Chronomètre de marine

Un chronomètre de marine est une horloge suffisamment précise pour être utilisée comme une base de temps portable, y compris sur un véhicule en mouvement.



Catégories :

Infobox - Horlogerie - Mesure du temps - Mesure physique - Métrologie - Instrument de navigation

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • ... Les navires devaient posséder un étalon de temps trés précis pour... Or, un chronomètre de marine est insemblablement plus précis qu'une montre de ... (source : forumamontres.forumactif)
  • fiche «Le chronomètre de marine»). Le chronomètre de marine est positionné dans une... temps donnés, entre la direction du nord géographique et ... (source : arts-et-metiers)
Chronomètre de marine
Chronomètre de marine
Chronomètre de marine à double barillet de Breguet (1815).

Découvert par Christiaan Huygens en 1675

Un chronomètre de marine est une horloge suffisamment précise pour être utilisée comme une base de temps portable, y compris sur un véhicule en mouvement. Le développement de ces instruments au cours du XVIIIe siècle forma une avancée technologique majeure, car la connaissance précise de l'heure durant un voyage au long cours était indispensable à la navigation astronomique pour pouvoir déterminer la longitude. Le premier chronomètre véritable fut le résultat des efforts acharnés d'un seul homme, John Harrison, au long de 31 années d'essais et erreurs   (en)  ; cela devait révolutionner l'art de la navigation maritime (et ensuite aérienne) tandis que le colonialisme prenait son essor.

Le terme chronometer fut apparemment créé en 1714 par Jeremy Thacker   (en) , un des premiers concurrents pour le prix proposé par le Longitude Act la même année[1], mais le mot «chronomètre» est d'apparition légèrement plus ancienne en français, dans le sens de métronome[2] ; aujourd'hui, il sert à désigner d'une façon plus générale des montres testées et certifiées satisfaisant à certains standards de précision (ainsi, le mot «chronomètre» ne peut apparaître sur une montre suisse que si elle a été certifiée par le COSC), et utilisées le plus fréquemment pour des mesures de durées courtes, telles que celles des compétitions sportives.

Historique

Article connexe : Mesure de longitude.
Le "Chronomètre" de marine de Jeremy Thacker utilisait des suspensions à cardan dans une cloche à vide.

Pour déterminer une position à la surface de la Terre, on doit connaître la latitude, la longitude et l'altitude (cette dernière pouvant évidemment être négligée pour des utilisations maritimes). Jusqu'au milieu du dix-huitième siècle, une navigation précise en haute mer (hors de vue des côtes) était impossible, à cause des difficultés de calcul de la longitude. Tandis que la latitude pouvait être déterminée, par exemple, en mesurant la hauteur du soleil à midi (au moment de sa culmination), la longitude demandait de pouvoir connaître l'heure réelle (en temps universel) de cet évènement, ce qui nécessitait une horloge gardant le temps avec une bonne précision (d'autres méthodes, telle que celle de Galilée, reposant sur l'observation du mouvement des satellites de Jupiter, ou celle utilisant la position de la Lune, s'étaient avérées impraticables sur un navire en mouvement). Le savant hollandais Gemma Frisius fut le premier, en 1530, à proposer (sans employer le mot) l'usage d'un chronomètre pour déterminer la longitude.

L'objectif d'un chronomètre est de mesurer avec précision le temps écoulé depuis son déclenchement, ce qui sert à déterminer l'heure réelle (celle que marqueraient les horloges d'une location fixe, le temps moyen de Greenwich (GMT), par exemple). Connaître le temps GMT à midi solaire (local) permet au navigateur de déterminer la longitude, puisque la Terre tourne de 15° de longitude par heure. En pratique, un almanach conçu pour la navigation et des tables trigonométriques (ainsi qu'un sextant) permettaient aux navigateurs d'utiliser le soleil, la lune, les planètes, et 57 étoiles de référence.

La création d'un objet servant à mesurer le temps de façon fiable à bord d'un navire s'avéra complexe. Jusqu'au vingtième siècle, les instruments les plus précis connus étaient les horloges à balancier, mais celles-ci étaient inutilisables en mer.

Les premiers chronomètres de marine

Christiaan Huygens, après son invention de la pendule à balancier en 1656, tenta de construire en France des instruments n'utilisant pas de pendule[3][4]. En 1675, tandis qu'il était pensionné par Louis XIV, il inventa un chronomètre utilisant un balancier et un ressort spiral comme régulateur remplaçant le pendule, ouvrant la voie aux chronomètres de marine ainsi qu'aux montres modernes (de poignet). Colbert lui décerna un brevet (ou plus exactement une patente) pour son invention, mais ses horloges restaient trop imprécises pour un usage maritime[5].

Henry Sully   (en) présenta un premier chronomètre de marine en 1716.

