DIE IDEE

Zu den Bildern

Anfang der neunziger Jahre brachte ein Hamburger Verlag ein Sammelwerk mit dem Namen "PROJEKT X" heraus.
In jeder Ausgabe dieses Werkes lag ein Bastelbogen, passend zum jeweiligen Thema, bei. So auch jene globale Sonnenuhr, die sehr dekorativ ist und mir von Anfang an gut gefiel.
Im Sommer 2000 kam mir beim eigentlich schon zufälligen Betrachten der Papp-Sonnenuhr die Idee, diese "im Zuge meiner Ausbildung zum Feinmechaniker" einmal aus metallischen Werkstoffen nachzubauen. So hätte ich auch einmal die Chance, Hobby und Beruf zu vereinen.

ERSTE ÜBERLEGUNGEN

Nachdem mir mein Ausbilder das OK für den Bau der Sonnenuhr während der Ausbildungszeit gegeben hatte, begann ich, mir zuhause einige Gedanken hinsichtlich der Konstruktion zu machen. Meine Sonnenuhr sollte im Maßstab 1 : 1 zur Modell-Sonnenuhr stehen und ebenso universell einsetzbar sein. Es entstanden die ersten Skizzen. Als diese fertig waren, musste ich erst überprüfen, ob die einzelnen Werkstücke so zusammenpassten und die zusammengebaute Sonnenuhr über ausreichend Stabilität verfügte.
So entstanden die ersten technischen Zeichnungen, die schon einige Änderungen gegenüber den anfänglichen Skizzen aufwiesen.
Die Arbeit in der Werkstatt meines Ausbildungsbetriebes konnte nun beginnen.

DIE FERTIGUNG IN DER WERKSTATT

Die Fertigung in der Werkstatt begann am 21.7.2000. Bei Zusammenbau der einzelnen Werkstücke traten teilweise noch Konstruktionsfehler in den technischen Zeichnungen auf, wodurch manchmal die Werkstücke neu gefertigt und die Zeichnungen entsprechend abgeändert werden mussten.
Bei Problemen in der Fertigung stand mir mein Meister glücklicherweise jederzeit mit Rat und Tat zur Seite.
Als besonders schwierig entpuppte sich das Verstiften von der Breitengradskala mit dem Halter und der Einstellskala, da diese Werkstücke zueinander präzise ausgerichtet und fixiert werden mussten und sich nur über wenige Millimeter im Schraubstock spannen ließen. Dementsprechend vorsichtig musste natürlich auch gebohrt werden.
Ein weiteres Highlight bei der Fertigung war die Gravur des Stundenringes. Diese konnte nicht einfach mit der Gravurmaschine gemacht werden, weil der Stundenring selbst im Weg gewesen wäre.
Mein Ausbilder hatte dann die Idee, den Stundenring mittig auf einen Rundtisch aufzuspannen und die Gravur mit einem stillstehenden Stichel, der normalerweise zum Ausspindeln verwendet wird, zu fertigen. Dies klappte ausgezeichnet, nahm allerdings viel Zeit in Anspruch, da der Rundtisch für jeden einzelnen Strich von Hand um 3,75° weitergeleiert werden musste (insgesamt 56 Striche pro Stundenring).
Zur optischen Verbesserung und Erleichterung der Ablesung habe ich die Striche für die vollen Stunden ganz, diejenigen für die halben Stunden nur halb und die für die Viertelstunden nur zu einem Viertel durchgezogen.
Insgesamt habe ich an 19 Tagen an der Sonnenuhr gebaut, bevor diese am 21.11.2000 endlich zusammenmontiert werden konnte. Die reine Fertigungszeit schätze ich auf etwa 100 Stunden (es wurden insgesamt 3 Sonnenuhren gefertigt).
Die Fertigungsvorbereitung (Zeichnungen, Konstruktionsüberlegungen) dauerten insgesamt etwa 20 Stunden.

"TAG DER OFFENEN TÜR" DER WERNER-VON-SIEMENS-SCHULE

Nach der Fertigstellung brachte ich die Sonnenuhr mit in die Berufsschule. Dort bat mich mein Lehrer, diese anlässlich des "Tag der Offenen Tür" am 9.12.2000 auszustellen. Nach Absprache mit meinem Ausbildungsbetrieb stimmte ich zu. Mit Hilfe eines Computer-Programms der Berufsschule fertigte ich für diesen Tag CAD-Zeichnungen der einzelnen Bauteile sowie eine Zusammenbauzeichnung der fertigmontierten Sonnenuhr an, was etwa 30 Stunden am heimischen PC in Anspruch nahm, sich aber hinsichtlich des Ergebnisses ungemein gelohnt hat.

