Les instruments de mesure du temps - Partie V

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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.
• Page 5 : horloges et instruments modernes. (cette page)

Désolé pour ceux qui ont le courage de suivre cette étude depuis le début mais je vais me répéter. Et même plus sur cette page que sur les autres. Le but de notre étude est de suivre l'évolution des instruments de mesure dans ce qu'ils ont d'innovant en matière de précision.

Vous ne trouverez donc sur cette page ni des images ni des références à ce qui existe dans le monde en matière d'horloges, de pendules ou de montres. Vous y trouverez encore moins des explications techniques détaillées en matière d'horlogerie. Tout au plus quelques explications simples (simplistes diront les spécialistes de l'horlogerie qui voudront bien m'excuser) suffisantes pour comprendre l'évolution des instruments. Je serais d'ailleurs bien incapable de vous expliquer ce qu'est une chaussée avec tige ou une roue de renvoi ou bien d'autres pièces... Pour le reste, je vous renvoie aux nombreux sites excellents qui existent.

De l'horloge à la montre

Généralités

Comme pour les clepsydres, posons-nous quelques questions d'ordre général avant de suivre l'évolution technique des instruments :

Quelle est l'étymologie du mot Horloge ? Un petit plongeon dans le Dictionnaire de l'Académie Française : "n. f. (autrefois masculin. On dit encore dans certaines villes le gros horloge. Le gros horloge de Rouen). XII^e siècle, oriloge, orloge, au masculin. Issu, par l'intermédiaire du latin horilogium, du grec tardif hôrologion, « ce qui indique l'heure »."

Notons au passage que le mot anglais clock vient du français cloche.

La première horloge, quand, où et par qui ? Autant le dire tout de suite, on ne sait pas qui a inventé la première horloge mécanique. C'est d'autant plus difficile de le savoir que le terme horilogium a été utilisé de façon générique et qu'il est impossible de savoir si ceux qui l'utilisent le font pour décrire une horloge mécanique, une clepsydre ou même un cadran solaire. Souvenons-nous du cadran canonial de l'église de Mérindol-les-Oliviers dans la Drôme et de son inscription OROLOGII.

On prête quelquefois à Gerbert, dont nous avons déjà parlé, l'invention de l'horloge mécanique. C'est certainement faux. On peut d'ailleurs se demander, si c'était vrai, pourquoi cette invention serait tombée dans l'oubli de la fin du X ème siècle jusqu'à la fin du XIII ème siècle.

Parce que c'est bien à la fin du XIII ème siècle que les premières horloges mécaniques apparaissent en Europe. Plus précisément en Angleterre, en 1283, au Prieuré Dunstable à Londres. D'autres virent le jour dans les années qui suivirent : Exeter (Angleterre) en 1284 ; Saint-Paul (Londres) en 1286 ; Cantorbery (Angleterre) en 1292. Et bien d'autres encore au XIV ème siècle.

Notons que l'horloge mécanique est d'origine purement occidentale. Ni la civilisation islamique ni la civilisation chinoise ne se sont engagées dans cette voie. Problème de technologie ou options différentes (technologie hydraulique pour les chinois) ?

L'horloge, instrument de mesure du temps ? Je ne vais pas vous refaire le coup de la clepsydre. L'horloge est, bien entendu, comme le sablier ou la clepsydre un garde-temps. On peut même dire que c'est un marque-temps : peu importe la durée de l'heure, ce qu'on demande à l'horloge, c'est de donner l'heure qu'il est.

L'horloge, instrument digne d'intérêt ? Oh, que oui !! Mille fois oui !! L'apparition de l'horloge est certainement l'événement majeur et fondamental du moyen âge. Et ce, à mon avis, pour plusieurs raisons.

Certainement pas par sa précision parce que, de ce côté, les clepsydres et les cadrans solaires sont bien meilleurs. Les premières horloges mécaniques, elles, battent la breloque et il faut les remettre à l'heure... des cadrans solaires plusieurs fois par jour sous peine de les voir perdre près d'une heure par jour.

