مقدمه:
آخرین باری که با دقت به سایه‌های اطراف خود دقت کردید چه زمانی بوده است؟ بیشتر افراد به سایه‌ها و نحوه‌ی تغییر شکل آنها اهمیت زیادی نمی‌دهند. دلیل این رفتار آن است که مردم معتقدند این سایه‌ها اهمیت چندانی ندارند. اما حرکت سایه‌ها در نور خورشید نشان از پدیده‌ای بسیار مهم دارد، پدیده‌ای پیچیده که درک آن توسط انسان‌ها هزاران سال به طول انجامید: اینکه زمین حرکت چرخشی به دور خود و به دور خورشید دارد.

پیش‌زمینه:

هر روز صبح زمین می‌چرخد و در موقعیتی قرار می‌گیرد که محل سکونت شما رو به خورشید قرار بگیرد. با چرخش زمین مشاهده می‌کنید که خورشید از افق شرقی بالا می‌آید. با ادامه‌ی این چرخش و گذر روز به نظر می‌رسد که خورشید در پهنه‌ی آسمان حرکت می‌کند. زمانی که کره‌ی زمین در موقعیتی قرار می‌گیرد که محل سکونت شما دور از خورشید باشد، غروب خورشید را در افق غربی خود می‌بینید. از جایی که شما هستید، یعنی در سطح زمین، به نظر می‌رسد که خورشید در آسمان حرکت می‌کند. اما این حرکت در واقع حاصل از چرخش زمین است و ما تنها حرکتی ظاهری از خورشید در آسمان می‌بینیم. با حرکت ظاهری خورشید در آسمان، سایه‌ها نیز تغییر شکل می‌دهند.

حرکت ظاهری خورشید به مقدار تقریباً یک درجه در روز نتیجه‌ای از حرکت زمین است ولی دلیلی بر آن نیست. حرکت ظاهری خورشید را می‌توان با نظریه‌ی زمین مرکزی که توسط بطلمیوس عنوان گردید تفسیر کرد. طبق این نظریه که چندین قرن مورد قبول عامه بود زمین ساکن فرض گردیده و خورشید به دور آن می‌گردد. در ابتدای قرن شانزده کوپرنیک نظریه‌ی خود را ارائه داد. طبق این نظریه خورشید مرکز منظومه شمسی است و تمام سیاره‌ها در مدار دایره‌ای حول آن در چرخش‌اند. یکی از نتایج نظریه کوپرنیکی یا خورشید مرکزی این است که ستاره‌های نزدیکتر وقتی که از زمین در حال چرخش مشاهده می‌شوند یک جابه‌جایی پارلاکس نشان می‌دهند. از حرکت ظاهری خورشید برای تعریف سال استفاده می‌شود.

مواد و وسایل مورد نیاز:

یک روز آفتابی (برای گرفتن نتایج خیلی خوب، بهتر است صبح زود یا نزدیک غروب این فعالیت را انجام دهید.)
حیاط، زمین بازی یا هر فضای باز مناسب دیگر
یک ساعت مچی یا ساعت رومیزی
گچ رنگی حداقل در چهار رنگ متفاوت (اگر قصد کشیدن طرح سایه روی پیاده‌رو را دارید.)
مداد شمعی یا مداد رنگی حداقل در چهار رنگ متفاوت (اگر قصد دارید طرح سایه‌ها را روی کاغذ بکشید.)
یک برگه کاغذ بزرگ
حداقل چهار عدد سنگ کوچک یا دیگر اشیاء سنگین تا بتوانند کاغذ را روی زمین نگه دارند.
یک سایه‌ساز (وسیله‌ای با شکل جالب، مثلاً یک بطری، کامیون اسباب‌بازی یا دیگر وسایل بازی)

روش کار:

جسمی با شکل جالب به عنوان سایه‌ساز خود انتخاب کنید، مانند یک بطری، کامیون اسباب‌بازی یا هر اسباب‌بازی جالب دیگر.

به خارج از منزل بروید و محلی را پیدا کنید که در آن قادر به دیدن سایه‌ی خود باشید. کاغذ بزرگ را روی زمین بگذارید. روی لبه‌های این کاغذ سنگ بگذارید تا در اثر وزش باد یا عوامل دیگر از جای خود تکان نخورد.

