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LE CHRONOLITHE (2001 / 2002) 



Est-ce que la seule force de la lumière pourrait faire bouger un pendule de 4 kilos? Et si oui, est-t-il possible d'en faire une horloge? C'est pour essayer de répondre à cette question que j'ai créé cette horloge si différente de toutes les autres. La fréquence d'oscillation du pendule est de 1 seconde, deux lampes placées de part et d'autre s'allument alternativement, "poussant" ainsi chaque fois le balancier. Le principe de son fonctionnement fut découvert par Sir William Crookes en 1873. Il fait non seulement office de moteur pour le balancier, mais également de frein en régulant ainsi son amplitude dans une fourchette très précise. L'intérieur du tube est sous vide d'air, avec une dépression d'environ 0.01 bar. Le démarrage du balancier se fait grâce à un aimant que l'on pose près du verre. Le réglage fin de la base de temps se fait depuis l'extérieur en tournant les 4 masselottes planétaires autour de la sphère du balancier à l'aide du même aimant. Ceci évite de devoir remplir d'air, démonter l'horloge et revider l'air pour chaque réglage. L'horloge se compose donc d'un tube de verre, d'un pendule, de deux cellules (simples feuilles de mica), de deux relais et d'une 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. Pour la démonter, il suffit de laisser entrer de l'air dans le tube.
 

 

L'idée de cette horloge m'est venue en avril 2001, le matériel fut commandé en mai et le tout premier essai débuta le mercredi 7 novembre. L'instant était crucial: si cet essai prouvait que le système ne pouvait pas marcher, je me retrouvais avec un tube de verre et une grosse pompe à vide sur les bras. Le premier proto? une boule de pétanque suspendue, et un incroyable amas de 30 feuilles de mica (simples isolations de transistors) dont une des face était noircie par de la fumée de bougie. Un capteur fut fixé à l'extérieur du tube de verre, je fis le vide et lançai le pendule vers 16 heures. Comme il faut attendre une bonne heure pour que le balancier se stabilise, je partis boire un verre en attendant les résultats. Quand je revins, le pendule bougeait toujours. Comme je n'étais pas sûr s'il le faisait de sa propre inertie, je suis reparti reboire un verre. A 19 heures, le pendule bougeait toujours et l'amplitude était constante, je suis donc reparti fêter ça. A 22 heures, l'horloge marchait encore, et moi beaucoup moins bien...

Cette horloge consiste en un tube de verre pyrex (diamètre 190 mm, épaisseur de 8 mm) inséré sur un bloc de quartzite imprégné de résine époxy de façon à assurer l'imperméabilité au passage de l'air. La grosse sphère visible sur la photo est le cadran, avec ses aiguilles des heures et secondes. Elle fut ensuite échangée en janvier contre une autre plus petite pour des motifs esthétiques.

Les premiers tests démontrairent une fiabilité incroyable. Autour de 2 secondes de décalage par mois.
 

Vue de pied (hauteur 1.75m) en décembre 2001 

"Il s'agit ici de la septième et définitive version du moteur. Sa mise au point fut lente car il faut chaque fois trois heures au moins avant que le balancier n'aie son amplitude de croisière après l'impulsion initiale. Il fallut d'abord travailler sur le degré de dépression d'air, puis sur la forme du moteur de manière à obtenir le plus de gain possible. ( Il faut bien se rendre compte que l'horloge ne peut pas fonctionner si un demi dé à coudre d'air y pénètre...) Quand cela fut fait, j'ai commencé à pouvoir baisser la puissance des ampoules qui passa de 35 watts à seulement 5 watts. Leur durée de vie devrait ainsi atteindre 32000 heures, soit un peu moins que 4 ans.

Cette horloge est "organique", car elle va s'adapter aux circonstances physiques défavorables pour garder sa précision: elle va compenser d'elle-même tout ce qui pourrait faire fluctuer l'amplitude du balancier. Je m'explique: admettons que la puissance des lampes augmente. L'amplitude suivra automatiquement. Le balancier arrivera donc avec plus de vitesse devant la cellule, ce qui enclenchera l'ampoule halogène plus tôt, ce qui... freinera le balancier quelques millionièmes de secondes, puis le poussera comme d'habitude.

(19 décembre 2001) Ces derniers jours passèrent surtout à peaufiner l'isochronisme du pendule par rapport à la pression de l'intérieur du tube. Mais comme il est fixé à mon établi, chacun de mes mouvements induit des perturbations pouvant aller jusqu'à 150 millionièmes de secondes, ce qui se traduit par des pics sur l'écran de l'ordinateur de mesure. Il est donc devenu impossible de travailler plus longtemps ainsi. Je vais alors le fixer demain contre le mur près de la vitrine, de manière à ce que cette horloge soit le plus stable possible. Et les tests de précision pourront continuer sur une meilleure base...

