Fin dall'Età Ellenistica si costruirono strumenti fondati sulla proiezione dell'ombra di uno stilo su un quadrante. Tali strumenti, detti meridiane, abbinavano l'idea che il Sole scandisca il tempo ruotando giornalmente in maniera uniforme attorno alla Terra immobile all'analisi geometrica della proiezione dell'ombra dello stilo sopra superfici variamente inclinate.

Nelle meridiane concettualmente più semplici uno stilo verticale è infisso in un quadrante orizzontale. Tre curve indicano i tracciati giornalieri dell'estremità dell'ombra in determinati giorni dell'anno. La più lontana dallo stilo segna il tracciato al solstizio invernale, quando il Sole si muove alla minima altezza sull'orizzonte. L'intermedia indica il tracciato sia all'equinozio di primavera, sia all'equinozio d'autunno, quando giorno e notte si uguagliano. La più vicina allo stilo segna il tracciato al solstizio estivo, quando il Sole si muove all'altezza massima sull'orizzonte.

Una seconda serie di linee divide le curve precedenti in tratti disuguali, che sono però coperti dall'estremità dell'ombra in un'ora ciascuno. Al mattino d'un giorno qualsiasi l'ombra compare slanciata verso ovest. Per le prime sei ore del giorno s'accorcia sempre più, fino a divenire minima a mezzodì. Essa torna a allungarsi nelle sei ore successive fino a scomparire verso est al tramonto.

Osservando attentamente l'ombra proiettata sul quadrante d'una meridiana si può quindi stabilire non solo che ore sono, ma anche in quale periodo dell'anno ci si trova.

Il termine "meridiana" indica quel tipo di orologio solare che segna solo il mezzogiorno, ovvero segnala quando il Sole è sopra il meridiano locale . Tuttavia la maggior parte delle persone si esprime così: quella meridiana segna le 4 del pomeriggio. Forse il vocabolo "meridiana" è più misterioso o affascinante del vocabolo "orologio", ma è più corretto dire che quell'orologio solare segna le 4 del pomeriggio.

Con l'orologio solare di fig. 1(gnomone verticale), il mezzogiorno si legge bene perchè tutto il tratto di ombra cade completamente sopra la linea delle ore 12, invece per le altre ore la lettura è più difficoltosa perchè ci si deve riferire solo all'estremità dell'ombra che è sempre sfumata. Nei piccoli orologi solari orizzontali, come quelli costruiti su tavoli da giardino o nei giardini stessi, per ovviare a questo inconveniente, si usa mettere uno gnomone non verticale ma parallelo all'asse terrestre che viene detto "gnomone polare". Così facendo, a tutte le ore, l'ombra cadrà completamente sopra le relative linee dette "rette orarie" come mostrato in figura 2.

Gnomone:
Gnomone deriva dal greco “gnomon”, che vuol dire indagatore, conoscitore, giudice. Lo gnomone è quindi, in generale, l’elemento per mezzo del quale si conoscono le ore e le altre informazioni su un quadrante solare. Il più antico gnomone poteva essere costituito da un semplice bastone piantato verticalmente nel suolo, ma in questo caso la direzione dell’ombra non è sempre uguale durante l’anno. Sono occorsi più di due millenni alla gnomonica per adottare definitivamente uno stilo parallelo all’asse terrestre che elimina tale inconveniente. Riferendoci ad un quadrante solare murale verticale non declinante, possiamo definire l’Assostile come lo stilo impiantato parallelamente all’asse terrestre; l’ortostilo, impiantato perpendicolarmente al piano nel punto d’intersezione tra la retta “alba-tramonto” e la linea meridiana che costituisce il “piede” dell’ortostilo; il Substilo, che è la retta sul piano del quadrante condotta dal centro del quadrante al piede dell’ortostilo. Questi tre elementi formano un triangolo detto “triangolo gnomonico”, o “triangolo stilare” e anticamente venivano denominati, rispettivamente, “hypotenusa”, “cateco” e “base” del triangolo stilare. E’ da rilevare che la direzione dell’ombra dell’assostilo serve per la lettura dell’ora, mentre solo il suo vertice permette di leggere le indicazioni calendariali. Dell’ortostilo, solo il vertice d’ombra serve per la lettura dell’ora e del calendario in un orologio solare.

Stilo polare: stilo parallelo all'asse terrestre che punta alla stella Polare, cioè al Polo Nord celeste.

