DE102006059196B4

DE102006059196B4 - Vorrichtung zur Simulation der Sonnenbewegungen, wie sie von der Erde aus beobachtbar sind

Info

Publication number: DE102006059196B4
Application number: DE102006059196.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2016-03-24
Anticipated expiration: 2026-12-16
Also published as: DE102006059196A1

Abstract

Vorrichtung zur Simulation der Sonnenbewegungen, wie sie sich bezüglich eines beliebigen Simulationsstandorts auf der Erdoberfläche, im Folgenden Simulationsstandort genannt, darstellen, in Form eines Sonnenbewegungsanzeigers, wobei der Sonnenbewegungsanzeiger einen Zeiger 1 hat, der einen gedachten Zeigerstrahl A anzeigt, und der auf einem Zeigerträger 2 gelagert ist, welcher seinerseits in einem Rahmen 3 um ausschließlich eine Zeigerträgerachse B drehbar gelagert ist; der Zeigerträger 2 derart im Rahmen 3 gelagert ist, dass die Zeigerträgerachse B in der bezüglich des Simulationsstandorts senkrechten, Nord/Süd ausgerichteten Ebene liegt und gegenüber der Horizontalen des Simulationsstandorts um einen Breitengradwinkel α geneigt ist, wobei der Breitengradwinkel α dem Breitengrad des Simulationsstandorts entspricht; der Zeiger 1 auf dem Zeigerträger 2 derart beweglich gelagert ist, dass sich der Zeigerstrahl A mit der Zeigerträgerachse B immer in einem Fixpunkt C der Zeigerträgerachse B schneidet, wobei der Zeigerstrahl A sich innerhalb einer Ebene bewegt, die die Zeigerträgerachse B beinhaltet und die sich mit dem Zeigerträger 2 mit dreht, und wobei der Zeigerstrahl A mit der Zeigerträgerachse B Jahreswinkel β mindestens im Bereich von 90° plus/minus Ekliptikwinkel γ (90° plus/minus 23,45°) analog der jahreszeitlichen Deklinationsänderung bilden kann; bei jeder beliebigen Einstellung des Jahreswinkel β mindestens im Bereich von 90° plus/minus Ekliptikwinkel γ der Zeigerträger 2 sich frei um 360° um die Zeigerträgerachse B drehen kann, ohne dass er oder der Zeiger 1 durch irgendein Element des Sonnenbewegungsanzeigers in seiner Bewegung behindert wird; mit dem Ergebnis, dass der Zeigerstrahl A bei Drehung des Zeigerträgers 2 um 360° die Sonnenbewegungen für den per Jahreswinkel β eingestellten, zu simulierenden Tag des Jahres und den per Breitengradwinkel α eingestellten Simulationsstandort simuliert, indem er ausgehend vom Fixpunkt C mit seiner Spitze immer in die Richtung des zu simulierenden Sonnenstands zeigt, und wobei die zu simulierende Uhrzeit durch den Drehwinkel des Zeigerträgers 2 entsprechend 4 Minuten pro 1° angegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb, der eine konstante Winkelgeschwindigkeit aufweist, den Zeiger 1 über ein Getriebe so bewegt, dass der Zeiger 1 die Sonnenbewegungen für einen vollständigen Jahreszyklus in Echtzeit sowie bei höherer Winkelgeschwindigkeit im Zeitraffer simuliert.

Description

Seit Urzeiten werden Instrumente gebaut, die die Bewegung der Sonne, wie wir sie am Himmel beobachten können, anzeigen oder messen. So zeigen Sonnenuhren, die in unübersehbarer Formenvielfalt seit alters her gebaut werden, meist die horizontale Komponente der Sonnenbewegung an und leiten daraus die Uhrzeit ab. Die teils hochkomplexen, prähistorischen Bauwerke wie Stonehenge zielten u. a. darauf ab, herausgehobene Ereignisse der jährlichen Sonnenbewegungen, wie die Sommer- und Wintersonnenwende, architektonisch zu inszenieren. Sixtanten dienten in der Seefahrt lange Zeit dazu, die Höhe u. a. des Sonnenstandes sehr exakt zu messen, um daraus den Breitengrad des eigenen Standorts zu bestimmen. Tellurien bilden die himmelsmechanischen Bewegungen der Planeten um die Sonne mehr oder weniger maßstabsgetreu nach, woraus sich einige Erklärungen für den auf der Erde beobachtbaren Lauf der Sonne am Himmel ableiten lassen. Amillarsphären veranschaulichen wenige ausgewählte Sonnenbahnen durch Ringe, wobei man sich die Erde oder den Standort des Betrachters im Mittelpunkt der Amillarsphäre vorstellen muss. Planetarien produzieren ein Abbild insbesondere der am nächtlichen Himmel sichtbaren Himmelskörper und ihrer Bewegungen. Durch die Zeitraffereffekte ermöglicht dieses ansonsten mit der Naturbeobachtung weitgehend identische Abbild, die Bewegungen der Himmelskörper einschließlich die der Sonne mehr im Zusammenhang zu erleben und besser zu verstehen.
Bei dem im November 2002 von Martin Zarth veröffentlichten Sonnenbewegungsanzeiger [ANU Landesverband Hamburg e. V.: Der Sonnengarten im Hamburger Umweltzentrum, November 2002] liegt demgegenüber der Fokus darauf, die Bewegungen der Sonne, wie sie sich für einen ganz gewöhnlichen Beobachter auf der Erde darstellen, so zu simulieren, dass ihre geometrischen und dynamischen Strukturen und Gesetzmäßigkeiten veranschaulicht und möglichst leicht verstehbar werden. Mittels eines beweglichen Sonnenzeigers, der immer in Richtung Sonne zeigt und mit ihr mitgeführt wird, werden die Bahnen der Sonne auf denkbar einfache und einleuchtende Art und Weise naturgetreu nachgezeichnet. Die geometrischen Formen und die Dynamik der beobachtbaren Bewegungsabläufe der Sonne werden intuitiv nachvollziehbar und verstehbar. Damit werden auch die mit dem Sonnenlauf zusammenhängenden Phänomene, wie z. B. die Wölbungen der Sonnenbahnen, die jahreszeitlichen und breitengradabhängigen Änderungen von Mittagssonnenhöhe, Tages-/Nachtlänge, Himmelsrichtungen der Sonnenauf- bzw. -untergangspunkte, Dämmerungszeiten und Sonneneinstrahlwinkeln veranschaulicht, welche die entscheidenden Grundlagen für jegliches Klimageschehen und das persönliche Erleben des Jahreslaufs bilden.
Die Bewegungen des Sonnenzeigers werden durch die drei eigenständigen, unabhängig voneinander zu bedienenden Steuerungselemente Stundenantrieb, Jahreswinkeleinstellung und Zeitgleichungskorrektur gesteuert. Das Verständnis für das Zusammenspiel dieser drei Steuerungselemente und für die damit zusammenhängenden Sonnenbahnkomponenten wird aber nicht weiter durch mechanische Bauelemente unterstützt, man kann es sich nur selber gedanklich erschließen.
Aufgabe der Erfindung ist ein Getriebe, das den Sonnenzeiger ausgehend von einem einzigen Antrieb, der eine konstante Winkelgeschwindigkeit aufweist, bewegt. Das Getriebe soll die Gesetzmäßigkeiten, mit denen die drei Steuerungselemente Stundenantrieb, Jahreswinkelsteuerung und Zeitgleichungskorrektur zusammenwirken, mechanisch nachbilden. Dadurch soll erlebbar und verstehbar werden, wie sich die komplexen Sonnenbewegungen ausgehend von einer leicht verständlichen, konstanten Winkelgeschwindigkeit über Steuerungselemente, die auf nachvollziehbare und verständliche Art und Weise ineinandergreifen, ergeben.
Die Aufgabe wird durch das Getriebe gelöst, das die im Anspruch 1 beschriebenen und in den nachfolgenden Unteransprüchen ausdifferenzierten Merkmale hat.
