Horloge à eau

Une horloge à eau ou clepsydre (du grec ancien κλεψύδρα ( klepsúdra ) « pipette , horloge à eau » ; de κλέπτω ( kléptō ) « voler » et ὕδωρ ( hydor ) « eau » ; littéralement « voleur d'eau » ) est un garde-temps par lequel le temps est mesuré par le débit régulé de liquide dans (type d'entrée) ou hors (type de sortie) d'un récipient, et où la quantité de liquide peut alors être mesurée.  

Les horloges à eau sont l'un des plus anciens instruments de mesure du temps. La forme la plus simple d'horloge à eau, avec un écoulement en forme de bol, existait à Babylone , en Égypte et en Perse vers le XVIe siècle avant J.-C. D'autres régions du monde, dont l'Inde et la Chine , fournissent également des preuves précoces de l'existence d'horloges à eau, mais les dates les plus anciennes sont moins certaines. Les horloges à eau étaient utilisées dans la Grèce antique et dans la Rome antique , comme le décrivent des auteurs techniques tels que Ctésibius (mort en 222 avant J.-C.) et Vitruve (mort après 15 avant J.-C.).

Une horloge à eau utilise le débit de l'eau pour mesurer le temps. Si la viscosité est négligée, le principe physique requis pour étudier de telles horloges est la loi de Torricelli . Il existe deux types d'horloges à eau : à flux entrant et à flux sortant. Dans une horloge à eau à flux sortant, un récipient est rempli d'eau, et l'eau est évacuée lentement et uniformément du récipient. Ce récipient comporte des marquages ​​qui sont utilisés pour montrer le passage du temps. Lorsque l'eau quitte le récipient, un observateur peut voir où l'eau est au niveau des lignes et dire combien de temps s'est écoulé. Une horloge à eau à flux entrant fonctionne fondamentalement de la même manière, sauf qu'au lieu de s'écouler hors du récipient, l'eau remplit le récipient marqué. Lorsque le récipient se remplit, l'observateur peut voir où l'eau rencontre les lignes et dire combien de temps s'est écoulé. Certaines horloges modernes sont appelées « horloges à eau » mais fonctionnent différemment des anciennes. Leur chronométrage est réglé par un pendule , mais ils utilisent l'eau à d'autres fins, comme fournir l'énergie nécessaire pour faire fonctionner l'horloge en utilisant une roue hydraulique ou quelque chose de similaire, ou en ayant de l'eau dans leurs affichages.

Les Grecs et les Romains ont perfectionné la conception des horloges à eau en incluant la clepsydre d'entrée avec un système de rétroaction précoce, un engrenage et un mécanisme d'échappement , qui étaient connectés à des automates fantaisistes et ont permis d'améliorer la précision. D'autres progrès ont été réalisés à Byzance , en Syrie et en Mésopotamie, où des horloges à eau de plus en plus précises ont incorporé des engrenages segmentaires et épicycloïdaux complexes , des roues hydrauliques et la programmabilité , des avancées qui ont finalement fait leur chemin jusqu'en Europe . Indépendamment, les Chinois ont développé leurs propres horloges à eau avancées, intégrant des engrenages, des mécanismes d'échappement et des roues hydrauliques, transmettant leurs idées à la Corée et au Japon .

Certaines conceptions d'horloges à eau ont été développées indépendamment et certaines connaissances ont été transmises par le biais de la diffusion du commerce. Ces premières horloges à eau étaient étalonnées à l'aide d'un cadran solaire . Bien qu'elle n'ait jamais atteint un niveau de précision comparable aux normes de chronométrage actuelles, l'horloge à eau a été un dispositif de chronométrage couramment utilisé pendant des millénaires, jusqu'à ce qu'elle soit remplacée par des horloges mécaniques à échappement à verge plus précises en Europe vers 1300.

