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Une horloge ou un chronomètre est un appareil qui mesure et affiche le temps . L'horloge est l'une des plus anciennes inventions humaines , répondant au besoin de mesurer des intervalles de temps plus courts que les unités naturelles telles que le jour , le mois lunaire et l' année . Des appareils fonctionnant selon divers principes physiques ont été utilisés au cours des millénaires .
Certains ancêtres de l'horloge moderne peuvent être considérés comme des « horloges » basées sur le mouvement de la nature : un cadran solaire indique l'heure en affichant la position de l'ombre sur une surface plane. Il existe divers instruments de mesure du temps, dont le sablier est un exemple bien connu . Les horloges à eau , tout comme les cadrans solaires, sont probablement les plus anciens instruments de mesure du temps. Une avancée majeure a eu lieu avec l'invention de l' échappement à verge , qui a permis la création des premières horloges mécaniques vers 1300 en Europe. Ces horloges fonctionnaient grâce à des oscillateurs tels que les balanciers .
En horlogerie (l'étude du temps), on utilisait traditionnellement le terme « horloge » pour désigner une horloge à sonnerie , tandis qu'une horloge ne sonnant pas les heures était appelée « horlogerie » . Cette distinction n'est généralement plus employée. Les montres et autres horloges portables ne sont généralement plus appelées « horloges ». Les horloges à ressort sont apparues au XVe siècle. Aux XVe et XVIe siècles, l'horlogerie a connu un essor important. Le progrès suivant en matière de précision est survenu après 1656 avec l'invention de l' horloge à pendule par Christiaan Huygens . L'importance d'une mesure du temps précise pour la navigation a fortement incité à améliorer la précision et la fiabilité des horloges. Le mécanisme d'une horlogerie, composé d'une série d'engrenages entraînés par un ressort ou des poids, est appelé « mécanisme d'horlogerie » ; ce terme est parfois utilisé par extension pour désigner un mécanisme similaire non intégré à une horlogerie. L' horloge électrique a été brevetée en 1840, et les horloges électroniques ont été introduites au XXe siècle, se généralisant avec le développement de petits dispositifs semi -conducteurs alimentés par batterie .
L'élément de mesure du temps dans chaque horloge moderne est un oscillateur harmonique , un objet physique ( résonateur ) qui vibre ou oscille à une fréquence particulière. Cet objet peut être un pendule , une roue à balancier , un diapason , un cristal de quartz ou la vibration des électrons dans les atomes lorsqu'ils émettent des micro-ondes , cette dernière étant si précise qu'elle sert de définition formelle de la seconde .
Les horloges affichent l'heure de différentes manières. Les horloges analogiques indiquent l'heure grâce à un cadran traditionnel et des aiguilles mobiles. Les horloges numériques affichent l'heure sous forme numérique. Deux systèmes de numération sont utilisés : le format 12 heures et le format 24 heures . La plupart des horloges numériques utilisent des mécanismes électroniques et des écrans LCD , LED ou VFD . Pour les personnes aveugles et pour une utilisation au téléphone, des horloges parlantes annoncent l'heure à voix haute. Il existe également des horloges pour personnes aveugles dotées d'un affichage tactile.
latin médiéval « clocca », qui signifie « clochedes cognats dans de nombreuses langues européennes. Les horloges se sont répandues en Angleterre depuis les Pays-Bas , et le mot anglais provient ainsi du moyen bas allemand et du moyen néerlandais moyen anglais du vieux français du Nord du moyen néerlandaisLa position apparente du Soleil dans le ciel change au cours de chaque journée, reflétant la rotation de la Terre. Les ombres projetées par les objets immobiles se déplacent en conséquence, et leur position permet donc d'indiquer l'heure. Un cadran solaire indique l'heure en affichant la position de l'ombre sur une surface (généralement) plane graduée selon les heures. Les cadrans solaires peuvent être horizontaux, verticaux ou orientés différemment. Ils étaient largement utilisés dans l'Antiquité . Connaissant la latitude, un cadran solaire bien construit peut mesurer l'heure solaire locale avec une précision raisonnable, à une ou deux minutes près. Les cadrans solaires ont continué à être utilisés pour contrôler la précision des horloges jusqu'aux années 1830, date à laquelle l'avènement du télégraphe et du train a permis la standardisation de l'heure et des fuseaux horaires entre les villes.
Appareils mesurant la durée, le temps écoulé et les intervalles
De nombreux instruments permettent de mesurer le temps sans se référer à une heure fixe (jour, heures, minutes, etc.) et sont utiles pour mesurer des durées ou des intervalles. Parmi ces instruments, on peut citer les horloges à bougie , les horloges à encens et le sablier . L'horloge à bougie et l'horloge à encens fonctionnent selon le même principe : la consommation de ressources est plus ou moins constante, ce qui permet des estimations du temps relativement précises et reproductibles. Dans le sablier, le sable fin qui s'écoule à un débit constant par un petit orifice indique un écoulement du temps arbitraire et prédéterminé. La ressource n'est pas consommée, mais réutilisée.
horloges à eau
Les horloges à eau, tout comme les cadrans solaires, sont probablement les plus anciens instruments de mesure du temps, à l'exception du bâtonnet de comptage des jours . Compte tenu de leur grande ancienneté, on ignore où et quand elles sont apparues pour la première fois, et cela restera peut-être à jamais inconnu. L'horloge à eau à écoulement en forme de bol est la forme la plus simple et son existence est attestée à Babylone et en Égypte vers le XVIe siècle avant J.-C. D'autres régions du monde, notamment l'Inde et la Chine, présentent également des traces anciennes d'horloges à eau, mais les dates les plus anciennes sont moins certaines. Certains auteurs mentionnent toutefois l'apparition d'horloges à eau dès 4000 avant J.-C. dans ces régions du monde.
