Keyboard shortcuts

Press ← or → to navigate between chapters

Press S or / to search in the book

Press ? to show this help

Press Esc to hide this help

8-1-4 — Сонячні фактори

У цьому уроці ти:

  • зрозумієш, чому змінюється висота Сонця протягом року, і обчислиш її за формулою;
  • побудуєш сонячну траєкторію для трьох пір року;
  • обчислиш довжину тіні та перевіриш, чи не затінюють будівлі одна одну;
  • оціниш, скільки енергії дає Сонце залежно від нахилу поверхні та пори року.

📖 1. Чому Сонце змінює свій шлях

Ти вже бачив: влітку Сонце високо й заходить пізно, а взимку — низько й швидко ховається. Причина — нахил земної осі приблизно на 23,5° відносно площини обертання Землі навколо Сонця. Завдяки цьому в різні пори року Сонце «піднімається» в небі на різну висоту.

Нам потрібні чотири ключові дати:

ДатаНазваОсобливість
≈ 21 березняВесняне рівноденнядень дорівнює ночі, Сонце сходить на сході
≈ 21–22 червняЛітнє сонцестояннянайдовший день, Сонце найвище
≈ 23 вересняОсіннє рівноденнядень дорівнює ночі
≈ 21–22 грудняЗимове сонцестояннянайкоротший день, Сонце найнижче

Щодня Сонце проходить по небу дугу зі сходу на захід через південь. Кут, який воно описує за годину, становить 15° (повний оберт 360° за 24 години).

📖 2. Висота Сонця опівдні

Висота Сонця (h) — кут між напрямком на Сонце та горизонтом. Найбільшої висоти за день Сонце сягає опівдні, коли знаходиться точно на півдні. Її можна обчислити:

h = 90° − φ + δ

де φ — географічна широта місцевості, δ — «схилення» Сонця: +23,5° у день літнього сонцестояння, 0° у рівнодення й −23,5° у день зимового сонцестояння.

Для центральної України візьмемо φ ≈ 50° (для півдня φ менше, наприклад 46°, а для півночі більше, наприклад 52°).

ПораδВисота Сонця опівдні
Літо (22 червня)+23,5°90 − 50 + 23,5 = 63,5°
Рівнодення0°90 − 50 + 0 = 40°
Зима (22 грудня)−23,5°90 − 50 − 23,5 = 16,5°

Бачиш, наскільки різна висота: взимку Сонце опівдні майже в чотири рази нижче, ніж улітку.

Тривалість дня й напрям схід-захід

Орієнтовно для нашої широти:

ПораСонце сходить на азимутіТривалість дня
Літоблизько 50° (північний схід)приблизно 16,5 год
Рівнодення90° (схід)12 год
Зимаблизько 130° (південний схід)приблизно 8 год

Заходить Сонце у дзеркально симетричній точці. Влітку воно описує широку високу дугу, а взимку — низьку, коротку й зміщену до півдня.

📖 3. Малюємо сонячну траєкторію

Найпростіше зобразити вигляд збоку, з заходу на схід (розріз по лінії «південь — північ»).

  1. Проведи горизонтальну лінію — це земля. Підпиши зліва «Пд» (південь), справа «Пн» (північ).
  2. Познач будинок: стіна висотою 6 м у масштабі (наприклад, 1 : 100, тобто 6 см).
  3. З точки на землі перед будинком проведи три промені до півдня (ліворуч) під кутами 63,5°, 40° і 16,5° до горизонту (транспортиром).
  4. Підпиши: «літо», «рівнодення», «зима».

Ці промені показують, під яким кутом Сонце світить опівдні в різні пори року.

📖 4. Тінь і її довжина

Тінь утворюється, коли предмет закриває промені Сонця. Опівдні тінь падає на північ. Її довжину легко знайти з прямокутного трикутника, у якому предмет — один катет, тінь — другий:

tg h = H : L, звідси L = H : tg h

де H — висота предмета, L — довжина тіні, h — висота Сонця.

