Zamanın mekanik olarak ölçülmesi yönündeki ilk adımlar din adamlarından gelmiştir. Keşişler dua etmek için kesin saati bilmek zorundaydılar. İlk mekanik saatler, saati göstermek değil duyurmak üzere yapılmışlardı. Bu saatler birer ağırlığa bağlı olarak çalışıyorlardı ve belirli zaman aralıkları ile gonga vuran tokmaklarla donatılmışlardı. Daha önceki yüzyıllarda, eski saat sistemlerinin sesli birer uyarı vermesini sağlama çabaları olumlu sonuçlanmamıştı. Geçen süreyi ufak taş parçacıkları atarak ya da düdük öttürerek belirten karmaşık mekanizmalar üretilmişti.
Ağırlıkla çalışan mekanizma, ağırlığın asılı olduğu ipi ya da zinciri kısa aralıklarla tutan ve bırakan bir vargel düzenidir. Böylece, kısa aralıklarla duran ve inen bir ağırlık, saat mekanizmasını günün uzunluğuna ya da kısalığına bağlı olmaktan kurtarıyordu.
Bu mekanizmanın en eski türü “kamalı” olarak biliniyor. Ucuna ağırlık bağlı iki yanından atlamalı olarak tırnaklarla donatılmış bir metal çubuk ve yatay olarak gidip gelen bir milden oluşan mekanizmada, her gidişte bir tırnak salıveren bir düzen oluşturulmuş ve milin ivmesi de dış ucuna takılmış bir ağırlıkla kontrol edilmiş. Ağırlık uzağa çekilince salınım hızlanıyor, yaklaştırılınca da yavaşlıyor. Böylece, başlangıçta dakikaların ve daha sonra da saniyelerin belirlenmesi mümkün olmuştur.
Mekanik saat öncesi yıldız gözlemleri, Güneş saati, su saati ve kum saati, değişik şekillerde süreyi göstermek amacına yönelikti. Mekanik saat ise manastır hayatında belli bir mekanik işlevi yerine getirmek, bir çekiç aracılığıyla ses üretmek ve böylece belirli zaman aralıklarını belirtmek amacını gütmekteydi. İlk saatlerde kadran, akrep ve yelkovan bulunmuyordu. Okuma yazma oranının düşük olması, saatlere insanların bakıp anlayacağı yazılar koymak yerine, kiliseyi örnek alıp, işlerini yaparken duyabilecekleri çan çalınıyordu. Süreyi görsel olarak göstermek için saatlerde kadranı ilk olarak kullanan ve 1344’te 24 dilimlik saati yapan Dondi’dir. Gündüz saatlerinin gece saatlerine uymayan saat sistemi, 14. yüzyılda mekanik saatlerin yapılmasına kadar devam etmiştir. Günü eşit saatler halinde bölen ilk saat, Milano’daki Saint Gottard kilisesi saatidir. Yüzyılın ortasına doğru büyük Avrupa şehirlerinin kulelerinde mekanik saatler görülmeye başlanmış ve gittikçe yayılmıştır. Ağırlıktan güç alan, sarkaç ve sekteli rakkas dişlisi ile çalışan bu saat tasarımı 300 yıl boyunca kullanılmıştır.
sekteli rakkas dişlisi : (c) dişli, (v) rakkas, (p,q) sekteler
sekteli rakkas dişlisinin işleyişi; sarkacın her salınımı bir diş salıverir
1500’lerde Nürnberg’de Peter Heinlein’ın zembereği bulmasıyla, büyük ağırlıklardan vaz geçilebilmiş, taşınabilir küçük saatler geliştirilebilmiştir.
Saat gelişiminde atılan başka bir büyük adım da sarkacın bulunmasıdır. Daha eski saatler sonradan zamanı daha doğru gösteren sarkaçlı mekanizmalarla modernleştirildiklerinden ilk halleriyle pek bulunmazlar. Mekanik saatlerin erken ünlülerinden olan Giovanni di Dondi’nin tasarımı, ağırlıkla işleyen mekanizmaya bağlı sarkaç ve sekteli rakkas dişlisinden oluşuyordu ve saatte kadran bulunmuyordu.
