Heute sind Geräte zur korrekten Zeitmessung aus der modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Die Uhr ist heutzutage so weit verbreitet, dass wir oft vergessen, welch wichtige Rolle sie in unserer Zivilisation spielt. Unser Leben ist einem sich wiederholenden Rhythmus unterworfen, der von Jahren, Monaten, Tagen und Stunden bestimmt wird. Über längere Zeiträume planen wir Aktivitäten, die eher strategisch sind - Arbeitwechsel, Hauskauf, Urlaub. Wohingegen wir jeden Tag gezwungen sind, uns Ereignissen zu unterwerfen, die in der Zeit streng geplant sind. Schule, Arbeit, öffentliche Verkehrsmittel, ein Treffen mit Freunden, eine Lieblingsserie im Fernsehen oder eine Filmvorführung verlangen von uns eine genaue Synchronisation mit der vergehenden Zeit.

Auch frühere Zivilisationen hatten das Bedürfnis, die Zeit zu messen. In den frühen Tagen lag der Schwerpunkt auf der Messung der Jahre und der vergehenden Jahreszeiten, um die Ernte und die Vorratshaltung von Lebensmittel zu planen. Mit dem Fortschritt und der Entwicklung der Städte kam die Notwendigkeit, die Zeit genauer zu messen, nicht mehr auf einer Skala von Monaten oder Tagen, sondern auf einer Skala von Stunden. Das Bedürfnis, die Stunden des Tages zu messen, entstand im frühen Mittelalter im christlichen Europa. Dazu gehörte die Einhaltung der kanonischen Stunden, die die Gebetszeiten markieren. Mit dem zunehmenden Organisationsgrad der Gesellschaften wuchs auch der Bedarf an einer genauen und zuverlässigen Zeitmessung nicht im Stunden-, sondern im Minuten- und sogar im Sekundenmaßstab. Eine präzise elektronische (Quarz-)Uhr wurde erst vor kurzem entwickelt, und frühere Zivilisationen mussten ihren Bezugspunkt in der Zeit mit Hilfe anderer, viel primitiverer Geräte finden. Wie kam man also damit zurecht, wenn es noch keine Elektronik, Smartphones und große Displays gab?

Sonnenuhr

Ein Buntglasfenster in der Kathedrale von Cantebury, das Hiskia im Sterben zeigt, mit einer Sonnenuhr im Hintergrund.

Die früheste aufgezeichnete Erwähmung solcher Uhr stammt aus dem Alten Testament, ca. 700 vor Christi Geburt, als Jerusalem unter der Herrschaft von König Hiskia stand. Dieser König wurde so schwer krank, dass der Prophet Jesaja dem König befahl, sich auf den Tod vorzubereiten. Gott hatte jedoch andere Pläne für Hiskia. Er versprach ihm Heilung, und als Beweis schob er den Schatten auf der Sonnenuhr um 10 Grad. Die erste beschriebene Uhr war also eine Sonnenuhr, aber wir wissen nichts darüber, wie diese Uhr genau aussah. Es ist nicht einmal bekannt, ob das Wort "Grad" das Maß eines Winkels bedeutet oder ob es die Stufen der Treppe meint, weil im Hebräischen, wie im Polnischen („stopień”), ein Wort für diese beiden Bedeutungen verwendet wird. Es ist wahrscheinlich, dass die Generation von Hiskia bereits die Konzepte von Winkeln und Graden kannte, da diese Zivilisation Kontakt mit der arabischen Welt unterhielt, und Wissenschaftler haben bewiesen, dass die Araber zu dieser Zeit bereits mit diesem Bereich der Mathematik vertraut waren.

Das Funktionsprinzip der Sonnenuhr. Quelle: gnonomika.

Das Funktionsprinzip einer Sonnenuhr ist ganz einfach. Ein Gnomon, also gewissermaßen ein "Zeiger" aus einem Stab oder einer Holzleiste, wirft einen Schatten auf die gegenüberliegende Seite der Sonne. Eine 15-Grad-Drehung der Erde (oder der Sonne, wie man früher dachte) entspricht dem Ablauf von 1 Stunde. Wenn wir also eine Skala um den Gnomon herum zeichnen, erhalten wir eine ziemlich genaue Zeitmessung. Es bleibt das kleine technische Hindernis, dass die Erdachse je nach Jahreszeit ihren Winkel zur Sonne ändert. Um den durch dieses Phänomen verursachten Fehler zu beseitigen, muss man den Gnomon parallel zur Erdachse aufstellen. Interessanterweise wurde dies erst im 14. Jahrhundert entdeckt, und erst dann war es möglich, von gleichen Stunden unabhängig von den Jahreszeiten zu sprechen. Früher wurde mit der Verkürzung des Tages auch die Zeiteinheit verkürzt. Je nach Lage des Zifferblattes zum Gnomon unterscheidet man horizontale, vertikale, äquatoriale und polare Sonnenuhren.
Sonnenuhren wurden bis zum späten Mittelalter verwendet, danach wurden sie allmählich von immer leistungsfähigeren mechanischen Uhren verdrängt. Der größte Nachteil von Sonnenuhren ist ihre Abhängigkeit von den Wetterbedingungen, ihre Untauglichkeit für den Einsatz in Innenräumen und ihre völlige Unbrauchbarkeit nach der Dämmerung.

