Jam bayangan dan jam matahari

Perangkat pertama yang digunakan untuk mengukur posisi Matahari adalah jam bayangan, yang kemudian berkembang menjadi jam matahari.^{[8][note 1]} Jam matahari tertua yang diketahui berasal dari sekitar ca 1200 SM (pada masa Dinasti ke-19) dan ditemukan di Lembah Para Raja pada 2013.^[9][10] Obelisk dapat menunjukkan apakah waktu masih pagi atau sudah sore, sekaligus menandai titik balik matahari musim panas dan titik balik matahari musim dingin.^[11] Sekitar ca 500 SM, dikembangkan suatu jenis jam bayangan yang bentuknya menyerupai penggaris T yang ditekuk. Alat ini mengukur berlalunya waktu berdasarkan bayangan yang dihasilkan oleh palang melintangnya. Pada pagi hari alat tersebut diarahkan ke timur, lalu diputar saat tengah hari agar dapat menghasilkan bayangan ke arah sebaliknya.^[12]

Jam matahari disebutkan dalam Alkitab, yaitu dalam 2 Raja-raja 20:9–11, ketika Hizkia, raja Yehuda pada abad ke-8 SM, dikisahkan disembuhkan oleh nabi Yesaya dan meminta suatu tanda bahwa ia akan pulih.^[13]

Lalu berkatalah Yesaya: "Inilah yang akan menjadi tanda bagimu dari TUHAN, bahwa TUHAN akan melakukan apa yang telah difirmankan-Nya itu: Maukah bayang-bayang itu maju sepuluh tapak, atau mundur sepuluh tapak?" Hizkia menjawab: "Mudah saja bagi bayang-bayang itu maju sepuluh tapak; bukan itu, melainkan biarlah bayang-bayang itu mundur sepuluh tapak." Kemudian nabi Yesaya berseru kepada TUHAN, lalu TUHAN mengembalikan bayang-bayang itu sepuluh tapak ke belakang pada penunjuk waktu milik Ahas, sesudah sebelumnya bergerak turun.

Sebuah lempeng tanah liat dari periode Babilonia Akhir menjelaskan panjang bayangan pada berbagai waktu sepanjang tahun.^[14] Penulis Babilonia Berossos (fl. abad ke-3 SM) oleh bangsa Yunani dianggap sebagai penemu jam matahari berbentuk setengah bola yang dipahat dari batu; lintasan bayangannya dibagi menjadi 12 bagian untuk menandai waktu.^[15] Jam matahari Yunani kemudian berkembang menjadi sangat canggih—Analemma karya Ptolemaios, yang ditulis pada abad ke-2 M, menggunakan bentuk awal trigonometri untuk menentukan posisi Matahari berdasarkan data seperti jam dalam sehari dan lintang geografis.^{[16][note 2]}

Bangsa Romawi mewarisi penggunaan jam matahari dari bangsa Yunani.^[19] Jam matahari pertama di Roma tiba pada 264 SM, setelah dijarah dari Catania di Sisilia. Jam matahari tersebut memperkenalkan pembagian jam horologium sepanjang hari, sedangkan sebelumnya bangsa Romawi hanya membagi siang menjadi pagi awal dan menjelang tengah hari (mane dan ante meridiem).^[20] Namun, muncul persoalan astronomi yang tidak terduga; jam tersebut menunjukkan waktu yang keliru selama satu abad. Kesalahan ini baru disadari pada 164 SM, ketika seorang sensor Romawi memeriksanya dan menyesuaikannya dengan lintang geografis yang tepat.^[21][20]

Menurut sejarawan astronomi Jerman Ernst Zinner, jam matahari dikembangkan pada abad ke-13 dengan skala yang menunjukkan jam-jam yang sama panjang. Jam matahari pertama yang didasarkan pada waktu kutub muncul di Jerman sekitar ca 1400; teori lain menyatakan bahwa sebuah jam matahari di Damaskus yang mengukur waktu kutub dapat ditanggalkan ke tahun 1372.^[22] Risalah-risalah Eropa mengenai perancangan jam matahari mulai terbit sekitar ca 1500.^[23]

Metode Mesir untuk menentukan waktu pada malam hari, yang digunakan setidaknya sejak 600 SM, memanfaatkan sejenis unting-unting yang disebut merkhet. Sebuah meridian utara–selatan dibentuk dengan menggunakan dua merkhet yang disejajarkan dengan Polaris, bintang kutub utara. Waktu ditentukan dengan mengamati bintang-bintang tertentu ketika melintasi meridian tersebut.^[24]

Jantar Mantar di Jaipur, yang dibangun pada 1727 oleh Jai Singh II, memiliki Vrihat Samrat Yantra, sebuah jam matahari setinggi 88 kaki (27 m).^[25] Jam ini dapat menunjukkan waktu setempat dengan ketelitian sekitar dua detik.^[26]

Jam air

Uraian tertua mengenai klepsidra atau jam air berasal dari prasasti makam Amenemhet, seorang pejabat istana Mesir pada awal Dinasti ke-18 (sekitar ca 1500 SM), yang disebut sebagai penemunya.^[27] Benda yang dijelaskan dalam prasasti tersebut diduga berupa sebuah mangkuk yang diberi tanda-tanda untuk menunjukkan waktu.^[28] Jam air tertua yang masih bertahan ditemukan di makam firaun Amenhotep III (sekitar ca 1417–1379 SM).^[29] Hingga kini belum ditemukan contoh jam air aliran keluar dari Mesopotamia Kuno yang masih bertahan, meskipun sejumlah rujukan tertulis mengenai alat tersebut tetap ada.^[14]

