นาฬิกาแดดโรงเรียนวิถีธรรม ม.ราชภัฏสกลนคร

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

กร๊าฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างนาฬิกาแดด (solar time) เส้นตรงสีดำ กับนาฬิกาข้อมือ (clock time) เส้น curve สีแดง

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

Learning from Sundial

Question

ทำไมนาฬิกาแดดของแต่ละประเทศจึงมีมุมเอียงไม่เท่ากัน และมีตัวเลขบนหน้าปัดนาฬิกาไม่เท่ากัน เช่น นาฬิกาแดดของโรงเรียนวิถีธรรมมีตัวเลข 06:00 am - 18:00 pm แต่นาฬิกาแดดที่ London UK and Omaha USA มีตัวเลข 03:00 am - 21:00 pm