La mesure du temps et normalisation de l’heure

La normalisation de l’heure

Aussi longtemps que l’heure est donnée par des cadrans solaires, chacun trouve «midi à sa porte» : selon l’heure solaire, l’heure de Strasbourg est de 49 minutes en avance sur celle de Brest. Le développement des communications ferroviaires nécessite l’abandon des heures locales pour l’adoption d’une heure nationale, normalisée plus tard selon les principes d’un temps universel.

Pas de normalisation de l’heure sans mesure du temps!

Le cadran solaire cubique fabriqué par E. C. Stockert, à Nuremberg (Allemagne) entre 1750 et 1780.

1811 : L’Angleterre adopte une heure commune. La France attendra 1891. C’est le déclin des heures locales, accéléré par le télégraphe qui permet dès 1850 la distribution directe de l’heure.

1885 : À l’échelle internationale, apparaît également la nécessité de coordonner les heures. Une conférence internationale, réunie à Washington, accepte le principe d’une division de la planète en 24 fuseaux horaires en prenant le méridien de Greenwich comme référence. La France vote contre et continue à utiliser le méridien de Paris jusqu’en 1911.

1919 : Un Bureau International de l’Heure est créé à Paris pour synchroniser les différents signaux émis par les observatoires, transmis à partir de 1960 par les satellites.

Le cadran solaire

le temps des astres pour les dates des Dieux.

Le passage du Soleil au zénith est une manifestation tangible et reproductible. L’idée d’utiliser le Soleil et la Lune pour la mesure du temps remonte à plusieurs dizaines de siècles avant J.C. Le besoin de connaître l’heure et la date était dicté par les impératifs religieux, d’où le lien tenace des calendriers avec l’astrologie.

Cadran solaire et astrolabe sont simples dans leur principe mais leur réalisation, leur sophistication et la précision atteinte sont étroitement liées aux connaissances en astronomie et à l’image du monde de chaque civilisation.

L’idée de planter un bâton dans le sol pour observer l’ombre portée par le Soleil est si simple qu’elle a été utilisée très tôt en différents endroits de la planète.

On trouve des traces de cadrans solaires sur des monuments égyptiens remontant à 1 500 av. J.-C. Mais ce sont les Grecs qui en ont fait des objets scientifiques, basés sur des calculs mathématiques complexes.

Le summum est probablement atteint par le cadran de Fléchet, conçu pour le chemin de fer, et dont la précision va jusqu’à la seconde !

Le plus ancien gnomon vertical connu (forme la plus simple du cadran solaire) date du XIe av. J.C. à Babylone. Le mot gnomon est grec mais l’instrument est très antérieur à la civilisation hellène ; les Chinois prétendent l’avoir utilisé au XXIVe siècle avant notre ère !

Le conflit entre hauteur du bâton et netteté de l’ombre (dû au fait que la Soleil n’est pas ponctuel) limite la précision du gnomon. La théorie du plus simple des cadrans solaires nécessite de repérer la position du Soleil, à un moment donné et à une latitude géographique donnée, dans des coordonnées sphériques convenables, puis à déterminer graphiquement dans un plan les arcs qui représentent ces coordonnées. C’est à Ptolémée que l’on doit les systèmes de représentation de la sphère sur le plan utilisés pour l’astrolabe, les gnomons et en géographie : il donne les règles de construction d’une grille de courbes représentant les cercles de longitudes et de latitudes géographiques constantes.

Depuis Aristarque, on savait que le mouvement apparent du ciel autour de l’axe des pôles (axe du monde) était dû à la rotation de la terre sur elle-même ; au début du Ve siècle avant J.C., Parménide parle pour la première fois de la sphéricité de la Terre et au IVe siècle av J.C., Eudoxe suggère l’idée d’une sphéricité analogue du ciel.

Plus le cadran sera une réplique de la sphère céleste, plus le mouvement du Soleil sera facile à représenter. C’est l’idée du polos, réplique de la voûte céleste.

