Reloj

La posición aparente del Sol en el cielo cambia a lo largo del día, reflejando la rotación de la Tierra. Las sombras proyectadas por objetos estacionarios se mueven en consecuencia, por lo que sus posiciones pueden usarse para indicar la hora del día. Un reloj de sol muestra la hora al mostrar la posición de una sombra sobre una superficie (generalmente) plana que tiene marcas que corresponden a las horas. ^{[ 9 ]} Los relojes de sol pueden ser horizontales, verticales o en otras orientaciones. Los relojes de sol se usaban ampliamente en la antigüedad . ^{[ 10 ]} Conociendo la latitud, un reloj de sol bien construido puede medir la hora solar local con una precisión razonable, de uno o dos minutos. Los relojes de sol continuaron usándose para controlar el funcionamiento de los relojes hasta la década de 1830, cuando el uso del telégrafo y los trenes estandarizó la hora y las zonas horarias entre ciudades. ^{[ 11 ]}

Muchos dispositivos permiten marcar el paso del tiempo sin tener en cuenta una hora de referencia (hora del día, horas, minutos, etc.) y son útiles para medir duraciones o intervalos. Ejemplos de estos cronómetros son los relojes de vela , los relojes de incienso y el reloj de arena . Tanto el reloj de vela como el de incienso funcionan según el mismo principio: el consumo de recursos es más o menos constante, lo que permite estimaciones del tiempo razonablemente precisas y repetibles. En el reloj de arena, la arena fina que cae a través de un pequeño orificio a un ritmo constante indica un paso de tiempo arbitrario y predeterminado. El recurso no se consume, sino que se reutiliza.

Los relojes de agua, junto con los relojes de sol, son posiblemente los instrumentos de medición del tiempo más antiguos, con la única excepción del palo de conteo para contar los días . ^{[ 12 ]} Dada su gran antigüedad, se desconoce dónde y cuándo surgieron por primera vez, y quizás sea imposible saberlo. El depósito de agua en forma de cuenco es la forma más simple de un reloj de agua y se sabe que existió en Babilonia y Egipto alrededor del siglo XVI a. C. Otras regiones del mundo, como India y China, también tienen evidencia temprana de relojes de agua, pero las fechas más antiguas son menos seguras. Sin embargo, algunos autores escriben que los relojes de agua aparecieron ya en el 4000 a. C. en estas regiones del mundo. ^{[ 13 ]}

El astrónomo macedonio Andrónico de Cirro supervisó la construcción de la Torre de los Vientos en Atenas en el siglo I a. C., que albergaba una gran clepsidra en su interior, así como varios relojes de sol prominentes en el exterior, lo que le permitía funcionar como una especie de torre del reloj primitiva . ^{[ 14 ]} Las civilizaciones griega y romana perfeccionaron el diseño de los relojes de agua con mayor precisión. Estos avances se transmitieron durante las épocas bizantina e islámica , llegando finalmente a Europa. De forma independiente, los chinos desarrollaron sus propios relojes de agua avanzados (水鐘) hacia el año 725 d. C., transmitiendo sus ideas a Corea y Japón. ^{[ 15 ]}

Algunos diseños de relojes de agua se desarrollaron de forma independiente, y parte del conocimiento se transmitió a través del comercio. Las sociedades premodernas no tenían los mismos requisitos de precisión horaria que las sociedades industriales modernas, donde se controla cada hora de trabajo o descanso y el trabajo puede comenzar o terminar en cualquier momento, independientemente de las condiciones externas. En cambio, en las sociedades antiguas, los relojes de agua se utilizaban principalmente por razones astrológicas . Estos primeros relojes de agua se calibraban con un reloj de sol. Si bien nunca alcanzaron el nivel de precisión de un reloj moderno, el reloj de agua fue el dispositivo de medición del tiempo más preciso y utilizado durante milenios, hasta que fue reemplazado por el reloj de péndulo, más preciso , en la Europa del siglo XVII.

Se atribuye a la civilización islámica el avance en la precisión de los relojes mediante una ingeniería elaborada. En 797 (o posiblemente 801), el califa abasí de Bagdad , Harun al-Rashid , obsequió a Carlomagno con un elefante asiático llamado Abul-Abbas junto con un «ejemplo particularmente elaborado» de un reloj de agua ^{[ 16 ]} . El papa Silvestre II introdujo los relojes en el norte y oeste de Europa alrededor del año 1000 d. C. ^{[ 17 ] .}

El primer reloj de engranajes conocido fue inventado por el gran matemático, físico e ingeniero Arquímedes durante el siglo III a. C. Arquímedes creó su reloj astronómico, ^{[ 18 ]} que también era un reloj de cuco con pájaros que cantaban y se movían cada hora. Es el primer reloj de carillón, ya que reproduce música simultáneamente con el parpadeo de una persona, sorprendida por el canto de los pájaros. El reloj de Arquímedes funciona con un sistema de cuatro pesas, contrapesos y cuerdas reguladas por un sistema de flotadores en un depósito de agua con sifones que regulan la continuidad automática del reloj. Los principios de este tipo de reloj son descritos por el matemático y físico Herón, ^{[ 19 ]} quien dice que algunos de ellos funcionan con una cadena que hace girar un engranaje en el mecanismo. ^{[ 20 ]} Otro reloj griego, probablemente construido en la época de Alejandro Magno, se encontraba en Gaza, como lo describe Procopio. ^{[ 21 ]} El reloj de Gaza era probablemente un Meteoroskopeion, es decir, un edificio que mostraba fenómenos celestes y la hora. Tenía un indicador de la hora y algunos mecanismos de automatización similares a los del reloj de Arquímedes. Había doce puertas que se abrían una cada hora, con Hércules realizando sus trabajos, el León a la una, etc. Por la noche, una lámpara se hacía visible cada hora, y doce ventanas se abrían para indicar la hora.

