Mesurer le temps est une nécessité de la vie. Le temps est-il long ou court ? Se fier uniquement à notre perception n’est pas précis. Nous avons objectivement besoin d’une « règle » pour mesurer le temps. Par exemple, la vitesse de rotation de la Terre change très peu. Lorsque ce changement est négligeable, on peut considérer qu’il est constant. En utilisant la durée d’une rotation de la Terre comme unité de mesure, nous obtenons un jour et une nuit. Pour subdiviser le temps avec plus de précision, il faut rechercher un mouvement constant plus court comme étalon de mesure. Dès le XVIe siècle, pendant la Renaissance européenne, le grand scientifique italien Galilée remarqua par hasard que, même si l’amplitude des oscillations de la pendule dans une église diminuait progressivement, la durée de chaque oscillation restait toujours constante. Cette découverte était importante, car elle fournissait une méthode simple de mesure du temps. Il suffisait de faire fonctionner une horloge mécanique en utilisant un pendule pour faire tourner les aiguilles des minutes et des heures.
Cependant, pour que cette horloge mécanique utilisant le pendule devienne une réalité, il fallait surmonter une difficulté majeure. Le pendule était inévitablement perturbé par diverses forces de résistance lors de son mouvement, telles que le frottement dans les roulements et la résistance de l’air. En raison de ces forces de résistance, l’amplitude des oscillations du pendule diminuait progressivement, jusqu’à s’arrêter complètement. Pour résoudre ce problème, des artisans ingénieux ont inventé le « mécanisme d’échappement ». Ce mécanisme est composé d’une roue d’échappement et d’une fourchette d’échappement. La roue d’échappement est reliée au pendule, tandis que la fourchette d’échappement est reliée au pendule. En soulevant le pendule à une hauteur élevée et en le relâchant, le pendule descend lentement sous l’effet de la gravité, tout en provoquant un impact sur la roue d’échappement. Le génie du mécanisme d’échappement réside dans le fait que, quelle que soit la direction du mouvement du pendule, l’impact est toujours aligné avec la direction du mouvement. À chaque oscillation du pendule, l’énergie perdue en raison de la résistance est compensée par l’impact de la roue d’échappement, et l’amplitude des oscillations du pendule ne diminue pas. Dès la dynastie Song, ce mécanisme ingénieux était déjà utilisé dans les « horloges hydrauliques ». En 1656, le scientifique néerlandais Christiaan Huygens a conçu la première horloge à pendule équipée d’un mécanisme d’échappement.
La physique définit le « travail effectué sur un objet par une force » comme le « travail effectué par la force sur l’objet ». Si la direction du mouvement de l’objet est alignée avec celle de la force, le travail effectué est un « travail positif ». Le travail positif a pour effet d’augmenter l’énergie de l’objet. Si les deux directions sont opposées, il s’agit d’un « travail négatif », dont l’effet est de réduire l’énergie de l’objet. Pendant le mouvement du pendule, la résistance agit dans la direction opposée à celle du mouvement du pendule, tandis que l’impact du mécanisme d’échappement agit dans la même direction que celle du mouvement du pendule. Lorsque la résistance compense exactement le travail négatif du mécanisme d’échappement, l’énergie du pendule reste constante et l’horloge peut continuer à fonctionner sans interruption. L’énergie perdue du pendule n’est pas perdue pour toujours, mais est convertie en une autre forme d’énergie sous forme de chaleur. L’énergie supplémentaire fournie par le mécanisme d’échappement n’est pas produite à partir de rien, mais provient de la descente du pendule. Lorsque le pendule descend au point le plus bas, il faut le remonter à la main pour que l’horloge puisse continuer à fonctionner. Il existe de nombreuses méthodes pour recharger l’énergie. La plus courante consiste à utiliser un ressort d’acier serré à la place de la descente du pendule. Dans le monde réel, l’énergie ne peut ni être créée ni être détruite, mais elle peut être convertie d’une forme à l’autre entre différents objets. C’est la loi de la conservation de l’énergie, qui est universellement applicable dans la nature.