L' astronome macédonien Andronicus de Cyrrhus supervisa la construction de la Tour des Vents à Athènes au Ier siècle avant J.-C., qui abritait une grande clepsydre à l'intérieur et plusieurs cadrans solaires proéminents à l'extérieur, lui permettant de fonctionner comme une sorte de tour-horloge primitive . Les civilisations grecque et romaine perfectionnèrent la conception des horloges à eau, améliorant leur précision. Ces progrès furent transmis aux époques byzantine et islamique , pour finalement revenir en Europe. Indépendamment, les Chinois développèrent leurs propres horloges à eau perfectionnées (prémodernes n'avaient pas les mêmes exigences de précision horaire que les sociétés industrielles modernes, où chaque heure de travail ou de repos est contrôlée et où le travail peut commencer ou se terminer à tout moment, indépendamment des conditions extérieures. Dans les sociétés anciennes, les horloges à eau étaient principalement utilisées à des fins astrologiques . Ces premières horloges étaient calibrées à l'aide d'un cadran solaire. Bien qu'elle n'ait jamais atteint la précision d'une horloge moderne, l'horloge à eau a été l'instrument de mesure du temps le plus précis et le plus répandu pendant des millénaires, jusqu'à son remplacement par l' horloge à pendule, plus précise , en Europe au XVIIe siècle.
On attribue à la civilisation islamique le mérite d'avoir perfectionné la précision des horloges grâce à une ingénierie élaborée. En 797 (ou peut-être 801), le calife abbasside de Bagdad , Haroun al-Rachid , offrit à Charlemagne un éléphant d'Asie nommé Abul-Abbas ainsi qu'un exemple particulièrement sophistiqué d'horloge à eau . Le pape Sylvestre II introduisit les horloges en Europe du Nord et de l'Ouest vers l'an 1000.
horloges à eau mécaniques
En 723 (ou 725), le moine bouddhiste Yi Xing, de la dynastie Tang, et le fonctionnaire Liang Lingzan, mirent au point un échappement actionné par l'eau pour une sphère armillaire et un mécanisme d'horlogerie , constituant ainsi le premier échappement mécanique au monde. En 1088, Su Song (1020-1101), érudit et génie de la dynastie Song , l'intégra à son invention monumentale : la tour de l'horloge astronomique de Kaifeng. Son horloge astronomique et sa sphère armillaire rotative fonctionnaient encore grâce à l'eau courante au printemps, en été et en automne, ou au mercure liquide en hiver (système hydraulique ). Dans le mécanisme à roue à eau de Su Song, l'arrêt et le déblocage de l'échappement étaient assurés par la gravité, exercée périodiquement par le flux continu de réservoirs de volume limité remplis de liquide. Dans une évolution linéaire, l'horloge de Su Song réunissait ainsi les concepts de la clepsydre et de l'horloge mécanique en un seul dispositif fonctionnant grâce à la mécanique et à l'hydraulique. Dans ses mémoires, Su Song a décrit ce concept :
De l'avis de votre serviteur, de nombreux systèmes et modèles d'instruments astronomiques ont été conçus au cours des dynasties passées, différant tous par de légères variations. Cependant, le principe de l'utilisation de la force hydraulique pour actionner le mécanisme est resté inchangé. Les cieux sont en perpétuel mouvement, tout comme l'eau qui coule (et tombe). Ainsi, si l'eau s'écoule avec une parfaite régularité, la comparaison des mouvements rotatifs (des cieux et de la machine) ne révélera aucune divergence ni contradiction ; car le mouvement perpétuel découle du mouvement continu.
Su Song fut fortement influencé par la sphère armillaire créée par Zhang Sixun (976 ap. J.-C.), qui employait également un mécanisme d'échappement et utilisait du mercure liquide à la place de l'eau dans la roue à aubes de sa tour d'horloge astronomique. Le mécanisme de la tour astronomique de Su Song comportait une grande roue motrice de 3,35 mètres de diamètre, équipée de 36 godets alimentés en eau à débit constant depuis un réservoir à niveau constant. L'arbre d'entraînement principal en fer, dont les cols cylindriques reposaient sur des paliers en fer en forme de croissant, se terminait par un pignon qui engrenait avec une roue dentée à l'extrémité inférieure de l'arbre de transmission vertical principal. Cette imposante tour d'horloge hydromécanique astronomique mesurait environ dix mètres de haut, était dotée d'un échappement et était actionnée indirectement par une roue rotative alimentée soit par l'eau, soit par du mercure liquide . Une réplique grandeur nature et fonctionnelle de l'horloge de Su Song est conservée au Musée national des sciences naturelles de Taichung , à Taïwan . Cette réplique grandeur nature et entièrement fonctionnelle, d'environ 12 mètres de haut, a été construite à partir des descriptions originales et des dessins mécaniques de Su Song. L'échappement chinois s'est répandu vers l'ouest et a servi de base à la technologie des échappements occidentaux.
Au XIIe siècle, Al-Jazari , ingénieur mésopotamien (1136-1206) au service du roi artouqide de Diyarbakir, Nasir al-Din , réalisa de nombreuses horloges de toutes formes et de toutes tailles. Parmi les plus célèbres figuraient l'horloge à éléphant , l'horloge du scribe et l'horloge du château , dont certaines ont été reconstituées avec succès. Outre leur fonction horlogère, ces horloges somptueuses symbolisaient le statut, la grandeur et la richesse de l'État artouqide. La connaissance de ces mécanismes à échappement à mercure s'est probablement diffusée en Europe grâce aux traductions de textes arabes et espagnols.