Masuknya jam air ke Tiongkok, kemungkinan dari Mesopotamia, diperkirakan telah terjadi sejak milenium ke-2 SM pada masa Dinasti Shang, dan paling lambat pada milenium ke-1 SM. Sekitar tahun 550 M, Yin Kui (殷蘷) menjadi orang pertama di Tiongkok yang menulis tentang tangki luapan atau tangki berketinggian tetap dalam bukunya Lou ke fa (漏刻法). Sekitar tahun 610, dua penemu pada masa Dinasti Sui, Geng Xun (耿詢) dan Yuwen Kai (宇文愷), menciptakan klepsidra keseimbangan pertama, dengan posisi baku untuk neraca dacin.^[30] Pada tahun 721, matematikawan Yi Xing dan pejabat pemerintah Liang Lingzan mengatur tenaga air yang menggerakkan jam astronomi, membagi tenaga tersebut menjadi impuls-impuls satuan sehingga gerakan planet dan bintang dapat ditiru.^[31] Pada tahun 976, astronom Dinasti Song Zhang Sixun mengatasi masalah air pada klepsidra yang membeku saat cuaca dingin dengan mengganti air menggunakan raksa cair.^[32] Sebuah menara jam astronomi bertenaga air dibangun oleh polimat Su Song pada tahun 1088,^[33] yang menampilkan penggerak rantai penghantar tenaga tanpa ujung pertama yang diketahui.^[34]

Para filsuf Yunani Anaksagoras dan Empedokles sama-sama menyebut jam air yang digunakan untuk membatasi waktu atau mengukur berlalunya waktu.^[35][36] Filsuf Athena Plato diyakini menciptakan sebuah jam alarm yang memanfaatkan bola-bola timbal yang berjatuhan dengan bunyi nyaring ke atas sebuah piring tembaga untuk membangunkan para muridnya.^[37]

Masalah utama pada sebagian besar klepsidra adalah perubahan laju aliran air akibat perubahan tekanan fluida. Masalah ini mulai diatasi sejak sekitar 100 SM dengan membuat wadah air berbentuk kerucut. Jam air kemudian menjadi semakin canggih dengan penambahan inovasi seperti gong dan berbagai mekanisme bergerak.^[33] Terdapat bukti kuat bahwa Menara Angin di Athena yang berasal dari abad ke-1 SM dahulu dilengkapi dengan sebuah jam air dan penunjuk arah angin, selain sembilan jam matahari vertikal yang hingga kini masih terlihat pada bagian luarnya.^[38] Dalam tradisi Yunani, klepsidra digunakan di pengadilan, suatu praktik yang kemudian diadopsi oleh bangsa Romawi.^[39]

Ibnu Khalaf al-Muradi di Al-Andalus pada Abad Pertengahan menjelaskan sebuah jam air yang menggunakan roda gigi sektor maupun roda gigi episiklik. Jam air Islam, yang memanfaatkan rangkaian roda gigi yang rumit dan dilengkapi berbagai automaton, tidak tertandingi tingkat kecanggihannya hingga pertengahan abad ke-14.^[40][41] Mekanisme yang digerakkan oleh cairan—menggunakan pelampung berat dan sistem tinggi permukaan air tetap—dikembangkan sehingga jam air dapat bekerja dengan laju yang lebih lambat.^[41] Sejumlah peneliti berpendapat bahwa jam beroda gigi pertama yang diketahui justru diciptakan oleh matematikawan, fisikawan, dan insinyur besar Arkhimedes pada abad ke-3 SM. Arkhimedes membuat jam astronominya,^[42] yang juga merupakan jam kukuk dengan burung-burung yang berkicau dan bergerak setiap jam. Jam ini merupakan jam karilon pertama karena memainkan musik bersamaan dengan gerakan seseorang yang mengedipkan mata karena terkejut mendengar kicauan burung. Jam Arkhimedes bekerja menggunakan sistem empat pemberat, pemberat penyeimbang, dan tali yang diatur oleh sistem pelampung di dalam wadah air dengan sifon yang mengendalikan kelangsungan kerja jam secara otomatis. Prinsip-prinsip kerja jam jenis ini dijelaskan oleh matematikawan dan fisikawan Heron,^[43] yang menyatakan bahwa sebagian di antaranya bekerja dengan rantai yang memutar roda gigi di dalam mekanisme.^[44]

Jam Air Jayrun dari abad ke-12 di Masjid Umayyah di Damaskus dibangun oleh Muhammad al-Sa'ati, dan kemudian dijelaskan oleh putranya, Ridwan ibn al-Sa'ati, dalam karyanya On the Construction of Clocks and their Use (1203).^[45] Sebuah jam astronomi bertenaga air yang sangat canggih dijelaskan oleh Al-Jazari dalam risalahnya mengenai mesin-mesin, yang ditulis pada tahun 1206.^[46] Jam kastel ini memiliki tinggi sekitar 11 kaki (3,4 m).^[47] Pada tahun 1235, sebuah jam bertenaga air yang "mengumumkan waktu-waktu salat yang telah ditentukan serta menunjukkan waktu pada siang maupun malam hari" berdiri di aula masuk Madrasah Mustansiriyah di Bagdad.^[48]

Jam dupa Tiongkok

Jam dupa pertama kali digunakan di Tiongkok sekitar abad ke-6,^[49] terutama untuk keperluan keagamaan, tetapi juga dalam pertemuan sosial maupun oleh para cendekiawan.^[50][51] Karena sering menggunakan karakter Dewanagari, sinolog Amerika Edward H. Schafer berpendapat bahwa jam dupa kemungkinan diciptakan di India.^[52] Karena dupa terbakar secara merata tanpa nyala api, jam ini aman digunakan di dalam ruangan.^[53] Untuk menandai jam-jam yang berbeda, digunakan dupa dengan aroma yang berlainan (dibuat dari resep yang berbeda).^[54]

Dupa batang yang digunakan dapat berbentuk lurus maupun spiral; dupa spiral dirancang untuk penggunaan dalam jangka waktu yang lama dan sering digantung di langit-langit rumah maupun kuil.^[55] Beberapa jam dirancang untuk menjatuhkan pemberat pada selang waktu yang tetap.^[50]

