Zeitmessung

Man misst Zeit, indem man einen periodischen Vorgang beobachtet und zählt.

Zum Beispiel: Ein Gewicht zieht an einem Zahnrad, dessen Drehbewegung durch eine Hemmung im Rhythmus eines Pendels freigegeben wird. Mehrere Zahnräder verlangsamen eine Welle so, dass deren Zeiger auf einer Skala (Zifferblatt) die Minuten richtig zählt. Dies ist durchaus die Beschreibung einer Räderuhr, die durch Gewichtskraft angetrieben wird.

Was wird tatsächlich gemessen?

• • Bei der Pendeluhr der Verlauf von Lageenergie – Bewegungsenergie – Lageenergie – Bewegungsenergie bis zur Lageenergie in der Ausgangsposition.

  • Bei einer Uhr mit Federunruh der Verlauf von Spannenergie – Bewegungsenergie – Spannenergie – Bewegungsenergie bis zur Spannenergie in der Ausgangsposition.

  • Bei einer Quarzuhr der Verlauf der Energie wie bei der Pendeluhr.

  • Bei einer Atomuhr der Übergang eines Elektrons vom Energielevel 1 zum Ernergielevel 2 durch Strahlung.

  • Bei einer Wasseruhr die Umwandlung von potentieller Energie (Wasserdruck) in kinetische Energie (Fließen des Wassers).

  • Bei einer Feueruhr die Umwandlung der chemischen Energie in Wärme.

  • usw.

Neben der Schwingungsbewegung eignet sich im Prinzip auch die Kreisbewegung zur Zeitmessung. Hier ändern sich die Beträge der kinetischen und potentiellen Energie theoretisch nicht. Praktisch wird der Rotation aber durch Reibungsverluste fortlaufend Energie entzogen, die unmittelbar zum gleichen Betrag ergänzt werden müsste, was technisch nur sehr schwer, wenn nicht sogar unmöglich ist.

Dennoch war die Erdrehung und die Bewegung der Erde um die Sonne wegen ihrer Bedeutung für das tägliche Leben eine der ersten Möglichkeiten der Zeitmessung. Für eine genaue Zeitmessung ergeben sich aber erhebliche Schwierigkeiten:

• • Bei einer Umdrehung der Erde bis die Sonne wieder im gleichen Horizontalwinkel steht, kann diese Beobachtung zwar zur Definiton der Länge eines Tages (wahrer Sonnentag) verwendet werden, dies entspricht aber nur annähernd 24 Stunden, sondern schwankt. Man ist gezwungen, mit Hilfe einer gleichförmig laufenden Uhr einen mittleren Sonnentag zu definieren, um auf die 24 Stunden eines Tages zu kommen. (s. a. Zeitgleichung und Maßeinheiten der Zeit)

  • Durch die feste Sekundendefinition kommt es gelegentlich zu „Schaltsekunden“ am Ende oder zur Mitte eines Jahres, da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde im Prinzip abnimmt, um auf lange Sicht die Helligkeit des Tages im Bereich zwischen 6 Uhr morgens und 18 Uhr abends zu halten. Zurzeit wird die Abschaffung der Schaltsekunden diskutiert, um Anpassungsprobleme, z. B. bei Computersytemen zu vermeiden. Als Ausgleich würde man ca. im Jahr 2600 eine Schaltstunde benötigen.