La plus ancienne horloge à eau dont il existe des preuves physiques remonte à environ 1417-1379 av. J.-C. dans le Nouvel Empire d'Égypte , sous le règne du pharaon Aménophis III , où elle était utilisée dans l' enceinte d'Amon-Rê à Karnak . La plus ancienne documentation de l'horloge à eau est l'inscription funéraire d'Amenemhet, fonctionnaire de la cour égyptienne du XVIe siècle av. J.-C., qui l'identifie comme son inventeur. Ces horloges à eau simples, qui étaient du type à écoulement, étaient des récipients en pierre aux côtés inclinés qui permettaient à l'eau de s'égoutter à un rythme presque constant à partir d'un petit trou près du fond. Il y avait douze colonnes séparées avec des marquages ​​régulièrement espacés à l'intérieur pour mesurer le passage des « heures » au fur et à mesure que le niveau de l'eau les atteignait. Les colonnes correspondaient à chacun des douze mois pour tenir compte des variations des heures saisonnières. Les prêtres utilisaient ces horloges pour déterminer l'heure la nuit afin que les rites et les sacrifices du temple puissent être effectués à la bonne heure.

À Babylone, les horloges à eau étaient de type à écoulement et de forme cylindrique. L'utilisation de l'horloge à eau comme aide aux calculs astronomiques remonte à l' ancien empire babylonien ( vers 2000 - vers 1600 av. J.-C.). Bien qu'il n'existe aucune horloge à eau de la région mésopotamienne, la plupart des preuves de leur existence proviennent d'écritures sur des tablettes d'argile . Deux collections de tablettes, par exemple, sont l' Enuma Anu Enlil (1600-1200 av. J.-C.) et le MUL.APIN (7e siècle av. J.-C.). Dans ces tablettes, les horloges à eau sont utilisées pour le paiement des gardes de nuit et de jour (gardes).

Ces horloges étaient uniques, car elles n'avaient pas d'indicateur tel que des aiguilles (comme celles généralement utilisées aujourd'hui) ou des encoches rainurées (comme celles utilisées en Égypte). Au lieu de cela, ces horloges mesuraient le temps « par le poids de l'eau qui s'écoulait ». Le volume était mesuré en unités de capacité appelées qa . Le poids, mana ou mina (l'unité grecque pour environ une livre), est le poids de l'eau dans une horloge à eau.

À l'époque babylonienne, le temps était mesuré en heures temporelles. Ainsi, au gré des saisons, la durée d'une journée changeait également. « Pour définir la durée d'une « veille nocturne » au solstice d'été , il fallait verser deux manas d'eau dans une clepsydre cylindrique ; son vidage indiquait la fin de la veille. Un sixième de mana devait être ajouté à chaque demi-mois suivant. À l' équinoxe , trois manas devaient être vidés pour correspondre à une veille, et quatre manas étaient vidés pour chaque veille de la nuit du solstice d'hiver . »

N. Narahari Achar et Subhash Kak suggèrent que les horloges à eau étaient utilisées dans l'Inde ancienne dès le 2e millénaire avant J.-C., en se basant sur leur apparition dans l' Atharvaveda . Selon N. Kameswara Rao, des pots exhumés du site de la civilisation de la vallée de l'Indus de Mohenjo-daro auraient pu être utilisés comme horloges à eau. Ils sont effilés à la base, ont un trou sur le côté et sont similaires à l'ustensile utilisé pour effectuer l'abhiṣeka (versement rituel d'eau) sur les lingams .

Le Jyotisha , l'une des six disciplines du Vedanga , décrit des horloges à eau appelées ghati ou kapala qui mesurent le temps en unités de nadika (environ 24 minutes). Une clepsydre sous la forme d'un récipient en cuivre flottant et coulant est mentionnée dans le Sürya Siddhānta (Ve siècle après J.-C.). À Nalanda mahavihara , une ancienne université bouddhiste , des intervalles de quatre heures étaient mesurés par une horloge à eau, qui consistait en un bol en cuivre similaire contenant deux grands flotteurs dans un bol plus grand rempli d'eau. Le bol était rempli d'eau à partir d'un petit trou à son fond ; il coulait lorsqu'il était rempli et était marqué par le battement d'un tambour pendant la journée. La quantité d'eau ajoutée variait selon les saisons, et les étudiants de l'université faisaient fonctionner l'horloge.