Jam dupa cetak memiliki sebuah cakram yang diukir dengan satu atau lebih alur tempat bubuk dupa diletakkan.^[56] Panjang jalur dupa, yang berhubungan langsung dengan ukuran cetakan, merupakan faktor utama dalam menentukan lamanya jam tersebut bekerja; diperkirakan diperlukan jalur dupa sepanjang sekitar 20 meter (66 ft) agar dapat terbakar selama 12 jam.^[57] Penggunaan cakram logam secara bertahap, yang kemungkinan dimulai pada masa Dinasti Song, memudahkan para perajin membuat cetakan dengan berbagai ukuran, merancang dan menghiasnya secara lebih artistik, serta memvariasikan pola alurnya agar sesuai dengan perubahan panjang siang hari sepanjang tahun. Seiring tersedianya cetakan berukuran lebih kecil, jam dupa cetak semakin populer dan kerap dijadikan sebagai hadiah.^[58]

Astrolab

(kiri) Uraian al-Biruni pada abad ke-11 mengenai sebuah astrolab beroda gigi; (kanan) astrolab yang dibuat sekitar ca1221 oleh astronom al-Farisi (Museum Sejarah Sains, Oxford)

Astrolab penunjuk waktu yang canggih dengan mekanisme roda gigi dibuat di Persia. Contohnya meliputi astrolab yang dibuat oleh polimat Abū Rayhān Bīrūnī pada abad ke-11 dan astronom Muhammad ibn Abi Bakr al‐Farisi sekitar ca1221.^[59][60] Sebuah astrolab dari kuningan dan perak (yang juga berfungsi sebagai kalender) yang dibuat oleh al-Farisi di Isfahan merupakan mesin tertua yang masih bertahan dengan roda giginya tetap utuh. Bukaan pada bagian belakang astrolab menggambarkan fase Bulan dan menunjukkan umur Bulan; di dalam skala zodiak terdapat dua cincin konsentris yang memperlihatkan posisi relatif Matahari dan Bulan.^[61]

Para astronom Muslim membangun berbagai jenis jam astronomi yang sangat akurat untuk digunakan di masjid-masjid dan observatorium,^[62] seperti jam astrolab karya Ibn al-Shatir pada awal abad ke-14.^[63]

Jam lilin dan jam pasir

Salah satu rujukan paling awal mengenai jam lilin terdapat dalam sebuah puisi Tiongkok yang ditulis pada tahun 520 oleh You Jianfu. Dalam puisinya, ia menyebut lilin berskala sebagai sarana untuk menentukan waktu pada malam hari. Lilin serupa juga digunakan di Jepang hingga awal abad ke-10.^[64]

Penemuan jam lilin dikaitkan oleh bangsa Anglo-Saxon dengan Alfred yang Agung, raja Wessex (bertakhta 871–889), yang menggunakan enam batang lilin dengan tanda pada setiap selang satu inch^{[convert: unit tak dikenal]}. Masing-masing lilin dibuat dari 12 pennyweight lilin lebah, dengan tinggi 12 sentimeter (4,7 in) dan ketebalan yang seragam.^[65]

Penemu Muslim abad ke-12, Al-Jazari, menjelaskan empat rancangan jam lilin yang berbeda dalam bukunya Kitab Pengetahuan tentang Perangkat Mekanis yang Cerdik.^[66][67] Jam lilin yang disebutnya sebagai "jam juru tulis" dirancang untuk menandai berlalunya 14 jam yang sama panjang. Mekanisme yang direkayasa dengan sangat presisi mendorong sebuah lilin berdimensi tertentu perlahan-lahan naik ke atas, sehingga sebuah penunjuk bergerak sepanjang skala.

Jam pasir merupakan salah satu dari sedikit metode yang andal untuk mengukur waktu di laut. Sejumlah sejarawan menduga alat ini telah digunakan di atas kapal sejak abad ke-11 sebagai pelengkap kompas dalam membantu navigasi. Bukti paling awal yang tidak meragukan mengenai penggunaan jam pasir terdapat dalam lukisan Allegory of Good Government karya seniman Italia Ambrogio Lorenzetti yang berasal dari tahun 1338.^[68]

Penjelajah Portugal Ferdinand Magellan menggunakan 18 jam pasir di setiap kapalnya selama pelayaran mengelilingi dunia pada tahun 1522.^[69] Meskipun jam pasir juga digunakan di Tiongkok, riwayat kemunculannya di sana tidak diketahui,^[70] dan tampaknya baru digunakan setelah pertengahan abad ke-16.^[71] Hal ini diduga karena pembuatan jam pasir bergantung pada teknik peniupan kaca, yang pada masa itu sepenuhnya merupakan seni yang berkembang di Eropa dan dunia Barat.^[72]

Sejak abad ke-15, jam pasir digunakan dalam berbagai keperluan, baik di laut, di gereja, dalam industri, maupun untuk memasak. Jam pasir merupakan perangkat pengukur waktu pertama yang andal, dapat digunakan berulang kali, cukup akurat, dan mudah dibuat. Jam pasir kemudian juga memperoleh berbagai makna simbolis, seperti kematian, kesederhanaan, kesempatan, dan Bapak Waktu, yang umumnya digambarkan sebagai seorang lelaki tua berjanggut.^[73]

