História dos dispositivos de medição do 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. Relógios de incenso [en] 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 verga e folhote [en], 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 mola principal [en] 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 relógio repetidor [en] e o escapamento de batida morta [en].

Fatores de erro em relógios de pêndulo iniciais incluíam variações de temperatura, um problema enfrentado no século XVIII pelos relojoeiros ingleses John Harrison e George Graham [en]. 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.

As civilizações antigas observavam corpos celestes, frequentemente o Sol e a Lua, para determinar o tempo.^[1] 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.^[2] Como as civilizações megalíticas não deixaram registros históricos, pouco se sabe sobre seus métodos de medição do tempo.^[3] O monumento-calendário de Warren Field [en], 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.^[4] Os aborígenes australianos compreendiam bem o movimento dos objetos celestes e usavam esse conhecimento para construir calendários [en] 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.^[5]

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.^[6] Os dispositivos e métodos para medir o tempo melhoraram continuamente por meio de uma longa série de novas invenções e ideias.^[7]

Os primeiros dispositivos para medir a posição do Sol foram os relógios de sombra, que evoluíram para os relógios solares.^{[8][Notas 1]} O relógio solar mais antigo conhecido data de cerca de 1200 a.C. (durante a 19ª Dinastia), descoberto no Vale dos Reis em 2013.^[9][10] Obeliscos podiam indicar se era manhã ou tarde, bem como os solstícios de verão e inverno.^[11] 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.^[12]

Um relógio solar é mencionado na Bíblia, em 2 Reis 20 [en]:9–11, quando Ezequias, rei da Judeia no século VIII a.C., foi curado pelo profeta Isaías e pediu um sinal de sua recuperação:^[13]

Uma tabuleta de argila do período babilônico tardio descreve os comprimentos das sombras em diferentes épocas do ano.^[14] 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.^[15] 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.^{[16][Notas 2]}

Os romanos herdaram o relógio solar dos gregos.^[19] 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).^[20] 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.^[21][20]

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.^[22] Tratados europeus sobre o design de relógios solares surgiram por volta de 1500.^[23]

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 merkhet [en]. 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.^[24]

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.^[25] Ele pode indicar a hora local com precisão de cerca de dois segundos.^[26]

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.^[27] Presume-se que o objeto descrito na inscrição seja uma tigela com marcações para indicar o tempo.^[28] O relógio de água mais antigo que sobreviveu foi encontrado no túmulo do faraó Amenhotep III (c. 1417–1379 a.C.).^[29] Não há exemplos conhecidos de relógios de água de escoamento da antiga Mesopotâmia, mas referências escritas sobreviveram.^[14]

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 balança de braço [en].^[30] Em 721, o matemático Yi Xing e o oficial do governo Liang Lingzan [en] regularam a potência da água que acionava um relógio astronômico, dividindo a potência em impulsos unitários para replicar o movimento dos planetas e estrelas.^[31] Em 976, o astrônomo da dinastia Song Zhang Sixun [en] resolveu o problema do congelamento da água nas clepsidras em climas frios, substituindo-a por mercúrio líquido.^[32] Um relógio astronômico movido a água foi construído pelo polímata Su Song em 1088,^[33] que apresentou a primeira corrente de transmissão de potência [en] contínua conhecida.^[34]

Os filósofos gregos Anaxágoras e Empédocles mencionaram relógios de água usados para impor limites de tempo ou medir sua passagem.^[35][36] O filósofo ateniense Platão teria inventado um despertador que usava bolas de chumbo caindo ruidosamente sobre uma placa de cobre para acordar seus alunos.^[37]

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.^[33] 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.^[38] Na tradição grega, as clepsidras eram usadas em tribunales, prática posteriormente adotada pelos romanos.^[39]

Ibn Khalaf al-Muradi [en], no Al-Andalus medieval, descreveu um relógio de água que empregava engrenagens segmentais e epicíclicas [en]. Os relógios de água islâmicos, com complexos redutores de velocidade, incluindo arranjos de autômatos, eram inigualáveis em sofisticação até meados do século XIV.^[40][41] Mecanismos movidos a líquidos (usando flutuadores pesados e um sistema de cabeçote constante) foram desenvolvidos para permitir que os relógios de água funcionassem a uma taxa mais lenta.^[41] Alguns argumentam que o primeiro relógio com engrenagens conhecido foi inventado pelo matemático, físico e engenheiro Arquimedes no século III a.C. Arquimedes criou um relógio astronômico,^[42] que também era um relógio cuco com pássaros cantando e se movendo a cada hora. É o primeiro relógio de carrilhão, pois toca música simultaneamente com uma figura piscando os olhos, surpresa com os pássaros cantores. O relógio de Arquimedes funciona com um sistema de quatro pesos, contrapesos e cordas regulados por flutuadores em um recipiente de água com sifões que regulam a continuação automática do relógio. Os princípios desse tipo de relógio são descritos pelo matemático e físico Herão,^[43] que afirma que alguns funcionam com uma corrente que gira uma engrenagem no mecanismo.^[44]

