3.5. Измерение времени

Время обладает важной особенностью – необратимостью, поэтому для его измерения можно применить только периодические природные процессы, длительность которых достаточно постоянна. Издавна человеку казалось наиболее постоянным движение небесных тел, по периодам в этих движениях и были установлены основные единицы измерения времени. Суточное движение звезд и Солнца дало единицу "сутки" и доли суток – часы, минуты, секунды"; месячное движение Луны – единицу "месяц" и годовое движение Солнца – "год".

Кроме движения светил, для измерения времени можно применить постоянные физические колебательные процессы в веществах. В настоящее время используются: колебательный процесс, возникающий в пластинах кварца под воздействием электрического поля и реализованный в кварцевых часах, и колебательные процессы, происходящие в молекулах и атомах, обладающие высокой стабильностью и реализованные в атомных часах.

Звездное время. Основная формула времени

Звездными сутками называется промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки Овна на одном и том же меридиане.

Звездным временем S называется промежуток времени от момента верхней кульминации точки Овна на заданном меридиане до данного момента.

Но угол поворота точки от полуденной части меридиана наблюдателя (рис. 3.15.) - есть часовой угол Овна, поэтому звездное время, протекшее от верхней кульминации точки Овна, численно равно вестовому часовому углу этой точки, т.е..

Если tили S отсчитывается от местного меридиана, то получаем местное

звездное время S_м = t_м^, если от гринвичского, получаем гринвичское звездное время S_гр= t_гр^.

Большие промежутки времени в звездных сутках не выражаются, поэтому звездное время даты не имеет, и если S или tпревысит 24^ч(360), то этот период отбрасывается, например, S = 37520,0 = 1520,0.

Основная формула времени. На рис. 3.15 показано изображение сферы на плоскости экватора, построенное так, как мы видели бы сферу со стороны Р_N. Землю в центре вместе с меридианом P_NE и отвесной линией ZO считаем неподвижными, а сферу – вращающейся с Е на W; полуночная часть меридиана наблюдателя (P_NQ) изображена волнистой линией. Часовой угол точкиизображаетсяЕ, местный часовой угол светила С -ED, а прямое восхождение -D. Из рисунка видно, что

, (*)

т.е. звездное время в любой момент равно вестовому часовому углу светила плюс его прямое восхождение.

Равенство (*), называемое основное формулой времени, справедливо для любого светила и точки сферы, например:

Из формулы (*) можно определить часовой угол светила

.

К правой части равенства (*) можно по надобности добавлять 360(24^ч). С учетом этого формула примет вид

,

где _*= 360-_*- звездное дополнение, считаемое отдо меридиана

светила к W.

Формула (*) применяется для расчета часовых углов звезд, причем _* и S выбираются из Ежегодника. Формулы позволяют решать ряд задач на измерение времени. Например, для частных положений светила: в верхней кульминации t = 0 и S =; в нижней t = 180и S = 180+. Для верхней кульминацииполучим: S = 0 и t =_*.

Звездное время удобно при наблюдении объектов звездного неба и при решении астрономических задач, но не пригодно для применения в повседневной жизни. Это объясняется тем, что начало звездных суток приходится на разное время дня и ночи, т.е. солнечных суток.

Очевидно, удобнее считать время по Солнцу; в этом случае применяются истинные солнечные сутки, истинное солнечное время.

Истинными солнечными сутками называется промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями центра видимого диска Солнца на одном и том же меридиане.

За начало истинных суток принимается истинная полночь, т.е. нижняя кульминация Солнца.

Истинным солнечным временем называется промежуток времени от момента нижней кульминации центра видимого диска Солнца до данного момента, выраженный в частях солнечных суток. Разность в продолжительности солнечных суток равна 12,8, или 51^с,2; зимой истинные сутки длиннее, а в конце лета – короче. Очевидно, что переменная единица неудобна. В жизни и технике требуется постоянная единица, за которую можно принять среднюю величину солнечных суток.

Средние сутки, среднее время

Средняя продолжительность истинных солнечных суток в году принята за средние солнечные сутки. Для их воспроизведения на сфере введена условная точка – среднее Солнце, которую обозначают .

Средним Солнцем называется точка, расположенная на экваторе, равномерно движущаяся в ту же сторону, что и Солнце, и предназначенная для счета среднего времени.

Средними сутками называется промежуток времени между двумя последовательными кульминациями среднего Солнца.