Certainement pas par sa majesté et celle de ses deux aiguilles en haut des clochers des églises, cathédrales ou beffrois. Tout simplement parce que les premières horloges sont loin d'avoir atteint les hauteurs des clochers. Elles se contentent d'occuper les couvents. Et, plus tard, les étages bas des églises. Et plus tard encore, seulement le haut des tours. Tout simplement parce qu'elles n'ont pas encore de cadran. Qui, d'ailleurs, saurait les lire dans une population constituée à 95% de paysans ?

Au passage, pourquoi le 4 des heures des horloges est-il marqué IIII au lieu de IV ? Peut-être parce que, justement, on peut confondre IV et VI quand on a une lecture un peu...limite.

Et, quand elles auront un cadran, tout simplement parce que leur imprécision se contente largement d'une seule aiguille.

Mais alors, que faire d'une horloge sans cadran et sans aiguilles ? Tout simplement alerter, comme un réveil, un sonneur qui va prendre le relais et faire sonner les cloches (vous vous souvenez ? Clock = cloche). Plus tard, quand elle sera équipée de tous ses atours (cadran, aiguilles) et aura grimpé en haut des clochers, elle sera servie avec attention par le gouverneur d'horloge qui sera chargé de veiller sur elle comme sur la prunelle de ses yeux. Surveiller, entretenir, tenir en accord avec le soleil sera la vie quotidienne de ces personnages logés dans le clocher lui-même.

Trêve de certainement pas, voyons un peu pourquoi l'apparition de l'horloge est l'événement majeur du moyen âge.

- D'abord, parce qu'elle représente la victoire des heures égales sur les heures illégales.

Nous avons vu dans les pages précédentes que des instruments comme la clepsydre ou l'astrolobe donne des heures inégales, c'est-à-dire dont la longueur varie en fonction des saisons, 80 minutes en été, 50 minutes en hiver par exemple. Avec l'horloge, hormis les problèmes de précision, l'heure fait soixante minutes et le jour comporte 24 heures. Il n'y a plus la nuit, plus le jour mais une journée de 24 heures de 60 minutes. Point final.

- Ensuite, parce qu'elle ouvre la voie vers une laïcisation du temps.

Jusqu'au XIII ème - XIV ème siècles le temps appartient à Dieu. Et, par conséquent, c'est l'affaire des prêtres et assimilés. Par l'intermédiaire des sonneurs assistés de clepsydre ou autres cadrans solaires, ils ponctuent le temps avec les heures des prières et offices. Souvenons nous des cadrans solaires canoniques vus dans les pages précédentes de cette étude.

Lorsque l'horloge mécanique arrive, elle joue le rôle de réveil pour les sonneurs de cloches puis, au fil de temps, elle monte en haut du clocher et chacun en fait ce que bon lui semble. L'heure est enfin à tous. Et de plus, nous venons de le voir, elle est égale. Et quand l'horloge ne se contente pas de sonner les heures des prières mais aussi les heures, la laïcisation est à son apogée.

C'est alors que l'heure de tous va tendre à devenir l'heure de chacun. En simplifiant, chaque siècle constitue une étape de cette évolution. Le XVII ème siècle va la faire entrer dans la maison. Le XVIII ème siècle va la faire porter sur soi. Le XX ème siècle va la faire porter au poignet.

À partir du moyen âge, nous passerons donc au fil des siècles d'une « mainmise cléricale » à une démocratisation de l'heure.

Ne nous méprenons quand même pas, ce n'est pas l'arrivée de l'horloge à elle seule qui déclenche ce phénomène. Elle n'est que son outil. Le clergé n'était plus le seul demandeur d'heures ou de compte-temps au Moyen âge. Au fur et à mesure du développement de l'industrie ou du commerce, les besoins de points de repères spécifiques se sont manifestés que ce soit le minutage du temps de travail ou celui de certaines tâches. Si on y ajoute les besoins propres aux cours royales ou autres on comprendra que l'horloge est arrivée...à la bonne heure.

- Enfin, parce qu'elle va déboucher sur une délocalisation du temps.

