Géométrie des cadrans solaires inclinés
Jean Pakhomoff
Préambule.
Nous étudions les cadrans inclinés face tournée vers le ciel.
Ils sinclinent dun angle i déterminé souvrant
par le bas vers le sud (déclinant) ou le nord (inclinant).
Nous nenvisagerons pas le cas des cadrans inclinés face vers le sol car leur intérêt paraît moindre du moins
sur le plan purement pratique. On pourrait cependant aborder leur étude par le même type de raisonnement
présenté ci-dessous. Comme pour les déclinants ou inclinants non inclinés (verticaux) nous envisageons 2 zones
par rapport au plan méridien :
la zone Est contenant les lignes horaires daprès-midi et la zone Ouest contenant les lignes horaires du matin.
Nous calculerons liDW (incliné déclinant ouest) et liIW (incliné inclinant ouest) sachant que, par analogie,
comme vu dans l'étude des cadrans verticaux, on obtient liDE (incliné déclinant est) et liIE (incliné inclinant est)
à l'aide des mêmes relations:
liDELE (lignes est) répondant aux mêmes équations que
liDWLW (lignes ouest) et liDELW répondant aux
équations que liDWLE etc
Les différents types de cadrans inclinés que nous allons étudier sont présentés ci-dessous:
fig1
En bleu l'axe du monde, style du cadran, f la latitude.
1 cadran vertical
2 cadran incliné d'un angle i vers le sud, style sortant vers le bas.
Ce sera le cas des cadrans iDW et iDE angle j supérieur à la latitude f.
L'angle j sera évalué plus loin.
3 cadran équatorial où le style est
parallèle à l'axe du monde.
4 - cadran incliné vers le sud, style sortant vers le haut: cas
des iDw et iDE angle j < f. L'angle j sera défini plus loin.
5 cadran horizontal classique où le plan du cadran est parallèle à l'horizon (i = 90°)
6 et 7 cadrans inclinés vers le nord. i varie de 0 à 90° et il n'y a qu'une sortie du style vers le haut.
8 Cadran incliné vers le nord dit cadran polaire, l'axe du monde étant perpendiculaire au cadran.
Conventions :
On appelle déclinaison gnomonique du cadran langle dg
correspondant au pivotement du cadran vers lest ou vers
louest
depuis le premier vertical.
On dira que le cadran décline ou incline à l'est si le cadran est tourné vers l'est.
Sqr ( ) signifiera racine carrée de ( ). Le rouge sera associé généralement aux cercles horaires et aux plans dièdres ;
le vert aux cercles azimutaux.
Les angles horaires t comme les azimuts T sont comptés depuis le méridien jusquà lanti-méridien de 0 à 180°
côté est comme côté ouest.
Ainsi 19 h correspond à un angle horaire de 105°/15 vers louest en partant du méridien (12 + 7) et 5h du matin
correspond à un même angle de 105° vers lest (12 - 7).
La droite O'S représentera la ligne de coupe entre le plan méridien et le plan du cadran incliné
fig 2
ligne de XII heures
Soit le plan O'WE dans le premier vertical (perpendiculaire au
plan méridien contenant le style OO'A).
On fait pivoter ce plan d'un angle dg autour de
O'A.
On obtient le plan O'W'E'. En inclinant celui-ci d'un angle i on
obtient le plan O'W''E'' avec W''E'' parallèle à W'E'.
W''E'' coupe OA en S donnant la ligne de coupe O'S sur l'incliné
dans le plan méridien. O'S est alors appelée la ligne de XII
heures.
On considérera notre cadran solaire comme un grand cercle de la
sphère céleste.
fig 3
Soit un premier vertical WZE (fig 1)
On fait pivoter de dg vers l'ouest ce premier vertical (fig 2). W
se retrouve en U et E en U'. Puis on l'incline d'un angle i vers
le nord (fig 3).
On prend comme cas de figure un horizon de
latitude f.
Le point Z se retrouve en Z' et ce plan incliné coupe le plan
méridien en M et M' .où MM' est la ligne de XII heures.
Chapitre 1
Les cadrans iDW et iDE angle J supérieur à la
latitude f
Cas de figure de liDWLW (incliné déclinant ouest lignes
ouest du matin).
Etude du style.
Sur la figure 4 est représenté un cadran incliné d'un angle i
et déclinant dun angle dg (déclinaison gnomonique
du cadran) vers louest.
fig 4
OO axe du monde et style du cadran.
A projection de O sur le cadran dans le plan méridien.
Le style principal est alors OAO et OOA est
langle de la latitude.
Soit PR lhorizontale passant par A et OK
lhorizontale passant par O dans le plan vertical
O'KAR.
Soit O la projection orthogonale de O sur PR.
Inclinons dun angle i le cadran vertical POR autour
de l'horizontale OK. On obtient alors le plan
QOQ
de notre cadran incliné, la droite QQ
étant lhorizontale de QOQ balayant la droite
OA. QQ coupe OA en S.
OS est alors la ligne de coupe du plan méridien sur
QOQ, autrement dit la ligne de XII heures.
