ETUDE THEORIQUE DU GNOMON
INADAPTE
Jean Pakhomoff
Tout bâton planté dans le sol peut sevir de cadran solaire. Nous allons envisager le cas le plus classique du cadran horizontal lorsque le style droit,
pour une raison quelconque, usure du temps ou erreur de découpe par exemple, n'a pas la grandeur retenue pour le calcul du cadran.
Soit le gnomon réel AQ est plus petit que le gnomon théorique AO .
FIG 1
Soit le gnomon réel AQ est plus grand que le gnomon thérique AO.
FIG 2
Soit donc (fig.1) un cadran solaire horizontal avec son style OO et son gnomon OA. Un rayon de soleil passant par O à linstant t se trouve dans
le vertical passant par le gnomon et dans le plan du cercle horaire dangle horaire t passant par OO. Ce rayon étant commun aux deux plans passe par P,
intersection de ces deux plans avec le plan de lhorizon.
Langle T est lazimut et langle horaire tabulaire est H à linstant t.
Imaginons que, par erreur de construction ou par usure dûe au temps, le gnomon nait plus quune hauteur égale à AQ.
A linstant t lombre de Q tombe en C sur la ligne dazimut AP dangle T. La ligne horaire indiquée par lombre de C est alors OC
qui ne correspond plus, bien évidemment, à langle horaire de linstant t.
Comment donc retrouver le véritable angle horaire t, donc lheure exacte, à partir de cette fausse ligne horaire tabulaire OC indiquéé par ce gnomon "rogné" ?
On remarquera que AQ peut-être considéré comme le gnomon dun cadran solaire AQQ homothétique de AOO.
Toutes les lignes horaires tabulaires de AQQ partant de Q seront parallèles à celles de AOO partant de O puisque de même valeur angulaire
donnée par la relation classique tgH=sinF tgt où F est la latitude du lieu où est situé le cadran.
Donc à linstant t, quand lombre de O tombe en P sur la ligne tabulaire OP du cadran OOA, lombre de Q tombe en C sur la ligne tabulaire QC du cadran QQA et CQA=POA=H.
Les triangles CAQ et CAO permettent décrire: CA / sin H = AQ / sin(T-H) ; CA / sin H' = OA / sin(T-H')
doù AQ sinH / sin(T-H) = OA sinH / sin(T-H') (1)
AQ=AQ/tgF et OA=AO/tgF En posant AO=a et AQ=a on a OA/AQ=AO/AQ=a/a.
De (1) on tire alors
a / a' = sinH sin(T-H) / sinH' sin(T-H) (2)
Bien que H corresponde à un temps faux, sa valeur angulaire est bien réelle et donnée par lecture directe du cadran. Le "faux" temps correspondant à H sera appelé t. Développons (2):
a /a' = (sinHsinTcosH-sinHsinHcosT) / (sinHsinTcosH-sinHsinHcosT)
divisons par cosT
a /a' = (sinHtgTcosH-sinHsinH) / (sinHtgTcosH-sinHsinH)
divisons par sinH
a / a' = (tgTcosH-sinH) / (tgTsinH/tgH -sinH)
divisons par sinH
a / a' = (tgT/tgH -1) / (tgT/tgH-1) autrement dit
a / à = [(tgT - sinFtgt) / sin F tgt')] / [(tgT - sin F tgt) / sin F tgt)]
a / a' = tgt (tgT-sinFtgt) / tgt(tgT-sinFtgt)
Lazimut T est donné entre autre par la relation classique:
tgT = sin t / ( sinFcost-cosFtgd ) où F est la latitude du lieu et d la déclinaison du soleil.