O Relógio de água de Jayrun [en] na Mesquita dos Omíadas em Damasco, do século XII, foi construído por Muhammad al-Sa'ati e posteriormente descrito por seu filho Ridwan ibn al-Sa'ati [en] em sua obra Sobre a Construção de Relógios e seu Uso (1203).^[45] Um relógio astronômico movido a água, sofisticado, foi descrito por Al-Jazari em seu tratado sobre máquinas, escrito em 1206.^[46] Essa torre do relógio tinha cerca de 11 pés de altura.^[47] Em 1235, um relógio movido a água que "anunciava as horas de oração [en] e o tempo, tanto de dia quanto de noite" estava na entrada da Mustansiriyya Madrasa [en] em Bagdá.^[48]

Os relógios de incenso [en] foram usados pela primeira vez na China por volta do século VI,^[49] principalmente para fins religiosos, mas também em reuniões sociais ou por estudiosos.^[50][51] Devido ao uso frequente de caracteres Devanagari, o sinólogo americano Edward H. Schafer [en] especulou que os relógios de incenso foram inventados na Índia.^[52] Como o incenso queima uniformemente e sem chama, esses relógios eram seguros para uso interno.^[53] Para marcar diferentes horas, eram usados incensos com aromas distintos, feitos a partir de diferentes receitas.^[54]

As varinhas de incenso usadas podiam ser retas ou espiraladas; as espiraladas eram destinadas a longos períodos de uso e frequentemente penduradas nos tetos de casas e templos.^[55] Alguns relógios foram projetados para soltar pesos em intervalos regulares.^[50]

Os relógios de selo de incenso tinham um disco com um ou mais sulcos gravados, nos quais o incenso era colocado.^[56] O comprimento do caminho de incenso, diretamente relacionado ao tamanho do selo, era o principal fator para determinar quanto tempo o relógio duraria; para queimar por 12 horas, estima-se um caminho de incenso de cerca de 20 m.^[57] A introdução gradual de discos metálicos, provavelmente iniciada durante a dinastia Song, permitiu aos artesãos criar selos de diferentes tamanhos com maior facilidade, projetá-los e decorá-los de forma mais estética, e variar os caminhos dos sulcos para acomodar a variação no comprimento dos dias ao longo do ano. Com a disponibilidade de selos menores, os relógios de selo de incenso ganharam popularidade e eram frequentemente oferecidos como presentes.^[58]

Astrolábios sofisticados de medição do tempo com mecanismos de engrenagens foram construídos na Pérsia. Exemplos incluem aqueles feitos pelo polímata Albiruni no século XI e pelo astrônomo Muhammad ibn Abi Bakr al-Farisi [en] por volta de 1221.^[59][60] Um astrolábio de latão e prata (que também funciona como calendário), feito em Isfahan por al‐Farisi, é a máquina sobrevivente mais antiga com suas engrenagens ainda intactas. Aberturas na parte traseira do astrolábio mostram as fases lunares e indicam a idade da Lua; dentro de uma escala zodiacal, há dois anéis concêntricos que mostram as posições relativas do Sol e da Lua.^[61]

Astrônomos muçulmanos construíram uma variedade de relógios astronômicos altamente precisos para uso em mesquitas e observatórios,^[62] como o relógio astrolábico de Ibn al-Shatir no início do século XIV.^[63]

Uma das primeiras referências a um relógio de vela está em um poema chinês [en], escrito em 520 por You Jianfu, que descreveu a vela graduada como um meio de determinar o tempo à noite. Velas semelhantes foram usadas no Japão até o início do século X.^[64]

A invenção do relógio de vela foi atribuída pelos anglo-saxões a Alfredo, o Grande, rei do Wessex (r. 871–889), que usava seis velas marcadas em intervalos de uma polegada (25 mm), cada uma feita com 12 pennyweights de cera, com 12 cm de altura e espessura uniforme.^[65]

O inventor muçulmano do século XII Al-Jazari descreveu quatro projetos diferentes para um relógio de vela em seu livro Livro do Conhecimento de Dispositivos Mecânicos Engenhosos.^[66][67] Seu chamado relógio de vela "escriba" foi projetado para marcar a passagem de 14 horas de igual duração: um mecanismo precisamente projetado fazia uma vela de dimensões específicas ser lentamente empurrada para cima, movendo um indicador ao longo de uma escala.

