Histoire de la mesure du temps

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1 Histoire de la mesure du temps L Antiquité Dès l'antiquité, les hommes ont cherché à évaluer l'écoulement du temps rythmé par les années, les saisons, les jours et les nuits. Les premiers instruments de mesure connus sont les gnomons et les cadrans solaires. Ils sont basés sur le déplacement relatif du Soleil par rapport à la Terre, ils ne pouvaient fonctionner que le jour, par temps ensoleillé, et n'indiquaient pas l heure de façon précise. Le gnomon Il s agit simplement d un bâton planté verticalement dans le sol. Principe de fonctionnement du gnomon Il a permis la première mesure du temps car la direction des ombres est le résultat du déplacement apparent du Soleil tout au long de la journée : c est l ombre du bâton qui indiquait le moment de la journée. Midi est le moment de la journée où l ombre est la plus courte puisque le Soleil est au plus haut dans le ciel. Cependant, la position du Soleil varie au cours des saisons, du coup, pour une même heure, l ombre du bâton n a pas tout à fait la même longueur ni la même direction d une journée à l autre. Il n était donc pas possible de faire des marques sur le sol pour indiquer une heure «précise». 1

2 Le cadran solaire Le cadran solaire est un instrument dérivé du gnomon. Environ 340 ans avant Jésus Christ, les Babyloniens (habitants de la région de Babylone, une ville antique du Proche Orient) ont inventé le polos (ou scaphé). Région de Babylone Cet un instrument de la forme et de la taille d un bol pouvait être transporté et utilisé n importe où. Le style (le bâton) est planté verticalement au centre, l ombre se déplace à l intérieur du bol dont la surface interne est divisée en 12 portions égales représentant les heures (ce cadran n est donc pas très précis). Scaphé 2

3 La première amélioration consiste à planter le style horizontalement et à supprimer la partie de la demi-sphère qui n était jamais éclairée par le Soleil (et qui était donc inutile, voire gênante car elle pouvait créer une ombre sur la partie de la demi-sphère éclairée). Cadran solaire grec Les grecs ont apportés de grandes améliorations avec les cadrans coniques, le style est pointé vers l étoile polaire et les heures ne sont plus divisées de façon égale sur la surface du cadran et il est possible d ajouter des arcs supplémentaires pour indiquer les saisons, les mois Ce sont également les grecs qui ont développé les cadrans horizontaux. Les Romains ont largement repris les inventions des grecs sans rien améliorer. Les problèmes liés à la lecture des cadrans antiques s'expliquent principalement parce que les cadrans, étaient changés de place, et étaient installés sous de latitudes différentes, et que les lignes horaires étaient le plus souvent séparées par des angles égaux. Il faut attendre la fin du Moyen Age pour voir le calcul des cadrans améliorer leur tracé, ce qui marqua le début d'un essor depuis inégalé dans la création des cadrans solaires. Des cadrans solaires portatifs ont également été construits, certains pouvaient comporter une boussole afin de les orienter avec précision. Plus tard, des cadrans solaires étaient gravés sur le couvercle du boîtier des montres afin d'en faciliter la remise à l'heure. Cadran portatif du XVIII siècle 3

4 La clepsydre La clepsydre est une horloge à eau, connue aussi bien des Egyptiens (Afrique), que des Amérindiens (Amériques) et des Grecs (Europe). Une clepsydre est une sorte de vase percé d un trou afin de laisser l eau s écouler régulièrement. Des graduations situées à l intérieur permettent de mesurer des intervalles de temps. La clepsydre ne permet pas de donner l heure directement, contrairement au cadran solaire, elle mesure des durées (un peu comme un chronomètre), et l heure est ensuite déduite. La clepsydre peut indiquer l heure la nuit et lorsqu il n y a pas de soleil et elle peut mesurer des durées plus courte que le cadran solaire. Clepsydre antique La clepsydre était très importante dans les citées antiques. En Grèce, on l utilisait par exemple, pour limiter la durée des discours des politiciens. A Rome, une clepsydre était placée au centre de la ville et était entourée d esclaves. Ils observaient l heure, puis la rapportaient à leurs maîtres en courant. 4

5 Du Moyen Age au XX siècle Le sablier Le sablier est apparu au VII siècle. Il est moins précis que la clepsydre, mais il fonctionne encore lorsqu'il fait froid ou qu'il gèle. Il n'a pas de graduations pour indiquer l'heure : on ne l'utilise que pour mesurer des durées. Il en existe de différentes tailles et mesurant des intervalles de temps différents. Son inconvénient est qu'il faut souvent le retourner pour mesurer des intervalles de temps relativement longs. Un sablier De nos jours, on utilise encore le sablier pour des jeux de société, pour faire cuire un œuf à la coque ou pour se laver les dents. La bougie Cet outil de mesure de temps fut inventé vers 870. Le fonctionnement de celle-ci est très simple : la bougie est graduée sur le côté et au fur et à mesure de sa combustion, on peut voir combien de temps s est écoulé. Cette méthode est assez imprécise mais était assez répandue au Moyen Age. Bougie graduée 5

