Juliane
Helke, Ingolf Söllig und Konstantin Wehrhahn
(aus der Klassenstufe 12) vom Goethegymnasium in
Rostock
haben mit ihrer Arbeit „Die astronomische Uhr
in
St. Marien zu Rostock“ den „Sonderpreis des
Bundeskanzlers
für die originellste Arbeit“ im Bundes-
Wettbewerb
Jugend forscht 2000 in Paderborn
erhalten
und
den zweiten Platz im Fachgebiet „Geo- und Raumwissenschaften“ belegt.
Warum untersuchten die Schüler
diese
Monumentaluhr, deren Werke seit ihrer Erschaffung
1472
im wesentlichen unverändert blieben?
Die astronomische Uhr hat ein 2017-Problem: Dann nämlich läuft die Kalenderscheibe, die dem Betrachter Auskunft über 2650 Daten aus 133 Jahren gibt (Osterdaten, Mondzirkel, Römerzinszahlen u.a.), ab. Um die Uhr auch für die Zeit nach 2017 in ihrem Gebrauchswert zu erhalten, wagten sich die Schüler an den Entwurf einer neuen Kalenderscheibe
( d =2,07m). Sie entwickelten Computerprogramme, mit denen sie die Daten aus dem christlichen Jahreskreis bestimmen konnten.
Vorbereitende Arbeiten bestanden darin, alle verfügbaren
Informationen, die mit der Uhr im Zusammenhang standen,einzuholen, um ein
Grundverständnis des Uhrwerkes zu erwirken, mit dem die himmelsmechanischen
Vorgänge approximativ wiedergegeben werden. Dadurch erhielten die Schüler einen
allgemeinen, umfassenden Überblick über das Vorhaben aus interdisziplinärer
Sicht.
Die Arbeit umfasste folgende Aufgaben: Eine Bestandsaufnahme
und Dokumentation der Uhr, Beschäftigung mit einigen „Merkwürdigkeiten“ dieser
Uhr (Besonderheiten der Bestandteile, Gangungenauigkeiten u.a.) und die
Anfertigung eines maßstabsgetreuen Arbeitsmodells aus Holz und Pappe. Ein
Modell eines Kreisausschnitts der Scheibe (d
= 2,07m, a
= 30°
) wurde als Muster aus Eichenholz angefertigt und mit Künstlerfarben bemalt, um
einen Vergleich zwischen alter und neuer Beschriftung anstellen zu können.
Die Schüler entwickelten eine Arbeitsstrategie, bei der eine Reihe von Vernetzungsgesichtspunkten in den Mittelpunkt gestellt wurden. Es war überhaupt ihre wichtigste Position, in der Gesamtinterpretation die ganzheitliche Betrachtung anzustreben.
Eines der Hauptanliegen war die Berechnung der Daten für die nächste Kalenderscheibe (2018 bis 2150) der astronomischen Uhr in St. Marien zu Rostock. Die Schüler benutzten eigene Algorithmen und ein selbstentwickeltes Computerprogramm.Im Folgenden soll dieses Programm kommentiert werden:
Für viele Berechnungen ist relevant, ob das jeweilige Jahr ein Schaltjahr ist. Nach dem derzeitigen System hat jedes Jahr mindestens 365 Tage, alle vier Jahre kommt ein Tag dazu. Dieser Tag entfällt bei Jahrhundertwechseln; nicht aber, wenn das Jahrhundert durch vier teilbar ist. Eine sehr gute Näherung an die tatsächliche Jahreslänge ist folgender Term:
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365d + 1d -
1d + 1d = 365d
x 400 + 1d x 100
- 1d x 4 +
1d = 146097d
a
4a 100a 400a 400a 400a 400a 400a 400a
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= 365,2425 d
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a
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Das Programm wertet die Teilbarkeit aus und reagiert entsprechend.