A ampulheta era um dos poucos métodos confiáveis para medir o tempo no mar, e especula-se que tenha sido usada em navios já no século XI, complementando a bússola como auxílio à navegação. A primeira evidência inequívoca do uso da ampulheta aparece na pintura Alegoria do Bom Governo [en], do artista italiano Ambrogio Lorenzetti, de 1338.^[68]

O navegador português Fernão de Magalhães usou 18 ampulhetas em cada navio durante sua circunavegação do globo em 1522.^[69] Embora usadas na China, a história da ampulheta lá é desconhecida,^[70] mas parece não ter sido utilizada antes de meados do século XVI,^[71] pois a ampulheta implica o uso de sopro de vidro, uma arte exclusivamente europeia e ocidental na época.^[72]

A partir do século XV, as ampulhetas foram usadas em uma ampla gama de aplicações no mar, em igrejas, na indústria e na culinária; eram os primeiros dispositivos de medição do tempo confiáveis, reutilizáveis, razoavelmente precisos e de fácil construção. A ampulheta adquiriu significados simbólicos, como os de morte, temperança, oportunidade e Pai Tempo, geralmente representado como um homem idoso e barbudo.^[73]

A palavra inglesa clock apareceu pela primeira vez no inglês médio como clok, cloke ou clokke. A origem da palavra não é certa; pode ser um empréstimo do francês ou holandês, e talvez derive do latim pós-clássico clocca ("sino"). Fontes do século VII irlandesas e do século IX germânicas registraram clock como significando "sino".^[74]

Judaísmo, Cristianismo e Islamismo tinham horários reservados para orações, embora apenas os cristãos fossem obrigados a participar de orações em horas específicas do dia e da noite, o que a historiadora Jo Ellen Barnett descreve como "uma adesão rígida a orações repetitivas ditas várias vezes ao dia".^[75] Os alarmes de toque de sinos alertavam o monge de plantão para tocar o sino monástico. Seu alarme era um temporizador que usava uma forma de escapamento para tocar um pequeno sino. Esse mecanismo foi o precursor do dispositivo de escapamento encontrado no relógio mecânico.^[76][77]

As primeiras inovações para melhorar a precisão da ampulheta e do relógio de água ocorreram no século X, quando se tentou desacelerar sua taxa de fluxo usando atrito ou a força da gravidade.^[78] A primeira representação de um relógio movido a peso suspenso está no Bíblia de São Luís, um manuscrito iluminado feito entre 1226 e 1234, que mostra um relógio desacelerado pela ação da água sobre uma roda. A ilustração sugere que os relógios movidos a peso foram inventados na Europa Ocidental.^[79] Um tratado escrito por Robertus Anglicus [en] (também conhecido como Roberto, o Inglês) em 1271 mostra que os artesãos medievais tentavam projetar um relógio puramente mecânico (ou seja, movido apenas pela gravidade) nesse período.^[80] Esses relógios eram uma síntese de ideias anteriores derivadas das ciências europeia e islâmica, como sistemas de engrenagens, acionamentos por peso e mecanismos de batida.^[81]

Em 1250, o artista Villard de Honnecourt ilustrou um dispositivo que foi um passo em direção ao desenvolvimento do escapamento.^[82] Outro precursor do escapamento foi o horologia nocturna, que usava um tipo inicial de mecanismo de verga para operar um batedor que golpeava continuamente um sino.^[83] O relógio movido a peso provavelmente foi uma invenção da Europa Ocidental, como mostra uma imagem de um relógio com um peso puxando um eixo, cujo movimento era desacelerado por um sistema de orifícios que liberava água lentamente.^[84] Em 1271, o astrônomo inglês Robertus Anglicus escreveu que seus contemporâneos estavam desenvolvendo uma forma de relógio mecânico.^{[85][Notas 3]}

A invenção do escapamento de verga e folhote por volta de 1275^[87] foi uma das invenções mais importantes tanto na história do relógio^[88] quanto na história da tecnologia.^[89] Foi o primeiro tipo de regulador [en] em horologia.^[90] Uma verga, ou eixo vertical, é forçada a girar por uma roda de coroa movida a peso, mas é impedida de girar livremente por um folhote. O folhote, que não pode vibrar livremente, oscila para frente e para trás, permitindo que uma roda gire um dente de cada vez.^[89][91] Embora o escapamento de verga e folhote fosse um avanço em relação aos relógios anteriores, era impossível evitar flutuações no ritmo causadas por mudanças nas forças aplicadas — os primeiros relógios mecânicos eram regularmente ajustados usando um relógio solar.^[92][93]

Quase ao mesmo tempo da invenção do escapamento, o poeta fiorentino Dante Alighieri usou imagens de relógio para retratar as almas dos bem-aventurados no Paraíso, a terceira parte da Divina Comédia, escrita no início do século XIV. Pode ser a primeira descrição literária conhecida de um relógio mecânico.^[94] Há referências a relógios domésticos a partir de 1314; por volta de 1325, presume-se que o desenvolvimento do relógio mecânico tenha ocorrido.^[95]

Grandes relógios mecânicos foram construídos para serem montados em torres, de modo a tocar o sino diretamente. O relógio da torre da Catedral de Norwich [en], construído por volta de 1273 (referência a um pagamento por um relógio mecânico datado desse ano), é o mais antigo desses grandes relógios conhecido. O relógio não sobreviveu.^[96] O primeiro relógio conhecido por bater regularmente as horas, com um mecanismo de verga e folhote, foi registrado em Milão em 1336.^[97] Em 1341, relógios movidos a pesos eram comuns o suficiente para serem adaptados para moinhos de grãos,^[98] e, em 1344, o relógio na Antiga Catedral de São Paulo, Londres foi substituído por um com escapamento.^[99] O folhote foi ilustrado pela primeira vez por Dondi em 1364,^[100] e mencionado pelo historiador da corte Jean Froissart em 1369.^[101]

