Les instruments de mesure du temps - Partie IV

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Découpage de cette étude

• Introduction et Page 1 : Instruments d'avant l'écriture.
• Page 2 : Instruments d'observation des ombres.
• Page 3 : Instruments d'observation des astres.
• Page 4 : Instruments avec écoulement ou combustion. (cette page)
• Page 5 : horloges et instruments modernes.

Les instruments avec écoulement

Après avoir beaucoup regardé le ciel dans les pages précédentes, nous allons, dans celle-ci et la suivante, nous intéresser plus particulièrement aux ressources terrestres.

Clepsydres et horloges a eau

Avant d'examiner l'évolution des clepsydres puis des horloges à eau dans le temps, il convient de nous poser quelques questions préliminaires et d'ordre général :

Quelle est l'étymologie du nom ? Il vient de deux termes grecs « Kleptein » qui signifie voler et de« Udor » qui signifie eau. La clepsydre est donc un « voleur d'eau ». Le principe des premières clepsydres consistant à faire couler de l'eau au travers d'un petit orifice d'un récipient dans un autre, on peut supposer que le récipient qui reçoit l'eau la vole au premier. Notons au passage qu'on retrouve la racine KLEPT dans Clepsydre mais aussi dans.. Cleptomanie, cette impulsion qui pousse certaines personnes à s'emparer des choses qui ne leur appartiennent pas.

Le principe de la clepsydre est simple : l'eau s'écoule d'un récipient dans un autre qui « vole » son eau au premier. Puis, on mesure l'eau perdue du premier ou l'eau reçue par le second et on convertit en mesure du temps écoulé. Nous allons voir que ce n'est pas si simple que prévu.

La première clepsydre, quand, où et combien de temps ? Selon les sources, les dates d'invention de la clepsydre vont de 3 000 ans av. J.-C. à 1 500 ans av. J.-C. Ce qui est certain, c'est que la plus ancienne actuellement a été découverte en 1904 dans les ruines de Thèbes (Temple d'Amon à Karnak) et remonterait à Aménophis III (XIII ème siècle av. J.-C.) pour lequel elle aurait été fabriquée. Il est fort probable qu'elle ne fut pas la première et que son origine est plus ancienne. Sa disparition est légèrement postérieure au XVIII ème siècle où on utilisait encore des clepsydres à tambour.

Toute l'histoire de la clepsydre en deux images : Ci-dessus, la clepsydre découverte à Karnak datée du XIII ème siècle av. J.-C. (Musée du Caire). Ci-dessous, clepsydre à tambour des XVIII^e et XIX^e siècle.

La clepsydre, instrument digne d'intérêt ? Certes oui. Et pourtant on est bien obligé de constater le peu d'études menées à son sujet. Dommage. Comme on va le voir, la clepsydre contient en elle les prémices de l'horlogerie mécanique.

La clepsydre, instrument de mesure du temps ? Question fatidique pour nous. Si la réponse est OUI, on continue. Sinon, on passe à autre chose.

Si l'on entend par mesure du temps le fait de pouvoir déterminer l'heure par soi-même, la réponse est NON. Ce n'est ni un astrolabe, ni un cadran solaire.

La clepsydre est, tout au plus, ce qu'on peut appeler un garde-temps pour une période plus où moins longue mais pas de retrouver ce temps si son mouvement s'est arrêté. Notons au passage que nos montres sophistiquées ne font pas mieux. Et, puisqu'on parle de montre, si on compare cette dernière au cadran solaire, la clepsydre serait plutôt un chronomètre dont le but est de commencer souvent à zéro et de compter des temps assez courts.

C'est bien connu, les Grecs et les Romains, dans la période antique, ne cessaient de palabrer. Surtout dans les assemblées, qu'elles soient politiques ou judiciaires. Ne nous posons pas la question de savoir si les choses ont beaucoup changé... et pas seulement en Grèce ou en Italie...