D'autres tentatives furent faites par Jeremy Thacker en Angleterre en 1714, et par Henry Sully   (en) en France en 1716, lequel publia ses travaux en 1726 sous le titre de Une Horloge découverte et exécutée par M. Sulli (sic), mais ces machines s'avérèrent incapables de résister aux mouvements de la mer pour garder l'heure avec assez de précision en toutes circonstances. [6]

Dessins du chronomètre H4 de Harrison, construit en 1761 (tirés du livre The principles of Mr Harrison's time-keeper).
Ferdinand Berthoud, chronomètre de marine n° 3, 1763.

John Harrison, un charpentier du Yorkshire, soumit alors un projet en 1730, et construisit en 1735 une horloge basée sur un couple de poids oscillant en sens inverse et reliés par des ressorts, dont le fonctionnement n'était influencé ni par la pesanteur, ni par les mouvements d'un navire. Ses deux premiers prototypes, H1 et H2 (achevé en 1741) utilisaient ce dispositif, mais il se rendit compte qu'ils présentaient une sensibilité rédhibitoire aux forces centrifuges. La construction de sa troisième machine en 1759, baptisée le H3, incluait de nouvelles balances circulaires et l'invention du bilame et de roulements à billes, inventions toujours beaucoup utilisées. Les balances circulaires du H3 devaient s'avérer trop imprécises, et Harrison décida de renoncer à de trop grandes machines.

Harrison résolut enfin ces problèmes de précision avec l'invention du chronomètre H4, énormément plus petit que les précédents. Le H4 ressemblait énormément à une grande montre de poche, d'un diamètre de 12 cm. Il le soumit en 1761, obtenant le prix de £20, 000 qui avait été offert par le gouvernement britannique en 1714. Il utilisait un balancier rapide contrôlé par un ressort spiral avec compensation de température (ce dispositif resta celui utilisé généralement jusqu'à ce que la naissance d'oscillateurs électroniques stables permette la fabrication de montres portables particulièrement précises à un coût abordable). Harrison fit publier son travail en 1767 dans un ouvrage intitulé Principles of Mr. Harrison's time-keeper[7].

Le chronomètre moderne

Pierre Le Roy chronomètre de marine, 1766.
Le chronomètre H5 de Harrison, 1772.

À peu près en même temps, en France, Pierre Le Roy inventa en 1748 l'échappement à détente caractéristique des chronomètres modernes[8]. En 1766, Le Roy créa un chronomètre révolutionnaire comportant un échappement à détente, un balancier à compensation de température et un ressort isochrone [9] : Harrison avait montré la possibilité d'un chronomètre fiable en mer, mais ces innovations de Le Roy furent reconnues comme principales pour les chronomètres modernes[9], rendant ces appareils bien plus précis que ce qui avait été anticipé[10].

Ferdinand Berthoud en France, mais aussi Thomas Mudge en Angleterre, réussirent aussi à construire des garde-temps fiables en mer[11]. Aucun n'était simple, mais ils montraient que la solution de Harrison n'était pas l'unique concevable. Cependant, les plus grandes avancées vers des solutions pratiques vinrent de Thomas Earnshaw et John Arnold, qui en 1780 développèrent et brevetèrent des échappements "à ressort"[12][13], et perfectionnèrent le dessin et la fabrication des ressorts spiral. Cette combinaison d'innovations allait être à la base des chronomètres modernes, jusqu'à la naissance des appareils électroniques.

Ferdinand Berthoud, chronomètre n° 24, 1782

La nouvelle technologie était si coûteuse originellement que peu de navires en étaient équipés, comme le montra le dramatique ultime voyage du navire <i>Arniston</i>   (en) [14]. Cependant, vers 1825, la Royal Navy avait commencé a pourvur toujours ses vaisseaux de chronomètres[15].

Il était habituel à cette époque que les marins aillent observer une boule horaire, telle que celle de Greenwich, pour régler leurs chronomètres avant d'entreprendre un long voyage. Chaque jour, des navires jetaient brièvement l'ancre dans la Tamise à Greenwich, en attendant que la boule de l'observatoire tombe, à 13 heures précisément[16]. Cette pratique amena ensuite à l'adoption du temps moyen de Greenwich (GMT) comme standard international[17] (les boules horaires perdirent leur utilité vers 1920 avec la naissance des signaux horaires radiodiffusés, par exemple par WWV, eux-mêmes désormais beaucoup remplacés par le temps GPS). Outre ces réglages avant le départ, les chronomètres de marine étaient aussi régulièrement contrôlés en mer par des observations de la lune[18] ou du soleil[19].

