HORLOGE ET MONTRE IN SITU : MÉCANIQUE 2

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1 IN SITU : MÉCANIQUE 2 HORLOGE ET MONTRE Réalisation : Toni Marin CNDP, le Département d Enseignement de la Generalitat de Catalunnya, 2000 Durée : 04 min 12 s Le film démarre par un historique chronologique des appareils de mesure du temps, du cadran solaire au cristal de quartz, en passant par les sabliers, horloges et montres. La nécessité d un avènement périodique pour mesurer le temps est clairement mise en évidence. Le document se poursuit par l étude technique du fonctionnement des différents composants de la montre ou de l horloge, alternant de manière claire et pédagogique animations et séquences en gros plan. Le film conclut sur la division en unités et sous-unités du temps.

2 DISCIPLINE, CLASSES ET PROGRAMMES Physique, 2 de : Le temps. Physique, 1 re S: Travail mécanique et énergie. Physique, T le S: Évolution temporelle des systèmes mécaniques. L évolution temporelle des systèmes et la mesure du temps. OBJECTIFS DE LA SÉRIE La série «In Situ» est une encyclopédie audiovisuelle des sciences et techniques adaptée au niveau scolaire, composée de courts films à caractères pédagogiques sur des sujets divers et variés. Ces films utilisent des aspects de la vie quotidienne, des aspects industriels, des études scientifiques et historiques ainsi que des animations courtes et claires pour présenter un sujet précis. OBJECTIFS DU FILM Sensibiliser à l évolution des appareils de mesure du temps. Montrer qu un événement périodique est à l origine de toute mesure du temps. Décrire le fonctionnement mécanique des montres et des horloges. Présenter le découpage du temps en unités et sous-unités. VOCABULAIRE Cadran solaire, sablier, horloge mécanique, montre à ressort, cristal de quartz, heure, minute, seconde, pendule oscillant, événement périodique, engrenage, ressort en spirale, énergie, échappement, régulateur. PRINCIPAUX THÈMES ABORDÉS Unités du temps. Systèmes oscillants. Événement périodique. Conversion énergie potentielle élastique / énergie cinétique. 2

3 DÉCOUPAGE DU FILM 00min 11s: Historique. Présentation chronologique de différents appareils de mesure du temps. 01min 35s: L événement périodique à la base de la mesure de l horloge est donné par le balancier. Précision et fiabilité. 02min 09s: Fonctionnement du ressort dans le cas de la montre. 02min 30s: L échappement. 02min 42s: Le régulateur. 03min 10s: Division en unités et sous-unités du temps. 3

4 SUGGESTIONS D EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE Évolution temporelle des systèmes mécaniques À utiliser en classe de T le S Le film peut servir d introduction à la grande partie Évolution temporelle des systèmes mécaniques pour montrer l intérêt et le souci constant de mesurer le temps et le relier aux phénomènes physiques périodiques. Il peut également introduire une étude des pendules oscillants avec des exercices appliqués à l horloge. Travaux dirigés À utiliser en classe de 1 re S En partant du film, le professeur peut lancer une séance de travaux dirigés mettant en œuvre l étude énergétique d une montre, avec des quantifications de conversion d énergie potentielle élastique du ressort en énergie cinétique de l aiguille de la montre. Le temps À utiliser en classe de 2 de L enseignant peut, à l aide du document, présenter son cours sur le temps, en développant les points de périodicité, de pendule oscillant et d unités. Le film peut introduire ou illustrer une séance d applications sur la mesure du temps ou une séance pratique sur le pendule. Pour les trois niveaux, 2 de, 1 re, T le Un texte historique peut être distribué après le visionnage pour lancer une séance d informations et de recherches (Internet, CDI ) sur l évolution des conceptions et des mesures du temps ainsi que sur le fonctionnement de l horloge ou de la montre (cf. Fiche élève). 4

5 FICHE ÉLÈVE Activité documentaire Objectifs: approfondir la connaissance sur l histoire des conceptions et des mesures du temps et motiver un travail de recherches. Les repères dans le temps Ils ont donné lieu à de nombreux calendriers basés sur des phénomènes astronomiques (jour, lunaison ) et ont été adaptés au cours des temps pour des raisons scientifiques, mais aussi politiques ou religieuses. On peut dire que les calendriers sont aussi des horloges. Mesure du temps et phénomènes astronomiques À partir de l observation des astres L astrolabe a été inventé par Hipparque (II e siècle av. J.-C.). Il sert à déterminer la hauteur du soleil, donc le moment de la journée correspondant, grâce à des tables astronomiques, et à déterminer la position des étoiles à une date donnée. À partir de l observation des ombres Des constructions architecturales furent érigées à partir d observations astronomiques définissant de longues durées ; les alignements de Carnac ( ans av. J.-C.) en sont un exemple. Le gnomon (qui signifie en grec: bâton) est un objet vertical dont sont déterminées les variations de l ombre, ce qui permet de connaître l inclinaison de l écliptique et, par suite, les saisons ou un moment de la journée. Il est l ancêtre du cadran solaire. Le premier cadran solaire mobile date du IV e siècle av. J.-C. (Inde). Mesure du temps et écoulement de fluides Les clepsydres sont des récipients à eau qui se vident ou se remplissent en un temps déterminé à l avance (selon la forme du récipient). Les premières horloges à eau datent du III e siècle av. J.-C. : la variation du niveau d eau commande certains mécanismes. Le flotteur anime un axe tournant faisant bouger un index ou un ensemble complexe pouvant comporter des automates. En 807, une horloge à eau et automates fut offerte à Charlemagne par le calife persan Haroun al-rachid. 5