Entièrement mécanique
En Europe, entre 1280 et 1320, on observe une augmentation des mentions d'horloges dans les registres paroissiaux, ce qui indique probablement l'invention d'un nouveau type de mécanisme. Les mécanismes hydrauliques existants étaient adaptés pour utiliser la force motrice de poids. Cette force était contrôlée par un mécanisme oscillant, probablement dérivé des sonneries ou alarmes. Cette libération contrôlée de la force – l'échappement – marque le début de la véritable horloge mécanique, qui se distingue des horloges à engrenages mentionnées précédemment. Le mécanisme d'échappement à verge apparaît lors de l'essor des horloges mécaniques, qui ne nécessitent aucune force hydraulique, comme l'eau ou le mercure, pour fonctionner.
Ces horloges mécaniques étaient destinées à deux usages principaux : la signalisation et l’annonce (par exemple, l’horaire des offices et des événements publics) et la modélisation du système solaire . Le premier usage est administratif ; le second découle naturellement de l’intérêt scientifique porté à l’astronomie, aux sciences et à l’astrologie, et de la manière dont ces disciplines s’intégraient à la philosophie religieuse de l’époque. L’ astrolabe était utilisé aussi bien par les astronomes que par les astrologues, et il était donc naturel d’y intégrer un mécanisme d’horlogerie pour obtenir une représentation fonctionnelle du système solaire.
Des horloges simples, destinées principalement à l'affichage des heures, étaient installées dans les tours et ne comportaient pas toujours de cadran ni d'aiguilles. Elles annonçaient les heures canoniques ou les intervalles entre les heures de prière. La durée des heures canoniques variait en fonction du décalage des heures de lever et de coucher du soleil. Les horloges astronomiques, plus sophistiquées, étaient dotées de cadrans ou d'aiguilles mobiles et affichaient l'heure selon différents systèmes horaires, notamment l'heure italienne , l'heure canonique et le temps tel que mesuré par les astronomes de l'époque. Les deux types d'horloges commencèrent à s'enrichir de fonctionnalités plus élaborées, comme les automates .
En 1283, une grande horloge fut installée au prieuré de Dunstable, dans le Bedfordshire , au sud de l'Angleterre ; son emplacement au-dessus du jubé suggère qu'il ne s'agissait pas d'une horloge à eau. En 1292, la cathédrale de Canterbury installa une « grande horloge ». Au cours des trente années suivantes, on trouve mention d'horloges dans plusieurs institutions ecclésiastiques en Angleterre, en Italie et en France. En 1322, une nouvelle horloge fut installée à Norwich , remplaçant de manière coûteuse une horloge plus ancienne installée en 1273. Celle-ci était dotée d'un grand cadran astronomique (2 mètres) avec automates et cloches. Les coûts d'installation comprenaient l'emploi à temps plein de deux horlogers pendant deux ans.
Astronomique
Une horloge à eau élaborée, la « Machine cosmique », a été inventée par Su Song , un polymathe chinois , conçue et construite en Chine en 1092. Cette grande tour d'horloge astronomique hydromécanique mesurait environ dix mètres de haut (environ 30 pieds) et était alimentée indirectement par une roue rotative avec de l'eau et du mercure liquide , qui faisait tourner une sphère armillaire capable de calculer des problèmes astronomiques complexes.
En Europe, on trouve les horloges construites par Richard de Wallingford à Albans dès 1336, et par Giovanni de Dondi à Padoue entre 1348 et 1364. Elles n'existent plus, mais des descriptions détaillées de leur conception et de leur construction subsistent , et des reproductions modernes ont été réalisées . Elles illustrent la rapidité avec laquelle la théorie de l'horloge mécanique a été traduite en constructions pratiques, et montrent également que l'un des principaux moteurs de leur développement a été le désir des astronomes d'étudier les phénomènes célestes.
L'Astrarium de Giovanni Dondi dell'Orologio était une horloge astronomique complexe, construite entre 1348 et 1364 à Padoue , en Italie, par le médecin et horloger Giovanni Dondi dell'Orologio . Doté de sept cadrans et de 107 engrenages mobiles, il indiquait la position du Soleil, de la Lune et des cinq planètes alors connues, ainsi que les jours de fêtes religieuses. Haut d'environ un mètre, l'Astrarium se composait d'une structure à sept faces en laiton ou en fer, reposant sur sept pieds décoratifs en forme de pattes. La partie inférieure comportait un cadran de 24 heures et un grand tambour calendaire, indiquant les fêtes fixes de l'Église, les fêtes mobiles et la position du nœud ascendant de la Lune dans le zodiaque. La partie supérieure comprenait sept cadrans, d'environ 30 cm de diamètre chacun, affichant les données de position du Premier Mobile , de Vénus, de Mercure, de la Lune, de Saturne, de Jupiter et de Mars. Directement au-dessus du cadran de 24 heures se trouve le cadran du Primum Mobile , ainsi nommé car il reproduit le mouvement diurne des étoiles et le mouvement annuel du Soleil sur fond d'étoiles. Chacun des cadrans « planétaires » utilisait un mécanisme d'horlogerie complexe pour produire des modèles relativement précis du mouvement des planètes. Ces modèles concordaient assez bien avec la théorie de Ptolémée et avec les observations.
Wallingford's clock had a large astrolabe-type dial, showing the Sun, the Moon's age, phase, and node, a star map, and possibly the planets. In addition, it had a wheel of fortune and an indicator of the state of the tide at London Bridge. Bells rang every hour, the number of strokes indicating the time. Dondi's clock was a seven-sided construction, 1 metre high, with dials showing the time of day, including minutes, the motions of all the known planets, an automatic calendar of fixed and movable feasts, and an eclipse prediction hand rotating once every 18 years. It is not known how accurate or reliable these clocks would have been. They were probably adjusted manually every day to compensate for errors caused by wear and imprecise manufacture. Water clocks are sometimes still used, and can be examined in places such as ancient castles and museums. The Salisbury Cathedral clock, built in 1386, is considered to be the world's oldest surviving mechanical clock that strikes the hours.