Die Erfindung bietet folgende Vorteile:
Die Erfindung realisiert die Anzeige der Sonnenbahnen auf die denkbar einfache und unmittelbar nachvollziehbare Art und Weise, dass ein beweglicher Zeiger – wie ein ausgestreckter Arm – in Richtung Sonne zeigt und sich mit der Sonne mitbewegt. Der Zeiger bildet die Bahn der Sonne sowohl oberhalb wie auch unterhalb des Horizonts als zusammenhängendes, ganzheitliches Raumgeschehen ab. Wenn er die Horizontringebene kreuzt, zeigt er Himmelsrichtung und Uhrzeit des Sonnenauf- bzw. -untergangs an. Der tägliche Umlauf der Sonne und die jeweilige Uhrzeit werden durch die rotierende, mit einer 24-stündigen Uhrzeitskala versehene Stundenscheibe sehr anschaulich und skalengenau nachgebildet.
Der Jahresring zeigt die Veränderungen der Höhe der Sonnenbahnen unmittelbar nachvollziehbar an. Durch seine Auswirkung auf den Zeiger wird auf einen Blick datumsgenau erkennbar, wie sich im Jahreslauf die Geschwindigkeit des Sonnenauf- bzw. -abstiegs ändert, die am Frühlings- und Herbstanfang am größten ist und zum Sommer- und Winteranfang hin sinusförmig bis auf Null zurückgeht. Bei genauerem Hinsehen lässt der Jahresring die unterschiedliche Länge der Jahreszeiten (z. B. Sommer: 93,6; Winter: 89,0 Tage) erkennen, die zudem durch die Unsymmetrie des Gewinderings (s. u.) veranschaulicht wird.
Das Zusammenspiel von Jahresring und täglich umlaufendem Zeiger eröffnet bestechend schlüssige Einsichten in den Zusammenhang von Deklinationsänderungen einerseits sowie Mittagssonnenhöhe, Tageslänge, Sonnenauf- und -untergangspunkte andererseits. Die kaum bekannte, regenschirmartige Wölbung der meisten Sonnenbahnen wird bei genauerem Hinsehen durch den Jahreswinkel, den der Zeiger mit dem Zeigerträger bildet, erkennbar.
Die Neigung der Zeigerträgerachse, die parallel zur Erdrotationsachse und auf den Polarstern ausgerichtet ist, entspricht dem Breitengrad des Standorts. Bei ihrer sukzessiven Verstellung erfährt man, wie sich die Sonnenbahnen und alle damit zusammenhängenden Phänomene breitengradabhängig ändern. Sommer-, Winter-, Orts- und Greenwichzeit sowie die Uhrzeiten von Orten auf verschiedenen Längengraden lassen sich bei entsprechend vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung direkt ablesen. Ihre astronomische Bezüge zueinander werden durch den Kontext des Sonnenbewegungsanzeigers verständlich.
Der durch die Zeitgleichung beschriebene Zusammenhang von wahrer und mittlerer Sonnenzeit wird durch das Zusammenspiel der gegeneinander verdrehbaren Skalen von Stunden- und Zeitkorrekturscheibe einleuchtend demonstriert. Er wir außerdem in der Unsymmetrie der Analemmascheibe und in der radial ausgerichteten Zeitgleichungskurve veranschaulicht.
Bei geeigneter, vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung machen die Getriebe zwischen Zeigerträger und Jahresring bzw. zwischen Jahres- und Stundenscheibe das Verhältnis von Tages- und Jahrescyclus in Form eines mechanischen Bewegungsgeschehens eindrucksvoll erlebbar. Insbesondere die mit den entsprechenden Getrieben ausgestatteten Modelle demonstrieren, wie sich die sehr komplexe Sonnenbewegung Schritt für Schritt aus elementaren, leicht verständlichen Bewegungselementen zusammensetzt, die auf einer einfachen, gleichförmigen Drehbewegung aufbauen.
Bei vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Sonnenlauf mit seinen komplexen astronomischen Zusammenhängen durch elementare, sehr eingängige, mechanische Elemente nachgebildet, die ggf. mit ihren Bezügen zur unmittelbaren Umgebung und zum direkt beobachtbaren Himmelsgeschehen ein Höchstmaß an Nachvollziehbarkeit, Erkenntnisgewinn und Erlebnisqualität bieten. Durch vorteilhaft ausgestaltete, erfindungsgemäße Skalen können die Bewegungsabläufe zudem mit erstaunlich hoher Genauigkeit quantitativ erfasst werden.
Bei der Auslegung des Sonnenbewegungsanzeigers kann der Schwerpunkt entweder auf künstlerisch/gestalterische oder aber pädagogische Wirkungen und Nutzungen gelegt werden, sowie auch auf solche als Kinderspielgerät. Die Erfindung lässt Realisierungen in einem großen Maßstabsbereich zu, beginnend mit kleinen Tisch-, über Garten- bis hin zu Park- und Landschaftsmodellen (Zentimeter bis einige Meter). Sie ermöglicht wetterfeste, robuste und vandalismussichere Ausführungen.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen 1–10, die in folgender Tabelle mit ihren Bezugszeichen aufgelistet sind, schematisch dargestellt und werden anschließend im Einzelnen beschrieben. Liste der Zeichnungen

Fig. 1	Grundmodell	Seitenansicht im Querschnitt
Fig. 2	Grundmodell	Ansicht senkrecht von oben
Fig. 3	Bahnringe 7, Jahreswinkelantrieb	Seitenansicht
Fig. 4	Breitengradeinstellung	Seitenansicht im Querschnitt
Fig. 5	Jahreswinkelsteuerung	Seitenansicht im Querschnitt mit dem Zeigerstrahl A in der Zeichenebene
Fig. 6	Jahreswinkelsteuerung	Seitenansicht im Querschnitt mit dem Zeigerstrahl A senkrecht zur Zeichenebene
Fig. 7	Antrieb für Jahreswinkelsteuerung und Zeitgleichungskorrektur	Seitenansicht im Querschnitt
Fig. 8	Antrieb für Jahreswinkelsteuerung	Aufsicht von oben längst der Zeigerachse B
Fig. 9	Antrieb für Jahreswinkelsteuerung und Zeitgleichungskorrektur	Aufsicht von unten
Fig. 10	Jahreswinkelverstärkung 26	Seitenansicht

Ein erfindungsgemäßer Sonnenbewegungsanzeiger ist in 1 in Seitenansicht im Querschnitt sowie in 2 in der Ansicht senkrecht von oben dargestellt. Der Zeiger 1, der einen gedachten Zeigerstrahl A anzeigt, ist auf dem Zeigerträger 2 im Fixpunkt C derart beweglich gelagert, dass er mit der Zeigerträgerachse B Jahreswinkel β im Bereich von 90° plus/minus Ekliptikwinkel γ (90° plus/minus 23,45°) bilden kann. Der Zeigerträger 2 ist im Rahmen 3 um die Zeigerträgerachse B drehbar gelagert. Sie liegt innerhalb einer senkrechten, Nord/Süd ausgerichteten Ebene und bildet mit der Horizontalen den Breitengradwinkel α, der dem Breitengrad des Standorts des Sonnenbewegungsanzeigers entspricht. Der Zeigerträger 2 ist mit der Stundenscheibe 6 starr verbunden. Letztere trägt eine 24-stündige Stundenscheibenskala F derart, dass bei Ausrichtung des Zeigerstrahls A auf die Sonne die Stundenscheibenskala F an der am Rahmen 3 befestigten Winterzeit-Ablesemarkierung G die aktuelle Uhrzeit (Winterzeit) anzeigt.
Der Jahresring 5, hier als planarer Ring ausgebildet, ist parallel zum Zeigerträger 2 so im Rahmen 3 befestigt, dass die Strecke vom Mittelpunkt des Jahresrings 5 bis zum Fixpunkt C einen rechten Winkel mit der Zeigerträgerachse B bildet. Der Jahresring 5 trägt eine 365-tägige Jahresringskala E derart, dass bei Ausrichtung des Zeigerstrahls A auf einen Punkt der Jahresringskala E der dem Datum entsprechende Jahreswinkel β eingestellt ist.