Abad ke-13

Inovasi pertama untuk meningkatkan ketelitian jam pasir dan jam air terjadi pada abad ke-10, ketika dilakukan berbagai upaya untuk memperlambat laju alirannya dengan memanfaatkan gesekan atau gaya gravitasi.^[78] Penggambaran paling awal mengenai jam yang digerakkan oleh pemberat yang digantung berasal dari Alkitab Santo Louis, sebuah manuskrip iluminasi yang dibuat antara tahun 1226 hingga 1234 dan memperlihatkan sebuah jam yang diperlambat oleh air yang bekerja pada sebuah roda. Ilustrasi tersebut tampaknya menunjukkan bahwa jam yang digerakkan oleh pemberat ditemukan di Eropa Barat.^[79] Sebuah risalah yang ditulis oleh Robertus Anglicus pada tahun 1271 menunjukkan bahwa para perajin Abad Pertengahan sedang berupaya merancang jam yang sepenuhnya mekanis (yakni hanya digerakkan oleh gravitasi) pada masa tersebut.^[80] Jam-jam semacam itu merupakan sintesis dari gagasan-gagasan sebelumnya yang berasal dari ilmu pengetahuan Eropa dan Islam, seperti sistem roda gigi, penggerak berbeban, dan mekanisme pemukul lonceng.^[81]

Pada tahun 1250, seniman Villard de Honnecourt menggambarkan sebuah perangkat yang menjadi langkah penting menuju pengembangan escapement.^[82] Pendahulu lain dari escapement adalah horologia nocturnacode: la is deprecated , yang menggunakan bentuk awal mekanisme verge untuk menggerakkan sebuah pemukul yang terus-menerus membunyikan lonceng.^[83] Jam yang digerakkan oleh pemberat kemungkinan merupakan penemuan Eropa Barat, sebagaimana tampak pada sebuah ilustrasi jam yang memperlihatkan sebuah pemberat menarik poros berputar, sementara gerakannya diperlambat oleh sistem lubang-lubang yang secara perlahan melepaskan air.^[84] Pada tahun 1271, astronom Inggris Robertus Anglicus menulis bahwa para ilmuwan sezamannya sedang mengembangkan suatu bentuk jam mekanis.^{[85][note 3]}

Abad ke-14

Penemuan escapement verge dan foliot sekitar ca1275^[87] merupakan salah satu penemuan terpenting dalam sejarah jam^[88] maupun sejarah teknologi.^[89] Mekanisme ini merupakan jenis regulator pertama dalam horologi.^[6] Verge, atau poros vertikal, dipaksa berputar oleh roda mahkota yang digerakkan oleh pemberat, tetapi putarannya dicegah agar tidak berputar bebas oleh sebuah foliot. Foliot, yang tidak dapat berosilasi secara bebas, berayun maju-mundur sehingga memungkinkan roda berputar satu gigi pada satu waktu.^[89][90] Meskipun verge dan foliot merupakan kemajuan dibandingkan perangkat penunjuk waktu sebelumnya, perubahan gaya yang bekerja tetap menyebabkan variasi pada irama ayunannya sehingga tidak dapat dihindari; akibatnya, jam mekanis awal harus disetel ulang secara berkala menggunakan jam matahari.^[91][92]

Sekitar masa yang sama dengan ditemukannya escapement, penyair Florentine Dante Alighieri menggunakan citra jam untuk menggambarkan jiwa-jiwa orang yang diberkati dalam Paradiso, bagian ketiga dari Divina Commedia, yang ditulis pada awal abad ke-14. Karya tersebut mungkin merupakan deskripsi sastra pertama yang diketahui mengenai jam mekanis.^[93] Rujukan mengenai jam rumah telah muncul sejak tahun 1314; pada tahun 1325, perkembangan jam mekanis dapat dianggap telah tercapai.^[94]

Jam-jam mekanis berukuran besar dibangun dan dipasang pada menara agar dapat langsung membunyikan lonceng. Jam menara Katedral Norwich, yang dibangun sekitar ca1273 (berdasarkan catatan pembayaran untuk sebuah jam mekanis pada tahun tersebut), merupakan jam besar tertua yang diketahui. Jam tersebut tidak lagi bertahan hingga kini.^[95] Jam pertama yang diketahui membunyikan lonceng secara teratur setiap pergantian jam, menggunakan mekanisme verge dan foliot, tercatat di Milan pada tahun 1336.^[96] Pada tahun 1341, jam yang digerakkan oleh pemberat telah cukup dikenal sehingga dapat diadaptasi untuk penggilingan biji-bijian,^[97] dan pada tahun 1344 jam di Katedral Santo Paulus Lama di London telah digantikan oleh jam yang menggunakan escapement.^[98] Foliot pertama kali digambarkan oleh Dondi pada tahun 1364,^[99] dan disebutkan oleh sejarawan istana Jean Froissart pada tahun 1369.^[100]

Contoh perangkat penunjuk waktu paling terkenal pada Abad Pertengahan adalah jam yang dirancang dan dibuat oleh pembuat jam Henry de Vick sekitar ca1360,^[88][101] yang dikatakan dapat menyimpang hingga dua jam dalam sehari. Selama 300 tahun berikutnya, seluruh penyempurnaan dalam penunjuk waktu pada dasarnya merupakan pengembangan berdasarkan prinsip-prinsip jam buatan de Vick.^[102] Antara tahun 1348 dan 1364, Giovanni Dondi dell'Orologio, putra Jacopo Dondi, membangun sebuah astrarium yang rumit di Firenze.^{[103][note 4]}

Sepanjang abad ke-14, jam berdentang semakin sering dipasang di ruang-ruang publik, mula-mula di Italia, kemudian tidak lama sesudahnya di Prancis dan Inggris. Antara tahun 1371 dan 1380, jam publik diperkenalkan di lebih dari 70 kota di Eropa.^[105] Jam Katedral Salisbury, yang berasal dari sekitar tahun 1386, merupakan salah satu jam tertua di dunia yang masih berfungsi, bahkan mungkin yang tertua; sebagian besar komponennya masih merupakan bagian asli.^{[106][note 5]} Jam Katedral Wells, yang dibangun pada tahun 1392, unik karena masih mempertahankan muka jam abad pertengahannya yang asli. Di atas muka jam terdapat figur-figur yang memukul lonceng, serta sekumpulan ksatria yang sedang bertanding tombak dan berputar mengelilingi lintasan setiap 15 menit.^{[107][note 6]}