Non seulement l'heure inégale est morte mais l'heure locale va y passer aussi. Je vous accorde qu'il faudra y mettre le temps puisque cela ne va se passer qu'en 1891 pour la France (voir l'étude sur les échelles du temps). L'arrivée de moyens de communication modernes comme le train posent le problème. La mécanisation des horloges y répond. Toutes les horloges de France vont être synchronisées sur la même heure, celle de Paris.

Dans le Magasin Pittoresque de 1880, on peut lire un article intitulé Unification de l'heure au moyen de l'électricité et de l'air comprimé.

En ce qui concerne les horloges pneumatiques, on peut lire "...Déjà plusieurs horloges fonctionnant par ce nouveau système, dont M. Popp, de Vienne, est l'inventeur, ont été installées à Paris...Une horloge centrale est disposée de telle sorte que toutes les fois que son balancier frappe la soixantième seconde d'une minute, il se produit un déclenchement qui livre passage à l'air comprimé dans les récipients ; celui-ci s'élance aussitôt dans les tubes du réseau, et gonfle un soufflet qui se trouve à leur extrémité. En gonflant, le soufflet soulève un petit levier qui fait tourner d'un cran une roue qui en compte soixante, et dont chacun correspond à une minute. À cette même roue est fixée la grande aiguille du cadran qui avance d'une minute...

L'installation des quinze premiers cadrans a exigé dix huit kilomètres de tuyaux, et leur établissement est tel que toutes les personnes qui habitent près du réseau de cette canalisation peuvent recevoir l'heure à domicile. Il leur suffira de faire embrancher sur le tuyau central un petit conduit qui amène chez elles l'air comprimé fourni par l'administration."

Explication sommaire du fonctionnement

Les horloges mécaniques comportent quatre pièces essentielles :

1. Une source d'énergie (poids, ressort).
2. Des organes de transmission chargés de transmettre l'énergie et à calibrer en heures égales le temps de cette transmission.
3. Un échappement ou organe distributeur qui laisse échapper périodiquement la force motrice. Il aura aussi plus tard la fonction de restituer à l'organe régulateur (pendule) l'énergie qu'il aura perdue par amortissement.
4. Un organe régulateur ou oscillateur qui transforme le mouvement irrégulier en un mouvement régulier.

On peut aussi y ajouter éventuellement :

1. Un système d'affichage (cadran, aiguilles).
2. Un système de remontage pour renouveler la source d'énergie.

L'évolution des horloges ira dans deux directions : miniaturisation de la taille des organes et amélioration de la précision du système de régulation. Bien entendu, nous allons étudier plus particulièrement la seconde direction.

Évolution

Le mieux, pour suivre l'évolution des instruments, est de suivre un ordre chronologique. Je vous rassure, nous n'allons pas relire encore une fois la chronologie qui figure dans le Quid et qu'on voit fleurir telle quelle sur différents sites. Dans ce cas, il suffit de faire directement un lien sur le site d'origine, non ?

Les premiers régulateurs : l'échappement à foliot

Nous ne savons pas qui l'a inventé ni la date exacte de son apparition qu'on peut situer dans une fourchette 1270-1330.

À ce sujet, je ne résiste pas à l'envie de vous citer un passage de l'excellent livre de Gerhard Dohrn-van Rossum, l'histoire de l'heure : "... L'apparition de l'échappement, que l'on considère aujourd'hui comme une innovation décisive ou une invention qui allait ouvrir de nouvelles voies, ne se fait absolument pas jour dans la perception de l'époque. On la décrit tout au plus comme un phénomène important mais énigmatique. En revanche, on note immédiatement l'apparition des horloges à sonnerie, considérée comme un événement technique sensationnel qui aura de grandes conséquences dans le domaine social".

Voyons un peu comment fonctionne ce système qu'on appelle aussi échappement à verge ou échappement à roue de rencontre.

A gauche, vue d'ensemble d'un mécanisme avec son foliot. À droite, détail de l'échappement à roue de rencontre. Photos aimablement prêtées par Jean Claude Sulka dont le site mérite une visite.

