Bienvenue Arts Sciences Technologies Tutoriels Vrac  
  Astronomie Mathématique Physique Textes  
 
 

Groupe  :   Invité

les Sarto's > Bienvenue > Sciences > Textes >    - La seconde pour mesurer le monde
       - La seconde pour mesurer le monde  
    Anne Debroise - Les cahiers de Science & Vie, no.134 - 2013-01-01      
    Au XVIIe siècle, les horloges font défiler les heures et les minutes. Restait à matérialiser la seconde, jusqu'ici purement théorique.
Ce fut l'oeuvre de Christiaan Huygens, qui donna une autre dimension à la mesure du temps.
 
    En 1656, une vague d'indignation se propage dans la communauté des amateurs de sciences en Europe. Celui qui la soulève est un quasi-inconnu de 27 ans, un Hollandais nommé Christiaan Huygens, qui vient de faire breveter ce qu'il considère comme son invention : une horloge régulée par un pendule, capable de battre la seconde avec une précision inégalée. Pour de nombreux amateurs de l'époque, il s'agit d'un simple plagiat de l'œuvre de Galilée, décédé quatorze ans auparavant.  
   

Galilée, puis Huygens, se sont penchés sur la mesure du temps. Si les travaux du premier restent théoriques, ceux du second aboutissent à l'invention de la première horloge battant précisément la seconde, fruit d'un raisonnement mathématique méticuleux.

 
    Une confrontation aura lieu, non pas entre les deux inventeurs, mais entre leurs deux horloges. La médiocrité de l'horloge attribuée à Galilée étonnera Huygens, qui émettra des doutes sur son origine. Il avait raison, admet Joella Yoder, historienne des sciences à l'université de Washington à Seattle, dans un des rares livres abordant l'œuvre de Huygens : «Galileo Galilée avait envisagé d'utiliser un pendule comme un moyen de découper le temps en durées identiques, et il avait même donné des instructions à son fils pour fabriquer une horloge régulée par le battement d'un pendule, mais il ne l'avait jamais réalisée.» Rattrapé par l'âge et la cécité, Galilée ne s'était pas attardé sur les détails de la fabrication. Pour l'historienne, comme pour la plupart des spécialistes de la question, l'invention de la première horloge à pendule capable de mesurer la seconde revient bel et bien à Huygens.  
   

La dérive des horloges

 
    À la suite de Galilée, et comme la plupart des savants de son temps, le jeune homme se passionnait pour la description des mouvements, et notamment l'accélération des corps en chute libre dans le vide. Pour mesurer les accélérations, encore faut-il disposer d'une mesure fiable du temps. Au début du XVIIe siècle, les horloges mécaniques courantes disposaient d'une seule aiguille, celle des heures. La seconde n'avait qu'une existence théorique: de la même manière qu'un point sur la Terre bouclait en une journée un arc de 3600, chaque degré étant subdivisé en 60 minutes, puis 60 secondes d'arc, les 24 heures de la journée se voyaient naturellement subdivisées en 60 minutes comptant chacune 60 secondes. Certains observatoires d'astronomie possédaient bien des horloges arborant des aiguilles de minutes et de secondes, mais elles dérivaient de plusieurs dizaines de minutes par jour.  
   

Galilée associe la mesure du temps au mouvement régulier d'un pendule

 
    Pour compter les secondes, les scientifiques usaient donc de subterfuges. Ainsi, en 1570, le savant italien Girolamo Cardano comptait les battements de son pouls pour évaluer la vitesse de rotation de la Lune. Lorsque Galilée crut observer, et démontrer, qu'une bille fixée à l'extrémité d'un fil oscille à une fréquence toujours identique, qui ne dépend que de la longueur du fil, son utilisation pour mesurer le temps s'imposa, comme le précise Fabien Chareix, philosophe des sciences à l'université de Paris-Sorbonne : «Galilée associait la mesure du temps à la découverte d'un mouvement naturel, le mouvement circulaire, auquel il attribua spontanément la propriété de la régularité.» Le temps ne pouvait alors être pensé indépendamment d'un mouvement. La méthode de Galilée, dont le caractère erroné ne sera démontré qu'avec Huygens, fit l'objet de laborieuses tentatives d'exploitation, poursuit le philosophe: «Les astronomes ont cherché à calibrer cette oscillation de manière artisanale. Il fallait tester des pendules de longueur différente, et les faire osciller pendant 24 heures pour déterminer la longueur du pendule dont l'oscillation correspondrait au battement de la seconde. L'expérience exigeait une grande vigilance pour ne pas laisser le mouvement d'oscillation mourir.»  
   