Punto gnomonico: è l'estremità libera dello stilo o gnomone, oppure il foro gnomonico (sigla mnemonica PG). Nella gnomonica si considera PG il centro della rotazione apparente del Sole agli equinozi; nei quadranti solari con assostilo è il PG che segna le indicazioni calendariali, nei quadranti solari con ortostilo il PG segna sia l'ora sia le indicazioni calendariali.

Ore Ineguali:
sono dette anche Temporali, Temporarie, Antiche, Naturali, Ebraiche, Giudaiche, Bibliche, Canoniche, Planetarie, ecc. Esse sono le più antiche e si computano a partire dall’alba del Sole, al tramonto dividendo l’arco diurno sempre in dodici parti uguali. Ne consegue che esse sono più corte d’inverno e più lunghe d’estate.

Ore Eguali:
si dividono in Equinoziali, denominate anche “Comuni”, “Europee”, “Volgari”, “Oltramontane”, “Francesi”, “Tedesche”, “Moderne”, “di Napoleone”. Si contano da una mezzanotte all’altra. “Astronomiche”, da un Mezzogiorno al successivo. “Babilonesi”, o “della Boemia”, “ab Ortu”, si contano da un’alba (ora 0) alla successiva (ore 24). “Italiche”, dette anche “Peregrine” (Vimercato), “ab Occasu”, “Vespertine”, “dell’Ave”, si contano da un tramonto del Sole (ora 0) al successivo (ore 24).

Ore babiloniche:
sono contate dal sorgere del sole ed hanno durata uguale.
Ore italiche:
sono contate dal tramonto del sole ed hanno durata identica
Ore francesi:
sono contate da mezzanotte a mezzanotte ed hanno durata identica

L'analemma è un diagramma grazie al quale è possibile conoscere la differenza tra il mezzogiorno reale e il mezzogiorno medio nelle diverse parti del mondo e in qualsiasi giorno dell'anno. Esso è costituito da una curva chiusa che attraversa i quattro quadranti delimitati rispettivamente dalla declinazione solare 0° per quanto riguarda le ordinate, e l'asse verticale 0, che rappresenta il mezzogiorno medio, per quanto concerne le ascisse. La curva interseca l'asse verticale 0 solamente in quattro punti, che rappresentano i quattro giorni in cui il mezzogiorno reale corrisponde al mezzogiorno medio: il 15 aprile, il 14 giugno, il 31 agosto e il 24 dicembre. La differenza massima tra il mezzogiorno reale e quello medio si verifica il 4 di novembre, giorno in cui il mezzogiorno reale è in anticipo di oltre 16 minuti sul mezzogiorno medio. Più la curva si allontana dall'asse 0, più è alta la differenza tra i due diversi mezzogiorni.

Analemma ottenuto fotografando il Sole sempre alla stessa ora durante il corso dell'anno

analemma per la determinazione dell'equazione dei valori del tempo	quadrante solare con le ore rappresentate da lemniscate

Ciò è dovuto al moto di rivoluzione terrestre; quando la Terra si trova in afelio, la sua velocità è minima, mentre in perielio è massima. Questo spiega perché nel grafico il raggio di curvatura dei mesi invernali è ben più grande che nei mesi estivi: nei mesi tra novembre e febbraio, infatti, la Terra attraversa il perielio, per cui la durata del giorno vero è particolarmente lunga, rispetto a quella del giorno medio, visto che, non solo la sua velocità è maggiore, ma anche perché si trova in corrispondenza di uno dei punti di massima curvatura. Nella parte sinistra del diagramma, il forte anticipo sommato un precedenza si riduce dai 16 minuti iniziali fino a raggiungere lo 0 (il 24 dicembre) per poi riaccrescersi rapidamente, nel solo mese di gennaio, sino ad un ritardo di 14 minuti. È pertanto possibile determinare, sempre grazie all'analemma, il differente momento del mezzogiorno per ogni giorno dell'anno, tenendo sempre presente che tale differenza non supera mai i 40 secondi. Poiché l'asse verticale 0 rappresenta il mezzogiorno medio, la somma delle aree dei settori di sinistra è uguale alla somma delle aree dei settori di destra.
Tutti questi riferimenti sono validi se li consideriamo rispetto al meridiano centrale del fuso orario; è comunque possibile sapere esattamente i minuti di ritardo o di anticipo del mezzogiorno vero rispetto al mezzogiorno degli orologi anche lungo i meridiani che si trovano ad una differente longitudine. Per ogni grado di longitudine ovest l'equazione del tempo si posticipa di 4 minuti, mentre per ogni grado di longitudine est si anticipa dello stesso tempo.