Des descriptions d'horloges à eau similaires sont également données dans la Pañca Siddhāntikā par le polymathe Varāhamihira au 6e siècle, ce qui ajoute des détails supplémentaires au récit donné dans le Sūrya Siddhānta . D'autres descriptions sont enregistrées dans le Brāhmasphuṭasiddhānta par le mathématicien Brahmagupta au 7e siècle. Une description détaillée avec des mesures est également enregistrée par l'astronome Lalla au 8e siècle, qui décrit le ghati comme un récipient en cuivre hémisphérique avec un trou qui est entièrement rempli après un nadika .

Dans la Chine antique , ainsi que dans toute l'Asie de l'Est, les horloges à eau étaient très importantes dans l'étude de l'astronomie et de l'astrologie . La plus ancienne référence écrite date l'utilisation de l'horloge à eau en Chine du 6e siècle avant J.-C. . À partir d'environ 200 avant J.-C., la clepsydre de sortie a été remplacée presque partout en Chine par le type d'entrée avec une tige indicatrice portée sur un flotteur (appelé fou chien lou,浮箭漏). Le philosophe et homme politique de la dynastie Han Huan Tan (40 av. J.-C. - 30 apr. J.-C.), secrétaire à la Cour en charge des clepsydres, a écrit qu'il devait comparer les clepsydres aux cadrans solaires en raison de la façon dont la température et l'humidité affectaient leur précision, démontrant que les effets de l'évaporation, ainsi que de la température sur la vitesse à laquelle l'eau s'écoule, étaient connus à cette époque. Le liquide des horloges à eau était susceptible de geler et devait être maintenu au chaud avec des torches, un problème résolu en 976 par l'astronome et ingénieur chinois Zhang Sixun . Son invention, une amélioration considérable par rapport à l'horloge de Yi Xing, utilisait du mercure au lieu de l'eau. Le mercure est liquide à température ambiante et gèle à −38,83 °C (−37,9 °F), une température inférieure à la température de l'air courante en dehors des régions polaires. Là encore, au lieu d'utiliser de l'eau, l'ingénieur de la dynastie Ming Zhan Xiyuan (vers 1360-1380) créa une horloge à roue entraînée par le sable, améliorée par Zhou Shuxue (vers 1530-1558).

L'utilisation de clepsydres pour actionner des mécanismes illustrant des phénomènes astronomiques a commencé avec le polymathe de la dynastie Han Zhang Heng (78-139) en 117, qui utilisait également une roue hydraulique . Zhang Heng a été le premier en Chine à ajouter un réservoir de compensation supplémentaire entre le réservoir et le récipient d'entrée, ce qui a résolu le problème de la chute de pression dans le réservoir. L'ingéniosité de Zhang a conduit à la création par le mathématicien et ingénieur de la dynastie Tang Yi Xing (683-727) et Liang Lingzan en 725 d'une horloge entraînée par un mécanisme d'échappement à roue hydraulique . Le même mécanisme serait utilisé par le polymathe de la dynastie Song Su Song (1020-1101) en 1088 pour alimenter sa tour d'horloge astronomique , ainsi qu'un entraînement par chaîne . Su Song , haute de plus de 9,1 m, possédait une sphère armillaire en bronze actionnée par un moteur pour les observations, un globe céleste à rotation automatique et cinq panneaux frontaux avec des portes qui permettaient de voir des mannequins changeants qui sonnaient des cloches ou des gongs et tenaient des tablettes indiquant l'heure ou d'autres moments spéciaux de la journée. Dans les années 2000, dans la Tour du Tambour de Pékin, une clepsydre de sortie est opérationnelle et exposée aux touristes. Elle est reliée à des automates de sorte que tous les quarts d'heure, une petite statue en laiton d'un homme frappe ses cymbales.

L'utilisation d'horloges à eau dans le Grand Iran , en particulier dans les zones désertiques telles que Yazd , Ispahan , Zibad et Gonabad , remonte à 500 avant J.-C. . Plus tard, elles ont également été utilisées pour déterminer les jours saints exacts des religions préislamiques telles que Nowruz ( équinoxe de mars ), Mehregan ( équinoxe de septembre ), Tirgan ( solstice d'été ) et Yaldā Night ( solstice d'hiver ) - les jours et les nuits les plus courts, les plus longs et de même durée de l'année. Les horloges à eau, appelées pengan (et plus tard fenjan ), étaient l'un des outils anciens les plus pratiques pour chronométrer le calendrier annuel. L'horloge à eau était l'appareil de mesure du temps le plus précis et le plus couramment utilisé pour calculer la quantité ou le temps pendant lequel un agriculteur doit prendre de l'eau d'un qanat ou d'un puits pour l'irrigation jusqu'à ce que des horloges actuelles plus précises la remplacent.

