I- Instruments de la mesure du temps

De nombreux instruments de mesure ont été créés par les Hommes dès le début de l’humanité. Les premiers se fondent sur le déplacement du Soleil par rapport à la Terre. Mais les hommes ne se sont pas arrêtés à ça et n’ont cessé de les améliorer, du gnomon à l’horloge atomique, les instruments se font de plus en plus précis.

1. Anciens instruments de mesure

Gnomon

Le gnomon est le premier instrument de la mesure du temps. C'est l'ancêtre du cadran solaire.  Le gnomon est un piquet planté verticalement dans le sol. On peut mesurer le temps en observant la longueur de l’ombre du bâton. La plus petite ombre correspond à midi.  

 
 Cadran solaire

Le cadran solaire date d’environ 1500 ans avant J.C. C’est un dérivé du gnomon. Il est composé d’une tablette avec des heures et un piquet dont l’ombre, projetée sur la tablette, va indiquer l’heure.  La Terre tourne autour du Soleil sur son axe pôle Nord/ pôle Sud en faisant un tour en un jour, c’est à dire : 360° en 24h. Donc si on tranchait la Terre parallèlement à l’équateur, en plantant sur l’axe nord/sud un bâton, l’ombre de ce bâton ferait un tour complet (360°) en un jour (24h).

Le déplacement en une heure formera donc un secteur angulaire égal à 360°/24=15°.

C’est le principe de base de la construction d’un cadran solaire.

Mais attention, le cadran réalisé selon le procédé ne donnera l’heure qu’à la période où il a été tracé car il ne tient pas compte des variations de hauteur du Soleil selon les saisons. La précision du cadran solaire dépend de sa taille. En effet, plus il est grand, plus il est précis. Par exemple, le cadran solaire "Brihat Samrat Yantra" mesure 27m de hauteur et donne l'heure avec une précision de 0,5 secondes.

Astrolabe

L’astrolabe existe depuis le IIème siècle avant J.C. et il est utilisé par les marins jusqu’au XV siècle. Il a été inventé par le mathématicien et géographe grec Hipparque. Il sert à la fois de boussole, d’horloge et d’outil de mesure.

L’astrolabe sert à calculer précisément des coordonnées géographiques et permet de savoir l’heure qu’il est en fonction de la position des étoiles. Pour trouver l’heure, il fallait connaître la hauteur de l’astre qu’on a choisi puis faire tourner le rete jusqu’à ce qu’il corresponde à la

hauteur sur la mater.

Nocturable

C’est un instrument qui permet de déterminer l’écoulement du temps en fonction de la position des étoiles. Il est utilisé à partir du Xème siècle. Il est composé de 2 disques, un disque intérieur avec les mois et un disque interne avec les heures. On regarde l’étoile polaire à travers un trou du noctularbe puis on choisit une étoile de référence avec le bras du nocturlabe. L’intersection du bras et du disque externe va indiquer les heures.

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Les appareils de mesure  du temps basés sur le principe de la combustion du corps servent à mesurer un intervalle de temps (il est surtout utilisé la nuit). Cependant, la combustion d’un corps n’est pas homogène car elle dépend de nombreux facteurs comme la pureté du corps. La précision de ces instruments étaient donc relative.

Bougie

La bougie était aussi utilisée comme instrument pour mesurer le temps vers les années 870. La bougie était graduée sur le côté en heures d'égales longueurs (souvent 4h). Au fur et à mesure que la bougie brûlait, on pouvait voir combien de temps s'était écoulé quand la flamme atteignait ces graduations. À l’époque, la bougie était réalisée par la cire d’abeille. Cette cire est une mélange d’esters et d’alcools. 
La bougie décroit à vitesse constante au cours du temps. Donc, une bougie graduée à intervalle régulier peut servir de repère temporel. Mais elle était imprécise pour de longues durées.

Horloge à encens

En Chine, on mesurait le temps avec une horloge à encens. Elle s’utilisait du VIè au XVIIème siècle. C’était grâce à la combustion d’un bâton d’encens brûlant sur un fil qui est relié à une bille. Une fois la combustion finie, la bille tombait dans un récipient avec un bruit et indiquait qu’un certain laps de temps s’était écoulé.

Horloge à huile

L’horloge à l’huile a le même principe de fonctionnement que l’horloge à bougie. Au fur et à mesure de la combustion de l'huile, le niveau de l'huile dans le réservoir baisse.

Des graduations placées sur le réservoir marquaient les heures de la nuit en

fonction du niveau de l'huile.

 

b. Les nouveaux instruments

A partir de l’horloge mécanique, les instruments de la mesure du temps ne se contentent plus de mesurer le temps qui s’écoule mais de donner l’heure en cherchant à être le plus précis possible.

