Đồng hồ mặt trời lệch đồng hồ đeo tay bao nhiêu phút và vì sao

Đồng hồ mặt trời đo giờ theo vị trí thật của Mặt Trời trên trời, còn đồng hồ đeo tay chạy theo giờ chuẩn chung của cả nước, nên hai thứ gần như không bao giờ khớp nhau. Ở Việt Nam, độ lệch có thể từ vài phút tới hơn 20 phút, tuỳ bạn đứng ở đâu và đang là ngày nào trong năm. Hai thủ phạm là kinh độ nơi bạn đứng và phương trình thời gian — một cái tên nghe đáng sợ nhưng ý tưởng rất dễ hiểu.

Bóng nắng: chiếc đồng hồ đầu tiên của loài người

Từ hàng nghìn năm trước, người ta đã nhận ra bóng của một cây cột ngắn dần vào buổi sáng, ngắn nhất lúc giữa trưa, rồi dài dần về chiều, đồng thời xoay từ phía tây sang phía đông. Người Ai Cập cổ đã dùng những thước bóng bằng đá để chia ban ngày thành nhiều phần. Ở Trung Hoa, người ta dựng khuê biểu: một cây cột thẳng đứng và một thước đá nằm ngang dọc hướng bắc – nam, đo bóng giữa trưa mỗi ngày để tìm ra ngày đông chí (bóng dài nhất) và tính lịch. Sau đó mới có nhật quỹ, mặt đá tròn khắc vạch, đặt nghiêng, có kim chỉ hướng cực bắc của trời.

Đồng hồ mặt trời có nhược điểm rõ ràng: trời mây hay ban đêm thì "chết". Vì vậy người xưa dùng thêm đồng hồ nước (khắc lậu), đếm nén hương, đánh trống báo canh. Ở Việt Nam thời phong kiến, việc coi thiên văn, làm lịch, định giờ là phần việc của các cơ quan chuyên trách trong triều đình, như Khâm Thiên Giám thời Nguyễn. Bóng nắng vẫn là chiếc "đồng hồ chuẩn" để chỉnh các dụng cụ kia, vì Mặt Trời không bao giờ chạy sai.

Lý do thứ nhất: mỗi nơi có một "giữa trưa" riêng

Giữa trưa thật là lúc Mặt Trời lên cao nhất và bóng cột chỉ thẳng hướng bắc – nam. Vì Trái Đất quay từ tây sang đông, giữa trưa đến ở các nơi phía đông sớm hơn phía tây. Trái Đất quay 360 độ trong 24 giờ, tức 15 độ kinh mỗi giờ, hay 1 độ kinh mỗi 4 phút.

Ngày xưa, mỗi thành phố đặt đồng hồ theo giữa trưa của riêng mình. Khi có đường sắt và điện báo vào thế kỷ 19, mỗi ga một giờ khác nhau gây rối loạn lịch tàu. Năm 1884, một hội nghị quốc tế ở Washington chọn kinh tuyến đi qua đài thiên văn Greenwich (Anh) làm kinh tuyến gốc, mở đường cho hệ thống múi giờ: mỗi múi rộng khoảng 15 độ kinh, dùng chung một giờ.

Việt Nam dùng giờ UTC+7, lấy theo kinh tuyến 105 độ Đông. Kinh tuyến này đi qua gần Hà Nội, nên ở Hà Nội giờ đồng hồ khá sát giờ mặt trời. Đi càng xa kinh tuyến đó, độ lệch càng lớn:

Nơi	Kinh độ gần đúng	So với kinh tuyến 105° Đ	Giữa trưa thật đến
Điện Biên Phủ	103,0° Đ	lệch tây 2 độ	muộn hơn khoảng 8 phút
Hà Nội	105,85° Đ	lệch đông gần 1 độ	sớm hơn khoảng 3 phút
TP. Hồ Chí Minh	106,7° Đ	lệch đông 1,7 độ	sớm hơn khoảng 7 phút
Huế	107,6° Đ	lệch đông 2,6 độ	sớm hơn khoảng 10 phút
Móng Cái	108,0° Đ	lệch đông 3 độ	sớm hơn khoảng 12 phút

Nghĩa là nếu chỉ tính kinh độ, một bạn ở Móng Cái và một bạn ở Điện Biên Phủ thấy giữa trưa thật cách nhau khoảng 20 phút, dù đồng hồ của cả hai cùng chỉ 12 giờ.

