horloges et montres 1 PRÉSENTATION horloges et montres, instruments indiquant l'heure et mesurant le temps, qui utilisent la division conventionnelle d'un jour en 24 heures, d'une heure en 60 minutes, d'une minute en 60 secondes, et des secondes en dixièmes, centièmes et millièmes de seconde. L'horloge, de plus grande dimension que la montre, est généralement fixe, alors que la montre est destinée à être portée sur soi. Ces deux mécanismes nécessitent une source d'énergie pour assurer le mouvement, ainsi qu'un dispositif permettant de réguler et de communiquer la progression du temps par un système de repère ou informatif. 2 HISTORIQUE À travers l'histoire, l'homme a mesuré le temps en utilisant le mouvement de la Terre par rapport au Soleil et aux étoiles, ou par rapport à des événements d'une durée constante. Les plus anciens instruments répertoriés ont environ 3 500 ans : un cadran solaire en ardoise (environ 1450 av. J.-C.) et une clepsydre en albâtre (environ 1400 av. J.-C.), tous deux retrouvés en Égypte. Le cadran solaire utilise la lumière solaire : l'ombre projetée d'une tige sur une surface permet de déterminer l'heure du jour, selon l'époque de l'année. Un cadran solaire hémisphérique fut décrit vers le IIIe siècle av. J.-C. par l'astronome chaldéen Berossus. La clepsydre évalue le temps par l'écoulement régulier d'une quantité d'eau déterminée. Les premières clepsydres s'apparentaient à un simple vase comportant un trou dans le fond par lequel l'eau s'écoulait. Les cadrans solaires et les clepsydres étaient courants entre le IVe siècle et le Ier siècle av. J.-C. dans le bassin méditerranéen, et depuis plus longtemps encore en Orient. Les Chinois déterminaient également l'heure en brûlant une corde nouée : ils mesuraient le temps mis par la flamme pour parcourir la distance séparant deux noeuds. D'autres faisaient brûler une bougie marquée de traits. Le sablier, qui ne serait apparu qu'au XIIe siècle, évalue le temps qui passe par l'écoulement du sable. 2.1 Clepsydre La clepsydre évolua ensuite, lorsque le physicien grec Ctésibios, vers 270 av. J.-C., utilisa deux récipients : l'eau s'écoulait d'un vase à niveau d'eau constant, ce qui permettait d'avoir un débit constant, et tombait dans un second récipient, sur la paroi duquel était inscrite la succession des heures. Puis, Ctésibios perfectionna son système, en introduisant un flotteur dans le vase de collecte, relié à un rouage qui permettait de déclencher un mécanisme de signal (une sonnerie par exemple) à intervalles fixes. Une évolution supplémentaire eut lieu vers le XIIIe siècle : dans les monastères, des récipients se remplissaient progressivement d'eau ; au moment où ils atteignaient un poids déterminé, ils déclenchaient un dispositif qui faisait tomber des boules métalliques dont le bruit avertissait le préposé. On peut considérer qu'il s'agit là des ancêtres de l'horloge mécanique. Voir aussi Clepsydre. 2.2 Horloges mécaniques Les origines historiques de l'horloge mécanique sont incertaines. Les premiers exemplaires connus étaient constitués d'une cage métallique qui renfermait un mécanisme élémentaire actionné par un poids et freiné par un balancier. La roue principale comportait des trous (généralement 24 ou 48). Dans l'un d'eux, on enfilait une tige, laquelle, quand elle touchait un élément fixe, déclenchait une sonnerie. Au XIVe siècle furent créées les premières horloges à poids, qui pouvaient fonctionner de manière ininterrompue pendant vingt-quatre heures en scandant les heures. Elles comportaient un régulateur de mouvement. Le terme horloge fut utilisé pour la première fois dans son acception actuelle pour désigner ces immenses instruments mécaniques de mesure du temps, installés dans les tours à la fin du Moyen Âge. Plus tard, un cadran installé à l'extérieur des tours, muni de mécanismes actionnant le mouvement des aiguilles, permit de lire l'heure. Les premiers mécanismes d'horloges étaient lourds et encombrants. Par exemple, l'horloge construite au XIVe siècle par Henry De Vick de Württemberg pour le Palais