Un rellotge d'aigua és qualsevol aparell per a mesurar el pas del temps (rellotge) amb el qual el temps es mesura mitjançant el flux regulat de líquid que en alguns casos s'empra com força motriu per fer moure algun tipus de mecanisme i en altres es dirigeix cap a l'entrada o cap a la sortida d'un recipient on es mesura la quantitat de líquid. En el cas dels rellotges d'aigua de tambor, l'aigua es far circular entre diferents compartiment interns del tambor, estabilitzant el seu gir, com regulador hidràulic, semblant en funcionalitat a un escapament mecànic.
Una mostra de dos rellotges d'aigua de sortida del Museu Àgora Antiga d'Atenes. La part superior és un original de finals del segle V aC. La part inferior és una reconstrucció d'un original de fang.
Els rellotges d'aigua són un dels instruments més antics per mesurar el temps. La sortida en forma de bol és la forma més simple d'un rellotge d'aigua i se sap que va existir a Babilònia, Egipte i Pèrsia cap al segle XVI aC. Altres regions del món, incloses l'Índia i la Xina, també tenen dissenys primitives de rellotges d'aigua. De fet, tot i que les dates més antigues són menys segures, alguns autors, afirmen que els rellotges d'aigua van aparèixer a la Xina ja a partir del 4000 AC.
Dissenys Un rellotge d'aigua utilitza el flux d'aigua per mesurar el temps. Si es deixa de banda la viscositat, el principi físic necessari per estudiar aquests rellotges és la llei de Torricelli. Hi ha dos tipus de rellotges d'aigua: l'entrada i la sortida. En un rellotge d'aigua de sortida, un contenidor s'omple d'aigua i l'aigua es drena lentament i uniformement del contenidor. Aquest contenidor té marques que s'utilitzen per mostrar el pas del temps. Quan l'aigua surt del contenidor, un observador pot veure on l'aigua està a nivell de les línies i dir quant de temps ha passat.
Un rellotge d'aigua d'entrada funciona bàsicament de la mateixa manera, excepte que en lloc de sortir del contenidor, l'aigua omple el contenidor marcat. Quan el contenidor s'omple, l'observador pot veure on l'aigua es troba amb les línies i dir quant de temps ha passat. Alguns rellotges moderns s'anomenen "rellotges d'aigua", però funcionen de manera diferent dels antics. El seu cronometratge es regeix per un pèndol, però utilitzen aigua per a altres propòsits, com ara proporcionar la potència necessària per conduir el rellotge mitjançant una roda hidràulica o alguna cosa similar, o per emprar aigua per a mostrar l'hora.
Els grecs i els romans van avançar el disseny del rellotge d'aigua en inventar la clepsydra d'entrada amb un sistema de retroalimentació primitiu, un engranatge i un mecanisme d'escapament, que estaven connectats a autòmats fantàstics i donaven com a resultat una precisió millorada. Es van fer altres avenços a l'Imperi Romà d'Orient, Síria i Mesopotàmia, on els rellotges d'aigua cada vegada més precisos incorporaven complexos engranatges segmentaris i epicíclics, rodes hidràuliques i programabilitat, avenços que finalment es van dirigir a Europa. Independentment, els xinesos van desenvolupar els seus propis rellotges d'aigua avançats, que incorporaven engranatges, mecanismes d'escapament i rodes d'aigua, transmetent les seves idees a Corea i Japó.
Alguns dissenys de rellotges d'aigua es van desenvolupar de forma independent i alguns coneixements es van transferir mitjançant la difusió del comerç. Aquests primers rellotges d'aigua es van calibrar amb un rellotge de sol. Tot i que mai no va assolir un nivell de precisió comparable als estàndards actuals de cronometratge, el rellotge d'aigua va ser el dispositiu de cronometratge més precís i utilitzat durant mil·lennis, fins que va ser substituït per rellotges de pèndol més precisos a l'Europa del .