Sur la photo de gauche en haut, sur la droite, on peut voir la source d'énergie constituée par un poids suspendu à un câble s'enroulant autour d'un tambour. La partie gauche concerne le système de sonnerie.

Sur la photo en haut à droite, on peut voir la partie échappement à foliot. Le foliot est une pièce en forme de T dont l'arbre vertical (verge) est surmonté d'un fléau. Une roue dentée (roue de rencontre), solidaire du tambour moteur fait tourner, par l'intermédiaire d'une palette, la verge et le fléau jusqu'à ce qu'une autre palette, qui forme avec la première un angle de 60° environ, stoppe le mouvement et inverse le sens de rotation. À chaque mouvement, le foliot laisse échapper une dent de la roue de rencontre d'où le nom d'échappement donné au mécanisme. La durée de l'oscillation du foliot peut être modifiée par déplacement sur le fléau de poids de régulation. Cette durée d'oscillation doit correspondre à une norme temporelle (minute, heure..).

Le mot foliot dérive du mot folie qui image ce mouvement incessant de va et vient qu'effectue le fléau. On rencontre pour la première fois le nom sous la plume de Jean Froissart, Poète et chroniqueur français (1337-1404), dans un poème Li Orologe amoureus datant de 1370.

Le mécanisme a foliot n'est pas l'apanage des grandes horloges comme le prouve cette montre-tambour à foliot avec mouvement entièrement en acier. Anonyme, Allemagne du sud - vers 1550.

Dans son livre, Gerhard Dohrn-van Rossum fait remarquer qu'en 1931 J. Drummond Robertson a supposé le premier que l'échappement d'horlogerie pourrait avoir été mis au point à partir d'anciennes installations de répétition des coups de cloche. En effet, le système de sonnerie fonctionne de manière identique à l'échappement que nous avons vu. Sauf que le foliot est remplacé par un levier-marteau qui vient heurter une cloche. Bien entendu, le mouvement de sonnerie est plus rapide.

Et Gerhard Dohrn-van Rossum explique comment, selon lui, a été mis au point l'échappement mécanique des horloges : dans les monastères l'usage de « réveils » était monnaie courante. Au XIII ème siècle, on découvre qu'en ralentissant l'oscillation du marteau de la cloche, en augmentant sa masse et en la rendant réglable on pouvait obtenir un mouvement d'horlogerie stable. Pourquoi pas ? Bien que côté stabilité et précision, il y avait encore des progrès à faire.

Une variante de l'échappement à foliot

C'est celui que va utiliser Giovanni Dondi et qu'il va décrire dans un ouvrage datant de 1365.

A gauche, reconstitution fidèle de l'horloge planétaire (Astrarium) de Giovanni Dondi qu'on peut voir au musée Léonard de Vinci de Milan. L'original n'existe plus. À droite, le croquis du châssis inférieur d'après un manuscrit de la bibliothèque de l'Eton College, Windsor.

Sur le croquis de droite, on peut voir sur la partie supérieure que le foliot est remplacé par une roue horizontale et munie de « chevilles »; La question se pose de savoir comment ce mécanisme pouvait être réglé. Notons aussi la présence d'un cadran.

Changement de moteur

Vers 1450, le ressort d'acier va apparaître comme source d'énergie.

Ne confondons pas ce que je vais appeler le ressort-moteur avec celui que nous verrons arriver plus tard et qui concernera, lui, le système de régulation.

L'avantage du ressort sur le poids est que son plus faible encombrement permet le déplacement de l'horloge et la miniaturisation de l'ensemble de l'horloge qui peut devenir horloge d'intérieur ou montre.

En revanche, il a un inconvénient majeur par rapport au poids : il délivre une force d'énergie décroissante au fur et à mesure qu'il se détend. Du coup, les premières horloges à ressort sont encore pires en précision que les horloge à ressort.

On va donc vite voir naître deux systèmes destinés à maîtriser cette irrégularité de la force motrice. En Allemagne, ce sera le stackfreed qui ne fera pas long feu. En France, ce sera la fusée qui, elle, sera utilisée beaucoup plus longtemps.

