miniatura|alt=Uma ampulheta de vidro em uma moldura de madeira, com uma junta de marfim entre as duas metades. A areia cai da metade superior para a inferior.|Uma ampulheta do século XVII. A ampulheta é frequentemente usada simbolicamente para representar o conceito de tempo.
A história dos dispositivos de medição do tempo remonta às civilizações antigas, que observavam corpos celestes em seus movimentos pelo céu. Os dispositivos e métodos para medir o tempo evoluíram gradualmente por meio de uma série de invenções, começando com processos contínuos, como o fluxo de líquidos em relógios de água, passando por relógios mecânicos e, eventualmente, processos oscilatórios repetitivos, como o balanço de pêndulos. Os relógios oscilantes são utilizados nos dispositivos modernos de medição do tempo. Relógios solares e relógios de água foram usados inicialmente no Antigo Egito por volta de 1200 a.C. e, posteriormente, pelos babilônios, gregos e chineses. já eram utilizados na China no século VI. No período medieval, os relógios de água islâmicos destacavam-se por sua sofisticação até meados do século XIV. A ampulheta, inventada na Europa, era um dos poucos métodos confiáveis para medir o tempo no mar.
Na Europa medieval, relógios puramente mecânicos foram desenvolvidos após a invenção do alarme com sinos, usado para indicar a hora de tocar os sinos monásticos. O relógio mecânico movido a peso, controlado por uma , resultou da síntese de ideias europeias e islâmicas. Os relógios mecânicos foram um avanço significativo, com destaque para o projetado e construído por Henry de Vick por volta de 1360, que estabeleceu o padrão de design pelos próximos 300 anos. Pequenos avanços foram incorporados, como a invenção da no início do século XV, que permitiu a construção de relógios menores pela primeira vez.
O próximo grande avanço na construção de relógios, a partir do século XVII, foi a descoberta de que relógios poderiam ser controlados por osciladores harmônicos. Leonardo da Vinci produziu os primeiros desenhos conhecidos de um pêndulo entre 1493 e 1494, e, em 1582, Galileu Galilei investigou o movimento regular do pêndulo, descobrindo que sua frequência dependia apenas do comprimento, não do peso. O relógio de pêndulo, projetado e construído pelo polímata holandês Christiaan Huygens em 1656, era muito mais preciso do que outros tipos de relógios mecânicos, de modo que poucos mecanismos de verga e folhote sobreviveram. Outras inovações nesse período incluem invenções para relógios de batida, o e o .
Fatores de erro em relógios de pêndulo iniciais incluíam variações de temperatura, um problema enfrentado no século XVIII pelos relojoeiros ingleses John Harrison e . Após o desastre naval de Scilly de 1707, quando governos ofereceram um Prêmio Longitude para quem descobrisse um método de determinar a longitude, Harrison construiu uma série de cronômetros precisos, introduzindo o termo cronômetro. O relógio elétrico, inventado em 1840, foi usado para controlar os relógios de pêndulo mais precisos até a década de 1940, quando os relógios de quartzo se tornaram a base para a medição precisa de tempo e frequência. O relógio de pulso, reconhecido como uma ferramenta militar valiosa durante a Guerra dos Bôeres, tornou-se popular após a Primeira Guerra Mundial, em variações que incluíam modelos não magnéticos, movidos a bateria e a energia solar, com quartzo, transistores e peças de plástico. Desde o início dos anos 2010, smartphones e smartwatches tornaram-se os dispositivos de medição do tempo mais comuns. Os dispositivos mais precisos em uso prático hoje são os relógios atômicos, que podem ser precisos a poucos bilionésimos de segundo por ano e são usados para calibrar outros relógios e instrumentos de medição do tempo.
Dispositivos de medição contínua do tempo
miniatura|alt=Fotografia de Stonehenge ao nascer do sol|O Sol nascendo sobre Stonehenge no sul da Inglaterra durante o solstício de junho (o dia mais longo do ano no Hemisfério Norte).
As civilizações antigas observavam corpos celestes, frequentemente o Sol e a Lua, para determinar o tempo. Segundo o historiador Eric Bruton, Stonehenge provavelmente funcionava como um observatório astronômico da Idade da Pedra, usado para eventos sazonais e anuais, como equinócios e solstícios. Como as civilizações megalíticas não deixaram registros históricos, pouco se sabe sobre seus métodos de medição do tempo. O monumento-calendário de , na Escócia, é considerado o calendário lunissolar mais antigo já descoberto.
Os mesoamericanos adaptaram seu sistema de contagem vigesimal (base 20) ao lidar com calendários, produzindo um ano de 360 dias. Os aborígenes australianos compreendiam bem o movimento dos objetos celestes e usavam esse conhecimento para e auxiliar na navegação; a maioria das culturas aborígines tinha estações bem definidas, determinadas por mudanças naturais ao longo do ano, incluindo eventos celestes. As fases lunares eram usadas para marcar períodos mais curtos; os Yaraldi, da Austrália Meridional, são um dos poucos povos registrados com um método para medir o tempo durante o dia, dividido em sete partes com base na posição do Sol.
Todos os dispositivos de medição do tempo antes do século XIII dependiam de métodos que usavam algo em movimento contínuo. Nenhum método inicial de medição do tempo mudava a uma taxa constante. Os dispositivos e métodos para medir o tempo melhoraram continuamente por meio de uma longa série de novas invenções e ideias.
Relógios de sombra e solares
miniatura|alt=Imagem de um relógio solar egípcio, uma rocha semicircular gravada|Um relógio solar egípcio antigo (, Leiden).
miniatura|alt=Imagem do Vrihat Samrat Yantra, um relógio solar de 27 metros de altura|Vrihat Samrat Yantra, um relógio solar de 27 metros de altura no Jantar Mantar em Jaipur, Índia. Construído em 1727.
