Ha sido llamado reloj nocturno (más exactamente horologium  nocturnale, noctilabium) un instrumento astronómico antiguo, usado para medir el tiempo mediante la observación de la Estrella Polar y de la posición de estrellas en la bóveda celeste (generalmente las de la Osa Mayor). La construcción de instrumentos de este tipo se remonta al siglo XIII después de J.C. Como por ejemplo del funcionamiento de este instrumento describiremos en esta breve exposición el reloj nocturno construido en 1568 por Girlolano della Volpaia, florentino, y que actualmente se conserva en el Museo de Historia de la Ciencia de Florencia. La fecha de construcción del ejemplar que describiremos es anterior a la reforma del Calendario, efectuada por el papa Gregorio XIII en 1582; por este motivo, los signos del zodíaco que aparecen reproducidos sobre el disco grande se encuentran desplazados con respecto a la posición actual. 
De hecho, cuando comienza el signo Aries, que es cuando se verifica el equinoccio de primavera, corresponde en el instrumento al 11 de marzo en vez de al 21 de este mes, como en el Calendario Gregoriano. Además, Girolano della volpaia, artífice de este reloj, tenía que haber tenido a su disposición tablas poco precisas, en las que las posiciones estelares se veían afectadas por grandes errores. Debido a este conjunto de razones, si se quiere usar correctamente en la actualidad el reloj nocturno, es necesario añadir 38 días a la fecha en la que se realiza la observación. 
El reloj nocturno está compuesto por tres discos concéntricos de latón, que pueden  girar libremente unos con respecto a los demás, alrededor de un anillo central. Sobrepuesta a estos tres discos se encuentra una barra que sobresale del borde del disco más grande, y que también gira libremente alrededor del anillo e indica, con el canto rectilíneo, todas las posibles rectas que parten del centro de rotación común. En la imagen “proyectada” de la fig.1 pueden distinguirse bien las partes constituyentes del aparato objeto de nuestro examen. Sobre los dos círculos exteriores del disco grande, están grabados los días y los meses del año. En los círculos que se encuentran más hacia el interior del mismo disco, aparecen las divisiones  del año en los doce signos del zodíaco y una escala que lleva 30 divisiones por cada signo zodiacal. El disco está provisto de un saliente con una anilla que se usa cuando se quiere colgar el instrumento. Nótese que la división de la circunferencia exterior en los días del año ha sido diseñada de modo que el día 15 de Abril coincida exactamente con la recta que pasa por el centro del disco y por el agujero practicado sobre el anillo de sostén. A continuación veremos el porqué de esta elección. El disco medio está provisto de un índice sobre el que se encuentra grabado “MEDIA NOX”. Este sirve para leer las divisiones del disco que se encuentra debajo. Su circunferencia externa está dividida en 24 horas, y los números que aparecen sobre ella aumentan en sentido horario. Cada  hora está a su vez dividido en seis partes, por lo que cada pequeña división corresponde a 10 minutos. El disco pequeño está a su vez dividido en 24 partes iguales, y se caracteriza por poseer una especie de pequeños dientes en forma de sierra en sus bordes, sobre  los que aparecen los números del 1 al 12, que aumentan en sentido antihorario. Este disco está también provisto de un índice que se usa para leer las divisiones del círculo intermedio, que se encuentra situados debajo. Este mismo disco, en su parte interior, se encuentra dividido en doce partes y en cada una de ellas puedan leerse, abreviados , los nombres de los meses del año. En las secciones de este disco, que se encuentran entre la parte dentada y los meses del año, aparecen una serie de números; por ejemplo, el 7 arriba y el 20 debajo, 7 arriba y el 5 abajo, en el sector del mes de “IAM” (enero). Estos números representan, respectivamente, las horas y los minutos que transcurren en ese período del año, entre el atardecer y las doce de la noche a XXXXIII (43) grados de latitud y a XXX (30) m. Sobre el nivel del mar ,, respectivamente, para la primera y la segunda quincena del mes. Se trata , obviamente, de valores medios, ya que dicho intervalo de tiempo varía de un día para otro. Aunque los tres discos y el índice pueden girar libremente, están unidos entre sí por un anillo remachado en el que se ha practicado un orificio central de aproximadamente 3 milímetros de diámetro. 