Perkembangan selanjutnya

Penemuan pegas utama pada awal abad ke-15—sebuah perangkat yang mula-mula digunakan pada kunci dan mekanisme senapan batu api—memungkinkan pembuatan jam berukuran kecil untuk pertama kalinya.^[109] Kebutuhan akan mekanisme escapement yang dapat mengendalikan pelepasan energi tersimpan secara konstan mendorong pengembangan dua perangkat, yakni stackfreed (yang meskipun ditemukan pada abad ke-15 baru dapat didokumentasikan sekitar ca1535) dan fusee, yang berasal dari senjata abad pertengahan seperti busur silang.^[109] Fusee telah digunakan pada jam pegas tertua yang masih bertahan, yaitu sebuah jam kamar yang dibuat untuk Philip yang Baik sekitar ca 1430.^[109] Leonardo da Vinci, yang menghasilkan gambar bandul paling awal yang diketahui pada tahun 1493–1494,^[110] juga menggambarkan sebuah fusee sekitar tahun ca 1500, seperempat abad setelah pegas spiral pertama kali muncul.^[111]

Menara-menara jam di Eropa Barat pada Abad Pertengahan membunyikan lonceng untuk menandai waktu. Pelat jam awal hanya menampilkan penunjuk jam; sebuah jam dengan penunjuk menit disebutkan dalam sebuah manuskrip tahun 1475.^[112] Sepanjang abad ke-16, perangkat penunjuk waktu menjadi semakin halus dan canggih. Pada tahun 1577, astronom Denmark Tycho Brahe memperoleh yang pertama dari empat jam yang mampu mengukur waktu hingga satuan detik,^[113] sementara di Nürnberg, pembuat jam Jerman Peter Henlein menerima pembayaran atas pembuatan sesuatu yang diyakini sebagai contoh paling awal dari sebuah arloji, yang dibuat pada tahun 1524.^[114] Menjelang tahun 1500, penggunaan foliot pada jam mulai ditinggalkan.^[115] Jam pegas tertua yang masih bertahan merupakan karya pembuat jam Bohemia Jacob Zech [cs] yang dibuat pada tahun 1525.^[111][116] Orang pertama yang mengusulkan membawa jam dalam perjalanan untuk menentukan garis bujur adalah pembuat instrumen Belanda Gemma Frisius pada tahun 1530. Jam tersebut disetel menurut waktu setempat di titik awal yang garis bujurnya telah diketahui, kemudian garis bujur lokasi lain dapat ditentukan dengan membandingkan waktu setempat di lokasi tersebut dengan waktu yang ditunjukkan oleh jam.^[117][118]

Insinyur Utsmaniyah Taqi ad-Din menjelaskan sebuah jam yang digerakkan oleh pemberat dengan escapement verge dan foliot, rangkaian roda gigi pemukul lonceng, alarm, serta penunjuk fase Bulan dalam bukunya Bintang-Bintang Paling Cemerlang untuk Pembuatan Jam Mekanis (Al-Kawākib al-durriyya fī wadh' al-bankāmat al-dawriyya), yang ditulis sekitar tahun 1565.^[119] Para misionaris Yesuit membawa jam-jam Eropa pertama ke Tiongkok sebagai hadiah.^[120]

Polimat Italia Galileo Galilei diduga merupakan orang pertama yang menyadari bahwa bandul dapat digunakan sebagai penunjuk waktu yang akurat setelah mengamati gerakan lampu-lampu yang tergantung di Katedral Pisa.^[121] Pada tahun 1582, ia meneliti ayunan bandul yang teratur dan menemukan bahwa keteraturannya hanya bergantung pada panjang bandul tersebut. Galileo sendiri tidak pernah membangun jam berdasarkan penemuannya, tetapi menjelang wafat ia mendiktekan petunjuk pembuatan jam bandul kepada putranya, Vincenzo.^[122]

Jam bandul

Perangkat penunjuk waktu akurat pertama bergantung pada fenomena yang dikenal sebagai gerak harmonik, yaitu ketika gaya pemulih yang bekerja pada suatu benda yang menyimpang dari posisi keseimbangannya—seperti bandul atau pegas yang direntangkan—mengembalikan benda tersebut ke posisi semula dan menyebabkannya berosilasi.^[123] Osilator harmonik dapat digunakan sebagai penunjuk waktu yang akurat karena periode osilasinya tidak bergantung pada amplitudo gerakan, sehingga setiap osilasi selalu memerlukan waktu yang sama untuk diselesaikan.^[124] Periode sebuah osilator harmonik sepenuhnya bergantung pada karakteristik fisik sistem yang berosilasi, bukan pada kondisi awal maupun amplitudonya.^[125]

(kiri dan tengah) Jam bandul pertama, diciptakan oleh Christiaan Huygens pada tahun 1656. Penemuannya meningkatkan ketelitian jam lebih dari enam puluh kali lipat; (kanan) potret Huygens karya Netscher (1671).