Relisons donc un passage de la Constitution d'Athènes d'Aristote pour revenir à notre sujet : "Il y a au tribunal des clepsydres munies de tuyaux pour l'écoulement. On y verse l'eau dont la mesure détermine la durée des plaidoiries. Sont accordées dix conges (une conge = 3 litres 24) aux affaires au-dessus de cinq mille drachmes et deux pour la réplique [...]. S'il s'agit d'un procès qui dure toute la journée divisée en plusieurs parties, le juge préposé à l'eau ne ferme pas le tuyau ; mais la même quantité d'eau est attribuée à l'accusation et à la défense. La mesure du jour est calculée d'après les jours du mois de Poséidon (décembre-janvier, où les jours sont les plus courts)."

Nous reviendrons sur ce texte pour nous souvenir d'une chose qui va poser problème dans la conception des clepsydres.

Je vais aussi ouvrir une parenthèse pour lancer un appel aux étymologistes pour qu'ils me disent l'origine de conge dont parle Aristote et si le mot a un rapport avec notre congé moderne.

Pour répondre à la question, répondons que OUI, la clepsydre est un instrument de mesure du temps et continuons notre étude pour suivre son évolution à travers les siècles.

La clepsydre et son évolution

L'évolution des clepsydres, puis des horloges à eau, tient essentiellement à deux choses :

• Pendant quelques siècles, il faudra maîtriser le fait que les heures mesurées sont des heures inégales (voir le texte sur l'Astrolabe) et qu'il faudra graver les marqueurs de niveau d'eau en tenant compte de la position du jour dans l'année.
• Aux lois qui régissent l'écoulement de l'eau. En effet, sans entrer dans le détail des lois de l'hydraulique, le débit de l'eau dans un instrument comme nous en avons vu un plus haut (les deux récipients) n'est pas constant. Il dépend de la viscosité de l'eau liée à la température, de la taille de l'orifice de sortie qui peut s'élargir par usure ou se rétrécir par encrassement, de la variation du niveau de l'eau dans le récipient de départ.

Nous ne parlerons pas ici de modifications purement esthétiques qui voient naître des horloges hydrauliques à automates. Les arabes sont passés maîtres dans la conception de telles horloges qui peuvent atteindre des dimensions volumineuses comme, par exemple, l'horloge monumentale de Fez au Maroc. Citons tout de même le nom du maître en la matière, alJazari (mort en 1206) . Notons aussi qu'une horloge hydraulique fut offerte en 807 à Charlemagne par l'ambassadeur du calife Haroun el Rachid.

Regardons pour le plaisir deux de ces horloges monumentales.

À gauche, la Tour des Vents, construite au II ème siècle av. J.-C. sur l'Agora Romaine à Athènes. Ce bâtiment en marbre fut construit par l'astronome Andronikos Kyrrestes et nommée ainsi de part les 8 frises supérieures qui représentent les vents dominants. On voit ici le côté horloge à eau avec un réservoir à la base.

À droite, une Miniature du Traité des Automates de al-Jazari (Musée of Fine Arts, Boston). On y distingue le cercle du zodiaque le Soleil, la Lune, 12 ouvertures qui s’éclairent la nuit. 2 oiseaux laissent tomber une boule. À 6h, 9h, 12h les automates musiciens jouent.

Et maintenant, revenons à nos problèmes de débit d'eau.

On ne peut pas faire grand chose pour remédier au problème de la viscosité. Pour la taille de l'orifice des matériaux nobles ou des pierres précieuses creusées ont été employées pour éviter que la taille de l'orifice ne se modifie.

Il nous reste le problème majeur de la hauteur d'eau dans le récipient « émetteur » qui fait varier grandement le débit.

Une première solution fut trouvée par les Égyptiens et les Grecs. Au lieu d'utiliser des récipients de forme cylindrique, ils utilisèrent des récipients évasés. Ils purent ainsi graver à l'intérieur d'un des récipients des traits d'égale distance. Bien entendu, il y avait plusieurs colonnes de traits pour tenir compte des longueurs de jour et de nuit différentes (résultat de la division du jour et/ou de la nuit en heures inégales). Et pourtant, la forme des récipients n'était pas idéale.

Bien qu'optimisées quant à leur forme, les clepsydres Égyptiennes ou Grecques (première image) n'avaient pas la forme idéale (seconde image) telle qu'on peut la connaître en appliquant les théorèmes de Daniel Bernoulli (Suisse, 1700-1782) d'une génération d'illustres mathématiciens.

