Di notte le stelle sembrano ruotare uniformemente attorno a un punto fisso: il polo nord celeste, in 23 ore e 56 minuti. Per via dei quattro minuti d'anticipo della rotazione diurna, il giorno seguente alla stessa ora le stelle visibili appaiono lievemente spostate verso ovest. L'accumulo degli spostamenti giornalieri comporta, lungo l'anno, un'ulteriore intera rotazione uniforme delle stelle attorno al polo celeste.

Le rotazioni apparenti annua e diurna delle stelle vennero utilizzate a partire dal XV secolo per determinare l'ora della notte grazie a uno strumento, detto notturnale o notturlabio, costruito in varie fogge.

Su una parte dello strumento sono registrati i mesi e i giorni dell'anno o un equivalente calendario zodiacale. Tenendo il manico del notturnale perpendicolare al suolo, si mira il polo nord celeste, identificato per semplicità con la Stella Polare nella costellazione dell'Orsa Minore, attraverso il foro del rivetto centrale.

Si posiziona quindi un altro disco, recante un quadrante orario, in modo che il relativo indice intercetti sul calendario sottostante la tacca del giorno corrente. Il quadrante orario viene così orientato rispetto alle stelle.

Si ruota infine un secondo indice disponendolo in modo che, guardando il Grande Carro, nell'Orsa Maggiore, ne sfiori le prime due stelle. A questo punto, proprio come la lancetta d'un orologio, l'indice intercetta sul quadrante l'ora della notte.