La saga de l'horlogerie (3)

Cette saga (troisième 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 électriques

L'électricité est connue depuis longtemps, mais malgré les travaux de Benjamin Franklin (1706 -1790), personne n'a encore jamais réussi à générer cette énergie.

En 1800, l'italien Alessandro VOLTA (1745-1827) présente le premier système capable de générer un courant électrique continu constant. Il s'agit d'une pile de disques métalliques disposés de la façon suivante :

- un disque de cuivre,
- un morceau de carton ou de chiffon imbibé d'un liquide acidulé,
- un disque de zinc,
- un morceau de carton ou de chiffon imbibé d'un liquide acidulé,
- et ainsi de suite,

de façon à former "une colonne aussi haute qu'elle peut se tenir sans s'écrouler" (c'est la description qu'en fit Volta lui même).

Cette nouvelle source d'énergie révolutionne bien sûr le monde des sciences et des techniques.

Ainsi, en horlogerie, se pose le problème de la remontée du poids ou du ressort pour les horloges à pendule. A cette époque, seule l'énergie musculaire, fiable mais fatigante, permet cette remontée chaque jour ! Comment utiliser cette nouvelle source d'énergie pour réduire la fatigue humaine ?

Un grand physicien danois, OERSTED, observe pour la première fois en 1819, qu'un courant électrique agit sur l'aiguille d'une boussole en la faisant dévier. De nombreux autres physiciens, dont AMPERE, étudient ce phénomène et aboutissent à la réalisation de l'électro-aimant : lorsqu'un courant le traverse, il s'aimante, lorsque le courant cesse, il se démagnétise.

On commence par utiliser la force de cet électro-aimant pour remonter le poids des horloges ou retendre leur ressort. Le principe est simple : dès que le poids touche le bas de l'horloge, le circuit électrique se ferme, faisant passer le courant d'une pile dans l'électro-aimant qui remonte alors le poids. Dès que le poids est remonté, le circuit électrique s'ouvre, coupant ainsi le passage du courant dans l'électro-aimant qui se démagnétise. Le poids reprend alors sa chute normalement.

Puis une autre idée germe dans l'esprit d'un écossais, Alexander Bain : faisons agir directement ce même électro-aimant sur le balancier ! Cela supprimera purement et simplement le poids ou le ressort moteur. En 1840, il dépose le brevet d'une horloge dont le pendule oscille sous l'action d'un électro-aimant alimenté par une pile. Le pendule actionne lui-même, à chaque oscillation, un contact électrique (un interrupteur) qui ouvre ou ferme le circuit.

Le long et lourd pendule peut alors être remplacé par une simple barre légère de métal. Les horlogers sont bien sûr satisfaits, mais la " course après le temps " pousse les chercheurs à se mettre en quête d'autres solutions, rendant les horloges encore plus précises, encore moins encombrantes.

On s'oriente alors vers la recherche de système " vibratoire ", c'est à dire dont les oscillations sont extrêmement courtes et rapides. On les appelle des "résonateurs". C'est ainsi que l'on fabrique une horloge à l'aide d'un diapason qui vibre sous l'action d'un courant alternatif. Sa précision est de l'ordre de la seconde par jour.

Les horloges à quartz

Le quartz, composé de silice et d'oxygène, est le minéral le plus répandu à la surface de la Terre. Présent dans de nombreuses roches (granite, sable, grès), il est incolore à l'état pur. Mais s'il contient des impuretés, il se pare de jolis reflets mauves, jaunes, ... On l'appelle alors : améthyste, topaze, ...

Cette roche se présente sous forme de cristaux que l'on peut tailler. En 1880, Pierre et Jacques CURIE (voir encadré) découvrent que ce cristal très dur, selon la manière dont il est taillé, peut vibrer de façon très régulière s'il est soumis à une action mécanique (pression ou traction). Cette vibration s'accompagne d'une "différence de potentiel" entre ses deux extrémités. Inversement, si l'on applique un courant alternatif entre ses deux pôles, il vibre et se transforme en oscillateur. Ce phénomène s'appelle la "piézo-électricité". Le nombre d'oscillations par seconde s'appelle "la fréquence". Or, cette fréquence possède les deux qualités les plus recherchées pour mesurer le temps :

- elle est très stable, c'est à dire qu'elle ne change pas, et les physiciens savent la calculer avec une grande précision,·
- elle est extrêmement élevée.