A gauche, système à stackfreed. À droite, système à fusée. Le remplacement de la cordelette par une chaînette, en 1650, est due à l'horloger Genevois Gruet.

• Le stackfreed utilise un second ressort qui fait pression sur une came qui se charge de maintenir constante la force motrice.
• Même but pour la fusée. On compense l'affaiblissement de la tension de la chaîne (qui fut d'abord une cordelette) en augmentant le bras de levier et en maintenant ainsi constante la force motrice grâce à la forme hyperbolique de la fusée. Ça ne vous fait pas penser au système de braquets sur les vélos ?

Notons au passage que tous les croquis font apparaître des vis comme système de fixation des pièces entre elles. En vérité, les premières horloges (au sens large du terme) étaient munies de clavettes et ce n'est qu'en 1550 environ qu'arrivent les vis.

Révolution chez les oscillateurs

C'est au XVII ème siècle que la précision des instruments va considérablement s'améliorer et passer de dérives de 15 minutes à seulement quelques secondes. Un précision telle que l'Anglais Daniel Quare (1649-1724) va enfin ajouter l'aiguille des minutes au cadran à la fin du siècle.

À moins de tomber dans le piège des techniques horlogères, notre étude sur l'évolution de la précision des horloges mécaniques sera terminée après que nous ayons vu cette « révolution chez les oscillateurs ».

Tout commence en 1583 lorsque Galilée selon son premier biographe, Vincenzo Viviani, formule la loi d’isochronisme du pendule, après avoir observé le balancement d’un lustre dans la cathédrale de Pise : la durée d’une oscillation ne dépend que de la longueur du pendule et non pas de l’amplitude du mouvement.

Galileo Galilei (1564 - 1642)

On ne présente plus Galilée, on cherche juste à faire une biographie qui ne tienne pas des pages !! Né à Pise, cet éminent physicien et astronome fit de nombreuses découvertes en mécanique et en astronomie.

Il améliore considérablement la lunette astronomique, prend parti en faveur de la réalité du mouvement de la Terre, invente un thermomètre, la balance hydrostatique, un compas de proportion. Il établit les lois de la chute des corps. Pour ce qui nous concerne ici, il découvre les lois du pendule.

C'est en 1638 qu'il publie la théorie du pendule et charge son fils de la réalisation d'une horloge à poids et pendule qu'il a conçue. Malheureusement, ce fils meurt l'année suivante.

On voit ici le dessin fait par Galilée Fils sous la dictée de son père et d'après lequel il devait réaliser l'horloge à balancier.

Entre alors en scène Christiaan HUYGENS 1629-1695.

Christiaan Huygens (1629-1695)

Il est né à La Haye et c’est dans les œuvres de Descartes, ami de son père, qu'il fait ses études scientifiques. Il est le premier à avoir observé un satellite de Saturne (Titan), puis la rotation de Saturne et ses anneaux. Il publie les règles du choc élastique.

Il était membre de l'Académie des Sciences de Paris et de la Société royale de Londres. En ce qui nous concerne, il invente l'horloge à pendule et le ressort spiral des montres.

A-t-il poursuivi les travaux de Galilée ou mené les siens en parallèle ? Il n'empêche qu'en 1657, il charge l'horloger Salomon Coster de construire une horloge à poids et à pendule qui portera vite le nom de pendule.

L'horloge à pendule pesant telle qu'elle apparaît dans le livre de Huygens Horologium oscillatorium. On peut noter sur cette gravure que l'échappement est encore à roue de rencontre ce qui oblige à des amplitudes d'oscillation du pendule importantes et qui est néfaste à l'isochronie du mouvement.

Les deux lames sont destinées à corriger les variations de la période des oscillations du pendule dont la période est ajustée par.un poids-curseur, mobile le long de la tige. Il faudra attendre 1671 et l'horloger William Clément pour voir apparaître« l'ancre à recul » sur une idée de Robert Hooke. Elle permettra une oscillation du pendule d'un angle de 4 à 5° au lieu de 40° dans l'horloge de Huygens et de bien réaliser l'isochronisme.