O exemplo mais famoso de um dispositivo de medição do tempo durante o período medieval foi um relógio projetado e construído pelo relojoeiro Henry de Vick por volta de 1360,^[88][102] que se dizia variar até duas horas por dia. Pelos próximos 300 anos, todas as melhorias na medição do tempo foram essencialmente desenvolvimentos baseados nos princípios do relógio de de Vick.^[103] Entre 1348 e 1364, Giovanni Dondi dell'Orologio, filho de Jacopo Dondi, construiu um complexo astrário em Florença.^{[104][Notas 4]}

Durante o século XIV, relógios de batida apareceram com frequência crescente em espaços públicos, primeiro na Itália, e um pouco mais tarde na França e na Inglaterra — entre 1371 e 1380, relógios públicos foram introduzidos em mais de 70 cidades europeias.^[106] O relógio da Catedral de Salisbury, datado de cerca de 1386, é um dos relógios em funcionamento mais antigos do mundo, e pode ser o mais antigo; ainda possui a maioria de suas partes originais.^{[107][Notas 5]} O relógio da Catedral de Wells [en], construído em 1392, é único por ainda ter sua face medieval original. Acima do relógio, há figuras que batem os sinos e um conjunto de cavaleiros justando que giram em uma pista a cada 15 minutos.^{[108][Notas 6]}

A invenção da mola principal no início do século XV — um dispositivo usado inicialmente em fechaduras e para pistolas de pederneira em armas — permitiu a construção de relógios pequenos pela primeira vez.^[110] A necessidade de um mecanismo de escapamento que controlasse constantemente a liberação da energia armazenada levou ao desenvolvimento de dois dispositivos, o stackfreed [en] (embora inventado no século XV, só pode ser documentado por volta de 1535) e a polia em cone, que teve origem em armas medievais, como a besta.^[110] Há um fuso no relógio de mola mais antigo que sobreviveu, um relógio de câmara feito para Filipe, o Bom por volta de 1430.^[110] Leonardo da Vinci, que produziu os primeiros desenhos conhecidos de um pêndulo entre 1493 e 1494,^[111] ilustrou um fuso por volta de 1500, um quarto de século após o aparecimento da mola enrolada.^[112]

As torres de relógio na Europa Ocidental na Idade Média batiam as horas. Os primeiros mostradores de relógio indicavam horas; um relógio com mostrador de minutos é mencionado em um manuscrito de 1475.^[113] Durante o século XVI, os dispositivos de medição do tempo tornaram-se mais refinados e sofisticados, de modo que, em 1577, o astrônomo dinamarquês Tycho Brahe obteve o primeiro de quatro relógios que mediam em segundos,^[114] e, em Nuremberg, o relojoeiro alemão Peter Henlein foi pago por fazer o que se acredita ter sido o primeiro exemplo de um relógio de pulso, construído em 1524.^[115] Em 1500, o uso do folhote em relógios começou a declinar.^[116] O relógio de mola mais antigo que sobreviveu é um dispositivo feito pelo boêmio Jacob Zech [cs] em 1525.^[112][117] A primeira pessoa a sugerir viajar com um relógio para determinar a longitude, em 1530, foi o fabricante de instrumentos holandês Gemma Frisius. O relógio seria ajustado para a hora local de um ponto de partida com longitude conhecida, e a longitude de qualquer outro lugar poderia ser determinada comparando a hora local com a hora do relógio.^[118][119]

O engenheiro otomano Taqi ad-Din [en] descreveu um relógio movido a peso com escapamento de verga e folhote, um trem de engrenagens de batida, um alarme e uma representação das fases da Lua em seu livro As Estrelas Mais Brilhantes para a Construção de Relógios Mecânicos (Al-Kawākib al-durriyya fī wadh' al-bankāmat al-dawriyya), escrito por volta de 1565.^[120] Missionários jesuítas levaram os primeiros relógios europeus à China como presentes.^[121]

O polímata italiano Galileu Galilei é considerado o primeiro a perceber que o pêndulo poderia ser usado como um medidor de tempo preciso após observar o movimento de lâmpadas suspensas na Catedral de Pisa.^[122] Em 1582, ele investigou o balanço regular do pêndulo e descobriu que isso dependia apenas de seu comprimento. Galileu nunca construiu um relógio baseado em sua descoberta, mas, antes de sua morte, ditou instruções para construir um relógio de pêndulo para seu filho, Vincenzo [en].^[123]

Os primeiros relógios precisos dependiam do fenômeno conhecido como movimento harmônico, no qual a força restauradora atuando sobre um objeto afastado de sua posição de equilíbrio — como um pêndulo ou uma mola esticada — faz com que o objeto retorne a essa posição, causando sua oscilação.^[124] Osciladores harmônicos podem ser usados como medidores de tempo precisos, pois o período de oscilação não depende da amplitude do movimento — assim, leva sempre o mesmo tempo para completar uma oscilação.^[125] O período de um oscilador harmônico é completamente dependente das características físicas do sistema oscilante e não das condições iniciais ou da amplitude.^[126]

(esquerda e centro) O primeiro relógio de pêndulo, inventado por Christiaan Huygens em 1656. Sua invenção aumentou a precisão dos relógios em mais de sessenta vezes; (direita) Retrato de Huygens por Netscher [en] (1671).

