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Meridian-Anzeiger
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Die Erfindung betrifft einen Meridian-Anzeiger nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 und insbesondere eine Sonnenuhr, mit der der ETimmelspol
und der wahre tiord-Meridian oestimmt werden kann.
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Bei der Navigation und im Bauwesen ist die Beleuchtung mit Sonnenlicht
oft bedeutsam, und die Richtung des Sonnenlichtes steht in direkter Beziehung zum
wahren Nord-Meridian.
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Wenn ein genauer wahrer Nord-Meridian angegeben werden soll, kann
die Verwendung eines herkömmlichen Magnetkompasses selbst dann, wenn die exakte
Abweichung des
Erdmagnetfeides bekannt ist, noch zu groben Fehlern
aufgrund lokaler Einsenvorkommen führen, wie z. B. Eisenbeton-Dauten, Schienen ftir
E:isenbahn- oder Untergrundbahnlinien und Viadukten aus Eisen.
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Weiterhin ist die Ermittlung der wahren Nordrichtung fr die Navigation
seit dem Beginn der historischen Langstrecken-Land- und -Seereisen wichtig.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Anzeiger zur Bestimmung des wahren
Nord-Meridians aufgrund eines verbesserten 'onnenuhrprinzips anzugeben.
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Eine Horizontal-Sonnenuhr gibt die wahre Sonnenzeit nur dann an,
wenn ihr Stab zum Himmelspol gerichtet ist.
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Umgekehrt ist der Stab der Sonnenuhr genau zum Himmelspol gerichtet,
wenn die Sonnenuhr so angeordnet ist, daß sie genau die wahre Sonnenzeit anzeigt.
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Die Erfindung macht hiervon Gebrauch und gibt eine Horizontal-Sonnenuhr
mit im wesentlichen abstandsgleichen Stundenmarken an, so daS die Sonnenuhr genau
Standardzeit zeigt, wenn eine einfache Korrektur für georgraphische Breite, georgraphische
Lange una Zeitgleichung durchgeführt wird. Damit ist die Sonnenuhr zur Ermittlung
der Richtung des wahren Nord-Meridians geeignet, vorausgesetzt, daß sie so angeordnet
ist, daß der Schatten der tabplatte genau die Ncrmalzeit anzeigt.
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Außerdem soll ein Anzeiger für den wahren Ntrd-Meridian mit einer
Sonnenuhr angegeben werden, die vom frühen Morgen bis zum späten EJachmittag im
wesentlichen die gleiche Genaugikeit hat.
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Zur Bestimmung der wahren Nordrichtung während der T&-geszeit,
z.
B. auf einem Schiff auf dem Ozean, sind gewöhnlich komplizierte Berechnungen mit
Daten erforderlich, die durch astronomische Beobachtung erhalten werden, wenn ohne
Magneten arbeitende Kreiselkompasse und Funk-Navigationsanlagen nicht verfügbar
sind.
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Der erfindungsgemäße Merdian-Anzeiger, der das Sonnenuhrprinzip ausnützt,
zeigt direkt die Richtung ohne komplizierte Berechnungen an. Der Meridian-Anzeiger
verwendet den Schatten einer Stabplatte, der auf ein Zifferblatt geworfen wird,
das mit abstandsgleichen Skalen ausgestattet ist.
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Diese genaue Richtungsbestimmung ist für die astronomische Beobachtung
völlig neuartig.
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Die Bestimmung des Meridians mit einer Magnetnadel ist immer mit
einem Fehler von 5 bis 100 behaftet. Bei der Erfindung beträgt die Winkelentfernung
der Skalenmarken entsprechend einer Stunde ungefähr 12051. Deshalb ist die Entfernung
entsprechend einer Minute ungefähr 1'. Wenn die Breite der Stabplatte 16 cm beträgt,
so ist es einfach, die Zeit vom Schatten der Stabplatte auf dem Zifferblatt mit
einem Fehler kleiner als 1 Minute zu lesen.
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Versuchsergebnisse zeigen, daß ein Fehler von 0,50 bei der Richtungsbestimmung
auftritt, wenn der Zeitfehler auf dem Meridian-Anzeiger eine Minute beträgt. Daher
ist es nicht schwierig, die Richtung mit einem Fehler kleiner als 0,50 zu bestimmen,
wenn diese Bestimmung mit normaler Sorgfalt ausgeführt wird.
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Nach der Ermittlung der wahren Nordrichtung mit der in der Fig. 1
dargestellten Sonnenuhr ist es auch möglich, die Abweichung des Erdmagnetismus zu
messen.
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Die Sonnenuhr der Fig. 1 zeigt bei genauer Anordnung die richtige
Zeit, wenn die Himmelspolrichtung bekannt ist.