Dans le polos, la surface plane sur laquelle se projette l’ombre du gnomon est remplacée par une surface sphérique concave tournée vers le haut, avec un style dont l’extrémité libre arrive au centre de l’hémisphère. La modestie de ses dimension limite sa précision mais le polos s’adapte à la fois aux heures égales et aux heures inégales (la durée du jour variant avec les saisons, l’ombre du style parcourt moins de divisions en un jour d’hiver qu’en un jour d’été. Jusqu’au moyen âge, on divise le temps en 12 heures de jour et 12 heures de nuit quelle que soit la saison, d’où des heures de durées inégales selon la saison).

Le polos est une des étapes qui passe du gnomon au cadran solaire équatorial : le style est dirigé vers le pôle, parallèlement à l’axe du monde pour que la direction de son ombre soit toujours la même pour une heure donnée, quel que soit le jour considéré.

Les cadrans solaires, utilisés jusqu’au XIXe siècle ont des limitations évidentes : ils sont inutilisables la nuit ou par temps brumeux, leur précision est limitée à la minute, ils sont peu transportables et ne permettent pas de connaître l’heure dans un autre lieu.

« Connaître tout le prix du temps, c’est savoir vivre. »

 

Le sablier et la clepsydre

On ne trouve aucune trace de sablier avant le XIVe siècle pour la mesure du temps. Indispensable sur les bateaux, il était utilisé également pour mesurer la durée d’une leçon, d’un sermon, le temps de travail dans les ateliers et, jusqu’au XIXe siècle, le pouls des malades !
Les intervalles de temps que mesuraient les sabliers étaient variables et pouvaient aller de quelques secondes à 24 heures.

Sablier du XVIIIe siècle utilisé en particulier pour la mesure du temps sur les grands voiliers avant les horloges marines.

Clepsydre à tambour, fin du XVIIIe siècle, avec une sonnerie pour réveil.

Les clepsydres sont des horloges à eau, actionnées par l’écoulement régulier et contrôlé de l’eau d’un réservoir. Elles ont été couramment utilisées de l’Antiquité au moyen âge.

Dans cette clepsydre, l’eau placée à l’intérieur d’un tambour est ralentie par son passage à travers de petits orifices et s’écoule goutte à goutte, faisant tourner le tambour. Cette rotation fait descendre lentement le tambour.

Son axe indique l’heure sur une règle verticale graduée.

L’horloge

Le mot horloge signifie, en grec : indiquer l’heure.

L’industrie de l’horlogerie crée des appareils mécaniques destinés à mesurer l’écoulement du temps exprimé en jours, heures, minutes, secondes et fractions de secondes.

La grande nouveauté apportée par Huygens à la mesure du temps est l’introduction, dans l’horloge, d’une référence de temps (oscillation d’un pendule) indépendante du système d’énergie nécessaire à entretenir le mouvement (poids ou ressort).

Éléments d’une horloge mécanique:

– un pendule dont l’oscillation sert de référence de temps,

– l’emploi comme force motrice d’un poids suspendu à une corde enroulée sur l’axe du premier engrenage (ou d’un ressort que l’on tend),

– un train d’engrenages transmettant l’effort moteur à l’échappement,

– l’échappement, petit système mécanique intermédiaire entre le pendule et le poids moteur. Modérateur et régulateur il freine et « découpe » la chute du poids selon les battements du pendule,

– un système d’affichage à aiguilles.

Le chronomètre

Chronomètre de marine de Pierre Le Roy présenté à Louis XV en août 1766.

L’échappement libre à repos, inconnu à l’époque, la compensation thermique du balancier et le spiral assurant l’isochronisme, ces trois innovations en font un instrument très en avance sur son temps.

L’isochronisme est recherché au moyen de deux spiraux (petits ressorts qui règlent le mouvement du balancier) enroulés en sens inverse et à points d’attache fixes. La compensation thermique du balancier est obtenue par le déplacement du mercure dans deux fragiles ampoules de verre.

