De la clepsydre à l`horloge atomique Dossier pédagogique

De la clepsydre à l’horloge atomique
Université de Liège, Département de Physique
Thierry BASTIN, Christophe BECCO, Herve CAPS, Hélène DECAUWER,
Henri-Pierre GARNIR, Pierre-Henri LEFEBVRE, Yves LION,
François LUDEWIG, Geoffroy LUMAY, John MARTIN, Sophie PEDOUX,
Stephan PONTE, David STRIVAY, Nicolas VANDEWALLE
Dossier pédagogique
De la clepsydre
à
l’horloge atomique
Faites des Sciences… au Sart Tilman !
http://www.ulg.ac.be/sciences
22 > 28 mars 2004 dans le cadre du Printemps des Sciences
Pôle mosan de l’enseignement supérieur
Département de Physique
Le sablier
Histoire du sablier
Le sablier est apparu chez nous au 14ème siècle. Il consiste en une
ampoule de verre constituée de deux compartiments. Le sable (ou
une poudre de marbre) s'écoule d'une chambre à l'autre. L'orifice
séparant les 2 chambres a une ouverture d'environ 10 diamètres
de grains. Des orifices plus étroits se boucheraient.
Utilisation du sablier
Au départ, les sabliers servaient en cuisine, tout comme
aujourd'hui, mais ils trouvèrent rapidement d'autres
applications plus académiques. Ils ont même été utilisés
pour mesurer des périodes de torture !
Les marins utilisaient des sabliers de 28 secondes pour
mesurer leur vitesse en "noeuds". Ils lançaient un morceau
de bois attachée à une corde présentant des noeuds à
intervalles réguliers. Une fois la corde lachée, ils
retournaient le sablier. La vitesse du navire était alors
donnée par le nombre de noeuds à la surface de l'eau.
Physique du sablier
Très récemment, les physiciens se sont rendus compte
que le sable ne s’écoule pas comme un fluide usuel. En
effet, seule une fine couche de sable coule en surface
alors que la partie inférieure du tas reste immobile
comme les particules d’un solide. Les lois physiques
pour ces systèmes mi-solides mi-liquides sont encore
inconnues !
Réalisation : Nicolas VANDEWALLE, GRASP [[email protected]]
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Département de Physique
La clepsydre
Clepsydre
La clepsydre est le premier instrument imaginé par l'homme
pour mesurer des périodes de temps et non pas pour
déterminer l'heure de la journée (comme c’est le cas pour un
cadran solaire par exemple).
Le principe des clepsydres est basé sur la vidange d'un
réservoir goutte après goutte. Les premières clepsydres étaient
égyptiennes (vers -1500). Il s’agissait alors d’un simple
récipient troué et gradué. La photo de la clepsydre de Karnak
est présentée ci-contre.
Physique de la clepsydre
Le mouvement au sein d’une clepsydre est un écoulement. Au fur et à
mesure que le fluide s’écoule, la pression diminue. Pour tenir compte
de la diminution de la vitesse d’écoulement, il faut un système
compliqué de graduations non-également espacées.
Clepsydre moderne
Pour palier le problème des graduations, la
pression est maintenue constante lors de
l’écoulement à l’aide d’un trop-plein placé sur le
réservoir.
Dans une clepsydre moderne, un pointeur indique
l'heure sur un journalier. Ce dernier tourne à
chaque fois que le récipient se vide par le siphon.
Réalisation : Nicolas VANDEWALLE, GRASP [[email protected]]
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Département de Physique
Le pendule de Huygens
Oscillations d’un pendule
Un pendule simple est un mobile attaché à un fil dont
l’autre extremité est fixée. Une fois soumis à la gravité,
le pendule oscille.
La période des oscillations dépend uniquement de la
longueur du pendule. Elle ne dépend pas de la masse du
mobile.
Observation de Galilée
A la fin du 16ème siècle, Galilée observe qu'un
pendule simple oscille de façon périodique.
Même si l'amplitude du mouvement s'amorti, la
période ne change pas (voir ci-contre).