1 zeigt zudem einen Stundenmotor 27, der die Tagesscheibe und damit den Zeiger 1 bewegt, was je nach technischer Ausführung kontinuierlich und/oder diskontinuierlich, in Echtzeit, zeitgerafft und/oder zeitgedehnt erfolgen kann. 2 zeigt einen am Rahmen 3 fixierten Horizontring 4, der eine Horizontringebene D anzeigt, die horizontal zum Fixpunkt C angeordnet ist und einen künstlichen Horizont andeutet. Der Horizontring 4 zeigt zudem die Himmelsrichtungen mittels einer Horizontringskala P an. Wenn der Zeiger 1 in horizontaler Position auf diese Skala zeigt, kann hier die Himmelsrichtung des Sonnenauf- bzw. -untergangspunkts und parallel dazu an der Stundenscheibenskala F die dazugehörige Uhrzeit abgelesen werden. Durch sukzessive Variation des Jahreswinkels β lässt sich die jahreszeitliche Wanderung der Himmelsrichtung der Sonnenauf- bzw. -untergangspunkte erforschen. Ebenso lassen sich die jahreszeitlichen Veränderungen der Sonnenauf- und -untergangs-Uhrzeiten veranschaulichen und dadurch die Änderungen der Tages- bzw. Nachtlänge erschließen.
3 zeigt ergänzend zu 1 zwei Bahnringe 7, die im Rahmen 3 so fixiert sind, dass sie die beiden von dem Zeiger 1 bei größtem bzw. kleinstem Jahreswinkel β (90° plus Ekliptikwinkel γ bei Sommer- und 90° minus Ekliptikwinkel γ bei Winteranfang) dynamisch angezeigten Sonnenbahnen zusätzlich auch statisch veranschaulichen und den Sonnenbewegungsanzeiger skulptural bereichern.
3 zeigt zudem ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Antrieb des Jahresrings 5 durch den Zeigerträger 2 in dem naturgemäßen Verhältnis von Anzahl der Tage pro Jahr zu 1. Ein Schneckengetriebes 9, bei dem ein Gewinde auf dem Zeigerträger 2 bei einer 360°-Drehung ein senkrecht dazu angeordnetes Zahnrad um einen Zahn weiterdreht (s. auch 3a), überträgt per Übertragungsachse 10 und Schubzahnrad 11 den Antrieb auf einen Zahnkranz am Rande des Jahresrings 5, der hier als Hohlkugelabschnitt mit planarem Kragenring ausgebildet und in seinem Mittelpunkt drehbar im Rahmen 3 gelagert ist. Die nicht ganz gleichförmige Drehung des Jahresrings 5, die aufgrund der unterschiedlichen Jahreszeitenlänge zur Vermeidung von Ungenauigkeiten erforderlich ist, kann durch eine entsprechend unrunde Ausführung des Zahnkranzes realisiert und damit optisch veranschaulicht werden. Die zeitlichen Rhythmen von Tag und Jahr werden bei vorteilhafter Ausführung dieses Getriebes sehr prägnant und eingängig durch ein mechanisches Bewegungsgeschehen erlebbar gemacht.
Die in 3 dargestellte Rahmenkonstruktion deutet an, dass durch vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ein hohes Maß an ästhetischer Wirkung erzielt werden kann. Dadurch wird das Vorstellungsvermögen für sphärische Räume und Bewegungsabläufe stark gefördert, insbesondere bei überkopf hohen, vorteilhaft in die Landschaft eingebetteten Modellen mit direkten Bezügen zu ihrer Umgebung und zu dem am Himmel beobachtbaren astronomischen Geschehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit variabler Breitengradeinstellung ist in 4 in Seitenansicht im Querschnitt dargestellt. Der Zeigerträger 2 und der Jahresring 5, der hier als ringförmiger Hohlkugelausschnitt ausgebildet ist, sind in einer halbkreisförmigen, im Fixpunkt C zentrierten Gleitschiene 8 gelagert. Diese gleitet in einer dazu passenden, im Rahmen halbkreisförmig und bzgl. des Fixpunkts C zentriert ausgebildeten Nute (s. 4a). Bei Verschiebung der Gleitschiene 8 ändert sich der Breitengradwinkel α der Zeigerträgerachse B und damit die Raumstellung und der Bahnverlauf des Zeigers 1, während der Fixpunkt C raumkonstant und das Zusammenspiel von Jahreswinkel β und Jahresringskala E unverändert bleibt. Eine am Rahmen 3 angebrachte Breitengradskala Q erlaubt den jeweils eingestellten Breitengradwinkel α an der Position der Zeigerträgerachse B abzulesen.
Durch Experimentieren mit verschiedenen Breitengradeinstellungen wird deutlich, dass sich die Neigung der Sonnenbahnen bezüglich des Horizonts insgesamt ändert, während ansonsten vieles vom Bewegungsgeschehen unabhängig von der Breitengradeinstellung ist. Die Auswirkungen dieser Neigungsänderung auf Sonnenauf- und -untergangspunkte und -zeiten, auf Tageslänge und Einstrahlwinkel und damit auf das Klima insgesamt können interaktiv erschlossen werden. Besondere Phänomene wie Mitternachtssonne, Polar- und Wendekreis, Polartage und -nächte werden im Kontext des gesamten Sonnenbewegungsgeschehens verständlich.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuerung des Jahreswinkels β zeigen 5 und 6 in Seitenansicht im Querschnitt. Während in 5 der Zeigerstrahl A und die Zeigerträgerachse B bei einem Jahreswinkel β von 90° minus Ekliptikwinkel γ in der Zeichenebene liegen, zeigt 6 den Blick von hinten auf den senkrecht zur Zeichenebene stehenden Zeigerstrahl A bei einem Jahreswinkel β von 90°. Die Lagerung des Zeigers 1 auf dem Zeigerträger 2 ist derart ausgeführt, dass das abgeflachte Ende des röhrenförmigen Zeigerträgers 2 durch eine längsgerichtete Aussparung am Anfang des röhrenförmigen Zeigers 1 geführt ist und eine Lagerachse beide Teile verbindet.
Der Zeigerträger 2 wird von einem gleitend gelagerten Außenrohr 14 ummantelt. Die Ekliptikscheibe 12, die hier als ein im Fixpunkt C zentrierter Kugelabschnitt ausgebildet ist, unterlagert gleitend den Zeiger 1 und ist mit dem Außenrohr 14 derart starr verbunden, dass die Schnittfläche des Kugelabschnitts mit dem Außenrohr 14 einen Winkel von 90° minus Ekliptikwinkel γ bildet. Der Kugelabschnitt ist im Inneren so weit ausgehöhlt, dass er sich ungehindert um 360° drehen kann und dabei den Zeiger 1 aus der Winterstellung (Jahreswinkel β = 90° minus Ekliptikwinkel γ) kontinuierlich bis zur Sommerstellung (Jahreswinkel β = 90° plus Ekliptikwinkel γ) und wieder zurück führt.
In 5 und 6 ist zusätzlich die Jahreswinkelverkleidung 13 in einer Form dargestellt, in der sie zusammen mit der kugelabschnittförmigen Ekliptikscheibe 12 eine ästhetisch ansprechende Vollkugel bildet. Die Schnittflächen beider Kugelabschnitte lagern gleitend aufeinander. Die Jahreswinkelverkeidung 13 lagert zudem bezüglich des Zeigerstrahls A konzentrisch gleitend auf dem Zeiger 1 und ist innen so weit ausgehöhlt, dass eine 360°-Drehung des Außenrohres 14 und die dadurch bewirkten Jahreswinkelveränderungen sowie die dabei zwangsläufig erforderlichen Drehbewegungen der Jahreswinkelverkleidung 13 auf dem Zeiger 1 nicht behindert werden.
Bei entsprechend vorteilhafter Ausführung der erfindungsgemäßen Steuerung des Jahreswinkels β wird auf elementare Art und Weise die jahreszeitliche Änderung des Jahreswinkels β anschaulich und leicht nachvollziehbar aus einer annähernd gleichförmigen 360°-Drehung hergeleitet. Auf der Kugeloberfläche können längst der Schnittflächenkanten Winkel- oder Kalenderskalen angebracht werden, die das Nachvollziehen des Bewegungsgeschehens erleichtern.