Remplaçons donc tgT par sa valeur et lon obtient:
a / a' = [tgt sint / (sinF cost - cosF tgd) - tgt sinF tgt] / [tgt' sint / (sin F cost' - cosF tgd) - tgt' sinF tgt] =
(tgt sint - sinF cost tgt sinF tgt + cosF tgd tgt sinF tgt) / (tgtsint - sinF cost tgt sinF tgt + cosF tgd tgtsinF tgt) =
(tgt sint - sint sin²F tgt + sinF cosF tgt tgttgd) / (tgtsint - sint sin²F tgt + sinF cosF tgt tgttgd)
divisons par tgt
a / a'= (sint - cost sin²F tgt + sinF cosF tgttgd) / (tgt cost - cost sin²F tgt + sinF cosF tgttgd)
atgtcost - acost sin²F tgt + asinFcosF tgttgd = asint - acost sin²F tgt + asinFcosFtgttg d
cost(atgt-asin²F tgt)+asinF cosF tgttgd = cost(atgt-asin²F tgt)+asinF cosF tgttg d
cost(atgt-asin²F tgt-atgt+asin²F tgt) = (a-a)sinFcosF tgttgd
cost(atgt-atgt+(a-a)sin²F tgt)=(a-a)sinF cosF tgttgd
Posons A = (a-a)sin²F tgt-atgt et B = (a-a)sinF cosF tgttgd
On obtient
cost(atgt+A) = B = asint +Acost
En posant tg (t/2) = n on peut avoir le sinus et le cosinus par les relations classiques:
sin(t/2) = 2n / (1+n²) ; cos(t/2) = (1-n²) / (1+n²)
doù léquation a 2n / (1+n²) + A [(1-n²) / (1+n²)] -B = 0
et a2n+A-An²-B-Bn² = 0 <===> (B+A)n²-2an+(B-A)=0 équation de type ax²+bx+c=0
Cette équation admet 2 racines. Le terme b est constamment pair puisque multiple de 2. Donc on peut appliquer la formule simplifiée de résolution des racines.
SQR (abcd) signifie racine carrée de abcd.
On aura donc en posant b=b/2
n= [-b+ou- SQR(b²-ac)] / a
Ici b=-a, a=(B+A), c=(B-A)
Donc n = [-(-a)+SQR((-a)²-(B+A)(B-A) )] / (B+A) = [a+SQR(a²-B²+A²)] / (B+A)
n = [a-SQR(a²-B²+A²)] / (B+A)
Connaissant n on prend arc tangente n et en le multipliant par 2 on trouve t angle horaire cherché.
1 heure étant égale à 15°,on divisera cet angle par 15 pour avoir la valeur en heures depuis midi.
11 à 12 <==> 12 à 13 = 1 heure
10 à 12 <==> 12 à 14 = 2 heures etc..
Un exemple numérique pour terminer:
Un gnomon construit à Marseille à la latitude 43,3° mesurant théoriquement 1,5 m. de haut et ne mesurant plus au jour de lecture que 1,43 m. indique 14h 30.
Quelle heure est-il réellement au soleil le jour de lhiver où la déclinaison du soleil est égale à -23,44° ?
On a t=14h30-12=2h30 <==> 2,5X15 = 37,5°
On trouve A=(150-143)sin²43,3tg37,5-150tg37,5=-112,5726796
B=-1,162359288
a=150 cm b=143 cm =========> D=33120,25711 SQRD=181,989717
n=-2,857428284====>arctgn=t/2=-70,71°=====> t=-141,42°
n=0,3428118316====>arctgn=t/2=18,92°=====>t=37,84464264°
Cette dernière valeur est celle attendue et correspond à 2h 3122 de laprés-midi. Le cadran au gnomon rogné a donc un retard de 1 22.
Les calculs refaits pour le jour de lété où la déclinaison du soleil est égale à 23,44° montrent que le retard est de 418 pour la même ligne horaire.
Si le gnomon AQ ne mesure plus que 125 cm au-lieu de 150 le jour de lété dans les mêmes conditions le retard est de 17 4.
Deux remarques pour finir: si ce gnomon indique 14h30 alors quil est 14h474 on peut se demander quelle heure il sera lorsquil indiquera 14h 474.
Lapplication des calculs précédents montre quil sera 15h452. Donc pour "combler" ce retard de 174 le gnomon rogné aura mis 1748.
Le gnomon peut aussi être plus long que le gnomon théorique (fig.2). Dans ce cas lheure indiquée retardera le matin et avancera laprés-midi.
Les calculs sont identiques: le cadran AQQ est > AOO et a>a, t>t.
A TOUTES LES BRIGITTE, MARIE-FRANCE OU SUZON,
DONT LA SEULE PRESENCE,
SANS AUCUNE EQUATION,
PEUT,
DUN GNOMON TROP COURT
FAIRE UN GNOMON
TROP LONG...
jean pakhomoff
mai 1999