Äquatoriale Sonnenuhr

Was das Kind lernt

• Dass sich die Sonne scheinbar um 15° pro Stunde bewegt (360° in 24 h), weil sich die Erde dreht.
• Dass die Achse einer Sonnenuhr auf den Himmelspol (Polarstern) zeigen muss, um so viele Grad geneigt wie der Breitengrad des Ortes.
• Warum die Sonnenzeit nicht mit der Handyzeit übereinstimmt: Zeitzonen, Sommerzeit und Längengrad.
• Dass die Sonne im Frühling und Sommer oberhalb des Himmelsäquators läuft und im Herbst und Winter darunter (deshalb gibt es zwei Seiten).

Vorher vorbereiten

• Drucke die Teile in 100 % aus und prüfe, ob die Scheibe 160 mm Durchmesser hat.
• Suche deinen Breiten- und Längengrad heraus (auf einer Karte oder im Handy): spanisches Festland und Balearen 36–44° N; Kanaren 28° N (nimm die Stützen für die Kanaren).
• Berechne mit der Regel aus Schritt 11 die Uhrzeit des Sonnenmittags in deiner Stadt und schreib sie auf.
• Wähle einen ebenen Platz mit Sonne von 10:00 bis 18:00, an dem die Uhr nicht verrutscht (oder markiere die Lage der Grundplatte mit Klebeband auf dem Boden).
• Schau in die Wettervorhersage: Für den Test brauchst du einen wolkenlosen Tag.

Materialien und Werkzeuge

• Feste Wellpappe — 1 Bogen 40 × 40 cm (oder zwei Bögen 40 × 20 cm)
  3–4 mm, eben: zwei Lagen Grundplatte 200 × 180 mm, Scheibe Ø 160 mm, zwei Stützen 90 × 107 mm und Anschlag 140 × 10 mm
• Gerader Holzstab — 1 Stück, 165 mm
  Ø 5 mm (Rundstab aus dem Baumarkt oder gerades Essstäbchen)
• Knete — 2 Kügelchen, Ø 15 mm
  um den Stab senkrecht zur Scheibe zu fixieren
• Bedrucktes A4-Blatt — 2 A4-Blätter
  Sommer- und Winterseite (Teile B und C), am besten auf 160-g-Papier
• Klebestift und Bastelkleber (Weißleim) — je 1
  Klebestift für das Papier; Bastelkleber oder Heißkleber für die Stützen
• Transparentes Paketklebeband — 50 cm
  um die Zifferblätter vor Feuchtigkeit zu schützen
• Filzstift oder Kreide — 1
  zum Verzieren und zum Markieren der Schatten bei den Experimenten

Werkzeuge

• Cuttermesser, Metalllineal und Schneidematte — Stützen und Grundplatte schneiden Erwachsene
• Schere — die Scheibe und die Papier-Zifferblätter ausschneiden
• Vorstecher oder Bleistift — das 5-mm-Loch in der Mitte stechen Erwachsene
• Geodreieck oder Zeichendreieck — prüfen, ob der Stab im 90°-Winkel zur Scheibe steht
• Kompass oder Kompass-App auf dem Handy — die Grundplatte nach Norden ausrichten

Teile und Vorlagen

• A · Uhrenscheibe ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• B · Sommerseite (oberes Zifferblatt) ×1 — Papier 80–160 g
• C · Winterseite (unteres Zifferblatt) ×1 — Papier 80–160 g
• D · Dreieckige Stütze (40° Breite) ×2 — Wellpappe 3–4 mm
• E · Grundplatte ×1 — Wellpappe 3–4 mm (2 Lagen verklebt)
• F · Anschlag ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• G · Gnomon ×1 — Holzstab Ø 5 mm

Schritt für Schritt

1. Schneide die Teile aus Erwachsene

   Klebe die Vorlagen mit dem Klebestift auf den Karton und schneide die Scheibe A (Ø 160 mm), die zwei Stützen D, die Grundplatte E (zwei Lagen 200 × 180 mm mit gekreuzten Kartonwellen) und den Anschlag F (140 × 10 mm) aus.