7 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt eine erfindungsgemäße Ausführung des Sonnenbewegungsanzeigers, bei dem sowohl der Jahreswinkelantrieb wie auch die Analemmakorrektur von einem mit konstanter Winkelgeschwindigkeit laufenden Antriebsmotor 12 mittels Getriebe abgeleitet werden. 8 und 9 zeigen dieses Getriebe in der Aufsicht längst der Zeigerträgerachse B von oben bzw. von unten.
Auf dem Außenrohr 14, das am oberen Ende die oben beschriebene Steuerung des Jahreswinkels β trägt, sind am unteren Ende die Jahresscheibe 15 und darunter das Triebzahnrad 24 starr montiert. Das Außenrohr 14 schließt an der Unterkante des Triebzahnrads 24 ab. Die Stundenscheibe 6 unterlagert das Triebzahnrad 24 gleitend und ist auf dem Zeigerträger 2 starr montiert. Darunter ist die Zeitkorrekturscheibe 21 sowohl auf dem Zeigerträger 2 wie auf der Stundenscheibe 6 derart gleitend gelagert, dass sie gegenüber diesen um den Bereich der Zeitgleichung (mindestens plus/minus ca. 4,5° bzw. 18 Minuten) verdreht werden kann.
Der Außengewindering 16 ist oberhalb der Jahresscheibe 15 sowohl auf dieser wie auf dem Außenrohr 14 gleitend gelagert und mit dem Rahmen 3 starr verbunden. In den Außengewindering 16 greift das auf der Jahresscheibe 15 gelagerte Antriebzahnrad 17 nach Art eines Schneckengetriebes, so dass sich bei einer 360°-Drehung der Jahresscheibe 15 das Antriebszahnrad 17 durch den bezüglich des Rahmens 3 feststehenden Außengewindering 16 um einen oder mehrere Zähne weitergedreht wird. Das Antriebszahnrad 17 ist in 7 in die Zeichenebene hineinprojiziert, während 8 seine Lage unprojiziert zeigt. Das Antriebszahnrad 17 überträgt seine Drehbewegung mittels der auf der Jahresscheibe 15 gelagerten Antriebsachse 18 auf das Stellzahnrad 19 am Rand der Jahresscheibe 15, das auf dem anderen Ende der Antriebsachse 18 starr gelagert ist. Das Stellzahnrad 19 greift in den Gewindering 20, der auf der unterlagernden Stundenscheibe 6 starr montiert ist, so dass eine Drehbewegung des Stellzahnrads 19 die Jahresscheibe 15 gegenüber der Stundenscheibe 6 verdreht. Die Übersetzungsverhältnisse sind dabei so eingerichtet, dass bei X Volldrehung der Stundenscheibe 6 die Jahresscheibe 15 gegenüber der Stundenscheibe 6 um 360° verdreht wird, wobei X = Anzahl der Tage pro Jahr ist.
Durch den in 8 schematisch dargestellten, bzgl. der Zeigerträgerachse B nicht genau zentrierten und nicht genau kreisförmigen Verlauf des Gewinderings 20 kann die ungleiche Länge der Jahreszeiten exakt nachgebildet werden, die auch in der in 8 dargestellten Jahresscheibenskala L enthalten ist. Letztere zeigt das Datum an dem auf der Stundenscheibe 6 fixierten und am Rand der Jahresscheibe 15 befindlichen Datumsanzeiger M derart an, dass es jeweils dem durch die Jahreswinkelsteuerung eingestellten Jahreswinkel β entspricht.
Wie in 7 dargestellt, treibt das Triebzahnrad 24 ein gleichartiges, in der gleichen Ebene liegendes Analemmazahnrad 25 an, das über eine in der Stundenscheibe 6 drehbar gelagerte Achse starr mit der auf der anderen Seite der Stundenscheibe 6 auf dieser Achse montierten Analemmascheibe 22 verbunden ist, so dass die Verdrehung der Jahresscheibe 15 gegenüber der Stundenscheibe 6 im Übersetzungsverhältnis von 1 zu 1 auf die Analemmascheibe 22 übertragen wird. Wie in 7 und 9 gezeigt, liegt die Analemmascheibe 22 in einer Aussparung der Zeitkorrekturscheibe 21. Per Rückstellvorrichtung 23 wird eine radial ausgerichtete Kante der Aussparung an den Rand der Analemmascheibe 22 gedrückt. Aufgrund der Radiusvariation der Analemmascheibe 22 bewirkt eine Drehbewegung der Analemmascheibe 22 eine Verdrehung der Zeitkorrekturscheibe 21 gegenüber der Stundenscheibe 6. Die Radiusvariation ist so ausgelegt, dass diese Verdrehung entsprechend der Zeitgleichung und passend zur Datumseinstellung der Jahresscheibe 15 und damit zum Jahreswinkel β erfolgt. Die Verdrehung entsprechend der Zeitgleichung wird durch eine radial ausgerichtete Aussparungskante in der Zeitkorrekturscheibe 21, die entsprechend der Zeitgleichungskurve O geformt ist, qualitativ und quantitativ veranschaulicht.
Das dargestellte Getriebe wird mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit von einem Stundenmotor 27 angetrieben, der auf die Zeitkorrekturscheibe 21 wirkt. Der Motor kann abgestimmt auf die Nutzerwünsche so ausgelegt werden, dass er den Zeiger 1 in Echtzeit, zeitgerafft und/oder zeitgedehnt entweder kontinuierlich und/oder diskontinuierlich bewegt. Durch die wahlweise Bereitstellung mehrerer dieser Betriebsmodi kann das Leistungsspektrum eines einzelnen Modells erhöht werden.
Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebs des Sonnenbewegungsanzeigers ist derart modular aufgebaut, dass es entsprechend den Nutzerwünschen flexibel vereinfacht werden kann, indem z. B. ein oder mehrere Getriebeeinheiten durch unabhängig voneinander bedienbare manuelle oder motorisierte Antriebsmöglichkeiten ersetzt werden. Auch kann auf Komponenten, die die Abbildegenauigkeit erhöhen, wie die Zeitgleichungskorrektur oder die Unsymmetrie von Jahresringskala E, Jahresscheibenskala L und Gewindering 20, verzichtet werden.
Wie in 9 gezeigt, können zusätzlich zu der Winterzeit-Ablesemarkierung G weitere Uhrzeitablesemarkierungen auf einem rahmenfixierten, ringförmig um die Zeitkorrekturscheibe 21 (oder auch Stundenscheibe 6) gelegenen Teil- oder Vollkreisbogen angebracht werden. Die Sommerzeit-Ablesemarkierung H ist gegenüber der Winterzeit-Ablesemarkierung G um eine Stunde verschoben, die Ortszeit-Ablesemarkierung I um die Differenz „benachbarter Zeitzonen-Längengrad und Längengrad Sonnenbewegungsanzeiger-Standort” sowie die Greenwich-Ablesemarkierung J (Universal Time UT) um die Differenz „Zeitzonen-Längengrad von Greenwich und Zeitzonen-Längengrad Sonnenbewegungsanzeiger-Standort”. In gleicher Logik können weitere, gegenüber der Winterzeit-Ablesemarkierung G jeweils um die Differenz „Zeitzonen-Längengrad eines beliebigen Ortes auf der Erde und Zeitzonen-Längengrad Sonnenbewegungsanzeiger-Standort” versetzte Weltzeiten-Ablesemarkierungen K von weiteren Orten auf der Erde angebracht werden. Die anschauliche, in den Gesamtkontext des Sonnenbewegungsanzeigers eingebundene Raumstruktur von Ablesemarkierungen und Zeitkorrekturscheibenskala N bzw. Stundenscheibenskala F stellt die ansonsten schwer fassbaren, verwirrenden Zusammenhänge der verschiedenen Uhrzeiten einleuchtend und leicht verständlich dar.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Jahreswinkelgelenks. Eine kreisbogenförmige Jahreswinkelverstärkung 26 ist zentriert im Fixpunkt C am Zeiger 1 befestigt und führt durch eine Längsaussparung im Zeigerträger 2. Im Bereich des Zeigerträgers 2 weist die Jahreswinkelverstärkung 26 ein bzgl. des Fixpunkts C zentriertes, kreisbogenförmiges Langloch auf, durch das ein in dem Zeigerträger 2 verankerter Haltestift führt. Das Langloch ist so bemessen, dass es nur die erforderlichen Veränderungen des Jahreswinkels β im Bereich von 90° plus/minus Ekliptikwinkel γ zulässt. Die Jahreswinkelverstärkung 26 betont optisch den Bereich der Veränderung des Jahreswinkels β, stabilisiert das Jahreswinkelgelenk, erlaubt das exaktere Ablesen des aktuell eingestellten Jahreswinkels β, insbesondere, wenn er eine Skala trägt, und er bietet einen guten Ansatzpunkt für einen Antrieb per Jahreswinkelmotor 28 oder per manuellem Getriebe.
