Несомненно важнейшим и самым распространенным простейшим хронометрическим прибором были солнечные часы, основанные на кажущемся суточном, а иногда и годовом движении Солнца. Появление этих часов связано с моментом, когда человек осознал взаимосвязь между длиной и положением солнечной тени от тех или иных предметов и положением Солнца на небе. Точная дата возникновения солнечных часов, которые в своем первоначальном виде имели форму обелиска, неизвестна. Некоторые исторические источники считают самым первым упоминанием о солнечных часах сообщение о них в рукописи китайца Чиу-пи периода около 1100 г. до н.э., в которой указывается, что с помощью солнечных часов китайцы легко установили летнюю высоту Солнца в 79°06'20", а зимнюю – в 30°22'20", а отсюда они определили наклон эклиптики в 23°52'. Самым старым из сохранившихся письменных документов о солнечных часах, датируемых 732 г. до н.э., мы находим в Библии, в двадцатой главе Книги Царств. Под солнечными часами Аха-за здесь понимаются обелисковые солнечные часы царя Ахаза, жившего около 732 г. до н.э. Обнаружение древнеегипетских солнечных часов XIII и XV вв. до н.э. свидетельствует о том, что действительный период возникновения солнечных часов был значительно раньше, чем это вытекает из известных до сих пор письменных памятников.

Гномон, вертикальный обелиск со шкалой, нанесенной на земле, был первыми солнечными часами, измерявшими время по длине отбрасываемой тени. О том, что египтянам эти обелиски служили одновременно для почитания культа бога Солнца, говорят записи древних писателей Аристофана, Атенея, Эвбола и других. Эти священные обелиски стояли, как правило, перед входами в храмы. Роль гномонов выполняли и прямые пилоны на общественных площадях, на рынках. Первые обелиски и пилоны, предназначавшиеся в Египте для измерения времени, были построены, по всей вероятности, уже в XIV в. до н.э. До сих пор сохранился такой обелиск высотой в 35,5 м на площади св. Петра в Риме, который был доставлен туда в 38 г. Калигулой из Гелиополиса

Разновидности солнечных часов были весьма многообразны. Сочетание солнечных часов с компасом привело к тому, что солнечные часы стало возможным использовать повсеместно и появились их портативные, карманные или дорожные модели. Интересны кольцевые солнечные часы – один из вариантов дорожных солнечных часов, – которые очень часто одновременно служили и в качестве декоративной подвески. Главной частью таких часов было латунное кольцо диаметром в несколько сантиметров (рис. 1а) с другим передвижным кольцом, снабженным отверстием для солнечного луча. На внешней поверхности главного кольца обычно гравировали начальные буквы наименований месяцев, а против них, на внутренней поверхности, находилась часовая шкала. Перед измерением надо было повернуть меньшее, обычно железное, колечко так, чтобы отверстие для луча лежало у наименования соответствующего месяца. При измерении времени держали часы в положении, позволяющем солнечному лучу проходить через отверстие в шкале. Первое описание часов подобного рода в виде перстня с печатью содержится в книге «De compositione annuli astronomici», написанной врачом Боне и изданной в Париже в 1500 г.

На подобном принципе строились и так называемые «экваториальные кольца» – аналогичные часы, на главном кольце которых имелись еще два пересекающихся друг с Другом круга. Позднее возник новый вариант (рис. 1б) с поперечиной вместо третьего кольца. На одной стороне этой поперечины были указаны месяцы, а на другой – знаки зодиака. Посередине имелась перемычка с малым отверстием для прохождения солнечного луча. Правильное положение этих часов при измерении времени было таким, когда солнечный луч, проходящий через отверстие, попадал на центральную линию экваториального круга.

Другими интересными экваториальными часами являются аналемматические солнечные часы, стрелка которых также направлена перпендикулярно плоскости часовой шкалы, но эта шкала лежит не в плоскости, параллельной экватору, а в горизонтальной плоскости, например непосредственно на земле. Если бы нам понадобилось измерять этими часами время, то надо было бы вынести часовую шкалу на эллиптическую кривую и при этом одновременно изменять положение стрелки в меридиональной плоскости применительно к сезону года. Описание этих часов появилось в астрономических трудах XVI в., но детальными измерениями с помощью этих часов стал заниматься лишь в середине XVIII в. астроном и директор Парижской обсерватории Джозеф Джаром Лаланд.

Известны и оригинальные так называемые рефракционные солнечные часы, которые имеют чашу с часовой шкалой и теневую стрелку. Их работа основана на том известном явлении, что световой луч, падающий наклонно на плоскость раздела двух различных сред, преломляется. Перед измерением надо чашу наполнить до определенной высоты водой. Теневой луч стрелки преломляется на линии разграничения воздуха и воды, и лишь этот преломленный луч указывает на погруженной в воду временной шкале данное время. Рефракционные часы имели формы кубков и различных сосудов.

Были и зеркальные солнечные часы, которые отражали солнечный луч зеркалом на циферблат, расположенный на стене дома. Первым такие часы описал Й.Б. Бенедиктус в своей книге «De gnomonum umbrarumque solarium usus liber», изданной в Турине в 1574 г. По неподтвержденным сведениям, конструированием зеркальных часов занимался будто бы и Николай Коперник, о чем свидетельствует и циферблат зеркальных часов, сохранившийся на замке в Ольштыне. О практике строительства таких часов говорят сведения о том, что в 20-х и 30-х годах XVII в. этим занимались Шенбергер, Г. Таглиани и Атанасиус Кирхер, который опубликовал свои данные об этих часах в книге «Primitiae gnomonicae catoptricae hoc est Horologiographiae novae specularis», изданной в 1635 г. в Авиньоне.

Кроме часов из драгоценных и обычных металлов, камня, дерева и бумаги, люди изыскивали и примитивные способы измерения времени по тени, когда единственным пособием для этого была человеческая рука с пятью пальцами. Первые сообщения о таких солнечных часах относятся к началу XVI в. Теневым указателем были палец, палка, стебель или ствол цветка. В литературе описание этого примитивного способа измерения времени встречается под названием manuale horoloqium. Простейшим способом измерения времени с помощью так называемых сельских часов было то, что левую руку поворачивали ладонью вверх и ее направленный вверх большой палец выполнял роль теневой стрелки. В зависимости от длины этой тени в сравнении с остальными пальцами руки можно было примерно определить время. Этот простой способ измерения времени сохранялся среди сельского населения весьма долгое время. Во Франции, в Южной Германии и некоторых других местах этот способ хорошо был известен даже в прошлом веке. В качестве теневого указателя достаточно было короткой веточки длиной с мизинец, которую держали перпендикулярно между мизинцем и безымянным пальцем.