Значення тангенса можна взяти з калькулятора чи таблиці:

Кутtg
16,5°0,30
40°0,84
63,5°2,0

Приклад 1. Тінь від будинку

Висота будинку (до гребеня даху) H = 6 м.

Пораtg hДовжина тіні L = H : tg h
Літо2,06 : 2,0 = 3 м
Рівнодення0,846 : 0,84 ≈ 7,1 м
Зима0,306 : 0,30 = 20 м

Взимку опівдні тінь від шестиметрової стіни сягає двадцяти метрів! Тому будівлі й дерева на півдні від тебе можуть повністю затінити твій будинок саме тоді, коли тобі потрібне сонце найбільше.

Приклад 2. Чи затінить сусід?

Із південного боку, за 12 м від твоєї південної стіни, стоїть будинок сусіда висотою 6 м. Вікна твого першого поверху починаються на висоті 1 м від землі. Ефективна висота перешкоди: 6 − 1 = 5 м.

tg α = 5 : 12 ≈ 0,42, звідси кут перешкоди α ≈ 22,6°.

Зимова висота Сонця опівдні 16,5°, а перешкода «піднімається» над горизонтом на 22,6°. Оскільки 22,6° > 16,5°, опівдні взимку сусід затінює нижню частину твоєї південної стіни.

Правило. Щоб перешкода не затіняла опівдні взимку, потрібно, щоб α < 16,5°, а отже, відстань до неї D була не менша за H : 0,30 ≈ 3,3 · H. Для ефективної висоти 5 м це 16,5 м.

📖 5. Вимірювання без складних приладів

Висота Сонця за тінню. Встав вертикально палицю заввишки 1 м. Виміряй довжину її тіні s. Тоді tg h = 1 : s. Якщо тінь 2,2 м, то tg h = 1 : 2,2 ≈ 0,45, h ≈ 24°.

Висота перешкоди за тінню (подібні трикутники): якщо палиця 1 м відкидає тінь 2 м, а дерево в той самий момент — тінь 16 м, то воно має висоту 16 : 2 = 8 м.

Ці прості вимірювання можна виконувати на ділянці, не маючи ніяких приладів, окрім рулетки.

📖 6. Скільки енергії дає Сонце

Сонячне випромінювання несе енергію. Потужність, яку отримує поверхня, перпендикулярна променям, у ясну погоду опівдні сягає приблизно 1000 Вт на кожен квадратний метр (1 кВт/м²). Це багато: на кожен квадратний метр припадає потужність, порівнянна з невеликим побутовим нагрівачем.

Енергію вимірюють у кіловат-годинах (кВт·год): 1 кВт·год — це 1 кВт потужності, що діє протягом 1 години.

Скільки енергії фактично отримує поверхня, залежить від:

  • пори року: літом поверхня отримує у кілька разів більше, ніж узимку (на горизонтальну поверхню влітку може припадати приблизно 5–6 кВт·год/м² на добу, а в грудні менше одного);
  • тривалості дня: влітку Сонце світить удвічі довше;
  • хмарності: в Україні рівень сонячної радіації зростає з півночі на південь; річна сума на горизонтальну поверхню орієнтовно становить від 1000 до 1400 кВт·год/м²;
  • нахилу й орієнтації поверхні відносно Сонця.

Нахил поверхні й кут падіння променів

Нехай поверхня звернена на південь і нахилена до горизонту під кутом β. Опівдні кут між променем та перпендикуляром до поверхні (кут падіння) дорівнює |90° − h − β|. Чим кут падіння менший, тим більше енергії приймає поверхня. Приблизно, відносна кількість енергії пропорційна cos кута падіння.

Правило перпендикулярності: щоб промені падали на поверхню прямо (перпендикулярно) опівдні, треба нахилити її на β = 90° − h: влітку ≈ 26,5°, у рівнодення 50°, узимку ≈ 73,5°.

Для цілого року зазвичай підбирають компроміс. За дослідженнями, оптимальний кут нахилу для панелей, звернених на південь, для більшості України становить приблизно 32–34°: влітку Сонця й енергії значно більше, тому компроміс зміщується до «літніх» кутів.

