La definición convencional de que un día dura 24 horas es una media matemática, no una realidad física constante. El día solar verdadero, medido entre dos pasos consecutivos del Sol por el meridiano, varía a lo largo del año debido a la elipticidad de la órbita terrestre y la inclinación de su eje. En el perihelio, cerca del 6 de enero, los días se alargan, mientras que en el afelio, alrededor del 4 de julio, se acortan. Esta variación, que puede alcanzar unos 30 segundos, es la causa de la ecuación del tiempo, la diferencia entre el tiempo solar verdadero y el tiempo solar medio utilizado por los relojes atómicos.
Este fenómeno genera el analema, una curva en forma de ocho que representa la trayectoria del Sol en el cielo si se fotografía a la misma hora durante un año. La forma de esta figura depende de la excentricidad orbital y la inclinación axial. Además, la rotación terrestre no es constante; la fricción de las mareas frena la rotación a unos 2 milisegundos por siglo, aunque desde 2020 la Tierra gira ligeramente más rápido. En julio de 2024 se registró el día más corto desde la historia, con 1,66 milisegundos menos que la media. Para mantener la sincronización entre el tiempo atómico y la rotación, se han utilizado segundos intercalares, aunque la Conferencia General de Pesas y Medidas decidió eliminarlos en 2035, manteniendo así la conveniencia de los 24 horas.