2) Observations des phénomènes physiques


2)-Observations des phénomènes physiques :
 

Les systèmes énoncés précédemment avaient pour défaut d'être complètement dépendant de la météo. La nuit et par temps nuageux, cadrans solaires et gnomons se retrouvaient inutiles. L'Homme a donc inventé des systèmes de mesure du temps complémentaires.
Les clepsydres, ou horloges à eau apparaissent en Égypte, 3000 ans avant J.C., elles ne permettent pas de connaître l'heure qu'il est mais conservent des durées. Il s'agit la plupart du temps d'un vase percé d'un trou. L’intérieur du récipient est gradué et le niveau de l'eau restant permet de déterminer le temps écoulé.
 
Nous avons dans le cadre de notre TPE, réalisé une clepsydre :

                                                    
                                                    
 
Nous avons découpé le fond d'une bouteille et percé son bouchon. A l'aide d'un support, nous l'avons fixé au dessus d'une éprouvette graduée. Puis avons rempli d'eau la bouteille. A l'aide d'un chronomètre, toutes les dix secondes nous avons relevé le volume d'eau écoulé.
Ces données ont permit d'établir une relation de proportionnalité entre volume écoulé et temps.   


         

                                                            V = 2,10.10-6 * t

Remarque : Nous avons refait l'expérience une seconde fois en rajoutant de l'eau pour maintenir la même pression dans la bouteille, tout au long de l'expérience et nous remarquons que si la clepsydre est remplie entre temps, les points de mesures sont plus proches de la droite de régression linéaire. Ce qui signifie que le débit est plus constant.        
                    
                      

                                                             V = 2,04.10-4 * t


Cela explique notamment pourquoi les clepsydres étaient munies de plusieurs réservoirs, afin que le dernier réservoir gradué, soit toujours alimenté et garde un écoulement constant.
 
                                                                      

                                                                                                      Clepsydre antique


Le débit de l'eau écoulé, varie selon le diamètre du trou. Les clepsydres avaient donc différentes fonctions. Il y avait celles qui mesuraient le temps en complément des cadrans solaires, de nuit ou par temps nuageux. Mais les clepsydres étaient aussi utilisées pour mesurer des durées très courtes, telles que les temps de paroles dans des débats en Grèce Antique, les tours de gardes des soldats de la légion romaine...
 
Mais l'écoulement de l'eau d'une clepsydre, en plus d'être sensible à la pression dans le récipient, est sensible à la température. Les clepsydres fonctionnement plus lentement l'hiver, voire même pas du tout en cas de gel.
 
Le sablier, basé sur le même principe que la clepsydre, à savoir l'écoulement d'un fluide, devient « l'horloge d'hiver des hommes », et se substitue à l'horloge à eau, à partir du Xème siècle après J.C.

                                                               

Les débuts de l’horlogerie mécanique se situent autour du 13ème siècle et naissent, probablement, du besoin des édifices religieux d'indiquer l'heure pour les prières.

Le premières
horloges, appelées horloges d’édifices, sont volumineuses et entièrement en fer. 
Elles ne comportent pas toujours de cadran, l’heure est simplement distribuée de manière sonore à l’aide de cloches. Les cadrans qui apparaîtront ensuite n'indiqueront que les heures. Il faudra attendre les années 1700 pour mettre en place une aiguille pour les minutes, et plus encore pour la celle des secondes.
 
Voici le principe de fonctionnement général de toute horloge mécanique :
 
Une horloge se compose de 4 organes principaux :


- 1. La source d’énergie de l’horloge mécanique est constituée par un poids, suspendu à une corde enroulée autour d’un tambour
 
- 2. La transmission de cette énergie motrice est assurée par l’engrenage ou les rouages. 
 
- 3. L’organe essentiel de toute horloge est l’échappement. L’échappement stoppe à intervalles réguliers la descente du poids. 
 
-4. Enfin, toute horloge comporte un organe régulateur : le balancier.
 

Les horloges du 13ème siècle, étaient des horloges à échappement à Foliot, c’est-à-dire que l'organe stoppant l'intervalle du poids était un balancier horizontal à deux poids aux extrémités.

                             

                                         Mécanisme des horloges à foliot


Ci-joint le lien pour une vidéo, montrant une mécanisme d'horlogerie à foliot en mouvement.
                       
https://www.youtube.com/watch?v=wSbbLfQvn0M

Cependant, les horloges à foliot présentaient une faible exactitude. Elles dérivaient d'environ deux heures toutes les 24 heures. Il faut trouver un nouvel organe de régulation plus précis !
 
C'est en 1638, que Galilée découvre la régularité du mouvement du pendule simple, et teste les facteurs influençant la période d'oscillation du pendule. Il aboutit à la formule suivante, où T est le temps d'une oscillation en secondes, L la longueur du fil du pendule en mètres et g l'intensité de la pesanteur en Newtons par kilogrammes.          

                 ce qui revient à :     

Pour un lieu d'intensité de pesanteur égale à 9,8 N.kg-1 (Paris), un pendule ayant une période d'oscillation de deux secondes doit mesurer un mètre.
 
Nous avons construit notre propre pendule (une masse au bout d'un fil, accroché à une potence).
                                                           
 
Nous avons étudié l'influence de l'angle de lancée de la longueur du fil et de la masse sur la période d’oscillation du pendule.
 
Comme Galilée nous en sommes arrivés à la conclusion que seule la longueur du pendule avait une influence sur sa période d'oscillation. Nous avons exprimé le temps d'une oscillation au carré en fonction de la longueur du fil.
Nous obtenons la droite de régression suivante :
             
                      
T2 = 3,98 x l


L'équation de droite obtenue expérimentalement correspond bien à la formule de Galilée (puisque le coefficient directeur de la droite correspond bien à : ).        

En 1657, Christian Huygens réalisa la première application pratique de la découverte de Galilée. Il invente le balancier pendulaire, un organe régulateur, qui remplace le foliot et apporte un gain de précision considérable.

                   
                           

                     Schéma d'une horloge à balancier pendulaire

 

Cependant le balancier pendulaire a lui aussi deux défauts majeurs :

 -Il est impossible à miniaturiser, du fait que le pendule doit mesurer un mètre.

 -Il est sensible aux secousses, et aux changements de latitude (on rappelle que la force gravitationnelle g dont dépendent les oscillations du pendule n'est pas partout la même sur Terre).

Ces imperfections rendent le pendule incompatible avec les voyages en mer, qui pourtant nécessitent une mesure du temps précise afin de pouvoir garder une idée de la localisation du navire sur le globe terrestre.

 

C'est pour cette raison qu'Huyghens imagine en 1675 l’horloge à ressort. Le principe diffère très peu des autres horloges.

La source d'énergie est un ressort tendu qui restitue de l’énergie en se déroulant.

L''organe régulateur est un deuxième ressort, appelé balancier spiral, qui effectue un mouvement de va et vient circulaire, tel un pendule.

 

                                                      Echapancrespiral

                                                     Mécanisme d'horloge à balancier spiral

Cette avancée majeure dans l'horlogerie, permettra de miniaturiser à souhait les systèmes de mesure du temps. La montre devient très vite indispensable dans la société occidentale.