COMMENT FONCTIONNE UNE HORLOGE À BALANCIER ?

Tic-tac, tic-tac, c’est le son que nous avons en tête quand nous pensons aux horloges, même si la grande majorité des horloges murales modernes ne font pratiquement aucun bruit. Il n’y a pas si longtemps, pratiquement toutes les horloges et montres faisaient un bruit de tic-tac parce qu’elles étaient complètement mécaniques plutôt qu’électriques ou électroniques. Au lieu que votre horloge soit alimentée par une pile, vous deviez la remonter à l’aide d’une clé et il y avait une longue tige oscillante à l’intérieur, appelée pendule, qui faisait en sorte que les engrenages tournoyants affichaient la bonne heure. Alors, comment ces horloges à pendule à l’ancienne fonctionnaient-elles vraiment ?

Qu’est-ce qu’un pendule ?

Un pendule est une tige suspendue verticalement à son extrémité supérieure (ou un poids appelé un bob suspendu à une corde) qui se balance d’un côté à l’autre en raison de la force de gravité. Comme l’a découvert le très célèbre scientifique italien Galileo Galilei (Galilée) (1564-1642), l’astuce d’un pendule, c’est qu’il lui faut toujours le même temps pour faire un swing complet. En théorie, la seule chose qui affecte la vitesse à laquelle un pendule oscille est sa longueur et la force de gravité.

L’invention du pendule

Galilée l’a tout de suite compris et bien qu’il n’ait jamais réussi à construire une pendule complète, il s’en est approché (voici un modèle de l’horloge pendulaire de 1642 qu’il concevait juste avant sa mort) ; c’est à un autre brillant scientifique, le Hollandais Christiaan Huygens (1629-1695), de terminer ce travail dans les années 1650.

Le modèle en métal présenté ci-dessus date du XIXème siècle, et s’inspire d’un dessin de Viviani, biographe de Galilée, d’une horloge pendulaire que ce dernier n’a pu achever avant son décès. Ce pendule est le premier à appliquer le concept de la maîtrise de la vitesse de l’horloge par le pendule. Galilée avait découvert que la période d’oscillation du pendule n’était pas liée à l’amplitude de l’arc de l’oscillation, ce qui confère au pendule un réel potentiel de chronométrage. Malheureusement, alors que la construction du pendule touchait à sa fin, Galilée décédait. L’inventeur Hollandais Christiaan Huygens reprenait alors l’oeuvre de Galilée et construisit la première horloge à pendule en 1656 à la Haye, qui rencontra immédiatement le succès.

Dans l’histoire des instruments de mesure du temps, l’invention du pendule, portée par la révolution scientifique du XVIIème siècle, apporta à l’horlogerie l’avancée la plus fondamentale.

Depuis son invention en 1656 par Christiaan Huygens jusqu’aux années 1930, l’horloge à pendule a été le garde-temps le plus précis du monde. Les horloges à balancier devaient être stationnaires et installées de niveau pour fonctionner. Tout mouvement ou accélération affectera le mouvement du pendule causant une perte ou un gain de vitesse et de battement de celui-ci. Les pendules anciennes sont maintenant conservées principalement pour leur valeur décorative et antique.

Ce modèle a été réalisé d’après le premier récit et illustration publiés de l’horloge pendulaire de Huygens. Huygens était conscient que la période du pendule n’était pas complètement indépendante de l’arc à travers lequel il oscillait et dans ses premières horloges, il a tenté de corriger cela en utilisant des courbes “joues” pour modifier le chemin du balancier bob. Dans cette horloge, il a adopté une approche alternative pour réduire le balancement du pendule en introduisant un engrenage supplémentaire au-delà de l’échappement. Il est revenu à l’utilisation des joues l’année suivante, quand il avait réussi à calculer leur forme correcte. L’horloge montrée ici est entraînée par le poids (ses premières horloges étaient à ressort) et elle incorpore un dispositif pour maintenir la force motrice sur l’horloge pendant qu’elle est enroulée. Ceci est devenu important avec l’augmentation de la précision de l’horloge pendulaire. Le cadran principal a une aiguille des heures et une aiguille qui tourne une fois toutes les cinq minutes, indiquant les secondes sur le bord extérieur du cadran. L’aiguille des minutes du cadran auxiliaire tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Comment fonctionne un pendule ?