Lý do thứ hai: Mặt Trời "chạy nhanh, chạy chậm" trong năm

Nếu đứng yên một chỗ và đánh dấu bóng giữa trưa mỗi ngày bằng đồng hồ đeo tay, bạn sẽ thấy giữa trưa thật có hôm đến sớm, có hôm đến muộn, xê dịch tới hơn nửa giờ trong năm. Các nhà thiên văn gọi độ chênh này là phương trình thời gian. Có hai nguyên nhân:

• Quỹ đạo Trái Đất hình elip. Đầu tháng 1, Trái Đất ở gần Mặt Trời nên chạy nhanh hơn trên quỹ đạo; đầu tháng 7 ở xa nên chạy chậm hơn. Lúc chạy nhanh, nó phải quay thêm nhiều hơn mới đưa Mặt Trời về giữa trưa, nên ngày mặt trời dài hơn 24 giờ một chút; lúc chạy chậm thì ngắn hơn một chút.
• Trục nghiêng. Mặt Trời đi trên bầu trời theo một đường xiên so với xích đạo trời. Quanh xuân phân, thu phân, nó đi xiên nhiều nên phần "tiến về phía đông" ít hơn; quanh hạ chí, đông chí thì ngược lại.

Mỗi ngày chỉ chênh vài giây, nhưng các giây đó cộng dồn lại. Đồng hồ đeo tay thì không biết gì về chuyện này: nó chạy theo một "Mặt Trời trung bình" đều đặn quanh năm.

Thời điểm (gần đúng)	Đồng hồ mặt trời so với giờ trung bình
Khoảng 11 – 12 tháng 2	chậm hơn khoảng 14 phút
Khoảng 15 tháng 4	gần khớp
Giữa tháng 5	nhanh hơn gần 4 phút
Khoảng 13 tháng 6	gần khớp
Cuối tháng 7	chậm hơn khoảng 6 phút
Khoảng 1 tháng 9	gần khớp
Khoảng 3 tháng 11	nhanh hơn khoảng 16 phút
Khoảng 25 tháng 12	gần khớp

Cộng hai lý do lại: giữa trưa ở Hà Nội lúc mấy giờ

Ở Hà Nội, đầu tháng 11, cả hai lý do cùng đẩy giữa trưa thật đến sớm: sớm khoảng 3 phút vì kinh độ, thêm khoảng 16 phút vì phương trình thời gian. Bóng cột ngắn nhất vào khoảng 11 giờ 40. Giữa tháng 2 thì ngược lại, giữa trưa thật đến vào khoảng 12 giờ 11. Ở TP. Hồ Chí Minh, hai mốc đó vào khoảng 11 giờ 37 và 12 giờ 07; ở Điện Biên Phủ khoảng 11 giờ 52 và 12 giờ 22.

Vậy câu "12 giờ trưa là lúc Mặt Trời đứng bóng" chỉ đúng gần đúng. Nếu bạn đọc bài này vào giữa tháng 11, giữa trưa thật ở Hà Nội đang đến sớm hơn 12 giờ gần 20 phút.

Nếu chụp ảnh Mặt Trời cùng một giờ đồng hồ, cùng một chỗ, mỗi tuần một lần suốt một năm rồi ghép lại, các vị trí sẽ vẽ thành một hình số 8 kéo dài trên trời, gọi là analemma. Chiều cao của số 8 là do mùa (Mặt Trời lên cao, xuống thấp), còn chiều ngang chính là phương trình thời gian.

Thử làm: đồng hồ mặt trời xích đạo bằng bìa cứng

Đây là kiểu đồng hồ mặt trời dễ làm đúng nhất, vì các vạch giờ cách đều nhau.

Vật liệu

• Một tấm bìa cứng (bìa hộp giấy), một que tre thẳng hoặc que xiên dài khoảng 20 cm.
• Thước đo độ, compa hoặc nắp hộp tròn để vẽ, bút, keo hoặc đất nặn.
• La bàn hoặc ứng dụng la bàn trên điện thoại.