Horloge mécanique

La première horloge a été mise au point aux alentours du XIIIème siècle. Elle avait pour principe la chute d’un poids qui actionnait des rouages. Sa seule fonction était de sonner l’heure, elle n’affichait pas l’heure sur un cadran et était peu précise et il fallait souvent la remettre à l’heure.

L’horloge mécanique permet de mesurer le temps grâce aux oscillations d’un balancier.

Elle est composée d’un poids accroché à une corde qui est enroulée autour d'un axe horizontal qui entraîne une aiguille dans un mouvement de rotation lors de sa chute .Cependant, le mouvement du poids n’était pas régulier. En effet, la vitesse de chute du poids de l’horloge mécanique produit une accélération obligeant l'engrenage à tourner de plus en plus vite ce qui empêche de communiquer un mouvement périodique stable aux aiguilles. Une solution a donc été trouvée afin de régulariser ce mouvement : l’échappement qui consiste à freiner les mouvements de dents de la roue centrale par système de bloquage-débloquage. Pour cela, on ajoute un  foliot qui est une pièce métallique bloquant la chute du poids à des intervalles de temps réguliers.

 
L’horloge mécanique a été améliorée au fur et à mesure jusqu’en 1657 où Huygens met au point avec Coster la première horloge à balancier appelée pendule et pour la première fois, on peut mesurer les minutes et les secondes. Ici, le mouvement est régulé par le pendule qui se balance en un mouvement périodique. 
Depuis l'innovation de Huygens, nos montres mécaniques, c'est-à-dire celles dont l'énergie est fournie par un ressort, suivent le même principe. Sous l'action du ressort, grâce à une suite d'engrenages, le barillet entraîne le rouage et actionne les aiguilles. Le rythme précis est déterminé par un balancier à oscillations constantes. Ce mouvement du balancier est entretenu par un autre rouage à mécanisme auto-bloquant (ancre). Ce dernier libère l'énergie du balancier à intervalles réguliers.

Chronomètre

 
Le chronomètre est inventé en 1704 par un charpentier-horloger nommé John Harrison qui en construisit un de 32,5kg, Ce chronomètre fut très utile dans la marine pour repérer la position en mer. En effet, aujourd'hui il peut être précis au millième près.

Horloge électrique

En 1840, Alexander Bain invente la première horloge électrique. L'énergie qui est fournie par une pile qui alimente un électro-aimant. (Un électro-aimant est un organe électrotechnique produisant un champ magnétique lorsqu'il est alimenté en électricité.) L’horloge électrique fonctionne d’après le principe suivant : le balancier de la pendule ferme un contact au moment zéro de l’oscillation, ce qui excite la bobine et donne une très légère impulsion à l’aimant se situant en bas de la tige. L’oscillation du balancier permet d’agir sur un rochet qui se trouve au sommet de celui-ci et fait avancer le mouvement. De plus, la précision de son mouvement est légèrement supérieur à celle d’une horloge mécanique, seulement si le contact fonctionne parfaitement.

Horloge à quartz

L’horloge à quartz a été mise au point en 1928 et les montres en 1967; elles sont devenues numériques en 1970. Cette horloge fonctionne grâce à l’effet de piézoélectricité découvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie. Sous cet effet, le quartz à la capacité de générer des charges électriques lorsqu’il est comprimé. Pour définir le temps, l’horloge à quartz a besoin d’un oscillateur à quartz alimenté par une pile. L’horloge à quartz fonctionne grâce aux chocs de la pile sur le cristal qui engendrent des vibrations mécaniques d’une fréquence de 32 768 Hz. Ces impulsions sont ensuite transmises à un système mécanique qui actionne un moteur et qui permet de faire tourner les aiguilles, d’un rythme précis et régulier.

Horloge atomique

 La première horloge atomique a été construite en 1954. L’horloge atomique la plus précise est celle à jet de césium. Elle se décale de moins d'une seconde tous les 3 000 ans et a une précision de la seconde avec une finesse de 15 ou 16 chiffres après la virgule . L'horloge atomique fonctionne grâce à l'action des électrons dans un atome. Son principe de fonctionnement est basé sur le fait qu’il y a des différences d’énergies d’un atome à un autre, et qu’ils peuvent passer d’un niveau à un autre en absorbant ou en émettant un photon. Il suffit de provoquer une transition atomique (le passage de l'atome d'un état à un autre) puis de compter les périodes de l’onde ayant été générée par le changement d’état ou ayant provoqué le changement d’état pour obtenir un signal horaire. La fréquence de transition entre les niveaux de l'état fondamental de Césium 133 est de 9 192 631 770 Hz.