Les horloges à eau persanes étaient un outil pratique, utile et nécessaire pour les actionnaires du qanat pour calculer la durée pendant laquelle ils pouvaient détourner l'eau vers leurs fermes ou leurs jardins. Le qanat était la seule source d'eau pour l'agriculture et l'irrigation dans les zones arides, une distribution d'eau juste et équitable était donc très importante. Par conséquent, une personne âgée très juste et intelligente était élue pour être le gestionnaire de l'horloge à eau ou mir āb , et au moins deux gestionnaires à plein temps étaient nécessaires pour contrôler et observer le nombre d'heures et annoncer l'heure exacte des jours et des nuits du lever au coucher du soleil, car les actionnaires étaient généralement divisés entre les propriétaires de jour et de nuit.

L'horloge à eau persane était composée d'un grand pot rempli d'eau et d'un bol avec un petit trou au centre. Lorsque le bol était rempli d'eau, il coulait dans le pot, et le gérant vidait le bol et le remettait au-dessus de l'eau dans le pot. Il notait le nombre de fois que le bol coulait en mettant de petites pierres dans un bocal. L'endroit où l'horloge était située et ses gérants étaient collectivement connus sous le nom de khane pengān . Il s'agissait généralement du dernier étage d'un pub, avec des fenêtres orientées à l'ouest et à l'est pour indiquer l'heure du coucher et du lever du soleil. L' horloge à eau Zibad a été utilisée jusqu'en 1965, date à laquelle elle a été remplacée par des horloges modernes.

Le mot « clepsydre » vient du grec et signifie « voleur d'eau ». Les Grecs ont considérablement fait progresser l'horloge à eau en s'attaquant au problème de la diminution du débit. Ils ont introduit plusieurs types de clepsydres d'entrée, dont l'un comprenait le premier système de contrôle par rétroaction. Ctésibius a inventé un système d'indicateur typique des horloges ultérieures telles que le cadran et l'aiguille. L' ingénieur romain Vitruve a décrit les premiers réveils, fonctionnant avec des gongs ou des trompettes. Une horloge à eau couramment utilisée était la simple clepsydre de sortie. Ce petit récipient en terre cuite avait un trou sur le côté près de la base. À l'époque grecque et romaine, ce type de clepsydre était utilisé dans les tribunaux pour attribuer des périodes de temps aux orateurs. Dans les cas importants, comme lorsque la vie d'une personne était en jeu, elle était complètement remplie, mais pour les cas plus mineurs, seulement partiellement. Si les débats étaient interrompus pour une raison quelconque, par exemple pour examiner des documents, le trou dans la clepsydre était bouché avec de la cire jusqu'à ce que l'orateur soit en mesure de reprendre sa plaidoirie.

Certains chercheurs pensent que la clepsydre aurait pu être utilisée comme chronomètre pour limiter le temps de visite des clients dans les bordels athéniens . Un peu plus tard, au début du IIIe siècle avant J.-C., le médecin hellénistique Hérophile utilisait une clepsydre portable lors de ses visites à domicile à Alexandrie pour mesurer le pouls de ses patients. En comparant le taux par groupe d'âge avec des ensembles de données obtenues empiriquement, il a pu déterminer l'intensité du trouble.

Entre 270 av. J.-C. et 500 apr. J.-C., les horlogers et astronomes hellénistiques ( Ctésibios , Héron d'Alexandrie , Archimède ) et romains ont développé des horloges à eau mécanisées plus élaborées. Cette complexité accrue visait à réguler le débit et à fournir des représentations plus sophistiquées du passage du temps. Par exemple, certaines horloges à eau faisaient sonner des cloches et des gongs , tandis que d'autres ouvraient des portes et des fenêtres pour montrer des figurines de personnes, ou déplaçaient des aiguilles et des cadrans. Certaines présentaient même des modèles astrologiques de l'univers. L'ingénieur du IIIe siècle av. J.-C. Philon de Byzance faisait référence dans ses travaux à des horloges à eau déjà équipées d'un mécanisme d'échappement, le plus ancien connu de ce type.

