La saga de l'horlogerie (2)

Cette saga (deuxième partie) de la mesure du temps fait partie d'un triptyque (mesure du temps, aviation et astronautique) qui a été réalisé par des élèves de 4 classes de 3e du collège Georges Pompidou à Orgerus (1997 à 1999) dans le cadre d'une réalisation sur projet encadrée par Solange E. leur professeur de technologie.

Les horloges hydrauliques

Vers 1500 avant J.C., le pharaon Aménophis 1er se fait construire une horloge dont la description sera découverte dans la tombe de son garde des sceaux. Il s'agit d'un récipient évasé, percé d'un orifice dans sa partie inférieure, et dont les parois sont graduées.

On remplit ce récipient d'eau. Celle-ci s'écoule bien sûr par le trou du fond ! Il suffit d'étalonner une première fois ce débit (par des traits sur les parois) pour utiliser ensuite ce "vase percé" comme instrument de mesure du temps !

Cet ingénieux instrument s'appelle la clepsydre.

Ainsi, pendant que les chinois mesurent le temps au rythme de la combustion lente de l'encens, les égyptiens comptent le temps au rythme de l'écoulement de l'eau.

La clepsydre la plus ancienne connue est conservée au musée du Caire. Elle a été fabriqué sous le règne d'Aménophis III (1408-1372 Avant J.C.), période de luxe et de grandeur égyptienne.

La lecture est très approximative et de plus, lorsque le récipient est vide ... il faut le remplir ! On améliore le système en plaçant un flotteur sur le plan d'eau. Il suffit de maintenir sur ce flotteur une figurine tenant à la main un index indiquant l'heure sur une échelle graduée pour obtenir une lecture directe de l'heure.

Mais il faut toujours la remplir lorsqu'elle est vide !

On imagine alors le système inverse. Si l'on plaçait ce même récipient, percé, vide, au-dessus d'une surface d'eau ? Selon le principe des vases communicants, il se remplirait de la même façon. Mais lorsqu'il est plein, il coule au fond de l'eau, et il faut le remonter,... ce qui n'est pas plus facile !

Difficile à manipuler, beaucoup moins précise que le cadran solaire, la clepsydre fonctionne en l'absence du soleil. L'horloge solaire, bien réglée est très précise, mais ne fonctionne qu'avec le soleil ! Ce sont les grecs qui trouvent les premiers la solution en mariant la clepsydre au cadran solaire. C'est ainsi qu'au IIIe siècle avant J.C., on construit en Grèce la première horloge à eau astronomique.

L'emploi des clepsydres se répand alors dans l'empire romain, dans tout l'occident, en Chine, en Inde,...

Elles se perfectionnent, et l'on en trouve sous des formes très diverses encore jusqu'au XIXe siècle. Cette clepsydre fabriquée en 1670 fonctionne à l'aide de tubes enchâssés dans deux globes de verre. Plus besoin de la remplir, elle se retourne comme un sablier.

Mais le principal inconvénient de l'horloge à eau réside dans son principe lui-même : l'eau gèle l'hiver ! Ces instruments, longtemps utilisés par les habitants du sud de la Mer Méditerranée, deviennent inefficaces dès que l'on remonte vers le nord de l'Europe.

 

 

 

 

 

Les horloges mécaniques

De la clepsydre à l'horloge mécanique, il n'y a pas de véritable rupture. On cherche simplement à remplacer le poids de l'eau par le poids d'un solide.

Dans les tous premiers prototypes d'horloges totalement mécaniques le poids est une pierre ou un bloc de métal. On le suspend à une corde enroulée autour d'un cylindre. En descendant, la pierre entraîne le cylindre qui fait tourner un engrenage muni d'une aiguille indiquant l'heure.

Mais un gros problème surgit : la vitesse du poids s'accélère au fur et à mesure de sa chute, et la rotation du cylindre avec ! Comment stabiliser la vitesse de l'ensemble ?