2. Klebe die zwei Zifferblätter auf

   Schneide die Zifferblätter B (Sommer) und C (Winter) aus. Klebe B auf eine Seite der Scheibe und C auf die andere, mittig über dem Loch und bei beiden mit der 12-Uhr-Linie zum SELBEN Rand der Scheibe.

   Prüfe: Halte die Scheibe gegen das Licht: Die Mittelpunkte und die 12-Uhr-Linien beider Seiten liegen übereinander.

3. Schütze sie Erwachsene

   Überziehe beide Seiten mit transparentem Paketklebeband oder Buchschutzfolie, damit der Tau das Papier nicht wellt. Stich das 5-mm-Loch in der Mitte mit dem Vorstecher wieder auf.

4. Setze den Gnomon ein

   Markiere den Stab G 100 mm von einem Ende. Schieb ihn von der Winterseite durch das Loch, bis die Markierung genau an der Sommerseite ist: 100 mm oben und etwa 60 mm unten. Fixiere ihn auf jeder Seite mit einem Kügelchen Knete.

   Prüfe: Leg das Geodreieck an die Scheibe: Der Stab steht in zwei verschiedenen Richtungen im 90°-Winkel.

5. Baue die Grundplatte Erwachsene

   Klebe die zwei Lagen der Grundplatte E zusammen. Klebe den Anschlag F auf die markierte Linie und die zwei Stützen D aufrecht auf ihre Linien (50 mm links und rechts der Mitte), die spitze Ecke am Anschlag und die senkrechte Seite nach SÜDEN.

   Prüfe: Die zwei Stützen sind parallel und ihre schrägen Seiten sind gleich hoch.

6. Lege die Scheibe auf die Stützen Erwachsene

   Lege die Scheibe auf die schrägen Seiten der Stützen, mit dem 12-Uhr-Rand am Anschlag und der Sommerseite nach oben. Der untere Teil des Stabs geht zwischen den zwei Stützen hindurch, ohne sie zu berühren. Klebe die Scheibe mit Bastelkleber oder Heißkleber an die Stützen.

   Prüfe: Der obere Teil des Stabs zeigt nach Norden und steigt 40° über den Horizont; der untere zeigt nach Süden.

7. Bring die Uhr in die Sonne

   Stell die Grundplatte auf eine ebene, sonnige Fläche (prüfe mit einer Murmel oder einer Wasserwaage, dass sie nicht schief ist). Der mit NORDEN markierte Rand der Grundplatte muss nach Norden zeigen.

8. Richte sie nach Norden aus Erwachsene

   Dreh die Grundplatte mit dem Kompass, bis ihre Nord-Süd-Linie mit der Nadel übereinstimmt. Auf dem spanischen Festland und den Balearen beträgt die magnetische Abweichung höchstens 2° und du kannst sie ignorieren; auf den Kanaren liegt sie bei etwa 5–6° (und nimmt jedes Jahr um etwa 0,2° ab): Dort muss die Nord-Süd-Linie etwa 5–6° rechts (östlich) der Nadel liegen, oder nimm die Schattenmethode aus dem Tipp. Halte Handys, Schlüssel und Metalltische mindestens 30 cm vom Kompass fern.

   Tipp: Ohne Kompass: Dreh die Grundplatte zur Uhrzeit des Sonnenmittags deiner Stadt (Schritt 11), bis der Schatten genau auf die 12-Uhr-Linie fällt.

9. Lies die Sonnenzeit ab

   Schau, auf welche Linie der Schatten des Stabs fällt. Von März bis September liest du die Oberseite (Sommer) ab, von September bis März die Unterseite (Winter) – dazu bückst du dich und schaust unter die Scheibe.

   Prüfe: Der Schatten fällt auf das Zifferblatt und wandert jede Stunde eine Linie (15°) weiter.

10. Markiere die Position

    Wenn die Uhr gut ausgerichtet ist, umrande die Grundplatte auf dem Boden mit Malerkrepp oder Kreide. So kannst du die Uhr wegnehmen und an dieselbe Stelle zurückstellen, ohne sie neu auszurichten.