O período em que os relógios eram controlados por osciladores harmônicos foi a era mais produtiva na medição do tempo.^{[103][Notas 7]} A primeira invenção desse tipo foi o relógio de pêndulo, projetado e construído pelo polímata holandês Christiaan Huygens em 1656. As primeiras versões erravam por menos de um minuto por dia, e as posteriores por apenas 10 segundos, muito precisas para a época. Mostradores que exibiam minutos e segundos tornaram-se comuns após o aumento da precisão possibilitado pelo relógio de pêndulo. Tycho Brahe usou relógios com minutos e segundos para observar posições estelares.^[113] O relógio de pêndulo superou todos os outros tipos de relógios mecânicos a tal ponto que esses geralmente eram adaptados com um pêndulo — uma tarefa que podia ser feita sem dificuldade^[128] — de modo que poucos dispositivos de escapamento de verga sobreviveram em sua forma original.^[129]

Os primeiros relógios de pêndulo usavam um escapamento de verga, que exigia balanços amplos de cerca de 100° e, portanto, tinham pêndulos curtos e leves.^[130] O balanço foi reduzido para cerca de 6° após a invenção do mecanismo de âncora, que permitiu o uso de pêndulos mais longos e pesados com batidas mais lentas, que apresentavam menos variação, pois se assemelhavam mais ao movimento harmônico simples, exigiam menos energia e causavam menos atrito e desgaste.^[131] O primeiro relógio de escapamento de âncora conhecido foi construído pelo relojoeiro inglês William Clement em 1671 para o King's College, Cambridge;^[132] ele está agora no Museu da Ciência, Londres.^[133] O escapamento de âncora teve origem com Robert Hooke, embora tenha sido argumentado que foi inventado por Clement,^[134] ou pelo relojoeiro inglês Joseph Knibb [en].^[133]

Os jesuítas fizeram contribuições significativas para o desenvolvimento de relógios de pêndulo nos séculos XVII e XVIII, tendo uma "apreciação incomum pela importância da precisão".^[135] Ao medir um pêndulo de um segundo preciso, por exemplo, o astrônomo italiano padre Giovanni Battista Riccioli convenceu nove jesuítas a "contar quase 87.000 oscilações em um único dia".^[136] Eles desempenharam um papel crucial na disseminação e teste das ideias científicas do período, colaborando com Huygens e seus contemporâneos.^[137]

Huygens usou um relógio pela primeira vez para calcular a equação do tempo (a diferença entre o tempo solar aparente e o tempo dado por um relógio), publicando seus resultados em 1665. A relação permitiu aos astrônomos usar as estrelas para medir o tempo sideral, fornecendo um método preciso para ajustar relógios. A equação do tempo era gravada em relógios solares para que os relógios pudessem ser ajustados usando o Sol. Em 1720, Joseph Williamson afirmou ter inventado um relógio que mostrava o tempo solar [en], equipado com uma came e engrenagem diferencial, para indicar o tempo solar verdadeiro.^{[138][139][140]}

Outras inovações na medição do tempo nesse período incluem a invenção do mecanismo de batida de cremalheira e caracol para relógios de batida pelo mecânico inglês Edward Barlow [en], a invenção, por Barlow ou Daniel Quare [en], relojoeiro de Londres, em 1676, do relógio repetidor [en] que toca o número de horas ou minutos,^[141] e o escapamento de batida morta, inventado por volta de 1675 pelo astrônomo Richard Towneley [en].^[142]

Paris e Blois foram os primeiros centros de relojoaria na França, e relojoeiros franceses, como Julien Le Roy, relojoeiro de Versalhes, foram líderes no design de caixas e relógios ornamentais.^[143] Le Roy pertencia à quinta geração de uma família de relojoeiros e foi descrito por seus contemporâneos como "o relojoeiro mais habilidoso da França, possivelmente da Europa". Ele inventou um mecanismo repetidor especial que melhorou a precisão de relógios e relógios de pulso, uma face que podia ser aberta para visualizar o mecanismo interno e fez ou supervisionou mais de 3.500 relógios durante sua carreira de quase cinco décadas, que terminou com sua morte em 1759. A competição e a rivalidade científica resultantes de suas descobertas incentivaram ainda mais os pesquisadores a buscar novos métodos de medir o tempo com maior precisão.^[144]