(30 décembre 2001) Les tests de précision ont commencé. Première constatation: il est très facile de régler la longueur du balancier avec des aimants. Deuxième constatation: l'horloge est extrèmement précise. Pas d'ondulations parasites, ni de fluctuations incompréhensibles. Les variations actuelles de dépression d'air dans le tube induisent des fluctuations de dépassant pas 5 millionièmes de secondes par battement. (ces variations disparaîtront lors du montage définitif du tube qui a actuellement quelques pertes. Je dois enclencher la pompe à vide toutes les 9 heures, faute de quoi l'horloge s'arrête...) Mes petits soucis actuels proviennent de la manière de mesurer à travers le tube qui fait quand même ses 16 mm de verre pyrex. Comme les réflections du rayon laser de mesure provoquent des imprécisions aléatoires, j'ai pris mes mesures directement sur une des lampes. Chaque mesure ainsi prise séparement peut être instable jusqu'à 8 secondes par jours, mais par contre leur moyenne sera très fiable. Sur l'échantillon ci-dessous, pris sur 4.9 heures, nous pouvons admirer la stabilité de l'ensemble des mesures: 1.9 secondes de décalage par mois. Cette mesure a depuis été confirmée par des échantillons de bien plus longue durée. Cette horloge est donc la plus précise de toutes celles que j'ai construites! C'est ainsi que ce qui avait commencé comme un simple challenge (fabriquer un pendule mû par la simple force de la lumière) est devenu une récompense. L'aventure continue...

(échantillon de 4.9 heures. 0.0000007 secondes de retard par battement de balancier. Ce qui signifie 1.9 secondes par mois)

(20 janvier 2002) J'ai reçu une nouvelle pompe à vide et un appareil plus performant pour mesurer et réguler le vide d'air. Ce qui veut dire que l'horloge tournera dans une configuraton optimale vers la fin de cette semaine... Restez en ligne!

(28 janvier 2002) Tous les essais de cette semaine concernaient les tests de fluctuation temporelle en fonction des différentes pressions d'air. Les résultats sont époustouflants. En voici quelques faits.

- La lumière des halogènes fait mouvoir le pendule à partir d'une dépression de 6 X 10 puissance -1 bar.

- Elle continue encore de le faire bouger à 1.4 X 10 puissance - 2 bar. (puissance maxi de ma pompe)

- Aucune différence notable de précision ou fluctuation dans la marche du balancier n'a pu être constatée à l'intérieur de ces deux valeurs!

- Un réglage d'un demi degré des planétaires induit un décalage d'environ 0.0000007 seconde par battement, soit environ 1 seconde par mois.

- Les différences de températures dans l'atelier (une élévation d'environ 4° durant cette semaine) ne semblent pas influencer la marche du balancier. Cela m'étonne beaucoup: elles le devraient. Ce fait est probablement dû à l'autorégulation interne de l'isochronisme, mais c'est encore à confirmer.

(29 janvier 2001) Stupeur ce matin: alors que les graphiques de précision étaient toujours plats, voilà que je découvre...

des pics réguliers et incompréhensibles, qui ont débuté 12 heures auparavant, et qui apparaissent toutes les 2 minutes. Le balancier se met à accélérer pour arriver a 1.99500 secondes, puis rejoint lentement sa valeur normale. Le temps total de chaque perturbation est de 22 secondes. Ce problème fut vite résolu: c'était simplement que la base de l'horloge avait bougé durant la nuit, et que le balancier touchait la paroi de verre chaque 2 minutes. Je l'ai donc remis à sa place et tout est revenu dans l'ordre.Mais le graphique ainsi obtenu révèle quelque chose de bien plus important: la constance de la "pression" sur le balancier. Si les pics avaient étés disposés de manière plus anarchique, cela aurait signifié que cette "pression" n'était pas constante et donc source d'imprécisions. Ce qui n'est pas le cas.

(3 février 2002) Les tests des deux semaines prochaines concerneront la précision en fonction de la température, de la lumière et du niveau de dépression. Voici à quoi ressemble le pauvre chronolithe dans sa salle de torture. La pierre à été démontée, le cadran est enlevé et plein de capteurs et lasers enregistrent tous les paramètres...

(8 mars 2002) Les travaux avancent et le Chronolithe a enfin trouvé sa forme définitive. La voici sous différents éclairages. Si vous désirez obtenir une meilleure image, quoique plus longue à télécharger (308 Ko), cliquez sur la photo correspondante

(24 mars 2002) Parlons maintenant des défauts de cette horloge, car ils sont autrement plus intéressants et instructifs que ses qualités. Que se passe-t-il donc par exemple si une ampoule s'éteint? Et quel est l'effet de l'usure des lampes sur l'amplitude du balancier? L'effet radiométriqe dépendant fortement de la puissance de la lumière, le balancier devrait tout de suite ralentir. Mais l'horloge se corrige elle-même fortement. L'image ci-dessous le montre précisément. Jusqu'au milieu de l'image ci-dessous, une des ampoules est masquée, ce qui signifie 25% de puissance en moins. Après, j'enlève le masque. On voit alors la courbe s'élever de 5 millionièmes de secondes environ par battement, soit moins de 0.5 seconde par jour. Il sera donc très facile de compenser une éventuelle dérive temporelle en modifiant la tension aux bornes des lampes. Ce qui aura le même effet que tourner les masselottes, mais sans devoir arrêter le pendule.