El monje budista de la dinastía Tang , Yi Xing, junto con el funcionario gubernamental Liang Lingzan, crearon el escape en 723 (o 725) para el funcionamiento de una esfera armilar accionada por agua y un mecanismo de reloj , que fue el primer escape mecánico del mundo. ^{[ 22 ] [ 23 ]} El polímata y genio de la dinastía Song, Su Song (1020–1101), lo incorporó a su monumental innovación de la torre del reloj astronómico de Kaifeng en 1088. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Su reloj astronómico y esfera armilar giratoria aún dependían del uso de agua corriente durante la primavera, el verano y el otoño, o de mercurio líquido durante las temperaturas gélidas del invierno (es decir, hidráulica ). En el mecanismo de engranajes de la rueda hidráulica de Su Song, la acción de la detención y liberación del escape se lograba mediante la gravedad ejercida periódicamente como el flujo continuo de recipientes llenos de líquido de tamaño limitado. En una única línea evolutiva, el reloj de Su Song unió, por lo tanto, los conceptos de la clepsidra y el reloj mecánico en un solo dispositivo impulsado por la mecánica y la hidráulica. En su memorial, Su Song escribió sobre este concepto:

En opinión de quien escribe, durante las dinastías pasadas existieron numerosos sistemas y diseños de instrumentos astronómicos, todos con pequeñas diferencias entre sí. Sin embargo, el principio del uso de la energía hidráulica para el mecanismo de accionamiento siempre ha sido el mismo. Los cielos se mueven sin cesar, al igual que el agua fluye (y cae). Por lo tanto, si el agua fluye con perfecta uniformidad, la comparación de los movimientos rotatorios (de los cielos y del instrumento) no mostrará discrepancias ni contradicciones, pues lo constante sigue a lo constante.

Song también estuvo fuertemente influenciado por la esfera armilar anterior creada por Zhang Sixun (976 d. C.), quien también empleó el mecanismo de escape y usó mercurio líquido en lugar de agua en la rueda hidráulica de su torre del reloj astronómico. El mecanismo mecánico de la torre astronómica de Su Song presentaba una gran rueda motriz de 3,35 metros de diámetro, con 36 cazoletas, en cada una de las cuales se vertía agua a un ritmo uniforme desde un depósito de nivel constante. El eje motriz principal de hierro, con sus cuellos cilíndricos apoyados sobre cojinetes de hierro en forma de media luna, terminaba en un piñón que engranaba con una rueda dentada en el extremo inferior del eje de transmisión vertical principal. Esta gran torre del reloj hidromecánico astronómico tenía unos diez metros de altura (unos 30 pies), contaba con un escape de reloj y era impulsada indirectamente por una rueda giratoria con agua o mercurio líquido en caída . Una réplica funcional a tamaño real del reloj de Su Song se encuentra en el Museo Nacional de Ciencias Naturales de la República de China (Taiwán) , en la ciudad de Taichung . Esta réplica a escala real y completamente funcional, de aproximadamente 12 metros (39 pies) de altura, fue construida a partir de las descripciones y dibujos mecánicos originales de Su Song. ^{[ 26 ]} El escape chino se extendió hacia el oeste y fue la fuente de la tecnología de escape occidental. ^{[ 27 ]}

En el siglo XII, Al-Jazari , un ingeniero de Mesopotamia (1136-1206) que trabajó para el rey artúquida de Diyar-Bakr, Nasir al-Din , fabricó numerosos relojes de todas las formas y tamaños. Entre los más renombrados se encontraban los relojes de elefante , de escriba y de castillo , algunos de los cuales han sido reconstruidos con éxito. Además de dar la hora, estos magníficos relojes eran símbolos del estatus, la grandeza y la riqueza del Estado Urtuq. ^{[ 29 ]} Es posible que el conocimiento de estos escapes de mercurio se haya extendido por Europa mediante traducciones de textos árabes y españoles. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

La palabra horologia (del griego ὥρα —'hora', y λέγειν —'contar') se usaba para describir los primeros relojes mecánicos, ^{[ 32 ]} pero el uso de esta palabra (todavía usada en varias lenguas romances ) ^{[ 33 ]} para todos los cronometradores oculta la verdadera naturaleza de los mecanismos. Por ejemplo, hay un registro de que en 1176, la catedral de Sens en Francia instaló un ' horologe ', ^{[ 34 ] [ 35 ]} pero se desconoce el mecanismo utilizado. Según Jocelyn de Brakelond , en 1198, durante un incendio en la abadía de St Edmundsbury (ahora Bury St Edmunds ), los monjes "corrieron al reloj" para buscar agua, lo que indica que su reloj de agua tenía un depósito lo suficientemente grande como para ayudar a extinguir el incendio ocasional. ^{[ 36 ]} La palabra reloj (a través del latín medieval clocca del irlandés antiguo clocc , ambos con el significado de 'campana'), que gradualmente reemplaza a "horologe", sugiere que fue el sonido de las campanas lo que también caracterizó los prototipos de relojes mecánicos que aparecieron durante el siglo XIII en Europa.

