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Art, science ou horlogerie ?    (Chronométrophilia, hiver 2003)
 
 
Il n’est pas sûr que les lignes qui vont suivre aient à faire avec l’horlogerie au sens où on l’entend habituellement. Mon
but est souvent d’arriver à créer des horloges précises en n’usant que de phénomènes aléatoires. Les trois pendules
décrits ci-dessous indiquent bien le temps, certes, mais leurs principes sont si exotiques que leur fonction finale
semble finalement très lointaine. Appelons donc ceci de l’horlogerie à la valaisanne, si vous voulez, mais n’en rions pas plus
que si un Chaux-de-Fonnier tentait de vinifier de la petite arvine.
 
1)  Le CHRONOLITHE (Pendule radiométrique)
 
LE PRINCIPE
La seule force de la lumière peut maintenir l’oscillation d’un pendule de 4 kilos d’acier inoxydable. Cette force très faible appelée effet radiométrique fut donc ici utilisée pour créer une horloge. Deux lampes placées de part et d'autre du balancier s'allument alternativement, le "poussant" ainsi à chaque oscillation. Or il semble bien que personne n'avait jamais jusqu’ici employé ce type de propulsion pour un pendule. Ce principe, assez complexe, fut découvert par Sir Willam Crookes, 120 ans plus tôt, alors qu’il cherchait à définir le poids du thallium. Découvert, mais pas expliqué pour autant: il fallut encore attendre quelque années pour qu’Osborne Reynolds le décrive enfin. La force ne provient pas de l’énergie des photons qui frappent les feuilles de mica, mais plutôt du mouvement des quelques rares molécules qui passent des faces noires plus chaudes vers celles, blanches, plus froides.
 
CONSTRUCTION
Le pendule est  suspendu par une lame de ressort, libre de toute influence mécanique. La fréquence d’oscillation du balancier est de 0.5 Hz. L'intérieur du tube est sous vide d'air, avec une dépression d'environ 0.01 bar. (l’horloge ne peut fonctionner sous une pression plus élevée) La première impulsion du balancier se fait grâce à un aimant que l’on pose près du verre. Le réglage fin de la base de temps (hauteur du balancier) est effectué depuis l'extérieur en tournant les 4 masselottes planétaires autour de la sphère du balancier. Ceci évite de devoir laisser entrer de l’air, démonter l'horloge et revider l'air pour chaque réglage. L'horloge se compose donc d'un tube de verre, d'un pendule en invar, de deux cellules, de 16 feuilles de mica dont une face est assombrie par du noir de fumée, de deux relais et d'une mécanique d’horloge à quartz dont le quartz
a été enlevé. C'est tout. L'horloge entière est montée sans vis ni boulons et ne tient que par la seule force de la pression atmosphérique: il suffit de laisser entrer  l'air dans le tube pour pouvoir la démonter.

FAITS
L’effet radiométrique est terriblement dépendant de la qualité du vide et de la puissance lumineuse.  Il peut donc a priori sembler inutile de l’utiliser pour faire mouvoir un pendule car l’isochronisme du balancier serait la première à en souffrir. Mais voilà : cette horloge fut depuis le début conçue pour s’adapter aux circonstances physiques défavorables et compenser d'elle-même tout ce qui pouvait faire fluctuer l'amplitude du balancier. Prenons un exemple: si la puissance des lampes augmente, l'amplitude suivra automatiquement. Le balancier arrivera donc plus rapidement devant la cellule, ce qui enclenche l'ampoule halogène plus tôt, freinant le balancier de quelques millionièmes de secondes pour le repousser ensuite comme d'habitude. C’est ainsi que ce pendule est autocompensé. Les tests montrent que si une des ampoules vient à manquer, l’oscillation du pendule n’en sera pas plus accélérée que de 5 millionièmes de secondes par oscillation.
 
Les problèmes rencontrés lors de la construction de cette horloge furent essentiellement des problèmes de plombier. Car faire du vide est facile, mais le garder l’est beaucoup moins. Des joints fuient, des tuyaux sont poreux… Sur les six mois consacrés à sa fabrication, trois furent perdus à résoudre d’ingrats problèmes d’étanchéité.
 Cette horloge mérite une grande sœur. C’est pourquoi je travaille actuellement sur la construction d’un pendule photonique. Le
balancier ne sera plus alors propulsé que par la force inertielle des photons réfléchissant contre une surface métallique. (principe des voiles solaires)

 
 2) PESTOLINE  (Horloge et pendule de Foucault)
 
 
On a pris l'habitude de voir de grands pendules de Foucault placés dans de hauts bâtiments, et dont le balancier est le plus lourd possible. (jusqu'à 50 mètres de haut et 300 kg ) Ces instruments nous donnent une course qui peut aller jusqu'à 10 secondes. Mais pourquoi ne voit-t-on jamais de petits pendules de Foucault ?
 