Sonnenuhr in Gdańsk

Wasseruhr

Um 1500 v. Chr. bedienten sich Römer der so genannten Wasser- oder Sanduhr.
Das Prinzip bestand darin, zwei Gefäße auf unterschiedliche Höhen zu stellen und die Flüssigkeit frei zwischen den beiden Gefäßen fließen zu lassen (von oben nach unten unter Ausnutzung der Schwerkraft). Eine entschprechende Kalibrierung des Geräts garantierte nur eine durchschnittliche Genauigkeit der Zeitmessung, und der Grund dafür ist die Abhängigkeit des Wasserdurchflusses vom Druck, der durch die Wassermenge im oberen Gefäß verursacht wird. Während das Wasser floss, nahm der Druck und damit der Wasserdurchfluss ab. Die Zeit wurde sozusagen "entschleunigt". Ein zusätzlicher Nachteil solcher Uhr war die Notwendigkeit einer ständigen Bedienung (Gießen von Wasser).

Rekonstruktion einer ägyptischen Sanduhr

Eine Verbesserung der Wasseruhren war der Ersatz des Wassers durch losen Sand. Das Problem des ungleichmäßigen Überlaufs von Wasser in Abhängigkeit vom Wasserstand im oberen Gefäß wurde gelöst. Leider gab es ein neues Problem. Im Laufe der Zeit wurden die Sandkörner durch die Reibung immer kleiner, so dass sich die Zeit nach jedem Gebrauch verringert.

Kerzenuhr

Das Funktionsprinzip einer Kerzenuhr ist sehr einfach. Die brennende Kerze brennt das Wachs aus und verkürzt dabei ihre Länge. Die darauf befindliche Skala ermöglichte eine zeitliche Orientierung. Interessant ist, dass eine solche Uhr als Wecker dienen kann. Ein Nagel wurde in der entsprechenden Höhe eingeschlagen, und nach einer gewissen Zeit fiel der Nagel mit einem Geräusch auf den Metallboden. Es ist nicht ganz klar, wer oder wann die Kerze erstmals zur Zeitmessung verwendet wurde. Es ist bekannt, dass diese Methode im frühen Mittelalter sowohl in asiatischen als auch in europäischen Ländern verbreitet war.

Ein Beispiel für eine Kerzenuhr

Die Kerzenuhr hat ähnliche Nachteile wie die Wasseruhr, nämlich eine geringe Genauigkeit und die Notwendigkeit einer häufigen Bedienung, aber die Möglichkeit, sie in Innenräumen und während sonnenloser Zeiten zu verwenden, war eine gute Ergänzung zur Sonnenuhr.

Mechanische Uhr

Erstes Ratschendifferential entwickelt von Henry de Vick

Der eigentliche Durchbruch in der Entwicklung mechanischer Zeitmessgeräte war die Nutzung der potentiellen Energie, die ein in einer bestimmten Höhe aufgehängtes Gewicht dank der Schwerkraft besitzt, oder die Elastizitätnergie einer gewickelten Triebfeder. Die größte Herausforderung bestand darin, einen Mechanismus zu schaffen, der in der Lage ist, einen kleinen Teil dieser Energie kontrolliert und zyklisch (mit gleichen Zeitintervallen) freizusetzen, indem ein Marker, der heute als Zeiger bekannt ist, eine bestimmte Strecke bewegt wird. Als Lösung dieses Problems erwies sich der in Frankreich erfundene Sperredifferentialkgetriebe, der es ermöglichte, die im Gewicht verborgene Energie in eine oszillierende Bewegung umzuwandeln und die erste mechanische Uhr zu bewegen.