Spring-driven
Clockmakers developed their art in various ways. Building smaller clocks was a technical challenge, as was improving accuracy and reliability. Clocks could be impressive showpieces to demonstrate skilled craftsmanship, or less expensive, mass-produced items for domestic use. The escapement in particular was an important factor affecting the clock's accuracy, so many different mechanisms were tried.
Spring-driven clocks appeared during the 15th century, although they are often erroneously credited to Nuremberg watchmaker Peter Henlein (or Henle, or Hele) around 1511. The earliest existing spring driven clock is the chamber clock given to Phillip the Good, Duke of Burgundy, around 1430, now in the Germanisches Nationalmuseum. Spring power presented clockmakers with a new problem: how to keep the clock movement running at a constant rate as the spring ran down. This resulted in the invention of the stackfreed and the fusee in the 15th century, and many other innovations, down to the invention of the modern going barrel in 1760.
Les premiers cadrans d'horloge n'indiquaient pas les minutes et les secondes. Une horloge avec un cadran indiquant les minutes est illustrée dans un manuscrit de 1475 de Paulus Almanus , et certaines horloges du XVe siècle en Allemagne indiquaient les minutes et les secondes. La première mention d'une aiguille des secondes sur une horloge remonte à environ 1560, sur une horloge faisant aujourd'hui partie de la collection de Fremersdorf.
Aux XVe et XVIe siècles, l'horlogerie connut un essor considérable, notamment dans les villes métallurgistes de Nuremberg et d'Augsbourg , ainsi qu'à Blois , en France. Certaines horloges de table, parmi les plus rudimentaires, ne possédaient qu'une seule aiguille, le cadran étant divisé en quatre parties égales entre les index des heures, permettant une lecture à 15 minutes près. D'autres horloges, véritables chefs-d'œuvre de savoir-faire, intégraient des indicateurs astronomiques et des mouvements musicaux. L' échappement à battements croisés fut inventé en 1584 par Jost Bürgi , qui développa également le remontoir . Les horloges de Bürgi représentaient un progrès considérable en matière de précision, avec une avance à la minute près par jour. Ces horloges permirent à l'astronome Tycho Brahe, au XVIe siècle, d'observer les phénomènes astronomiques avec une précision bien supérieure à celle qu'il avait connue auparavant.
Le progrès suivant en matière de précision survint après 1656 avec l'invention de l' horloge à pendule . Galilée avait eu l'idée d'utiliser un balancier pour réguler le mouvement d'un instrument de mesure du temps au début du XVIIe siècle. Cependant, c'est généralement Christiaan Huygens qui est considéré comme l'inventeur. Il détermina la formule mathématique reliant la longueur du pendule au temps (environ 99,4 cm, soit 39,1 pouces, pour une seconde) et fit fabriquer la première horloge à pendule. Le premier prototype fut construit en 1657 à La Haye , mais c'est en Angleterre que l'idée fut adoptée. L' horloge de parquet (également appelée horloge grand-père ) fut créée pour abriter le pendule et le mécanisme par l'horloger anglais William Clement en 1670 ou 1671. C'est également à cette époque que les boîtiers d'horloge commencèrent à être fabriqués en bois et que les cadrans commencèrent à utiliser de l'émail ainsi que de la céramique peinte à la main.
En 1670, William Clement créa l' échappement à ancre , une amélioration de l'échappement à couronne de Huygens. Clement introduisit également le ressort de suspension du pendule en 1671. L'aiguille des minutes concentrique fut ajoutée à l'horloge par Daniel Quare , un horloger londonien, et d'autres, et l'aiguille des secondes fut introduite pour la première fois.
Spiral
En 1675, Huygens et Robert Hooke inventèrent le spiral , ou spiral de balancier, conçu pour contrôler la vitesse d'oscillation du balancier . Cette avancée cruciale rendit enfin possible la fabrication de montres de poche précises. Le grand horloger anglais Thomas Tompion fut l'un des premiers à utiliser ce mécanisme avec succès dans ses montres de poche et adopta l'aiguille des minutes qui, après divers essais, se stabilisa finalement dans sa configuration actuelle. Le mécanisme de sonnerie à crémaillère fut introduit au XVIIe siècle et présentait des avantages certains par rapport au mécanisme à roue de compte (ou à platine de verrouillage). Au XXe siècle, une idée fausse répandue attribuait l' invention de la sonnerie à crémaillère à Edward Barlow . En réalité, son invention était liée à un mécanisme de répétition utilisant ce système. L' horloge à répétition , qui sonne le nombre d'heures (ou même de minutes) sur demande, a été inventée par Quare ou Barlow en 1676. George Graham a inventé l' échappement à détente pour horloges en 1720.
chronomètre de marine
En 1735, Harrison construisit son premier chronomètre, qu'il perfectionna sans cesse pendant les trente années suivantes avant de le soumettre à l'examen. Cette horloge comportait de nombreuses innovations, notamment l'utilisation de paliers pour réduire les frottements, des balanciers lestés pour compenser le tangage et le roulis du navire, et l'emploi de deux métaux différents afin de limiter les problèmes de dilatation thermique. Le chronomètre fut testé en 1761 par le fils de Harrison et, au bout de dix semaines, son écart était inférieur à cinq secondes.
production de masse
Les Britanniques ont dominé la fabrication de montres pendant une grande partie des XVIIe et XVIIIe siècles, mais ont conservé un système de production axé sur des produits haut de gamme destinés à l'élite. Bien que la British Watch Company ait tenté de moderniser la fabrication d'horloges en 1843 grâce à des techniques de production de masse et à l'utilisation d'outils et de machines de duplication, c'est aux États-Unis que ce système a véritablement pris son essor. En 1816, Eli Terry et d'autres horlogers du Connecticut ont mis au point une méthode de production en série d'horloges grâce à l'utilisation de pièces interchangeables . Aaron Lufkin Dennison a fondé une usine en 1851 dans le Massachusetts , utilisant également ce système de pièces interchangeables, et dirigeait dès 1861 une entreprise florissante, la Waltham Watch Company .
