Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9
18De Zon aan de hemel: dagen en seizoenen
In juni speel je na het avondeten buiten in gouden licht; in december gaan de straatlantaarns aan voordat je thuis bent van school. De Zon houdt haar oude gewoonte aan — langs de ene kant omhoog, over de top, langs de andere kant omlaag — maar haar weg door de hemel is niet het hele jaar dezelfde weg. Volg haar een heel jaar lang, en je ontdekt de seizoenen.
18.1 De wisselende weg van de Zon
Voorbeeld 18.1 (Zomerweg, winterweg)
Kijk midden in de zomer naar de boog van de Zon: ze komt vroeg op, klimt heel hoog — rond het middaguur bijna recht boven je — en gaat laat onder: een lange, hoge weg en een lange dag. Midden in de winter is de boog laag en kort: de Zon komt laat op, klimt nooit ver boven de daken uit en gaat midden in de middag onder. Daartussenin, in de lente en de herfst, is de weg middelmatig — en delen dag en nacht de uren bijna gelijk.
Propositie 18.2 (De middagregel)
In elk seizoen staat de Zon midden op de dag het hoogst — en op dat moment is elke schaduw op zijn kortst van de hele dag en wijst hij dezelfde kant op als de middagschaduw van gisteren, en die van morgen. Middagschaduwen zijn de betrouwbaarste pijlen in de natuur.
Voorbeeld 18.3 (Het seizoen aflezen aan een schaduw)
De lengte van de middagschaduw verandert met het seizoen: in de zomer, met de Zon bijna recht boven je, is de middagschaduw van een paal een kort stompje; in de winter, met de Zon laag aan de hemel, werpt dezelfde paal een lange middagschaduw. Markeer één keer per maand de punt van de middagschaduw op de grond, en de markeringen kruipen het jaar door heen en weer als een trage slinger.
18.2 De schaduwklok
Definitie 18.4 (Zonnewijzer)
Een zonnewijzer is een klok van schaduw: een stok of plaatje dat in de zon staat, met streepjes eromheen die aangeven waar de schaduw op elk uur valt. Terwijl de Zon haar boog aflegt, veegt de schaduw langs de streepjes — langzaam, geluidloos en zonder één bewegend onderdeel.
Methode 18.5 (Een schaduwklok bouwen)
Op een zonnige ochtend, op een plek die de hele dag zonnig blijft:
- zet een rechte stok rechtop in vlakke grond (of in een emmer zand);
- markeer elk heel uur de punt van zijn schaduw met een kiezelsteen en schrijf het uur er met krijt op;
- ga door tot de avond.
Morgen bezoekt de schaduw je kiezels keurig op tijd: je stok vertelt nu hoe laat het is. (Een tijdje, althans — terwijl het seizoen opschuift, schuiven de schaduwen mee, en gaan je kiezels langzaam verkeerd staan.)
18.3 Het jaar en zijn seizoenen
Definitie 18.6 (Het jaar en de seizoenen)
Terwijl de Aarde één keer per dag om haar as draait, legt ze ook een enorme reis om de Zon af — één volledige ronde duurt een jaar, ongeveer dagen. Onderweg langs die ronde stijgt en daalt de weg van de Zon door onze hemel langzaam, en doorlopen we de vier seizoenen: lente, zomer, herfst, winter — en dan weer lente, ronde na ronde.
Voorbeeld 18.7 (De vier kwartalen)
Zomer: hoge Zon, lange dagen, korte middagschaduwen. Winter: lage Zon, korte dagen, lange middagschaduwen. Lente en herfst liggen ertussen — en in elk van beide valt één bijzondere dag waarop dag en nacht even lang duren. Boeren, zeelieden en bouwers van vroeger leerden deze kalender rechtstreeks aan de hemel af te lezen.
Opmerking 18.8 (De winter is niet “verder weg”)
Het is verleidelijk om te gokken dat de winter koud is doordat de Aarde verder van de Zon afdrijft. Zo is het niet — de afstand verandert nauwelijks, en als het hier winter is, is het op precies hetzelfde moment zomer voor kinderen op de andere helft van de Aarde, wat geen enkel “verder weg” kan verklaren! De echte sleutel is de lage weg van de Zon: lage Zon, schuin invallend licht, zwakke verwarming. De volledige uitleg is beloofd voor een later hoofdstuk.
18.4 Oefeningen
Oefening 18.1 ★
In welk seizoen is de boog van de Zon het hoogst en het langst? Het laagst en het kortst? Wat doet dat met de lengte van de dag?
Oplossing
Oplossing van Oefening 18.1.
Het hoogst en het langst in de zomer — wat lange dagen geeft; het laagst en het kortst in de winter — wat korte dagen geeft.