En Europa, entre 1280 y 1320, se observó un aumento en las referencias a relojes y cronólogos en los registros eclesiásticos, lo que probablemente indica el desarrollo de un nuevo tipo de mecanismo. Los mecanismos existentes, que utilizaban energía hidráulica, se adaptaron para obtener su fuerza motriz de la caída de pesas. Esta fuerza se controlaba mediante algún tipo de mecanismo oscilante, probablemente derivado de dispositivos de campanas o alarmas ya existentes. Esta liberación controlada de energía —el escape— marca el inicio del verdadero reloj mecánico, que se diferenciaba de los relojes de engranajes mencionados anteriormente. El mecanismo de escape de áncora apareció durante el auge del desarrollo del verdadero reloj mecánico, el cual no requería ningún tipo de fluido, como agua o mercurio, para funcionar.

Estos relojes mecánicos tenían dos propósitos principales: la señalización y la notificación (por ejemplo, la hora de servicios religiosos y eventos públicos) y la modelización del Sistema Solar . El primer propósito era administrativo; el segundo surgía naturalmente dado el interés académico por la astronomía, la ciencia y la astrología, y cómo estas disciplinas se integraban con la filosofía religiosa de la época. El astrolabio era utilizado tanto por astrónomos como por astrólogos, y era lógico aplicar un mecanismo de relojería a la placa giratoria para crear un modelo funcional del sistema solar.

Los relojes sencillos, destinados principalmente a la notificación, se instalaban en las torres y no siempre requerían esferas ni manecillas. Anunciaban las horas canónicas o los intervalos entre los horarios de oración establecidos. La duración de las horas canónicas variaba según cambiaban las horas del amanecer y el atardecer. Los relojes astronómicos más sofisticados tenían esferas o manecillas móviles y mostraban la hora en diversos sistemas horarios, incluyendo las horas italianas , las horas canónicas y la hora medida por los astrónomos de la época. Ambos tipos de relojes comenzaron a adquirir características extravagantes, como autómatas .

En 1283, se instaló un gran reloj en el priorato de Dunstable , en Bedfordshire , al sur de Inglaterra; su ubicación sobre el coro alto sugiere que no era un reloj de agua. ^{[ 37 ]} En 1292, la catedral de Canterbury instaló un «gran reloj». Durante los siguientes 30 años, se mencionaron relojes en varias instituciones eclesiásticas de Inglaterra, Italia y Francia. En 1322, se instaló un nuevo reloj en Norwich , un costoso reemplazo de un reloj anterior instalado en 1273. Este tenía una gran esfera astronómica (de 2 metros) con autómatas y campanas. Los costos de la instalación incluyeron el empleo a tiempo completo de dos relojeros durante dos años. ^{[ 37 ]}

Un elaborado reloj de agua, el "Motor Cósmico", fue inventado por Su Song , un polímata chino , y diseñado y construido en China en 1092. Esta gran torre de reloj hidromecánica astronómica tenía unos diez metros de altura (unos 30 pies) y era impulsada indirectamente por una rueda giratoria con agua y mercurio líquido en caída libre , que hacía girar una esfera armilar capaz de calcular complejos problemas astronómicos.

En Europa, existieron los relojes construidos por Richard de Wallingford en Albans hacia 1336, y por Giovanni de Dondi en Padua entre 1348 y 1364. Ya no existen, pero se conservan descripciones detalladas de su diseño y construcción, ^{[ 38 ] [ 39 ]} y se han realizado reproducciones modernas. ^{[ 39 ]} Estas ilustran la rapidez con que la teoría del reloj mecánico se tradujo en construcciones prácticas, y también que uno de los muchos impulsos para su desarrollo fue el deseo de los astrónomos de investigar los fenómenos celestes.

El Astrarium de Giovanni Dondi dell'Orologio fue un complejo reloj astronómico construido entre 1348 y 1364 en Padua , Italia, por el médico y relojero Giovanni Dondi dell'Orologio . El Astrarium tenía siete caras y 107 engranajes móviles; mostraba las posiciones del Sol, la Luna y los cinco planetas conocidos entonces, así como las festividades religiosas. El astrarium medía aproximadamente 1 metro de altura y consistía en una estructura heptagonal de latón o hierro que descansaba sobre 7 patas decorativas en forma de garra. La sección inferior contenía una esfera de 24 horas y un gran tambor calendario, que mostraba las fiestas fijas de la iglesia, las fiestas móviles y la posición en el zodíaco del nodo ascendente de la Luna. La sección superior contenía 7 esferas, cada una de unos 30  cm de diámetro, que mostraban los datos de posición del Primum Mobile , Venus, Mercurio, la Luna, Saturno, Júpiter y Marte. Justo encima de la esfera de 24 horas se encuentra la esfera del Primum Mobile , llamada así porque reproduce el movimiento diurno de las estrellas y el movimiento anual del Sol sobre el fondo estelar. Cada una de las esferas «planetarias» utilizaba una compleja maquinaria de relojería para producir modelos razonablemente precisos del movimiento de los planetas. Estos coincidían bastante bien tanto con la teoría ptolemaica como con las observaciones. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