11. Rechne in die Uhrzeit um Erwachsene

    Offizielle Uhrzeit ≈ Sonnenzeit + 1 h (Winter) oder + 2 h (Sommer, Ende März bis Ende Oktober) + 4 Min. für jedes Grad Länge westlich von Greenwich (ziehe 4 Min. pro Grad östlich ab). Madrid (3,7° W): Addiere 1 h 15 Min. im Winter oder 2 h 15 Min. im Sommer.

    Tipp: Die Kanaren liegen in einer anderen Zeitzone: Addiere 1 h 2 Min. im Winter und 2 h 2 Min. im Sommer (15,5° W, Zeitzone UTC+0/UTC+1).

12. Vergleiche mit der Handyuhr

    Lies einen Nachmittag lang jede Stunde die Sonnenzeit an der Sonnenuhr ab, rechne sie um und vergleiche sie mit dem Handy. Der Unterschied darf höchstens 16 Minuten betragen (das ist die „Zeitgleichung“, die sich je nach Tag ändert).

Funktioniert es? Der Test

Notiere an einem wolkenlosen Tag mit ausgerichteter Uhr zu jeder vollen Stunde (laut Handy) die Linie, auf die der Schatten fällt.

Was passieren soll: Der Schatten wandert genau eine Linie (15°) pro Stunde. In Madrid fällt der Schatten während der Sommerzeit um 14:15 Uhr auf die 12 und um 17:15 Uhr auf die 15. Der Unterschied zum Handy beträgt nach der Korrektur aus Schritt 11 je nach Datum höchstens ±16 Minuten.

Wenn etwas nicht klappt

• Der Schatten fällt nicht auf die Oberseite — Es ist zwischen Ende September und März: Die Sonne steht unterhalb der Scheibenebene. Lösung: Lies die Winterseite unter der Scheibe ab. Um die Tagundnachtgleichen herum ist der Schatten auf keiner Seite richtig zu sehen: Warte ein paar Wochen.
• Sie zeigt eine ganz andere Zeit als das Handy (mehr als 30 Min.) — Du hast die Korrektur für Sommer-/Winterzeit und Längengrad nicht angewendet oder die Grundplatte zeigt nicht nach Norden. Lösung: Wende die Regel aus Schritt 11 an. Richte die Grundplatte mit dem Kompass fern von Metallgegenständen oder mit dem Schatten am Sonnenmittag neu aus.
• Der Schatten folgt nicht den Linien: Er geht vormittags vor und nachmittags nach (oder umgekehrt) — Der Stab steht nicht senkrecht zur Scheibe oder die Scheibe ist nicht um 50° geneigt. Lösung: Prüfe den Stab mit dem Geodreieck und die Stützen mit einem Winkelmesser. Kontrolliere, ob die Grundplatte eben steht.
• Die Scheibe verzieht sich oder das Papier wellt sich — Feuchtigkeit oder Tau. Lösung: Überziehe sie mit transparentem Klebeband und hol sie nachts herein. Nimm Schaumplatte, wenn sie viele Tage draußen stehen soll.
• Der Stab wackelt — Loch zu groß oder Knete in der Sonne zu weich. Lösung: Nimm Heißkleber statt Knete oder wickle Klebeband um den Stab, bis er stramm sitzt.

Sicherheit

• Schau nie direkt in die Sonne, auch nicht durch irgendetwas hindurch; zum Prüfen des Schattens schau nur auf die Scheibe.
• Das Cuttermesser benutzt ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte.
• Der Stab ragt 10 cm heraus: Stell die Uhr so auf, dass niemand darauf fallen oder sich plötzlich darüber bücken kann (schütze die Spitze mit einem Kügelchen Knete).
• In der Sommersonne bei langen Beobachtungen an Mütze, Sonnencreme und Wasser denken.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Die Sonne bewegt sich nicht wirklich: Die Erde dreht sich wie ein Kreisel, und deshalb sehen wir die Sonne von einer Seite des Himmels zur anderen ziehen. Sie dreht sich alle 24 Stunden einmal ganz herum, also geht es jede Stunde ein gleich großes Stück weiter, wie bei einer Pizza mit 24 Stücken. Unser Stab zeigt in dieselbe Richtung wie die Erdachse, zum Polarstern, und sein Schatten dreht sich wie ein Uhrzeiger um ihn herum, jede Stunde ein Stück weiter.

