6 NAŠA SLNEČNÁ SÚSTAVA JE VEĽMI MALOU ČASŤOU JEDNEJ Z MILIÁRD GALAXIÍ VO VESMÍRE

Meranie času

Čas je jednou zo základných fyzikálnych veličín. Ovplyvňuje ľudský život od pradávna a ľudia sú si plynutia času vedomí už od doby, kedy si začali vedome všímať svoje okolie. Čas sa od ostatných základných fyzikálnych veličín líši, a to tým, že jeho plynutie je len jednosmerné. Z hľadiska fundamentálnych fyzikálnych teórii, akými je napríklad všeobecná teória relativity, má čas ešte ďalší, omnoho všeobecnejší význam – odraz invariantnosti časopriestoru voči posunu v čase sa prejavuje kľúčovým prírodovedeckým zákonom, zovšeobecneným zákonom zachovania energie. Ak sa pozrieme na čas očami kvantovej mechaniky, pozorujeme čas iný, než aký popisuje klasická fyzika. Čas je kvantovaný v maličkých zrniečkach, kvantoch s veľkosťou 10 –35 s, ako popísal významný nemecký fyzik prelomu 19. a 20. storočia Max Planck. Ešte pozoruhodnejšie je, že čas má svoj neprekročiteľný počiatok, okamih, v ktorom čas vznikol spoločne s celým vesmírom. Tento okamih nazývame Veľký tresk (Big Bang). Či má čas taktiež svoj koniec, to je opäť spojené s existenciou celého vesmíru. Ak má vesmír svoj koniec, ak končí ohromným kolapsom zvaným Veľký krach (Big Crunch), skončí s ním aj čas.

Vnímanie času

Ako je uvedené vyššie, čas patrí k fyzikálnym veličinám, ktorých existenciu si človek začal uvedomovať najskôr. Prvé vnímanie plynutia času súvisí s vnímaním pravidelného striedania dňa a noci. Príčina tohto javu, teda rotácie Zeme okolo svojej osi(postupné osvetľovanie rôznych miest na Zemi slnečným žiarením) však bola odhalená omnoho, omnoho neskôr. Druhý časový interval, ktorý si ľudia začali uvedomovať, bolo postupné striedanie jednotlivých fáz Mesiaca. Aj tu vnímanie existencie fáz Mesiaca veľmi výrazne predchádzalo pochopeniu príčin ich vzniku.

Jednotky času

Veľmi zjednodušene môžeme konštatovať, že prvými jednotkami času, ktoré človek začína registrovať, je deň a mesiac. Existencia týchto jednotiek umožňuje konštruovať dlhodobejšie časové intervaly, z ktorých je najtypickejší rok. Aká je dĺžka roka a ako súvisí s dĺžkou dňa a mesiaca, to je otázka, ktorú rieši kalendár, resp. kalendáre. Otázkou kalendárov sa venujeme v jednej z nasledujúcich kapitol, kde rozoberáme podstatu kalendárov, ich historický vývoj i to, ako tvorbu kalendárov ovplyvňovali postupne sa zlepšujúce poznatky o vesmíre a procesoch v ňom prebiehajúcich vrátane návrhu, ako tieto poznatky začleniť do školskej či mimoškolskej výučby pre deti vo veku 7 – 10 rokov.

Ak je kalendár prostriedkom na zaznamenávanie dlhších časových intervalov, je zrejmé, že postupom vývoja ľudskej civilizácie sa ľudia začínajú zaujímať takisto o určovanie časových intervalov kratších ako jeden deň, a to s rastúcou potrebou presnosti. V oboch odboroch merania časových intervalov je základným etalónom príroda, najčastejšie vo forme astronomických procesov, ktoré meranie času determinujú a správnosť metód merania taktiež jednoznačne potvrdzujú (či naopak vylučujú). Tak, ako postupuje poznanie astronomických procesov, zlepšuje sa aj presnosť overenia metód merania času.

Meranie času

Pri meraní času a jeho transformácii do výučbových metód je dôležité rozlišovať dva základné typy merania. Jedným je meranie toho, „koľko je hodín“, kde sme zvyknutí používať najrôznejšie druhy hodín či hodiniek, v minulosti sa v tomto zmysle najčastejšie používali rôzne druhy slnečných hodín, druhým je meranie dĺžky časového intervalu, teda meranie toho, „ako dlho daný jav trval“. Tu síce takisto môžeme použiť hodiny či hodinky, zaznamenať začiatok a koniec javu a z rozdielu týchto hodnôt určiť dobu trvania javu, veľmi často sa však v týchto prípadoch používajú špeciálne časomerné zariadenia, akými sú najmä stopky, skorej napríklad presýpacie, vodné, sviečkové či ďalšie hodiny. K transformácii procesu merania času sa veľmi hodí pripomenutie historických meradiel času, ako je uvedené v predchádzajúcom odseku, je však nutné poznať systémové obmedzenie jednotlivých meradiel, resp. metód merania času.