Komfort, Erlebnisqualität und -spektrum der manuellen Bedienung kann dadurch gesteigert werden, dass 1. an den dreh- und einstellbaren Elementen erfindungsgemäße Handgriffe, Kurbeln oder Kurbelgetriebe ergänzt werden; dass 2. erfindungsgemäße Brems- und Arretiervorrichtungen eingebaut werden, die einerseits angenehm gleichmäßig gleitende Bewegungen bzw. bequeme Winkelverstellungen ermöglichen und die andererseits das jeweilige Bewegungselement in jeder gewählten Einstellung gegen ungewollte Verstellungen ausreichend stabil halten; sowie dass 3. bei motor- oder getriebegesteuerten Ausführungen die Bewegungsabläufe mittels Gleitkuppelungen zusätzlich zu ihrem automatischen Antrieb auch einzeln für den manuellen Antrieb nach Belieben zur Verfügung gestellt werden.

Die erfindungsgemäße, horizontal drehbare Lagerung des Sonnenbewegungsanzeigers auf einem Sockel eröffnet einerseits weitere Experimentiermöglichkeiten, wie z. B. die sukzessive Bestimmung der Himmelsrichtung aus dem beobachteten Sonnenlauf, sowie andererseits einen reizvollen Ansatz für die Ausgestaltung des Sonnenbewegungsanzeigers als Kinderspielgerät mit Karussellfunktionen. Liste der verwendeten Bezugszeichen

Bauteile
1	Zeiger	27	Stundenmotor
2	Zeigerträger	28	Jahreswinkelmotor
3	Rahmen
4	Horizontring	Winkel
5	Jahresring	α	Breitengradwinkel
6	Stundenscheibe	β	Jahreswinkel
7	Bahnringe	γ	Ekliptikwinkel (23,45°)
8	Gleitschiene
9	Schneckengetriebe	Geometrische Elemente und Skalen
10	Übertragungsachse	A	Zeigerstrahl
11	Schubzahnrad	B	Zeigerträgerachse
12	Ekliptikscheibe	C	Fixpunkt
13	Jahreswinkelverkleidung	D	Horizontringebene
14	Außenrohr	E	Jahresringskala
15	Jahresscheibe	F	Stundenscheibenskala (24-stündig)
16	Außengewindering	G	Winterzeit-Ablesemarkierung
17	Antriebszahnrad	H	Sommerzeit-Ablesemarkierung
18	Antriebsachse	I	Ortszeit-Ablesemarkierung
19	Stellzahnrad	J	Greenwich-Ablesemarkierung
20	Gewindering	K	Weltzeiten-Ablesemarkierungen
21	Zeitkorrekturscheibe	L	Jahresscheibenskala
22	Analemmascheibe	M	Datumsanzeiger
23	Rückstellvorrichtung	N	Zeitkorrekturscheibenskala (24-stündig)
24	Triebzahnrad	O	Zeitgleichungskurve
25	Analemmazahnrad	P	Horizontringskala
26	Jahreswinkelverstärkung	Q	Breitengradskala

Claims

Vorrichtung zur Simulation der Sonnenbewegungen, wie sie sich bezüglich eines beliebigen Simulationsstandorts auf der Erdoberfläche, im Folgenden Simulationsstandort genannt, darstellen, in Form eines Sonnenbewegungsanzeigers, wobei der Sonnenbewegungsanzeiger einen Zeiger 1 hat, der einen gedachten Zeigerstrahl A anzeigt, und der auf einem Zeigerträger 2 gelagert ist, welcher seinerseits in einem Rahmen 3 um ausschließlich eine Zeigerträgerachse B drehbar gelagert ist; der Zeigerträger 2 derart im Rahmen 3 gelagert ist, dass die Zeigerträgerachse B in der bezüglich des Simulationsstandorts senkrechten, Nord/Süd ausgerichteten Ebene liegt und gegenüber der Horizontalen des Simulationsstandorts um einen Breitengradwinkel α geneigt ist, wobei der Breitengradwinkel α dem Breitengrad des Simulationsstandorts entspricht; der Zeiger 1 auf dem Zeigerträger 2 derart beweglich gelagert ist, dass sich der Zeigerstrahl A mit der Zeigerträgerachse B immer in einem Fixpunkt C der Zeigerträgerachse B schneidet, wobei der Zeigerstrahl A sich innerhalb einer Ebene bewegt, die die Zeigerträgerachse B beinhaltet und die sich mit dem Zeigerträger 2 mit dreht, und wobei der Zeigerstrahl A mit der Zeigerträgerachse B Jahreswinkel β mindestens im Bereich von 90° plus/minus Ekliptikwinkel γ (90° plus/minus 23,45°) analog der jahreszeitlichen Deklinationsänderung bilden kann; bei jeder beliebigen Einstellung des Jahreswinkel β mindestens im Bereich von 90° plus/minus Ekliptikwinkel γ der Zeigerträger 2 sich frei um 360° um die Zeigerträgerachse B drehen kann, ohne dass er oder der Zeiger 1 durch irgendein Element des Sonnenbewegungsanzeigers in seiner Bewegung behindert wird; mit dem Ergebnis, dass der Zeigerstrahl A bei Drehung des Zeigerträgers 2 um 360° die Sonnenbewegungen für den per Jahreswinkel β eingestellten, zu simulierenden Tag des Jahres und den per Breitengradwinkel α eingestellten Simulationsstandort simuliert, indem er ausgehend vom Fixpunkt C mit seiner Spitze immer in die Richtung des zu simulierenden Sonnenstands zeigt, und wobei die zu simulierende Uhrzeit durch den Drehwinkel des Zeigerträgers 2 entsprechend 4 Minuten pro 1° angegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb, der eine konstante Winkelgeschwindigkeit aufweist, den Zeiger 1 über ein Getriebe so bewegt, dass der Zeiger 1 die Sonnenbewegungen für einen vollständigen Jahreszyklus in Echtzeit sowie bei höherer Winkelgeschwindigkeit im Zeitraffer simuliert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Rahmen 3 eine Vorrichtung, im Folgenden Horizontring 4 genannt, fixiert ist, der eine Ebene, im Folgenden Horizontringebene D genannt, anzeigt, welche bezüglich des Simulationsstandorts horizontal durch den Fixpunkt C verläuft und damit einen künstlichen Horizont andeutet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine linien- oder ringförmige Vorrichtung, im Folgenden Jahresring 5 genannt, mit einer einjährigen Kalenderskala, im Folgenden Jahresringskala E genannt, derart am Rahmen 3 angebracht ist, dass bei Ausrichtung des Zeigerstrahls A auf jeden beliebigen Punkt der Jahresringskala E der für dieses Datum des Jahres richtige Jahreswinkel β eingestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Zeigerträger 2 senkrecht zur Zeigerträgerachse B eine Vorrichtung, im Folgenden Stundenscheibe 6 genannt, starr montiert ist, auf der eine 24-stündige Uhrzeitskala, im Folgenden Stundenscheibenskala F genannt, derart angebracht ist, dass an einer am Rahmen 3 fixierten, Ablesemarkierung diejenige zu simulierende Uhrzeit als wahre Sonnenzeit angezeigt wird, die dem durch den Zeigerstrahl A simulierten Sonnenstand entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablesemarkierung als analemmatische Ableseskala ausgebildet ist, die die Zeitgleichung derart beinhaltet, dass die Uhrzeit an ihr als mittlere Sonnenzeit abgelesen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablesemarkierung derart positioniert ist, das an ihr die Winterzeit abgelesen werden kann. Sie wird im Folgenden Winterzeit-Ablesemarkierung G genannt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablesemarkierung derart positioniert ist, das an ihr die gegenüber der Winterzeit um eine Stunde