Pierre CURIE, physicien français né à Paris en 1859, entre très jeune avec son frère Jacques (1855-1941) dans la recherche scientifique. Ils découvrent ensemble en 1880 la piezoélectricité.

En 1895, il épouse Marie SKLODOWSKA, polonaise, qui s'associe à ses travaux sur la radioactivité. Après avoir partagé avec sa femme, en 1903, le prix Nobel de Physique, il meurt en 1906, écrasé par un camion. Marie continue alors ses recherches et obtient en 1911 un deuxième prix Nobel, qu'elle partage avec Pierre à titre posthume.

L'opinion publique conservera dans sa mémoire un groupe de noms indissociables "Pierre et Marie CURIE", symbole d'une grande histoire d'amour dans l'histoire de la science.

Le quartz vibre 32.440 fois par seconde ! Imaginez le pendule de GALILÉE qui oscillerait à une telle vitesse : impensable !

Il va suffir de recueillir cette vibration pour obtenir une mesure du temps avec une précision encore jamais égalée : de 0,1 à 0,5 seconde par jour. C'est à dire qu'une montre à quartz sera 50 fois plus précise que la meilleure des montres mécaniques !

Cette découverte va bien sûr révolutionner l'horlogerie.

En 1936, une première montre à quartz est fabriquée industriellement. Mais la 2ème guerre mondiale, qui éclate en 1939, en empêche sa commercialisation.

En 1952, un horloger français, Fred LIP, propose sur le marché un modèle de montre à quartz utilisant une pile électrique. Trop grosse, trop lourde, trop chère, cette montre ne se vend pas.

En 1956, au Congrès International de Chronométrie, à Paris, un quartz synthétique, mis au point aux USA, permet d'abaisser les coûts de production.

Il reste à réduire le poids et l'encombrement. Une idée lumineuse germe alors dans la tête des chercheurs, fortement influencés par les progrès exceptionnels de l'électronique à cette époque : " et si l'on remplaçait les traditionnelles aiguilles par un affichage direct des chiffres ?

Sept petits bâtonnets lumineux, éclairés ou non, peuvent en effet former tous les chiffres :

Mais, comment afficher ces bâtonnets ?

L'électronique, confrontée aux mêmes problèmes de poids et d'encombrement des composants, va voler au secours de l'horlogerie.

En 1959, Texas Instrument met au point un des premiers circuit intégré, dans le principal but de réduire la taille des ordinateurs, et d'accélérer leur vitesse de calcul.

Un circuit intégré est un ensemble de composants électroniques simples (résistances, diodes, condensateurs, transistors,...) miniaturisés, connectés entre eux sur une toute petite plaque (quelques mm) de silicium, appelée "puce". Concevoir un calculateur en circuit intégré devient alors possible. C'est ainsi qu'un électronicien suisse, Max HETZEL, met au point la première horloge pourvue d'un oscillateur à quartz et d'un circuit intégré assurant les fonctions de comptage et d'affichage.


Circuit intégré et affichage digital	Circuit intégré et affichage à aiguilles

La NASA s'en sert pour déclencher des commandes sur les satellites artificiels.

C'est en septembre 1969, lors du colloque international de chronométrie, à Paris, que l'on présente pour la première fois une montre-bracelet à quartz fabriquée en série : l'ère de la montre à affichage digital est née.

Les trois problèmes rencontrés par M. LIP sont enfin résolus, mais le principal reste à faire : séduire le client . En effet, ces premières montres à quartz ressemblent plus à un calculateur électronique qu'à une horloge !

Elles n'ont pas d'aiguilles, ne se remontent pas, ne chantent plus "tic", "tac" "tic", "tac"... cette agréable mélodie que l'on fait écouter avec délice à "bébé qui sourit" ! Cela nécessite de changer les habitudes et les mentalités du public !