Rok a mesiac

Z astronomického hľadiska je základným etalónom jeden rok, ktorý je daný obehom Zeme okolo Slnka. Astronómovia rozlišujú niekoľko definícií roka spojených s rôznou vzťažnou sústavou. Z nich sú najvýznamnejší tropický rok (používaný najčastejšie v bežnom živote a naviazaný na kalendár), siderický rok a anomalistický rok.

Tropický rok je definovaný ako doba medzi dvomi prechodmi Slnka jarným bodom (jarný bod je priesečníkom ekliptiky, teda pomyselnej trajektórie Slnka na nebeskej sfére, s nebeským, čiže svetovým rovníkom, v ktorom sa Slnko nachádza na začiatku jari). Trvá 365,242 192 129 dňa (365 d, 5 h, 48 min, 45 s). Je to perióda, s ktorou sa striedajú v miernom zemepisnom pásme ročné obdobia.
Siderický rok (tiež hviezdny rok) je doba, za ktorú obehne Zem okolo Slnka vzhľadom k vzdialeným hviezdam. Trvá 365,256 363 051 dňa (365 d, 6 h, 9 min, 9 s).
Anomalistický rok je doba, ktorá uplynie medzi dvomi prechodmi Zeme príslním, čiže perihéliom (bod, kedy je Zem behom roka najbližšie k Slnku). Trvá 365,259 635 864 dňa (365 d, 6 h, 13 min, 53 s).

Podobne je taktiež mesiac možné definovať rôzne. Pre kalendárne účely sa používa mesiac synodický, popisujúci zmeny tvaru mesačného kotúča z pohľadu pozorovateľa zo Zeme. Jeho dĺžka predstavuje 29,530 588 853 dňa. Siderický mesiac je doba obehu vzťahujúca sa k vzdialeným hviezdam s dĺžkou 27,321 661 547 dňa. Tropický mesiac sa vzťahuje k jarnému bodu a trvá 27,321 582 241 dňa, anomalistický mesiac je doba obehu mesiaca voči perigeu s dĺžkou 27,554 549 878 dňa a drakonický mesiac sa vzťahuje k výstupnému uzlu mesačnej dráhy (ide o priesečník trajektórie stredu mesačného kotúča na nebeskej sfére s nebeským, čiže svetovým rovníkom, v ktorom sa mesačný kotúč dostáva severne (teda „nad“) od nebeského, čiže svetového rovníka a jeho dĺžka predstavuje 27,212 220 817 dňa.

Z pohľadu merania času ako témy pre školské či mimoškolské vzdelávanie sú významnejšie kratšie časové jednotky. Základnou jednotkou času je sekunda, ktorá je definovaná ako doba trvania 9 192 631 770 periód žiarenia, ktoré zodpovedá prechodu medzi dvomi hladinami veľmi jemnej štruktúry základného stavu atómu 133 Cs. Ďalšími jednotkami sú potom jednotky odvodené v rámci šesťdesiatkovej sústavy: minúta (1 min = 60 s), hodina (1 h = 60 min = 3 600 s) a deň (1 d = 24 h).

Slnečné hodiny

Ako je uvedené vyššie, základným meradlom času, v zmysle „koľko je hodín“, sú slnečné hodiny. Aj keď existuje viacej typov slnečných hodín, najčastejšie ukazujú slnečné hodiny čas tak, že tieň vrhnutý tyčkou dopadá na ciferník so stupnicou slnečných hodín. Tyčka je podľa svojej polohy vzhľadom k ciferníku označovaná ako gnómon(tyčka je kolmá k rovine ciferníka), alebo ako polos(tyčka má smer rovnobežný so zemskou rotačnou osou).

Čas meraný slnečným hodinami je odvodený od pohybu slnečného kotúča po oblohe. Tento čas označujeme ako pravý slnečný čas a ide o čas, ktorý je síce blízky tomu, ktorý máme na hodinách či hodinkách, ale napriek tomu sa od tohto času líši.

Hlavné príčiny odlišností sú tri:

V občianskom živote používame stredný slnečný čas, teda čas, ktorý na rozdiel od pravého slnečného času beží rovnomerne. Nerovnomerné plynutie pravého slnečného času je spôsobené tým, že sklon zemskej osi voči ekliptike (rovine obehu Zeme okolo Slnka) je 66,5° a navyše sa Zem okolo Slnka nepohybuje po kružnici, ale po elipse. Vďaka tomu sú pravé slnečné dni rôzne dlhé: najkratší pravý slnečný deň je na prelome júna a júla, kedy Zem prechádza najvzdialenejším bodom svojej trajektórie, odslním alebo aféliom. Naopak, najdlhší pravý slnečný deň je na prelome decembra a januára, kedy Zem prechádza najbližším bodom svojej trajektórie, príslním alebo perihéliom. Stredný slnečný čas je „spriemerovaný“ slnečný čas, ktorého všetky dni sú rovnako dlhé. Rozdiel medzi pravým a stredným slnečným časom sa počas roka mení, najväčšie rozdiely dosahuje v polovici februára a začiatkom novembra, a to približne 15 minút.
V občianskom živote používame pásmový čas, čo je v prípade Českej a Slovenskej republiky aj v prípade Spolkovej republiky Nemecko stredný slnečný čas zodpovedajúci 15. poludníku východnej šírky. Na miestach, ktoré sú západne od tohto poludníka, je hodnota pravého slnečného času menšia, a to o 4 minúty na každý stupeň zemepisnej dĺžky. Obdobne na miestach východne od 15. poludníka je pravý slnečný čas väčší (znovu o 4 minúty na každý stupeň zemepisnej dĺžky).
V občianskom živote používame od konca marca do konca októbra letný čas, ktorý je o hodinu väčší než stredoeurópsky čas.