Remarquons que lorsque S arrive en O le style OO est
contenu en entier dans le plan du cadran incliné
QOQ.
Cela correspond à ce que nous pouvons appeler linclinaison
maximum im au-delà de laquelle le style ne sort plus
vers le sud mais vers le nord et ce cas sera
celui du deuxième chapitre de notre étude.
.QQ balaie AO de A en O passant par S et OO
(projection de O sur le vertical d'origine) passant par T.
OO perpendiculaire à POP est perpendiculaire à toutes les droites de ce plan et en particulier à la verticale KO
et à lhorizontale PR puis à QQ parallèle à PR dans le plan horizontal QPRQ contenant les horizontales PR et AS.
Le triangle KOT rectangle en O est le dièdre dangle i des plans POR et QOQ. PR et QQ lui sont perpendiculaires
comme elles le sont à tous les autres dièdres
de ces plans.
On remarque que tg im = OO / OK =
OO / O'A = l cos f cos dg/ l sin f = cos dg / tg f
ALS rectangle en L permet décrire AL = AS cos dg et le
dièdre OAL rectangle en A donne AL / OA = tg i
doù
AL = l sin f tg i = AS cos dg et AS = l sin f tg i / cos d
OL cos i = OA et OL = l sin f /
cos I = KT'
a) Calcul des angles OSA = j et OSL = V.
OAS rectangle en A donne tg j = OA / AS = cos dg / tg
i
Cet angle est d'une grande importance. Lorsque j > f
(latitude) le style du cadran (axe du monde)
sort du plan vers la terre et lorsque j < f le style sort vers
le ciel comme on peut le voir sur la sphère
céleste:
fig 4a
ALS et OLS rectangles en L (OAL dièdre parallèle au
plan KOT) donnent
LS = AS sin dg = l sin f tg i tg dg
OL / LS = tg V et tg V = (l sin f / cos i) / l sin f tg i
tg dg = 1 / sin i tg dg On aura de même
OS sin V = OL et OS = l sin f /
cos i sin V
OS, ligne de XII heures, fait dans le plan méridien un
angle j avec lhorizontale et un angle V avec
lhorizontale
passant par S dans le plan de lincliné
QOQ.
Par commodité de construction on se servira dun style
secondaire OOT perpendiculaire au cadran incliné
que nous allons maintenant calculer. Projetons O en O sur le vertical POR ; KO est la verticale passant par O,
K étant pris sur lhorizontale
KO.
OOK formé par lhorizontale OO et
la verticale OK est un plan vertical. QQ coupe
perpendiculairement OO en T
(QQ et PR parallèles) et QT est perpendiculaire à toutes les droites du vertical OOK en particulier à TK.
De même KO est perpendiculaire à toutes
les droites de OOK et en particulier à
OK et à KT.
Langle OKT égal à i est le dièdre des
plans POR et QOQ. (OKT étant
une partie du plan OKT).
Depuis O abaissons une perpendiculaire en T sur le prolongement
de la ligne KT du dièdre OKT.
On obtient alors le triangle OTO rectangle en T puisque OT
est perpendiculaire à QOQ et donc à toutes les
droites de ce plan passant par T et en
particulier à OT. On a OT /
OK = tg i et OT = OK tg
i = OA tg i = l sin f tg i
OT = OO - OT = l cos f cos dg
- l sin f tg i KTO'' = pi/2 - i = OTT doù
TOT = i
OT = OT cos i = l cos f cos dg cos i - l sin f sin i
TT = OT sin i = l cos f cos dg sin i - l sin f tg i
sin i
KT cos i = KO = OA = l
sin f et KT = l sin f / cos i ***
KT = KT + TT
Donc connaissant KT on peut positionner T sur la ligne de plus
grande pente située à la distance
OK = AO = l cos f sin dg de la
ligne de plus grande pente OL.
Il ne nous reste plus quà calculer OT pour
construire notre style secondaire OTO.
OO ² = l ² = OT ² + OT ² et
OT = SQR ( l ² - OT ² )
En appelant S' le point d'intersection de LS avec O'T on a en
considérant les triangles semblables dans O'KT:
S'T / O'T = T'T / KT = S'T' / O'K et S'T' = T'T O'K / KT
Méthode à suivre:
Mener une horizontale K'K vers le haut du cadran et choisir un
point O' sur celle-ci. Mener la perpendiculaire O'L à K'K.
OL = l sin f / cos i Positionner K sachant que OK =
AO = l cos f sin dg Par K mener une perpendiculaire
à KK' et placer
sur celle-ci le point T à KT = KT +
TT
Joindre O' à T pour avoir la base de notre style.
On a mené KT à l'est de O' (à droite de ' en regardant le
cadran).
Ces résultats restent valables dans le cas d'un incliné
déclinant à l'est (iDE) mais K sera alors à l'ouest de O'
(à gauche en regardant le cadran).
Cas de figure de l'IDWLW - IDELE
Coordonnées x et y du point P' intersection dun rayon
solaire avec le plan de lincliné déclinant.