Étymologiquement, chronomètre est le terme générique des instruments qui servent à mesurer le temps. C’est ainsi qu’on nomme encore les horloges marines de Le Roy ou Berthoud au XVIIIe siècle.

Aujourd’hui le chronomètre désigne plutôt une sorte de montre très exacte qui sert dans les mesures scientifiques : un instrument de précision que l’on peut déclencher et arrêter à volonté.Pierre Le Roy

La seconde

La précision atteinte par les horloges atomiques amène à une nouvelle définition de la seconde. Jusque là elle avait été la 86 400e fraction du jour solaire moyen. Elle devient la «durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les 2 niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133».

Le délire ultra-plat

Depuis 1978, date de sortie, au Japon, de la montre la plus mince du monde, on assiste à une révolution technologique dans la construction des montres pour résoudre les problèmes d’encombrement et de rigidité :
diminution du nombre de pièces (91 pour un montre à quartz traditionnelle, 51 pour la skin dont l’épaisseur est de 3,9 mm), combinaison de structures métalliques et de plastiques à haute résistance, nouvelles techniques d’assemblage du verre et du boîtier.

Quelques horlogers célèbres

Christiaan Huygens

Christiaan Huygens, Sir de Zulichem,

1629 (La Haye) – 1695 (La Haye),

physicien et astronome hollandais.

Ses recherches sur les mouvements vibratoires pour perfectionner la mesure du temps conduisent Huygens à révolutionner la précision de l’horlogerie mécanique.

Sur le plan théorique, son horloge à pendule aide à l’édification de la mécanique rationnelle, en servant à la démonstration expérimentale de la loi du mouvement du pendule cycloïdal.

En établissant la théorie du pendule au moyen de la notion des moments d’inertie, Huygens précise les notions de masse, de force et d’accélération, initiées par les travaux de Galilée.

1656-1657 : il invente le balancier régulateur des pendules, fondé sur le principe de l’isochronisme des petites oscillations (travaux de Galilée).

Les horloges à pendule qui succèdent aux horloges à foliot atteignent des degrés de précision inégalée: pas plus de 5 minutes de variation  par jour.

A peine a-t-il inventé l’horloge à pendule qu’il se préoccupe de l’utiliser sur les navires. La détermination de la longitude par le transport de l’heure était une question fondamentale pour la navigation et la connaissance de la terre. Huygens en est le précurseur.

1665 : Huygens s’établit à Paris où il séjourne quinze ans ; protégé de Louis XIV et de Colbert, il siège à la l’Académie royale des Sciences dès sa fondation.

1675 : il invente le ressort à spiral réglant, qui multiplie la précision par cinq.

1675 : Thuret réalise la première montre à spiral qui atteint une justesse très proche des montres actuelles.

L’abbé d’Hautefeuille et le docteur Hooke en Angleterre ont fait état de réalisations antérieures de tels dispositifs. Des essais avaient effectivement été menés avec des ressorts de rappel du balancier de formes diverses, en particulier avec des ressorts droits. Mais le ressort spiral, qui s’imposera par la suite, est bien un perfectionnement original de Huygens.

1692 : à Paris, une association d’horlogers se regroupe autour d’Hautefeuille pour contourner le « privilège » accordé à Huygens.

Huygens a été le premier à songer à utiliser la force d’expansion de la vapeur d’eau. En 1666, il soumet à Colbert un programme d’expériences incluant l’examen « de la force de la poudre à canon en l’enfermant en petite quantité dans une boîte de fer ou de cuivre fort épaisse » et celui « de la force de l’eau raréfiée par le feu ». C’est au cours de sa collaboration avec Denis Papin qu’il fabrique, en 1673, une machine à poudre, première ébauche du moteur à combustion interne avant même que la machine à vapeur ne soit réellement apparue.

Il développera aussi le télescope réfracteur avant que Newton ne mette au point en 1668 le premier téléscope réflecteur, dont la technique est à la base de nos télescopes optiques modernes.