La plus grande réussite de l'invention des clepsydres à cette époque fut cependant celle de Ctésibios, qui incorpora des engrenages et un indicateur à cadran pour afficher automatiquement l'heure en fonction des changements de durée des jours au cours de l'année, en raison du chronométrage temporel utilisé pendant sa journée. De plus, un astronome grec, Andronicus de Cyrrhus , supervisa la construction de son Horologion, connu aujourd'hui sous le nom de Tour des Vents , sur la place du marché d'Athènes (ou agora ) dans la première moitié du Ier siècle avant J.-C. Cette tour d'horloge octogonale montrait aux érudits et aux acheteurs à la fois des cadrans solaires et une girouette . À l'intérieur se trouvait une clepsydre mécanisée, bien que le type d'affichage qu'elle utilisait ne puisse être connu avec certitude ; certaines possibilités sont : une tige qui se déplaçait de haut en bas pour afficher l'heure, un automate à eau qui frappait une cloche pour marquer les heures, ou un disque d'étoile mobile au plafond.

Dans le monde islamique médiéval (632-1280), l'utilisation des horloges à eau trouve ses racines dans Archimède lors de l'essor d' Alexandrie en Égypte et se poursuit jusqu'à Byzance . Les horloges à eau de l'ingénieur arabe Al-Jazari sont cependant considérées comme allant « bien au-delà de tout » ce qui les avait précédées. Dans le traité de 1206 d'Al-Jazari, il décrit l'une de ses horloges à eau, l' horloge à éléphant . L'horloge enregistrait le passage des heures temporelles, ce qui signifiait que le débit devait être modifié quotidiennement pour correspondre à la longueur inégale des jours tout au long de l'année. Pour ce faire, l'horloge avait deux réservoirs, le réservoir supérieur était relié aux mécanismes d'indication de l'heure et le réservoir inférieur était relié au régulateur de contrôle du débit . En gros, au lever du jour, le robinet était ouvert et l'eau coulait du réservoir supérieur vers le réservoir inférieur via un régulateur à flotteur qui maintenait une pression constante dans le réservoir récepteur.

L' horloge astronomique à eau la plus sophistiquée était l'horloge du château d' Al-Jazari , considérée par certains comme un exemple précoce d' ordinateur analogique programmable , en 1206. C'était un appareil complexe d'environ 11 pieds (3,4 m) de haut, et avait de multiples fonctions en plus du chronométrage. Il comprenait un affichage du zodiaque et des orbites solaires et lunaires, et un pointeur en forme de croissant de lune qui se déplaçait au sommet d'une porte, déplacé par un chariot caché et provoquant l'ouverture de portes automatiques, chacune révélant un mannequin, toutes les heures. Il était possible de reprogrammer la durée du jour et de la nuit afin de tenir compte des durées changeantes du jour et de la nuit tout au long de l'année, et il comportait également cinq automates musiciens qui jouaient automatiquement de la musique lorsqu'ils étaient déplacés par des leviers actionnés par un arbre à cames caché attaché à une roue à eau. D'autres composants de l'horloge du château comprenaient un réservoir principal avec un flotteur, une chambre à flotteur et un régulateur de débit, une plaque et un bac à valve, deux poulies, un disque en croissant affichant le zodiaque et deux automates faucons laissant tomber des boules dans des vases.