bzw. 15° verschobene Sommerzeit abgelesen werden kann. Sie wird im Folgenden Sommerzeit-Ablesemarkierung H genannt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablesemarkierung derart positioniert ist, das an ihr die Ortszeit, die gegenüber der Zeitzonenzeit des Simulationsstandorts entsprechend des Längengrads des Simulationsstandorts verschoben ist, abgelesen werden kann. Sie wird im Folgenden Ortszeit-Ablesemarkierung I genannt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablesemarkierung derart positioniert ist, das an ihr die Greenwichzeit (Universal Time), die gegenüber der Zeitzonenzeit des Simulationsstandorts entsprechend der Zeitzone des Simulationsstandorts verschoben ist, abgelesen werden kann. Sie wird im Folgenden Greenwich-Ablesemarkierungen J genannt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Ablesemarkierungen derart positioniert sind, das an ihnen die entsprechenden Uhrzeiten von Orten in verschiedenen Zeitzonen abgelesen werden können. Sie werden im Folgenden Weltzeiten-Ablesemarkienmgen K genannt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 im Zusammenwirken mit einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle der genannten Ablesemarkierungen ringförmig um die Stundenscheibenskala F angeordnet sind, so dass die verschiedenen Uhrzeiten parallel abgelesen werden können und die Abstände zwischen den Ablesemarkierungen die Beziehungen der verschiedenen Uhrzeiten zueinander räumlich veranschaulichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Rahmen 3 fixierte Vorrichtungen, im Folgenden Bahnringe 7 genannt, die höchste, niedrigste und/oder weitere Sonnenbahnen dauerhaft markieren in Ergänzung zu der dynamischen Veranschaulichung dieser Sonnenbahnen durch den Zeigerstrahl A.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnringe 7 in konstruktive, mit dem Rahmen 3 verbundene Elemente eingebunden werden, die eine künstliche Himmelshalbkugel andeuten und dadurch das Erfassen des dreidimensionalen Bewegungsgeschehens unterstützen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeigerträger 2 sowie ggf. der Jahresring 5, die Bahnringe 7 und die Ablesemarkierungen G bis K in einer Vorrichtung, im Folgenden Gleitschiene 8 genannt, gelagert sind, die ihrerseits innerhalb der bezüglich des Simulationsstandorts senkrechten, Nord/Süd ausgerichteten Ebene bezüglich des Fixpunktes C kreisförmig gleitend im Rahmen 3 derart gelagert ist, dass sich der Breitengradwinkel α im Bereich von 0° (Äquator) bis 90° (Nord- bzw. Südpol) oder in einem Teilbereich davon kontinuierlich und/oder diskontinuierlich verstellen lässt, so dass der Sonnenbewegungsanzeiger nach Einstellung des jeweiligen Breitengradwinkels α die Sonnenbewegungen für Simulationsstandorte verschiedener Breitengrade simulieren kann, ohne dass die Position des Rahmen 3 verändert werden muss.
Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Jahresring 5 mit einer kreisförmigen Jahresringskala E bezüglich ihres Mittelpunkts drehbar im Rahmen 3 gelagert ist und mittels eines Getriebes von dem Zeigerträger 2 derart angetrieben wird, dass X Umdrehungen des Zeigerträgers 2 den Jahresring um 360° weiterdrehen, wobei X = Anzahl der Tage pro Jahr ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Datum auf der sich drehenden Jahresringskala E an einer am Rahmen 3 befestigten Datumsablesemarkierung angezeigt wird, derart, dass bei Ausrichtung des Zeigerstrahls A auf einen fixen Punkt der Jahresringskala E der für das jeweils angezeigte Datum richtige Jahreswinkel β eingestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe für den Jahresring 5 aus einem auf dem Zeigerträger 2 gelagerten Schneckengetriebe 9 besteht, das sein Drehmoment mittels einer Übertragungsachse 10 auf ein Schubzahnrad 11 überträgt, welches in einen kreisrunden Jahresringzahnkranz auf der Außenseite des Jahresrings 5 greift, wobei aufgrund der Kreisform des Jahresringzahnkranzes die Jahreszeiten alle mit gleicher Länge und damit mit einer gewissen Ungenauigkeit abgebildet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Jahresringzahnkranz derart unrund ausgebildet ist, dass der Antrieb des Jahresrings 5 entsprechend der unterschiedlichen Länge der Jahreszeiten erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung, im Folgenden Ekliptikscheibe 12 genannt, auf dem Zeigerträger 2 bezüglich der Zeigerträgerachse B drehbar gelagert ist und über eine den Zeiger 1 unterlagernde Steuerugsfläche verfügt, die nicht senkrecht zur Zeigerträgerachse B sondern um den Ekliptikwinkel γ dazu gekippt angeordnet ist; der Zeiger 1 seinerseits auch eine Steuerungsfläche hat, die parallel und konzentrisch zum Zeigerstrahl A angeordnet ist und auf der Steuerungsfläche der Ekliptikscheibe 12 gleitend aufliegt; mit dem Ergebnis, dass bei einer Drehung der Ekliptikscheibe 12 auf dem Zeigerträger 2 um 360° der Jahreswinkel β analog der Deklinationsänderung während eines Jahres verstellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Zeigergelenk umschließende und schützende Vorrichtung, im Folgenden Jahreswinkelverkleidung 13 genannt, auf der Steuerugsfläche der Ekliptikscheibe 12 gleitend sowie auf dem Zeiger 1 bezüglich des Zeigerstrahls A drehbar gelagert und im Inneren so weit um den Fixpunkt C herum ausgehöhlt ist, dass die Ekliptikscheibe 12 und der Zeiger 1 in ihrer Bewegung nicht behindert werden; die Jahreswinkelverkleidung 13 zusammen mit einer entsprechenden Verkleidung der Ekliptikscheibe 12 eine im Fixpunkt C zentrierte, ästhetisch ansprechende Kugel- oder sonstige Form bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Ekliptikscheibe 12 eine auf dem Zeigerträger 2 bezüglich der Zeigerträgerachse B konzentrisch drehbar gelagerte Vorrichtung, im Folgenden Außenrohr 14 genannt, starr verbunden ist, derart, dass bei einer Drehung des Außenrohrs 14 auf dem Zeigerträger 2 um 360° der Jahreswinkel β analog der Deklinationsänderung während eines Jahres verstellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Außenrohr 14 eine Vorrichtung, im Folgenden Jahresscheibe 15 genannt, starr verbunden ist, die parallel zur Stundenscheibe 6 angeordnet ist und die eine einjährige Jahresscheibenskala L trägt, derart, dass durch Verdrehung der Jahresscheibe 15 gegenüber der Stundenscheibe 6 jedes beliebige Datum auf der Jahresscheibenskala L an dem auf der Stundenscheibe 6 fixierten Datumsanzeiger M eingestellt werden kann und dadurch der für dieses Datum richtige Jahreswinkel β eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung, im Folgenden Jahreswinkelantrieb genannt, die Drehbewegung der Stundenscheibe 6 (360° pro Tag) auf den Zeiger 2, die Ekliptikscheibe 12, das Außenrohr 14 oder die Jahresscheibe 15 derart überträgt, dass X Umdrehungen der Stundenscheibe 6 den Jahreswinkel β analog den im Laufe eines Jahres erfolgenden Deklinationsänderung verstellen, wobei X = Anzahl der Tage pro Jahr ist und wobei die unterschiedliche Länge der Jahreszeiten entweder abgebildet wird oder nicht.