En 1815, le scientifique anglais Francis Ronalds publia la première horloge électrique alimentée par des piles sèches . Alexander Bain , horloger écossais, breveta l' horloge électrique en 1840. Le ressort moteur de l'horloge électrique est remonté soit par un moteur électrique, soit par un électroaimant et une armature. En 1841, il breveta le premier pendule électromagnétique . À la fin du XIXe siècle, l'avènement de la pile sèche rendit possible l'utilisation de l'énergie électrique dans les horloges. Les horloges à ressort ou à poids qui utilisent l'électricité, en courant alternatif (CA) ou continu (CC), pour remonter le ressort ou remonter le poids d'une horloge mécanique sont classées comme horloges électromécaniques . Cette classification s'applique également aux horloges qui utilisent une impulsion électrique pour propulser le pendule. Dans les horloges électromécaniques, l'électricité n'a aucune fonction de mesure du temps. Ces types d'horloges étaient fabriqués comme des garde-temps individuels, mais sont plus couramment utilisés dans des installations horaires synchronisées dans les écoles, les entreprises, les usines, les chemins de fer et les installations gouvernementales comme horloge maîtresse et horloges esclaves .
Là où une alimentation électrique alternative de fréquence stable est disponible, la mesure du temps peut être assurée avec une grande fiabilité grâce à un moteur synchrone , qui compte essentiellement les cycles. Le courant alternatif alterne à une fréquence précise de 50 hertz dans de nombreux pays et de 60 hertz dans d'autres. Bien que la fréquence puisse légèrement varier au cours de la journée en fonction de la charge, les générateurs sont conçus pour maintenir un nombre précis de cycles sur toute la journée. Ainsi, l'horloge peut avoir une fraction de seconde d'avance ou d'avance à tout moment, mais restera parfaitement précise sur une longue période. Le rotor du moteur tourne à une vitesse liée à la fréquence d'alternance. Un système d'engrenages adapté convertit cette vitesse de rotation en la vitesse correcte pour les aiguilles de l'horloge analogique. Le temps est alors mesuré de différentes manières : par comptage des cycles du courant alternatif, par vibration d'un diapason , par le comportement des cristaux de quartz ou par vibrations quantiques des atomes. Des circuits électroniques décomposent ces oscillations à haute fréquence en oscillations plus lentes qui pilotent l'affichage de l'heure.
Quartz
Atomique
Actuellement, les horloges atomiques sont les horloges les plus précises qui existent. Elles sont considérablement plus précises que les horloges à quartz , leur précision pouvant atteindre quelques secondes sur des milliards d'années. L'idée des horloges atomiques a été initialement formulée par Lord Kelvin en 1879. Dans les années 1930, le développement de la résonance magnétique a permis de mettre au point une méthode pratique pour leur fabrication. Un prototype de maser à ammoniac a été construit en 1949 au Bureau national des normes (NBS, aujourd'hui NIST ) des États-Unis. Bien que moins précis que les horloges à quartz existantes , il a permis de démontrer le concept. La première horloge atomique précise, un étalon au césium basé sur une transition spécifique de l' atome de césium-133 , a été construite par Louis Essen en 1955 au Laboratoire national de physique du Royaume-Uni. L'étalonnage de l'horloge atomique standard au césium a été réalisé à l'aide de l' éphéméride de temps astronomique (ET). En 2013, les horloges atomiques les plus stables étaient les horloges à l'ytterbium , stables à moins de deux parties par quintillion ( L'invention de l'horloge mécanique au XIIIe siècle a marqué un tournant dans les méthodes de mesure du temps, passant de processus continus, tels que le mouvement de l' ombre du gnomon sur un cadran solaire ou l'écoulement d'un liquide dans une horloge à eau, à des processus oscillatoires périodiques, comme le balancement d'un pendule ou la vibration d'un cristal de quartz , offrant un potentiel de précision accrue. Toutes les horloges modernes fonctionnent grâce à l'oscillation. Bien que leurs mécanismes varient, toutes les horloges oscillantes, mécaniques, électriques et atomiques, fonctionnent de manière similaire et peuvent être divisées en parties analogues. Elles se composent d'un objet qui répète le même mouvement inlassablement, un oscillateur , avec un intervalle de temps constant entre chaque répétition, ou « battement ». Un dispositif de contrôle , fixé à l'oscillateur, maintient son mouvement en compensant l'énergie dissipée par frottement et convertit ses oscillations en une série d'impulsions. Ces impulsions sont ensuite comptées par un compteur , et le nombre de comptages est converti en unités pratiques, généralement secondes, minutes, heures, etc. Enfin, un indicateur affiche le résultat sous une forme lisible.Source d'alimentation
L'élément de régulation du temps dans chaque horloge moderne est un oscillateur harmonique , un objet physique ( résonateur ) qui vibre ou oscille de manière répétitive à une fréquence précisément constante.
- Dans les horloges mécaniques, il s'agit soit d'un pendule, soit d'un balancier .
- Certaines horloges et montres électroniques anciennes, comme l' Accutron , utilisent un diapason .
- Dans les horloges et montres à quartz , il s'agit d'un cristal de quartz .
- Dans les horloges atomiques , il s'agit de la vibration des électrons dans les atomes lorsqu'ils émettent des micro-ondes.
- Dans les premières horloges mécaniques antérieures à 1657, il s'agissait d'un balancier rudimentaire, ou foliot, qui n'était pas un oscillateur harmonique car il était dépourvu de spiral . De ce fait, elles étaient très imprécises, avec des erreurs pouvant atteindre une heure par jour.