S týmito odlišnosťami musíme počítať pri stavbe slnečných hodín. Na druhej strane vedomie týchto principiálnych rozdielov medzi pravým a stredným slnečným časom umožňuje podrobnejšie vysvetliť uvedené prírodné javy aj ich dôsledky. Najjednoduchším spôsobom je možné „kompenzovať“ tretiu uvedenú odlišnosť (letný čas): stupnicu je možné doplniť ešte jednou stupnicou s hodnotami letného času. Takisto druhá odlišnosť stredného a pravého slnečného času (zemepisná šírka) znamená konštantný posun stupnice. Je však možné kompenzovať aj prvú odlišnosť, postupnú zmenu rozdielu medzi pravým a stredným slnečným časom spôsobenú sklonom zemskej osi a eliptičnosťou trajektórie Zeme. V tom prípade nebude ukazovateľ daného času na stupnici slnečných hodín úsečka, ale krivka v tvare „osmičky“. Takéto slnečné hodiny je možné skutočne na niektorých miestach vidieť, ich konštrukcia je však omnoho náročnejšia a pre školské účely nevhodná.

Niektoré slnečné hodiny môžu na konci tyčky obsahovať okrúhle zakončenie, nazývané nód. Obvykle potom takéto slnečné hodiny na ciferníku obsahujú okrem stupnice ešte ďalšie krivky, ktoré vyznačujú dĺžku tieňa v rôznych významných dňoch v roku, napríklad v dňoch rovnodennosti a slnovratu (v deň slnovratu tieň nódu dopadá presne na krivku slnovratu). Potom môžu slnečné hodiny okrem času v zmysle „koľko je hodín“ ešte zhruba ukazovať, „ktorý je asi mesiac v roku“. Je nutné priznať, že toto označenie je dosť nepresné a pri väčšine mesiacov nejednoznačné (z dĺžky tieňa je možné obvykle určiť len dvojicu príslušných mesiacov v roku).

Meranie intervalu

Prístroje na meranie doby trvania toho, „ako dlho daný jav trval“, sú pre školskú demonštráciu rovnako veľmi vhodné. Je možné využiť originálne meracie prístroje, ale ešte vhodnejšie sú prístroje vyrobené samotnými žiakmi. Najvhodnejšie na takúto výrobu sú presýpacie hodiny a vodné hodiny(ľahko realizovateľné sú samozrejme aj sviečkové hodiny, avšak v podmienkach žiakov do 10 rokov je najmä vo väčších skupinách vysoké nebezpečenstvo poškodenia či úrazu).

Presýpacie hodiny

Pri presýpacích hodinách je dôležité využitie čo najpravidelnejších častíc piesku.Najlepší v tomto smere je piesok riečny vystavený dlhodobému pôsobeniu vody, kde sa jednotlivé čiastočky pôsobením vodnej erózie a interakcií s ďalšími čiastočkami obrusujú a nadobúdajú pravidelný, takmer okrúhly tvar. Pred použitím je vhodné piesok ešte preosiať cez sitko, aby sa eliminovala prítomnosť väčších zrniek piesku. Aj napriek starostlivej príprave presýpacích hodín je potrebné počítať s tým, že doba presypania piesku z jednej časti do druhej, resp. späť, nebude totožná. To je typickou vlastnosťou každého fyzikálneho javu či procesu a prejavuje sa tým, že pri rôznych meraniach získavame odlišné výsledky. Ukázanie tohto fenoménu je vedľajším, avšak nemenej významným výsledkom práce.

Vodné hodiny

Pri vodných hodinách vytvorených z PET fľaše s otvorom v spodnej časti je možné merať čas výtoku kvapaliny z fľaše po otvorení viečka. Fľašu je možné navyše vybaviť stupnicou, napríklad pomocou fixky, ktorá umožní merať aj menšie dĺžky časových intervalov. Pritom sa ukáže, že stupnica nie je rovnomerná, pretože rýchlosť výtoku kvapaliny sa s klesajúcou výškou hladiny vody v nádobe zmenšuje. Výtok takisto ovplyvňuje aj veľkosť horného otvoru fľaše, takže je možné ukázať aj zmenu doby výtoku vody z fľaše napríklad po čiastočnom povolení uzáveru, prípadne pri uzatvorení fľaše viečkom s patrične veľkým otvorom. Pri práci s vodnými hodinami je potrebné počítať so zvýšeným neporiadkom a väčšou intenzitou pozornosti vyučujúceho.