Nous avons choisi comme cas de figure le déclinant ouest lorsque
le style sort du cadran vers le bas (j > f).
I - Lignes du matin IDWLW, du soir IDELE.
T<pi/2-dg
C'est ce que nous nommons l'iDWLW (incliné déclinant ouest
lignes ouest)
fig 5
a) Calcul de langle horaire tabulaire Hi.
On peut voir sur la figure 2 un rayon de soleil dangle
horaire t donnant sur lhorizon f langle tabulaire H.
Le vertical azimutal coupe lhorizon selon un angle T et le
soleil dans ce plan azimutal fait avec lhorizon un angle de
hauteur h.
Le plan du cercle horaire coupe lincliné selon OGO
et le plan azimutal coupe lincliné selon OBK
(le cadran vertical correspondant est coupé
selon OBK). Il nous faut calculer langle
horaire tabulaire GOS = Hi.
OAS permet décrire OS sin j = OA = l sin
f et OS = l sin f / sin j de même
O'S = l sin f / cos i sin V d'où sin j = cos i sin V
OGS permet décrire GS / sin Hi = OS / sin (pi
(V+Hi) = OS / sin (V+Hi) Et GS =
l sin f sin Hi / sin j sin (V+Hi)
OOS permet décrire OO / sin j = OS / sin
(pi-(pi-j+f))
= OS / sin (j-f) et OS = l sin (j-f) / sin j
OGS permet décrire GS / sin H = OS / sin (pi-(pi/2+dg+H))
= OS / cos (dg+H)
Et GS = l sin(j-f) sin H / cos (dg+H) sin j = l sin f sin Hi / sin j sin (V+Hi) doù
Sin f sin Hi cos (dg+H) = sin (j-f) sin H sin
(V+Hi)
Posons sin f cos (dg+H) = A et sin (j-f) sin H = B on peut
écrire
A sin Hi = B sin (V+Hi) = B sin V cos Hi + B sin Hi cos V.
Divisons par cos Hi.
Il vient A tg Hi = B sin V + B cos V tg Hi
tg Hi ( A - B cos V) = B sin V et tg Hi = B sin V / (A B
cos V) ou
tg Hi = sin (j-f) sin H sin V / (sin f cos (dg+H) - sin (j-f) sin
H cos V) (1)
b) Coordonnées x et y de P'.
Le vertical azimutal coupe lhorizon et lincliné
selon OBK et le cadran vertical POP selon
BK.
Le rayon solaire passant par O arrive en P sur lincliné à
lintersection des 3 plans
(azimut, cercle horaire, cadran incliné).
BK fait avec BB un angle j et avec BQ un angle
U.
-Calcul de j.
SBO = BBB = pi (pi/2+dg+T) = pi/2-(dg+T)
BBB rectangle en B ==> BB
sin BBB = BB = AL = l sin f
tg i et BB = l sin f tg i / cos (dg+T)
KBB rectangle en B ==> tg j =
BK' / BB = l sin f / (l sin f tg I / cos (dg + T)) et
tg j = cos (dg+T) / tg i
-Calcul de U.
KB = BK sin j et BK = l sin f / sin
j
BBK rectangle en B
(BKB dièdre de lincliné et du
cadran vertical origine) ==>
BK = BK sin U =
BK / cos i = l sin f / cos i et
Sin U = BK / BK = (l sin f / cos i) / (l
sin f / sin j) Sin U = sin j / cos i
-Calcul de OP' (OG + GP').
OBP' ==> BP' / sin h = OB / sin (pi-(j+h)) = OB / sin
(j+h)
où h est la hauteur du soleil.
OBS ==> OB / sin (pi-(pi/2-dg)) = OB / cos dg = OS / sin
(pi-(pi/2+dg+T))
= OS / cos (dg+T)= BS / sin T
OB = OS cos dg / cos (dg+T) = l sin (j-f) cos dg / sin j cos
(dg+T)
BP' = OB sin h / sin (h + j') = l sin (j-f) cos dg sin h / sin (h
+ j') sin j cos (dg+T)
OGS ==> OG / sin V = GS / sin Hi =
(l sin (j-f) sin H / cos (dg+H) sin j) / sin Hi et
OG = l sin V sin(j-f) sin H / cos (dg+H) sin j sin Hi En
prenant lautre valeur de GS on obtient
OG / sin V = (l sin f sin Hi / sin j sin (V+Hi)) / sin Hi
et
OG = l sin f sin V / sin j sin (V+Hi) (2)
BG P' ==> BG P' = pi-(V+Hi) et BPG = pi-(pi-(V+Hi)+U) = V+Hi-U
B P' / sin(pi-(V+Hi)) = G P' / sin U et G P' = B P' sin U / sin
(V+Hi) doù
G P' = l sin (j-f) cos dg sin h sin U / sin (j+h) sin j cos
(dg+T) sin (V+Hi) (3) O P' = OG + G P' (4)
Puis xP = O P' sin Hi
y P' (o) = O P' cos Hi en partant de O
y P' (s) = y P' (o) O S en partant de S (on a
vu que OS = l sin f / sin j)
Lorsque le soleil est dans le plan méridien (fig
5') le point P' se trouve alors sur la ligne de XII heures O'S.