Os primeiros dispositivos para medir a posição do Sol foram os relógios de sombra, que evoluíram para os relógios solares. O relógio solar mais antigo conhecido data de cerca de 1200 a.C. (durante a 19ª Dinastia), descoberto no Vale dos Reis em 2013. Obeliscos podiam indicar se era manhã ou tarde, bem como os solstícios de verão e inverno. Um tipo de relógio de sombra foi desenvolvido por volta de 500 a.C., com formato semelhante a um esquadro em forma de T. Ele media a passagem do tempo pela sombra projetada por sua barra transversal e era orientado para o leste pela manhã, sendo girado ao meio-dia para projetar a sombra na direção oposta.
Um relógio solar é mencionado na Bíblia, em :9–11, quando Ezequias, rei da Judeia no século VIII a.C., foi curado pelo profeta Isaías e pediu um sinal de sua recuperação:
Uma tabuleta de argila do período babilônico tardio descreve os comprimentos das sombras em diferentes épocas do ano. O escritor babilônio Beroso (século III a.C.) é creditado pelos gregos pela invenção de um relógio solar hemisférico escavado em pedra, com o caminho da sombra dividido em 12 partes para marcar o tempo. Os relógios solares gregos evoluíram para formas altamente sofisticadas — o Analemma de Ptolemau, escrito no século II d.C., usava uma forma inicial de trigonometria para determinar a posição do Sol com base em dados como a hora do dia e a latitude geográfica.
Os romanos herdaram o relógio solar dos gregos. O primeiro relógio solar em Roma chegou em 264 a.C., saqueado de Catânia, na Sicília. Esse relógio solar introduziu as horas do "horologium" ao longo do dia, enquanto antes os romanos dividiam o dia apenas em manhã e antes do meio-dia (mane e ante meridiem). No entanto, houve desafios astronômicos; esse relógio marcava a hora incorretamente por um século. O erro só foi percebido em 164 a.C., quando o censor romano verificou e ajustou para a latitude apropriada.
De acordo com o historiador alemão de astronomia Ernst Zinner, os relógios solares foram desenvolvidos no século XIII com escalas que mostravam horas iguais. Os primeiros baseados no tempo polar apareceram na Alemanha por volta de 1400; uma teoria alternativa propõe que um relógio solar de Damasco, que media o tempo polar, pode ser datado de 1372. Tratados europeus sobre o design de relógios solares surgiram por volta de 1500.
Um método egípcio para determinar o tempo durante a noite, usado a partir de pelo menos 600 a.C., era um tipo de prumo chamado . Uma linha meridiana norte-sul era criada usando dois merkhets alinhados com Polaris, a estrela polar. O tempo era determinado observando estrelas específicas cruzando o meridiano.
O Jantar Mantar em Jaipur, construído em 1727 por Jai Singh II, inclui o Vrihat Samrat Yantra, um relógio solar de 27 metros de altura. Ele pode indicar a hora local com precisão de cerca de dois segundos.
Relógios de água
miniatura|alt=Fotografia de um relógio de água egípcio|Um relógio de água egípcio de calcário, 285–246 a.C. (Oriental Institute, Chicago).
A descrição mais antiga de uma clepsidra, ou relógio de água, vem da inscrição tumular de um oficial da corte egípcia do início da 18ª Dinastia (c. 1500 a.C.), chamado Amenemhet, identificado como seu inventor. Presume-se que o objeto descrito na inscrição seja uma tigela com marcações para indicar o tempo. O relógio de água mais antigo que sobreviveu foi encontrado no túmulo do faraó Amenhotep III (c. 1417–1379 a.C.). Não há exemplos conhecidos de relógios de água de escoamento da antiga Mesopotâmia, mas referências escritas sobreviveram.
A introdução do relógio de água na China, possivelmente da Mesopotâmia, ocorreu já no segundo milênio a.C., durante a dinastia Shang, e, no mais tardar, no primeiro milênio a.C. Por volta de 550 d.C., Yin Kui (殷蘷) foi o primeiro na China a escrever sobre o tanque de nível constante em seu livro "Lou ke fa (漏刻法)". Por volta de 610, dois inventores da dinastia Sui, Geng Xun (耿詢) e Yuwen Kai (宇文愷), criaram a primeira clepsidra balanceada, com posições padrão para a . Em 721, o matemático Yi Xing e o oficial do governo regularam a potência da água que acionava um relógio astronômico, dividindo a potência em impulsos unitários para replicar o movimento dos planetas e estrelas. Em 976, o astrônomo da dinastia Song resolveu o problema do congelamento da água nas clepsidras em climas frios, substituindo-a por mercúrio líquido. Um relógio astronômico movido a água foi construído pelo polímata Su Song em 1088, que apresentou a primeira contínua conhecida.
miniatura|alt=Fotografia da Torre dos Ventos|esquerda|A Torre dos Ventos em Atenas (século I a.C.).
Os filósofos gregos Anaxágoras e Empédocles mencionaram relógios de água usados para impor limites de tempo ou medir sua passagem. O filósofo ateniense Platão teria inventado um despertador que usava bolas de chumbo caindo ruidosamente sobre uma placa de cobre para acordar seus alunos.
Um problema comum nas clepsidras era a variação no fluxo de água devido à mudança na pressão do fluido, resolvido a partir de 100 a.C. com a introdução de recipientes de água em forma cônica. Tornaram-se mais sofisticadas com inovações como gongos e mecanismos móveis. Há fortes evidências de que a Torre dos Ventos do século I a.C. em Atenas tinha um relógio de água, um cata-vento e nove relógios solares verticais visíveis em sua fachada. Na tradição grega, as clepsidras eram usadas em tribunales, prática posteriormente adotada pelos romanos.