Pierre Le Roy

1717 (Paris) – 1785 (Vitry),

horloger français.

Fils de Julien Le Roy, horloger du roi, il sera maître horloger comme son père et son oncle (1737) et horloger du roi ; il est réputé pour avoir ravi aux Anglais la supériorité en horlogerie de précision.

Pierre Le Roy est proche de l’ingénieur moderne qui calcule avant d’exécuter et qui préfère la rigueur scientifique à l’empirisme : l’un des plus instruits des grands horlogers de son temps.

Il obtient un logement au Louvre qu’il partage avec son frère.

1748 : il met au point l’échappement libre, dit à coup perdu, un progrès, important dans la mécanique horlogère, une innovation remarquable sur le plan théorique, mais peu exploitée.

1754 : un premier projet de montre marine est déposé. Dotée de modifications, elle deviendra en 1766 un chronomètre de marine, présenté au roi Louis XVI.

La chronométrie moderne doit beaucoup à cette pièce remarquable aux trois innovations majeures : l’échappement libre, la compensation thermique du balancier, le spiral assurant l’isochronisme.

Comme Ferdinand Berthoud, Le Roy est l’un des plus brillants constructeurs de chronomètres du XVIIIe. Lors d’un périple atlantique par Madère, la Martinique, Terre Neuve et l’Islande, le chronomètre de Le Roy est examiné en concurrence avec l’ horloge de marine n° 8 de Berthoud.

Une rivalité s’installe entre Le Roy et Berthoud. De violentes polémiques  s’ensuivent (1773). Leroy, d’une santé fragile, préfère abandonner ses recherches et ses travaux et se retire à la campagne.

Ferdinand Berthoud

1727 (Plancemont, Suisse) – 1807 (Groslay),

horloger suisse.

Un des grands horlogers qui ont contribué à l’évolution de la mécanique de précision.

Maître de la chronométrie, Berthoud travaille sur les impulsions données au balancier. Il met au point l’ échappement à coup perdu, dit « à détente », des chronomètres de marine qui apporteront considérablement à la navigation maritime, permettant une détermination fiable des longitudes en mer. Ce principe n’a pu cependant être adapté aux montres portatives.

Fils d’un architecte de Val-Travers, Berthoud débute chez son frère architecte, comme apprenti.

1745 : il s’établit à son compte à Paris, rue de Harlay où il séjourne jusqu’en 1806.

1754 : il devient maître horloger.

1786 : horloger pensionnaire du Roi et inspecteur général des machines pour

la Marine.

De 1760 à 1795, il étudie des régulateurs de précision, des horloges et des montres marines. Exécutant remarquable, mais peu soucieux des apports théoriques, Berthoud commence par des machines étranges et inutilisables qui lui montrent surtout ce qu’il ne faut pas faire.

Puis il entreprend une série de petites horloges dont toutes les parties sont méthodiquement essayées et modifiées (force motrice à poids ou à ressort, échappement, compensation). Avec le temps, ses horloges tendront vers une simplification de mécanisme et une diminution de volume. Ses dernières productions (1795) sont déjà des chronomètres modernes par beaucoup d’aspects.

Berthoud participe à l’abondance de la littérature technique du XVIIIe siècle, publiant « Essais sur l’horlogerie » (1763) et un traité des « Horloges marines » (1773).

Souhaitant améliorer les mécanismes d’horlogerie, il invente plusieurs  machines afin d’effectuer avec sûreté les opérations les plus délicates :  machine pour rectifier les dents taillées à la fraise, machine à tailler les fusées de montre ou d’horloge.

1792 : menacé de cécité, Berthoud se voit retirer son traitement et sa pension.

1802 : il publie une « Histoire de la mesure du temps par les horloges ».

Delambre qui sera chargé de son éloge après sa mort note avec quelque perfidie que ses pendules étaient fragiles et non adaptées au service de mer.