جسم سایه‌ساز خود را در وسط این کاغذ بگذارید. به نظر شما چرا باید سایه‌ساز در وسط کاغذ قرار بگیرد؟

با استفاده از مداد یا گچ طرح سایه‌ی سایه‌ساز در آن لحظه را روی کاغذ رسم کنید. آیا سایه‌ی جسم به اندازه‌ی خود جسم است؟ آیا شکل سایه با شکل جسم یکسان است؟ به نظرتان با حرکت و تغییر مکان خورشید (یا به بیان دقیق‌تر با تغییر مکان ما نسبت به خورشید) شکل، اندازه و جهت سایه چه تغییری خواهد کرد؟

بیست دقیقه منتظر بمانید. سپس شکل سایه را مجدداً روی کاغذ با مداد یا گچ رنگ دیگر رسم کنید. سایه حرکت کرده است؟ شکل و اندازه‌ی آن چه تغییری کرده است؟

به همین ترتیب در فواصل بیست دقیقه‌ای طرح سایه را دنبال کنید تا متوجه حرکت آن شوید. سایه چگونه تغییر کرده است؟ به نظر شما دلیل این مشاهدات چیست؟

آزمایش‌های تکمیلی:

برای ادامه‌ی کار و انجام آزمایش‌های بیشتر با سایه، این تغییرات را در روند کار خود اعمال کنید: طرح سایه را هر ده دقیقه، سی دقیقه، یک ساعت یا دو ساعت یک بار رسم کنید. فضای بین این طرح‌ها چه تفاوتی با هم دارد؟

این فعالیت را در زمان‌های مختلف از روز انجام دهید. الگوی سایه‌ها در صبح، ظهر و اواخر روز به چه شکل است؟ آیا متوجه الگوی خاصی بین این طرح سایه‌ها می‌شوید؟

مشاهده و نتیجه‌گیری:
در تمام طول روز سایه‌ها در حال کوچک و بزرگ شدن و تغییر شکل هستند. احتمالاً متوجه این مسئله شده‌اید که نتایج انجام این فعالیت در ظهر چندان جالب نیست. در ظهر که خورشید در بالای آسمان قرار دارد، سایه‌ی اجسام درست مانند یک گودال آب کوچک در پایین پای آنهاست. صبح زود و قبل از غروب سایه‌ها با سرعتی بیشتر از آنچه انتظار دارید تغییر اندازه و شکل می‌دهند. در زمان طلوع و غروب آفتاب، از آنجا که ارتفاع خورشید در آسمان کم است اجسام سایه‌هایی بسیار طولانی‌تر از زمان ظهر دارند.

اگر دوست دارید می‌توانید این فعالیت را به صورت بازی با دوستان یا اعضای خانواده‌ی خود انجام دهید. ابتدا طرح سایه‌ی یک جسم بلند مانند تیر برق را روی زمین علامت‌گذاری کنید. سپس از هم‌بازی‌های خود بخواهید حدس خود از جایی که سایه‌ی تیر برق قرار خواهد گرفت را با رنگ‌های مختلف علامت بزنند. پانزده دقیقه صبر کنید و نتایج را بررسی کنید. حدس کدام یک از اعضای تیم به واقعیت نزدیک‌تر است؟
سایه‌ها در جهت‌یابی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مثال در شمال امریکا سایه‌ها در حدود ظهر به سمت شمال قرار می-گیرند زیرا در این زمان خورشید به جنوب نزدیک است. در نتیجه اگر در شمال امریکا در حدود ظهر امکان بررسی یک سایه را داشته باشید، می‌توانید محل تقریبی شمال را تشخیص دهید.

منبع:

Rad Shadow Sketch

منابع مفيد:

دلايل ايجاد فصل‌ها

نور: موج يا ذره؟

چرخش زمين

نور

سايه نيم سايه

نسبت بازتاب

باز هم شايعه نادرست

Light and Shadows

Seasons and Shadows

Making a clocksun

جهت يابي-ويکيپديا

نور-ويکيپديا

ساعت آفتابي-ويکيپديا