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Umgekehrt kann die gleiche Sonnenuhr als Meridian-Anzeiger verwendet
werden, wenn die wahre Sonnenzeit genau bekannt ist. Voraussetzung ist jedoch, daß
die Sonne am Himmel scheint.
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Der erfindungsgemäße Meridian-Anzeiger hat also: eine Grundplatte,
eine geneigte Platte in einem gewählten Winkel zur Grundplatte, eine mit Stundenmarken
versehene gewölbte Platte, eine Einrichtung, die die gewölbte Platte auf der geneigten
Platte drehbar lagert, eine rechteckförmige Stabplatte, eine Einrichtung, die eine
erste Kante der Stabplatte in vorgewähltem Winkel zur geneigten Platte lagert, eine
Einrichtung, die die Grundplatte in einem gewählten Winkel bezüglich einer horizontalen
Ebene schwenkt, eine gewichtsbelastete Fadeneinrichtung (Pendel) an einer zweiten
Kante der Stabplatte, die parallel zur ersten Kante ist, eine Öffnung in der geneigten
Platte, die so angeordnet ist, daß die gewichtsbelastete Fadeneinrichtung dort hindurch
verläuft, eine Skala für die geographische Breite abgesetzt auf der geneigten Platte
und neben der gewichtsbelasteten Fadeneinrichtung, wenn diese durch die Öffnung
verläuft,
eine Zeitgleichung-Korrekturskaia auf der gewölbten Platte,
und eine Skala fjjr die geographische Länge auf der geneigten Platte neben der Zeitgleichung-Korrekturskala,
wobei die gewölbte Platte Stundenmarken aufweist, so daß, wenn eine dritte Kante
der Stabplatte in die wahre Nordrichtung gerichtet ist, der Schatten der Sonne der
dritten Kante der Stabplatte genau auf eine Stundenmarke auf der gewölbten Platte
fällt, um die wahre Sonnenzeit anzuzeigen bzw. zu lesen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Anzeigers
für den wahren Nord-Meridian, Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der abstandsgleichen
Einteilung der Stundenzahlen auf der Sonnenuhr des Meridian-Anzeigers der Fig. 1,
und Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Korrektur des Meridian-Anzeigers der
Fig. 1 entsprechend der während des ganzen Jahres täglichen Änderung des Deklinationswinkels
der Sonne.
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In Fig. 1 ist an einer waagerechten Grundplatte 1 eine geneigte Platte
2 mit einem wählbaren Winkel p dazwischen angebracht. Auf der geneigten Grundplatte
2 ist eine Welle A befestigt, auf der eine gewölbte Platte 4 mit Stundenmarken drehbar
gelagert ist. Die Stundenmarken XII, I, II, III, IV, V und VI auf der linken Seite
der Platte 4 stellen die Zeit während der Morgenstunden dar, und auf ähnliche Weise
stellen die Stundenmarken auf der rechten Seite der Platte 4 die
Zeit
während der Nachmittagsstunden dar. Eine rechteckförmige Stabplatte 5 ist auf der
geneigten Platte 2 mit einem gewählten Winkel q zur geneigten Platte 2 vorgesehen.
Zur mechanischen Stabilität ist die Stabplatte 5 auf der geneigten Platte 2 mit
Streben 6, 6a gelagert dargestellt, die durch Öffnungen 7, 7a in der gewölbten Platte
4 verlaufen. Die linke Kante 5a der Stabplatte 5 wirft bei Ausrichtung zum Himmelspol
einen Schatten, um die Zeit auf den linken Stundenmarken auf der gewölbten Platte
4 anzuzeigen. Die rechte Kante 5b der Stabplatte 5 ist parallel zur linken Kante
5a und wirft bei Ausrichtung zum Himmelspol einen Zeitschatten auf die rechten Stundenmarken
auf der gewölbten Platte 4. Die Grundplatte 1 ist mittels Flügelschrauben 8, 8a
schwenkbar, die in die Grundplatte 1 geschraubt sind, so daß die Stabplatte 5 wahlweise
zur Erd-Horizontalebene geschwenkt werden kann. Der Winkel der Schwenkung der Platte
5 wird auf einer Skala 9 auf der geneigten Platte 2 gemessen, die nach der geographischen
Breite eingeteilt ist. Mit den Flügelschrauben 8, 8a wird der Winkel der Stabplatte
5 bezüglich des Erdhorizontes zur geographischen Breite des Ortes des Anzeigers
eingestellt. Neben der Skala 9 ist ein Schlitz oder Spalt 10 in der geneigten Platte
2. Ein gewichtsbelasteter Faden oder ein Lot bzw. Pendel 11 ist an einer Kante 5c
der Stabplatte 5 so befestigt, daß der Faden durch den Schlitz 10 verläuft und seine
vertikale Stellung auf der Skala 9 für die geographische Breite ablesbar ist. Eine
Öffnung 12 in der gewölbten Platte 4 erlaubt eine Drehung der Platte 4 auf der Welle
A ohne Störung mit der durch Schwerkraft ausgerichteten Stellung des Fadens 11.