Weiterhin ist auf der Scheibe der Sonntagsbuchstabe des entsprechenden Jahres enthalten. Dieser gibt Auskunft darüber, welchem Tagesbuchstaben der Sonntag zugeordnet ist. Die Tagesbuchstaben der jeweiligen Daten auf der Kalenderscheibe geben so relativ zum Sonntagsbuchstaben den Wochentag an. Das Jahr hat 365 Tage:
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365d Wochen + d
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a = 52
a 1 a
7d
Woche
Ein Tag kommt als Rest pro Jahr dazu – es fehlt praktisch dem nächsten Jahr. Hier muss noch das Schaltjahr berücksichtigt werden, in dem zwei Sonntagsbuchstaben für die Zeit bis zum bzw. nach dem 29.02. des jeweiligen Jahres den Wochentag definieren. Der Sonntagsbuchstabe verringert sich also um eins pro Jahr; im Schaltjahr um zwei. Aus diesen Gegebenheiten entsteht der Sonnenzirkel:
Dieser beschreibt die Periode von gleichen Wochentagen auf gleichen Datumstagen. Sie beträgt 28 Jahre. Alle vier Jahre ist Schaltjahr, und in sieben Jahren verschieben sich die Wochentage genau um ihre eigene Zahl. Mathematisch gesehen ist die gemeinsame Periode gleich dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der beiden Perioden. Da vier und sieben teilerfremd sind, ist dieses gleich ihrem Produkt. Der Sonnenzirkel muss also bloß um eins pro Jahr erhöht werden, um bei 29 auf eins zurückgesetzt zu werden.
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ZS = Jahr + 8 - Jahr + 8 x 28 + 1
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28
Der Mondzirkel (Meton-Zyklus) ist auf der Scheibe unter der Bezeichnung „Goldene Zahl“ aufgeführt. Dieser Zyklus beschreibt die Periode von gleichen Mondphasen entsprechend dem Datum. Bei einer Länge von etwa 29,531 Tagen pro Mondphase haben 19 Jahre rund 235 Mondphasen. Deshalb läuft der Mondzirkel jeweils von 1 bis 19 .
d
29,531
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Phase
= 19 a ZM
= Jahr - Jahr x 19 + 1
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365,2425 d 235 Phasen 19
a
Ein weiterer Zyklus auf der Scheibe ist die Römerzinszahl (Indiktion). Sie wächst ebenfalls jedes Jahr um eins und wird bei 16 zurückgesetzt.
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ZI
= Jahr+2 - Jahr + 2 x 15 + 1
15
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Gleichsam interessant und problematisch war die Berechnung des Osterdatums; hierzu Nachdenkenswertes:
Gemäß dem christlichen Glauben wurde Jesus unmittelbar vor dem jüdischen Passahfest gekreuzigt. Dieses beginnt am 14. oder 15. Tag des Frühlingsmonats „Nisan“. Da jüdische Monate mit Neumond anfangen, muss das Passahfest unmittelbar auf einen Vollmond folgen. Es wurde deshalb im Jahre 325 auf dem Konzil von Nicäa beschlossen, Ostern auf den Sonntag nach dem ersten Vollmond nach bzw. am Frühlingsanfang zu legen. Heute sind eine Reihe mehr oder weniger genauer Verfahren bekannt; sie basieren alle auf dem Ansatz der Epakte so u.a. die Gauß-sche Osterformel.
Die Schüler entwickelten nun folgende Variante:
Man benötigt den Epakt des jeweiligen Jahres. Dieser gibt
das Alter des Mondes zu Neujahr an. Nun
wähle man ein fiktives Jahr, bei dem
genau am 01.01. 00:00 Uhr eine neue Mondphase beginnt. Am Ende des Jahres
sind zwölf Mondphasen abgeschlossen, eine 13. angebrochen. Rund 11 Tage beträgt
die Mondphase am 01.01. des folgenden Jahres.
Ausgehend von einem Julianischen Jahr verschieben sich die Epakte also um rund 11 Tage pro Jahr und treten alle 19 Jahre (Mondzirkel) identisch auf.