DAS FUNKTIONSPRINZIP DER SONNENUHR (ALLGEMEIN)

Die wesentlichen Bestandteile einer Sonnenuhr sind Ziffernblatt und Schattenstab (auch Gnomon genannt). Bei Sonnenschein wird ein Schatten vom Gnomon auf das Ziffernblatt geworfen, der dann die "Uhrzeit" anzeigt. Dafür ist allerdings eine genaue Ausrichtung des Schattenstabes nach Süden unerlässlich. Bei der Ausrichtung der Sonnenuhr ist ein Kompass sehr hilfreich.
Hat man nun die Sonnenuhr genau ausgerichtet, so wird man feststellen, dass sie NICHT die "richtige" Uhrzeit anzeigt, wie man sie etwa auf einer Funkuhr ablesen kann. Dafür sind zwei Ursachen zu nennen:
  1. Der Unterschied des Längengrades zum Meridian, für den die jeweilige Zeitzone (bei uns die MEZ) gilt
  2. Die sogenannte Zeitgleichung, die sich aus der entsprechenden Fachliteratur herauslesen lässt.
Zu 1:

Die Mitteleuropäische Zeit (MEZ) ist angegeben für 15° östliche Länge (Normalmeridian). Dieser Längengrad berührt Deutschland nur im äußersten Osten (etwa in der Nähe von Görlitz).

Wetzlar hat eine geographische Länge von ungefähr 8.5° östlich von Greenwich (der Unterschied von 0.035° kann bei dieser Berechnung unberücksichtigt bleiben, da er im Ergebnis nur einen Unterschied von 8.6 Sekunden hervorruft und die Genauigkeit der Sonnenuhr ohnehin um etwa anderthalb Größenordnungen schlechter ausfällt).
Durch diese 8.5° östliche Länge ergibt sich also ein Unterschied zum Normalmeridian von DN = -6.5° (d.h., Wetzlar steht 6.5° westlicher zum Nullmeridian als der Normalmeridian).

Die Sonne vollführt in 24 Stunden einen Vollkreis am Himmel, daraus ergibt sich folgende Rechnung:

24 h = 360 ° 1° = 4min

Es ergibt sich ein Unterschied von D(t) = 6.5° * 4 min = 26 min

Da Wetzlar westlich des Normalmeridians steht, läuft die Sonne um diesen Betrag später durch den Meridian (d.h., sie zeigt diesen Wert "zu wenig" an.). Somit sind für Wetzlar also immer 26 Minuten zu der wahren Ortszeit zu addieren. Das hört sich zwar anfangs paradox an, aber wir wollen ja die Uhrzeit vom Normalmeridian.
Ist es auf dem Normalmeridian z.B. 12 Uhr, so zeigt unsere Sonnenuhr in Wetzlar erst 11:34 an, weil die Sonne ja noch 6.5°, also 26 Minuten, am Himmelszelt zurückzulegen hat.

Zu 2:

Die Zeitgleichung hat ihren Ursprung in der unterschiedlichen Bahngeschwindigkeit der Erde um die Sonne.
Nach Johannes Kepler ( * 1571, † 1630) überstreicht der Radiusvektor eines Objektes in gleichen Zeiten gleiche Strecken (2. Keplersches Gesetz). Das würde für ein Objekt mit einer absolut kreisförmigen Umlaufbahn um die Sonne eine gleichbleibende Bahngeschwindigkeit bedeuten.
Da die Erdbahn aber kein Kreis, sondern eine Ellipse ist, läuft die Erde in Sonnennähe (Perihel) schneller als in Sonnenferne (Aphel). Dadurch legt die Sonne in gleichen Zeitabschnitten NICHT gleiche Bahnbögen am Himmel zurück. Der Korrekturwert ändert sich von Tag zu Tag und kann in der entsprechenden Spezialliteratur (z.B. Handbuch der Sternfreunde von G. D. Roth) herausgelesen werden.
Er beträgt am 4. November z. B. -16 Minuten und am 9. Februar +15 Minuten. Der herausgelesene Wert ist zu der abgelesenen Uhrzeit und den 26 Minuten zu addieren (dabei ist das Vorzeichen zu beachten).

Sind diese beiden Korrekturen vorgenommen worden, so erhält man aus der wahren Ortszeit die Mitteleuropäische Zeit.