Dans OP'O' on a O'P' / sin (f + h) = OO' / sin OP'O' = l / sin
(pi - (pi/2 f + (pi/2 j) + f + h))
= l / sin (pi (j + h) = l / sin (j + h) et O'P' = y = l
sin (f + h) / sin (j + h)
On a là la valeur du point de midi pour chaque arc diurne.
fig 5'
iDWLW cas particuliers.
1) Le soleil est dans le plan du cadran vertical dorigine
(langle azimutal T=pi/2-dg).
Examinons la figure 5a.
Fig 5a
T = pi/2 dg alors dg + T = pi/2 et j' = 0 = sin U
tg Hi indépendant de j' et U peut se calculer avec la relation
(1). Par contre GP' (3) est indéfini (0/0)
Le soleil se trouve dans un vertical parallèle au plan du
cadran.
Un rayon passant par O coupera le cadran en P' sur la ligne
horaire Hi à son intersection avec la droite azimutale ZZ'.
TT = OT / sin i = (l cos f cos dg
l sin f tg i) / sin i
STT rectangle en T donne ST
cos (pi/2-V) = TT ==> ST =
TT / sin V et
OT = OS + ST
(avec OS = l sin f / sin j)
O'P'T'' donne sin (Hi + V) / O'T'' = sin V / O'P' et O'P' = sin V
O'T'' / sin (Hi + V) Projetons P' sur O'S en C:
x = O'P' sin Hi y = O'P' cos Hi y(s) = y O'S
2) T> pi2-dg H < pi/2 dg
(si H >ou = pi/2 - dg la construction montre que le soleil est
derrière ou sous le plan du cadran. Le cadran n'est pas
ensoleillé)
Dans le cas du cadran vertical origine le soleil est derrière
celui-ci. Mais lorsque le cadran sincline de i
le soleil peut alors être au-dessus du plan du
cadran et léclairer. Ce, à condition que la hauteur du
soleil
soit supérieure à un angle RT que nous définirons ci-dessous.
Ceci se comprend facilement en observant la figure 6.
Fig 6
L'incliné coupe l'horizon en C et D et le plan méridien en M et
S'. Un vertical d'angle azimutal
> pi/2-dg est coupé en h1 par un arc semi-diurne solaire de
déclinaison d1 et en h2 par un autre arc semi-diurne de
déclinaison d2.
h1 se situant sous le plan incliné ne peut éclairer la face
utile du cadran solaire alors que le soleil en h2
dans le même azimut éclairera celui-ci.
L'angle j est l'angle compris entre la méridienne et la ligne de
12 heures de l'incliné (ligne de coupe de celui-ci avec le plan
méridien).
MNC donne tg MN / tg MCN = sin NC et
tg j = 1/tg i * sin (pi/2 + ou dg) = cos dg / tg i
Observons la figure 7
.
fig 7
Les calculs de tg Hi sont identiques au cas T < pi/2-dg.
Dans SOB on a BSO = pi/2 dg ; SOB = pi T ; SBO =
pi-(pi/2-dg+pi-T) = dg+T-pi/2 = BBB.
BBB et BB sin
BBB = BB = AL = l sin f tg i
sin (dg+T-pi/2) = - cos (dg+T) et BB = l sin f tg i / -cos
(dg+T)
KBB ==> tg j = BK / BB = l
sin f / (l sin f tg i / - cos (dg+T)) = - cos (dg+T) / tg i
Doù j. Ensuite KB = KB sin j
et KB = l sin f / sin j BBK ==>
BK = BK sin U = BK / cos i =
l sin f / cos i
Et sin U = BK / BK = (l sin f / cos i) /
(l sin f / sin j) = sin j / cos i
Calcul de OP = OG + GP'
OBP' ==> BP' / sin (pi-h) = OB / sin(pi-(pi-h+j)) et BP'
= OB sin h / sin (h-j) OBS ==> OB / sin (pi/2 dg)
= OB / cos dg =
OS / sin(pi-(pi/2-dg+pi-T)) = OS / sin (dg+T-pi/2) et
OB = OS cos dg / -cos(dg+T) = - l sin (j-f) cos dg / sin j cos
(dg+T)
Doù BP' = - l sin (j-f) cos dg sin h / sin j sin
(h-j) cos (dg+T)
OG a la même valeur que dans le cas où T<pi/2-dg : on
prend la valeur OG = l sin f sin V / sin j sin (V+Hi)
BGP' ==> BGP' = pi (pi-(V+Hi) = V+Hi
BP' / sin(V+Hi) = GP' / sin U et GP' = BP' sin U / sin (V+Hi) et
GP' = - l sin (j-f) cos dg sin h sin U / sin j sin (h-j)
cos (dg+T) sin (V+Hi) Pareillement
xP' = OP' sin Hi yP'(o) = OP'
cos Hi et yP'(s) = yP'(o) OS
Si H> pi/2 dg alors le soleil est «sous» le cadran.