За начало средних суток принимают полночь, т.е. момент нижней кульминации среднего Солнца.

Средние сутки делятся на 24 средних часа, средний час – на 60 средних минут, средняя минута – на 60 средних секунд.

Среднее время Т – угол, заключенный между полученной частью меридиана наблюдателя и меридианом среднего Солнца. Измеряется дугой экватора от 0^чдо 24^чв часах, минутах и секундах от полуночной части меридиана наблюдателя по часовой стрелке до меридиана среднего Солнца.

Если при расчете часового угла прямое восхождение светил окажется больше звездного времени S, необходимо к величине S прибавить 24^ч(360), от полученной суммы отнять прямое восхождение_*. Рассчитанный часовой угол t будет вестовый. В обиходе звездное время S неудобно.

Средним временем назівается число средних часов, минут и секунд, прошедших от нижней кульминации среднего Солнца до данного момента.

Так как за начало средних суток берется средняя полночь, то:

а) при нижней кульминации среднего Солнца Т = 00^ч00^м00^с.

б) при верхней кульминации среднего Солнца Т = 12^ч00^м00^с. Так как продолжительность средних суток в течение года – величина постоянная, то можно построить часы, показывающие среднее время.

Из наблюдений известно, что максимальная разница во время между началом средних и истинных суток достигает около +14,4 мин. и –16,4 мин.

Четыре раза в году – меридианы среднего Солнца и истинного Солнца совпадают, в остальное время года меридиан истинного Солнца находится либо впереди, либо позади меридиана среднего Солнца.

Угол между меридианом истинного и меридианом среднего Солнца, называется уравнением времени (). Если истинное Солнце отстает от среднего, то уравнение времени имеет знак плюс (+), и, наоборот, если истинное Солнце впереди среднего – знак минус ().

15 апреля, 12 июня, 1 сентября, 25 декабря уравнение времени равно нулю. 12 февраля+14^ми 4 ноября- 16^м.

Начало, средних солнечных суток для любого наблюдателя на Земле соответствует моменту нижней кульминации среднего Солнца на меридиане этого наблюдателя. Следовательно, у наблюдателей, находящихся в разных долготах, сутки начинаются не одновременно и время в один и тот же момент разное. Так как Земля вращается с запада на восток, то у наблюдателей, расположенных восточнее, кульминации происходят раньше и, следовательно, времени больше.

Приведенные рассуждения справедливы и по отношению к звездному времени, а также к часовым углам светил.

Среднее время, отсчитываемое от момента нижней кульминации среднего Солнца на меридиане данного наблюдателя, называется местным и обозначается Т_м. Местное звездное время обозначается S_м, а местные часовые углы, отсчеты которых ведутся от моментов верхних кульминаций соответствующих светил на меридиане данного места – t_м.

Разность местных времен и часовых углов у наблюдателей, расположенных в разных долготах, равна разности долгот этих наблюдателей, выраженной во временной или дуговой мере.

Для сравнения местных времен и часовых углов на практике используют местное гринвичское время (Т_гр, S_гр) и гринвичские часовые углы (t_гр), отсчет которых ведут от меридиана Гринвича с долготой 0. Среднее гринвичское время называют также всемирным временем (UT).

Установим соотношения между гринвичским и местным временем и часовыми углами на различных меридианах.

На рис. 3.16 изображена небесная сфера на плоскости экватора. Отрезок P_NQ – полуденная часть небесного меридиана наблюдателя, находящегося на Гринвиче, отрезок P_NQ- полуночная часть. Отрезки P_NQ₁и P_NQ₁являются полуденной и полуночной частями меридиана наблюдателя, расположенного на Земле к востоку от Гринвича (Е), а отрезки P_N О₂и P_NQ₂– к западу от Гринвича (W). Отрезки P_NA, P_Nи P_ND являются соответственно меридианами среднего Солнца А, точки Овнаи какого-либо светила С. Дугами показаны местные и гринвичские средние и звездные времени, а также часовые углы светила С.

Для высокоточной навигации применяют UTC – всемирное координированное время (стабилизированное атомным стандартом).

Как следует из рис. 3.16 для наблюдателя, расположенного к востоку от Гринвича, действительны соотношения:

;;.

Рис. 3.16.

Для наблюдателя в западной долготе:

;;

Принимая меридианы наблюдателей за местные, запишем найденные соотношения в общем виде:

;;

Для перехода от местных величин к гринвичским соотношения имеют вид:

;;.