18 ans plus tard, en 1675, Huygens invente la première montre à ressort-spiral, exécutée par Isaac Thuret, un des meilleurs horlogers de Paris. L'organe régulateur était un balancier (à ne pas confondre avec celui des horloges), petit volant métallique accouplé à un fin ressort d'acier enroulé en forme de spirale agissant sur lui comme la pesanteur sur un pendule.

Dans les années et les siècles qui suivirent, les horlogers et inventeurs s'attachèrent à améliorer les mouvements créés ou autres, que ce soient les échappements, les sonneries, les systèmes de remontage, la qualité des matériaux, la résistance aux variations de température... Mais on sort là des limites de cette étude et, qui plus est, de celles de mes compétences. Je vous renvoie donc au quid pour une chronologie complète des horloges et montres.

Le quartz, oscillateur moderne

En 1880, Pierre et Jacques Curie découvrent l'effet piézo-électrique : quand on soumet certains types de cristaux (dont le quartz) à une contrainte, il apparaît à leur surface des charges électriques.

Il suffit donc de mettre un cristal de quartz dans un boîtier, de lui taper dessus (sur le quartz, pas sur le boîtier) et de récupérer les charges électriques pour que le tour soit joué.... Zut, je me suis trompé !! On est en train de construire un briquet ou un allume-gaz, mais pas une montre. On vient de mettre en application l'effet piézo-électrique direct.

Il faut attendre G. Lippman pour mettre en évidence l'effet piézo-électrique inverse : les cristaux se déforment lorsqu'on les soumet à un champ électrique. Si cette « excitation » du quartz est permanente, il va vibrer à une fréquence très stable qui lui est propre et qui va dépendre de sa taille (dans les deux sens du terme). Il suffit de compter les vibrations pour les transformer en unité de temps voulue (seconde par exemple). Le résonateur à quartz est né.

Pour les montres, la fréquence est un général de 32 768 Hz. Un circuit intégré va diviser cette fréquence par 2 15 fois de suite et nous obtenons notre seconde.

Quant à la précision d'un tel oscillateur, elle est de 1/1000 de seconde en 24 heures. C'est quand même nettement mieux que notre foliot du début, non ?

Les premières horloges à quartz virent le jour en 1929-1930 et leur taille n'avait rien à envier aux premières horloges de clochers. La première montre à quartz à aiguilles est apparue en 1967 et la montre numérique est née en 1971.

Si vous cherchez le quartz dans votre montre, vous n'allez pas trouver quelque chose qui ressemble à l'image de gauche mais quelque chose qui ressemble à la deuxième image. Il ne vous reste plus qu'à ouvrir le boîtier pour trouver la lamelle de quartz. Après, je ne vous garantie pas un très très bon fonctionnement de la montre...

Les horloges atomiques

Avec les horloges atomiques, nous allons passer à une précision extrême qui est de l'ordre d'une seconde tous les 3 000 ans environ.

Bien entendu, ces horloges n'ont pas pour vocation de terminer chez nous sur la cheminée. Elles servent à des mesures très précises dont l'une est de donner le TAI (Temps Atomique International) que nous avons évoqué dans notre étude sur les échelles du temps.

Nous n'allons pas entrer dans le détail de leur fonctionnement. Sachons simplement que, cette fois, c'est l'atome qui va servir d'oscillateur puisque sa fréquence (ou, plus précisément, son changement d'état) est encore plus précise que celle du quartz. Il en existe d'autres, mais l'atome de Césium (Cs pour les intimes) semble se prêter de bonne grâce à son rôle d'oscillateur.

En guise de conclusion

Vous souvenez-vous de l'image de la tempérance telle que la représentait Ambroglio Lorenzetti en 1338 ?

Au XV ème siècle, elle est représentée ainsi dans un manuscrit conservé à la Sächsische Landesbibliothek de Dresde.

Comment, à l'époque des horloges atomiques, devrait-elle être représentée ?