Une courte histoire de la mesure du temps

Terminale S – Physique
Chapitre 12
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Une courte histoire de la mesure du temps
La mesure du temps a été une des préoccupations importantes des premières civilisations, notamment
pour organiser la vie sociale, religieuse et économique des sociétés. Les phénomènes périodiques de
l’environnement - comme le déplacement quotidien de l'ombre, le retour des saisons ou le cycle lunaire ont servi de premières références.
Mais avec le temps, l’homme s'est inspiré de phénomènes physiques, dont il avait remarqué le caractère
périodique, pour concevoir et mettre au point des dispositifs de mesure du temps de plus en plus précis.
L'application du balancier aux horloges mécaniques en est un exemple ; celles-ci permirent aux hommes
de connaître l'heure à tout moment et en tout lieu.
Le cadran solaire, et son ancêtre rudimentaire, le gnomon, ont permis les premières mesures,
bien que peu précises, de la date. Les calendriers permettaient également de décompter le
temps et/ou de prévoir les événements de la vie sociale, religieuse, agricole…
Les Égyptiens utilisaient la clepsydre, grand vase percé à sa base, gradué à l'intérieur et qui
laisse échapper un mince filet d'eau. Les Grecs l'ont perfectionnée pour la rendre plus précise.
Ils lui ont ajouté un cadran et une aiguille, la transformant en un véritable instrument de
mesure.
D'origine inconnue, le sablier est basé sur le même principe que la clepsydre, excepté que l'eau
est remplacée par du sable. Il sert plus à mesurer des intervalles de temps qu'à indiquer l'heure.
Une anecdote couramment citée est celle de Christophe Colomb qui, en 1492, lors de son voyage
vers l'Amérique,utilisait pour faire le point un sablier qu'il retournait depuis son départ toutes
les demi-heures.
En Chine, les horloges à encens et en Europe, les bougies1 sont également utilisées pour
déterminer des durées.
Ces outils étaient peu précis sur de longues périodes et les écarts s'accumulaient.
Les premières horloges mécaniques apparaissent au XIVème siècle. Au début, elles sonnent les
cloches, n'ont pas de cadran et, lorsqu'elles en seront dotées au XVème siècle, il n'y aura qu'une
aiguille, celle des heures.
Ces premières horloges consistent schématiquement en un poids moteur qui entraîne un train
d'engrenages, lequel fait accessoirement tourner la ou les aiguilles. Le tout ne constitue une
horloge que si l'on sait réguler la chute du poids. C'est l'apparition de l'échappement qui va
transformer ce simple assemblage d'engrenages en véritable horloge. L'échappement permet
alternativement de libérer puis de bloquer la chute du poids, grâce à un mécanisme oscillant.
Dans ces premières horloges, ce mécanisme est un foliot, simple
tige aux extrémités de laquelle sont accrochés deux masses, qui
peut osciller horizontalement autour d'un axe vertical la
supportant en son milieu. Les masses lui confèrent l'inertie
nécessaire pour stopper la chute du poids. Solidaires de l'axe
d'oscillation, deux palettes viennent alternativement bloquer la
roue de rencontre (qui donne son nom à ce premier type
d'échappement) qu'entraîne le poids moteur.
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Certaines ventes aux enchères se font aujourd’hui encore « à la bougie »…
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Ce mécanisme très ingénieux est aussi très délicat à régler précisément ; frottements et chocs
sont importants, difficiles à maîtriser. Et surtout, chacun des éléments participe de façon
indiscernable aux deux fonctions motrice et régulatrice.
Parmi de nombreux autres phénomènes, Galilée étudia le
pendule oscillant et nota que la période (la durée d'un
aller et retour complet) du pendule semblait être
remarquablement constante pour un pendule donné. Il
dessina en 1641 un projet d'horloge réglée par un
pendule oscillant, sans la construire. Ce sont finalement
Christiaan Huygens et Salomon Coster qui construisirent
la première horloge à pendule en 1657.