Для контроля при вычислениях по формулах применяют правило «к востоку времени больше». Так как звездное время и часовые углы не имеют дат, к ним можно прибавлять или вычитать 360(24^ч).

При переводе с одного меридиана на другой средних времен иногда приходится изменять дату: вперед, если Т превысило 24^ч; назад, если 24^чбыли заняты.

Пример. 15.XI. Т_гр= 3^ч19^м30^с;= 9507,3W. Определить Т_м.

Решение. 15.XI Т_гр3^ч19^м30^с(+24^ч)

^_W 6 20 29

14.XI Т_м20^ч59^м01^с

Поясное, декретное и судовое время. Линия перемены дат

В повседневной жизни и особенно на транспорте пользоваться средним местным временем неудобно. Действительно, при перемещении на восток или на запад надо было бы непрерывно переводить стрелки часов в первом случае – вперед, а во втором – назад. По этой причине еще в конце XIX в. была введена поясная система счета времени.

В этой системе поверхность Земли разделена на 24 часовых пояса по 15(1^ч) долготы в каждом. Меридианы 0, 15, 30и т.д. кратные 15, являются центральными для каждого пояса (рис. 3.17.). Долготы центральных меридианов, выраженные в часах, соответствуют номеру пояса. Нулевой пояс, центральным меридианом которого является Гринвич, считается начальным. Границами его служат меридианы с долготами 730Е и 730W. Двенадцатый пояс одновременно является восточным и западным. Долгота его центрального меридиана 180, а границами служат меридианы с долготами 17230Е и 17230W.

Местное среднее время центрального меридиана пояса принимается одинаковым для всего пояса и называется поясным временем Т_п.

Поясное время обладает следующими свойствами:

разность поясных времен в двух соседних поясах равна 1^ч;

разность поясных времен в двух любых поясах равна разности их номеров;

поясное время в любом поясе отличается от гринвичского, т.е. от времени нулевого пояса, на величину номера пояса, т.е.

, или

Теоретически в пределах одного пояса Т_мне может отличаться от Т_пболее, чем на 3^м (730). Однако на практике границы поясов, особенно на суше, устанавливаются по государственным или естественным (рекам, побережью морей) границам. С целью перенести рабочее время на более освещенные часы суток,

время переводится на 1^чвперед. Поясное время, увеличенное на 1^ч, называется декретным временем Т_д

В некоторых странах стрелки часов переводятся на 1^чвперед только на летнее время. Такое время получило название летнего.

Судовым временем Т_сназывается поясное время, принятое на данном судне по указанию капитана, с точностью до 1^м.

Соотношение между Т_гр, Т_ми Т_п. На практике необходимо уметь вычислять местное среднее время по известному поясному (судовому) или решать обратную задачу. Переход от Т_м к Т_п(Т_с) делают приемом "через Гринвич". Он заключается в том, что сначала по Т_ми известной долготе наблюдателя вычисляют Т_гр, а затем номером пояса переводят Т_грв Т_п :

и.

При решении обратной задачи применяют тот же прием: заданное Т_п(Т_с) переводят номером пояса в Т_гр, а затем по Т_гри долготе наблюдателя получают Т_м:

и.

Для определения номера пояса долготу наблюдателя делят на 15. Если в остатке получается больше 730, то частное от деления увеличивается на единицу.

Пример. 17.XI. Т_м= 4^ч42^м08^с;= 6722,0W. Определить Т_п.

Решение. 17.XI. Т_м4^ч42^м08^с

+ _W4 29 28

17.XI. Т_гр9^ч11^м36^с

^ N_W 4

17.XI. Т_п 5^ч11^м36^с

Пример. 10.III. Т_с= 16^ч40^м;= 14740,0Е. Определить Т_м.

Решение. 10.III Т_с 16^ч40^м

• N_Е 10

10.III Т_гр06^ч40^м

⁺ _Е9 51

10.III Т_м16^ч31^м

Линия перемены даты (демаркационная линия). Если идти от Гринвича на восток, то в каждом следующем поясе время увеличивается на 1^ч, а при движении на запад – уменьшается на 1^ч. Для того чтобы судовое время соответствовало номеру пояса, в котором находится судно, при пересечении границ поясов стрелки часов переводят на 1^чвперед (при следовании в восточном направлении) или назад (при следовании в западном направлении). Перевод часов делают по распоряжению капитана, извещая об этом все судовые службы.