LE PRINCIPE
La terre tourne. Un pendule libre d’osciller dans n’importe quel sens et placé au pôle nord mettra 24 heures pour tourner sur lui-même dans le sens horaire. C’est simplement que la terre fit un tour sur elle-même dans le sens antihoraire et que le pendule, lui, n’a pas bougé. Un observateur  quelque part dans une lointaine galaxie placée au-dessus ne le verrait pas tourner du tout. Ce pendule, placé au pôle Sud, met le même temps pour faire un tour complet, mais dans le sens antihoraire. Et enfin ce même
pendule placé sur l’équateur ne tourne plus du tout : son plan d’oscillation reste fixe tel celui d’une horloge. Ainsi, un observateur de cette horloge, placé n’importe où sur la terre, devrait être capable de dire l’heure, la latitude et l’hémisphère où il se trouve. Les pendules courts (moins de 2 mètres) sont rarissimes car ils ne sont pas faciles à fabriquer. Certaines lois de la
physique deviennent si contraignantes en-dessous de cette longueur qu’elles finissent par annuler l’effet de Foucault. Il faut supprimer la précession de l’ellipticité pour qu’un pendule aussi court fonctionne. Ce phénomène fascine les physiciens et son explication ne remplit pas moins de trois pages de formules mathématiques.
 

CONSTRUCTION
Il s’agit ici d’une horloge électromagnétique: une bobine envoie une impulsion répulsive à un aimant placé sous le balancier. Cette même impulsion fait avancer l’aiguille des secondes, qui entraîne celles des minutes et des heures. Elle repousse le balancier quelqu’en soit le sens de l’oscillation. La base de temps est donnée par la longueur du pendule et peut être réglée en vissant la masselotte ou alors en raccourcissant le fil. (opération qui peut être effectuée sans dommage pendant que le balancier oscille) La précession de l’ellipticité est annulée par un anneau de Charron usiné dans un rubis de 3 mm de diamètre intérieur, placé au dixième supérieur du balancier. L’attache du fil est fixée sur une compensation de température bimétallique .
L’ensemble est alimenté par 4 piles de 1.5 volts, qui lui assurent une année de fonctionnement. L’heure peut aussi être lue sur le cadran circulaire situé sous le balancier.

FAITS
Un pendule court qui fonctionne ressemble à un miracle car la force de Coriolis qui fait tourner le pendule est de l’ordre du millionième de Newton. Un rien suffit pour l’annuler. C’est comme une équation à 7 inconnues dont les paramètres seraient les suivants : tensions internes, centrages et niveaux de la suspension, homogénéité magnétique de l’aimant, niveaux de  la bobine, équilibre de l’axe du balancier et centrage de l’anneau de Charron. Qu’un seul de ces paramètres change et le pendule se contentera d’osciller sans tourner. Leurs réglages prend au minimum deux semaines sous nos latitudes. Une fois ces paramètres résolus, le pendule tournera sans plus aucun problème. Il sera étonnamment insensible à l’impulsion de départ, aux courants d’air, au champ magnétique terrestre et autre vibrations de la pièce où il se trouve.

Tout bon horloger devrait s’arracher les cheveux en voyant une telle courbe.  Le  graphique ci-dessus nous révèle que cette horloge avance de 7.8 secondes par jour, ce qui se règle très facilement en descendant le balancier. Mais il montre aussi une chose bien plus importante: une succession de pics, dont chacun indique une révolution du pendule. On y voit aussi des perturbations récurrentes en fond de courbe, qui prouvent que la suspension n’est pas parfaitement isotrope. Toutes ces anomalies reviennent à chaque révolution et leur moyenne est toujours la même. Il n’y a donc pas forcément un choix à faire entre la précision de l'heure ou celle de l'effet de Foucault : ce pendule prouve pour la première fois que les deux pouvaient cohabiter ensemble.
 Le réglage de la base de temps (longueur du pendule) dépend donc intimement de la latitude où se trouve l’horloge, à l’instar du temps de révolution du pendule.  A Sion, il est de 16 heures 33 minutes. Pour régler cette horloge, il faudra donc attendre ce laps de temps (ou n’importe lequel de ses multiples) avant de faire un quelconque réglage de la hauteur de la masselotte. Toute autre tentative sera vouée à l’échec.
 
