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Geschichte der Zeitmessgeräte
Die Geschichte der Zeitmessgeräte umfasst die Entwicklung von technischen Geräten zur Messung der Zeit von der Frühgeschichte bis zur Gegenwart.
Inhalt6 Abschnitte
Grundidee und frühe Grundlagen
Die Geschichte der Zeitmessgeräte beschreibt die Entwicklung technischer Geräte zur Messung der Zeit von der Frühgeschichte bis zur Gegenwart. Zeitmessung wurde wichtig, weil Menschen Tageszeiten, Jahreszeiten, religiöse Pflichten, Arbeit, Navigation und später wissenschaftliche Beobachtungen genau ordnen wollten. Am Anfang standen Beobachtungen von Sonne, Mond und Sternen. Die ältesten bekannten Sonnenuhren gehen auf einfache Schattenstäbe zurück, die Sumerer und Ägypter um 3000 v. Chr. kannten; aus China ist der Schattenstab seit 2400 v. Chr. bekannt. Die Griechen nannten ihn später Gnomon.
Um 2000 v. Chr. verwendeten die Babylonier das Sexagesimalsystem mit der Basiszahl 60. Daraus entwickelte sich später die Einteilung des Tages in Stunden. Die alten Ägypter teilten den Tag in zwei Zwölf-Stunden-Zeiträume und nutzten große Obelisken, deren Schattenverlauf beobachtet wurde. Obelisken halfen auch, Sommer- und Wintersonnenwende sowie den Meridian zu bestimmen, weil der kürzeste Schatten unabhängig von der Jahreszeit immer in dieselbe Richtung fiel.
Frühe Kalender und Zeitmessungen sind nur teilweise bekannt. In Mesopotamien und Ägypten entstanden vor fast 4000 Jahren Methoden der sexagesimalen Zeitmessung; ein ähnliches System entwickelte sich später in Mittelamerika. Möglicherweise nutzten schon Jäger und Sammler während der letzten Eiszeit Stöcke und Knochen, um Mondphasen oder Jahreszeiten zu markieren. Steinkreise wie Stonehenge wurden vermutlich zur Vorhersage von Tagundnachtgleichen oder Sonnenwenden genutzt, doch fehlen schriftliche Aufzeichnungen.
Sonnen-, Wasser- und Feueruhren
Sonnenuhren und Schattenuhren waren die ersten Geräte zur Messung von Tagesabschnitten. Sie waren jedoch abhängig von klarem Himmel und Tageslicht. Bei Nacht oder bewölktem Himmel versagten sie. Außerdem waren sie ungenau, solange Jahreszeiten und Sonnenstand nicht berücksichtigt wurden. Später verbesserte man Sonnenuhren, indem der Gnomon parallel zur Erdachse ausgerichtet wurde. Abul-Hasan Ibn al-Shatir wandte 1371 die Idee gleicher Stunden über das ganze Jahr an; seine Sonnenuhr gilt als älteste noch vorhandene nach der Erdachse ausgerichtete Sonnenuhr. In Westeuropa wurde dieses Prinzip ab 1446 übernommen.
Wasseruhren gehörten zu den ersten Zeitmessern, die nicht auf Himmelsbeobachtung beruhten. Eine der ältesten wurde im Grab des Pharaos Amenophis I. gefunden. Wasseruhren funktionierten als Einlaufuhren mit steigendem Wasserstand oder als Auslaufuhren mit sinkendem Wasserstand. Markierungen zeigten die verstrichene Zeit an. Etwa 425 v. Chr. kam die Wasseruhr zu den Griechen, die sie Klepsydra, also „Wasserdiebin“, nannten. Platon erfand einen wasserbetriebenen Wecker, bei dem ein Geräusch durch herabfallende Bleikugeln oder durch einen Wasser-Siphon erzeugt wurde. Wasseruhren waren nützlich, weil sie im Haus, nachts und bei bewölktem Himmel funktionierten. Probleme blieben Wasserdruck, Temperatur und Frost. Griechen und Römer verbesserten sie deshalb unter anderem durch konische Formen und geregelten Wasserfluss.
Auch Feueruhren maßen Zeit über gleichmäßiges Abbrennen. Kerzenuhren wurden in China, Japan, England und im Irak verwendet; ihre älteste Erwähnung stammt aus einem chinesischen Gedicht von Jianfu aus dem Jahr 520 n. Chr. König Alfred der Große soll im 9. Jahrhundert eine Kerzenuhr aus sechs Wachskerzen genutzt haben, jede 30 Zentimeter hoch und mit vier Stunden Brenndauer. Öllampenuhren lasen die Zeit am sinkenden Öl- oder Transpiegel eines skalierten Glasbehälters ab. Räucherstäbchenuhren wurden im Fernen Osten seit etwa dem 6. Jahrhundert benutzt. Sie brannten gleichmäßig und ohne Flamme und konnten mit Gewichten, Gongs oder unterschiedlichen Düften Stunden markieren.
