นาฬิกาแดด ....... ของเล่นและ Landmark เชิงวิทยาศาสตร์ โรงเรียนวิถีธรรม มหาวิทยาลัยราชภัฏสกลนคร

 

 

         ราวเดือนต้นตุลาคม 2559 ไปร่วมประชุมคณะครูโรงเรียนวิถีธรรม มหาวิทยาลัยราชภัฏสกลนครเพื่อหารือการสร้างนาฬิกาแดดให้เด็กๆได้เรียนรู้วิชาวิทยาศาสตร์แบบเชิงประจักษ์ จากนั้นก็มอบให้คุณครูตกลงกันเองว่าอยากได้นาฬิกาแดดแบบไหน ..... 27 ตุลาคม บินไปเยี่ยมลูกหลานที่อเมริกา

            16 พฤศจิกายน 2559 คุณครูแอ๋ว รักษาการครูใหญ่ส่ง messenger ข้ามทวีปมาให้ที่อเมริกาโดยแจ้งว่า ...... คณะครูลงมติว่าอยากได้นาฬิกาแดด 2 ชนิด ชนิดแรกเป็นลักษณะ landmark มีโลโก้และชื่อโรงเรียนติดตั้งที่ "วงกลมหน้าโรงเรียน" ชนิดที่สองเป็นนาฬิกาแดดที่เด็กๆเข้าไปยืนและให้ตัวเขาเองทำหน้าที่เป็น "เข็มนาฬิกา"

             ผมนึกภาพออกทันทีครับเพราะเดาล่วงหน้าไว้แล้วว่า "มติของคุณครู" ต้องออกมาในลักษณะนี้ นาฬิกาแดดทั้งสองจึงได้แก่ ชนิด Equatorial และชนิด Horizontal รูปร่างหน้าตาเป็นอย่างไรสามารถเข้าไปอ่านรายละเอียดที่บทความ "นาฬิกาแดดมิติเวลาแห่งมนุษยชาติ" ในเว้ปไชด์เดียวกันนี้ 

 

                                                             บริเวณที่ตั้งโรงเรียนวิถีธรรม ในมหาวิทยาลัยราชภัฏสกลนคร

 

                        ภาพถ่าย Google Earth แสดง Layout สถานที่ติดตั้งนาฬิกาแดดทั้งสองชนิดที่โรงเรียนวิถีธรรม มหาวิทยาลัยราชภัฏสกลนคร  

 

 

       เด็กๆนักเรียนช่วยกันออกแบบนาฬิกาแดด

          เริ่มต้นที่การบรรยายให้เด็กๆทราบว่านาฬิกาแดดคืออะไรและมีหลักการทำงานอย่างไร แล้วให้ช่วยกันออกแบบผลงานออกมาอย่างที่เห็นนี่แหละครับ

 

 

 

 

 

 

 

 

1.นาฬิกาแดดชนิด Equatorial 

มีโลโก้และชื่อโรงเรียนเป็น landmark ตั้งอยู่ที่วงกลมบริเวณทางเดินเข้าโรงเรียน 

 

side profile ของนาฬิกาแดดชนิด Equatorial โดยวาง center-line ให้ตรงกับ "ทิศเหนือแท้" (true north) ซึ่งเป็นตำแหน่งของขั้วโลกเหนือ และ "ดาวเหนือ" 

 

 รายละเอียดรูป Side Profile ของนาฬิกาแดด Equatorial หันไปที่ "ทิศเหนือแท้" และตัวหน้าปัด (dial) ทำมุมเอียง 17 องศา กับแนวดิ่งเพราะตั้งอยู่ที่เส้นรุ้ง 17 องศาเหนือ เข็มนาฬิกา (Gnomon) ขนาดความยาว 30 ซม ติดตั้งที่จุด center และตั้งฉากกับหน้าปัด

 

                                                                  ภาพหน้าปัดด้านทิศเหนือ (north side dial)

 

                                                                         หน้าปัด (south side dial) ด้านทิศใต้

 

                                          ช่องแสดงเวลาเท่ากับ 15 องศา ต่อ 1 ชั่วโมง โดยมีเข็มนาฬิกาอยู่ที่ center และตั้งฉากกับหน้าปัด 

 

 

                                                                                     15 องศา ต่อ 1 ชั่วโมง  

 

                                                            จุด center ของเข็มนาฬิกา (gnomon) ต้องอยู่ที่ center ของหน้าปัด

 