royal (actuellement le Palais de justice) de Paris était actionnée par une masse de 227 kg qui descendait une hauteur de 9,8 m. L'appareillage régulant la vitesse de chute de la masse était rudimentaire et l'horloge manquait singulièrement de précision. Un autre exemple est l'horloge construite entre 1348 et 1364 par G. Dondi : il s'agissait d'une horloge astronomique disposant d'un calendrier perpétuel assez précis. À la fin du XVe siècle, Peter Henlein, serrurier allemand de Nuremberg, substitua le moteur à poids au moteur à ressort, ce qui permit de réduire la taille des rouages et de fabriquer les premières montres de poche, qui furent appelées, à cause d'une erreur de traduction, « oeufs de Nuremberg «. 2.3 Balancier et échappement À la fin du XVIe siècle, Galilée avait décrit l'isochronisme, propriété du pendule qui explique la régularité de ses oscillations. En 1657, le physicien néerlandais Christiaan Huygens montra qu'une horloge pouvait être commandée par un balancier. Dix ans plus tard, le mathématicien anglais Robert Hooke inventa un échappement -- système qui répartit l'énergie nécessaire aux oscillations du balancier -- permettant d'utiliser un balancier à arc d'oscillation réduit dans les horloges. Ce dispositif fut ensuite amélioré par l'horloger britannique George Graham, qui introduisit l'échappement à cylindre en 1724. John Harrison mit au point un moyen de corriger les variations de longueur du balancier dues aux changements de température. Au début du XVIIIe siècle apparurent des coussinets en rubis destinés à réduire les frottements et à prolonger la durée de vie des rouages ; en 1755, le Britannique Thomas Mudge inventa l'échappement à levier, qui est encore aujourd'hui parmi les plus utilisés. 2.4 Montres mécaniques On fabriqua les premières montres lorsque l'on put utiliser les ressorts en spirale comme source d'énergie, et grâce à la miniaturisation que ces dispositifs et d'autres cités ci-dessus permirent. Ce type de ressort était déjà utilisé en Italie dans les années 1450. En 1525 à Prague, Jacob Zech, autre artisan, inventa une fusée (poulie conique), capable de compenser la variation de la traction du ressort. Le ressort à boudin, inventé vers 1660 par Robert Hooke pour la serge du balancier, et l'échappement à levier de Mudge avaient permis d'améliorer la précision des montres. C'est au XVIIe siècle que se généralisèrent les aiguilles des minutes et des secondes, ainsi que les verres de protection du cadran. Au cours des siècles qui précédèrent l'apparition des pièces manufacturées, fabriquer des horloges et des montres précises et robustes exigeait une main-d'oeuvre hautement qualifiée. Certaines organisations locales d'artisans, telles que la Corporation des horlogers de Paris (1544), contrôlaient l'art de l'horlogerie et son apprentissage. Actuellement, il existe encore une corporation, la Clockmaker's Company, fondée à Londres en 1630. Les Pays-Bas, l'Allemagne et la Suisse ont eux aussi compté de nombreux artisans réputés pour la beauté et la perfection mécanique de leurs ouvrages d'horlogerie. Les premières montres avaient une forme cylindrique ou sphérique et se portaient suspendues à la ceinture ou dans une poche. C'est une miniaturisation encore plus poussée des mécanismes qui a permis l'apparition des montres-bracelets. 2.5 Horloges décoratives L'horloge a souvent été à la fois utile et décorative. En Europe, vers la fin du Moyen Âge, un grand nombre de mécanismes d'horloge étaient utilisés dans les tours pour mouvoir les statues géantes de saints ou de personnages allégoriques. Les horloges de l'époque baroque étaient très richement décorées avec des figurines sculptées. Les pendules à coucou, dont les oiseaux de bois sculptés apparaissent pour marquer l'heure en imitant le cri du coucou, ont été fabriquées dès 1730 en Allemagne, dans la région de la Forêt Noire, et connaissent toujours un succès certain. Des horloges anglaises anciennes se présentent sous la forme de réverbères ou de cages à oiseau. L'horloge de parquet est une horloge de 1,50 