Il faut trouver un dispositif régulateur de la chute du poids. Ce mécanisme s'appelle "l'échappement". La tradition attribue au moine Gerbert d'Aurillac, devenu pape sous le nom de Sylvestre II, l'invention de l'échappement à roue de rencontre, à la fin du 10e siècle.

C'est au début du XIVe siècle, que sera mis au point un échappement à peu près fiable, grâce à l'invention du foliot. Il s'agit d'une lourde barre horizontale servant de balancier, fixé perpendiculairement sur un axe, lui-même relié à l'échappement, bloquant la "roue de rencontre" qui, fixée à l'axe de rotation, tourne sous l'action de la chute du poids. Cette chute est ainsi freinée par la rencontre de l'échappement et de la roue qui s'arrête. Le choc des deux pièces mécaniques provoque un léger "tic". Le poids étant plus fort que l'échappement, il reprend sa course alors que l'échappement, entraîné par le balancier, change de sens, se cogne dans la roue de rencontre, arrêtant de nouveau la chute du poids avec un léger "tac". Et tout recommence, dans un joyeux " tic-tac ", cadencé par l'oscillation du foliot.

C'est le principe de l'horloge à poids qui est encore utilisé de nos jours dans nos traditionnels "coucou".

En 1643, Giovanni di Dondi, physicien et astronome, commence à construire une horloge de ce type pour la ville de Padoue. Il met seize ans à la terminer. Il s'agit d'une réalisation technique exceptionnelle, avec une rotation d'un cercle horaire en vingt-quatre heures. A partir de ce moment, toutes les villes d'Europe se précipitent pour avoir leur première horloge publique. Mais elles ne sont toujours pas autonomes. Il leur faut un "horlogeur" permanent qui remonte les poids, surveille les mouvements et les sonneries, chauffe de l'huile en hiver pour éviter que les rouages ne gèlent. Ces horloges ayant une précision d'environ une heure par jour, il est nécessaire de les remettre à l'heure quotidiennement à l'aide d'un cadran solaire. Les 2 poids règlent la précision. Pour réduire l'encombrement du poids, certains horlogers le remplacent par un ressort en lame d'acier enroulée. En se détendant, il génère une force similaire à celle de la chute d'un corps.

 

Le terme "horloge" est formé des mots grecs "hora" qui signifie "heure" et "legain" qui signifie "dire". Il désigne, depuis le Xe siècle, tout instrument de mesure du temps, c'est à dire aussi bien une clepsydre, un sablier, qu'une horloge solaire, à poids, ou autre.

 

 

Les horloges à pendule

Galileo GALILEI, dit "GALILEE" Astronome et physicien italien, né à Pise en 1564, il fût le premier à observer les planètes avec une lunette en 1609. Il en déduit les mêmes conclusions que Copernic (1473-1543) : la Terre est ronde et tourne autour du soleil, comme les autres planètes. Mais l'Église considérait que la Terre était au centre de l'Univers. Galilée fut donc jugé par l'inquisition en 1633. Il se rétracta pour éviter la peine de mort, mais fut condamné à rester dans sa villa près de Florence, sous la surveillance de l'inquisition. Il y mourut en 1642. Il recevra le pardon du Vatican en ... 1992 !		Christiaan HUYGENS Mathématicien et astronome hollandais, il est né à La Haye en 1629. Son père, diplomate hollandais, lui donne une solide éducation dans le but de le voir suivre ses traces dans la diplomatie. Mais Christiaan se passionne pour la géométrie, les probabilités, l'astronomie, l'optique, la mécanique et devient un brillant scientifique. Il meurt en 1695, après avoir participé à un large développement de l'usage des mathématiques dans la physique expérimentale. On lui doit de nombreuses découvertes, dont la nature des anneaux de saturne et la mise au point de la théorie des ondes lumineuses

 

Vers les années 1600, un jeune homme nommé Galiléo GALILEI assiste à la messe à la cathédrale de Pise. Son attention se détourne alors du sermon de Monsieur le Curé pour observer un lustre qui, suspendu à la voûte par une longue chaîne, se met à bouger sous l'impulsion d'une très légère secousse sismique. Il s'aperçoit que les oscillations lentes, d'avant en arrière, du lustre diminuent peu à peu d'amplitude, mais gardent la même durée.