Quaisquer erros inerentes aos primeiros relógios de pêndulo eram menores do que outros erros causados por fatores como variação de temperatura.^[145] Em 1729, o carpinteiro de Yorkshire e relojoeiro autodidata John Harrison inventou o pêndulo de relógio [en], que usava pelo menos três metais de diferentes comprimentos e propriedades de expansão, conectados para manter o comprimento total do pêndulo quando aquecido ou resfriado pelo ambiente.^[146] Em 1721, o relojoeiro George Graham compensou a variação de temperatura em um pêndulo de ferro usando um peso feito de um frasco de vidro com mercúrio — um metal líquido em temperatura ambiente que se expande mais rápido que o vidro. Versões mais precisas dessa inovação continham o mercúrio em frascos de ferro mais finos para torná-los mais responsivos. Esse tipo de pêndulo compensador de temperatura foi ainda mais aprimorado quando o mercúrio foi contido dentro da própria haste, permitindo que os dois metais fossem termicamente acoplados de forma mais estreita.^[147] Em 1895, a invenção do invar, uma liga feita de ferro e níquel que se expande muito pouco, eliminou amplamente a necessidade de invenções anteriores destinadas a compensar a variação de temperatura.^[148]

Entre 1794 e 1795, após a Revolução Francesa, o governo francês determinou o uso do tempo decimal, com um dia dividido em 10 horas de 100 minutos cada. Um relógio no Palácio das Tulherias manteve o tempo decimal até 1801.^[149]

Após o desastre naval de Scilly de 1707, no qual quatro navios foram naufragados devido a erros de navegação, o governo britânico ofereceu um prêmio Longitude de £20.000, equivalente a milhões de libras hoje, para quem pudesse determinar a longitude dentro de 50 km em uma latitude ao norte do equador.^[150] A posição de um navio no mar poderia ser determinada dentro de 100 km se um navegador pudesse consultar um relógio que perdesse ou ganhasse menos de cerca de seis segundos por dia.^[151] As propostas foram examinadas por uma recém-criada Comissão de Longitude [en].^[152] Entre os muitos que tentaram reivindicar o prêmio estava o relojoeiro de Yorkshire Jeremy Thacker [en], que usou o termo cronômetro pela primeira vez em um panfleto publicado em 1714.^[153] Huygens construiu o primeiro relógio marítimo, projetado para permanecer horizontal a bordo de um navio em movimento, mas que parava de funcionar se o navio se movesse repentinamente.^[153]

Em 1715, aos 22 anos, John Harrison usou suas habilidades de carpintaria para construir um relógio de madeira de oito dias.^[154] Seus relógios tinham inovações que incluíam o uso de peças de madeira para eliminar a necessidade de lubrificação adicional (e limpeza), rolos para reduzir o atrito, um novo tipo de escapamento [en], e o uso de dois metais diferentes para reduzir o problema de expansão causado pela variação de temperatura.^[155] Ele viajou a Londres para buscar assistência da Comissão de Longitude na construção de um relógio marítimo. Foi encaminhado a George Graham, que o ajudou financiando seu trabalho para construir um relógio. Após 30 anos, seu dispositivo, agora chamado "H1", foi construído e, em 1736, testado no mar. Harrison então projetou e construiu outros dois relógios marítimos, "H2" (concluído por volta de 1739) e "H3", ambos prontos em 1755.^[156][157]

Harrison fez dois relógios de pulso, "H4" e "H5". Eric Bruton, em seu livro A História dos Relógios e Relógios de Pulso, descreveu o H4 como "provavelmente o cronômetro mais notável já feito".^[158] Após a conclusão de seus testes marítimos durante o inverno de 1761–1762, constatou-se que era três vezes mais preciso do que o necessário para Harrison receber o prêmio de longitude.^[159][160]

Em 1815, o prolífico inventor inglês Francis Ronalds produziu o precursor do relógio elétrico [en], o relógio eletrostático. Ele era alimentado por pilhas secas, uma bateria de alta voltagem com uma vida extremamente longa, mas com a desvantagem de suas propriedades elétricas variarem de acordo com a temperatura e umidade do ar. Ele experimentou maneiras de regular a eletricidade, e seus dispositivos aprimorados provaram ser mais confiáveis.^[161]

Em 1840, o relojoeiro e fabricante de instrumentos escocês Alexander Bain [en] usou eletricidade pela primeira vez para sustentar o movimento de um relógio de pêndulo, sendo assim creditado com a invenção do relógio elétrico.^[162] Em 11 de janeiro de 1841, Bain e o fabricante de cronômetros John Barwise registraram uma patente descrevendo um relógio com um pêndulo eletromagnético. O cientista inglês Charles Wheatstone, que Bain encontrou em Londres para discutir suas ideias para um relógio elétrico, produziu sua própria versão do relógio em novembro de 1840, mas Bain venceu uma batalha legal para se estabelecer como o inventor.^[163][164]

Em 1857, o físico francês Jules Lissajous mostrou como uma corrente elétrica pode ser usada para vibrar um diapasão indefinidamente, sendo provavelmente o primeiro a usar essa invenção como método para medir a frequência com precisão.^[165] As propriedades piezoelétricas do cristal de quartzo foram descobertas pelos irmãos físicos franceses Jacques e Pierre Curie em 1880.^[166]