Masa ketika jam dikendalikan oleh osilator harmonik merupakan periode paling produktif dalam sejarah penunjuk waktu.^{[102][note 7]} Penemuan pertama dari jenis ini adalah jam bandul, yang dirancang dan dibuat oleh polimat Belanda Christiaan Huygens pada tahun 1656. Versi awalnya memiliki kesalahan kurang dari satu menit per hari, sedangkan versi berikutnya hanya sekitar 10 detik per hari, suatu tingkat ketelitian yang sangat tinggi pada zamannya. Pelat jam yang menampilkan menit dan detik menjadi umum setelah peningkatan ketelitian yang dimungkinkan oleh jam bandul. Tycho Brahe menggunakan jam yang menampilkan menit dan detik untuk mengamati posisi bintang.^[112] Jam bandul jauh melampaui semua jenis penunjuk waktu mekanis lainnya sehingga sebagian besar jam lama kemudian dipasangi bandul—suatu modifikasi yang dapat dilakukan tanpa kesulitan berarti^[127]—akibatnya hanya sedikit mekanisme escapement verge yang masih bertahan dalam bentuk aslinya.^[128]

Jam bandul pertama menggunakan escapement verge, yang memerlukan ayunan lebar sekitar 100° sehingga membutuhkan bandul yang pendek dan ringan.^[129] Sudut ayunan ini berkurang menjadi sekitar 6° setelah ditemukannya mekanisme jangkar, yang memungkinkan penggunaan bandul yang lebih panjang dan berat dengan irama ayunan yang lebih lambat serta variasi yang lebih kecil karena gerakannya lebih mendekati gerak harmonik sederhana, membutuhkan energi yang lebih sedikit, serta mengurangi gesekan dan keausan.^[130] Jam pertama yang diketahui menggunakan anchor escapement dibuat oleh pembuat jam Inggris William Clement pada tahun 1671 untuk King's College, Cambridge.^[131] Jam tersebut kini disimpan di Museum Sains, London.^[132] Anchor escapement berasal dari gagasan Hooke, meskipun ada pendapat bahwa penemunya adalah Clement^[133] atau pembuat jam Inggris Joseph Knibb.^[132]

Kaum Yesuit memberikan sumbangan besar terhadap pengembangan jam bandul pada abad ke-17 dan ke-18 karena mereka memiliki "penghargaan yang luar biasa besar terhadap pentingnya ketelitian".^[134] Sebagai contoh, ketika mengukur panjang bandul yang menghasilkan periode tepat satu detik, astronom Italia Pastor Giovanni Battista Riccioli membujuk sembilan rekannya sesama Yesuit "untuk menghitung hampir 87.000 ayunan dalam satu hari".^[135] Mereka juga berperan penting dalam menyebarluaskan dan menguji gagasan-gagasan ilmiah pada masa itu, serta bekerja sama dengan Huygens dan para ilmuwan sezamannya.^[136]

Huygens merupakan orang pertama yang menggunakan jam untuk menghitung persamaan waktu (selisih antara waktu matahari semu dan waktu yang ditunjukkan oleh jam), dan menerbitkan hasilnya pada tahun 1665. Hubungan tersebut memungkinkan para astronom menggunakan bintang untuk mengukur waktu sideris, yang kemudian menjadi metode akurat untuk menyetel jam. Persamaan waktu kemudian diukir pada jam matahari sehingga jam dapat disetel menggunakan posisi Matahari. Pada tahun 1720, Joseph Williamson mengaku telah menciptakan sebuah jam yang menampilkan waktu matahari, dilengkapi dengan nok dan roda gigi diferensial, sehingga jam tersebut dapat menunjukkan waktu matahari sejati.^{[137][138][139]}

Inovasi lain dalam penunjuk waktu pada periode ini meliputi penemuan mekanisme rack and snail untuk jam berdentang oleh mekanik Inggris Edward Barlow, penemuan jam repetisi pada tahun 1676 oleh Barlow atau pembuat jam London Daniel Quare, yang dapat membunyikan jumlah jam atau menit yang diminta,^[140] serta deadbeat escapement, yang ditemukan sekitar tahun 1675 oleh astronom Richard Towneley.^[141]

Paris dan Blois merupakan pusat awal industri pembuatan jam di Prancis, dan para pembuat jam Prancis seperti Julien Le Roy, pembuat jam untuk Versailles, menjadi pelopor dalam rancangan wadah jam dan pembuatan jam hias.^[142] Le Roy merupakan generasi kelima dari keluarga pembuat jam dan digambarkan oleh para sezamannya sebagai "pembuat jam paling terampil di Prancis, bahkan mungkin di seluruh Eropa". Ia menciptakan mekanisme repetisi khusus yang meningkatkan ketelitian jam dan arloji, pelat jam yang dapat dibuka untuk memperlihatkan mekanisme di dalamnya, serta membuat atau mengawasi pembuatan lebih dari 3.500 arloji sepanjang kariernya yang berlangsung hampir lima dasawarsa hingga wafat pada tahun 1759. Persaingan dan rivalitas ilmiah yang muncul akibat penemuannya semakin mendorong para peneliti untuk mencari metode baru dalam mengukur waktu dengan lebih akurat.^[143]

Kesalahan bawaan pada jam bandul awal sebenarnya lebih kecil dibandingkan kesalahan yang disebabkan oleh faktor-faktor lain seperti perubahan suhu.^[144] Pada tahun 1729, tukang kayu asal Yorkshire sekaligus pembuat jam otodidak John Harrison menciptakan bandul gridiron, yang menggunakan sedikitnya tiga logam dengan panjang dan sifat pemuaian yang berbeda, disusun sedemikian rupa sehingga panjang keseluruhan bandul tetap konstan ketika dipanaskan atau didinginkan oleh lingkungan sekitarnya.^[145] Sebelumnya, pada tahun 1721, pembuat jam George Graham telah mengompensasi perubahan suhu pada bandul besi dengan menggunakan bandul pemberat berupa bejana kaca berisi raksa—logam cair pada suhu kamar yang memuai lebih cepat daripada kaca. Versi yang lebih akurat dari inovasi ini menggunakan wadah besi yang lebih tipis agar raksa lebih cepat merespons perubahan suhu. Jenis bandul dengan kompensasi suhu ini kemudian disempurnakan lagi dengan menempatkan raksa di dalam batang bandul itu sendiri sehingga kedua logam memiliki keterkaitan termal yang lebih erat.^[146] Pada tahun 1895, penemuan invar, yaitu paduan besi dan nikel yang memiliki pemuaian sangat kecil, pada dasarnya menghilangkan kebutuhan akan berbagai rancangan kompensasi suhu sebelumnya.^[147]