L'avantage d'un oscillateur harmonique par rapport aux autres types d'oscillateurs réside dans sa capacité à utiliser la résonance pour vibrer à une fréquence de résonance naturelle précise , ou « battement », qui dépend uniquement de ses caractéristiques physiques, et à résister aux vibrations à d'autres fréquences. La précision potentielle d'un oscillateur harmonique est mesurée par un paramètre appelé son facteur de qualité Q) [ , qui augmente (toutes choses égales par ailleurs) avec sa fréquence de résonance . C'est pourquoi on observe depuis longtemps une tendance à l'utilisation d'oscillateurs à haute fréquence dans les horloges. Les balanciers et les pendules comportent toujours un système de réglage de la précision. Les horloges à quartz sont parfois équipées d'une vis de réglage permettant d'ajuster un condensateur à cet effet. Les horloges atomiques , étalons primaires , ne peuvent être réglées.
Horloges synchronisées ou esclaves
Certaines horloges dépendent, pour leur précision, d'un oscillateur externe ; autrement dit, elles sont automatiquement synchronisées sur une horloge plus précise :
- Les horloges esclaves , utilisées dans les grandes institutions et les écoles des années 1860 aux années 1970, fonctionnaient grâce à un pendule, mais étaient reliées à une horloge maîtresse du bâtiment et recevaient périodiquement un signal pour se synchroniser avec celle-ci, généralement à l'heure. Les versions ultérieures sans pendule étaient déclenchées par une impulsion provenant de l'horloge maîtresse et certaines séquences permettaient une synchronisation rapide après une panne de courant.
- Les horloges électriques synchrones ne possèdent pas d'oscillateur interne. Elles comptent les cycles de l'oscillation de 50 ou 60 Hz du courant alternatif, synchronisé par le fournisseur d'électricité sur un oscillateur de précision. Ce comptage peut être électronique, généralement pour les horloges à affichage numérique, ou, dans le cas des horloges analogiques, le courant alternatif peut entraîner un moteur synchrone qui effectue une fraction de tour exacte pour chaque cycle de la tension du réseau et actionne ainsi un train d'engrenages. Bien que les variations de fréquence du réseau dues aux fluctuations de charge puissent entraîner un décalage temporaire de quelques secondes au cours de la journée, le nombre total de cycles par 24 heures est maintenu avec une extrême précision par le fournisseur d'électricité, garantissant ainsi une précision optimale de l'horloge sur de longues périodes.
- Les horloges temps réel des ordinateurs fonctionnent grâce à un cristal de quartz, mais peuvent être synchronisées périodiquement (généralement chaque semaine) via Internet avec des horloges atomiques ( UTC ), en utilisant le protocole NTP (Network Time Protocol ).
- Les horloges radio fonctionnent grâce à un cristal de quartz, mais sont périodiquement synchronisées avec les signaux horaires transmis par des stations radio dédiées à l'heure standard ou par des signaux de navigation par satellite , eux-mêmes réglés par des horloges atomiques.
Contrôleur
Cela a la double fonction de maintenir l'oscillateur en marche en lui fournissant des « impulsions » pour remplacer l'énergie perdue par frottement , et de convertir ses vibrations en une série d'impulsions qui servent à mesurer le temps.
- Dans les horloges mécaniques, il s'agit de l' échappement , qui donne des impulsions précises au pendule oscillant ou à la roue d'équilibrage, et libère une dent d'engrenage de la roue d'échappement à chaque oscillation, permettant à toutes les roues de l'horloge d'avancer d'une distance fixe à chaque oscillation.
- Dans les horloges électroniques, il s'agit d'un circuit oscillateur électronique qui donne au cristal de quartz vibrant ou au diapason de minuscules « impulsions » et génère une série d'impulsions électriques, une pour chaque vibration du cristal, appelée signal d'horloge .
- Dans les horloges atomiques, le contrôleur est une cavité micro-ondes sous vide reliée à un oscillateur micro-ondes piloté par un microprocesseur . Un fin gaz d' atomes de césium est introduit dans la cavité où ils sont exposés aux micro-ondes. Un laser mesure le nombre d'atomes ayant absorbé les micro-ondes, et un système de contrôle électronique à rétroaction, appelé boucle à verrouillage de phase (PLL) , ajuste l'oscillateur micro-ondes jusqu'à ce qu'il atteigne la fréquence qui provoque la vibration des atomes et l'absorption des micro-ondes. Le signal micro-ondes est ensuite divisé par des compteurs numériques pour générer le signal d'horloge .
Dans les horloges mécaniques, le faible facteur de qualité (Q) du balancier ou de l'oscillateur à pendule les rendait très sensibles aux perturbations induites par l'échappement. Ce dernier avait donc une grande influence sur la précision de l'horloge, et de nombreux modèles d'échappement ont été testés. Le facteur de qualité plus élevé des résonateurs dans les horloges électroniques les rend relativement insensibles aux perturbations de l'alimentation électrique, ce qui fait du circuit oscillateur un composant beaucoup moins critique.
Chaîne de contrepoids
Cet appareil compte les impulsions et les additionne pour obtenir les unités de temps traditionnelles : secondes, minutes, heures, etc. Il dispose généralement d’un dispositif permettant de régler l’horloge en saisissant manuellement l’heure correcte dans le compteur.
- Dans les horloges mécaniques, ce processus est réalisé mécaniquement par un train d'engrenages . Ce train d'engrenages module la vitesse de rotation pour obtenir un axe tournant une fois par heure, auquel est fixée l'aiguille des minutes , un axe tournant une fois par douzaine d'heures, auquel est fixée l' aiguille des heures, et, dans certaines horloges, un axe tournant une fois par minute, auquel est fixée l' aiguille des secondes . Le train d'engrenages remplit également une seconde fonction : transmettre l'énergie mécanique de la source d'alimentation au moteur oscillateur. Un accouplement à friction, appelé « pignon de canon », relie les engrenages entraînant les aiguilles au reste de l'horloge, permettant ainsi de régler l'heure.