El reloj de Wallingford tenía una gran esfera tipo astrolabio que mostraba el Sol, la edad, fase y nodo de la Luna, un mapa estelar y posiblemente los planetas. Además, tenía una rueda de la fortuna y un indicador del estado de la marea en el Puente de Londres . Las campanas sonaban cada hora, y el número de campanadas indicaba la hora. ^{[ 38 ]} El reloj de Dondi era una construcción heptagonal, de 1 metro de altura, con esferas que mostraban la hora del día, incluyendo los minutos, los movimientos de todos los planetas conocidos, un calendario automático de festividades fijas y móviles , y una manecilla de predicción de eclipses que giraba una vez cada 18 años. ^{[ 39 ]} Se desconoce cuán precisos o fiables habrían sido estos relojes. Probablemente se ajustaban manualmente todos los días para compensar los errores causados ​​por el desgaste y la fabricación imprecisa. Los relojes de agua todavía se utilizan a veces y se pueden examinar en lugares como castillos antiguos y museos. El reloj de la catedral de Salisbury , construido en 1386, está considerado como el reloj mecánico más antiguo del mundo que aún se conserva y que da las horas. ^{[ 42 ]}

• Ejemplos de relojes accionados por resorte
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  Reloj de sobremesa Matthew Norman con llave de cuerda.
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  Reloj de sobremesa decorado de William Gilbert

Los relojeros desarrollaron su arte de diversas maneras. Construir relojes más pequeños suponía un reto técnico, al igual que mejorar su precisión y fiabilidad. Los relojes podían ser impresionantes piezas de exhibición para demostrar la habilidad artesanal, o artículos más económicos, producidos en masa para uso doméstico. El escape, en particular, era un factor importante que afectaba a la precisión del reloj, por lo que se probaron muchos mecanismos diferentes.

Los relojes de cuerda aparecieron durante el siglo XV, ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} aunque a menudo se les atribuye erróneamente al relojero de Núremberg Peter Henlein (o Henle, o Hele) alrededor de 1511. ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]} El reloj de cuerda más antiguo que se conserva es el reloj de cámara que se le regaló a Felipe el Bueno, duque de Borgoña, alrededor de 1430, que ahora se encuentra en el Germanisches Nationalmuseum . ^{[ 5 ]} La energía de la cuerda planteó a los relojeros un nuevo problema: cómo mantener el movimiento del reloj funcionando a una velocidad constante a medida que el resorte se agotaba. Esto dio como resultado la invención del stackfreed y el fusee en el siglo XV, y muchas otras innovaciones, hasta la invención del moderno barrilete en 1760.

Las primeras esferas de reloj no indicaban minutos ni segundos. Un reloj con una esfera que indicaba minutos fue ilustrado en un manuscrito de 1475 por Paulus Almanus, ^{[ 49 ]} y algunos relojes del siglo XV en Alemania indicaban minutos y segundos. ^{[ 50 ]} Un registro antiguo de una manecilla de segundos en un reloj data de alrededor de 1560 en un reloj que ahora se encuentra en la colección Fremersdorf. ^{[ 51 ] : 417–418 [ 52 ]}

Durante los siglos XV y XVI, la relojería floreció, especialmente en las ciudades metalúrgicas de Núremberg y Augsburgo , y en Blois , Francia. Algunos de los relojes de mesa más básicos tienen una sola manecilla para marcar la hora, con la esfera entre las marcas horarias dividida en cuatro partes iguales, lo que permite leer la hora con una precisión de hasta 15 minutos. Otros relojes eran muestras de artesanía y habilidad, incorporando indicadores astronómicos y mecanismos musicales. El escape de ritmo cruzado fue inventado en 1584 por Jost Bürgi , quien también desarrolló el remontoire . Los relojes de Bürgi supusieron una gran mejora en la precisión, ya que eran correctos con una desviación de un minuto al día. ^{[ 53 ] [ 54 ]} Estos relojes ayudaron al astrónomo del siglo XVI Tycho Brahe a observar eventos astronómicos con mucha mayor precisión que antes.

El primer reloj de péndulo, diseñado por Christiaan Huygens en 1656.

El siguiente avance en precisión se produjo después de 1656 con la invención del reloj de péndulo . Galileo tuvo la idea de usar una masa oscilante para regular el movimiento de un dispositivo para medir el tiempo a principios del siglo XVII. Sin embargo, generalmente se le atribuye la invención a Christiaan Huygens  . Él determinó la fórmula matemática que relacionaba la longitud del péndulo con el tiempo (aproximadamente 99,4 cm o 39,1  pulgadas para el movimiento de un segundo) y mandó fabricar el primer reloj accionado por péndulo. El primer modelo de reloj se construyó en 1657 en La Haya , pero fue en Inglaterra donde se adoptó la idea. ^{[ 55 ]} El reloj de pie (también conocido como reloj de abuelo ) fue creado para albergar el péndulo y la maquinaria por el relojero inglés William Clement en 1670 o 1671. También fue en esta época cuando las cajas de los relojes comenzaron a fabricarse de madera y las esferas de los relojes a utilizar esmalte , así como cerámica pintada a mano.