Heure d'apparition du soleil sur le cadran
Lorsque l'azimut est > à pi/2 dg le matin ou > à
pi/2 + dg l'après-midi pour les IW et
inversement pour les IE le soleil peut être sous ou sur le
cadran selon sa déclinaison.
On peur rechercher l'instant t où le soleil apparaîtra ou
disparaîtra sur le cadran.
On retrouvera ceci pour les autres types de cadran.
Les relations sont quasi identiques aux signes prés.
voyons la figure 8
fig 8
Choisissons un arc semi-diurne R'R'' de déclinaison d. Celui-ci
coupe l'incliné en R.
On fait passer par R un vertical qui sera l'azimut T de R.
On fait également passer par R un cercle horaire d'angle horaire
t.
Le triangle sphérique RTU' rectangle en T permet d'écrire:
tg RT / tg (pi/2-i) = sin TU' TU' = ST-SU' = T (pi/2-dg)
et
tg RT = (1/tg i) * (- cos (T+dg)) d'où RT = arctg ((1/tg i) * (-
cos (T+dg)))
Remarque: Lorsque l'azimut T du point de rencontre de l'arc
semi-diurne de déclinaison d
est < pi/2 dg (ou < pi/2 dg pour les
déclinants Est) le point R est sous l'horizon comme on peut le
voir sur la figure 9
fig 9
On a alors tg RT / tg (pi/2 i) = sin (pi/2 (dg +
T)) = cos (dg + T)
et tg RT = cos (dg + T) / tg I
On s'aperçoit, comme l'on pouvait s'en douter, que RT = j' dans
tous les cas de figure que nous avons
envisagés et que nous découvrirons dans les autres cas puisque
TOR représente l'angle de coupe de
l'azimut de R avec l'horizon.
Lorsque cet azimut en ce qui concerne les DW est < à pi/2
dg pour les heures du matin ou < pi/2 + dg
pour les heures du soir (l'inverse pour les DE) les levers et
couchers se font devant le plan du cadran
L'angle horaire le plus grand sera donc égal à la valeur de
l'arc semi-diurne = atn (-cos d cos f).
Daans tous les autres cas le moment d'apparition ou de
disparition du soleil sur le plan du cadran sera
déterminé par la valeur de j' (=RT). Lorsque la hauteur du
soleil est égale à j' celui-ci apparaît sur le
cadran ou disparaît de celui-ci. Donc connaissant la latitude,
la déclinaison solaire, la déclinaison
gnomonique et l'inclinaison du cadran on peut en entrant un angle
horaire connaître la hauteur et
l'azimut du soleil. Ce qui nous permettra de calculer j' (angle
de coupe pour cet azimut).
Si j' est < à la hauteur h du soleil pour cet angle horaire
le cadran est éclairé. Si h < j' celui-ci ne l'est pas.
On peut alors déduire quel est l'angle horaire correspondant à
l'égalité j' = h en remplaçant la hauteur
par j' dans la relation classique donnant la hauteur d'un astre
sur l'horizon et de là trouver l'angle horaire
du lever ou coucher du soleil sur le cadran.
On aura sin j' =cos d cos f cos t + sin d sin f et cos t = (sin
j' sin d sin f) / (cos d cos f)
Pour les IDW et IDE j > f l'angle J' (fig 9a) prend naissance
en B.
Mais, dans le même plan azimutal on retrouve J' à partir de O
centre de la sphère en faisant
glisser B en O; B' venant en D, K' venant en E
(fig 9a)
fig 9a
Nous donnerons à la fin de chacun des 3 chapitres une méthode plus générale d'obtention des
angles
horaires de passage du soleil sur le plan du cadran.
3) T> pi2-dg H = pi/2 dg
La relation donnant tg Hi se simplifie pour donner Hi = V
Dans cette configuration IDWLW les lignes horaires du matin sont
louest. Il ne peut en être autrement.
fig 10
Quand T > pi/2 - dg et H = ou > pi/2 -dg
lintersection entre le rayon solaire le cercle azimutal et
le cercle horaire
se fait à lest. Le cadran est alors
«éclairé» sur sa face arrière et pourrait marquer
lheure mais avec un autre style.
Il ne peut y avoir densoleillement sur lIDWLW.
On notera que tous les levers se font sur le cadran pour les
azimuts solaires inférieurs à pi/2 dg
(les couchers se faisant tous devant le cadran
pour un azimut solaire inférieur à pi/2 + dg).
Rappel: en gnomonique les azimuts sont comptés de 0 à 180° du
sud au nord en est comme en ouest.
Déclinaisons compatibles avec des levers et couchers:
fig 11
Appelons dm la déclinaison du point M et ds = - dm celle
du point S.
R va se déplacer de M en S ce qui correspond à un
intervalle de déclinaisons égal à
pi/2 dm = MN PN = j f doù intervalle dm = pi/ 2 (j f) et dm
On remarque que cette condition est valable quand
j > f.