ou 1,80 m de hauteur. Elle a été conçue avant l'apparition des rouages usinés à la machine. Dès le XVIIIe siècle, la Suisse devint le coeur de l'industrie horlogère, plus particulièrement dans les villages des montagnes jurassiennes. À l'origine, l'horlogerie suisse était une industrie familiale : les artisans fabriquaient les pièces détachées dans leur propre maison, avant de les confier à un maître horloger qui se chargeait de l'assemblage et de la vente. Dans les années 1850, cette activité avait généré des petites usines qui ont constitué le fondement d'une industrie de premier plan. Le savoir-faire des horlogers européens partis coloniser l'Amérique est à l'origine de l'ingéniosité des mécanismes propres à l'industrie américaine. Après la révolution américaine, les États-Unis se mirent à fabriquer à grande échelle des horloges munies de pièces interchangeables. La pénurie de métaux contraignit les industriels à fabriquer, toujours pour les horloges, des mouvements en bois sec. Les nombreuses innovations et les économies rendues possibles par la production à grande échelle ont rapidement porté les États-Unis au premier rang des pays producteurs d'horloges. Au fur et à mesure que la production augmentait, la concurrence se fit plus vive et le prix des horloges diminua. Ainsi, la plupart des familles purent finalement s'en offrir. 2.6 Montres de précision Réalisées avec le plus grand soin, des montres de précision remplirent de nouvelles fonctions : elles permirent par exemple aux navigateurs de déterminer leur position ou aux astronomes et aux bijoutiers d'étalonner leurs appareils de mesure. La première montre marine efficace fut construite en 1761 par l'horloger anglais John Harrison. Il s'agissait d'un instrument portatif monté sur des cardans. Ainsi, le délicat mécanisme qu'il renfermait était toujours à l'horizontale. 2.7 Industrialisation de la production Dans les années 1850, les horlogers américains Aaron Dennison et Edward Howard inventèrent des machines de production automatique. Les nouveaux modèles comportaient un nombre limité de pièces. À partir de 1875, les montres à remontoir à clé furent remplacées par des montres à remontoir à tige. Ce système est encore répandu de nos jours ; toutefois, la rotation de la molette située en bout de tige sert aujourd'hui la plupart du temps à régler la position des aiguilles ou à faire tourner le disque indiquant la date. 3 MONTRES ET HORLOGES DU XXE SIÈCLE 3.1 Dispositifs électriques La montre électrique a été inventée aux États-Unis au début des années 1900 par Henry E. Warren. Il persuada les producteurs d'électricité de minuter soigneusement les cycles du courant alternatif pour pouvoir équiper les horloges de moteurs synchrones. En 1921, W. H. Shortt inventa le balancier libre portant son nom qui permit de construire les horloges les plus précises de l'époque. En 1929, l'horloge à quartz, d'une précision nettement supérieure, apparut aux États-Unis. L'horloge atomique à l'ammoniac date de 1947 ; sa précision ne permet qu'une marge d'erreur d'une seconde tous les trente ans (voir ci-après). Les montres-bracelets électriques apparurent sur le marché en 1957, suivies en 1959 par une montre électronique dans laquelle l'échappement conventionnel était remplacé par un petit diapason, accompagné d'une pile qui alimente le circuit oscillant à transistors. 3.2 Autres types d'appareils Parmi les progrès de la seconde moitié du siècle, on peut citer l'avènement des montres à affichage à diodes électroluminescentes (DEL) et les montres à affichage à cristaux liquides. Développées au cours des années 1960, les montres à diodes électroluminescentes utilisent les propriétés luminescentes de certains semi-conducteurs pour éclairer l'affichage numérique de l'heure. L'affichage à cristaux liquides apparut dans les années 1970. Il consiste à reproduire des chiffres foncés sur un fond clair au moyen de cristaux liquides dont les caractéristiques optiques sont comparables à celles des liquides et des cristaux solides. Dans ces deux types de montre, un