En 1670, William Clement creó el escape de áncora , ^{[ 56 ]} una mejora respecto al escape de corona de Huygens. Clement también introdujo el muelle de suspensión del péndulo en 1671. La manecilla concéntrica de los minutos fue añadida al reloj por Daniel Quare , un relojero londinense, y otros, y se introdujo por primera vez la manecilla de los segundos.

En 1675, Huygens y Robert Hooke inventaron el muelle espiral , o espiral de volante, diseñado para controlar la velocidad de oscilación del volante . Este avance crucial finalmente hizo posible la fabricación de relojes de bolsillo precisos. El gran relojero inglés Thomas Tompion fue uno de los primeros en utilizar este mecanismo con éxito en sus relojes de bolsillo , y adoptó la manecilla de los minutos que, tras probar diversos diseños, finalmente se estabilizó en la configuración actual. ^{[ 57 ]} El mecanismo de sonería de cremallera y caracol para relojes se introdujo durante el siglo XVII y tenía claras ventajas sobre el mecanismo de «rueda de conteo» (o «placa de bloqueo»). Durante el siglo XX, existía la idea errónea de que Edward Barlow había inventado la sonería de cremallera y caracol . De hecho, su invención estaba relacionada con un mecanismo de repetición que empleaba la cremallera y el caracol. ^{[ 58 ]} El reloj repetidor , que da las horas (o incluso los minutos) a petición, fue inventado por Quare o Barlow en 1676. George Graham inventó el escape de áncora muerta para relojes en 1720.

Un importante estímulo para mejorar la precisión y fiabilidad de los relojes fue la importancia de la medición precisa del tiempo para la navegación. La posición de un barco en el mar podía determinarse con bastante exactitud si un navegante disponía de un reloj con una desviación inferior a unos 10 segundos al día. Este reloj no podía contener un péndulo, que resultaría prácticamente inútil en un barco que se balanceaba. En 1714, el gobierno británico ofreció cuantiosas recompensas económicas, por valor de 20 000 libras ^{[ 59 ]} , a quien lograra determinar la longitud con precisión. John Harrison , quien dedicó su vida a mejorar la exactitud de sus relojes, recibió posteriormente importantes sumas en virtud de la Ley de Longitud.

En 1735, Harrison construyó su primer cronómetro, que fue mejorando progresivamente durante los siguientes treinta años antes de someterlo a examen. El reloj presentaba numerosas innovaciones, entre ellas el uso de cojinetes para reducir la fricción, contrapesos para compensar el cabeceo y el balanceo del barco en el mar y el uso de dos metales diferentes para mitigar el problema de la dilatación térmica. El cronómetro fue probado en 1761 por el hijo de Harrison y, al cabo de diez semanas, el reloj tenía un margen de error inferior a cinco segundos. ^{[ 60 ]}

Los británicos dominaron la fabricación de relojes durante gran parte de los siglos XVII y XVIII, pero mantuvieron un sistema de producción orientado a productos de alta calidad para la élite. ^{[ 61 ]} Aunque en 1843 la British Watch Company intentó modernizar la fabricación de relojes con técnicas de producción en masa y la aplicación de herramientas y maquinaria de duplicación, fue en Estados Unidos donde este sistema despegó. En 1816, Eli Terry y otros relojeros de Connecticut desarrollaron un método para producir relojes en masa utilizando piezas intercambiables . ^{[ 62 ]} Aaron Lufkin Dennison fundó una fábrica en Massachusetts en 1851 que también utilizaba piezas intercambiables, y para 1861 dirigía una exitosa empresa constituida como la Waltham Watch Company . ^{[ 63 ] [ 64 ]}

En 1815, el científico inglés Francis Ronalds publicó el primer reloj eléctrico alimentado por pilas secas . ^{[ 65 ]} Alexander Bain , un relojero escocés, patentó el reloj eléctrico en 1840. El muelle principal del reloj eléctrico se da cuerda con un motor eléctrico o con un electroimán y una armadura. En 1841, patentó por primera vez el péndulo electromagnético . A finales del siglo XIX, la llegada de la pila seca hizo posible el uso de energía eléctrica en los relojes. Los relojes de cuerda o de pesas que utilizan electricidad, ya sea corriente alterna (CA) o corriente continua (CC), para dar cuerda al muelle o elevar la pesa de un reloj mecánico se clasificarían como relojes electromecánicos . Esta clasificación también se aplicaría a los relojes que emplean un impulso eléctrico para impulsar el péndulo. En los relojes electromecánicos, la electricidad no cumple ninguna función de cronometraje. Este tipo de relojes se fabricaban como piezas individuales, pero se utilizan más comúnmente en instalaciones de sincronización horaria en escuelas, empresas, fábricas, ferrocarriles e instalaciones gubernamentales como reloj maestro y relojes esclavos .