Il fallut attendre des inventeurs de génie pour régler le double problème de l'écoulement de l'eau et des heures inégales. L'un d'eux fut Ktésibios, contemporain d'Archimède, qui vivait à Alexandrie au III^e siècle avant notre ère. Finie la clepsydre, on peut maintenant parler d'horloges à eau. On peut aussi citer Philon de Byzance (230 av. J.-C.) et Héron d’Alexandrie (125 av. J.-C). Les horloges qu'ils inventèrent étaient de véritables œuvres d'art mêlant la recherche hydraulique et l'art des automates.

Pour ma part, et à défaut de preuves, je me contente de dire qu'ils inventèrent et non pas qu'ils fabriquèrent.

Nous allons nous contenter de voir ce qu'il est est de l'horloge à eau de Ktésibios au travers des textes de Vitruve, architecte romain du I^er siècle av. J.-C. (qui a produit un énorme ouvrage en 10 volumes De architectura) et de ceux de Rees qui a écrivit en 1819 un livre Clocks, Watches and Chronometers duquel pas mal de croquis de cette page sont extraits.

L'horloge de Ktésibios

Voyons à quoi ressemble cette horloge telle qu'elle est dessinée par Vitruve :

Par un ingénieux double système de rotation de colonne (en haut sur la figure I de droite) et de déplacement vertical de figurine (celle qui tient une baguette à gauche de la même figure), il règle le problème des heures inégales. Mais je laisse à Vitruve le soin de la description des mécanismes :

En premier lieu, il ménagea l'orifice d'écoulement dans un morceau d'or ou dans une gemme perforée; car ces matières ne s'usent pas au frottement de l'eau qui coule, et des saletés capables de boucher le trou ne peuvent s'y déposer. L'eau s'écoulant régulièrement par cet orifice fait monter un flotteur renversé, que les techniciens appellent « liège » ou « tambour ». Sur ce flotteur est fixée une tige en contact avec un disque tournant, tige et disque étant munis de dents égales. Ces dents, dont le mouvement se transmet de l'une à l'autre, produisent des rotations et des déplacements mesurés. De plus, d'autres tiges et d'autres roues, dentées de la même façon et mues par une même impulsion, produisent en tournant des effets et des mouvements variés[...]. En outre, dans ces horloges, les heures sont tracées soit sur une colonne, soit sur un pilastre contigu, et c'est une figurine qui, sortant du bas de la machine, les indique avec une baguette pour toute la durée du jour. En ajoutant ou en ôtant des cales chaque jour et chaque mois, on rend compte obligatoirement de la durée plus courte ou plus longue des jours. [.1.]. Ainsi, grâce à ces systèmes et à ce dispositif, on combine le montage d'horloges à eau utilisables l'hiver. Mais l'accroissement de la durée des jours en se servant de cales qu'on ajoute ou qu'on retranche - car ces cales sont très souvent défectueuses -, on devra s'arranger ainsi: on tracera les heures transversalement sur la colonnette, d'après l'analemme, et l'on gravera sur elle les lignes des mois. Cette colonne devra pouvoir pivoter de façon que, par rapport à la figurine et à la baguette - baguette que tient la figurine pour indiquer les heures en s'élevant -, elle puisse, par sa rotation régulière, rendre compte pour chacun des mois qu'elle porte de la durée, courte ou croissante, des heures...

Mais, allez-vous me demander, et le problème du débit ? Comme chaque fois qu'il existe plusieurs versions comme c'est le cas ici, je vous les livre et vous laisse le soin de faire votre choix. Si l'un d'entre vous a des éléments complémentaires, merci à lui de me contacter.

La première version serait que Ktésibios aurait, pour régler le débit de l'eau, inventé le carburateur avant la lettre grâce à un système de cône flotteur qui obstrue l'arrivée d'eau dans un autre cône quand le niveau d'eau monte.

Une première hypothèse voudrait que Ktésibios ait régulé le débit de l'eau à l'aide d'un flotteur G qui vient obstruer momentanément l'arrivée d'eau lorsqu'elle monte trop haut dans le compartiment BCDE. Lorsque le niveau d'eau descend dans cette partie, le flotteur descend et libère l'arrivée d'eau.

