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Während Tausenden von Jahren war der Mensch auf sehr einfache Mittel angewiesen, um das Vergehen der Zeit messen zu können. Durch die Beobachtung von Himmelskörpern wie Sonne, Mond und Sternen war dies zwar schon vor 30'000 Jahren möglich, allerdings nicht sehr genau. Der Wunsch, die Zeit immer genau bestimmen zu können, am Tag wie in der Nacht, hat zur Entwicklung von immer genaueren Zeitmessinstrumenten geführt.
Es werden zwei Arten von Zeitmessinstrumenten unterschieden: eine Kategorie zeigt eine bestimmte Stunde an, die andere misst das Vergehen einer bestimmten Zeitdauer.
Instrumente, die sich an der Bewegung der Sonne orientieren
Eine frühe Erfindung des Menschen für die Zeitmessung ist der Gnomon (auch Schattenzeiger genannt). Dieses Gerät besteht aus einem in den Boden gerammten Stock. Im Verlauf des Tages verändern sich Länge und Ausrichtung des Schattens abhängig von der Sonnenposition. Anhand des sich verändernden Schattens kann das Vergehen der Zeit gemessen werden.
Die Sonnenuhr ist ein direkter Nachkomme des Gnomons. Du bist ihr bestimmt auch schon begegnet: Sie besteht aus einer Scheibe mit Linien und einem Stab, dessen Schatten die aktuelle Zeit anzeigt. Dank den Linien ist die Sonnenuhr genauer als der Gnomon. Allerdings können beide Instrumente nur tagsüber und bei Sonnenschein benutzt werden.
Was Wasser und Sand mit Zeitmessung am Hut haben
Die älteste Wasseruhr wird mit den alten Ägyptern in Verbindung gebracht und wäre damit etwa 3'400 Jahre alt. Einfache Wasseruhren bestanden aus zwei Behältern: Einer ist trichterförmig, hat ein Loch in seiner Seitenwand und steht leicht erhöht; der zweite wird darunter platziert und fängt das Wasser auf, das aus dem ersten Behälter fliesst. Linien im Innern des oberen Behälters ermöglichen die Messung von Zeitspannen abhängig vom Wasserstand. Ein Nachteil dieses Systems ist, dass es von der Temperatur abhängt: Die Temperatur beeinflusst die Geschwindigkeit des Wasserflusses.
Die Sanduhr ist ein Instrument, das du wahrscheinlich ebenfalls schon einmal gesehen hast. Sanduhren bestehen aus zwei Glaskugeln, die durch ein dünnes Glasrohr miteinander verbunden sind. Aufgrund der Schwerkraft fliesst der Sand von einer Kugel in die andere, wodurch eine Zeitspanne gemessen werden kann. Im Gegensatz zur Wasseruhr ist der Sandfluss zwischen den beiden Kugeln regelmässig und wird kaum von der Temperatur beeinflusst.
Die Zeit brennt
Kerzenuhren waren im Mittelalter ein beliebtes Instrument der Zeitmessung. Auf dem Wachs einer Kerzenuhr sind in regelmässigen Abständen Linien angebracht. Wenn die Kerze brennt und das Wachs schmilzt, kann anhand der Skala gemessen werden, wie viel Zeit vergangen ist.
Nach demselben Prinzip funktionieren auch die viel älteren Öllampen, bei denen die Linien auf dem Ölbehälter angebracht sind. Der Docht der Öllampe reicht in dieses Reservoir und saugt Öl auf. Wird die Lampe angezündet, verbrennt das Öl im Docht, neues wird nachgesogen und der Ölstand im Reservoir sinkt.
Warum hat ein Tag 24 Stunden?
Lange Zeit hatte ein Tag keine "Stunden", wie wir sie heute kennen. Alle bisher vorgestellten Instrumente können zwar zeigen, dass Zeit vergeht (Gnomon und Sonnenuhr), oder messen eine bestimmte regelmässige Zeitdauer (Wasser-, Sand-, Kerzenuhr, Öllampe). Allerdings gab es keine einheitliche Einteilung des Tages in Stunden oder Minuten. Die Linien der Sonnenuhren, Menge und Fliessgeschwindigkeit des Sandes in Sanduhren und die Skala von Wasser- und Kerzenuhren wurden zufällig gewählt. Wichtig war vorerst nur die Regelmässigkeit.
Es wird vermutet, dass die Einteilung des Tages in 12 beziehungsweise 24 Stunden auf die Babylonier und Ägypter zurückgeht. Die Römer und Griechen teilten den Tag in 12 "Tagesstunden" und 12 "Nachtstunden" ein. Da sich die Zeit zwischen Sonnenauf- und Sonnenuntergang im Verlauf des Jahres verändert, veränderte sich auch die Länge der "Stunden". Die Stunde, wie wir sie heute kennen, gibt es in Europa erst seit dem 13. Jahrhundert mit der Erfindung der mechanischen Uhren.
Uhren, wie wir sie kennen
Eine erste mechanische Uhr wurde ca. um 1300 erfunden und wird als Räderuhr bezeichnet, da ihr Uhrwerk Zahnräder enthält. Wichtig für die Entwicklung der Räderuhren war die Einführung der Hemmung, die die Energie vom Getriebe auf das Schwingelement überträgt. Durch das Zählen der Schwingungen des Schwingelements kann die Zeit gemessen werden.
Um 1675 erfand der Astronom Christiaan Huygens die erste Uhr mit Federantrieb. Der Antrieb ist hier nicht ein Gewicht, wie es bei vielen Räderuhren der Fall ist, sondern eine gespannte Feder. So konnte das Getriebe verkleinert werden. Dies hatte grossen Einfluss auf die weitere Entwicklung der mechanischen Uhren. Uhren mit Federantrieb müssen von Zeit zu Zeit neu aufgezogen werden, das heisst ihre Feder muss neu gespannt werden.
Die zu Beginn des 20. Jahrhunderts erfundenen Quarzuhren müssen nicht wieder neu aufgezogen werden. Es handelt sich um elektromechanische oder vollelektronische Uhren, die von Batterien oder Akkus angetrieben werden.
Die Entdeckungen im Bereich der Atomphysik haben zur Entwicklung von Atomuhren geführt. Ihre Funktion hängt von den physikalischen Eigenschaften des Elements Cäsium ab und ist extrem genau: In 100 Millionen Jahren weichen sie weniger als eine Sekunde von der tatsächlichen Zeit ab!
Die Wichtigkeit der Genauigkeit
Die Genauigkeit in der Zeitmessung ist heute wichtiger denn je. Alltagstechnologien wie Telefon, Internet und Systeme zur Ortsbestimmung mittels Satelliten sind darauf angewiesen, dass die Zeit auf das Milliardstel einer Sekunde genau bestimmt wird. Diese Genauigkeit wird nur von Atomuhren erreicht.