Lorsque j < f il nous faut prendre dm = pi/2 (f
j) comme le montre la figure 12.
fig 12
On pourra écrire: si abs (d) > dm il ny a pas
intersection de lincliné avec ces arcs semi-diurnes.
Donc entrer une autre déclinaison d.
Nous verrons plus loin une autre façon de calculer les heures
d'apparition et de disparition du soleil sur le cadran.
Voyons maintenant le cas des iDWLE j > f
II- Lignes du soir.
Cest ce que nous nommons les iDWLE (incliné déclinant
ouest lignes est) .
Le style est bien sûr celui des iDWLW. Son
calcul a été exposé précédemment.
T < pi/2 + dg
fig 13
j et V répondent aux mêmes calculs de même que létude
du style.
a) Calcul de langle horaire tabulaire Hi.
OS est également donné par l sin f / sin j
GSO ==> GS / sin Hi = OS / sin (pi-(pi-V+Hi)) =
OS / sin (V-Hi) Et GS = l sin f sin Hi / sin j sin (V-Hi)
OGS ==> GS / sin H = OS / sin (pi-(pi/2-dg+H)) = OS / sin
(pi/2+(dg-H))
= OS / cos (dg-H).
OOS ==> OO / sin (pi-j) = OS / sin (pi-(pi-j+f))
et OS = l sin (j-f) / sin j
La valeur de OS ne change pas du cas précédent et on a GS = l
sin (j-f) sin H / sin j cos (dg-H)
En comparant les 2 valeurs de GS on a
l sin f sin Hi / sin j sin (V-Hi) = l sin (j-f) sin H / sin j cos
(dg-H)
qui donne après les mêmes simplifications que dans le cas
précédent :
tg Hi = sin (j - f) sin H sin V / (sin f cos (dg - H) + sin (j -
f) sin H cos V)
b)- Coordonnées x et y de P'
- Calcul de j.
BBB = SBO = pi-(pi/2-dg+T) = pi/2 + (dg-T)
BBB rectangle en B ==> BB
sin BBB = BB' = AL = l sin f tg i et
BB = l sin f tg i / cos (dg-T)
KBB ==> tg j = KB / BB = l
sin f / (l sin f tg i / cos (dg-T)) = cos (dg-T) / tg i
- Calcul de U.
KB = KB sin j et KB = l sin f / sin
j
BBK ==> BK = BK sin
U et sin U = B K / BK
Sin U = (l sin f / cos i) / (l sin f / sin j) = sin j
/ cos i
- Calcul de OP'.
OBS ==> OB / sin (pi/2-dg) = OB / cos d = OS / sin
(pi-(pi/2-dg+T))
= OS / cos (d-T) = BS / sin T
OB = OS cos dg / cos (d-T) = l sin (j-f) cos dg / sin j cos
(dg-T) OBP' ==>
BP' / sin h = OB / sin (pi-(h+j)) = OB /
sin (h+j) ==>
BP' = OB sin h / sin (h+j) et BP' = l sin (j-f) cos dg sin
h / sin (j+h) sin j cos (dg-T)
OGS ==> OG / sin (pi-V) = GS / sin Hi ==>
OG = GS sin V / sin Hi et on a vi ci-dessus que
GS = l sin f sin Hi / sin j sin (V-Hi)
OG = l sin f sin Hi sin V / sin j sin (V-Hi) sin Hi = l sin
f sin V / sin j sin (V-Hi)
BGP' ==> BGP' = OGS = pi-(pi-V+Hi) = V-Hi
BP' / sin (V-Hi) = GP' / sin U ==> GP' = BP' sin U / sin
(V-Hi) et
GP' = l sin (j-f) cos dg sin h sin U / sin (j+h) sin j cos
(dg-T) sin (V-Hi)
O P' = OG + G P' xP' = P'C = O P' sin Hi y P'
(o) = O P' cos Hi y P' (s) = y P' (o)
OS
c)- Cas particuliers.
1) Le soleil est dans le plan du cadran vertical dorigine
Si T - dg = pi/2 ou T = dg + pi/2 alors cos pi/2 = 0 et j' = 0 =
sin U Tg Hi reste identique
mais GP' est indéfini.
Le soleil se trouve dans un vertical parallèle au plan du
cadran.
Fig 14
Un rayon passant par O coupera le cadran en P' sur la ligne
horaire Hi à son intersection avec la droite azimutale ZZ'.
Le soleil se trouve dans un vertical parallèle au plan du
cadran.
Un rayon passant par O coupera le cadran en P' sur la ligne
horaire Hi à son intersection avec la droite azimutale ZZ'.
TT = OT / sin i = (l cos f cos dg
l sin f tg i) / sin i
STT rectangle en T donne ST
cos (pi/2-V) = TT ==>
ST = TT / sin V et
OT = OS + ST (avec OS =
l sin f / sin j)
O'P'T'' donne sin (V - Hi) / O'T'' = sin (pi - V) / O'P' et O'P'
= sin V O'T'' / sin (V - Hi)
Projetons P' sur O'S en C:
x = O'P' sin Hi y = O'P' cos Hi
2)- Soleil derrière le cadran vertical origine et ligne horaire
encore devant.
