Heliostat

En heliostat  är en anordning som kan rotera en spegel för att ständigt rikta solens strålar i en riktning, trots solens uppenbara dagliga rörelse. Heliostater har använts i solteleskop men har ersatts av den enklare coeloten .

En förbättrad anordning som användes för att observera andra himlakroppar, förutom solen, kallades en siderostat ( lat.  sideris  - genitivfall från lat.  sidus  - "himlakropp, stjärna" och andra grekiska στατός  - "stående, orörlig"). De enklaste siderostaterna användes redan på 1600-talet. Sedan 1700-talet har en klockmekanism använts för att rotera spegeln. [ett]

Hur det fungerar

För många experiment inom optik i det förflutna var det nödvändigt att passera en stråle av solljus som reflekterades från en spegel genom en serie instrument som noggrant placerades efter varandra på ett horisontellt bord eller en bänk. Men solen har en uppenbar kontinuerlig rörelse, som beskriver under sitt synliga dagliga varv runt världens axel PP' (se figur 1) en av himlaklotets små cirklar .

På dagarna för vår- och höstdagjämningarna sammanfaller denna cirkel med himmelsekvatorn BB' , vilket resulterar i att konen som beskrivs av strålen förvandlas till ett plan. Tvärtom, på sommaren och vintern, vid tidpunkten för solståndet , kommer dessa cirklar AA' och CC' att vara de minsta, och konerna som beskrivs av strålarna kommer att vara de skarpaste. I enlighet med en sådan rörelse av solstrålen under den dagliga rörelsen av denna armatur, arrangerades "heliostater" - anordningar där urverket roterar spegeln på ett sådant sätt att strålen som reflekteras från den behåller sin ursprungliga riktning under lång tid .

Heliostatens historia och varianter

Den första heliostaten byggdes, enligt Poggendorf , i mitten av 1600-talet av en medlem av den florentinska akademin "del Cimento" Borelli , i samband med experiment på ljusets hastighet , utförda av denna akademi.

Den enklaste heliostaten i teorin arrangerades av Fahrenheit under första kvartalet av 1700-talet. I den vände klockmekanismen spegeln runt en axel som var parallell med världens axel, med en hastighet av ett varv per dag . Om spegeln är så lutad mot rotationsaxeln att solstrålen reflekteras parallellt med denna axel när heliostaten sätts i rörelse, så är det uppenbart att under hela dagen kommer denna riktning av den reflekterade strålen att förbli oförändrad, även om andra dagar, när solens deklination ändras avsevärt, kommer det att vara nödvändigt redan en annan lutningsvinkel för spegeln till axeln. Denna heliostat visade sig vara obekväm, eftersom strålen, riktad underifrån och uppåt, längs världens axel, måste föras in i en horisontell riktning med hjälp av en andra reflektion, åtföljd av en ny ljusförlust. Designen av Fahrenheit-heliostaten förbättrades av Fraunhofer , och runt 1860 arrangerade Monkgoven sin stora heliostat för fotografiska förstoringar på samma princip, och han placerade sina instrument snett för att undvika sekundär reflektion.

Den andra när det gäller enhetens enkelhet bör betraktas som heliostaten i Litrov (augusti, Hartnack), där spegelplanet är parallellt med världens axel och rotation sker runt samma axel med en halvvarvshastighet på 24 timmar. På dagjämningsdagarna, när solen rör sig längs ekvatorn , kommer strålen som infaller på heliostatspegeln och vinkelrät mot denna spegels plan vid infallspunkten båda att vara inneslutna i ekvatorns plan, så att den reflekterade strålen förblir i samma plan. När du installerar enheten kan du vrida spegeln så att den reflekterade strålen blir horisontell; men i detta fall kommer den att vara riktad mot punkten i väster eller mot punkten i öster, eftersom längs denna linje skär horisonten med ekvatorns plan. Den reflekterade strålen kommer inte att ändra riktning under dygnsrörelsen om spegeln roterar i samma riktning som solen, men med halva hastigheten. Efter att ha vridit spegeln MM till vinkeln NON` , (se figur 2) , kommer reflektionsvinkeln RON att minska med NON` ; infallsvinkeln SON` måste minska lika mycket så att den reflekterade strålen bibehåller samma riktning OR , därav SOS=2NON` .

Andra dagar kommer solen att beskriva små cirklar på himmelssfären, och den infallande strålen kommer att förbli på ytan av en kon som har en av dessa cirklar vid sin bas och sin spets i mitten av himlaklotet. En stråle som reflekteras från en fast spegel parallell med världsaxeln kommer att beskriva exakt samma kon, men placerad symmetriskt på andra sidan av ekvatorialplanet. Så på dagen för solståndet kommer denna reflekterade stråle att beskriva konen som den infallande strålen beskriver vid vintersolståndet, och vice versa. För varje dag kommer det att finnas två riktningar i vilka den reflekterade strålen är horisontell; de kommer att riktas till punkterna för solnedgång och soluppgång på dagen så långt från vintersolståndet som observationsdagen är från sommaren. Och här kommer den reflekterade strålen att ha en konstant riktning om spegeln roterar jämnt med en hastighet av ett halvt varv på 24 timmar; detta kan bevisas på basis av strålbanans fullständiga symmetri med avseende på ekvatorns plan. Uppenbarligen är Litrovs heliostat också ganska obekvämt, eftersom man inte kan godtyckligt välja riktningen för den horisontella strålen; å andra sidan är dess mekanism inte svår att utföra bra och den kan ge en mycket mjuk rörelse.