- Dans les horloges numériques, une série de compteurs ou de diviseurs de fréquence intégrés additionnent les impulsions numériquement , selon une logique binaire . Souvent, des boutons-poussoirs sur le boîtier permettent d'incrémenter et de décrémenter les compteurs d'heures et de minutes pour régler l'heure.
Indicateur
Ceci affiche le nombre de secondes, de minutes, d'heures, etc. sous une forme lisible par l'homme.
- Les premières horloges mécaniques du XIIIe siècle ne possédaient pas d'indicateur visuel et signalaient l'heure par des sonneries. De nombreuses horloges sont encore aujourd'hui des horloges à sonnerie .
- Les horloges analogiques affichent l'heure sur un cadran gradué de 1 à 12 ou 24, correspondant aux heures de la journée. Les heures sont indiquées par une aiguille qui effectue une ou deux rotations par jour, tandis que les minutes sont indiquées par une aiguille qui effectue une rotation par heure. Dans les horloges mécaniques, un train d'engrenages actionne les aiguilles ; dans les horloges électroniques, le circuit génère des impulsions chaque seconde qui actionnent un moteur pas à pas et un train d'engrenages, lesquels déplacent les aiguilles.
- Les horloges numériques affichent l'heure en chiffres qui changent périodiquement sur un écran numérique. On croit souvent, à tort, qu'une horloge numérique est plus précise qu'une horloge murale analogique, mais le type d'affichage est indépendant de la précision de la source de temps.
- Les horloges parlantes et les services d'horloges parlantes proposés par les compagnies de téléphone annoncent l'heure à voix haute, en utilisant des voix enregistrées ou synthétisées numériquement .
Types
Les horloges peuvent être classées selon le type d'affichage de l'heure, ainsi que selon la méthode de mesure du temps.
méthodes d'affichage de l'heure
Analogique
Les horloges analogiques utilisent généralement un cadran indiquant l'heure grâce à des aiguilles rotatives sur un ou plusieurs cadrans numérotés. Le cadran standard, universellement connu, possède une courte aiguille des heures indiquant l'heure sur un cadran circulaire de 12 heures , effectuant deux tours par jour, et une plus longue aiguille des minutes indiquant les minutes de l'heure en cours sur le même cadran, lui aussi divisé en 60 minutes. Il peut également comporter une trotteuse indiquant les secondes de la minute. Le seul autre cadran largement répandu aujourd'hui est le cadran analogique de 24 heures , en raison de son utilisation dans les organisations militaires et pour l'établissement des horaires. Avant la standardisation du cadran moderne lors de la révolution industrielle , de nombreux autres modèles ont été utilisés, notamment des cadrans divisés en 6, 8, 10 et 24 heures. Pendant la Révolution française , le gouvernement a tenté d'introduire une horloge de 10 heures , dans le cadre de son système métrique décimal , mais elle ne s'est pas généralisée. Une horloge italienne à 6 heures a été mise au point au XVIIIe siècle, probablement pour économiser de l'énergie (une horloge ou une montre sonnant 24 fois consomme plus d'énergie).
Un autre type d'horloge analogique est le cadran solaire, qui suit la course du soleil en continu et enregistre l'heure grâce à la position de l'ombre de son gnomon . Comme le soleil ne s'ajuste pas à l'heure d'été, il faut ajouter une heure pendant cette période. Des corrections doivent également être apportées pour l' équation du temps et pour la différence entre la longitude du cadran solaire et le méridien central du fuseau horaire utilisé (soit 15 degrés à l'est du méridien de Greenwich pour chaque heure d'avance sur le temps universel coordonné ( UTC )). Les cadrans solaires utilisent tout ou partie d'un cadran analogique de 24 heures. Il existe aussi des horloges à affichage numérique malgré un mécanisme analogique ; on les appelle communément horloges à affichage numérique . D'autres systèmes ont été proposés. Par exemple, l'horloge « Twelv » indique l'heure actuelle à l'aide de l'une des douze couleurs et les minutes par l'affichage d'une portion d'un disque circulaire, à l'image des phases de la lune .
Numérique
Digital clocks display a numeric representation of time. Two numeric display formats are commonly used on digital clocks:
- the 24-hour notation with hours ranging 00–23;
- the 12-hour notation with AM/PM indicator, with hours indicated as 12AM, followed by 1AM–11AM, followed by 12PM, followed by 1PM–11PM (a notation mostly used in domestic environments).
Most digital clocks use electronic mechanisms and LCD, LED, or VFD displays; many other display technologies are used as well (cathode ray tubes, nixie tubes, etc.). After a reset, battery change or power failure, these clocks without a backup battery or capacitor either start counting from 12:00, or stay at 12:00, often with blinking digits indicating that the time needs to be set. Some newer clocks will reset themselves based on radio or Internet time servers that are tuned to national atomic clocks. Since the introduction of digital clocks in the 1960s, there has been a notable decline in the use of analog clocks.
Some clocks, called 'flip clocks', have digital displays that work mechanically. The digits are painted on sheets of material which are mounted like the pages of a book. Once a minute, a page is turned over to reveal the next digit. These displays are usually easier to read in brightly lit conditions than LCDs or LEDs. Also, they do not go back to 12:00 after a power interruption. Flip clocks generally do not have electronic mechanisms. Usually, they are driven by AC-synchronous motors.
Hybrid (analog-digital)
Clocks with analog quadrants, with a digital component, usually minutes and hours displayed analogously and seconds displayed in digital mode.
Auditory
Word
Word clocks are clocks that display the time visually using sentences. E.g.: "It's about three o'clock." These clocks can be implemented in hardware or software.
Projection
Tactile
Les horloges sonores et à projection peuvent être utilisées par les personnes aveugles ou malvoyantes. Il existe également des horloges pour aveugles dotées d'affichages tactiles. Certaines ressemblent aux horloges analogiques classiques, mais sont conçues pour que les aiguilles puissent être senties sans être endommagées. D'autres, essentiellement numériques, utilisent des dispositifs qui affichent les chiffres par un code tel que le braille , permettant ainsi une lecture tactile.