Àrees de desenvolupament miniatura|Fragment d'un rellotge d'aigua de basalt, amb marcadors de temps d'evaporació a l'interior com a punts a djed i que eren jeroglífics. Època final, 30a dinastia. D'Egipte. El Petrie Museum of Egyptian Archaeology, Londres
Egipte El rellotge d'aigua més antic del qual hi ha proves físiques data del c. 1417–1379 aC, durant el regnat d’ Amenofis III, i es va utilitzar al temple d'Amen-Re a Karnak. La documentació més antiga del rellotge d'aigua és la inscripció de la tomba del funcionari de la cort egípcia del segle XVI aC Amenemhet, que s'identifica com el seu inventor.
Aquests rellotges d'aigua simples, que eren del tipus de sortida, eren vasos de pedra amb els costats inclinats que permetien que l'aigua gotegés a una velocitat gairebé constant des d'un petit forat proper al fons. Hi havia dotze columnes separades amb marques espaiades constantment a l'interior per mesurar el pas de les "hores" a mesura que el nivell de l'aigua hi arribava.
Les columnes eren per a cadascun dels dotze mesos per permetre les variacions de les hores estacionals. Aquests rellotges eren utilitzats pels sacerdots per a determinar l'hora nocturna de manera que els ritus i sacrificis del temple es poguessin realitzar a l'hora correcta. Aquests rellotges també es podien haver utilitzat a la llum del dia.
Babilònia Tauleta d'argilaCàlculs del rellotge d'aigua de Nabû-apla-iddina.MidaH: 8,2 cm (3,2 polzades) W: 11,8 cm (4,6 polzades) D: 2,5 cm (0,98 polzades)Escriurecuneïforme, acadiCreada600BC-500BCUbicació actualSala 55, Museu BritànicIdentificació29371 A Babilònia, els rellotges d'aigua eren del tipus de sortida i tenien una forma cilíndrica. L’ús del rellotge d'aigua com a ajut per als càlculs astronòmics es remunta a l'època vella babilònica (cap al 2000 - cap al 1600 aC). Tot i que no hi ha rellotges d'aigua de la regió mesopotàmica que hagin sobreviscut, la majoria de les proves de la seva existència provenen d'escrits sobre tauletes d'argila. Dues col·leccions de tauletes, per exemple, són l' Enuma-Anu-Enlil (1600–1200 aC) i el MUL. APIN (segle VII aC). En aquestes tauletes, s'utilitzen rellotges d'aigua en referència al pagament de les guàrdies de nit i de dia ().
Aquests rellotges eren únics, ja que no tenien cap tipus d'indicador ni les agulles (com s'utilitzen habitualment avui en dia) ni les osques ranurades (com s'utilitzaven a Egipte). En lloc d'això, aquests rellotges mesuraven el temps "pel pes de l'aigua que fluïa". El volum mesurava en unitats de capacitat anomenades qa. El pes, mana (la unitat grega d'aproximadament una lliura), és la unitat de pes de l'aigua d'un rellotge d'aigua.
A l'època de Babilònia, el temps es mesurava amb hores temporals. Així, a mesura que les estacions canviaven, també va canviar la durada del dia. "Per definir la durada d'un" rellotge nocturn "al solstici d'estiu, s'havia d'abocar dos mana d'aigua en una clepsídra cilíndrica; el seu buidatge indicava el final del rellotge. S'havia d'afegir una sisena part de mana cada mig mes successiu. A l'equinocci, es van haver de buidar tres manes per correspondre a un rellotge i es van buidar quatre manes per cada rellotge de la nit solsticial d'hivern ".
Índia Segons N. Kameswara Rao, les olles excavades al jaciment de la vall de l'Indus de Mohenjo-daro (cap al 2500 aC) es podrien haver utilitzat com a rellotges d'aigua. Estan afilades per la part inferior, tenen un forat lateral i són similars a lutensil que s'utilitza per fer abhiṣeka (abocament d'aigua ritual) als lingams. N. Narahari Achar i Subhash Kak suggereixen que l'ús del rellotge d'aigua a l'antiga Índia s'esmenta a lAtharvaveda des del 2n mil·lenni aC.