L'autre version ne mentionne pas l'existence de ce flotteur régulateur mais celle de l'existence d'un système destiné à régler le débit en fonction des heures inégales. Rees précise même que ce système serait antérieur à Ktésibios.Le problème du débit aurait été réglé en maintenant constant le niveau d'eau du premier récipient à l'aide d'un trop plein. La seule innovation de l'horloge hydraulique de Ktésibios serait donc ce tambour vertical tournant sur lequel une figurine désigne l'heure exacte.

Selon la seconde version, l'eau arriverait par un tuyau H et tomberait dans un premier réservoir conique en forme d'entonnoir.

Le trop plein d'eau serait évacué par un tuyau I positionné de façon à maintenir le niveau d'eau constant dans le réservoir.

Un autre cône en métal plein serait maintenu dans le premier et pourrait être déplacé par une règle indexée D. Le fait de rapprocher un cône de l'autre aurait pour effet de diminuer le débit de l'eau et donc de limiter la quantité de liquide qui arrive dans le réservoir principal pour les jours les plus courts.

Le déplacement de l'index doit se faire deux fois par jour : une fois au lever et une autre fois au coucher du Soleil pour respecter les heures inégales.

J'ajoute, pour que vous puissiez vous faire votre opinion en toute connaissance de cause, une partie du texte de Vitruve que j'avais remplacée par un [.1.] dans son texte recopié plus haut : "Les robinets de l'eau, pour le réglage du débit, sont établis de la façon suivante: on fabrique deux cônes, l'un plein, l'autre creux, si bien façonnés au tour que l'un puisse entrer et s'ajuster dans l'autre, et qu'au moyen de la même tige on les écarte ou on les resserre pour activer ou ralentir l'écoulement de l'eau dans ces récipients".

Autres types d'horloges décrits par Vitruve

Nous allons passer rapidement sur d'autres types d'horloges que décrit Vitruve parce que, s'il font preuve d'ingéniosité dans la conception, n'apportent rien à l'évolution des instruments. Ils se contentent d'essayer de régler encore une fois le problème des heures inégales.

Voilà la planche du livre de Vitruve qui les décrit :

L'horloge de Su Song

Faisons un saut dans le temps et arrêtons nous en 1092.

C'est cette année là qu'un Chinois du nom de Su Song construit au palais impérial de Khaifeng une immense horloge dans une tour de bois de 3 étages de 3 mètres chacun. L'engin est plus une horloge astronomique qu'un instrument destiné à donner l'heure. En effet, son mouvement complexe anime une sphère armillaire et un globe céleste en parfaite synchronisation avec les mouvements des étoiles du Soleil et de la Lune. Face à la tour, dans une pagode, des personnages animés sonnent des cloches et autres objets bruyants. Bref, un automate de plus.

En 1126, l'horloge est démontée par les Tartares et emportée à Pékin. Au XIV ème siècle, elle fut détruite quand la dynastie Ming envahit Pékin.

Mais, êtes-vous en train de vous demander, en quoi cette horloge apporte-t-elle des éléments nouveaux à nos instruments de mesure du temps ?

Regardez bien la grande roue au centre de la construction. Vous êtes en train de voir le premier échappement connu. Et vous n'en verrez pas d'autre avant le XIV ème siècle.

Le système d'échappement de la machine de Su Song. Ce mécanisme est dénommé échappement car il laisse échapper une « dent » à chaque impulsion, en l'occurrence le remplissage d'un godet. Ainsi, un écoulement continu d'eau est transformé en mouvement discontinu de la roue.

Nous devons maintenant rendre à César ce qui lui appartient et, en la circonstance, rendre l'invention de l'échappement, vers 723, à deux personnes. D'abord un moine bouddhiste, Yi Xing et un ingénieur chinois, Liang Ling-Tsan. Ils auraient, eux aussi, fabriqué une horloge hydraulique astronomique.

Horloges « modernes »

Pour en terminer avec cette étude des clepsydres en autres horloges à eau, penchons nous sur le mécanisme de la clepsydre à tambour du XVIII ème siècle que nous avons vue au début de la page. Pour ce faire, ouvrons le tambour et regardons le en coupe.