 

                                                                    แสดงวิธีการติดตั้งนาฬิกาแดดชนิด Equatorial  

 

                                       ภาพตัวอย่างนาฬิกาแดดโบราณ ชนิด Equatorial ที่พระราชวังต้องห้ามกรุงปักกิ่ง ประเทศจีน

 

        ทำไมนาฬิกาแดดชนิดนี้จึงมีชื่อว่า Equatorial 

            คำตอบ เพราะถูกออกแบบให้ "หน้าปัด" (dial) ขนานกับเส้นศูนย์สูตรของโลก (Equator) ดังคำอธิบายในภาพต่อไปนี้

 

โรงเรียนวิถีธรรม ม.ราชภัฏสกลนคร ตั้งอยู่ที่พิกัดเส้นรุ้ง 17 องศาเหนือ

 

 

                                                       ไดอะแกรมแสดงภาพ "หน้าปัด" (dial) ขนานกับเส้นศูนย์สูตร (Equator)

 

ภาพการติดตั้งนาฬิกาแดดให้ "หน้าปัด" ขนานกับเส้นศูนย์สูตร จึงต้องทำมุมเอียงจากแนวดิ่ง 17 องศา

เพราะสถานที่ตั้งของโรงเรียนวิถีธรรม ม.ราชภัฏสกลนคร อยู่ ณ ตำแหน่งเส้นรุ้งที่ 17 องศาเหนือ

 

ช่วยกันติดตั้งนาฬิกาแดดและปรับมุมเอียงให้ได้ 17 องศา

 

ตัดกระดาษให้ได้มุม 17 องศา เพื่อช่วยในการติดตั้งหน้าปัดนาฬิกาแดด

 

ติดตั้งเสร็จเรียบร้อยแล้ว

 

แสดงภาพนาฬิกาแดดที่ประกอบเสร็จแล้ว มีมุมเอียงจากแนวดิ่ง 17 องศา

 

       นาฬิกาแดดชนิดนี้ทำงานอย่างไร

           เนื่องจากนาฬิกาแดดติดตั้งอยู่ที่พิกัดเส้นรุ้ง 17 องศาเหนือ และโคจรรอบดวงอาทิตย์พร้อมๆกับโลก มุมตกกระทบของแสงอาทิตย์ในฤดูร้อน (summer) ส่องทางด้านทิศเหนือ แต่มุมตกกระทบแสงอาทิตย์ในฤดูหนาว (winter) จะเปลี่ยนไปทางทิศใต้ ส่วนวันที่กลางวันเท่ากับกลางคืน (equinox) ดวงอาทิตย์จะอยู่ตรงกลางพอดี 

 

 

นาฬิกาแดด เคลื่อนที่ไปพร้อมกับโลก 

 

        เวลาของนาฬิกาแดด กับนาฬิกาข้อมือเท่ากันหรือไม่

            คำตอบ เวลานาฬิกาแดดเป็นเวลาจริง ณ สถานที่โรงเรียนวิถีธรรม เส้นรุ้งที่ 17 องศาเหนือ ซึ่งในแต่ละฤดูตำแหน่งดวงอาทิตย์จะเปลี่ยนมุมไปตามการโคจรของโลกมีผลให้มุมตกกระทบของแสงอาทิตย์เปลี่ยนไปอย่างต่อเนื่อง แต่เวลาของนาฬิกาข้อมือเป็นการเฉลี่ยคงที่ให้ทั้งประเทศมีเวลาเท่ากันโดยไม่ต้องคำนึงถึงฤดูกาล ดังนั้นจึงต้องมีสมการที่เรียกว่า "Equation of Time" เป็นตัวช่วยสอบเทียบระหว่างเวลาของนาฬิกาแดดกับเวลาของนาฬิกาข้อมือ อนึ่งในบางช่วงของฤดูกาลนาฬิกาแดดกับนาฬิกาข้อมือก็มีโอกาสเท่ากัน เช่น ช่วงเดือนพฤษภาคม ต้นเดือนกันยายน และกลางเดือนธันวาคม 