Порівняємо три поверхні опівдні (ясна погода)

ПоверхняЛіто (h = 63,5°)Зима (h = 16,5°)
Горизонтальна (β = 0°)кут падіння 26,5°, cos ≈ 0,89кут падіння 73,5°, cos ≈ 0,28
Нахил 34° на південькут падіння 7,5°, cos ≈ 0,99кут падіння 39,5°, cos ≈ 0,77
Вертикальна південна стіна (β = 90°)кут падіння 63,5°, cos ≈ 0,45кут падіння 16,5°, cos ≈ 0,96

Із таблиці випливають цікаві висновки:

  • Горизонтальна поверхня дає багато влітку, а взимку мало.
  • Нахил 34° добре працює цілий рік: влітку майже ідеально, взимку непогано.
  • Південна стіна отримує взимку майже максимум, а влітку менше половини. Тому великі південні вікна гріють узимку й менше перегрівають улітку. А якщо ще й додати козирок над вікном, ефект підсилюється (це в уроці 8-1-7).

🧪 Спробуй сам

  1. Висота Сонця. Знайди висоту Сонця опівдні 22 червня, 22 грудня й у день рівнодення для Одеси (φ = 46°) та для північної України (φ = 52°).
  2. Тінь. Яку довжину має тінь від дерева заввишки 8 м у зимове й літнє сонцестояння опівдні (φ = 50°)?
  3. Висота Сонця за тінню. Палиця 1 м відкидає тінь 2,5 м. Знайди tg h та приблизний кут h (скористайся калькулятором).
  4. Чи буде затінення? Південний сусід має будинок висотою 7 м на відстані 15 м; нижній край твого вікна — 1 м від землі. Чи затінить він вікно опівдні взимку? На якій мінімальній відстані перешкода не затінювала б?
  5. Кут нахилу. Знайди кути, при яких промені падають перпендикулярно опівдні для φ = 50°: у літнє сонцестояння, у рівнодення, у зимове сонцестояння.

Відповіді: 1) Одеса: 90 − 46 + 23,5 = 67,5°; 44°; 90 − 46 − 23,5 = 20,5°. Північ (52°): 61,5°; 38°; 14,5°. 2) Зима: 8 : 0,30 ≈ 26,7 м; літо: 8 : 2,0 = 4 м. 3) tg h = 1 : 2,5 = 0,4, h ≈ 22°. 4) H ефект = 6 м; tg α = 6 : 15 = 0,4, α ≈ 21,8° > 16,5°: так, затінює. Мінімальна відстань D = 6 : 0,30 = 20 м. 5) 26,5°, 50°, 73,5°.

🔑 Ключові слова

  • Висота Сонця — кут між променем і горизонтом.
  • Сонцестояння й рівнодення — характерні дні року.
  • Широта (φ) — кут місцевості відносно екватора.
  • Тангенс — відношення протилежного катета до прилеглого.
  • Кут падіння — кут між променем і перпендикуляром до поверхні.
  • Інсоляція — кількість сонячної енергії, що падає на поверхню.

✅ Перевір себе

  1. Чому влітку Сонце вище, ніж узимку?
  2. За якою формулою обчислюють висоту Сонця опівдні?
  3. Як знайти довжину тіні, знаючи висоту предмета й висоту Сонця?
  4. Чому взимку сусідні будівлі та дерева затінюють значно далі, ніж улітку?
  5. Який нахил поверхні оптимальний для всього року в Україні?
  6. Чому вертикальна південна стіна отримує взимку більше сонця, ніж влітку (відносно)?

📌 Коротко запам’ятай

Висота Сонця опівдні h = 90° − φ + δ: для φ = 50° вона дорівнює 63,5° влітку, 40° у рівнодення й 16,5° узимку. Довжина тіні L = H : tg h, тож узимку тіні приблизно в шість-сім разів довші, ніж улітку. Кількість енергії залежить від пори року, хмарності та кута падіння променів: поверхні, нахилені приблизно на 32–34° на південь, добре працюють цілий рік, а вертикальні південні стіни особливо корисні взимку.