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Jahreswinkelantrieb realisiert wird durch einen oberhalb der Jahresscheibe 15 auf dieser wie auch auf dem Außenrohr 14 bezüglich der Zeigerträgerachse B drehbar gelagerten und am Rahmen 3 fixierten Außengewindering 16, der schneckengetriebeartig ein auf der Jahresscheibe 15 gelagertes Antriebszahnrad 17 antreibt, das seine Drehbewegung mittels einer auf der Jahresscheibe 15 gelagerten Antriebsachse 18 an ein am Rande der Jahresscheibe 15 angeordnetes Stellzahnrad 19 weiterleitet, welches in einen auf der Stundenscheibe 6 montierten, kreisförmigen Gewindering 20 greift und dadurch bei seiner Drehung die Jahresscheibe 15 gegenüber der Stundenscheibe 6 verdreht, wobei die Übersetzungsverhältnisse so eingerichtet sind, dass X Drehungen der Stundenscheibe 6 die Jahresscheibe 15 gegenüber der Stundenscheibe 6 um 360° verdrehen, mit X = Anzahl der Tage pro Jahr, und wobei aufgrund der Kreisform des Gewinderings 20 die unterschiedliche Länge der Jahreszeiten nicht abgebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindering 20 nicht exakt kreisförmig sondern derart unrund angeordnet ist, dass die Verdrehung der Jahresscheibe 15 gegenüber der Stundenscheibe 6 entsprechend der unterschiedlichen Länge der Jahreszeiten erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Stundenscheibe 6 auf dem Zeigerträger 2 bezüglich der Zeigerträgerachse B drehbar gelagert ist, derart, dass beide entsprechend der Zeitgleichung gegeneinander verstellt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Stellung von Stundenscheibe 6 und Zeigerträger 2 zueinander durch Zeiger, Markierungen und/oder Skalen angezeigt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Stundenscheibe 6 parallel zu ihr eine Vorrichtung, im Folgenden Zeitkorrekturscheibe 21 genannt, drehbar über- oder unterlagert ist; die Zeitkorrekturscheibe 21 auf dem Zeigerträger 2 bezüglich der Zeigerträgerachse B drehbar gelagert ist, derart, dass die Zeitkorrekturscheibe 21 gegenüber der Stundenscheibe 6 entsprechend der Zeitgleichung verstellt werden kann, so dass die Zeitkorrekturscheibe 21 die mittlere, während die Stundenscheibe 6 die wahre Sonnenzeit anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkorrekturscheibe 21 eine 24-stündige Uhrzeitskala, im Folgenden Zeitkorrekturscheibenskala N genannt, trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablesemarkierungen G bis J und/oder K auf die Zeitkorrekturscheibenskala N statt auf die Stundenscheibenskala F positioniert sind und damit die mittlere Sonnenzeit anzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 28, 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehung der Zeitkorrekturscheibe 21 gegenüber der Stundenscheibe 6 von einer radialen Markierung, die sich auf einer der beiden Scheiben befindet, an einer radial ausgerichteten Zeitgleichungskurve O, die sich auf der anderen Scheibe befindet, angezeigt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 28 bis 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb eines mit einer radialen Kante versehenen Ausschnitts der Zeitkorrekturscheibe 21 und in ihrer Ebene eine Vorrichtung, im Folgenden Analemmascheibe 22 genannt, befindet, die in ihrem Mittelpunkt drehbar auf der Stundenscheibe 6 gelagert ist; die Analemmascheibe 22 mit ihrer Außenkante an der radialen Ausschnittskante der Zeitkorrekturscheibe 21 anliegt; die Zeitkorrekturscheibe 21 mit ihrer radialen Ausschnittskante mittels einer in der Stundenscheibe 6 verankerten Rückstellvorrichtung 23 federnd gegen die Außenkante der Analemmascheibe 22 gedrückt wird; der Radius der Analemmascheibe 22 entsprechend eines Zeitgleichungsprofils derart variiert, dass bei einer 360°-Drehung der Analemmascheibe 22 die Zeitkorrekturscheibe 21 gegenüber der Stundenscheibe 6 entsprechend der Zeitgleichung verstellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung, im Folgenden Analemma-Antrieb genannt, die Drehbewegung der Stundenscheibe 6 (360° pro Tag) auf die Analemmascheibe 22 derart überträgt, dass X Umdrehungen der Stundenscheibe 6 die Analemmascheibe 22 entsprechend ihres Zeitgleichungsprofils um 360° weiterdrehen, wobei X = Anzahl der Tage pro Jahr ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Analemma-Antrieb dadurch realisiert wird, dass ein Analemma-Getriebe die Verdrehung der Jahresscheibe 15 gegenüber der Stundenscheibe 6 auf die Analemmascheibe 22 mit gleicher Winkelgeschwindigkeit überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Analemma-Getriebe dadurch realisiert wird, dass ein zwischen Jahresscheibe 15 und Stundenscheibe 6 und parallel zu ihnen liegendes, auf dem Zeigerträger 2 bezüglich der Zeigerträgerachse B drehbar gelagertes und mit der Jahresscheibe 15 starr verbundenes Triebzahnrad 24 ein in der gleichen Ebene liegendes Analemmazahnrad 25 mit gleicher Winkelgeschwindigkeit antreibt und letzteres über eine in der Stundenscheibe 6 drehbar gelagerte Achse starr mit der Analemmascheibe 22 verbunden ist, die auf der anderen Seite der Stundenscheibe 6 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 18 oder ggf. 26 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung des Zeigers 1 in dem Zeigerträger 2 durch eine Vorrichtung, im Folgenden Jahreswinkelverstärkung 26 genannt, verstärkt sowie funktional und ästhetisch ausgestaltet wird; die Jahreswinkelverstärkung 26 mit dem Zeiger 1 starr verbunden ist; die Jahreswinkelverstärkung 26 mit dem Zeigerträger 2 eine Kontaktfläche hat, derart, dass bei Verstellung des Jahreswinkels β im Bereich von 90° plus/minus Ekliptikwinkel γ die Kontaktfläche am Zeigerträger 2 entlang oder durch ihn hindurch geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche über Begrenzungsvorrichtungen verfügt, die die Verstellmöglichkeiten des Jahreswinkels β auf den Bereich von 90° plus/minus Ekliptikwinkel γ beschränken.