Eine Skala 15 ist auf der gewölbten Platte 4 zur Korrektur für die Zeitgleichung
(vgl. unten) angeordnet, die durch den täglichen Winkel der Deklination der Sonne
verursacht wird, da sich diese während des ganzen Jahres ändert. Eine Skala 14 neben
der
Skala 15 ist auf der geneigten Platte 2 vorgesehen und entsprechend der geographischen
Länge eingeteilt. Die gewölbte Platte 4 ist wahlweise um die Welle A angeordnet
und in einer derartigen gewählten Stellung durch nicht dargestellte herkömmliche
Einrichtungen befestigt. Ein Magnetkompaß 15 kann vorgesehen sein, wenn nach der
genauen Ermittlung der wahren Nordrichtung mit dem erfindungsgemäßen Anzeiger die
Abweichung des Erdmagnetfeldes gemessen werden soll.
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In Tokio mit j,z0 nördlicher geographischer Breite ist es zweckmäßig,
den Winkel q (zwischen der Stabplatte 5 und der geneigten Platte 2) auf 450 und
den Winkel p auf 100 einzustellen, so daß der Winkel der Stabplatte 5, durch die
Schrauben 8, 8a eingestellt und durch den Faden 11 auf der Skala 9 ablesbar, einen
Wert von 550 hat. In Tokio mit einer geographischen Länge von 1400 sollte eine derartige
Marke auf der Skala 14 entgegengesetzt zur Zeitgleichung-Korrektur auf der Skala
15 angeordnet sein. Die Korrektur für die Zeitgleichung wird durch Änderung der
Deklination der Sonne während des Jahres verursacht, und derartige Korrekturen sind
in Fig. 5 in Minuten dargestellt.
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Um den erfindungsgemäßen An zeiger für eine allgemeine Verwendung
an jedem Ort auf der Erde in zweckmäßiger Weise einsetzbar zu machen, kann die geneigte
Platte 2 zur Grundplatte 1 geschwenkt werden, die Streben 6, 6a können zur Stabplatte
5 geschwenkt werden, und die Stabplatte 5 kann zur geneigten Platte 2 geschwenkt
werden.
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Die Fig. 2 erläutert, wie die Stundenmarken auf der gewölbten Platte
4 so bestimmt werden, daß die Winkelverschiebung zwischen benachbarten Stunden während
aller Stunden des Morgens und des Nachmittags im wesentlichen gleich bleibt.
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Bei einer herkömmlichen Sonnenuhr ist die Entfernung zwischen den
Stundenmarken XII, I, II, III, IV, V, VI usw.
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nicht abstandsgleich. Bekanntlich kann der Winkel a für die Stundeneinteilung
aus den folgenden Gleichungen berechnet werden: tan ai = sin s-tan ti (1) mit s
= geographische Breite, ti = Stundenwinkel der Sonne.
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Mit der geographischen Breite von 45° für Tokio ergibt sich die folgende
Tabelle.
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Tabelle 1 Winkel zwischen benachbarten Stundenziffern a12 = 0°0'
a1 = 10°43.7' 10°43.7' a2 = 22°12.5' 11°28.8' a5 = 55015.9? 1303.4' a4 = 50046.1'
15°)0.2' a5 = 69°14.8' 18028.7! a6 = 9000' 20045.2' Aus der Tabelle 1 folgt, daß
bei einer herkömmlichen Sonnenuhr die Entfernung zwischen den Stundenmarken V und
VI ungefähr doppelt so groß wie die Entfernung zwischen den Stundenmarken I und
II ist.
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Anhand Fig. 2 wird ein Verfahren erläutert, wie die Stundenmarken
im wesentlichen abstandsgleich gemacht werden können. Bei der Erfindung sollen die
Stundenmarken M, C, D, E, F, H und L nahezu gleiche Intervalle haben.
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Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, führt eine Linie VIOB vom Punkt
VI zu einem Punkt B durch 0, und eine Linie BAR verläuft senkrecht zu VIOB von B
aus. Ein Bogen LM hat einen Radius # und seine Drehmitte in A. Der Bogen LM schneidet
jeweils die Stundenlinien O-VI, O-V, O-IV, O-III, O-II, O-I und O-XII in L, H, F,
E, D, C und M. Nun gilt # RAM = #12, #RAC = #1, #RAD = #2, #RAE = #3 und ist allgemein
und zeigt die Stunde an.