Cuando se dispone de una fuente de alimentación de corriente alterna (CA) de frecuencia estable, la hora se puede mantener con gran fiabilidad mediante un motor síncrono , que básicamente cuenta los ciclos. La corriente alterna tiene una frecuencia precisa de 50 hercios en muchos países y de 60 hercios en otros. Si bien la frecuencia puede variar ligeramente durante el día debido a los cambios de carga, los generadores están diseñados para mantener un número preciso de ciclos a lo largo del día, por lo que el reloj puede adelantarse o atrasarse una fracción de segundo en cualquier momento, pero será perfectamente preciso a largo plazo. El rotor del motor gira a una velocidad relacionada con la frecuencia de alternancia. Un sistema de engranajes adecuado convierte esta velocidad de rotación a la velocidad correcta para las manecillas del reloj analógico. En estos casos, el tiempo se mide de diversas maneras, como contando los ciclos de la corriente alterna, mediante la vibración de un diapasón , el comportamiento de los cristales de cuarzo o las vibraciones cuánticas de los átomos. Los circuitos electrónicos dividen estas oscilaciones de alta frecuencia en oscilaciones más lentas que controlan la visualización de la hora.  

Las propiedades piezoeléctricas del cuarzo cristalino fueron descubiertas por Jacques y Pierre Curie en 1880. ^{[ 66 ] [ 67 ]} El primer oscilador de cristal fue inventado en 1917 por Alexander M. Nicolson , después de lo cual el primer oscilador de cristal de cuarzo fue construido por Walter G. Cady en 1921. ^{[ 3 ]} En 1927, el primer reloj de cuarzo fue construido por Warren Marrison y JW Horton en los Laboratorios Bell Telephone en Canadá. ^{[ 68 ] [ 3 ]} Las décadas siguientes vieron el desarrollo de relojes de cuarzo como dispositivos de medición de tiempo de precisión en entornos de laboratorio; la electrónica de conteo voluminosa y delicada, construida con tubos de vacío en ese momento, limitó su uso práctico en otros lugares. La Oficina Nacional de Estándares (ahora NIST ) basó el estándar de tiempo de los Estados Unidos en relojes de cuarzo desde finales de 1929 hasta la década de 1960, cuando cambió a relojes atómicos. ^{[ 69 ]} En 1969, Seiko produjo el primer reloj de pulsera de cuarzo del mundo , el Astron . ^{[ 70 ]} Su precisión inherente y su bajo costo de producción dieron como resultado la posterior proliferación de relojes de cuarzo. ^{[ 66 ]}

Actualmente, los relojes atómicos son los relojes más precisos que existen. Son considerablemente más precisos que los relojes de cuarzo , ya que pueden ser precisos con una precisión de unos pocos segundos durante billones de años. ^{[ 71 ] [ 72 ]} Los relojes atómicos fueron teorizados por primera vez por Lord Kelvin en 1879. ^{[ 73 ]} En la década de 1930, el desarrollo de la resonancia magnética creó un método práctico para lograrlo. ^{[ 74 ]} Un prototipo de dispositivo máser de amoníaco fue construido en 1949 en la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. (NBS, ahora NIST ). Aunque era menos preciso que los relojes de cuarzo existentes , sirvió para demostrar el concepto. ^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]} El primer reloj atómico preciso, un estándar de cesio basado en una transición determinada del átomo de cesio-133 , fue construido por Louis Essen en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física en el Reino Unido. ^{[ 78 ]} La calibración del reloj atómico estándar de cesio se llevó a cabo mediante el uso de la escala de tiempo astronómica tiempo de efemérides (ET). ^{[ 79 ]} A partir de 2013, los relojes atómicos más estables son los relojes de iterbio , que son estables dentro de menos de dos partes en 1 quintillón (2 × 10 ⁻¹⁸ ). ^{[ 72 ]}

El elemento cronometrador de cada reloj moderno es un oscilador armónico , un objeto físico ( resonador ) que vibra u oscila repetitivamente a una frecuencia precisamente constante. ^{[ 3 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]}

• En los relojes mecánicos, se trata de un péndulo o un volante .
• En algunos de los primeros relojes electrónicos, como el Accutron , se utilizaba un diapasón .
• En los relojes de cuarzo , se trata de un cristal de cuarzo .
• En los relojes atómicos , se trata de la vibración de los electrones en los átomos al emitir microondas.
• En los primeros relojes mecánicos anteriores a 1657, se utilizaba un volante o foliot rudimentario que no era un oscilador armónico porque carecía de un muelle de equilibrio . Como resultado, eran muy imprecisos, con errores de quizás una hora al día. ^{[ 87 ]}

La ventaja de un oscilador armónico sobre otras formas de oscilador es que emplea la resonancia para vibrar a una frecuencia de resonancia natural precisa o "pulsación" que depende únicamente de sus características físicas, y resiste vibrar a otras frecuencias. La precisión posible que puede lograr un oscilador armónico se mide mediante un parámetro llamado Q , ^{[ 88 ] [ 89 ]} o factor de calidad, que aumenta (en igualdad de condiciones) con su frecuencia de resonancia. ^{[ 90 ]} Por eso ha habido una tendencia a largo plazo hacia osciladores de mayor frecuencia en los relojes. Los volantes y péndulos siempre incluyen un medio para ajustar la velocidad del reloj. Los relojes de cuarzo a veces incluyen un tornillo de ajuste que regula un condensador para tal fin. Los relojes atómicos son patrones primarios y su velocidad no se puede ajustar.