En 1656, Huygens met au point son horloge à engrenages. La chute du poids est régulée par les allers-retours du pendule. Celui-ci bat régulièrement la seconde.

 
    Cependant, l'utilisation d'un pendule seul ne s'avérait guère commode. L'Italien Giambattista Riccioli, qui s'en servait pour mesurer le temps de chute de poids lâchés du haut d'une tour penchée de Bologne, se faisait accompagner de frères jésuites, qui chantaient au tempo fourni par les oscillations pendulaires. Il était plus facile de dénombrer les itérations du chant monacal que les allers-retours de la bille !  
   

Comme Galilée à Pise, des savants se sont servis de tours penchées pour étudier la chute des corps, sans pouvoir en mesurer la durée.

 
    Le manque de précision et les conditions rocambolesques d'utilisation des techniques de mesure du temps entravaient tous les progrès en mécanique. Mais pas seulement: sans cette précision, les astronomes ne pouvaient décrire le mouvement des astres, les géographes dresser de cartes, les marins naviguer loin des côtes…  
   
 
    Quand Huygens met au point sa première horloge, en 1656, l'événement marque donc un tournant dans l'histoire des sciences. Comme les horloges de l'époque, elle utilise un poids pour moteur. Ce poids qui descend est relié par des engrenages à des aiguilles (des heures et des minutes, bientôt accompagnées des secondes) qui exonèrent l'expérimentateur du fastidieux comptage. La chute du poids est bloquée à intervalles réguliers par un système d'échappement (une roue dentée bloquée à intervalles identiques par un système régulateur), qui est contrôlé non plus par un foliot (un bras qui oscille horizontalement), mais par les allers-retours du pendule. Le mouvement du pendule est entretenu en continu par la descente du poids, à la différence des pendules utilisés jusqu'alors, dont le balancement devait être ponctuellement relancé à la main, ce qui constituait une source d'erreur importante.  
   

La géométrie de la seconde

 
    Huygens œuvre ensuite à perfectionner son horloge en cherchant à obtenir le battement le plus régulier possible. Ne disposant d'aucun instrument pour évaluer cette régularité, il passe par le calcul. «Huygens est avant tout un passionné de géométrie», rappelle Christiane Villain, de l'Observatoire de Paris, qui a rédigé une thèse sur ses travaux. Rapidement, Huygens démontre que, contrairement à ce qu'affirmait Galilée, les oscillations d'un pendule dont la bille décrit un arc de cercle ne sont pas isochrones. Plus le va-et-vient est ample, plus il dure longtemps. «En décembre 1659, après avoir passé des jours et des nuits de calculs complexes sur les cercles, paraboles, et autres courbes, Huygens démontre qu'une bille décrivant une cycloïde accomplira effectivement un aller-retour dans un temps toujours identique, quelle que soit la hauteur de laquelle elle est lâchée», raconte Christiane Villain. La cycloïde est la courbe que décrit, par exemple, la valve du pneu d'un vélo qui roule en droite ligne. D'autres calculs permettront au savant de déterminer que pour que l'extrémité d'un pendule décrive une cycloïde, il faut que les deux languettes qui contraignent son amplitude aient, elles aussi, une forme cycloïdale. Il détermine alors avec exactitude la longueur du pendule qui bat la seconde. Dans son cas, ce sera 3 pieds et 2/3 de pouce. Le 12 février 1660, l'inventeur enthousiaste écrit à son ami, l'astronome Ismaël Boulliau : «Je m'aperçois déjà clairement de l'inégalité des jours et je crois même qu'à l'avenir je la pourrai mesurer.»  
   