Ce pendule n’était qu’un prototype mais les essais furent si concluants qu’il fut suivi par quelques autres. Mes recherches actuelles portent sur les influences mutuelles de deux pendules de Foucault d’inégales longueurs et de poids différents suspendus sous le même plafond, grâce aux mouvements induits dans la dalle de béton. Toute la question est de savoir qui influence qui : le lourd, long et lent  pendule  ou celui qui est  court, rapide et léger. Une bouteille de petite arvine sera volontiers offerte à celui qui m’apportera enfin la réponse.

 
 3)    FLORENCE   (Horloge à billes)

LE PRINCIPE
Cette horloge par est mue par la chute d’une bille par heure. La longueur du balancier est réglée à une oscillation par seconde. Une bille tombe chaque heure pleine dans un labyrinthe et pousse ainsi le balancier, lui insufflant assez d’énergie pour osciller encore une heure par sa seule inertie. Il n’y a pas de compensation de température, car les tiges du balancier sont en invar. La remontée de la bille se fait grâce à un petit moteur électrique. Le réglage fin de la longueur du pendule se fait en tournant la petite masselotte placée sous le balancier.

CONSTRUCTION
Cette horloge ne pourrait jamais fonctionner si son châssis était rectangulaire; il doit impérativement être triangulaire pour éviter toute torsion due au balancement du lourd pendule. (un châssis rectangle accuse un centième de millimètre de torsion par oscillation, ce qui annule toute l'inertie du balancier.) L’autre secret réside dans le moment précis où doit tomber la bille, car elle doit impérativement pousser le balancier dans le sens de l’oscillation. En effet, une libération intempestive de cette bille agira comme frein de balancier plutôt que comme moteur.
Le système de remontée de la bille mérite d’être cité, car c’est lui qui fait que cette horloge paraît si cohérente. Un petit moteur tourne un excentrique et soulève ainsi la bille du fond. En montant, celle-ci écarte cinq autres disposées en cercle et pousse ensuite une colonne de 7 billes dont la plus haute va pouvoir redescendre et donner plus d’amplitude au balancier. Ce faisant, les 5 billes circulaires se referment derrière la colonne, l’empêchant ainsi  de pouvoir redescendre.

FAITS
Cette horloge fut à l’époque créée sans aucune prétention de précision mais la surprise fut grande quand j’ai dû constater qu’elle ne fluctuait de pas plus de 4 secondes par mois. Plus intéressant est le diagramme indiquant les variations  temporelles à l’intérieur même de l’heure.  Au début du graphique qui suit, le balancier est trop rapide: il bat à 0.999900 seconde. Il accélère de plus en plus durant dix minutes pour arriver à 0.999827 jusqu'à ce que tombe la bille des heures, ce qui produit le premier pic. Le balancier ralentit brusquement de 300 millionièmes de secondes, puis se met à accélérer en faisant une vague toutes les deux minutes. Ces  vagues onduleront durant une heure entière en s'affaiblissant peu à peu jusqu'à l'arrivée de la bille de l'heure suivante. Le seul moment où le balancier bat  précisément la seconde se situe donc exactement à mi-chemin entre deux heures pleines, à savoir pendant la demi-heure.  (Tout bon horloger voyant ceci devrait perdre maintenant ses derniers cheveux )
 
 
 

CONCLUSION

Une seule chose est certaine:aucune de mes reéations ne peut être traitée de raisonnable.Il n'est pas raisonnable de passer des années à extraire le plus d'énergie possible de la chute d'une bille, de tenter de faire circuler quelques rares molécules autour d'unefeuille de mica ou d'arriver à voir tourner la terre sans lever les yeux vers les étoiles.Faut-il finalement nommer tout cela ? Est-ce de l’art, des expériences scientifiques ou de l’horlogerie ? Je ne  le sais pas. Chacun y a apporté sa propre vision jusqu’à présent et c’était très bien ainsi. Ceux que ces pièces intéressent peuvent les retrouver sur le site www.betrisey.ch. Ils pourront ainsi y  découvrir une quinzaine d’autres encore moins raisonnables, avec tous les détails techniques, anecdotes de construction, diagrammes et vidéos.