           เหตุผลเชิงวิทยาศาสตร์

          1.นาฬิกาแดดแสดงเวลาที่แท้จริงของตามหลักดาราศาสตร์เฉพาะพื้นที่นั้นๆตามองศาเส้นรุ้ง แต่นาฬิกาข้อมือยึดเวลามาตรฐานตามข้อตกลง (Greenwich Mean Time) โดยประเทศไทยยึดพิกัด ณ เส้นแวง 105 E ที่ผาชนะได อ.โขงเจียม จ.อุลบราชธานี เป็นเวลาสากลทั้งประเทศไทย แต่ในความเป็นจริงดวงอาทิตย์ขึ้นที่ผาชนะได เร็วกว่าที่แหลมพรหมเทพจังหวัดภูเก็ต ณ เส้นแวง 98 E ประมาณ 28 นาที อย่างไรก็ตามคนภูเก็ตกับคนอุบลราชธานี ก็ต้องใช้เวลามาตรฐานเดียวกัน ยืนเคารพธงชาติเวลา 08:00 น. พร้อมกัน

         2.ตามหลักดาราศาสตร์ทุกพื้นที่บนโลกจะมีฤดูกาลทำให้ความยาวของกลางวันและกลางคืน มี 3 ลักษณะ กลางวันยาวกว่ากลางคืน กลางวันเท่ากับกลางคืน กลางวันสั้นกว่ากลางคืน แต่นาฬิกาข้อมือถือว่า กลางวัน 12 ชั่วโมง กลางคืน 12 ชั่วโมง

         ด้วยเหตุผลดังข้างต้น จึงต้องมีสมการเทียบเวลาระหว่างนาฬิกาแดด (solar time) V/S นาฬิกาข้อมือ (clock time)

  

 

          กร๊าฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างนาฬิกาแดด (solar time) กับนาฬิกาข้อมือ (clock time) จะเห็นได้ว่าช่วงเดือนมกราคม ถึง ต้นเดือนพฤษภาคม เวลาเที่ยงของนาฬิกาแดด (solar noon) ช้ากว่านาฬิกาข้อมือ เช่น solar noon วันที่ 15 กุมภาพันธ์ เท่ากับเวลา 12:18 น. ของ clock time (นาฬิกาแดดช้าไป 18 นาที) แต่เมื่อถึงช่วงวันที่ 7 - 20 พฤษภาคม นาฬิกาแดด (solar time) กับนาฬิกาข้อมือ (clock time) ตรงกันพอดี ที่ 12:00 น. จากข้อมูล "สมการแห่งเวลา" (Equation of Time) มีคำอธิบายได้ ดังนี้ 

              1. วันที่ 1 มกราคม ถึง 6 พฤษภาคม solar time ช้ากว่า clock time

              2. วันที่ 7 - 20 พฤษภาคม solar time = clock time พอดี โดย solar noon = 12:00 น.

              3. วันที่ 21 พฤษภาคม - 13 กันยายน solar time ช้ากว่า clock time

              4. วันที่ 14 กันยายน solar time = clock time

              5. วันที่ 15 กันยายน - 15 ธันวาคม solar time เร็วกว่า clock time

              6. วันที่ 17 ธันวาคม solar time = clock time

              7. วันที่ 18 - 31 ธันวาคม solar time เร็วกว่า clock time    

 

 

ต้นเดือนพฤศจิกายน นาฬิกาแดด (solar time) เร็วกว่านาฬิกาข้อมือ (clock time) ราวสิบกว่านาที

 

 

 2.นาฬิกาแดดชนิด Horizontal ที่เด็กๆเข้าไปยืนให้ตัวเองเป็น "เข็มนาฬิกา"

 

 

                                                  องศาของหน้าปัดนาฬิกาแดดชนิด Horizontal โดยเริ่มต้น 00 องศา ที่ 12:00 น.

 

                                           ระยะขีดที่พื้นให้เด็กๆเข้าไปยืนตามความสูงของแต่ละคน โดยเริ่มต้นวัดระยะจากจุด original 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                            นาฬิกาแดดขนาดยักษ์ที่สามารถใช้ Drone ถ่ายรูปจากระยะสูง

 

 

 

 

 

 

วิธีหาทิศเหนือแท้โดยใช้เงาดวงอาทิตย์

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

การทำ shadow plot ต้องการพื้นเรียบและระนาบกับพื้นโลก หากพื้นที่วงกลมเป็นสนามหญ้าย่อมไม่สะดวก ก็สามารถเลื่อนมาทำบนพื้นคอนกรีต เมื่อได้แนวทิศเหนือแล้วก็โยงเข้าไปหาตำแหน่งที่ต้องการโดยวิธเรขาคณิต 

 