       Para medir el tiempo el hombre se ha servido desde la antigüedad de los fenómenos naturales que se repiten periódicamente como, por ejemplo, el alternarse del día y la noche, el repetirse de las estaciones, etc. Un movimiento muy preciso que nuestro planeta nos proporciona gratuitamente es el movimiento de rotación alrededor de su eje. 
        Debido al efecto de la relatividad del movimiento, un observador que se encuentra en la superficie terrestre tiene la impresión de que la bóveda celeste le gira alrededor, arrastrando en su movimiento al Sol, la Luna, los planetas y a todas las estrellas. En el caso concreto de que este observador haga depender las  posiciones de los objetos celestes de su propio meridiano, constatará que éstos transitan periódicamente por el mismo meridiano. 
          Se le da el nombre de meridiano al plano ideal que pasa por el punto norte y el punto sur del horizonte, por el centro de la tierra, y que contiene la vertical, es decir, la dirección que nos proporciona la plomada. 

    La única Estrella que parece estar inmóvil, ya que mantiene inalterada su posición con respecto al observador, es la Estrella Polar. 
La Estrella Polar, que posee un esplendor tal que puede ser observada fácilmente incluso a simple vista, se encuentra de hecho, cercana a la intersección del eje de rotación terrestre con la bóveda celeste; por lo tanto, todas las demás estrellas parecen girar alrededor de ella. Una de las constelaciones más brillantes de la bóveda celeste es la Osa Mayor (llamada también El Carro). Las dos estrellas que coinciden con las ruedas posteriores del Carro, poseen la notable característica de estar alineadas con la Estrella Polar. Por lo tanto, podemos trazar una recta imaginaria que una la Estrella Polar con las anteriores citadas estrellas del Carro. Esta recta hipotética, comparable a la manilla de un reloj, describe cada día un giro completo. Midiendo el ángulo resultante de las dos direcciones definidas por dicha recta en dos momentos sucesivos, se puede conocer el  intervalo de tiempos que transcurra entre estos dos momentos. 
     Si se da por hecho que una de estas dos direcciones se conoce desde el principio, si por ejemplo conoceremos en que dirección tendría que encontrarse esta recta a las doce de la noche, midiendo el ángulo que se forma con respecto a esta dirección de referencia, podemos obtener la hora real, es decir, el intervalo de tiempo que ha transcurrido desde las doce de la noche. 
     Este es el esquema de base sobre el que se fundamenta el funcionamiento del reloj nocturno. 
      Hay que situar el instrumento verticalmente usando la anilla de apoyo que existe para tal fin, y ha de estar orientado hacia el septentrión. 
        A través de orificio central del anillo se dirige la visual hacia la Estrella Polar y se gira la regla o varilla de modo que la extremidad que sobresale de esta coincida con las dos estrellas del Carro. 

         Para medir la hora es necesario confrontar esta dirección con la que las estrellas tendrán a las doce de la noche. Por efecto de la diferencia entre día solar y día sideral, dicha dirección no es siempre constante, sino que realiza una entera rotación en el transcurso de un año. La dirección coincide exactamente, según las tablas estelares usadas por Della Volpaia, con la vertical ( es decir, el meridiano local) a las doce de la noche del 15 de abril, desplazándose casi un grado al día. Si se coloca el índice del disco medio en el día en el que se efectúa la observación, éste nos proporciona dirección que estamos buscando, es decir, la dirección de la recta que pasa por la Estrella Polar y las estrellas del Carro a las doce de las noche del día que hemos tomado en consideración. El ángulo resultante de este índice y la regla nos da de este modo directamente la hora, que podemos leer en las divisiones del disco medio. El número que se lee en el disco da las horas y los minutos que faltan aún para las doce de la noche sucesiva. Por ejemplo, si se lee 19 significa que son las 5 del día sucesivo. 
       El error que se puede cometer en la determinación del tiempo está  comprendido entre los 5 y 10 minutos. Dicho error absorve ampliamente la diferencia entre el día sideral (período de rotación de la tierra con respecto a las estrellas lejanas) y el día solar (período se rotación de  la tierra con respecto al sol). El disco pequeño desempeña la función de determinar el intervalo de tiempo que transcurre entre la puesta del sol y el instante en el que se efectúa la medición, es decir, como se solían numerar las horas en el Renacimiento. 
       Una vez leído en el sector del disco dentado el intervalo de tiempo que transcurre desde la puesta de sol hasta las doce de la noche relativo a la quincena del mes en el que se realiza la observación, se gira en sentido horario el índice del disco pequeño con un ángulo correspondiente respecto al índice del disco medio, y la intersección  de las reglas con las graduaciones que aparecen sobre los dientes del disco pequeño nos da directamente el número de horas que transcurren desde el atardecer hasta el momento de la observación. 
       Las distintas fases del uso de la "cara anterior" del instrumento se encuentran resumidas esquemáticamente en la fig. 3. 
       El reverso del reloj nocturno lleva un cuadrante solar muy sintético en el que, con la intención de reunir en poco espacio una gran cantidad de información, el constructor ha trazado curvas que permiten determinar la hora según la altitud del sol  en el horizonte y, por lo tanto, permiten utilizar también el reloj de día. 