6 L horloge à encens L horloge à encens a été inventée en Chine. Elle est basée sur le même principe que la bougie : on fait brûler des bâtonnets d encens, lorsqu un bâtonnet est entièrement brûlé, une bille reliée à un fil de soie tombe dans un récipient en métal, provoquant un son. Horloge à encens chinoise La lampe à huile (ou horloge à huile) Elle est elle aussi basée sur le même principe que la bougie : les graduations de temps sont gravées ou peintes sur le réservoir d huile que l on fait brûler. Elle servait à indiquer les heures la nuit (sur l image ci-dessous on voit les graduations en chiffres romains : VI, VII, VIII, IX, X, XI, XII,I, II, III, IV, V, VI, soit de 18h à 6h). Horloge à huile du XVIII La lampe à huile a été peu utilisée car elle était dangereuse. L Horloge Mécanique Au Moyen Age, la religion occupait une place importante. La prière se faisait à des heures régulières du jour et de la nuit. Pour annoncer l heure de la prière, les moines faisaient sonner la cloche de l église. Pour faciliter cette tâche et éviter les oublis, les moines les plus ingénieux décidèrent d accoupler une clepsydre avec un marteau. Celui-ci, quand le temps était écoulé, retombait sur une cloche en bronze. Mais ces minuteurs avaient l inconvénient 6

7 de toutes les horloges à eau : leur débit varie avec la température et la pression atmosphérique, et quand il gèle, la clepsydre ne fonctionne plus... II est probable que c était dans le but de faire sonner les cloches que l horloge a été inventée. Les premières horloges apparaissent au 13ème siècle. Elles n avaient pas forcément un cadran et ne possédaient qu une aiguille, celle des heures. Un poids était accroché à une corde enroulée autour d un axe horizontal entraînant une aiguille dans un mouvement de rotation. Le problème était que le mouvement du poids n était pas très régulier, donc l heure n était pas précise, pouvant entraîner un décalage jusqu à une heure par jour. C est pour cela qu il y avait souvent un cadran solaire au-dessus d une horloge. Peu à peu, les améliorations techniques apportent de bonnes précisions et dans toute l Europe de magnifiques horloges sont construites. On trouve souvent sur plusieurs cadrans, l heure, les signes du zodiaque, les saisons, les planètes ou encore les dates des fêtes religieuses. Horloge astronomique de Prague Le chronomètre Au XVIII siècle, les marins ont besoin d un instrument de mesure du temps précis afin de déterminer leur position au cours de leurs voyages. En effet, si déterminer la latitude du navire est facile depuis l'antiquité à partir de la position du soleil à midi ou de l'étoile polaire la nuit, trouver la longitude nécessite de faire un calcul de la distance parcourue entre deux points. (Nord / Sud) (Est / Ouest) O Schéma expliquant ce que sont la latitude et la longitude 7

8 En l'absence d'un instrument de mesure du temps fiable, c'est quasiment impossible, et jusqu'au XVII siècle, les capitaines naviguent à l'estime. Plus leur expérience est grande, mieux ils savent évaluer leur position. En 1707, l'amiral Anglais Sir Cloudsley Shovel, à la tête d'une escadre de 4 navires, se trompe dans son estime et fait naufrage sur les îles Scilly (ou Sorlingues), au Sud-Ouest de l'angleterre. Les 2000 marins embarqués et leur amiral se noient. Le gouvernement britannique offre en 1714 un prix équivalent à environ d Euros actuels à qui trouvera la longitude à un demi-degré près (soit 30 km en moyenne). C'est un charpentier-horloger Anglais, John Harrison, qui en 1734 construit un énorme chronomètre de marine de 32,5 kg. Premier chronomètre de John Harrison C est au cours du voyage du Deptford, en 1761, avec son prototype n 4 nettement plus petit, en forme de montre, qu il remporte le prix à l âge de 80 ans. Quatrième chronomètre de John Harrison En 1764, avec le n 5, l'erreur angulaire est de 5,2 secondes (soit une distance de 1850 m) sur un voyage de deux mois. A la même époque, à terre, le français Pierre Le Roy est considéré comme le père du chronomètre moderne, avec l invention de l échappement à détente

9 De nos jours L horloge à quartz Lorsqu on frappe sur un verre en cristal, on entend un son car il vibre avec une fréquence qui lui est propre. C'est pareil pour le quartz. Et si vers 1920 on choisit le quartz comme oscillateur, c'est à cause des charges électriques qui apparaissent et disparaissent en permanence à sa surface, au rythme des vibrations. Ces vibrations, par l'intermédiaire d'un circuit électronique, sont à l'origine du déplacement des aiguilles d'une montre, ou, s il s agit d'une montre à affichage digital, les impulsions électriques sont envoyées vers l'écran en rendant opaques les cristaux liquides qu'elles traversent. La précision obtenue est dix fois plus grande que celle de la meilleure des montres mécaniques : 1 seconde en 6 ans. La première horloge à quartz, en 1930, avait la taille d'un réfrigérateur. En 1970, la miniaturisation est telle qu'apparaît la première montre-bracelet à quartz. Cristal de quartz 1 ère horloge à quartz 9

10 L horloge atomique Toujours à la recherche de la meilleure précision, pour répondre aux besoins des télécommunications ou de la navigation, les savants poursuivent leurs recherches, et en 1947 ils mettent au point l'horloge atomique. C est l instrument de mesure du temps le plus précis : ces horloges dérivent de moins d une seconde en 3000 ans. Depuis 1967, c est l horloge atomique au césium qui sert à définir la seconde, l unité du système international. Actuellement, ces horloges sont très utiles pour les horloges de l ordinateur des satellites, pour la navigation aérienne et pour les systèmes G. P. S. Horloge atomique au césium 10