T > pi/2+dg; H < pi/2+dg H ne peut pas être > pi/2 + dg
car alors le cadran n'est pas
ensoleillé le soleil étant sous le plan du cadran (la
construction montre cela).
fig 15
a)- Calcul de Hi.
j, V et OS donnent lieu aux mêmes calculs et ont même
valeur. OGS ==> GS / sin Hi = OS / sin
(pi-(pi-V+Hi)) ==>
GS = l sin f sin Hi / sin j sin (V-Hi)
De même, même valeur pour
tg Hi = sin (j-f) sin H sin V / (sin f cos (dg-H) + sin (j-f) sin
H cos V)
b)- coordonnées x et y de P.
Dans BBB on a BBB = SBO =
pi-(pi/2+dg+pi-T) = (T-dg)-pi/2
BB sin BBB = BB = AL =
l sin f tg i et BB = l sin f tg i / -cos (T-dg)
KBB ==> tg j = KB / BB = l
sin f / (l sin f tg i / -cos (T-dg)) = -cos (T-dg) / tg i (RT =
J')
Dans KBB on a BK sin j = KB
==> BK = l sin f / sin j
BBK ==> BK = BK sin
U et sin U = BK / BK = (l sin f / cos i)
/ (l sin f / sin j) Et sin U = sin j / cos i
Valeurs de OG et de GP' :
OBP' ==> BP' / sin (pi-h) = OB / sin (pi-(pi-h+j) = OB /
sin (h-j) OBS ==> OB / sin (pi/2+dg) = OB / cos dg =
OS / sin(pi-(pi-T+pi/2+dg)) = OS / sin (T-dg-pi/2) = OS / -cos
(T-dg)
Et OB = OS cos dg / -cos (T- dg) = l sin (j-f)
cos dg / -sin j cos (T-dg)
BP' = OB sin h / sin (h-j) = l sin (j-f) cos dg sin h/ -sin
j cos (T-dg) sin (h-j)
OGS ==> OG / sin (pi-V) = GS / sin Hi et OG
= GS sin V / sin Hi GS = l sin f sin Hi / sin j sin (V-Hi)
O G = l sin f sin Hi sin V / sin j sin (V-Hi) sin Hi
= l sin f sin V / sin j sin (V-Hi)
BGP' ==> BGP'= pi-OGS =pi - ( pi-(pi-V+Hi)) = pi -
(V-Hi)
BP' / sin (V-Hi) = GP' / sin U et GP' = BP' sin U / sin (V-Hi)
GP' = -l sin (j-f) cos dg sin h sin U / sin j cos (T-dg) sin
(h-j) sin (V-Hi) OP' = OG + GP'
xP' = OP' sin Hi yP'(o) = OP' cos Hi yP'(s) =
yP'(o) OS
Ici tg RT = - cos (T dg) / tg i d'où connaissance de t
(heure de disparition de l''ensoleillement dans ce cas)
en remplaçant h par RT dans la relation donnant
la hauteur.
fig 16
T > pi/2 + dg H = ou > pi/2 + dg vu ci-dessus pour les
DWLW:
le cadran nest pas ensoleillé.
On retrouve la même condition de déclinaisons compatibles avec
des levers et couchers.
fig17
Appelons dm la déclinaison du point M et ds = - dm celle
du point S.
R va se déplacer de M en S ce qui correspond à un
intervalle de déclinaisons égal à
pi/2 dm = MN PN = j f
doù intervalle dm = pi/ 2 (j f) et dm
si abs (d) > dm il ny a pas intersection de
lincliné avec ces arcs semi-diurnes. Donc entrer une autre
déclinaison d.
Quand au style les éléments concernant celui-ci dans sa
configuration DW seront
les mêmes que pour sa configuration DE.
Le point T se plaçant à l'est de la ligne de XII heures O'S
pour les DW et à l'ouest de celle-ci pour les DE.
On a vu que les relations des iDWLW convenaient aux iDELE et
celles des iDWLE aux iDELW.
Lorsque j < f (fig 18)
(fig 18)
On aura PR = pi/2 dm = f j et
dm = pi/2 (f j) Pareillement si abs (d) > dm il
ny a pas intersection de lincliné avec ces arcs
semi-diurnes.
Donc entrer une autre déclinaison.
Autre méthode d'obtention des angles horaires
des passages du soleil sur le plan du cadran pour les inclinés j
> f
fig 19
Soit MUwSU' le plan incliné de déclinaison dg et d'inclinaison
i coupant l'horizon de latitude f en Uw et U'.
Le plan méridien est coupé selon MS ligne de
XII heures.
Un arc semi-diurne R'R'' de déclinaison d coupe ce plan incliné
en R. Par R passe le cercle horaire t.
Rappel: par commodité en gnomonique les azimuts sont comptés de
0 à 180° du sud au nord en est comme en ouest.