Vorrichtung nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Jahreswinkelverstärkung 26 als ein bezüglich des Fixpunktes C zentriertes, flaches, in der Ebene von Zeigerstrahl A und Zeigerträgerachse B liegendes Bogen- oder Kreissegment ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Jahreswinkelverstärkung 26 ein bezüglich des Fixpunktes C zentriertes, kreisförmiges Langloch aufweist, durch das ein in dem Zeigerträger 2 fixierter Stift geführt ist, derart, dass der Jahreswinkel β nur im Bereich von 90° plus/minus Ekliptikwinkel γ verstellt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen 3 auf einer Vorrichtung, im Folgenden Sockel genannt, parallel zur Horizontringebene D drehbar gelagert ist, derart, dass der Drehpunkt senkrecht unterhalb des Fixpunktes C liegt, so dass der Sonnenbewegungsanzeiger Nord/Süd ausgerichtet werden kann, u. a. auch durch experimentelle, sukzessive Orientierung an dem direkt beobachteten Sonnenlauf.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeigerträger 2 durch eine Vorrichtung, im Folgenden Stundenmotor 27 genannt, angetrieben wird, der auf oder im Rahmen 3 bzw. auf oder in der Gleitschiene 8 oder an einem sonstigen, geeigneten Ort gelagert ist und seine Antriebsbewegung direkt oder per Getriebe auf den Zeigerträger 2, die Stundenscheibe 6 oder die Zeitkorrekturscheibe 21 überträgt, derart dass der Zeiger 1 die Rotationskomponente der Sonnenbewegung in Echtzeit, zeitgerafft und/oder zeitgedehnt entweder kontinuierlich und/oder diskontinuierlich sowie entweder mit oder ohne Zeitgleichungskorrektur simuliert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 22 oder ggf. 26 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die deklinationsgemäße Veränderung des Jahreswinkels β durch eine Vorrichtung, im Folgenden Jahreswinkelmotor 28 genannt, erfolgt, der auf oder in dem Zeigerträger 2 bzw. auf oder in der Stundenscheibe 6 oder an einem sonstigen, geeigneten Ort gelagert ist und seine Antriebsbewegung direkt oder per Getriebe auf den Zeiger 1, die Ekliptikscheibe 12, das Außenrohr 14, die Jahresscheibe 15, bzw. auf die Jahreswinkelverstärkung 26 überträgt, derart, dass er den Jahreswinkel β in Echtzeit, zeitgerafft und/oder zeitgedehnt entweder kontinuierlich und/oder diskontinuierlich sowie entweder mit oder ohne Berücksichtigung der unterschiedlichen Jahreszeitenlänge verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 15 bis 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass an einer oder mehreren Stellen der getriebemäßigen Bewegungsübertragungen jeweils eine Rutschkupplung und/oder Arretiervorrichtung eingebaut ist, derart, dass die einzelnen Bewegungsabläufe zusätzlich zum getriebemäßigen, gekoppelten Antrieb auch unabhängig voneinander per Hand angetrieben und damit flexibler ausprobiert und erforscht werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass die manuell dreh- bzw. verstellbaren Bewegungselemente mit Brems- und/oder Arretiervorrichtungen, wie Bremsklötze oder -scheiben, Schleifkontakte, Feststellschrauben oder Schnellspanner, versehen sind, die einerseits gleichmäßig gleitende Drehbewegungen bzw. bequeme Einstellungsveränderungen erlauben und die andererseits die Bewegungselemente in jeder gewünschten Einstellung gegen ungewollte Verstellungen ausreichend stabil halten.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, dass die manuell dreh- bzw. verstellbaren Bewegungselemente mit Handstellvorrichtungen wie Handgriffe, Drehknöpfe, Kurbeln oder Kurbelgetrieben ausgestattet sind, die den Bedienungskomfort und die Erlebnisqualität erhöhen.
Vorrichtung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelgetriebe Übersetzungen haben, bei denen die Zahl der Kurbelumdrehungen einem ganzzahligen Vielfachen der jeweils angetriebenen astronomischen Einheit entspricht, wie z. B. 24 Kurbelumdrehungen für eine Drehung der Stundenscheibe 6 um 24 Stunden, so dass die astronomischen Größen auch durch die eigene motorische Betätigung erlebt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 45 oder 46, dadurch gekennzeichnet, dass der Horizontring 4 eine Skala, im Folgenden Horizontringskala P genannt, die die Himmelsrichtungen anzeigt, trägt, und/oder eine Skala, die die jahreszeitliche Wanderung der Sonnenauf- und -untergangspunkte anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen 3 oder die Gleitschiene 8 eine Skala, im Folgenden Breitengradskala Q genannt, trägt, die den Breitengradwinkel α anzeigt, auf den die Zeigerträgerachse B jeweils eingestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 bis 47 oder 48, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnringe 7 mit 24-stündigen Uhrzeitskalen, die die zu dem jeweils simulierten Stand der Sonne gehörende Uhrzeit anzeigen, und/oder mit Winkelskalen versehen sind, die Azimut und/oder Höhe des jeweils simulierten Sonnenstands angeben.
Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 48 oder 49, dadurch gekennzeichnet, dass die Ekliptikscheibe 12 und/oder die Jahreswinkelverkleidung 13 eine Winkel- und/oder einjährige Kalenderskala tragen, die den jeweils eingestellten Jahreswinkel β bzw. das dazugehörige Datum anzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 21 bis 49 oder 50, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr 14 eine Winkel- und/oder einjährige Kalenderskala trägt, die den jeweils eingestellten Jahreswinkel β bzw. das dazugehörige Datum anzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 27 oder ggf. 36 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass ein an dem Zeigerträger 2 befestigter, radial ausgerichteter Zeiger auf einer radial ausgerichteten Zeitgleichungskurve O, die sich auf der Stundenscheibe 6 befindet, die zeitgleichungsgemäße Verstellung der Stundenscheibe 6 gegenüber dem Zeigerträger 2 anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 32 bis 51 oder 52, dadurch gekennzeichnet, dass die Analemmascheibe 22 eine einjährige Kalender-, Winkel- und/oder Zeitgleichungsskala trägt, die Datum, Winkel bzw. Zeitgleichungswert anzeigen, welche zu der durch die Analemmascheibe 22 jeweils bewirkten, zeitgleichungsgemäßen Verdrehung der Zeitkorrekturscheibe 21 gegenüber der Stundenscheibe 6 gehören.
Vorrichtung nach Anspruch 36 bis 52 oder 53, dadurch gekennzeichnet, dass die Jahreswinkelverstärkung 26 eine Winkel- und/oder einjährige Kalenderskala trägt, die den jeweils eingestellten Jahreswinkel β bzw. das dazugehörige Datum anzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 40 bis 53 oder 54, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel und/oder der darauf drehbar gelagerte Rahmen 3 eine Winkel- und/oder Himmelrichtungsskala tragen, die die Ausrichtung des Sonnenbewegungsanzeigers bezüglich der Himmelrichtungen anzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 54 oder 55, dadurch gekennzeichnet, dass an den dreh- bzw. verstellbaren Bewegungs- und/oder angrenzenden Rahmenelementen weitere Skalen angebracht sind, durch die die jeweils aktuellen Einstellungen bzw. Bewegungsabläufe weitergehender veranschaulicht, quantitativ erfasst und/oder ausgeschmückt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 55 oder 56, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenbewegungsanzeiger als Kinderspielgerät dimensioniert und ausgestaltet ist sowie die auf dem Sockel drehbaren Modellen entweder mit oder ohne zusätzliche Karussellfunktionen ausgestattet sind, so dass sich Kinder wie auch Erwachsene durch das Gerät und ggf. seine Bezüge zum tatsächlich beobachtbaren Sonnenstand Grundlagen der Sonnenbewegung spielerisch, experimentell und interaktiv erschließen können.
Vorrichtung nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, dass die Karussellfunktion dadurch realisiert wird, dass der auf dem Sockel drehbar gelagerte Rahmen 3 um einen außen umlaufenden, kreisförmigen, begehbaren Steg sowie der Sockel um ein den Steg außen begrenzendes, feststehendes Geländer erweitert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 57 oder 58, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenbewegungsanzeiger mit zusätzlichen Gestaltungselementen und -funktionen, wie z. B. Treppen, Beleuchtung, Planeten, Sterne und Fahnen, ausgestattet ist, die die Spiel- und Erlebnisqualität des Gerätes erhöhen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 58 oder 59, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Bewegungselemente jeweils von einem eigenen Motor angetrieben werden, der einerseits zulässt, dass das Bewegungselement manuell nach Belieben, z. B. für Experimentierzwecke, bewegt werden kann, und der andererseits so gesteuert wird, dass er das Bewegungselement nach dem manuellen Betrieb wieder in die richtige Position zurückfährt und es ggf. anschließend programmgemäß weiter antreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 59 oder 60, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Zeiger 1 ein oder mehrere weitere, vom Fixpunkt C ausgehende, funktionsgleiche Zeiger eingebaut sind, die nicht in der vom Zeigerstrahl A und Zeigerträgerachse B aufgespannten Ebene, sondern in einer gegenüber dieser Ebene längst der Zeigerträgerachse B um einen bestimmten Winkel verdrehten Ebene liegen, so dass sie jeweils den um den entsprechenden Teilbetrag der Tageslänge versetzten, früheren bzw. späteren Sonnenstand sowie ggf. die entsprechend zeitversetzte Sonnenbewegung anzeigen und dadurch die dreidimensionale Gestalt der Sonnenbewegung noch plastischer veranschaulichen.