Mechanisierung und astronomische Uhren
Ein entscheidender Schritt war die Verbindung von Wasser, Zahnrädern, Gewichten und Hemmungen. Eine Hemmung ist ein Mechanismus, der Energie in regelmäßige Bewegungen umsetzt und dadurch den Gang einer Uhr reguliert. Das früheste Beispiel einer durch Flüssigkeit angetriebenen Hemmung beschrieb Philon von Byzanz im 3. Jahrhundert v. Chr. Im 11. Jahrhundert bauten arabische Ingenieure Uhren, deren Zahnräder und Gewichte mit Wasser angetrieben wurden.
In China entstanden besonders ausgefeilte Wasseruhren. Zhang Heng verbesserte die Einlauf-Wasseruhr durch einen Zusatztank, der die Fließgeschwindigkeit regelte. Um 550 n. Chr. beschrieb Yin Gui eine chinesische Wasseruhr mit konstantem Flüssigkeitsspiegel. 610 n. Chr. erfanden Geng Xun und Yuwen Kai eine Gleichgewicht-Wasseruhr, die an die unterschiedlichen Längen von Tag und Nacht angepasst werden konnte. Zhang Sixun ersetzte 976 n. Chr. Wasser durch Quecksilber, weil Quecksilber bis minus 39 °C flüssig bleibt. Su Songs „Himmelsmaschine“ von 1088 n. Chr. war etwa zehn Meter hoch, nutzte Wasserantrieb, Hemmung, Figuren, Tafeln, Zimbeln und Gongs und hatte den ersten bekannten endlos kraftübertragenden Kettenantrieb in der Uhrmacherei.
Im islamischen Raum entwickelten Ingenieure ebenfalls komplexe Uhren. Al-Jazari baute 1206 aufwendige Wasseruhren, darunter die Elefanten-Uhr und eine Schlossuhr. Die Schlossuhr war etwa 11 Meter hoch, zeigte Tierkreis, Sonnen- und Mondbahnen und konnte die Länge von Tagen und Nächten entsprechend den Jahreszeiten neu programmieren. Sie gilt als frühes Beispiel für einen programmierbaren Analog-Computer. Ein Astrolabium, ein astronomisches Gerät zur Bestimmung von Zeit, Gebetszeiten, Vermessung und Navigation, blieb bis ins 17. Jahrhundert für arabische und europäische Astronomen wichtig.
Mechanische Uhren in Europa, Osmanischem Reich und Japan
Mechanische Uhren mit Spindelhemmung entstanden um 1300 in Europa und wurden zum Standard-Zeitmessgerät. Klöster und Lehranstalten brauchten Uhren für Gebete und Arbeitszeiten. Frühe mechanische Uhren mussten häufig nachgestellt werden und kündigten wichtige Zeiten oft durch Glocken an. Die Uhr der Salisbury-Kathedrale von 1386 gilt als älteste Uhr der Welt, die fast vollständig aus Originalbauteilen besteht. Sie besitzt kein Zifferblatt, sondern schlägt zu bestimmten Zeiten eine Glocke. Astronomische Uhren wie die Prager Uhr von 1410 zeigten neben der Zeit auch Sonne, Mond, Monate und Figurenbewegungen an.
Frühe mechanische Uhren hatten zunächst keine Minuten- und Sekundenanzeige. Eine Minutenanzeige wird erstmals 1475 erwähnt. Seit dem 15. Jahrhundert gab es in Deutschland Uhren mit Minuten- und Sekundenanzeige, doch sie waren noch ungenau. Erst die Pendeluhr brachte deutlich höhere Genauigkeit. Zwischen 1794 und 1795 versuchte die französische Regierung außerdem die Einführung dezimaler Uhren: Ein Tag sollte zehn Stunden haben, eine Stunde 100 Minuten. Wegen hoher Kosten und geringer Alltagstauglichkeit wurde diese Änderung verworfen.
Im Osmanischen Reich beschrieb Taqi ad-Din 1565 eine gewichtsbetriebene mechanische Uhr mit Foliot, Hemmung, Zahnrädern, Weckeinrichtung und Mondphasenanzeige. Später baute er für das Istanbul-Observatorium eine Uhr mit Stunden-, Minuten- und Sekundenanzeige. In Japan führten jesuitische Missionare im 16. Jahrhundert mechanische Uhren ein. Nach der Abschottung Japans ab 1635 entwickelte sich eine eigene Uhrentradition: Wadokei-Uhren zeigten Temporalstunden, bei denen Tag und Nacht jeweils in sechs Abschnitte geteilt wurden. Da sich deren Länge im Jahreslauf änderte, mussten diese Uhren anpassbar sein. Mit der Einführung des Gregorianischen Kalenders und der Äquinoktialstunden 1872 verloren Wadokei-Uhren ihren Nutzen.