Bien que les méthodes de production industrielle aient commencé à révolutionner l'horlogerie au milieu du XIXe siècle, la fabrication de chronomètres demeura longtemps une activité artisanale. Vers 1900, des constructeurs suisses tels que Ulysse Nardin firent de grands progrès dans l'utilisation de méthodes de production modernes et de pièces interchangeables, mais ce fut uniquement au début de la Deuxième Guerre mondiale que la Hamilton Watch Company peaufina les techniques de production en série, ce qui permit de construire des milliers de chronomètres "Hamilton modèle 21" pour la marine américaine et les autres navires alliés. En dépit du succès de Hamilton, les chronomètres de fabrication artisanale ne disparurent jamais totalement du marché ; ainsi, en Angleterre, Mercer de St. Albans continua à en produire jusque vers 1970.

Sans la précision des chronomètres de marine, et la précision de navigation qu'ils apportèrent, il est vraisemblable que la prédominance de la Royal Navy, et , par voie de conséquence, celle de l'Empire britannique, n'aurait pas eu lieu : durant la période de formation de l'Empire, les navires britanniques disposaient, grâce au chronomètre, d'une navigation énormément plus fiable que celle de leurs adversaires portugais, hollandais et français[20]. Ainsi, les Français, qui étaient bien établis en Inde avant le début de la colonisation et du commerce britannique, en furent chassés suite à leurs défaites navales de la guerre de Sept Ans.

La collection internationale de chronomètres de marine la plus complète, incluant les modèles de Harrison H1 à H4, se trouve au musée national maritime de Greenwich.

Le mécanisme des chronomètres

Diagramme du mécanisme d'un chronomètre (le texte est en allemand). On remarquera l'emploi d'une fusée   (en) pour transformer les diverses tensions des ressorts en une force constante.

Le problème essentiel était de trouver un résonateur qui ne serait pas affecté par les conditions variables rencontrées par un navire en mer. L'utilisation d'un balancier couplé à un ressort spiral résolut la majorité des difficultés liées au mouvement du navire. Malheureusement, l'élasticité des matériaux composant les ressorts change avec la température. Pour compenser ces changements de tension des ressorts, les balanciers des chronomètres utilisaient des bilames pour déplacer des contrepoids comparé au centre d'oscillation, changeant ainsi le moment d'inertie, et par conséquent la période du balancier. Le problème fut enfin résolu de manière satisfaisante par la découverte d'un alliage acier-nickel appelé Elinvar   (en) à cause de son élasticité invariante aux températures usuelles. Son inventeur, Charles Edouard Guillaume, obtint le prix Nobel de physique en 1920, en récompense de ses travaux en métallurgie (le seul Nobel attribué pour des découvertes en relation avec l'horlogerie).

L'échappement possède deux fonctions. Initialement, il permet au train d'engrenages d'avancer d'une petite distance fixe, enregistrant ainsi les oscillations du balancier. En même temps, il apporte à ce dernier une très petite quantité d'énergie, compensant les pertes dues au frottement, et désormais les oscillations à une amplitude constante. C'est l'échappement qui produit le tic-tac caractéristique des montres. Il existe de nombreux types d'échappement, mais les plus courants sont les échappements à détente, dans lesquels une petite pièce (la détente) bloque la roue d'échappement et permet une oscillation libre du balancier, sauf pendant un bref instant au centre de l'oscillation, où le balancier est le moins sensible aux forces extérieures. Durant cet instant, la détente est déplacée, permettant à une dent de l'échappement de passer et de communiquer une impulsion à l'axe du balancier (cela ne se produit que dans une direction ; lors de l'oscillation de retour, la détente reste bloquée).

Les chronomètres bénéficiaient fréquemment d'autres innovations conçues pour accroître leur efficacité et leur précision. Des pierres dures telles que des rubis ou des saphirs étaient fréquemment utilisées dans la fabrication des paliers pour diminuer le frottement et l'usure des pivots et de l'échappement ; jusqu'à la fin de la production de chronomètres mécaniques, les fabricants continuèrent à expérimenter des améliorations allant de roulements à bille jusqu'à des placages en chrome des pivots. Enfin, les chronomètres contenaient toujours un dispositif de secours   (en) leur servant à continuer à marcher tandis qu'on les remonte, et une jauge mesurant la tension du ressort, et indiquant le temps restant avant qu'il faille les remonter.

Les chronomètres de marine sont les horloges mécaniques portables les plus précises qui aient jamais été construites, donnant le temps avec une dérive d'environ un dixième de seconde par jour, ce qui permettait de déterminer la position d'un navire avec une erreur d'un kilomètre et demi après un mois de voyage en mer.

Actuellement

Les marins utilisent désormais tous des aides électroniques à la navigation, telles que LORAN ou que les systèmes de positionnement par satellites. Cependant, la connaissance de la navigation astronomique, qui demande l'utilisation d'un chronomètre précis, est toujours exigée pour l'obtention de certains brevets d'officier [21], [22], [23], [24].