Ce tambour est fermé et c'est toujours la même quantité d'eau qui y circule. Six cloisons le garnissent et chacune d'elle est percée d'un orifice. De ce fait, l'eau contenue dans une cloison peut s'écouler sur la cloison suivante du compartiment inférieur. Lorsqu'un compartiment est plein, le poids du volume d'eau fait tourner le tambour qui s'enroule dans le sens contraire de l'enroulement des cordes qui soutiennent son axe.

Le tambour descend donc vers le bas de l'horloge puis s'arrête jusqu'au prochain remplissage d'un autre compartiment. Il suffit alors de lire l'heure sur le montant de bois là où s'est arrêté l'axe du tambour. Bien entendu, nous sommes dans un système d'heure égales où la journée est divisée en 24 heures de même durée.

Le sablier

Nous n'allons pas passer la journée sur un instrument que tout le monde connait. Donc, juste quelques précisions :

Origine

Le sablier, dont on ne sait pas qui l'a inventé, remonte probablement au XIII ème siècle. Il fut d'abord appelé Orloge puis Reloge puis horloge à sablon avant de devenir sablier au XVIII ème siècle.

Caractéristiques

Rempli de sable, coquilles d'oeufs pulvérisées ou même de mercure, ce garde-temps est principalement destiné à mesurer de courtes durées (heures ou fractions d'heures) même si dans le tome premier des mémoires de mathématiques et de physique datant de 1750 un certain Abbé SOUMILLE Correspondant de l'Académie Royale des Sciences décrit un "Sablier de 30 heures, propre à servir sur mer, marquant distinctement les heures & les minutes une à une, & qui ne s'arrête pas dans le temps même qu'on le tourne".

Contrairement à la clepsydre le débit d'écoulement du sable est indépendant de sa hauteur dans la fiole. Seule, la pente de l'orifice doit être rigoureusement déterminée. En 1725, Daniel Bernoulli gagne le concours de l'académie Royale des Sciences de Paris en calculant cette pente.

Le sablier fut très utilisé dans la marine où il portait le nom d'ampoulette (d'une durée de 28 secondes). Associé au loch (corde à noeuds), il permettait de connaître la vitesse des bateaux.

A gauche, un sablier datant de 1750 exposé au National Watch and Clock Museum (Colombia - Pennsylvanie - US). A droite, un sablier à plusieurs fioles qui permettent de mesure des temps intermédiaires.

J'ai lu, je ne sais plus où, que les prêtres l'utilisèrent pour limiter la durée de leurs sermons et le baptisèrent : « verre à sermon ». Lorsque le sermon durait plus que prévu, le prêtre le retournait en disant à ses ouailles : « Mes frères, nous allons prendre un autre verre ». Ce n'est peut-être pas vrai mais c'est charmant.

Les instruments avec combustion

Là aussi, pas de quoi en faire une pendule.

Le principe est toujours le même : on connait la durée de combustion de telle ou telle matière et, avec quelques repères, on peut connaître la durée du temps écoulé.

La chandelle

Son « invention » à des fins de mesure de durées serait due à Alfred le grand (849-899) roi du Wessex (Angleterre) qui l'utilisait pour répartir les heures de travail, de prière ou de sommeil.

La lampe à huile

En usage aux XVIII ème et XIX ème siècles en Occident. On allumait la mèche, le niveau d'huile diminuait dans le réservoir gradué et on lisait le temps écoulé sur les graduations.

L'horloge à feu

Utilisée depuis très longtemps en Extrême Orient. La partie creuse d'un objet en laque à la forme de Dragon reçoit un bâton d'encens sur des supports en fil de fer. La combustion de l'encens donne l'heure.

Il peut même servir de réveil-matin si on fixe un fil muni de poids à ses extrémités en travers du Dragon. Dès que la flamme du bâton qui brûle atteint l'heure souhaitée du réveil, elle brûle le fil et les deux poids tombent dans un réceptacle en métal qui tinte comme une cloche.

Autre type d'horloge à feu Chinoise : le labyrinthe à encens. Une grille est posée sur un support. On remplit la partie creuse de poudre d'encens puis on l'enlève (à droite).

On allume ensuite une des extrémités du labyrinthe et, lorsque tout a brûlé, le temps prévu est écoulé. Je suppose qu'il existait différentes grilles en fonction du temps à mesurer.