Le triangle sphérique MNUw rectangle en N permet d'écrire en
appelant j le côté MN: tg j / tg (pi/2 i) = sin (pi/2
dg)
ou encore tg j = cos dg / tg i de même tg NUw / tg NMUw = sin j
ou encore tg (pi/2 dg) / tg NMUw = sin j et tg NMUw = 1 /
(tg dg sin j)
Comme angles à côtés opposés NMUw = ZMR supplément de PMR
alors PMR = pi NMUw
Le triangle sphérique MPR dans lequel MP = j f et PR =
pi/2 d
(f étant la latitude et d la déclinaison du soleil)
permet d'écrire sin PMR / cos d = sin R / sin (j f) = sin
t / sin MR.
et sin MR = sin t sin (j f) / sin R de même
sin R = sin PMR sin (j f) / cos d = sin NMUw sin (j
f) / cos d d'où R quand
R = pi/2 cos d = sin NMUw sin (j f) ce qui
nous donne d que nous appellerons dl dans ce cas particulier.
R diminuant de M en S on déduit que lorsque d < dl R
est < pi/2 et nous retiendrons la plus petite valeur donnée
par sin R.
Ce sera linverse pour d > dl.
Si d < 0 on aura sin PMR / sin (pi/2 + abs d) = sin R / sin (j
f)
sin (pi/2 + abs d) = cos abs d et lorsque R = pi/2 alors
cos abs d = sin NMUw sin (j f) mais cos abs d = cos d =
cos d
Donc on ne change rien et pas de changement non plus pour la
condition d < dl R est < pi/2
Appelons dm la déclinaison du point M et ds = - dm celle
du point S.
R va se déplacer de M en S ce qui correspond à un
intervalle de déclinaisons égal à
pi/2 dm = MN PN = j f doù intervalle
dm = pi/ 2 (j f) et dm. Revoyons la figure
11.
fig 11
On remarque que cette condition est valable quand j > f.
Lorsque j < f il nous faut prendre dm = pi/2 (f
j) comme le montre la figure 12
fig 12
.
On pourra écrire: si abs (d) > dm il ny a pas
intersection de lincliné avec ces arcs semi-diurnes.
Donc entrer une autre déclinaison d.
De même cos MR = cos PM cos PR + sin PM sin PR cos t et
cos MR = cos (j f) sin d + sin (j f) cos d cos t
cos PM = cos MR cos PR + sin MR sin PR cos R en remplaçant cos
MR et sin MR par leurs valeurs on obtient
cos PM = cos (j f) sin² d + sin (j
f) cos d sin d cos t + sin MR sin PR cos R
cos PM = cos (j f)
= cos (j f) sin² d + sin (j f) cos d sin d cos t +
(sin t sin (j f) cos d cos R) / sin R
Divisons le tout par cos (j f)
1 = sin² d + tg (j f) cos d sin d cos t + sin t tg (j
f) cos d / tg R et
cos² d - tg (j f) cos d sin d cos t - sin
t tg (j f) cos d / tg R = 0 Divisons par cos d
cos d - tg (j f) sin d cos t - sin t tg (j f) / R =
0
Lorsque d est < 0 tous calculs faits on arrive à
cos d + tg (j f) sin ad cos t - sin t tg (j f) / R
= 0 où ad = abs (d)
et en prenant la valeur négative de ad on a sin - d = - sin d et
+ tg (j f) sin ad cos t devient - tg (j f) sin d
cos t
On ne change donc rien à cos d - tg (j f) sin d cos t -
sin t tg (j f) / R = 0
que d soit > 0 ou < 0
En posant A = cos d, B = - tg (j f) sin d et C = - tg (j
f) / tg R on a A + B cos t + C sin t = 0
Nous nous servons des propriétés de l'arc moitié en posant tg
(t/2) = k on a alors
cos t = (1 k²) / (1 + k²) et sin t = 2 k
/ (1 + k²)
On a alors A + B (1 k²) / (1 + k²) + C 2 k / (1 + k²) =
0
A + A k² + B - B K² + 2 C k = 0 et (A B) k² + 2 kC + A
+ B = 0
Les racines de cette équation donnent deux valeurs R1 et R2 qui
correspondent aux angles horaires des
levers et couchers du soleil sur le cadran. On a
R1 = tg (t/2) et t = 2 atn (R1). Pareillement pour R2.
En fonction de la configuration on prendra R1 pour le matin et R2
pour l'après-midi ou l'inverse.
On divise R1 et R2 par 15 pour avoir le résultat en heures.
Résultat que l'on déduit de 12 pour les
apparitions du matin ou que l'on ajoute à 12 pour les disparitions du soir.
Pour les IDW et IDE j < f ainsi que pour les inclinants la
méthode de calcul est quasi identique et
pour ne pas alourdir le texte nous ne donnerons
que les résultats.
Inclinant Déclinant ouest j > f
L'ombre du style (carton découpé) suit parfaitement
l'arc diurne calculé et montre l'heure solaire
Voyons maintenant le cas où le style sort vers le haut sur les
déclinants (j < f)