Relojes sincronizados o esclavos

Algunos relojes dependen para su precisión de un oscilador externo; es decir, se sincronizan automáticamente con un reloj más preciso:

• Los relojes esclavos , utilizados en grandes instituciones y escuelas desde la década de 1860 hasta la de 1970, marcaban el tiempo con un péndulo, pero estaban conectados a un reloj maestro en el edificio y recibían periódicamente una señal para sincronizarlos con el maestro, a menudo a la hora en punto. ^{[ 91 ]} Las versiones posteriores sin péndulo se activaban mediante un pulso del reloj maestro y ciertas secuencias se utilizaban para forzar una sincronización rápida tras un corte de energía.

• Los relojes eléctricos síncronos no tienen un oscilador interno, sino que cuentan los ciclos de la oscilación de 50 o 60 Hz de la línea de corriente alterna, que la compañía eléctrica sincroniza con un oscilador de precisión. El conteo puede realizarse electrónicamente, generalmente en relojes con pantallas digitales, o, en relojes analógicos, la corriente alterna puede accionar un motor síncrono que gira una fracción exacta de revolución por cada ciclo de la tensión de línea, y acciona el tren de engranajes. Si bien las variaciones en la frecuencia de la red eléctrica debido a las fluctuaciones de carga pueden provocar que el reloj adelante o atrase temporalmente algunos segundos durante el día, la compañía eléctrica mantiene con extrema precisión el número total de ciclos por 24 horas, de modo que el reloj mantiene la hora con exactitud durante largos períodos.
• Los relojes informáticos en tiempo real mantienen la hora mediante un cristal de cuarzo, pero pueden sincronizarse periódicamente (normalmente de forma semanal) a través de Internet con relojes atómicos ( UTC ), utilizando el Protocolo de Tiempo de Red (NTP).
• Los radiorelojes marcan la hora mediante un cristal de cuarzo, pero se sincronizan periódicamente con las señales horarias transmitidas por estaciones de radio de hora estándar o con las señales de navegación por satélite , que son ajustadas por relojes atómicos.

Esto tiene la doble función de mantener el oscilador en funcionamiento, proporcionándole "impulsos" para reemplazar la energía perdida por fricción , y de convertir sus vibraciones en una serie de pulsos que sirven para medir el tiempo.

• En los relojes mecánicos, este es el escape , que da impulsos precisos al péndulo oscilante o al volante, y libera un diente del engranaje de la rueda de escape en cada oscilación, lo que permite que todas las ruedas del reloj avancen una cantidad fija con cada oscilación.
• En los relojes electrónicos, se trata de un circuito oscilador electrónico que da al cristal de cuarzo vibrante o al diapasón pequeños "impulsos" y genera una serie de pulsos eléctricos, uno por cada vibración del cristal, que se denomina señal de reloj .
• En los relojes atómicos, el controlador es una cavidad de microondas al vacío conectada a un oscilador de microondas controlado por un microprocesador . Se libera un gas tenue de átomos de cesio en la cavidad, donde se exponen a las microondas. Un láser mide cuántos átomos han absorbido las microondas, y un sistema electrónico de control por retroalimentación, denominado bucle de enganche de fase, ajusta el oscilador de microondas hasta que alcanza la frecuencia que provoca la vibración de los átomos y la absorción de las microondas. Posteriormente, la señal de microondas se divide mediante contadores digitales para obtener la señal de reloj . ^{[ 92 ]}

En los relojes mecánicos, el bajo factor Q del volante o del oscilador de péndulo los hacía muy sensibles al efecto perturbador de los impulsos del escape, por lo que este último influía considerablemente en la precisión del reloj, y se probaron numerosos diseños de escape. El mayor factor Q de los resonadores en los relojes electrónicos los hace relativamente insensibles a los efectos perturbadores de la alimentación, por lo que el circuito oscilador de excitación es un componente mucho menos crítico. ^{[ 3 ]}

Este dispositivo cuenta los pulsos y los suma para obtener unidades de tiempo tradicionales como segundos, minutos, horas, etc. Generalmente, incluye una opción para ajustar el reloj introduciendo manualmente la hora correcta en el contador.

• En los relojes mecánicos, esto se realiza mecánicamente mediante un tren de engranajes , conocido como tren de ruedas . El tren de engranajes regula la velocidad de rotación para que un eje gire una vez por hora, al que está unida la manecilla de los minutos; otro eje gira una vez cada 12 horas, al que está unida la manecilla de las horas; y, en algunos relojes, un eje gira una vez por minuto, al que está unida la manecilla de los segundos . El tren de engranajes también tiene una segunda función: transmitir energía mecánica desde la fuente de alimentación para hacer funcionar el oscilador. Existe un acoplamiento por fricción, denominado piñón central, entre los engranajes que mueven las manecillas y el resto del reloj, lo que permite girar las manecillas para ajustar la hora. ^{[ 93 ]}
• En los relojes digitales, una serie de contadores o divisores de circuitos integrados suman digitalmente los pulsos mediante lógica binaria . A menudo, unos pulsadores en la carcasa permiten incrementar y decrementar los contadores de horas y minutos para ajustar la hora.