В восточной части 12-го пояса время идет впереди Гринвича на 12^ч. В западной части того же 12-го пояса часы показывают на 12^ч меньше чем на Гринвиче. Таким образом, у наблюдателей в восточной и западной частях этого пояса в один и тот же момент часы показывают одинаковое время, но даты различные (рис. 3.17.). При этом у наблюдателя в восточной части пояса на календаре значится следующая дата по сравнению с наблюдателем в западной его части.

За границу смены дат принята линия, совпадающая в основном с меридианом 180. При пересечении этой линии судном, идущим в восточном направлении, начиная с ближайшей полночи повторяют одну и ту же дату дважды. Если судно пересекает линию даты, двигаясь на запад, то после наступления полночи одну дату выбрасывают из календаря.

Приборы для измерения времени

Для измерения времени на судах применяют морские хронометры, судовые часы, палубные часы и секундомеры.

Морской хронометр предназначен для определения моментов точного гринвичского времени Т_гр. Механизм хронометра состоит из следующих основных узлов:

двигателя, заводная пружина которого приводит в движение части хронометра;

регулятора (маятника), совершающего колебания со строго постоянным периодом. Для сохранения постоянства колебаний при изменениях температуры он имеет температурный компенсатор;

хронометрического спуска, предназначенного для равномерного пуска и остановки счетного механизма в соответствии с колебаниями маятника;

счетного механизма, включающего в себя систему зубчатых колес и стрелок.

В верхней части основного циферблата находится стрелка счетчика завода, которая при полном заводе хронометра устанавливается на отсчет 0 ч, а при его остановке – на отсчет 56 ч. Таким образом, стрелка показывает, сколько часов прошло от полного завода прибора.

Хронометр хранится в специальном отделении штурманского стола.

Отсчеты хронометра при проведении астрономических наблюдений берут через стекло во второй крышке ящика. Стопор карданова подвеса у работающего хронометра должен быть отдан.

Хронометр заводят ежедневно в одно и то же время, обычно утром в 8 ч. Чтобы завести прибор, открывают обе крышки ящика и аккуратно поворачивают корпус вверх дном. Удерживая корпус в таком положении левой рукой, заводным ключом открывают заслонку отверстия для завода. Вставив заводной ключ, поворачивают его правой рукой против часовой стрелки, делая семь-восемь полуоборотов, что достаточно при ежедневном заводе хронометра. Последний полуоборот делают осторожно, доводя стрелку счетчика завода до положения 4-8^ч.

Если хронометр стоял, то после завода для срочного пуска его стрелки устанавливают по намеченному Т_гр. Для этого закрепляют стопором 6 карданов подвес, отвинчивают кольцо со стеклянно крышкой и надевают заводной ключ на выступающий конец оси стрелок. Поворотом ключа вправо переводят стрелки на нужный отсчет Т_гр, согласовывая показания минутной стрелки с секундной. Завинтив стеклянную крышку, пускают хронометр, для чего поворачивают его легким толчком на 40-50вокруг вертикальной оси. Если есть возможность, пуск хронометра производится, когда его показание приближенно равно Т_гр.

На небольшие расстояния хронометр переносят на руках при закрепленном стопоре.

При получении на судно нового хронометра следует перед его пуском удалить пробковые клинышки, вставленные под регулятор.

Судовые часы предназначены для фиксации судового времени Т_спри ведении счисления и производстве навигационных определений. Часы служат также для организации службы и повседневной жизни на судне. Циферблат судовых часов разбит на 12 или 24 часовых деления. Заводят их раз в неделю, причем показания часов, установленных в различных служебных и жилых помещениях, согласовываются с часами в штурманской рубке.

Палубные часы представляют собой переносные часы карманного типа с центральной секундной стрелкой. Часы устанавливаются по Т_гри используются при проведении астрономических наблюдений.

Секундомер служит для измерения небольших промежутков времени при судовых наблюдениях. При помощи пусковой кнопки секундную стрелку пускают в ход, стопорят и, по окончании наблюдений, возвращают в нулевое положение. В настоящее время широкое применение находят электронные хронометры, часы и секундомеры.

Показания хронометра, вследствие их конструктивных недостатков, могут отличаться от Т_гр, на которое они устанавливаются.

Разность между Т_гри показанием хронометра Т_хрв один и тот же момент называется поправкой хронометра u_хр:

Величина u_хрне может превышать6^ч, так как циферблат хронометра разбит на 12^ч.