Für Erwachsene

Durch die Erdrotation beschreibt die Sonne am Himmel jeden Tag einen Kreis um die Polachse mit 15°/h (360°/24 h). Bei einer Äquatorialuhr verläuft der Gnomon parallel zu dieser Achse (um einen Winkel gleich der geografischen Breite φ über den Horizont geneigt und auf den geografischen Nordpol gerichtet), und das Zifferblatt liegt parallel zum Himmelsäquator (Neigung 90° − φ). So dreht sich der Schatten des Gnomons genau 15° pro Stunde und die Linien haben gleiche Winkelabstände – anders als bei der Horizontaluhr, wo tan(Winkel) = sin φ · tan(15°·h) gilt. Die Deklination der Sonne schwankt zwischen +23,4° (Junisonnenwende) und −23,4° (Dezember): Von März bis September beleuchtet die Sonne die nördliche Oberseite, von September bis März die Unterseite; zu den Tagundnachtgleichen fällt das Licht streifend ein. Die Uhr zeigt die wahre Ortszeit an. Umrechnung in die offizielle Zeit: + Zeitzone (UTC+1 im Winter, UTC+2 mit Sommerzeit auf dem spanischen Festland) − Länge/15 (in Stunden, positiv nach Osten) − Zeitgleichung (−14 Min. Mitte Februar, +16 Min. Anfang November, eine Folge der Exzentrizität der Erdbahn und der Achsneigung). Die einfache Methode (senkrechter Gnomon, Markierungen an einem Tag) ergibt eine Uhr, die nur nahe dem Kalibrierungsdatum genau ist, weil bei senkrechtem Gnomon die Schattenrichtung zu einer bestimmten Uhrzeit von der Deklination abhängt. Ein Fehler von ±4° beim Breitengrad verursacht in den mittleren Stunden nur Fehler von wenigen Minuten.

• Gnomon: der Stab der Sonnenuhr, der den Schatten wirft.
• Sonnenzeit: die Zeit, die die Sonne anzeigt: Um 12 Uhr steht sie am höchsten, genau im Süden.
• Breitengrad: wie weit du vom Äquator entfernt bist, in Grad (Madrid: 40°).
• Erdachse: gedachte Linie, um die sich die Erde dreht; sie zeigt auf den Polarstern.
• Zeitzone: Gebiet der Welt, in dem dieselbe offizielle Uhrzeit gilt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet und baut die Uhr; das Kind klebt die Zifferblätter auf, setzt die Knete an und liest nachmittags die Sonnenzeit ab. Es reicht: „Der Schatten dreht sich wie ein Zeiger.“
• 8–10 Jahre: Sie bauen alles außer den Schnitten mit dem Cuttermesser, richten mit dem Kompass aus und vergleichen mit dem Handy, indem sie die Stunden Unterschied addieren.
• 11–12 Jahre: Sie berechnen ihre Längenkorrektur, bauen mit einem Winkelmesser Stützen für ihren genauen Breitengrad und zeichnen über mehrere Monate die Zeitgleichung auf.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams zu dritt, eine Uhr pro Team. Vorher: Zifferblätter drucken, Scheiben und Stützen vorschneiden, Kompasse bereitlegen (oder nur einer, mit dem die Lehrkraft eine Nord-Süd-Linie mit Kreide auf den Schulhof zeichnet). Einheit von 60 Min.: 10 Min. Erklärung mit Taschenlampe und Ball, 35 Min. Bauen, 15 Min. auf dem Schulhof die Uhren an der Linie ausrichten. Zeit ablesen in der Pause und nach Schulschluss.

Challenges

• Baue eine horizontale Sonnenuhr und berechne die Winkel mit tan(Winkel) = sin(Breite) · tan(15° · Stunden).
• Füge am Rand der Grundplatte eine kleine Korrekturtabelle für jeden Monat hinzu.
• Mach eine menschliche Sonnenuhr auf dem Schulhof: Du bist der Gnomon.
• Bastle eine faltbare Taschen-Sonnenuhr mit eingebautem kleinem Kompass.

Weitere kostenlose Projekte

• Solarofen im Karton
• Thermometer mit buntem Wasser
• Wasseruhr aus zwei Flaschen
• Windmesser aus Bechern

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