      En la escala rectilínea, situada a la izquierda, aparecen divisiones y las primeras letras de los nombres latinos de los meses, desde junio hasta diciembre. Aparecen, además, los signos del Zodíaco,desde Cáncer hasta Capricornio. En la escala arqueada, situada a la derecha, se encuentran los meses y los signos restantes. La graduación en la parte inferior derecha del borde da el ángulo del cuadrante pequeño. 
       Cada una de las curvas de la zona central lleva en los extremos un número, que determina el número de horas transcurridas desde la puesta del sol del día anterior. 

      DETERMINACION PRACTICA DEL TIEMPO CON EL RELOJ NOCTURNO 
   Pongamos el ejemplo de que se quiera determinar la hora el 20 de octubre en el momento en que nuestro reloj mecánico señala las 21,35. Queremos ver el resultado que obtendremos con el reloj nocturno. El cielo tendrá que ser lo suficientemente oscuro como para localizar bien la estrella Polar y las dos estrellas de la Osa Mayor, que constituyen las "ruedas" posteriores del Carro. El nombre árabe de las estrella más próxima  a la estrella Polar es Dubbé, y el de la otra Merak. 
   Hemos visto que para usar correctamente el reloj tenemos que añadir 38 días a la fecha elegida. Del 20 de octubre al 31 hay 11 días, restándolos a los 38 quedan 27, por lo que la fecha elegida será el 27 de noviembre. 
       Primera operación: llevar el índice MEDIA NOX del círculo medio a la fecha 27 de noviembre, que puede leerse en el círculo exterior. 
      Segunda operación: visualizar la Estrella Polar a través del orificio central y tratar de alinear lo mejor posible el borde rectilíneo de la regla móvil con las dos estrellas del Carro. Todo ello sin mover el disco medio que ha de permanecer fijo para indicar la fecha establecida. Con un poco de práctica conseguiremos realizar esta operación. La regla móvil indicará, por medio de su borde, en la escala del círculo medio la lectura de una hora determinada, por ejemplo, 2.10. 
      Tercera operación: la lectura realizada en este momento nos indica que faltan todavía 2 h. Y 10 m. Para las doce de la noche, decir, que según el reloj nocturno serán las 21,50. Esa es la hora local. Para encontrar la oficial deberá tener en cuenta el punto de longitud en el que se encuentra, sumando o restando cuatro minutos por grado, Oeste - Este, respectivamente. 
       Cuarta operación: ¿Cuántas horas han transcurrido desde la puesta de sol hasta el momento en el que hemos realizado la determinación? Observamos que sobre el disco dentado, es decir, el pequeño, al mes de octubre corresponden unos números. El significado de estos números es el siguiente: en la primera quincena de octubre, el intervalo de tiempo que va desde la puesta de sol a las doce de la noche es de 6 h. 34 m.,  el mismo intervalo es de 6h. 54m, (Olvidemos por un momento los numeritos que están escritos al contrario sobre los dientes triangulares). Ya que el 20 de octubre cae en la segunda quincena, para la operación que vamos a realizar tendremos que usar el valor 6h. 54m. Ahora, manteniendo inmóviles el disco medio y la regla es el 5, que nos da el número de horas que han transcurrido a partir de la puesta de sol, esta última operación no es muy precisa porque, en realidad, han pasado sólo 4h. 11m. Probablemente este dato nos servirá únicamente para determinar la hora entera. Como se lee con frecuencia en los documentos antiguos, las horas después de la puesta de sol son representadas por medio de los números ordinales. Por ejemplo, tercera, para representar a las tres horas después de la puesta de sol; quinta, cinco horas después de la puesta de sol, y así sucesivamente.