Поправка хронометра не остается постоянной. Хронометры или спешат, или отстают. Величину изменения u_хрза некоторый промежуток времени называют ходом хронометра.

Изменение поправки хронометра за одни сутки называется суточным ходом хронометра . Суточный ход определяют по формуле

,

где u_хр1– предыдущая поправка;

u_хр2- последующая поправка;

Т - промежуток времени, сут и их доли.

По техническим условиям абсолютная величина при температурах от +6 до +36не должна превышать 4^с,0

Качество хронометра определяется постоянством суточного хода. Среднее изменение за одни сутки не должно быть больше 0^с,5. Для суждения о работе хронометравыводят каждые сутки из двух соседних поправок.

Пример. 15.V в Т_гр= 10^ч00^м имели u_хр1= +2^м24^с;

26. V в Т_гр= 10^ч00^мопределили u_хр2= +1^м59^c. Определить.

Решение.

Определение поправки хронометра. Для получения Т_гр к замеченному моменту хронометра Т_хрнеобходимо прибавлять поправку хронометра со своим знаком:

Значение u_хропределяют ежесуточно по радиосигналам времени.

Принцип определения u_хрзаключается в том, что в момент подачи радиосигнала замечают отсчет по хронометра Т_хр. Так как гринвичское время Т_грподачи сигнала заранее известно из программы передачи, то

или по отсчету UTC на приемоиндикаторе GPS. Отклонение UTC от UT не превышает 0,9 сек; точное значение в данный момент находят во втором томе ALRS, глава Time Signals.

На практике u_хриногда определяют по сигналам времени широковещательных радиостанций, которые подают шесть звуковых точек в конце 59-1 минуты каждого часа. Начало последней, шестой точки соответствует 00^м00^сочередного часа.

Если возле хронометра есть динамик или ДИ GPS, то Т_хрв момент подачи сигналов времени фиксируют непосредственно по хронометру. Сперва замечают показания секундной, затем минутной и часовой стрелок. Если хронометр удален, то прием сигналов ведут на секундомер. В момент подачи сигнала пускают его стрелку; в намеченный момент по хронометру Т_хростанавливают секундомер. Вычтя их Т_хрпоказания секундомера, получают Т_гр.

Сигналы можно принимать также на палубные часы, переводя их показания в моменты хронометра при помощи особого приема,называемого "сличением".

Сличение часов с хронометром легче всего произвести с помощью секундомера.

В какой-то определенный момент по часам (момент фиксируется заблаговременно путем записи) пускаем секундомер и подходим к хронометру. Когда секундная стрелка хронометра придет на целое число, стопорим секундомер и записываем показания секундной, минутной и часовой стрелок хронометра.

Например, когда часы показывали 10^ч58^м30^с, пустили секундомер.Когда хронометр показывал 8^ч55^м45^с, застопорили секундомер, его отсчет 1^м15,6^с.

Показание хронометра 8^ч55^м45^с. Момент по часам 10^ч58^м30^с

Секундомер 1^м15^с,6 Момент хронометра 8^ч54^м29^с,4

Момент хронометра = 8^ч54^м29^с,4 Сличение (хронометр-часы) = -2^ч04^м00^с,6

Для получения u_хрна произвольный момент пользуются суточным ходом:

,

где u_хр2– определяемая поправка;

u_хр1- последняя известная поправка;

Т - промежуток времени после определения поправки, сут. и их доли.

Поправку хронометра и суточный ход после их определения записывают в судовой Журнал поправок хронометра.

Определение Т_грпри астрономических наблюдениях. При измерении высот светил фиксируют моменты по хронометру для последующего расчета Т_грнаблюдений.

Если наблюдения проводит один штурман, то Т_хрзамечают по секундомеру. В момент касания светилом линии горизонта наблюдатель пускает секундомер и идет в рубку. Заметив какой-либо отсчет на хронометре Т_хр, останавливает секундомер. Отсчет хронометра, соответствующий моменту взятия высоты, будет равен Т_хр= Т_хр– с, где с – показание секундомера. Затем наблюдения продолжают в том же порядке. Этот способ требует больших затрат времени.

Циферблат хронометра разделен только на 12 часовых делений, чтобы не ошибиться на 12^ч, предварительно по Т_срассчитывают приближенное Т_гр, а также дату наблюдений.