(365,25 – 12 ´ 29,5) = 11
Zu Zeiten des Julianischen Kalenders galt deshalb folgende Formel (die 30 bezieht sich auf die Mondphasenlänge):
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30
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Um einen genauen Wert für die Epakte zu erhalten, müssen sie jedoch mit den ausgelassenen Schaltjahren im Gregorianischen Kalender sowie mit der wahren Mondphase synchronisiert werden (19 Jahre entsprechen nicht genau 235 Phasen; in 2500 Jahren kommen acht Tage hinzu):
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E = 11 x ( ZM
– 1 ) - 11 x ( ZM – 1
) x 30 - 3 Jh + 8 x Jh +
5 + 8
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30
4
25
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An dieser Stelle ist es notwendig, auf die dazuaddierten
Zahlen in den Formeln für ZS , ZM ,ZI
und E Urrückzukommen. Da alle drei Werte mit einer Periode verlaufen, haben diese Summanden keinerlei Auswirkungen außer einer Relativverschiebung. Das Addieren von eins nach der Restrechnung von ZS, ZM und ZI soll verhindern, dass diese den Wert null annehmen. Zurückgehend auf die fehlende Ziffer null im römischen Zahlensystem, war diese lange Zeit nicht gebräuchlich; daraus resultiert u.a. auch die Kuriosität, dass auf das Jahr eins vor unserer Zeitrechnung nicht etwa das Jahr null, sondern das Jahr eins nach unserer Zeitrechnung folgt. Bei der Epakten-Formel wird ein Ergebnis von null ganz einfach auf 30 gesetzt, von einem möglichen Ergebnis über 30 werden diese abgezogen.
Wenn man die Epakte erst einmal berechnet hat, kann man den ersten Vollmond nach dem 21.03. problemlos bestimmen. Die Zeit von Neujahr bis Frühlingsbeginn beträgt 80 Tage, d.h. zwei Mondphasen und weitere 21 Tage. Acht Tage fehlen also zur nächsten Mondphase. Weitere 15 Tage (etwa 0,5 Mondphasen) später ist Vollmond. Der Mond ist am 01.01. Tage alt, ebenso wieder am 01.03. des Jahres. Relativ zum 21.03. ist der nächste Vollmond
(8+15-E) Tage entfernt. Wird dieser Wert kleiner als null, muss man 30 Tage dazuaddieren, um auf eine Zeit nach Frühlingsbeginn zu kommen. Die „Differenz“ des Sonntagsbuchstabens des jeweiligen Jahres und des diesem Datum zugeordneten Tagesbuchstabens wird nun dazuaddiert, um den nächsten Sonntag zu bestimmen. Hier ist das Schaltjahr zu beachten. Problematisch sind allerdings die Epakte 24 bzw. 25. Im ersten Fall erhält man unter Umständen ein Osterdatum am 26.04., das definitionsgemäß auf den 19.04. abgeändert werden muß. Auf Grund der Näherung von 30 Tagen pro Mondphase, die in der Julianischen Ausgangsformel enthalten ist, kann weiterhin ein Epakt von 25 einen Vollmond auch am 17.04. statt – wie berechnet – am 18.04. beschreiben. Hier verrät ein Blick auf den Mondzyklus das richtige Datum; ist er größer als 11 , ist der 17.04. zu setzen.
Mit dem Ostertermin kann nun auch die Zeit zwischen Weihnachten und Fastnacht bestimmt werden. Da Fastnacht, also der Tag vor Aschermittwoch, konstant sechs Wochen und fünf Tage vor Ostern liegt, Weihnachten jedoch terminunveränderlich ist, sind 47 Tage von Ostern abzuziehen und die Differenz zu Weihnachten zu bilden. Der 25.12. zählt hierbei als erster Tag. Der Zeitraum kann eine Länge von fünf Wochen und fünf Tagen (Ostern 22.03., kein Schaltjahr) bis zu zehn Wochen und fünf Tagen (Ostern 25.04., Schaltjahr) haben.
Die Arbeit der Schüler ist die dritte (nach 1885 und 1992), aktualisierte und erweiterte Dokumentation der Rostocker Kirchenuhr mit Bezug auf die astronomische Uhr in Lund, Schweden.. Die Schüler erarbeiteten Kriterien zur Inventarisierung, mit deren Hilfe die Wiedererkennung der Bestandteile des Räderwerkes standardisiert werden kann. Es handelt sich um Beschreibungsmerkmale wie Objekttyp, Radius, Zahnzahlen, Länge der Zahnlücken, Reibungsmittelpunkt etc. Die Arbeit enthält auch die photographische Wiedergabe der Objekte.
Abschließend soll noch auf einen interessanten Aspekt der Arbeit hingewiesen werden:
Den Schülern fielen eine Reihe von Unregelmäßigkeiten in der Gestaltung der alten Kalenderscheibe auf, die bisher nicht dokumentiert wurden und einen Nährboden für viele weitergehende Überlegungen zu den Besonderheiten der Uhr bieten.