Kilisede papazı dinlerken kürsünün üzerinde sallanan lambanın salınım zamanının sabit olduğunu farkeden Galileo, sarkacın salınım periyodunun, ağırlığına ya da genişliğine değil, uzunluğuna bağlı olduğunu gözlemlemiştir. Galileo, ölümüne yakın, sarkaçla çalışan bir saat tasarlasa da bunu gerçekleştirememiştir. İlk çalışan sarkaçlı saati 1656’da, Galileo’nun ölümünden 14 yıl sonra, Alman astronom Christiaan Huygens yapmıştır. Huygens’in saati önceleri günde bir dakikadan az hata veriyordu. İlk olarak sağlanan bu hassaslığı, Huygens çalışmalarıyla hatayı günde bir dakikadan 10 saniyeye düşürerek arttırmıştır.
Zembereğin en büyük sorunu gerildikten hemen sonra en yüksek kuvvetini, daha sonra ise boşaldıkça daha azını sunmasıydı. Bu saatlerin günde bir saat hatalı zaman göstermesine sebep olabiliyordu. Huygens’in önce sarkacı, 1670’lerin ortalarında da balans yayını geliştirmesi bu zaafı kontrol altına almış, balans çarkının çok daha düzenli ve ritmik bir şekilde salınmasını sağlamış, zamanın daha az hatayla ölçülebilmesine, ve taşınabilir saatlerin daha kullanılışlı hale gelmelerine olanak vermiştir.[3][4]. Balans yayının geliştirilmesi ile gittikçe küçülen saatler cepte ya da kolda taşınabilmeye başlamıştır. İlk ucuz cep saatleri ABD’de üretilmiş, kol saatleri ise 1890’larda ortaya çıkmıştır. Başlangıçta sadece kadınların kullandığı kol saatleri, I. Dünya Savaşı sırasında erkekler arasında da yaygınlaşmıştır. Zamanı karada ve denizde aynı olarak ölçebilen yeni saatlerle zaman birimlerinin hassaslığı sorgulanmaya başlanmıştır. Bir saniyenin uzunluğu neydi? Basit bir hesapla saniye dakikanın 1/60’ı, dakika saatin 1/60’ı ve saat te günün 24’te biri olduğu için bir saniye ortalama güneş gününün 86 400’de biri olarak ortaya çıkar. 1820’de zaman aralıkları bu hesaba göre standardize edilmiştir.
Sarkacın bulunmasıyla ilk defa olarak saatlere artık güvenilebilir birer anlamları olan dakika ve saniye kolları eklenmiştir.
İlk denizcilik kronometreleri İngiliz parlamentosunun 1700’lü yıllarda gemilerin dünya üzerindeki yerlerini doğu batı yönünde kolayca ve hassas hesaplayabilmelerini sağlamak amacıyla geçirdiği bir mükafat kanunuyla başlayan 40 yıllık bir yarış sonucu, daha önce tahta saat kulesi yapan marangoz John Harrison tarafından geliştirilmiştir. Harrison’un katkıları sürtünme, merkezkaç kuvvetleri, ve ısının sarkaç salınımına etkilerini önleme yönlerinde olmuştur. Bu ilk aletler hala Greenwich rasathanesinde sergilenmektedir. Kronometre ile seyre çıkan ilk gemi Captain Cook emrinde, Yeni Zelanda’ya kadar giden, Mutiny on the Bounty filmine konu olan gemidir. Boylam (kitap) bu ilkleri anlatır. Kronometrenin icadı İngiliz devletine denizcilikte bir süre için çok büyük üstünlük sağlamıştır; Kronometreli gemiler büyük okyanusları kıyıyı takip etmek zorunda kalmadan geçebiliyorlardı.
İlk otomatik kurgulu kol saati 1923 de John Harwood tarafından geliştirilmiştir.[5][6][7]. Daha sonraları kurgu mekanizması tasarımında düşme durumunda bozulmaya dayanıklılık (bilyalı salınım), saat kalınlığının azaltılması (direksiz, en dışta salınım halkası), ve az salınımla çok uzun çalıştıracak zemberek gerebilme (daha yoğun metalden daha geniş halkaların salınımı) yönlerinde gelişmeler görülmüştür.