cristal de quartz commande les oscillations du courant électrique dont la fréquence est divisée pour calculer l'heure. Les découvertes scientifiques, en particulier en métallurgie, se sont traduites par de nombreuses améliorations dans les montres et horloges de tous types. Dans les montres mécaniques actuelles, les principaux ressorts sont constitués de métaux qui opposent une grande résistance à la rupture et à l'oxydation. Des matériaux synthétiques ont remplacé les pierres précieuses des coussinets ; les boîtiers ont été améliorés pour ne plus laisser pénétrer la poussière et l'humidité, même immergés à de grandes profondeurs. De nouvelles sources d'énergie, notamment l'énergie solaire et la chaleur dégagée par le corps humain, sont aujourd'hui prises en considération par les chercheurs de l'industrie horlogère. 4 MÉCANISMES Fondamentalement, une montre est constituée d'un générateur d'oscillations isochrones (de fréquence constante) et d'un compteur automatique de ces oscillations relié par un démultiplicateur à un ou plusieurs dispositifs ayant un mouvement rotatif périodique. En fonction du nombre des oscillations par unité de temps, le démultiplicateur peut être construit de façon à ce que chaque période de rotation du dispositif indicateur corresponde exactement à l'une des subdivisions conventionnelles du temps. Si le nombre d'oscillations par unité de temps est élevé, on gagne en précision. 4.1 Montres et horloges mécaniques Dans une montre, l'énergie peut provenir d'une masse, d'un ressort ou du courant électrique. Dans une horloge mécanique, il est nécessaire de relever régulièrement la masse et de resserrer le ressort. La force motrice générée par la source d'énergie est transmise par des engrenages et régulée par un pendule ou un balancier. Ce type d'horloge scande les heures grâce à un gong ou un carillon, et permet la visualisation du temps qui passe par la rotation de roues chiffrées ou par le mouvement des aiguilles sur le cadran. La montre mécanique est actionnée par un ressort hélicoïdal. Comme dans les horloges à ressort, la montre transmet l'énergie du ressort aux aiguilles par le biais d'engrenages, une serge de balancier régulant la force motrice. 4.2 Montres et horloges électriques Elles ne comportent pas de mécanisme à échappement ; leur source d'énergie est le courant électrique (courant alternatif si elles sont branchées sur le réseau, courant continu si elles disposent d'une pile ou d'une batterie). Elles sont néanmoins munies de rouages et d'un échappement mécanique. Le courant alimente un moteur synchrone monophase tournant à vitesse constante, relié à des rouages démultiplicateurs qui permettent le mouvement des aiguilles avec la période voulue. La caractéristique de ces horloges et montres est le mouvement continu des aiguilles, alors que dans les horloges mécaniques, elles avancent par à-coups, correspondant au passage d'une dent de la roue d'échappement. Sur les horloges électriques ou électroniques, l'heure peut être indiquée par affichage numérique. Aujourd'hui, les horloges électriques domestiques possèdent un petit moteur alimenté par un générateur électrique, régulé pour produire un courant alternatif à une fréquence bien précise. Le courant alternatif peut également être utilisé pour assurer le mouvement de plusieurs horloges « esclaves « synchronisées au balancier d'une horloge maîtresse. Les montres électriques et électroniques sont alimentées par de petites piles qui doivent être remplacées tous les ans. La pile fournit l'énergie pour entraîner la serge de balancier d'une montre mécanique ou commander les oscillations d'un petit diapason ou d'un quartz. 