L'escola Jyotisha, una de les sis disciplines Vedanga, descriu rellotges d'aigua anomenats ghati o kapala que mesuren el temps en unitats de nadika (uns 24 minuts). Al Sürya Siddhānta (segle V dC) s'esmenta una clepsídra en forma de vas de coure flotant i que s'enfonsa."A copper vessel (in the shape of the lower half of the water jar) which has a small hole in its bottom and being placed upon clean water in a basin sinks exactly 60 times in a day and at night." – Chapter 13, verse 23 of the Sürya Siddhānta. A Nalanda, una universitat budista, es mesuraven intervals de quatre hores mitjançant un rellotge d'aigua, que consistia en un bol de coure similar que contenia dos flotadors grans en un bol més gran ple d'aigua. El bol s'omplia d'aigua per un petit forat al fons i s'enfonsarva quan estava completament ple, marcant les hores amb un tambor durant el dia. La quantitat d'aigua amb què s'omplia variava segons les estacions de l'any, i el rellotge el manejaven els estudiants de la universitat.
Les descripcions de rellotges d'aigua similars també es donen a la Pañca Siddhāntikā pel polímata Varāhamihira (segle VI dC), que afegeix més detalls al relat que apareix al Sürya Siddhānta. Es descriuen altres descripcions al Brāhmasphuṭa Siddhānta, del matemàtic Brahmagupta (). Una descripció detallada amb mesures també fou registrada per l'astrònom Lalla (segle VIII dC), que descriu el ghati com un vas de coure semiesfèric amb un forat al fons que s'omplia completament trancorregut d'un nadika."A copper vessel weighing 10 palas, 6 angulas in height and twice as much in breadth at the mouth—this vessel of the capacity of 60 palas of water and hemispherical in form is called a ghati." This copper vessel, which was bored with a needle and made of 3 1/8 masas of gold and 4 angulas long, gets filled in one nadika."
Xina miniatura|El mecanisme accionat per aigua de la torre del rellotge astronòmic de Su Song, que inclou un tanc de rellotge d'aigua, roda hidràulica, mecanisme d'escapament i accionament de cadena per alimentar una esfera armil·lar i 113 peces impactants per fer sonar les hores i mostrar plaques informatives. A l'antiga Xina, així com a tot l'Àsia oriental, els rellotges d'aigua eren molt importants en l'estudi de l'astronomia i l'astrologia. La referència escrita més antiga data de l'ús del rellotge d'aigua a la Xina al segle VI aC. A partir del 200 aC en endavant, la clepsidra de sortida va ser substituïda gairebé a tot arreu a la Xina pel tipus d'entrada amb una vareta indicadora portada sobre un flotador.
El filòsof i polític de la dinastia Han, Huan Tan (40 aC - 30 dC), secretari del tribunal encarregat dels rellotges d'aigua, va escriure que havia de comparar els rellotges d'aigua amb els rellotges de sol a causa de com la temperatura i la humitat afectaven la seva precisió, demostrant que els efectes que en aquell moment es coneixien l'evaporació, així com la temperatura de la velocitat a la qual flueix l'aigua.
El líquid dels rellotges d'aigua es podia congelar i s'havia de mantenir calent mitjançant torxes, un problema que va ser resolt el 976 per l'astrònom i enginyer xinès Zhang Sixun. El seu invent —una considerable millora del rellotge de Yi Xing— utilitzava mercuri en lloc d'aigua. El mercuri és un líquid a temperatura ambient i es congela a , inferior a qualsevol temperatura de l'aire que normalment es troba a la Terra. De nou, en lloc d'utilitzar aigua, l'enginyer Zhan Xiyuan de la dinastia Ming (c. 1360–1380) va crear un rellotge de rodes impulsat per sorra, millorat per Zhou Shuxue (c. 1530–1558).
L'ús dels rellotges d'aigua per a impulsar mecanismes que il·lustressin fenòmens astronòmics va començar amb el poliamata de la dinastia Han Zhang Heng (78-139) el 117, que també va emprar una sínia. Zhang Heng va ser el primer a la Xina a afegir un dipòsit de compensació addicional entre el dipòsit i el vas d'entrada, cosa que va resoldre el problema de la pressió de caiguda en la capçalera del dipòsit. L'enginy de Zhang va conduir a la creació per part del matemàtic i enginyer de la dinastia Tang Yi Xing (683-727) i Liang Lingzan el 725 d'un rellotge impulsat per un mecanisme hidràulic amb escapament de roda.