Os relógios de pêndulo mais precisos eram controlados eletricamente.^[167] O relógio Shortt–Synchronome [en], um relógio de pêndulo acionado eletricamente projetado em 1921, foi o primeiro relógio a ser mais preciso que a própria rotação da Terra.^[168]

Uma sucessão de inovações e descobertas levou à invenção do temporizador de quartzo moderno. O oscilador de tubo de vácuo foi inventado em 1912.^[169] Um oscilador elétrico foi usado pela primeira vez para sustentar o movimento de um diapasão pelo físico britânico William Eccles [en] em 1919;^[170] sua conquista removeu grande parte do amortecimento associado a dispositivos mecânicos e maximizou a estabilidade da frequência de vibração.^[170] O primeiro oscilador de cristal de quartzo foi construído pelo engenheiro americano Walter G. Cady [en] em 1921, e, em outubro de 1927, o primeiro relógio de quartzo foi descrito por Joseph Horton e Warren Marrison [en] no Bell Labs.^{[171][Notas 8]} As décadas seguintes viram o desenvolvimento de relógios de quartzo como dispositivos de medição de tempo de precisão em ambientes de laboratório — a eletrônica de contagem volumosa e delicada, construída com tubos de vácuo, limitava seu uso prático em outros lugares. Em 1932, um relógio de quartzo capaz de medir pequenas variações semanais na taxa de rotação da Terra foi desenvolvido.^[173] Sua estabilidade física e química inerente e precisão resultaram na subsequente proliferação, e, desde a década de 1940, eles formaram a base para medições precisas de tempo e frequência em todo o mundo.^[174]

(Acima) Ilustração de uma mola de balanço de Huygens acoplada a uma roda de balanço; (abaixo) um relógio de bolso com mola de balanço inicial, fabricado por Thomas Tompion [en].

Os primeiros relógios de pulso surgiram no século XVI. Isabel I da Inglaterra registrou em 1572 um inventário dos relógios que adquiriu, todos considerados parte de sua coleção de joias.^[175] Os primeiros relógios de bolso eram imprecisos, pois seu tamanho limitava a qualidade das peças móveis.^[176] Relógios sem ornamentos começaram a aparecer por volta de 1625.^[177]

Mostradores que exibiam minutos e segundos tornaram-se comuns após o aumento da precisão possibilitado pela mola de balanço.^[178] Inventada independentemente em 1675 por Huygens e Hooke, ela permitiu que as oscilações da roda de balanço tivessem uma frequência fixa.^[179] Essa inovação resultou em grande avanço na precisão do relógio mecânico, reduzindo o erro de cerca de meia hora para poucos minutos por dia.^[180] Há debates sobre se a mola de balanço foi inventada primeiro por Huygens ou Hooke; ambos reivindicaram a autoria. O design de Huygens para a mola de balanço é usado em praticamente todos os relógios até hoje.^[181]

Thomas Tompion [en] foi um dos primeiros relojoeiros a reconhecer o potencial da mola de balanço e utilizá-la com sucesso em seus relógios de bolso;^[182] a maior precisão permitiu que relógios funcionassem como são usados hoje, com a adição de um ponteiro de segundos no mostrador, um avanço ocorrido na década de 1690.^[183] O ponteiro de minutos concêntrico foi uma invenção anterior, mas um mecanismo projetado por Quare permitiu que os ponteiros fossem atuados juntos.^[184] Nicolas Fatio de Duillier, filósofo natural suíço, é creditado pelo desenvolvimento dos primeiros rolamentos de joia em relógios, em 1704.^[185]

Outros relojoeiros ingleses notáveis do século XVIII incluem John Arnold [en] e Thomas Earnshaw [en], que dedicaram suas carreiras à construção de cronômetros de alta qualidade e os chamados "relógios de convés", versões menores do cronômetro que podiam ser carregadas no bolso.^[186]

Relógios foram usados durante a Guerra Franco-Prussiana (1870–1871), e na Guerra dos Bôeres (1899–1902), já eram reconhecidos como ferramentas valiosas.^[187] Os primeiros modelos eram basicamente relógios de bolso adaptados com uma pulseira de couro, mas, no início do século XX, fabricantes começaram a produzir relógios de pulso projetados especificamente. Em 1904, Alberto Santos Dumont, pai da aviação, pediu a seu amigo, o relojoeiro francês Louis Cartier, que desenhasse um relógio útil durante seus voos.^[188]

Durante a Primeira Guerra Mundial, relógios de pulso foram usados por oficiais de artilharia.^[189] Os chamados relógio de trincheira [en], ou "pulseiras", eram práticos, pois liberavam uma mão que normalmente seria usada para operar um relógio de bolso, tornando-se equipamento padrão.^[190][191] As exigências da guerra de trincheiras fizeram com que os soldados precisassem proteger o vidro de seus relógios, e uma proteção em forma de gaiola articulada era às vezes usada.^[191] A gaiola permitia a leitura fácil dos numerais, mas obscurecia os ponteiros — problema resolvido com a introdução do acrílico resistente a quebras na década de 1930.^[191] Antes do uso militar, o relógio de pulso era predominantemente usado por mulheres, mas durante a Primeira Guerra Mundial tornou-se símbolo de masculinidade e bravura.^[191]

Relógios de pulso modernos: um relógio automático Harwood (década de 1920); um relógio Rolex Submariner (década de 1950); o astronauta Thomas P. Stafford em 1966, usando um Speedmaster; um relógio de pulso digital de quartzo (cerca de 1970).