Multi-écrans
Certaines horloges possèdent plusieurs affichages actionnés par un seul mécanisme, tandis que d'autres regroupent plusieurs mécanismes distincts dans un même boîtier. Les horloges des lieux publics affichent souvent plusieurs cadrans visibles de différentes directions, permettant ainsi de lire l'heure de n'importe quel point à proximité ; tous les cadrans indiquent la même heure. D'autres horloges affichent l'heure actuelle dans plusieurs fuseaux horaires. Les montres destinées aux voyageurs possèdent souvent deux affichages : l'un pour l'heure locale et l'autre pour l'heure du domicile, ce qui est pratique pour passer des appels téléphoniques programmés. Certaines horloges à équation possèdent deux affichages : l'un indiquant l'heure moyenne et l'autre l'heure solaire , comme sur un cadran solaire. Certaines horloges combinent affichage analogique et numérique. Les horloges dotées d'un affichage en braille possèdent généralement aussi des chiffres classiques afin d'être lisibles par les personnes voyantes.
Objectifs
On trouve des horloges dans les maisons, les bureaux et bien d'autres endroits ; les plus petites (les montres) se portent au poignet ou dans une poche ; les plus grandes sont présentes dans les lieux publics, comme les gares ou les églises. Une petite horloge est souvent affichée dans un coin des écrans d'ordinateur, de téléphone portable et de nombreux lecteurs MP3 .
La fonction première d'une horloge est d' afficher l'heure. Certaines horloges peuvent également émettre une alarme sonore à une heure précise, généralement pour réveiller une personne ; on les appelle alors des réveils . L'alarme peut démarrer à faible volume et augmenter progressivement, ou être désactivée pendant quelques minutes puis se réactiver. Les réveils avec indicateurs visuels servent parfois à signaler aux jeunes enfants que la sieste est terminée ; on les appelle parfois des réveils d'apprentissage .
Un mécanisme d'horlogerie peut servir à réguler le fonctionnement d'un appareil en fonction du temps, comme un système de chauffage central, un magnétoscope ou une bombe à retardement (voir : compteur numérique ). Ces mécanismes sont généralement appelés minuteries . Les mécanismes d'horlogerie sont également utilisés pour actionner des appareils tels que les suiveurs solaires et les télescopes astronomiques , qui doivent tourner à des vitesses précisément contrôlées pour compenser la rotation de la Terre.
La plupart des ordinateurs numériques dépendent d'un signal interne à fréquence constante pour synchroniser leur traitement ; il s'agit du signal d'horloge . (Quelques projets de recherche développent des processeurs basés sur des circuits asynchrones .) Certains équipements, y compris les ordinateurs, conservent également l'heure et la date pour une utilisation ultérieure ; on parle alors d'horloge système, distincte du signal d'horloge du système, bien que celle-ci puisse être basée sur le comptage de ses cycles.
Normes de temps
Navigation
Jusqu'aux progrès de la fin du XXe siècle, la navigation reposait sur la capacité à mesurer la latitude et la longitude . La latitude se détermine par la navigation astronomique ; la mesure de la longitude exige une connaissance précise du temps. Ce besoin a fortement motivé le développement d'horloges mécaniques précises. John Harrison créa le premier chronomètre de marine de haute précision au milieu du XVIIIe siècle. Le canon de midi du Cap émet encore aujourd'hui un signal précis permettant aux navires de vérifier leurs chronomètres. De nombreux bâtiments près des grands ports possédaient autrefois (et certains possèdent encore) une grosse boule montée sur une tour ou un mât, conçue pour tomber à une heure prédéterminée, dans le même but. Si les systèmes de navigation par satellite comme le GPS nécessitent une connaissance du temps d'une précision sans précédent, celle-ci est fournie par les équipements embarqués sur les satellites ; les véhicules n'ont donc plus besoin d'instruments de mesure du temps.
Sports et jeux
Les horloges peuvent servir à mesurer différentes durées dans les jeux et les sports. Les chronomètres permettent de mesurer les performances des athlètes en athlétisme . Les pendules d'échecs servent à limiter le temps dont disposent les joueurs pour effectuer un coup. Dans divers sports,Les horloges de jeu mesurent la durée du jeu ou de ses subdivisions, tandis que d'autres horloges peuvent être utilisées pour suivre différentes durées ; celles-ci incluentles horloges de jeu,les horloges de tiretles horloges de lancer.
Culture
Folklore et superstition
Au Royaume-Uni , les horloges sont associées à diverses croyances, dont beaucoup sont liées à la mort ou à la malchance. Selon la légende, des horloges se seraient arrêtées d'elles-mêmes à la mort d'une personne proche, notamment celles des monarques. L'horloge de la Chambre des Lords se serait arrêtée « presque » à l'heure du décès de George III en 1820, celle du château de Balmoral à l'heure de la mort de la reine Victoria , et des légendes similaires circulent au sujet des horloges associées à Guillaume IV et Élisabeth Ire . De nombreuses superstitions entourent les horloges. L'arrêt d'une horloge avant le décès d'une personne pourrait annoncer une mort imminente. De même, si une horloge sonne pendant un hymne religieux ou une cérémonie de mariage, cela présagerait la mort ou un malheur pour les paroissiens ou l'un des époux, respectivement. Un décès ou un malheur serait annoncé si une horloge sonnait à la mauvaise heure. Il serait également de mauvais augure d'avoir une horloge face à un incendie ou de parler pendant qu'une horloge sonne.
Dans la culture chinoise, offrir une horloge ( chinois simplifié :送钟; pinyin : sòngzhōng ) est souvent tabou, surtout envers les personnes âgées, car c'est un homophone de l'action d'assister aux funérailles d'autrui ( 送終; chinois simplifié :送终; pinyin : sòngzhōng ).