Antara tahun 1794 dan 1795, setelah Revolusi Prancis, pemerintah Prancis mewajibkan penggunaan waktu desimal, yaitu sistem yang membagi satu hari menjadi 10 jam, masing-masing terdiri atas 100 menit. Sebuah jam di Istana Tuileries masih menggunakan waktu desimal hingga tahun 1801.^[148]

Kronometer laut

Setelah bencana angkatan laut Scilly tahun 1707, ketika empat kapal karam akibat kesalahan navigasi, pemerintah Britania menawarkan hadiah sebesar £20.000, yang setara dengan jutaan pound pada masa kini, kepada siapa pun yang mampu menentukan garis bujur dengan ketelitian hingga 50 kilometer (31 mi) pada lintang tepat di utara khatulistiwa.^[149] Posisi sebuah kapal di laut dapat ditentukan dengan ketelitian sekitar 100 kilometer (62 mi) apabila navigator memiliki acuan sebuah jam yang tidak terlambat atau terlalu cepat lebih dari sekitar enam detik per hari.^[150] Berbagai usulan kemudian ditelaah oleh Dewan Garis Bujur yang baru dibentuk.^[151] Di antara banyak orang yang berusaha meraih hadiah tersebut adalah pembuat jam asal Yorkshire, Jeremy Thacker, yang untuk pertama kalinya menggunakan istilah chronometer dalam sebuah pamflet yang diterbitkan pada tahun 1714.^[152] Huygens membuat jam laut pertama yang dirancang agar tetap berada dalam posisi horizontal di atas kapal yang sedang bergerak, tetapi jam tersebut berhenti bekerja apabila kapal mengalami guncangan mendadak.^[152]

Pada tahun 1715, pada usia 22 tahun, John Harrison memanfaatkan keterampilannya sebagai tukang kayu untuk membuat sebuah jam kayu yang dapat bekerja selama delapan hari.^[153] Jam-jam buatannya memperkenalkan sejumlah inovasi, antara lain penggunaan komponen kayu sehingga tidak memerlukan pelumasan tambahan (dan pembersihan), penggunaan rol untuk mengurangi gesekan, jenis escapement baru, serta pemakaian dua jenis logam yang berbeda untuk mengurangi masalah pemuaian akibat perubahan suhu.^[154] Ia kemudian pergi ke London untuk meminta bantuan kepada Dewan Garis Bujur dalam pembuatan jam laut. Dewan tersebut mengarahkannya menemui Graham, yang kemudian membantu Harrison memperoleh pendanaan untuk membangun jam tersebut. Setelah 30 tahun, perangkat yang kini dinamai "H1" selesai dibuat dan diuji di laut pada tahun 1736. Harrison kemudian merancang dan membuat dua jam laut lainnya, yaitu "H2" (selesai sekitar tahun 1739) dan "H3", yang keduanya telah rampung pada tahun 1755.^[155][156]

Harrison kemudian membuat dua arloji, "H4" dan "H5". Eric Bruton, dalam bukunya The History of Clocks and Watches, menyebut H4 sebagai "kemungkinan alat penunjuk waktu paling luar biasa yang pernah dibuat".^[157] Setelah uji pelayaran selama musim dingin 1761–1762 selesai dilaksanakan, H4 terbukti memiliki ketelitian tiga kali lebih baik daripada syarat yang ditetapkan untuk memperoleh Hadiah Garis Bujur.^[158][159]

Jam listrik

Pada tahun 1815, penemu Inggris yang produktif, Francis Ronalds, menciptakan cikal bakal jam listrik, yaitu jam elektrostatik. Jam tersebut ditenagai oleh tumpukan kering, baterai bertegangan tinggi yang memiliki usia pakai sangat panjang, tetapi kelemahannya adalah sifat kelistrikannya berubah-ubah sesuai dengan suhu udara dan kelembapan. Ronalds bereksperimen dengan berbagai cara untuk mengatur aliran listrik tersebut, dan perangkat hasil penyempurnaannya terbukti lebih andal.^[160]

Pada tahun 1840, pembuat jam dan instrumen asal Skotlandia Alexander Bain untuk pertama kalinya menggunakan listrik untuk mempertahankan ayunan sebuah jam bandul, sehingga ia dianggap sebagai penemu jam listrik.^[161] Pada 11 Januari 1841, Bain bersama pembuat kronometer John Barwise mengajukan sebuah paten yang menjelaskan jam dengan bandul elektromagnet. Ilmuwan Inggris Charles Wheatstone, yang bertemu Bain di London untuk membahas gagasannya mengenai jam listrik, membuat versinya sendiri pada November 1840, tetapi Bain memenangkan sengketa hukum yang menetapkannya sebagai penemu.^[162][163]

Pada tahun 1857, fisikawan Prancis Jules Lissajous menunjukkan bahwa arus listrik dapat digunakan untuk membuat sebuah garpu tala bergetar tanpa henti, dan kemungkinan merupakan orang pertama yang memanfaatkan penemuan tersebut sebagai cara untuk mengukur frekuensi secara akurat.^[164] Sifat piezoelektrik kristal kuarsa ditemukan oleh dua bersaudara fisikawan Prancis, Jacques dan Pierre Curie, pada tahun 1880.^[165]

Jam bandul yang paling akurat dikendalikan secara elektrik.^[166] Jam Shortt–Synchronome, yaitu jam bandul bertenaga listrik yang dirancang pada tahun 1921, merupakan jam pertama yang memiliki ketelitian lebih tinggi daripada rotasi Bumi itu sendiri.^[167]