Esto muestra el recuento de segundos, minutos, horas, etc., en un formato legible para el ser humano.

• Los primeros relojes mecánicos del siglo XIII no tenían indicador visual y señalaban la hora mediante el sonido de campanas. Muchos relojes actuales son de sonería, que dan la hora.
• Los relojes analógicos muestran la hora mediante una esfera analógica , que consiste en un dial con los números del 1 al 12 o 24, que representan las horas del día, alrededor del borde. Las horas se indican con una manecilla horaria , que da una o dos vueltas al día, mientras que los minutos se indican con una manecilla minutera , que da una vuelta por hora. En los relojes mecánicos, un tren de engranajes acciona las manecillas; en los relojes electrónicos, el circuito genera pulsos cada segundo que accionan un motor paso a paso y un tren de engranajes, los cuales mueven las manecillas.
• Los relojes digitales muestran la hora mediante dígitos que cambian periódicamente en una pantalla digital. Existe la creencia errónea de que un reloj digital es más preciso que un reloj de pared analógico, pero el tipo de indicador es independiente de la precisión de la fuente de medición del tiempo.
• Los relojes parlantes y los servicios de reloj parlante que ofrecen las compañías telefónicas anuncian la hora en voz alta, utilizando voces grabadas o sintetizadas digitalmente .

Para algunos trabajos científicos, la precisión temporal es esencial. También es necesario contar con un patrón de máxima precisión con el que calibrar los relojes. Un reloj ideal proporcionaría la hora con una precisión ilimitada, pero esto no es factible. Muchos procesos físicos, en particular algunas transiciones entre niveles de energía atómica , ocurren a una frecuencia extremadamente estable; el conteo de ciclos de dicho proceso puede proporcionar una hora muy precisa y consistente. Los relojes que funcionan de esta manera se denominan generalmente relojes atómicos. Estos relojes suelen ser grandes, muy caros, requieren un entorno controlado y son mucho más precisos de lo necesario para la mayoría de los fines; normalmente se utilizan en un laboratorio de estándares .

Hasta los avances de finales del siglo XX, la navegación dependía de la capacidad de medir la latitud y la longitud . La latitud se puede determinar mediante navegación astronómica ; la medición de la longitud requiere un conocimiento preciso del tiempo. Esta necesidad fue una motivación importante para el desarrollo de relojes mecánicos precisos. John Harrison creó el primer cronómetro marino de alta precisión a mediados del siglo XVIII. El cañón del mediodía en Ciudad del Cabo todavía dispara una señal precisa para que los barcos puedan comprobar sus cronómetros. Muchos edificios cerca de los principales puertos solían tener (algunos todavía tienen) una gran bola montada en una torre o mástil, programada para caer a una hora predeterminada, con el mismo propósito. Si bien los sistemas de navegación por satélite , como el GPS, requieren un conocimiento del tiempo de una precisión sin precedentes, este lo proporciona el equipo de los satélites; los vehículos ya no necesitan equipos de cronometraje.

Los relojes se pueden usar para medir diferentes períodos de tiempo en juegos y deportes. Los cronómetros se pueden usar para medir el tiempo de los atletas de pista . Los relojes de ajedrez se usan para limitar el tiempo de los jugadores de juego de mesa para hacer un movimiento. En varios deportes,Los relojes de juego miden la duración del juego o subdivisiones del juego, ^{[ 96 ] [ 97 ]} mientras que otros relojes pueden usarse para rastrear duraciones diferentes; estos incluyenrelojes de juego,relojes de tiroyrelojes de lanzamiento.

En el Reino Unido , los relojes se asocian con diversas creencias, muchas de ellas relacionadas con la muerte o la mala suerte. Según las leyendas, los relojes se han detenido por sí solos tras la muerte de una persona cercana, especialmente los de los monarcas. Se dice que el reloj de la Cámara de los Lores se detuvo "casi" a la hora de la muerte de Jorge III en 1820, el del Castillo de Balmoral se detuvo a la hora de la muerte de la Reina Victoria , y se relatan leyendas similares sobre relojes asociados con Guillermo IV e Isabel I. [ ^{98 ] Existen} muchas supersticiones sobre los relojes. Se cree que si uno se detiene antes de que una persona muera, puede presagiar una muerte inminente. ^{[ 99 ]} Del mismo modo, si un reloj da las campanadas durante un himno religioso o una ceremonia nupcial, se prefigura la muerte o la calamidad para los feligreses o el cónyuge, respectivamente. ^{[ 100 ]} Se presagian la muerte o desgracias si un reloj da las campanadas a la hora equivocada. También puede ser de mala suerte que un reloj esté frente a un incendio o hablar mientras un reloj está dando las campanadas. ^{[ 101 ]}

En la cultura china, regalar un reloj ( chino tradicional :送鐘; chino simplificado :送钟; pinyin : sòng zhōng ) suele ser tabú, especialmente para los ancianos, ya que es un homófono del acto de asistir al funeral de otra persona ( chino tradicional :送終; chino simplificado :送终; pinyin : sòngzhōng ). ^{[ 102 ] [ 103 ] [ 104 ]}