6 Mesure du temps et phénomènes mécaniques périodiques Les premières horloges mécaniques apparaissent au XII e siècle. Le contrepoids devient moteur et les systèmes de régulation se perfectionnent peu à peu. La première horloge mécanique à échappement apparaît en Europe en 1283 (Londres). En 1488, Ludovic Sforza construit la première horloge miniature : la montre est née. En 1657, Huyghens (mathématicien hollandais) applique aux horloges un pendule chargé de régulariser leur marche; cette horloge prend le nom de pendule. Puis il fait fabriquer la première montre à ressort spiral, progrès décisif pour la précision. Ce n est qu à la fin du XVII e siècle que l Anglais Quare adapte l aiguille des minutes au centre de la montre. Des améliorations nombreuses sont apportées au cours du temps à ce type d horloges : 1771 : Breguet invente un système de remontoir et de remise à l heure 1896 : Premières montres au poignet 1917 : Cadran lumineux à radio lite supplantant les peintures au phosphore. Mesure du temps et phénomènes électriques 1933 : Première horloge à quartz oscillant (f = Hz) 1952 : Apparition de la montre électrique 1954 : Première horloge atomique 1959 : Apparition de la montre électronique 1968 : La montre à quartz analogique voit le jour 1970 : Apparition de la montre à quartz numérique à diodes luminescentes, puis à cristaux liquides. Des progrès constants ont été apportés depuis: montre à quartz sans pile, montre calculatrice, montre réceptrice de messages, montre embryonnaire qui s autorépare et s autoreproduit (D. Nlirge, Lausanne), etc. Mesure du temps et phénomènes atomiques L horloge atomique réalisée par le laboratoire primaire du temps et des fréquences de l Observatoire de Paris en 1995 atteint une précision qui permet un écart inférieur à 0,26 nanosecondes par jour. 6

7 7 Les horloges à césium Elles reposent sur l hypothèse que les fréquences de radiations correspondant aux transitions entre différents niveaux d énergie sont immuables. L étalon atomique comprend un résonateur atomique qui fournit la référence ultime et une partie électronique générant, à partir d un oscillateur à quartz à 5 MHz, un signal d erreur qui vient corriger en permanence la fréquence de l oscillateur à quartz, qui se trouve ainsi asservie à la fréquence de transition atomique. Autres types Des expériences sur les masers à hydrogène à rubidium ou à ions de mercure confinés sont en cours. Ces horloges sont cependant moins exactes (1 s en ans!). Définition légale de la seconde (depuis 1967) 1 seconde est la durée correspondant à vibrations de l atome de césium. Montres à quartz (piézo-électricité) Une pile alimente un circuit électronique (oscillateur électrique) contenant un cristal de quartz. Ce cristal, stimulé par un champ électrique, entre en résonance et est animé de vibrations mécaniques de hautes fréquences (de à oscillations par seconde). Il impose alors sa propre fréquence de vibration à l oscillateur électrique. Un diviseur de fréquence reçoit ces oscillations électriques régulières et les transforme en oscillations électriques de fréquence plus faibles. Ces oscillations électriques, de quelques hertz, commandent le circuit d alimentation d un micro moteur électrique qui actionne les aiguilles ou modifie l état électrique d un registre à mémoire qui commande l affichage numérique (module à cristaux liquides ou diodes électroluminescentes). Le choix d un quartz vibrant à Hz, en horlogerie, n a rien du hasard. En effet, les diviseurs de fréquence utilisés en électronique divisent la fréquence par deux. Cette fréquence de Hz, divisée 15 fois par deux, permet d obtenir la période d une seconde : = 215. Mécanismes à ressort spiral Les ressorts Le ressort spiral est constitué d une longue et mince bande métallique enroulée en spirale et résistant aux mouvements brusques. Le mécanisme comprend deux ressorts. Le premier fait osciller un

8 balancier: c est l oscillateur. Il se tend et se détend avec le mouvement du balancier. Le second ressort entraîne les aiguilles de la montre en rotation : c est l organe moteur. Il est tendu par le remontoir de la montre et lorsqu il peut se détendre, il entraîne les aiguilles de la montre. L échappement Au cours d une oscillation, l ancre libère, puis bloque à nouveau la roue d échappement. Lorsque la roue d échappement est libérée, l aiguille fait une fraction de tour toujours dans le même sens. Un système d engrenage permet de faire tourner au bon rythme l aiguille des heures et celle des minutes. C est l échappement qui fixe la base de temps et régule le mouvement des aiguilles. LIVRET RÉDIGÉ PAR YANN MELKI SCÉRÉN-CNDP, 2006