          "การทำ shadow plot เพื่อหาแนวทิศเหนือแท้ ควรทำในช่วงระหว่างเดือน พฤศจิกายน - มกราคม เพราะเส้น curve of shadow ชัดเจนและอากาศไม่ร้อน แต่ถ้าหลุดจากนี้ไปแล้ว ก็ต้องรอให้ถึงวันที่ 20 - 22 มีนาคม curve of shadow จะเป็นเส้นตรงก็หาทิศเหนือง่ายเช่นกัน" 

           คุณครูอ้อย แห่งโรงเรียนวิถีธรรมรับอาสาทำ shadow plot โดยยืนตากแดดทุกๆ 5 นาที ตั้งแต่เวลา 09:00 น. จนถึง 15:00 น. ทำให้สามารถติดตั้งนาฬิกาแดดได้ตรงกับทิศเหนือแท้  

 

  

คุณครูอ้อยอาสายืนตากแดดทำ shadow plot เพื่อหาตำแหน่ง "ทิศเหนือแท้" (true north)  

 

 

Shadow plot โดยใช้ตาปูเป็นอุปกรณ์ทำให้เกิดเงาดวงอาทิตย์

 

เมื่อได้ curve ของเงาดวงอาทิตย์ตั้งแต่ 09:00 - 15:00 ก็สามารถค้นหาทิศเหนือแท้ได้อย่างง่ายดาย

 

 ผลการทำ shadow plot สามารถหาทิศเหนือแท้ (true north) ได้อย่างง่ายดาย 

 

 

 

Question

             ทำไมนาฬิกาแดดของแต่ละประเทศจึงมีมุมเอียงไม่เท่ากัน 

 

 

ถ้าเอาไม้ปักตั้งฉาก ณ ขั้วโลกเหนือ เงาของไม้จะเปลี่ยนไปชั่วโมงละ 15 องศา 

 

โลกจึงสามารถทำหน้าที่เป็นนาฬิกาแดด

 

 

ส่วนนี้ของโลก ...... กลายเป็นนาฬิกาแดด

 

เราจึงผลิตอุปกรณ์ให้มีลักษณะเดียวกันโดยเลียนแบบโลก

 

 

เอาไปตั้งไว้ที่ขั้วโลกเหนือ

 

ทดลองเอาไปตั้งไว้ที่เส้นศูนย์สูตร

ทดลองเอาไปตั้ง ณ เส้นรุ้ง 17 องศา อ.เมืองสกลนคร 

 

นี่คือนาฬิกาแดดที่ อ.เมืองสกลนคร  

 

 

หลักการของนาฬิกาแดด ณ เส้นรุ้ง 17 องศา เหนือ

 

มุมตกกระทบของแสงอาทิตย์ต่อนาฬิกาแดดเปลี่ยนไปตามฤดูกาล

 

เงาของตัวนาฬิกาแดดในปรากฏการณ์ "วิษุวัต" (Equinox) มุมตกกระทบของแสงอาทิตย์ ณ "เที่ยงสุริยะ" (solar noon) ตรงกับมุมเอียงของนาฬิกาแดด ณ เส้นรุ้ง 17 N 

 

นาฬิกาแดดเคลื่อนที่ไปพร้อมๆกับโลกและรับ "มุมตกกระทบของแสงอาทิตย์" ด้วยองศาเดียวกัน 

 

แสดงมุมตกกระทบของแสงอาทิตย์ในฤดูร้อนและฤดูหนาว โปรดสังเกตุแสงอาทิตย์จะตกที่ด้านทิศเหนือของนาฬิกาแดดในฤดูร้อน และตกกระทบด้านทิศใต้ของนาฬิกาแดดในฤดูหนาว 

 

 

นาฬิกาแดดทำมุมเอียงจากแนวดิ่งเท่ากับองศาของเส้นรุ้ง ณ สถานที่นั้นๆ แต่ทั้งหมดนี้ต้องขนาดกับเส้นศูนย์สูตร (equator) 

 

 มุมเอียงของนาฬิกาแดดขึ้นอยู่กับองศาเส้นรุ้ง ณ สถานที่นั้นๆ ในภาพนี้ นาฬิกาแดดที่มหานครลอนดอน เอียง 51 องศา นาฬิกาแดดที่เมืองโอมาฮ่า รัฐไอโอว่า สหรัฐอเมริกา เอียง 41 องศา นาฬิกาแดดที่โรงเรียนวิถีธรรม สกลนคร เอียง 17 องศา