C'est la société japonaise SEIKO qui, en 1972, réussi la première à s'introduire sur le marché. Mais le prix de cette technologie reste élevé, et seule une faible couche de la population peut se l'offrir.

SEIKO, change alors son procédé de découpage du quartz et réussi à baisser ses coûts de production. L'horloge à quartz à affichage digital envahie ainsi toutes les couches de la population.

Pendant ce temps, les autres fabricant réussissent à associer l'oscillateur à quartz et le cadran à aiguilles. Le mariage de la plus haute technologie de précision et de l'orfèvrerie est ainsi réalisé.

L'horloge atomique

L'atome est constitué d'électrons qui gravitent sur des orbites autour d'un noyau, un peu comme le système orbital des planètes autour du Soleil. Les orbites sont situées à différentes distances du noyau.

Contrairement aux planètes, les électrons peuvent changer d'orbite s'ils sont "excités" par un apport d'énergie externe. Le déplacement des électrons d'une orbite à l'autre s'appelle la transition.

Mais, l'électron " n'aime pas " tourner sur une orbite qui n'est pas la sienne .Ainsi, cherche t-ilà revenir très vite dans sa position initiale. Comme un ressort qui oscille pour reprendre sa position d'équilibre, l'électron change d'orbite en transitant d'une orbite à l'autre plusieurs fois par seconde. Ce nombre d'oscillations correspond à sa fréquence. Cette fréquence, possède les deux mêmes qualités que celles du quartz en oscillation :

- la stabilité,
- la rapidité.

Mais ces qualités sont multipliées par 100 000 !

Ainsi, l'électron de Césium excité vibre 9 192 631 770 fois par seconde ! Plus de 9 milliards d'aller-retour pour un électron en une seconde !

C'est en 1955 que la première horloge utilisant ce procédé a été mise en service.

Jusque là, on avait défini le temps comme la division des jours, laquelle dépendait de la rotation de la terre autour du soleil.

Mais on sait maintenant que la rotation terrestre est irrégulière. La Terre tourne plus ou moins vite autour du Soleil, c'est à dire que 24 heures sont plus ou moins longues.

Une seconde calculée en divisant la longueur d'une journée par 86.400 implique qu'une seconde aujourd'hui peut être plus longue ou plus courte qu'une seconde demain !

Horloge atomique à hydrogène

Cette extrême précision va permettre à la planète entière de vivre à une heure unique. En 1967, lors de la treizième Conférence générale des Poids et Mesures, le Système International d'Unités définit la seconde comme la durée de 9.192.631.770 périodes de l'onde émise par un électron pour passer d'une couche à l'autre dans un atome de Césium.

En 1972, cette définition du temps, rendue obligatoire pour dater les événements scientifiques, est appelée le TAI : Temps Atomique International.

Jusque là, on avait défini le temps comme la division des jours, laquelle dépendait de la rotation de la terre autour du soleil. Mais on sait maintenant que la rotation terrestre est irrégulière. La Terre tourne plus ou moins vite autour du Soleil, c'est à dire que 24 heures sont plus ou moins longues. Calculer la seconde en divisant la longueur d'une journée par 86.400, implique qu'une seconde aujourd'hui peut être plus longue ou plus courte qu'une seconde demain !

Le système GPS (Global Positionning System) fournit la position de tout récepteur à partir de 24 satellites situés à 20 000 km d'altitude et des horloges atomiques. Ce système se retrouve partout : dans les mesures des tremblements de terre, de la dérive des continents, sur les voitures du Paris-Dakar, ou celles de la RATP.

Ces horloges atomiques à jet de Césium ont pour dimensions : 40 cm X 30 cm X 50 cm Leur exactitude est d'environ 1 seconde de variation tous les 300.000 ans !

Qui est chargé de les remettre à l'heure ?

Le récepteur GPS calcule sa position en mesurant le temps que met le signal que le signal soit émis par chaque satellite pour venir jusqu'à lui.

à suivre...