نمی رود و در زمستان نیز چندان از افق بالاتر نمی آید. در نقاط خیلی جنوبی تر مثل تخت جمشید که عرض جغرافیایی آن 30 درجه شمالی است این تفاوت کمتر به چشم می خورد ولی به هر حال وجود دارد.اگر می خواهید در ایام تعطیل به محلی با عرض جغرافیایی متفاوت بروید میتوانید مسیر نمای خورشید را همراه ببرید. خیلی جالب است که مسیر حرکت خورشید در روز قبل از حرکت و روز بعد از رسیدن خودتان  به مقصد روی صفحه ی نمودار رسم کنید.

قطب نمای خورشیدی: نوعی ساعت آفتابی افقی جامع (برای تمام عرض ها) است که بطور وارونه بکار می رودبا تنظیم آن برای وقت خورشید محلی در عرض جغرافیایی محل خود ابتدا شمال را بیابید از این ساعت به عنوان ساعت آفتابی سفری هم می توان استفاده کرد زیرا  تا مشود و بصورت صاف در می آید . از ان میتوان در عرض های جغرافیایی بین 25 تا 40 درجه شمالی استفاده کرد. یادتان باشد که شاخص را هم باید در پلکان نصب کنید.