Le progrès technique est important ; le progrès
conceptuel l'est encore plus. Les fonctions régulatrice et
motrice sont clairement identifiées et séparées, ce qui va
rendre possible des réglages précis. Les premières
horloges retardent la chute d'un poids grâce à un
mécanisme oscillant irrégulier au travers d'un
échappement. Les horloges à pendule entretiennent le
mouvement oscillant régulier du pendule en prélevant
au travers de l'échappement juste l'énergie nécessaire à
un poids qui descend.
La cycloïde, une courbe aux propriétés magiques
La roue d’Aristote ou roulette de Pascal est une courbe
brachistochrone, tautochrone et isochrone :



A
B
brachistochrone : c'est la courbe de descente la
plus rapide pour aller d'un point A à un point B.
tautochrone : tout point matériel lâché sans vitesse initiale sur la courbe arrive en un
point donné (celui ayant la plus basse altitude pour la cycloïde) en un temps
indépendant du point de départ.
isochrone : au sens de Huygens, tout point matériel se déplaçant sans frottement sur elle
a un mouvement périodique dont la période est indépendante de la position initiale.
En 1675, Huygens invente également le ressort spiral, qui va jouer le rôle du pendule dans les
montres. La première réalisation est due au maître-horloger Isaac Thuret.
L'échappement a pour but d'entretenir et de compter les oscillations du pendule d'une horloge
ou du balancier d'une montre. Il permet de transmettre les informations de temps d'un
dispositif régulateur (balancier) au dispositif à réguler (les aiguilles d'une montre, par exemple),
et à alimenter le dispositif régulateur en énergie.
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Le principe est de ne faire agir la force motrice que par impulsion
lorsque le régulateur passe au voisinage de sa position d'équilibre :
le reste de sa course, le balancier oscille presque librement et sa
course en est ainsi beaucoup plus régulière. Un nouveau
mécanisme à ancre, imaginé par Graham en 1720, permet en outre
de diminuer l'amplitude de la course, rendant inutile la correction
cycloïdale.
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L’échappement à ancre
La mesure du temps dans la marine est indispensable, comme le montre l'exemple de
Christophe Colomb. En particulier la détermination de la longitude impose de conserver à bord
l'heure du port de départ. À tel point qu'au début du XVIIème siècle les gouvernements
britannique et espagnol offrirent de fortes récompenses au savant qui réussirait à construire un
chronomètre transportable ayant une précision et, surtout, une stabilité suffisante pour faire un
point complet en mer. Car il est impossible de faire fonctionner un pendule sur un bateau à
cause du roulis.
Un tel instrument de mesure est inventé par l'horloger britannique
John Harrison en 1737. Après plusieurs tentatives, il crée un
chronomètre d'une précision et d'une stabilité étonnantes. Il
remporte le prix en 1764 seulement avec son quatrième prototype,
beaucoup plus compact dans sa forme, et qui, en deux mois de
voyage, ne se décale que de quelques secondes, performance jamais
atteinte jusque-là.
Le modèle H4 de Harrison (1759)
Le méridien-origine est pris à Greenwich dès 1883, et le choix d’un Temps Universel (TU) est
fait en 1911.
Dans le quotidien, le quartz (oscillateur) et la pile (source d’énergie remplaçant le ressort) ont
petit à petit supplanté les mécaniques horlogères.
Aujourd’hui, la connaissance des propriétés intimes de la matière permet – et conditionne – une
mesure du temps devenue extrêmement précise. La seconde est définie en 1967, à la Conférence
générale des Poids et Mesures, comme " la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation
correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome césium
133 ". Les horloges atomiques sont des chronomètres au césium et constituent des garde-temps
précis au dix-milliardième de seconde (10–10 s).
C’est le Bureau International de l’Heure, situé à l’observatoire de Paris, qui donne l’heure TAI
(Temps Atomique International) à partir des 230 meilleures horloges atomiques du monde. En
1958, par convention, on a fait coïncider le TAI et le TU légèrement modifié, puis on a crée le
Temps Universel Coordonné, compromis entre le TAI et le TU modifié. Ainsi, la planète vit au
rythme d’un temps de plus en plus homogène et de plus en plus précis.
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