De retour chez lui, il complète ses observations en suspendant des poids de masses différentes à des cordes de tailles différentes. Après de multiples expériences, il remarque un phénomène extraordinaire et non encore explicable : tous les solides d'une même masse suspendus à une corde d'une même longueur, ont des oscillations de même durée, quelle que soit l'amplitude du balancement. On dit que ces oscillations sont isochrones (du grec : "isos", qui veut dire égal, et "chronos", qui veut dire temps). L'ensemble "corde" et "poids" s'appelle un "pendule", du latin "pendulus" qui signifie "qui pend".

Pendule en mouvement Un pendule est constitué d'un poids suspendu à une simple corde. Ce poids est soumis à deux forces : son propre poids, c'est à dire la gravité, qui agit toujours verticalement, de haut en bas, la réaction du fil qui tient ce poids. Au repos, lorsque le fil est parfaitement vertical, ces deux forces opposées s'annulent, et le pendule ne bouge pas. Mais si on lui donne une légère impulsion, la résultante des deux forces fait osciller le pendule, comme lorsque l'on pousse quelqu'un sur une balançoire.

 

Galilée consacre sa vie à l'étude des phénomènes physiques en essayant de les expliquer par les mathématiques. Il apparaîtra plus tard comme l'un des fondateurs de la mécanique moderne.

Ce n'est qu'en 1641, qu'il essaye d'appliquer cet "isochronisme" du pendule aux horloges à poids, afin d'en augmenter leur précision. Mais il meurt un an après. Son fils poursuit ses travaux, et dessine les plans d'une horloge à poids utilisant un pendule comme régulateur en 1649. Il meurt avant de l'avoir fabriquée.

Pendant ce temps, en Hollande, Christiaan HUYGENS, travaille sur le même sujet. C'est lui qui trouve la façon d'introduire le balancement régulier du pendule au mécanisme qui actionne les aiguilles d'une horloge. La première horloge à pendule est construite en 1657 et ne "prend" plus que cinq minutes d'avance ou de retard maximum par jour. On l'appelle ainsi "horloge de précision".

Comme pour la balançoire, il faut relancer le mouvement du pendule par l'apport d'une source d'énergie pour maintenir l'amplitude de l'oscillation constante. C'est la chute du poids qui fournit cette énergie. Lorsque le poids est complètement descendu, il faut le "remonter". Avec le temps, "l'horloge à pendule" s'appellera "pendule", d'où l'expression : "remonter la pendule".

Le "remontage de la pendule" quotidien devient vite une corvée car le poids est lourd. De plus, ces horloges sont nécessairement hautes et encombrantes. Huygens a alors l'idée de remplacer l'énergie du poids qui descend par l'énergie du ressort qui se détend, comme pour les horloges mécaniques à ressort.

 

 

A cette époque, la mer représente une voie de communication extrêmement importante pour le développement des nations. Déterminer une position en mer, c'est à dire "faire le point", nécessite de connaître simultanément la latitude et la longitude du lieu. Or, si les marins savent calculer la latitude depuis l'Antiquité, grâce à la position des astres, la longitude nécessite une précision horaire que les horloges à pendule savent fournir. Mais elles ne peuvent s'utiliser sur un bateau ! (voir encadré ci-contre).

En 1669, les États Généraux de Hollande proposent 3000 florins pour récompenser tout progrès de la mesure du temps en mer.

Huygens met au point la première horloge de précision maritime. Il suspend l'horloge au plafond par un cadre métallique. L'axe du pendule reste ainsi horizontal quel que soit le tangage du navire. Cette précision va permettre d'introduire sur le cadran l'aiguille des minutes.

Mais un nouveau problème technique surgit : le métal se dilate à la chaleur. Quand il fait chaud, la pendule retarde, quand il fait froid, la pendule avance.

 

à suivre...