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Die Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen a3 und Wenn eine Linie senkrecht
zu OE, die Linie für 3 Uhr, vom Mittelpunkt A durch J geführt wird, dann gilt: AO
= m, # AOB = ß AM-AC-AD-AE = e Bogenradius # MOC=a1, # MOD=a2, #MOE=a3 .....
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# RAM=#12, #RAC=#1, #RAD=#2, #RAE=#3 ....
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Daraus folgt: m cos (a3 ~ #) = sin (#3 - a3) = AJ, und allgemein
gilt: m cos (ai - ß) = l sin (#i - ai).
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Durch das Verfahren mit fortschreitenden Näherungswerten werden aus
den Gleichungen (1) und (2) Werte berechnet, die nahezu arithmetisch fortschreitende
Werte haben.
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Mit OB = 8,00 cm, BA = 4,00 cm und l = 17,89 cm hat nahezu gleiche
Differenzen, wie dies in Tabelle 2 angegeben ist.
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Tabelle 2 Winkel zwischen benachbarten Stundenziffern # = 26°33.9'
= 39028.8' 12°54.9' # = 52°6.8' 12°38.0' = 64053.1' 12046.5? = 77054.0' 1500.9?
= 90048.7? 12°54.7' # =102°55.3' * (12°6.6') uMittelwert 12051 aus 12°5.5'.
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Aus der Tabelle 2 folgt, daß der mittlere Unterschied für eine Stunde
12°51' zwischen 12 Uhr und 5 Uhr nachmittags und daß der Unterschied maximal 1)'
beträgt. Das Verhältnis zwischen diesem Wert und dem Mittelwert beträgt 1,7 % (13'/12°51').
Wenn daher die Punkte M, C, D, E, F ... als Zeitmarken angenommen werden, die jeweils
12 Uhr, 1 Uhr, 2 Uhr, 5 Uhr ... zeigen, dann ist die Entfernung zwischen benachbarten
Skalenpunkten nahezu gleich.
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Die Skalenlinien zwischen 6 Uhr und 12 Uhr morgens sind als Symmetriepunkte
bezüglich der Linie BR in Fig. 2 dargestellt.
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Erfindungsgemäß ist die in Fig. 1 dargestellte Sonnenuhr wie folgt
aufgebaut: Die Stabplatte 5 ist am Zifferblatt 4 mit einem Winkel von 450 befestigt.
Die Skalen auf dem Zifferblatt 4 werden in der oben erläuterten Weise bestimmt.
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Die Stundenmarken XII, I, II, III, IV, V, VI usw. (vgl.
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Fig. 1) sind entsprechend Fig. 2 und Tabelle 2 angeordnet.
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Die Stabplatte 5 ist mit einem Winkel von 45° an der geneigten Platte
2 befestigt. Die parallelen Seiten 5a und 5b der Stabplatte 5 verlaufen jeweils
durch 0 und durch 0'.
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In Fig. 2 ist O'B zu BO bezüglich BR symmetrisch. Weiterhin liegen
auch die Skalenpunkte für 6 Uhr vormittags und 6 Uhr nachmittags auf der Verlängerung
von 00'. Die Seiten 5a und 5b der Stabplatte werden parallel zur Erdachse, wenn
das Zifferblatt durch die Flügelschrauben 8, 8' auf einen Winkel (450 - p) (p sollte
in Tokio ungefähr bei 100 liegen) bezüglich der Horizontal-Ebene eingestellt wird,
wobei das südliche Ende des Zifferblattes höher als das nördliche Ende sein sollte.
Der gewichtsbelastete Faden 11 sollte auf der Skala 9 eine geographische Breite
von 550 angeben.
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In Fig. 1 erstreckt sich eine Linie entlang der Kante 5b der Stabplatte
5 in gleichen Abständen in beiden Richtungen vom Mittelpunkt B der Kante 5d zu den
Punkten 0 und 0' und endet danach bei den beiden Stundenmarken VI und VI. Ein Kreis
mit einem Radius C von A verläuft durch die beiden Enden dieser Geraden für den
Ort der Stundenmarken und entsprechend Fig. 2 und Tabelle 2.
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Demgemäß zeigt die durch die Stellung des Sonnenschattens der Kanten
5a und 5b der Stabplatte 5 dargestellte Zeit die wahre Sonnenzeit. Der Unterschied
zwischen der Normalzeit und der wahren Sonnenzeit beruht auf dem Unterschied der
geographischen Länge und der Zeitgleichung am Ort. Jedoch wird dieser Unterschied
von der Normalzeit leicht auf den Zifferblättern 15 und 14 korrigiert.
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L e e r s e i t e