Präzision, tragbare Uhren und Navigation
Die Pendeluhr war ein großer Fortschritt. Galileo Galilei formulierte 1581 seine Pendeltheorie: Die Schwingungszeit eines Pendels hängt kaum von der Schwingungsweite, sondern vor allem von seiner Länge ab. Die erste Pendeluhr wurde 1656 von Christiaan Huygens entworfen und gebaut. Frühe Pendeluhren wichen weniger als eine Minute pro Tag ab, später nur noch wenige Sekunden. Die Ankerhemmung von 1670 verringerte den nötigen Pendelausschlag auf vier bis sechs Grad und ermöglichte genauere Langpendeluhren. Präzisionspendeluhren dienten bis etwa 1960 als Grundlage der Zeitdienste, bevor Quarzuhren und Atomuhren sie ablösten.
Taschenuhren wurden durch Spiralfeder und Unruh genauer. Robert Hookes rückführende Hakenhemmung von 1676 und Huygens’ Verbesserungen machten tragbare Uhren zuverlässiger. Armbanduhren wurden besonders im 20. Jahrhundert wichtig. Patek Philippe hatte 1868 bereits eine Armbanduhr gebaut, vor allem als Schmuckstück für Damen. 1904 bat Alberto Santos-Dumont Louis Cartier um eine für Flüge brauchbare Uhr; daraus entstand die Santos-Armbanduhr für Herren. Im Ersten Weltkrieg wurden Armbanduhren beliebt, weil sie für Offiziere praktischer waren als Taschenuhren. Schützengrabenuhren hatten große Ziffern, große Zeiger, Schutzgitter und Leuchtmasse aus Radium.
Marine-Chronometer waren besonders genaue Uhren für die Seefahrt, mit denen Längengrade und astronomische Ortsbestimmungen möglich wurden. John Harrison entwickelte 1759 solche Chronometer; seine H.4 erreichte auf der Fahrt nach Jamaika und zurück in fünf Monaten nur 5,1 Sekunden Abweichung. Damit wurde das Längengradproblem praktisch lösbar. Später verdrängten Quarzuhren Marine-Chronometer als Navigationsinstrumente, weil ihre Ganggenauigkeit um drei Zehnerpotenzen besser war.
Quarz-, Digital-, Atom- und Funkzeit
Im 20. Jahrhundert entstanden moderne Zeitmessgeräte mit Elektrizität, Quarz und Atomen. Jacques und Pierre Curie entdeckten 1880 die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz. Walter Guyton Cady baute 1921 den ersten Quarz-Oszillator; Warren Marrison und J. W. Horton bauten 1927 die erste Quarzuhr. 1932 entwickelten Adolf Scheibe und Udo Adelsberger eine Quarzuhr, die kleine wöchentliche Schwankungen der Erdrotation messen konnte. Rohde & Schwarz brachte 1938 die erste tragbare Quarzuhr zur Serienreife; sie wog 36 kg. 1969 stellte Seiko mit der „Astron“ die erste Quarz-Armbanduhr für den Massenmarkt her.
Digitaluhren zeigen Zeit mit Zahlen statt Zeigern an. Frühere digitale Anzeigen nutzten Fallblätter, Scheiben oder Walzen; heutige Digitaluhren verwenden meist LED- oder LCD-Anzeigen, häufig als Siebensegment- oder Matrixanzeige. Longines entwickelte 1972 den LCD-Prototyp „Clepsydre“, der bis zu 30.000 Mal weniger Strom verbrauchte als LED-Uhren. Später kamen Zusatzfunktionen wie Rechner, Datenbanken, Pulsmesser, Kamera, Kompass und TV-Empfang hinzu; heute werden digitale Armbanduhren teilweise von Smartwatches abgelöst.
Atomuhren sind die genauesten bekannten Zeitmessgeräte. Ihre Grundlagen entwickelte Isidor Isaac Rabi, der dafür 1944 den Nobelpreis für Physik erhielt. Die erste Atomuhr wurde 1949 erfunden. 1967 standardisierte das Internationale Einheitensystem die Sekunde auf Grundlage des Isotops Cs-133. Atomuhren dienen zur Kalibrierung anderer Uhren und zur Definition genauer Zeitstandards. 1968 wurde die Coordinated Universal Time auf atomarer Basis eingeführt. Funkuhren empfangen Zeitcodes, die an Atomzeit gekoppelt sind; dieses Verfahren wurde 1967 bei Telefunken erfunden. Das Global Positioning System synchronisiert Zeitmesssysteme weltweit, verwendet Satellitenuhren und berücksichtigt Korrekturen wie relativistische Effekte. GPS-Zeit entspricht nicht direkt der Erdrotation und läuft deshalb nicht identisch mit UTC; Empfänger berechnen daraus UTC-Zeitzonenwerte.