4.3 Montres à diapason Ce sont des montres dans lesquelles un diapason métallique sert d'oscillateur ou même de moteur. Le diapason oscille selon sa fréquence de résonance, grâce à de petits électroaimants insérés dans le circuit, et actionne directement les rouages qui transmettent le mouvement aux aiguilles et éventuellement à d'autres indicateurs. Dans les modèles où le diapason ne sert que d'oscillateur, sa vibration maintient stable la fréquence d'un générateur électronique qui alimente un moteur synchrone, lequel actionne le mécanisme. Ces modèles sont souvent à affichage digital : ils actionnent un dispositif mécanique ou optique qui présente, sur un écran, les chiffres indiquant l'heure, les minutes, les secondes et, dans les modèles utilisés en particulier pour les compétitions sportives, les centièmes ou même les millièmes de seconde. 4.4 Montres et horloges à quartz L'horloge à quartz, mise au point en 1929, d'une précision supérieure, utilise une bague de quartz piézo-électrique dont la fréquence est élevée et constante, ce qui permet de stabiliser la fréquence du moteur. Elle est connectée à un circuit électrique et réglée pour osciller à la vitesse de 100 000 Hz (hertz, ou nombre de cycles par seconde). L'oscillation à haute fréquence fournit un courant alternatif, dont la fréquence est démultipliée jusqu'à environ 1 000 Hz, afin de pouvoir ainsi piloter un moteur synchrone, qui actionne la partie mécanique de l'horloge. Les horloges à quartz les plus précises ont une marge d'erreur d'environ une seconde tous les dix ans. 4.5 Chronographe Le chronographe est un autre instrument de mesure du temps qui, en plus de donner l'heure exacte, enregistre le temps écoulé pour l'exprimer en fractions de seconde. Il existe différents types de chronographes, notamment le tachymètre qui détermine la vitesse de rotation, le pulsomètre qui mesure les pulsations, et le compteur de production qui indique le nombre de produits fabriqués pendant une période donnée. Le chronomètre est une sorte de chronographe, utilisé par exemple dans les rencontres d'athlétisme pour indiquer le temps écoulé entre deux événements. 4.6 Horloges atomiques L'instrument de mesure du temps le plus précis est l'horloge atomique ou moléculaire, qui mesure les intervalles de temps en utilisant comme unité de temps la période d'oscillation des radiations émises par des atomes en transition entre deux états physiques. Les périodes d'oscillation sont indépendantes des forces extérieures. La première horloge atomique (à ammoniac) fut fabriquée en 1947. Un oscillateur au quartz, constitué d'une mince lame en quartz dans laquelle on induit des vibrations par un champ magnétique externe, est couplé à un dispositif de résonance à l'ammoniac. Dans la molécule d'ammoniac NH3, l'atome d'azote, placé au sommet d'un tétraèdre dont la base est constituée des trois atomes d'hydrogène, peut osciller avec une période rigoureusement constante par rapport au plan correspondant à la base. Avec un faisceau d'ondes électromagnétiques de la même fréquence, on peut augmenter considérablement l'ampleur des oscillations par résonance. Ce type d'horloge peut présenter une erreur de mesure d'une seconde tous les trente ans. L'horloge atomique au césium, qui sert à définir l'unité de temps du Système international d'unités, utilise la période correspondant à la fréquence de la radiation émise quand varie l'orientation du moment magnétique atomique entre deux directions déterminées. L'atome de césium se comporte en effet comme un dipôle magnétique. L'horloge au césium qui se trouve au National Bureau of Standards de Boulder peut présenter un décalage maximum d'une seconde tous les trois mille ans. L'horloge atomique à ammoniac et l'horloge à hydrogène utilisent le principe du maser. Le maser à ammoniac sépare les molécules d'ammoniac sur deux niveaux d'énergie. La fréquence constante et élevée à laquelle les molécules oscillent entre ces deux niveaux permet de mesurer le temps avec une très grande précision. Les horloges atomiques sont notamment employées pour mesurer la période de rotation de la Terre, qui peut varier de 4 à 5 ms par jour. Les études les plus récentes laissent présager la construction prochaine d'une horloge atomique à hydrogène, dont les mesures comportent au pire une erreur d'une seconde tous les trois cent mille ans. Voir aussi techniques, histoire des ; temps. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.