Oefening 18.2 ★
Op welk moment van de dag is de schaduw van een paal het kortst? Wat is er dag na dag nog meer bijzonder aan de middagschaduw?
Oplossing
Oplossing van Oefening 18.2.
Rond het middaguur, wanneer de Zon het hoogst staat. De middagschaduw wijst bovendien elke dag van het jaar dezelfde kant op — de betrouwbaarste pijl van de natuur.
Oefening 18.3 ★
Dezelfde paal werpt in juni een middagschaduw van laarslengtes en in december van laarzen. Verklaar het verschil met de twee wegen van de Zon.
Oplossing
Oplossing van Oefening 18.3.
In juni legt de Zon haar hoge weg af en staat ze rond het middaguur bijna recht boven je, dus is de schaduw een kort stompje. In december blijft de Zon op haar lage weg; zelfs rond het middaguur valt haar licht schuin in, en werpt dezelfde paal een lange schaduw.
Oefening 18.4 ★
Hoe vertelt een zonnewijzer hoe laat het is? Waarvan is zijn bewegende wijzer gemaakt?
Oefening 18.5 ★
Waarom moet de stok in Methode 18.5 op een plek staan die de hele dag zonnig is? Wat gebeurt er met de klok bij bewolkt weer — en ’s nachts?
Oplossing
Oplossing van Oefening 18.5.
Als de schaduw van een muur de stok op enig uur opslokt, kan dat uur nooit gemarkeerd of afgelezen worden. Onder wolken heeft de klok geen wijzer — geen schaduw — en ’s nachts ook niet: een zonnewijzer werkt alleen zolang de Zon werkt.
Oefening 18.6 ★
Hoe lang doet de Aarde over één ronde om de Zon? Hoeveel seizoenen passen er in één ronde? Zet ze op volgorde, te beginnen bij de lente.
Oplossing
Oplossing van Oefening 18.6.
Eén jaar — ongeveer dagen. Vier seizoenen per ronde: lente, zomer, herfst, winter.
Oefening 18.7 ★
Hoeveel dagen zitten er ongeveer in een jaar? En — uit een eerder hoofdstuk — hoeveel uur in een dag? Welke reis van de Aarde maakt elk van beide?
Oplossing
Oplossing van Oefening 18.7.
Ongeveer dagen in een jaar; uur in een dag. De dag is één omwenteling van de Aarde om zichzelf; het jaar is één ronde van de Aarde om de Zon.
Oefening 18.8 ★
Noem twee aanwijzingen die je in één week vanuit je raam kunt zien en die je zonder kalender vertellen of het hartje zomer of hartje winter is.
Oplossing
Oplossing van Oefening 18.8.
Bijvoorbeeld: hoe vroeg de straatlantaarns aangaan (donker vóór het avondeten betekent winter); hoe hoog de Zon rond het middaguur staat; hoe lang de middagschaduwen zijn; of je na het avondeten nog bij daglicht buiten kunt spelen.
Oefening 18.9 ★
Als het winter is waar jij woont, welk seizoen is het dan voor kinderen op de andere helft van de Aarde? Wat bewijst dat over de gok “de winter komt doordat de hele Aarde verder van de Zon staat”?
Oplossing
Oplossing van Oefening 18.9.
Bij hen is het op datzelfde moment zomer. Als de hele Aarde verder van de Zon stond, zou iedereen tegelijk winter hebben — dus moet de gok fout zijn. De echte oorzaak is de lage weg en het schuin invallende licht.
Oefening 18.10 ★★
Een tuinierster legt de kiezels van haar schaduwklok in maart. In juni raakt de schaduw de kiezels op de gemarkeerde uren niet meer. Is de stok verschoven? Leg uit wat er is opgeschoven, met Voorbeeld 18.3.
Oplossing
Oplossing van Oefening 18.10.
De stok is niet verschoven — de weg van de Zon wel. Van maart tot juni klom de boog hoger en werden de schaduwen korter en verschoven ze, zodat de schaduw de kiezels van de maartweg nu mist. Een zonnewijzer moet je bij zijn seizoen aflezen.
Oefening 18.11 ★★
Een ontdekkingsreizigster wordt wakker zonder horloge en zonder telefoon, ziet de Zon precies op haar hoogste punt staan, en merkt een uur later dat de schaduw van haar tent al langer is dan de tent hoog is. Hoe laat was het ongeveer toen ze wakker werd, en zit ze dichter bij hartje zomer of hartje winter? Redeneer vanuit de middagregel en de lengte van de schaduw.
Oplossing
Oplossing van Oefening 18.11.
De Zon op haar hoogst betekent dat ze rond het middaguur wakker werd. Als de schaduw van de tent al één uur later langer is dan de tent hoog, dan moet de Zon zelfs vlak bij het middaguur heel laag hangen — de lage winterweg: ze zit dichter bij hartje winter.