Un pendule fonctionne en convertissant l’énergie d’avant en arrière, un peu comme un tour de montagnes russes. Lorsque le bob est le plus haut (le plus éloigné du sol), il a un maximum d’énergie stockée (énergie potentielle). En accélérant vers son point le plus bas (son point médian, le plus proche du sol), cette énergie potentielle est convertie en énergie cinétique (énergie du mouvement) puis, lorsque le bob remonte, en énergie potentielle. Ainsi, lorsque le bob oscille d’avant en arrière, il passe sans cesse de l’énergie potentielle à l’énergie cinétique. Un objet qui fonctionne de cette façon s’appelle un oscillateur harmonique et son mouvement est un exemple de mouvement harmonique simple, mais nous ne pousserons pas l’explication ici.

S’il n’y avait pas de frottement ou de traînée (résistance à l’air), un pendule continuerait à bouger indéfiniment. En réalité, chaque balancement voit la friction et la traînée voler un peu plus d’énergie au pendule et il s’arrête progressivement. Mais même s’il ralentit, il garde le temps. Son mouvement est régulé, de sorte qu’il lui faut en fait exactement le même temps pour balancer. Cette habileté pratique (techniquement appelée isochronisme, qui signifie simplement “autant de temps”) est ce qui rend un pendule si utile pour le chronométrage.

L’introduction du pendule a fait passer la précision des horloges d’une perte de temps de 15 minutes par jour à une perte de 15 secondes par jour, ce qui a permis leur diffusion rapide en remplacement des anciens modèles d’horloges.

L’Histoire des horloges à pendule

Les premières horloges à pendule présentaient de larges oscillations allant jusqu’à 100° en raison de leurs échappements. Dans son analyse de 1673, Huygens a montré que de grandes oscillations rendaient le pendule plus imprécis. Les horlogers se sont rendu compte que seuls les pendules à petites oscillations de quelques degrés sont isochrones et ont motivé l’invention de l’échappement à ancre vers 1670. Cette conception a réduit le balancement du pendule à 4° à 6°. En plus d’une plus grande précision, cela permettait au boîtier de l’horloge de s’adapter à des pendules plus longs et plus lents, qui nécessitaient moins de puissance et causaient moins d’usure sur le mouvement. Le pendule des secondes (aussi appelé pendule royal), dans lequel chaque oscillation dure une seconde, soit environ un mètre de long, a été largement utilisé. Les horloges longues et étroites construites autour de ces pendules, d’abord fabriquées par William Clément vers 1680, furent connues sous le nom d’horloges à grand boîtier et plus tard d’horloges de grand-père. La précision accrue résultant de ces développements a fait en sorte que l’aiguille des minutes a été ajoutée aux cadrans d’horloge vers 1690.

L’échappement à ancre inventé en 1675 par Richard Towneley et popularisé par George Graham vers 1715 dans ses horloges régulatrices de précision remplace progressivement son précédent et est toujours utilisé dans la plupart des pendules modernes. L’observation d’un ralentissement de l’horloge pendulaire en été a permis de constater que la dilatation et la contraction thermiques de la tige du pendule avec les changements de température étaient une source d’erreur importante. Ceci a été résolu par l’invention des pendules à compensation thermique : le pendule à mercure de George Graham en 1721 et le pendule à grillage de John Harrison en 1726. En utilisant des flacons de mercure à la base du pendule, le mercure se dilate ou se contracte pour “compenser” les différences de température, rendant le pendule plus précis. Vers le milieu des années 1700, les pendules de précision atteignaient des précisions d’une perte de quelques secondes par semaine.

Des horloges pendulaires plus précises, appelées régulateurs, étaient installées en grande partie dans les lieux publics et servaient à programmer les heures de travail et à régler d’autres horloges.

Les horloges à pendule sont restées la référence mondiale en matière de chronométrage précis pendant plus de 270 ans et ont été utilisées comme étalons dans les années 1940 jusqu’à l’invention de l’horloge à quartz en 1927.

Horloge à régulateur de la bibliothèque de Dijon.

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