Cette observation est à la base des travaux de
Huygens qui construisit la première horloge à
pendule en 1656.
Pendule de Huygens
En 1671, l'ajout de roues dentées permet au
mouvement de compter les secondes les unes
après les autres. C'est un poids qui entraîne le
mouvement d'ensemble. Le pendule est là pour
battre chaque seconde. Ce dispositif était très
précis, on ne perdait au plus qu'une seconde par
jour (si on n’oubliait pas de remonter le poids) !
Réalisation : Nicolas VANDEWALLE, GRASP [[email protected]]
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Département de Physique
Le GPS et l’espace-temps
Un récepteur GPS contient une horloge
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exacte à la ns (10 s).
Les systèmes de positionnement par satellites
Le système GPS de l’armée américaine
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PRINCIPE DU POSITIONNEMENT PAR SATELLITES
Le positionnement GPS s’effectue en mesurant le temps que mettent les signaux radio émis
par plusieurs satellites pour atteindre le récepteur.
Les ondes radio, se propageant à la vitesse de la lumière (300 000 km/s), on connaît donc les
distances qui séparent le récepteur de chacun des satellites.
GPS est l’acronyme de Global Positionning System
24 satellites minimum (à 22 200 km d'altitude)
Précision de l’ordre de 5 m (pour les civils)
Fonctionne mal aux pôles et en terrain couvert
Opérationnel depuis 1995
La position (au m près) de chacun des satellites est calculée par le récepteur qui reçoit tous les
quarts d’heure les tables d’éphémérides qui contiennent les paramètres nécessaires au calcul
exact des trajectoires.
Le récepteur calcule, par triangulation dans l’espace-temps, les quatre coordonnées de sa
position à partir des signaux qu’il reçoit d’au moins quatre satellites. Il détermine ainsi sa
situation géographique (latitude, longitude et altitude) ainsi que l’heure. La précision atteinte
est de l’ordre du mètre pour les distances et de la ns pour le temps.
Rappelons que la lumière parcourt 30 cm en une ns.
OU SONT LES HORLOGES?
Chaque satellite contient plusieurs horloges atomiques de très haute
précision (valant chacune plusieurs millions d’€) qui se surveillent
mutuellement. Toutes ces horloges embarquées sont synchronisées
entre elles par les stations terrestres de contrôle (qui assurent aussi le
suivi des trajectoires et les tests de fiabilité). Elles sont donc
parfaitement à l’heure.
Un récepteur GPS de
poche à 12 canaux
(env. 250€)
http://www.garmin.com
L’horloge située dans le récepteur est moins précise (et moins chère)
mais, comme expliqué plus haut, elle s’auto-synchronise en
permanence avec les horloges atomiques des satellites. Elle acquiert
donc une exactitude apparente de l’ordre de 10-9 s.
Un récepteur GPS est donc aussi une très bonne horloge!
Le futur projet européen
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30 satellites (26 minimum à 24 000 km d'altitude)
Précision meilleure que le m (en standard , + en option...)
Fonctionne partout à 100% sécurité! (+ GPS et GLONAS)
Début des tests 2005
Opérationnel en 2008
http://tycho.usno.navy.mil/cesium.html
Une antenne GPS fixe destinée à des mesures de
précision http://www.rcru.rl.ac.uk/ionospheric/tec.htm
Le bloc oscillateur d’une horloge atomique destinée au
projet Galileo (Lab. de Neuchâtel)
Pour en savoir plus :
http://www.ulg.ac.be/ipnas/gps.pdf
http://www.ulg.ac.be/ipne/garnir/time/
http://www.univ-lemans.fr/~s962665/gps.html
http://tycho.usno.navy.mil/
http://www.trimble.com/gps/
http://www.esa.int/export/esaNA/
Réalisation : Henri-Pierre GARNIR, IPNAS [[email protected]]
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Une vue de la chambre forte du US Naval Laboratory
qui contient les 61 horloges atomiques qui constituent
le garde temps des États-Unis.