Các bước

1. Vẽ một hình tròn đường kính khoảng 15 cm trên bìa. Dùng thước đo độ chia thành 24 phần, mỗi phần 15 độ — mỗi vạch là một giờ. Ghi số 12 ở một vạch, rồi 13, 14… theo chiều kim đồng hồ, 11, 10… theo chiều ngược lại. Kẻ ở cả hai mặt bìa (mặt sau ghi số theo chiều ngược lại để khi nhìn từ dưới lên vẫn đúng).
2. Nhờ người lớn dùi một lỗ ở tâm. Xuyên que qua sao cho que vuông góc với mặt bìa.
3. Đặt đồng hồ ngoài nắng. Đầu dưới que cắm xuống đất (hoặc vào cục đất nặn trên bậc thềm), đầu trên chỉ về hướng bắc. Nghiêng que sao cho góc giữa que và mặt đất bằng vĩ độ nơi bạn ở: khoảng 21 độ ở Hà Nội, 16 độ ở Huế, 11 độ ở TP. Hồ Chí Minh. Khi đó que song song với trục Trái Đất, còn mặt bìa song song với xích đạo.
4. Xoay mặt bìa sao cho vạch 12 nằm ở điểm thấp nhất của vòng tròn, trên đường bắc – nam.
5. Đọc giờ theo bóng que trên mặt bìa. Từ khoảng 21 tháng 3 tới 23 tháng 9, nắng chiếu lên mặt trên; nửa năm còn lại chiếu lên mặt dưới — đó là lý do phải kẻ cả hai mặt.
6. So với đồng hồ đeo tay. Lấy giờ đồng hồ mặt trời, cộng hoặc trừ phần lệch do kinh độ và theo bảng phương trình thời gian ở trên, xem có khớp không.

Một mẹo tìm hướng bắc không cần la bàn: đánh dấu bóng ngắn nhất của một cây que thẳng đứng lúc giữa trưa thật; đường bóng đó nằm đúng trục bắc – nam. Nhưng nhớ rằng ở Việt Nam có những tuần mùa hè Mặt Trời giữa trưa nằm lệch về phía bắc của đỉnh đầu (ở Hà Nội khoảng từ cuối tháng 5 tới giữa tháng 7), khi đó bóng chỉ về phía nam. Đây là điều sách vở viết cho người ở châu Âu không bao giờ nhắc tới.

Chỉ quan sát bóng, không nhìn thẳng vào Mặt Trời.

Câu hỏi thường gặp

Đồng hồ mặt trời có chính xác không?

Có, nếu đặt đúng hướng và đúng góc, nó chỉ chính xác giờ mặt trời tại chỗ bạn đứng. Nó chỉ lệch so với đồng hồ đeo tay, vì đồng hồ đeo tay chạy theo giờ chuẩn chung của cả múi giờ và theo Mặt Trời trung bình.

Vì sao 12 giờ trưa Mặt Trời chưa đứng bóng?

Vì giờ Việt Nam lấy theo kinh tuyến 105 độ Đông, trong khi nơi bạn ở có thể lệch đông hoặc tây; thêm vào đó, giữa trưa thật xê dịch trong năm do quỹ đạo elip và trục nghiêng của Trái Đất. Ở Hà Nội, giữa trưa thật dao động khoảng từ 11 giờ 40 tới 12 giờ 11.

Phương trình thời gian là gì?

Là độ chênh giữa giờ theo Mặt Trời thật và giờ theo một Mặt Trời trung bình chạy đều. Độ chênh này lớn nhất khoảng 16 phút vào đầu tháng 11 và khoảng 14 phút theo chiều ngược lại vào giữa tháng 2, và gần bằng không vào bốn thời điểm trong năm.

Việt Nam dùng múi giờ nào?

Việt Nam dùng giờ UTC+7, tức nhanh hơn giờ ở kinh tuyến gốc Greenwich 7 tiếng, lấy theo kinh tuyến 105 độ Đông đi gần Hà Nội. Cả nước dùng chung một giờ.

Que của đồng hồ mặt trời phải nghiêng bao nhiêu độ?

Bằng đúng vĩ độ nơi đặt đồng hồ, đầu que chỉ về hướng bắc. Ở Hà Nội khoảng 21 độ, ở TP. Hồ Chí Minh khoảng 11 độ. Khi đó que song song với trục quay của Trái Đất.