Les premières horloges à eau à utiliser des engrenages segmentaires et épicycloïdaux complexes ont été inventées par l' ingénieur arabe Ibn Khalaf al-Muradi dans la péninsule Ibérique islamique vers 1000. Ses horloges à eau étaient entraînées par des roues hydrauliques , comme c'était également le cas pour plusieurs horloges à eau chinoises au XIe siècle. Des horloges à eau comparables ont été construites à Damas et à Fès . Cette dernière ( Dar al-Magana ) subsiste jusqu'à aujourd'hui et son mécanisme a été reconstruit. La première horloge européenne à utiliser ces engrenages complexes était l'horloge astronomique créée par Giovanni de Dondi vers 1365. Comme les Chinois, les ingénieurs arabes de l'époque ont également développé un mécanisme d'échappement qu'ils ont utilisé dans certaines de leurs horloges à eau. Le mécanisme d'échappement se présentait sous la forme d'un système à tête constante, tandis que de lourds flotteurs étaient utilisés comme poids.

En 718, Silla unifié établit le système de clepsydre pour la première fois dans l'histoire coréenne, imitant la dynastie Tang. En 1434, pendant le règne de Joseon , Jang Yeong-sil ( coréen : 장영실 ; hanja : 蔣英實), un garde du palais et plus tard ingénieur en chef de la cour, construisit le Borugak Jagyeongnu ou horloge à eau à sonnerie automatique du pavillon Borugak pour Sejong le Grand .

Ce qui a permis à cette horloge à eau de sonner automatiquement (ou automatiquement) était l'utilisation d'un mécanisme à vérin : trois personnages en bois ou « vérins » frappaient des objets pour signaler l'heure. Cette innovation ne nécessitait plus le recours à des travailleurs humains, appelés « hommes-coqs », pour la remplir constamment.

La particularité de cette horloge était sa capacité à annoncer automatiquement l'heure double à l'aide de signaux visuels et sonores. Jang a développé une technique de conversion de signal qui a permis de mesurer l'heure analogique et d'annoncer l'heure numérique simultanément, ainsi que de séparer les mécanismes à eau des mécanismes de sonnerie à billes. Le dispositif de conversion s'appelait pangmok et était placé au-dessus du récipient d'entrée qui mesurait l'heure, le premier dispositif de ce type au monde. Ainsi, l'horloge à eau de Borugak est la première horloge à double fuseau horaire conçue de manière hydromécanique dans l'histoire de l'horlogerie.

L'empereur Tenji a fabriqué la première horloge à eau du Japon, appelée Rokoku (漏刻) . Elles étaient très importantes socialement et dirigées par des docteurs en horloge à eau

Lorsque la viscosité peut être négligée, le débit de sortie de l'eau est régi par la loi de Torricelli , ou plus généralement, par le principe de Bernoulli . La viscosité dominera le débit de sortie si l'eau s'écoule à travers une buse suffisamment longue et fine, comme le donne l' équation de Hagen-Poiseuille . Approximativement, le débit est pour une telle conception inversement proportionnel à la viscosité, qui dépend de la température . Les liquides deviennent généralement moins visqueux à mesure que la température augmente. Dans le cas de l'eau, la viscosité varie d'un facteur d'environ sept entre zéro et 100 degrés Celsius. Ainsi, une horloge à eau avec une telle buse fonctionnerait environ sept fois plus vite à 100 °C qu'à 0 °C. L'eau est environ 25 pour cent plus visqueuse à 20 °C qu'à 30 °C, et une variation de température d'un degré Celsius, dans cette plage de « température ambiante », produit un changement de viscosité d'environ deux pour cent. Par conséquent, une horloge à eau dotée d'un tel bec qui garde l'heure à une température donnée gagnerait ou perdrait environ une demi-heure par jour si elle était plus chaude ou plus froide d'un degré Celsius. Pour qu'elle garde l'heure à une minute près par jour, il faudrait que sa température soit contrôlée à 1/30 °C (environ 1/17 ° F ) . Il n'existe aucune preuve que cela ait été fait dans l'Antiquité, de sorte que les horloges à eau anciennes dotées de becs suffisamment fins et longs ( contrairement à l'horloge moderne contrôlée par un pendule décrite ci-dessus) ne pouvaient pas avoir une précision fiable selon les normes modernes. Cependant, bien que les horloges modernes ne puissent pas être réinitialisées pendant de longues périodes, les horloges à eau étaient probablement réinitialisées chaque jour, lors du remplissage, en fonction d'un cadran solaire, de sorte que l'erreur cumulative n'aurait pas été grande.