Les chronomètres de marine modernes sont désormais des horloges à quartz, dont la marche est mesurée journalièrement sur des signaux radios ou GPS (la marche horaire d'un chronomètre est l'avance ou le retard qu'il prend en une heure) [25]. Ces chronomètres ne sont pas forcément (en l'absence de signal extérieur) les horloges à quartz les plus précises envisageables ; on sait cependant réaliser (même pour des montres-bracelets) des mouvements à quartz ne dérivant pas de plus de dix secondes par an[26] (ce qui est trois fois plus précis que les chronomètres mécaniques mentionnés ci-dessus). Qui plus est , il existe au moins un chronomètre à quartz conçu pour des situations exceptionnelles, qui utilise des cristaux multiples et un dispositif de correction par ordinateur utilisant leur valeur moyenne, en plus des corrections données par les signaux GPS [27][28].

Notes

  1. (en) Sobel, Dava, Longitude. L'Histoire vraie du génie solitaire qui résolut le plus grand problème scientifique de son temps. , Points Sciences, Le Seuil, 1998,  p.  . En écartant d'autres solutions au problème de la longitude, Thacker écrivait : «En un mot, je suis convaincu de ce que le Lecteur doit commencer à penser que les Phonomètres, Pyromètres, Sélenomètres, Héliomètres et l'ensemble des autres Mètres ne sont pas dignes d'être comparés à mon Chronomètre»
  2. Sauveur, Principes d'acoustique et de musique in Mémoires de 1701 de l'Académie Royale des Sciences
  3. (en) Byron Heath Discovering the Great South Land p. 167[1]
  4. (en) Arnold Pacey New The maze of ingenuity : ideas and idealism in the development of technologyp. 133ff [2]
  5. (en) Michæl R. MatthewsTime for science education p. 152[3]
  6. (en) A Chronology of Clocks
  7. (en) The Principles of Mr. Harrison's time-keeper
  8. (en) Britten's Watch & Clock Makers'Handbook Dictionary & Guide Fifteenth Edition p. 122 [4]
  9. (en) Encyclopedia of time Samuel L. Macey p. 348 [5]
  10. (en) A history of mechanical inventions Abbott Payson Usher p. 330 [6]
  11. (en) Britten's Watch & Clock Makers'Handbook Dictionary & Guide Fifteenth Edition p. 122[7]
  12. (en) David S. Landes, Revolution in Time, Belknap Press of Harvard University Press, Cambridge, MA, 1983,  p. (ISBN 0-674-76800-0)  . Pierre Le Roy avait déjà eu principalement les mêmes idées vers 1748, mais avait abandonné ce concept.
  13. (en) Encyclopedia of time Samuel L. Macey p. 349 [8]
  14. (en) (sc) , Basil, The Lieutenant and Commander, Bell and Daldy (via Gutenberg. org), London, 1833 1862 (OCLC 9305276) [lire en ligne], «Chapter XIV. Doubling the cape.» 
  15. (en) Frederick James Britten, Former Clock & Watchmakers and Their Work, Spon & Chamberlain, New York, 1894,  p. [lire en ligne]  : "Chronometers were not regularly supplied to the Royal Navy till about 1825"
  16. (en) Golding Bird, The Elements of Natural Philosophy; Or, An Introduction to the Study of the Physical Sciences, J. Churchill and Sons, 1867,  p. [lire en ligne] 
  17. (en) Tony Jones, Splitting the Second, CRC Press,  p. (ISBN 0750306408+date=2000) [lire en ligne] 
  18. (en) Nathaniel Bowditch, Jonathan Ingersoll Bowditch, The New American Practical Navigator, E. M. Blunt, 1826,  p. [lire en ligne] 
  19. (en) Norie, J. W., «To Find The Longitude of Chronometers or Time-Keepers», dans New and Complete Epitome of Practical Navigation, 1816 texte intégral ] 
  20. (en) Alfred T. Mahan, The Influence of Sea Power on History
  21. (en) International Convention on Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers, 1978
  22. (en) International Convention on Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers (with amendments)
  23. (en) International Yachtmasters at Maritime Institute, Yachtmasters Course
  24. (en) Royal Yachting Association Yachtmaster Training
  25. Définition de la marche
  26. (en) High accuracy timepieces that could be used as marine chronometer
  27. (en) Keeping Precision Time When GPS Signals Stop
  28. (en) Precise Time and Frequency for Navy Applications : The PICO Advanced Clock

Voir aussi

Références et liens externes


Recherche sur Amazon (livres) :



Principaux mots-clés de cette page : chronomètre - marine - temps - harrison - longitude - balancier - navire - ressort - horloge - navigation - time - échappement - and - précision - mer - mouvement - heure - montres - modernes - précise - histoire - déterminer - premier - maritime - chronometer - greenwich - invention - problèmes - avait - détente -

Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Chronom%C3%A8tre_de_marine.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 11/11/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu