Um relógio é um dispositivo que mede a passagem do tempo e apresenta o resultado de uma forma que possa ser usada para saber a hora ou acompanhar uma duração. Relógios podem ser mecânicos, elétricos ou eletrônicos, e o nome abrange desde instrumentos simples até padrões de laboratório capazes de comparar intervalos extremamente pequenos.
Para medir algo que não pode ser observado diretamente, o relógio acompanha uma mudança física que ocorre de maneira previsível. A sombra de um relógio de sol, o fluxo de uma clepsidra, a oscilação de um pêndulo e a vibração de um cristal de quartzo são maneiras diferentes de criar uma referência que possa ser contada. O aparelho transforma essa regularidade em segundos, minutos, horas ou outras unidades de tempo.
Muito antes dos mecanismos movidos por pesos e molas, relógios de sol e de água já permitiam dividir o dia e acompanhar durações. A relojoaria mecânica ganhou maior regularidade com osciladores como o pêndulo, e a produção industrial tornou relógios portáteis e domésticos mais acessíveis. No século XX, o quartzo levou a medição eletrônica do tempo a aparelhos de uso comum, enquanto os relógios atômicos passaram a fornecer referências de frequência muito mais estáveis.
Nos relógios de quartzo, circuitos contam as vibrações regulares do cristal, enquanto nos relógios atômicos um oscilador é ajustado à frequência de uma transição atômica. Esse princípio sustenta padrões de tempo usados em metrologia e na sincronização de sistemas que precisam concordar sobre quando cada evento ocorreu.
miniatura|esquerda|upright=0.86|alt=Relógio digital de pulso preto com algarismos em um mostrador de cristal líquido|Em um relógio digital de pulso, a contagem eletrônica é apresentada como algarismos em um mostrador de cristal líquido. A hora pode ser apresentada por ponteiros, números, som ou toque, mas o modo de exibição não diz qual referência física existe dentro do aparelho. Um relógio de pulso, um relógio público, um computador e um padrão atômico podem ter construções muito diferentes e ainda resolver o mesmo problema básico, acompanhar uma referência regular, contar sua passagem e tornar essa contagem útil.
Princípios de medição do tempo
miniatura|direita|upright=0.88|alt=Diagrama de um relógio de pêndulo em cinco posições sucessivas acompanhado por uma curva senoidal de deslocamento|A posição de um pêndulo se repete a cada ciclo. Essa regularidade permite associar a contagem de oscilações a intervalos de tempo. Medir o tempo começa por medir um intervalo, isto é, quanto dura o trecho entre dois eventos. Um instrumento pode medir essa duração sem saber que horas são. Para mostrar a hora do dia, o relógio precisa relacionar sua contagem a uma referência compartilhada, de modo que o valor mostrado corresponda a uma escala de tempo.
Os primeiros instrumentos podiam acompanhar mudanças contínuas, como o deslocamento de uma sombra ou o escoamento de água. Em muitos relógios modernos, a referência local é um processo que se repete e pode ser contado.Um processo periódico é algo que se repete de maneira regular. O balanço de um pêndulo e a vibração de um cristal são exemplos. O balanço de um pêndulo, a vibração de um cristal de quartzo e uma transição atômica são fenômenos físicos diferentes, mas em todos eles uma sequência regular de eventos pode ser relacionada a intervalos de tempo.
Período e frequência
miniatura|esquerda|upright=0.88|alt=Animação de uma massa presa a uma mola oscilando horizontalmente enquanto um gráfico acompanha o movimento periódico|A repetição regular de um oscilador permite contar ciclos. O período mede a duração de um ciclo e a frequência, quantos ciclos ocorrem por segundo. Para entender um processo que se repete, é útil separar duas ideias que parecem parecidas, mas medem coisas diferentes. O período é o tempo de um ciclo completo, e a frequência diz quantos ciclos ocorrem em cada unidade de tempo. Como uma grandeza é o inverso da outra, a relação é . A frequência é medida em hertz, abreviado Hz, e 1 Hz corresponde a um ciclo por segundo. Em muitos relógios de quartzo de pulso, o cristal vibra a 32.768 Hz.Esse valor é muito usado porque pode ser dividido repetidamente por dois até chegar a um pulso por segundo. Circuitos divisores reduzem essa frequência até produzir pulsos de 1 Hz,1 Hz significa um ciclo ou pulso por segundo. e cada pulso pode fazer a indicação avançar um segundo.
Da referência física à indicação
miniatura|direita|upright=0.63|alt=Desenho simplificado em corte de um relógio de pêndulo com engrenagens, escape, pesos e ponteiros|Num relógio de pêndulo, a referência oscilatória, o escape e o trem de engrenagens formam uma cadeia que converte ciclos regulares no movimento dos ponteiros. Mesmo com construções muito diferentes, muitos relógios seguem uma cadeia parecida em que uma referência física produz um comportamento regular, o aparelho mantém ou acompanha esse comportamento, a contagem transforma os ciclos em unidades de tempo e um mostrador ou sinal apresenta o resultado.
referência física → oscilação ou evento periódico → contagem e divisão → indicação ou sinal de tempo
A resolução informa a menor fração que um aparelho consegue mostrar ou distinguir, mas isso não basta para dizer quão boa é a medição. Um mostrador que apresenta milésimos de segundoUm milésimo de segundo é 0,001 s, ou seja, a milésima parte de um segundo. pode ter resolução de 0,001 s mesmo que sua referência interna não consiga manter a hora com um erro tão pequeno. Resolução, exatidão e estabilidade medem aspectos diferentes do desempenho de um relógio.
Etimologia
miniatura|esquerda|upright=0.62|alt=Desenho em corte de uma torre de relógio com mostradores, sino, pesos e mecanismo central|Relógios públicos de torre combinaram por séculos mostradores e sinos. Essa associação ajuda a explicar a origem do inglês clock no latim medieval clocca, "sino". A palavra portuguesa relógio vem do latim horologium, provavelmente por intermédio do catalão rellotge ou do provençal reloge. O termo latino vem do grego horológion.
História
Primeiros métodos de medição do tempo
Relógios de sol
miniatura|direita|upright=0.9|alt=Relógio de sol horizontal com gnômon projetando uma sombra sobre a escala de horas|A sombra do gnômon converte a posição aparente do Sol em uma leitura local da hora. À medida que a Terra gira, a posição aparente do Sol muda no céu, e a sombra de um gnômon se desloca. O relógio de sol usa essa sombra para mostrar o tempo solar local. Para transformar a leitura em hora civil, pode ser necessário corrigir a equação do tempo, a diferença de longitude em relação ao meridiano do fuso e, quando for usado, o horário de verão.
Na década de 1830, algumas estações ferroviárias britânicas ainda ajustavam seus relógios pela hora local obtida em relógios de sol. A partir da década de 1840, as companhias ferroviárias passaram a usar uma hora uniforme em suas redes. O Observatório Real começou a distribuir sinais horários por telégrafo em 1852, o que permitiu acertar relógios distantes por uma mesma referência.
Instrumentos estelares miniatura|esquerda|upright=0.67|alt=Instrumento circular metálico com escalas e ponteiro móvel usado para observar estrelas|À noite, um nocturlábio usa a posição de estrelas circumpolares e a data para estimar a hora local. Quando a luz do Sol já não podia orientar a leitura da hora, a posição das estrelas oferecia outra referência. O nocturlábio permite obter a hora local pela orientação de estrelas circumpolaresEstrelas circumpolares parecem girar em torno de um polo celeste e, vistas de certas latitudes, não desaparecem abaixo do horizonte durante a noite. em torno da Estrela Polar, levando também em conta a data. Instrumentos desse tipo foram usados por séculos, inclusive na navegação. O astrolábio planisférico também podia fornecer a hora noturna. Com a altura de uma estrela e a latitude conhecidas, era possível calcular a hora e a posição de outros astros.