Beispiel:

Abgelesene Sonnenuhrzeit: 11:30 Uhr
Längenkorrektur: +26 min
Zeitgleichung: -5 min

Die Mitteleuropäische Zeit beträgt: 11:30 Uhr + 26 min + (-5 min) = 11:51 Uhr MEZ

DAS FUNKTIONSPRINZIP MEINER GLOBALEN SONNENUHR

Die wesentlichen Vorzüge meiner globalen Sonnenuhr gegenüber "herkömmlichen" einfacheren Modellen sind:

  1. Die Verstellbarkeit des Breitengrades, wodurch sich diese Sonnenuhr auf der gesamten Erde einsetzen lässt,
  2. Die Verstellbarkeit des Stundenringes (das Ziffernblatt), wodurch sich die errechneten Zeitkorrekturen oder andere Zeitzonen einstellen lassen (bis ± 2 Stunden) und
  3. Die Drehbarkeit des Gnomones (Schattenstab), wodurch perspektivische Längenfehler, bedingt durch den Winkelabstand der Sonne zum Mittagsmeridian, der angezeigten Ortszeit reduziert werden können. Durch Lösen der Halteschrauben lässt sich der Gnomon drehen und sogar herausnehmen (wichtig, wenn man von der Südhalbkugel auf die Nordhalbkugel oder umgekehrt umstellen will).

Eine weitere Besonderheit der globalen Sonnenuhr stellt die geschwungene Kurve des Schattenstabes dar, die den perspektivischen Höhenfehler der Sonne (sie steht im Sommer nördlich und im Winter südlich des Himmelsäquators) ausgleicht. Aus diesem Grunde muss bei einem Standortwechsel auch der Breitengrad verstellbar sein, da die Sonne auf anderen Breitengraden natürlich auch andere Höhen am Himmel erreicht.

Wie alle anderen Sonnenuhren (siehe oben), so muss auch der Schattenstab dieser Sonnenuhr möglichst genau nach Süden ausgerichtet werden (auf der Südhalbkugel nach Norden), was sich mit einem Kompass leicht bewerkstelligen lässt, indem man den Fuß einfach nach Norden ausrichtet.
Sind die errechneten Zeitkorrekturen mit Hilfe des verstellbaren Stundenringes eingestellt, so kann man am Schatten auch direkt die Mitteleuropäische Zeit ablesen. Im Sommer kann die Sommerzeit ebenfalls mit berücksichtigt werden.

Die Gravur auf dem Stundenring umspannt 210°, dadurch lässt sich die Zeit von 5h bis 19h Ortszeit ablesen (immer vorausgesetzt, dass die Sonne auch über dem Horizont steht und keine Zeitkorrektur mit dem Stundenring ausgeführt wurde).

Der Skalenteilungswert (Abstand von Teilstrich zu Teilstrich im Bogenmaß) beträgt 3.75°, was einer Ablesegenauigkeit von 15 Minuten entspricht. Mit gutem Augenmass lassen sich noch Unterschiede von 3 Minuten erkennen.

Die verwendeten Materialien sind Stahl für den Fuß sowie Messing für den Messkörper.
Das Gesamtgewicht der globalen Sonnenuhr beträgt 1575 g.
Die Abmessungen betragen bei 50° nördlicher Breite-Einstellung (Wetzlar):
LxBxH = 155mm x 111mm x 192mm
Die Sonnenuhr steht (Eingangskriterium) im Maßstab 1 : 1 zur Modellsonnenuhr.

ERSTE MESSUNGEN

Insgesamt habe ich 23 Messungen an 14 Tagen vorgenommen.
Im Durchschnitt stimmt die korrigierte Sonnenuhrzeit mit der MEZ (Videotext) auf 5.5 Minuten genau, wobei der größte Fehler bei 18 Minuten lag (den Grund für diesen ungewöhnlich hohen Fehler konnte ich leider nicht ermitteln). Der geringste Fehler betrug 1 Minute (Sonne im Meridian, geographischer Mittag, ein bisschen Glück war auch dabei).

Natürlich sind alle Messungen auch fehlerbehaftet.

So gibt es Fehler bei der Einstellung des richtigen Breitengrades, Ungenauigkeiten bei der Ausrichtung nach Süden und bei der Einstellung des Stundenringes (Zeitkorrektur). Alle diese Fehler (man spricht von zufälligen Fehlern) lassen sich bei gewissenhafter Auf- und Einstellung auf ein Minimum reduzieren. Durch die Inklination der magnetischen Pole gegenüber der geographischen kommt es weiterhin zu einem systematischen Fehler, der sich von Deutschland aus aber vernachlässigen lässt. In anderen Erdteilen muss man diesen Fehler aber berücksichtigen.
Ich denke, dass eine Genauigkeit von 6 - 7 Minuten für Messungen aus Mitteleuropa einen realistischen Wert darstellen.