Serangkaian inovasi dan penemuan kemudian mengarah pada terciptanya pengatur waktu kuarsa modern. Osilator tabung vakum ditemukan pada tahun 1912.^[168] Sebuah osilator listrik pertama kali digunakan untuk mempertahankan getaran garpu tala oleh fisikawan Inggris William Eccles pada tahun 1919;^[169] pencapaian tersebut menghilangkan sebagian besar redaman yang berkaitan dengan perangkat mekanis serta memaksimalkan kestabilan frekuensi getaran.^[169] Osilator kristal kuarsa pertama dibuat oleh insinyur Amerika Walter G. Cady pada tahun 1921, dan pada Oktober 1927 jam kuarsa pertama dideskripsikan oleh Joseph Horton dan Warren Marrison di Bell Telephone Laboratories.^{[170][note 8]} Pada dekade-dekade berikutnya, jam kuarsa dikembangkan sebagai perangkat pengukur waktu presisi di lingkungan laboratorium—rangkaian elektronik penghitung yang besar dan rapuh, yang masih menggunakan tabung vakum, membatasi pemanfaatannya di tempat lain. Pada tahun 1932, berhasil dikembangkan sebuah jam kuarsa yang mampu mengukur variasi kecil mingguan dalam laju rotasi Bumi.^[172] Stabilitas fisik dan kimianya yang melekat, serta tingkat ketelitiannya yang tinggi, kemudian mendorong penggunaannya secara luas. Sejak dekade 1940-an, jam kuarsa menjadi dasar bagi pengukuran waktu dan frekuensi presisi di seluruh dunia.^[173]

Penggunaan arloji dalam militer

Arloji mulai dikenakan selama Perang Prancis–Prusia (1870–1871), dan pada masa Perang Boer (1899–1902), arloji telah diakui sebagai alat yang sangat berguna.^[184] Model-model awal pada dasarnya merupakan jam saku biasa yang dipasangi tali kulit, tetapi pada awal abad ke-20 para produsen mulai membuat arloji tangan yang memang dirancang khusus untuk dikenakan di pergelangan tangan. Pada tahun 1904, perintis penerbang Alberto Santos-Dumont meminta sahabatnya, pembuat jam Prancis Louis Cartier, untuk merancang sebuah arloji yang praktis digunakan saat terbang.^[185]

Selama Perang Dunia I, arloji tangan digunakan oleh para perwira artileri.^[186] Apa yang dikenal sebagai jam parit (trench watch), atau wristlet, sangat praktis karena membebaskan satu tangan yang sebelumnya harus digunakan untuk mengoperasikan jam saku, sehingga kemudian menjadi perlengkapan standar.^[187][188] Tuntutan perang parit mengharuskan para prajurit melindungi kaca arloji mereka, sehingga kadang-kadang digunakan pelindung berupa sangkar berengsel.^[188] Pelindung tersebut dirancang agar angka-angka pada pelat jam tetap mudah dibaca, tetapi menutupi jarum arloji—masalah yang baru teratasi setelah diperkenalkannya Plexiglas yang tahan pecah pada dekade 1930-an.^[188] Sebelum digunakan secara luas oleh kalangan militer, arloji tangan umumnya hanya dikenakan oleh perempuan. Namun, selama Perang Dunia I, arloji tangan kemudian menjadi simbol maskulinitas dan keberanian.^[188]

Jam tangan modern

Jam tangan modern: sebuah jam tangan otomatis Harwood (1920-an); sebuah Rolex Submariner (1950-an); astronaut Thomas P. Stafford pada 1966 mengenakan Speedmaster; serta sebuah jam tangan kuarsa digital (ca 1970-an).

Jam saku model gantung (fob watch) mulai tergeser pada pergantian abad ke-20.^[189] Swiss, yang tetap netral sepanjang Perang Dunia I, memproduksi jam tangan bagi kedua belah pihak yang berperang. Pengenalan tank memengaruhi rancangan jam tangan Cartier Tank,^[190] sementara desain jam tangan pada dekade 1920-an dipengaruhi oleh gaya Art Deco.^[191] Jam tangan otomatis, yang pertama kali diperkenalkan dengan keberhasilan terbatas pada abad ke-18, diperkenalkan kembali pada dekade 1920-an oleh pembuat jam asal Inggris John Harwood.^[192] Setelah perusahaannya bangkrut pada 1929, pembatasan atas jam tangan otomatis dicabut sehingga perusahaan seperti Rolex dapat memproduksinya.^[193] Pada 1930, Tissot menghasilkan jam tangan antimagnet pertama di dunia.^[194]

Jam tangan bertenaga baterai pertama dikembangkan pada dekade 1950-an.^[195] Jam tangan berkualitas tinggi diproduksi oleh perusahaan seperti Patek Philippe, salah satu contohnya adalah Patek Philippe ref. 1518 yang diperkenalkan pada 1941. Model ini kemungkinan merupakan jam tangan paling rumit yang pernah dibuat dari baja nirkarat, dan mencetak harga lelang tertinggi di dunia ketika terjual seharga $11.136.642 pada tahun 2016.^{[196][197][198]}

Speedmaster Professional berpenggerak putar manual, atau "Moonwatch", dikenakan dalam aktivitas ekstravehikular pertama Amerika Serikat sebagai bagian dari misi Gemini 4 milik NASA, dan menjadi jam tangan pertama yang dikenakan oleh seorang astronaut ketika berjalan di permukaan Bulan dalam misi Apollo 11.^[199] Pada 1969, Seiko meluncurkan Astron, jam tangan kuarsa pertama di dunia.^[200]

Pada dekade 1970-an, diperkenalkannya jam tangan digital yang dibuat menggunakan transistor dan komponen plastik memungkinkan perusahaan mengurangi jumlah tenaga kerja mereka. Akibatnya, pada dekade tersebut banyak perusahaan yang masih mempertahankan teknik pengerjaan logam yang lebih rumit mengalami kebangkrutan.^[201]

Jam tangan pintar, yang pada dasarnya merupakan komputer sandang berbentuk jam tangan, mulai dipasarkan pada awal abad ke-21.