Os relógios de bolso começaram a ser substituídos no início do século XX.^[192] Os suíços, que permaneceram neutros durante a Primeira Guerra Mundial, produziram relógios de pulso para ambos os lados do conflito. A introdução dos tanques de guerra influenciou o design do relógio Cartier Tank [en],^[193] e o estilo Art Déco impactou o design de relógios na década de 1920.^[194] O relógio automático [en], introduzido com sucesso limitado no século XVIII, foi reintroduzido na década de 1920 pelo relojoeiro inglês John Harwood [en].^[195] Após sua falência em 1929, as restrições sobre relógios automáticos foram suspensas, e empresas como Rolex passaram a produzi-los.^[196] Em 1930, Tissot lançou o primeiro relógio de pulso antimagnético.^[197]

Os primeiros relógios movidos a bateria foram desenvolvidos na década de 1950.^[198] Relógios de alta qualidade foram produzidos por empresas como Patek Philippe, como o Patek Philippe ref. 1518, lançado em 1941, possivelmente o relógio de pulso mais complicado já feito em aço inoxidável, que alcançou um preço recorde mundial em 2016, ao ser vendido em leilão por US$ 11.136.642.^{[199][200][201]}

O Speedmaster Professional, ou "Moonwatch", de corda manual, foi usado durante o primeiro passeio espacial dos Estados Unidos na missão Gemini 4 da NASA e foi o primeiro relógio usado por um astronauta caminhando na Lua durante a missão Apollo 11.^[202] Em 1969, a Seiko lançou o primeiro relógio de pulso de quartzo do mundo, o Astron [en].^[203]

Durante a década de 1970, a introdução de relógios digitais feitos com transistores e peças de plástico permitiu que as empresas reduzissem sua força de trabalho. Até o final da década, muitas empresas que mantinham técnicas de metalurgia mais complexas faliram.^[204]

Smartwatches, essencialmente computadores vestíveis na forma de relógio, foram introduzidos no mercado no início do século XXI.^[205]

Relógios atômicos são os dispositivos de medição de tempo mais precisos em uso prático hoje. Com precisão de poucos segundos em milhares de anos, são usados para calibrar outros relógios e instrumentos de cronometragem.^[206] O Escritório Nacional de Padrões dos EUA (NBS, agora Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST)) mudou a base do padrão de tempo dos Estados Unidos de quartzo para relógios atômicos na década de 1960.^[207]

A ideia de usar transições atômicas para medir o tempo foi sugerida pela primeira vez pelo cientista britânico Lord Kelvin em 1879,^[208] embora apenas na década de 1930, com o desenvolvimento da ressonância magnética nuclear, surgiu um método prático para isso.^[209] Um dispositivo protótipo de maser de amônia foi construído em 1948 no NIST. Embora menos preciso que os relógios de quartzo da época, ele comprovou o conceito de um relógio atômico.^[210]

O primeiro relógio atômico preciso, baseado em uma transição do átomo de césio-133, foi construído pelo físico inglês Louis Essen em 1955 no Laboratório Nacional de Física em Londres.^[211] Ele foi calibrado usando a escala de tempo astronômica hora ephemeris [en] (ET).^[212]

Em 1967, o Sistema Internacional de Unidades (SI) padronizou sua unidade de tempo, o segundo, com base nas propriedades do césio.^[210] O SI definiu o segundo como 9.192.631.770 ciclos da radiação correspondente à transição entre dois níveis de energia de spin do elétron [en] no estado fundamental do átomo de ¹³³Cs.^[213] O relógio atômico de césio mantido pelo NIST tem precisão de 30 bilionésimos de segundo por ano.^[210] Relógios atômicos também utilizaram outros elementos, como hidrogênio e rubídio, oferecendo maior estabilidade (no caso dos relógios de hidrogênio) e tamanho reduzido, menor consumo de energia e custo mais baixo (no caso dos relógios de rubídio).^[210] Avanços recentes na tecnologia de relógios baseiam-se em plataformas de íons aprisionados, com o recorde de menor incerteza sistemática sendo alternado entre relógios de íons de alumínio^[214] e relógios ópticos de rede de estrôncio.^[215] Relógios de próxima geração provavelmente serão baseados em transições nucleares no núcleo de ^229mTh, pois os núcleos são protegidos de efeitos externos pela nuvem eletrônica, e a frequência de transição é muito mais alta que a dos relógios ópticos e de íons, permitindo menor incerteza sistemática na frequência do relógio.^[216]

• Tempo Universal Coordenado
• Cronometragem
• Padrão de tempo
• Relojoeiro

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