Ein solcher Mechanismus basiert auf einer Sperrklinke und einer Wiege, die durch eine oszillierende Bewegung die Sperrklinke kurzzeitig freigibt, so dass sie sich in einer genau festgelegten Zeit um einen bestimmten Winkel drehen kann. Das Funktionsprinzip lässt sich am besten verstehen, wenn man sich die Funktionsweise des Geräts vor Augen führt. Für Neugierige hier ein Link zu einem kurzen Video, das zeigt, wie diese revolutionäre Erfindung funktioniert

https://www.youtube.com/watch?v=UhFPb-ZZTyI

Eine entscheidende Verbesserung der mechanischen Uhr ist die Verwendung eines stabilen mechanischen Oszillators, der gemeinhin als Pendel bezeichnet wird. Eine detaillierte Studie der sogenannten mathematischen Pendels wurde von Galileo Galilei angeführt, der auf der Grundlage des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik die Bewegung eines solchen Pendels genau beschrieb und seine erstaunliche Regelmäßigkeit entdeckte. Nun, die Zeit, die für einen Zyklus des Pendels benötigt wird, hängt nicht von seiner Amplitude ab, sondern nur von der Länge des Pendels selbst. In der Physik ist dieses Konzept als Isochronismus bekannt. Ein Pendel könnte also als ziemlich präziser Stabilisator der oszillierenden Bewegung der Sperrklinke in einer Uhr dienen, und ist viel präziser als eine mechanische Wiege.

Funktionsprinzip des pendelbasierten Ratschendifferentials

Die größte Ungenauigkeit des Geräts wird durch die variable Länge des Pendels eingeführt, da dieser Parameter einen wesentlichen Einfluss auf seine Frequenz (die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit) hat. Die Änderung der Länge des Pendels aufgrund der Umgebungstemperatur kann einen Fehler von einigen Sekunden verursachen. Außerdem ist die Bewegung des Pendels streng von der Erdanziehung abhängig, und diese ist nicht überall auf der Erde gleich, so dass eine Pendeluhr am Äquator eine andere Zeit anzeigt als eine am Pol. Trotz des enormen Fortschritts in der Genauigkeit, den die mechanische Pendeluhr einleitete, ruhte sich der Mensch nicht auf seinen Lorbeeren aus und arbeitete weiter an einem noch genaueren Gerät.

Quarzuhr

Um die oszillatorische Bewegung unabhängig von der Erdanziehung und wiederholbarer zu machen, wurde in den 1930er Jahren die sogenannte Quarzresonator mit piezoelektrischem Phänomen angewendet. Ein elektronischer Impulsgeber mit einem Quarz im Schaltkreis ist in der Lage, eine sehr wiederholbare Anzahl von Impulsen zu liefern - 32768 Schwingungen pro Sekunde, um genau zu sein. Eine weitere Schaltung, ein sogenannter Impulsteiler, halbiert die Anzahl der Impulse, so dass nach 15 Zyklen ein Impuls von 1 Sekunde die Sperrklinke freigibt, die sich dann genau um 360/60=6 Grad dreht. Quarzwerke revolutionierten dank der hohen Wiederholgenauigkeit und der niedrigen Herstellungskosten (Quarz ist ein beliebtes und billiges Material - man findet es in Sand) die Zeitmessung und ersetzten praktisch die mechanischen Uhren. Wanduhr, Wecker, Armbanduhr (außer klassische mechanische Uhren) - alle diese Uhren haben präzise Quarzmechanismen.

Ein Beispiel für eine Uhr von FLEXISTYLE, die mit einem Quarzwerk funktioniert.
Sehen Sie die gesamte Palette der FLEXISTYLE-Uhren, indem Sie hier klicken

Funkuhren

Trotz ihrer hohen Präzision haben Quarzwerke, wie alle Geräte, eine gewisse Schwankungsbreite. Meistens betragen die Abweichungen nicht mehr als 1 Sekunde pro Tag. Der größte Einfluss auf den Fehler wird durch die Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Elements eingeführt. Eine interessante Abhilfe für dieses Problem sind die sogenannten Funkmechanismen, die genau wie Quarzuhren funktionieren, jedoch synchronisieren sie dank einem eingebauten Funkempfänger ihre Zeit ab und zu mit einer über Funkwellen übertragenen "Master"-Zeit.
In Europa wird z. B. ein DCF77-Signal auf 77,5kHz aus Mainflingen bei Frankfurt gesendet. Damit ist sichergestellt, dass die Uhr nie gestellt werden muss, sie stellt sich nach einem Batteriewechsel oder einer Sommer-/Winterzeitumstellung von selbst ein.