L'horloge de Huygens retarde d'a peine quelques secondes par jour

 
   
 
    En réalité, si les horloges cycloïdales ont été utilisées par les astronomes parisiens au XVIIIe siècle, elles ne tardèrent pas à être abandonnées. En effet, Huygens lui-même avait montré qu'en limitant l'oscillation d'un pendule circulaire pour qu'il ne remonte pas à plus de cinq degrés de la verticale, l'erreur d'isochronisme est insignifiante. Il suffit de limiter l'amplitude de l'oscillation pour obtenir une excellente régularité. D'autres améliorations viendront couronner ces avancées. Huygens positionne par exemple un poids sur la tige du pendule pour ajuster la précision des oscillations et arrange les engrenages de manière à améliorer la transmission des mouvements. Pour limiter les frottements de l'air, qui ralentissent le pendule, il utilise un fil fin, isolé dans un boîtier, et remplace la bille par un disque en forme de lentille donnant peu de prise à l'air. En 1673, il résumera ses inventions dans son ouvrage majeur Horologium oscillatorium. «Bien plus que la simple description d'une horloge, il s'agit d'un traité complet sur l'accélération des corps en chute prenant pour exemple l'horloge à pendule», précise Joella Yoder.  
    En moins de vingt ans, Huygens a ainsi fondé l'horlogerie de précision. Ses horloges affichent à peine quelques secondes de retard par jour. Les scientifiques se lanceront, grâce à ses travaux, dans des mesures qui étaient jusqu'ici hors de leur portée : évaluer la constante gravitationnelle, décrire le géoïde terrestre, déterminer les vitesses de déplacement des corps, calculer la rotation des astres…  
    Plus fondamentalement, ces améliorations bouleversent la perception du temps, comme l'explique Fabien Chareix. «Deux visions de la mesure du temps s'affrontaient au XVIIe siècle: celle de Galilée, selon laquelle la nature devait fournir les moyens de mesurer son propre tempo. Et celle, plus moderne, selon laquelle les machines offraient une mesure du temps plus précise que les mesures naturelles.» Le travail de Huygens marque le triomphe de l'artefact sur le mouvement naturel : l'artefact se trouve désormais en mesure de juger le mouvement solaire et non plus d'être jugé par lui. Il sera salué par le philosophe et scientifique Gottfried Wilhelm Leibniz, qui s'enthousiasme: «N'est-ce pas chose étrange que Messieurs les dieux apprennent de nous, et que le Soleil même, qui est le plus grand d'entre eux, s'aperçoit maintenant de n'avoir point fait les jours égaux d'un midi à l'autre ?» Le temps n'est plus cyclique, imprécis, inconsistant. Il est devenu fluide, s'écoulant inexorablement avec une régularité mathématique. Les bases de la physique moderne sont désormais posées.  
   

L'invention qui règle les montres

 
    Depuis le XVe siècle, des horlogers fabriquaient des horloges miniatures, portables. Le secret de ces montres tenait dans un ressort, qui, en se détendant progressivement, remplissait la fonction du poids des horloges. Ces systèmes devaient leur succès plus à un effet de mode qu'à leur précision.  
   

Le principe du ressort-spiral, inventé par Huygens, intègre les montres. (Montre Gaudron, XVIIe s.).

 
    Pour remédier à leur inexactitude, Huygens va les doter d'un second ressort, un ressort réglant. Même si un autre (en l'occurrence l'Anglais Robert Hooke) réclame la primeur de l'idée, c'est bien Huygens qui a réalisé avec succès la première montre à ressort-spiral. Ce ressort est relié d'un côté à l'arbre du balancier, et de l'autre à la platine de l'horloge. Il se desserre et se resserre successivement, adoucissant la transmission des saccades du balancier aux aiguilles. Selon l'inventeur, même les soubresauts d'un carrosse ne pouvaient réussir à dérégler une montre munie de ce dispositif. Sa précision restait cependant inférieure à celle des horloges.  
   

 

 
    Table des matières - suite : Les horloges gagnent le large  
       
  top Les cahiers de Science & Vie, no.134 - 2013-01-01