Av de många heliostaterna som gör det möjligt att ta emot en stråle av solljus som reflekteras i vilken horisontell eller lutande riktning som helst, visade sig bara Silberman- och Foucault- enheterna vara praktiska . När riktningen för den reflekterade strålen ges räcker det att rikta vinkelrät mot spegelns plan så att den hela tiden delar vinkeln mellan denna riktning och den infallande strålen, och problemet med heliostaten kommer att lösas. Men eftersom rombens diagonal delar de vinklar genom vilka den dras, med vilken lutning som helst på sidorna, kan denna användas för heliostaten, som Zilberman gjorde. Spegeln tt (se figur 3) på hans enhet är integrerad med diagonalen μf vinkelrät mot dess plan för den fogade fyrhörningen αμef , vars sida αμ är riktad parallellt med den infallande strålen soc , och sidan μe  är riktad parallellt med den reflekterade oR .

Klockmekanismen placerad i lådan H roterar hela bågen cs runt axeln F , parallellt med kulans axel, och ramarna som stöder spegeln roterar runt axlarna Co och eller ; därför förblir normalen på spegeln i sig själv alltid i båda strålarnas plan, och rörelsen fortsätter fritt under hela dagen, från soluppgång till solnedgång. Med hjälp av en båge ställs axelns lutning in enligt observationsplatsens latitud , sedan skruvas cs med skruv D så att pekaren är på divisionen som anger observationsmånad och dag, och på andra ytan av denna båge, kommer verniern att visa motsvarande deklinationsvinkel för solen. Sedan återstår att ställa in pilen på den explosiva ratten till den verkliga observationstiden, starta mekanismen och rotera hela enheten runt den vertikala axeln av dess bas tills strålen som passerar genom sikthålet s faller på mitten av plattan p . Du kan rikta den reflekterade strålen till önskad plats genom att flytta bågen rr' och vrida dess plan runt världsaxeln med hjälp av skruvarna A och E. Den otillräckliga styrkan hos delarna av Zilberman-heliostaten, delvis hängande på urverkets huvudaxel, och de små dimensionerna på guidefyrkanten tillåter inte placeringen av en stor spegel och stör den fullständiga korrekta rörelsen. I Foucault-heliostaten (se figur 4) vilar spegeln på ett speciellt, starkt stativ och kan därför tas i vilken storlek som helst.

Klockmekanismen i ruta B roterar runt axeln, som är inställd parallell med världens axel, staven AOC , som kan riktas parallellt med solens strålar med hjälp av bågen f , urtavlan och siktanordningen, arrangerad som i Silbermann heliostat: själva spegeln är utrustad med en "svans" EC , riktad normalt mot sitt plan . Denna svans är en med en cirkel som roterar runt den horisontella axeln i förhållande till gaffeln, som i sin tur roterar fritt runt den vertikala axeln H. Således kan spegeln rotera runt punkten E i alla riktningar; dessutom roterar den i sitt eget plan relativt cirkeln och svansen. Centrum O av bågen f måste vara placerat på samma vertikala linje som centrum av cirkeln KL , och längden OE måste vara exakt lika med avståndet OS . I detta fall kommer ECE-triangeln att förbli likbent under hela urverkets rörelse och för alla möjliga positioner för spegelns bas på cirkeln KL ; därför kommer infallsvinkeln SEN att förbli lika med reflektionsvinkeln NER och den reflekterade strålen ER kommer inte att ändra sin initiala position. Slitsplattan som omger änden A av SOA- staven och fäst vid spegeln har till syfte att rikta den största längden av den senare parallellt med strålarnas reflektionsplan för att bibehålla en tillräcklig bredd på den reflekterade ljusstrålen. På S: t Petersburgs latitud fungerar båda heliostaterna som beskrivits ovan tillfredsställande endast på sommaren; men på vintern stiger solen så litet över horisonten att deras mekanismer antingen inte alls kan bringas i rätt läge eller så börjar de verka felaktigt, eftersom i ledsystem den oundvikliga gapet i lederna och glidpunkterna har störst inflytande på elementens läge när dessa senares riktningar skär varandra i små vinklar. Mekanismen som håller strålen från armaturen i en konstant riktning kan också användas för att observera denna armatur istället för de självgående installationerna av teleskop som används av astronomer. En sådan anordning, kallad siderostat , implementerades vid olika tidpunkter av Fizeau och Foucault , Lossed och Mongoven, men utan framgång. Tack vare Foucaults arbete har man hittat metoder för att få helt regelbundna glasspeglar, försilvrade på den yttre ytan och inte förvränga den reflekterade bilden medan spegeln är i vila; men den bävan som urverkets rörelse åstadkommer förstör det hela. Ersättningen av ett vanligt urverk med ett escapement, vilket ger en jämnt periodisk rörelse och används i en heliostat, med en mekanism med en Foucault-regulator för jämn, enhetlig rörelse, hjälpte inte heller mycket. Den bästa siderostaten var Tollons handhållna heliostat, tillverkad av Gauthier, där en stor vanlig spegel sattes i rörelse kring en vertikal och horisontell axel, med hjälp av ändlösa skruvar och snören, av betraktaren själv.

Se även

• solenergi koncentrator
• celostat

Anteckningar

1. ↑ Siderostat // Great Soviet Encyclopedia (tredje upplagan)

Länkar

• Heliostat // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.

Ordböcker och uppslagsverk	Stor katalanska Stor norsk Stor ryss Great Soviet (1 upplaga) Brockhaus och Efron Litet Brockhaus och Efron Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	GND : 4619414-9