Medição de durações e intervalos miniatura|direita|upright=0.7|alt=Ampulheta de madeira com areia escoando entre dois bulbos de vidro|Uma ampulheta mede uma duração definida pelo escoamento da areia, sem precisar indicar a hora do dia. Quando o objetivo é medir apenas uma duração, não é preciso mostrar a hora do dia. Relógios de vela e de incenso acompanham o consumo gradual de um material, enquanto a ampulheta usa a passagem de areia entre dois recipientes. Esses métodos fornecem intervalos repetíveis, embora sejam menos regulares que padrões mecânicos, eletrônicos ou atômicos.
Relógios de água
miniatura|esquerda|upright=0.7|alt=Recipiente de um relógio de água tradicional usado em Mandalai, Mianmar|Nas clepsidras, a passagem da água funciona como referência para acompanhar intervalos de tempo. Entre os instrumentos antigos de medição do tempo estavam as clepsidras e os relógios de sol. No Egito, os relógios de água preservados mais antigos datam do Reino Novo. Um exemplar do reinado de Amenófis III, no século XIV a.C., foi encontrado em Karnak.
Entre cerca de 100 e 50 a.C., o astrônomo macedônio Andrônico de Cirro construiu a Torre dos Ventos em Atenas. O edifício tinha relógios de sol nas paredes externas e uma clepsidra no interior. Relógios de água também foram usados na China antiga. Um exemplar atribuído à dinastia Han Ocidental, de 206 a.C. a 9 d.C., faz parte da coleção do Museu Metropolitano de Arte.
miniatura|direita|upright=0.72|alt=Grandes recipientes metálicos e de pedra preservados de um relógio de água coreano|No Jagyeongnu, níveis de água predeterminados acionavam sinais sonoros, ligando a medição hidráulica à indicação pública da hora. Na Coreia da dinastia Joseon, o rei Sejong encarregou Jang Yeong-sil de construir o Jagyeongnu, instalado em 1434 no pavilhão Borugak do Gyeongbokgung. Quando a água chegava a níveis predeterminados, o mecanismo acionava sinais sonoros que anunciavam as horas no palácio e fora dele.
Como é difícil manter o escoamento de água perfeitamente regular, relógios que dependem desse princípio têm sua exatidão limitada por variações no fluxo.
Da hidráulica ao relógio mecânico
Mecanismos hidráulicos e escapes
Um tratado árabe preservado na Biblioteca Britânica e transmitido sob o nome de Arquimedes apresenta um relógio hidráulico com mostradores de horas, autômatos e pássaros que emitem sons. Os desenhos mostram partes internas do mecanismo e figuras móveis acionadas pela água. No início do século VI, Procópio de Gaza escreveu sobre um grande relógio de água de Gaza, no qual figuras móveis ligadas aos trabalhos de Hércules e doze portas participavam da indicação das horas.
miniatura|esquerda|upright=0.73|alt=Modelo de torre astronômica chinesa com roda de água, engrenagens e transmissão por corrente|A torre de Su Song combinava fluxo de água, escape, engrenagens e transmissão por corrente para mover seus dispositivos astronômicos e horários. Em 723 ou 725, o monge budista Yi Xing e o funcionário Liang Lingzan aplicaram um mecanismo de escape a uma esfera armilar movida a água. Esse é um dos primeiros casos conhecidos de um escape controlando um aparelho de medição do tempo. No fim do século XI, Su Song, da dinastia Song, incorporou um escape hidráulico a uma grande torre astronômica em Kaifeng. O Museu Nacional de Ciências Naturais, em Taichung, mantém uma reprodução funcional em escala real construída a partir do tratado Xin Yi Xiang Fa Yao, de Su Song.
Derek de Solla Price propôs que conhecimentos sobre os escapes chineses podem ter chegado ao oeste e participado do desenvolvimento da relojoaria mecânica europeia.
miniatura|direita|upright=0.72|alt=Ilustração medieval de um grande relógio em forma de elefante com figuras móveis|O relógio-elefante de Al-Jazari integrava medição hidráulica, figuras móveis e indicação das horas em um único mecanismo.