Mengapa Panjang Siang dan Bayang Berubah: Bumi, Matahari dan Bayang

Siang dan malam terhasil daripada putaran

Matahari tidak mengelilingi Bumi setiap hari. Bumi berputar pada paksinya dan melengkapkan satu putaran kira-kira setiap 24 jam. Mana-mana bahagian planet yang menghadap Matahari mengalami siang, manakala bahagian yang bertentangan mengalami malam.

Sempadan antara kedua-duanya ialah garis pemisah. Apabila Bumi berputar, bandar anda dibawa menuju garis itu, melaluinya dan keluar di sebelah yang satu lagi. Apabila masuk ke kawasan bercahaya, itulah matahari terbit; apabila kembali ke kawasan gelap, itulah matahari terbenam.

Bumi berputar ke arah timur, sebab itulah Matahari kelihatan terbit di timur dan terbenam di barat.

Mengapa tempoh siang tidak semestinya 12 jam

Satu hari penuh ialah 24 jam, tetapi jumlah cahaya siang dalam sehari berubah mengikut tempat dan tarikh. Bayangkan sebuah pin pada glob. Semasa Bumi berputar, pin itu menjejaki sebuah bulatan pada latitud yang tetap. Sebahagian bulatan itu berada dalam cahaya Matahari, manakala sebahagian lagi berada dalam bayang-bayang. Semakin panjang bahagian yang disinari Matahari, semakin panjang harinya.

Oleh sebab paksi Bumi condong, garisan pemisah siang dan malam tidak merentasi kutub dengan kemas pada kebanyakan masa dalam setahun. Garisan itu memotong bulatan latitud secara tidak sama rata. Berhampiran khatulistiwa, bulatan-bulatan itu terbahagi hampir sama rata sepanjang tahun, jadi cahaya siang hampir 12 jam setiap hari. Semakin dekat ke kutub, pembahagiannya menjadi semakin tidak sama rata: hari yang panjang pada satu musim, hari yang pendek pada musim yang lain, dan berhampiran kutub itu sendiri, terdapat tempoh cahaya atau gelap yang berterusan.

Oleh itu, tarikh yang sama boleh memberikan tempoh cahaya siang yang sangat berbeza kepada dua tempat pada latitud yang berbeza.

Bayang-bayang dan tinggi Matahari

Bayang-bayang ialah kawasan tanah yang tidak dapat dicapai cahaya Matahari kerana ada objek menghalangnya. Ambil sebatang kayu menegak di atas tanah rata: satu sinar yang melintas rapat di hujung atas kayu menandakan tempat bayang-bayang itu berhenti.

Ini menjadikan geometri mudah difahami. Panjang bayang-bayang hanya bergantung pada tinggi kayu dan setinggi mana Matahari berada di atas ufuk:

shadow length = stick height ÷ tan(Sun elevation)

• Matahari tinggi di langit: bayang-bayang pendek.
• Matahari rendah berhampiran ufuk: bayang-bayang panjang.
• Matahari pada 45°: bayang-bayang sama panjang dengan tinggi kayu.

Kayu yang lebih tinggi menjadikan semuanya lebih besar mengikut kadar yang sama, tetapi coraknya tetap sama. Inilah juga sebab bayang-bayang kamu sendiri memanjang pada waktu pagi dan petang serta memendek sekitar tengah hari.

Laluan Matahari dan jam bayang-bayang

Bagi sesuatu tempat dan tarikh, Matahari mengikuti lengkok yang tetap merentasi langit. Matahari naik pada waktu pagi, mencapai titik paling tinggi pada tengah hari suria, kemudian turun pada waktu petang. Bayang-bayang mengikutinya dengan tepat, menghala menjauhi Matahari dan berubah panjang apabila Matahari naik dan turun.

Itulah idea di sebalik jam matahari atau jam bayang-bayang. Tandakan tempat hujung bayang-bayang jatuh pada waktu yang berbeza, dan anda boleh membaca masa berdasarkan arah bayang-bayang. Dua perkara penting ialah:

• lengkok itu berbeza pada setiap musim, jadi jam mesti disediakan mengikut tarikh dan latitud yang betul, dan
• masa suria dan masa pada telefon anda tidak sepadan dengan tepat kerana jam ditetapkan untuk seluruh wilayah.

Walaupun hanya sebatang kayu yang dicacakkan ke tanah boleh memberitahu anda banyak perkara: bayang-bayang paling pendek pada hari itu menandakan tengah hari suria, dan di luar kawasan tropika, bayang-bayang itu menghala ke utara sebenar atau selatan sebenar, bergantung pada hemisfera anda.

Salah faham umum

• "Hari menjadi gelap kerana Matahari bergerak di belakang Bulan." Malam berlaku kerana bahagian Bumi yang menghadap jauh daripada Matahari.
• "Matahari berada tepat di atas kepala pada tengah hari di semua tempat." Hanya tempat di kawasan tropika yang boleh mengalami Matahari tepat di atas kepala, dan itu pun hanya pada hari-hari tertentu.
• "Bayang-bayang sentiasa menghala ke utara." Bayang-bayang menghala menjauhi Matahari, jadi arahnya berubah sepanjang hari.
• "Musim berlaku kerana Bumi lebih dekat dengan Matahari pada musim panas." Kecondongan Bumi, bukannya jarak, menyebabkan musim, dan panjang siang ialah sebahagian besar daripada ceritanya.
• "Setiap hari mempunyai tepat 12 jam siang." Hanya di sekitar khatulistiwa perkara itu lebih kurang benar.

Cara menerokainya dalam makmal

Makmal Matahari, Bumi & Bulan membolehkan anda memutarkan planet, menggerakkan pin dan menyeret lampu atau Matahari sebenar mengelilingi sebatang kayu. Ikuti laluan melalui dunia pertama yang percuma:

1. Mulakan dengan Bumi yang berputar dan lihat garisan pemisah siang-malam bergerak melintasi pin.
2. Bandingkan tempat dan tarikh dalam Berapa lamakah satu hari?.
3. Ukur geometri dalam Tinggi Matahari dan panjang bayang-bayang.
4. Gabungkan semuanya dengan Laluan Matahari dan jam bayang-bayang.

Simulasi ini ialah model pengajaran yang dipermudahkan: ia mengabaikan atmosfera, bukit dan sedikit goyangan dalam pergerakan Bumi, jadi waktu matahari terbit dan terbenam kelihatan sedikit lebih teratur berbanding kehidupan sebenar. Geometri asasnya sepadan dengan apa yang boleh anda periksa sendiri menggunakan sebatang kayu pada hari yang cerah.