Cette échantillon fut pris avec une tension aux lampes de 7.3 volts, avec un vide de 2.7 X 10 puissance -1 millibars. C'est un laser qui mesure les passages du balancier à travers le tube en verre. Nous pouvons voir des fluctuations aléatoires entre chaque échantillon pouvant aller jusqu'à 20 millionièmes de secondes. Il est très important de savoir d'où elles proviennent. Elles ne sont pas dues à des différences de puissance de l'effet radiométrique, comme on pourrait le penser de prime abord. Non: elles sont dues à la manière dont le Chronolithe fut conçu à l'origine. Car les cellules qui enregistrent le passage du balancier sont des cellules infrarouge dont le rayon est reflété par un catadioptre posé sur le balancier. Et elles ne sont pas précises du tout. Si je pose mon appareil de mesure directement sur les sorties des cellules, voici ce que j'obtiens le réglant à la même échelle...

Nous voyons ici comme un générateur de nombres aléatoires compris entre 1.999300 et 2.000700 en train de faire mouvoir une horloge pourtant très précise. Nous voyons aussi trés clairement quelles seront les corrections qui seront apportées sur la prochaine. Il suffit de remplacer les détecteurs infrarouges par d'autres laser. L'esthétique du Chronolithe en souffrirait si je lui en dotait. C'est bien ce qui fut le plus difficile tout le long de sa construction. Il aurait été tellement plus facile de prendre un tube plus grand, d'éliminer cette pierre, d'éviter tous ces problèmes d'étanchéité...mais non: le Chronolithe est maintenant tel que je l'avais voulu, cohérent, fini et comme jailli d'un trait.

Si vous voulez savoir exactement ce qui se passe au millionième de seconde dans le coeur du Chronolithe durant presque deux jours à raison d'une mesure toutes les dix secondes et si vous avez le logiciel MicroSet, vous pouvez cliquer ici

Ceux qui s'intéressent aux expériences originales de Crookes (en anglais) peuvent les découvrir en cliquant ici et encore ici


Et si vous êtes curieux de connaître un problème de physique non résolu à ce jour que le Chronolithe à soulevé, cliquez ici. (cette page en anglais et n'intéressera que les scientifiques)



Le balancier

(21 avril 2002) Le Chronolithe est toujours en test. Ces jours-ci, je le laisse tout doucement mourir d'asphyxie en y laissant pénétrer de l'air, pendant que l'ordinateur de contrôle enregistre tous les paramètres. Il arrive encore à pousser le balancier à une pression de 8.5 X 10 puissance-1 millibars. Parmi les autres tests en cours, on peut noter des temps d'exposition en plein soleil pour évaluer sa faculté d'autocompensation. Ou bien les tests inertiels et ceux de gain du moteur...Ces tests devraient durer encore un mois, le temps d'acquérir le plus de connaissances possible, puis l'horloge sera exposée quelque temps au musée international d'horlogerie de La Chaux de Fonds.

(1 juillet 2002) Le Chronolithe a remporté le premier prix du concours international de la Kinetic Art Organisation (Miami) dans la catégorie "Engineering Ingenuity".

(23 septembre 2002) Le Chronolithe se trouve installé à l'entrée du Musée International d'Horlogerie de La-Chaux-de-Fonds.

© Isabelle Favre
 
 


© Karine Denoual et Raphael Fiorina

 

Le radiomètre de Crookes

Tout le monde a déjà vu un de ces petits appareils que l'on trouve chez les opticiens. C'est une ampoule de verre dans lequel se trouve un moulin fait de 4 feuilles de mica, dont l'axe est posé sur la pointe d'une aiguille. Il tourne dès qu'on le présente à une source de lumière. Ils sont très simples, mais leur fonctionnement ne l'est pas du tout. Beaucoup de gens pensent que la lumière agit comme l'eau sur les pales d'un moulin, et que les rayons poussent les palettes. Ce raisonnement avait été tenu par James Maxell lui-même, heureux de voir là une démonstration de l'effet de la pression de rayonnement que prévoyait sa théorie de l'électromagnétisme. Mais voilà: si sa théorie était juste, le moulin aurait dû tourner... à l'envers. L'explication était erronée, et Maxell s'en est longtemps mordu les doigts.

D'autres gens pensent que la chaleur de la lumière chauffe le gaz situé en face des faces noires des palettes, et que sa dilatation exerce une pression sur elles, les faisant ainsi tourner, C'est la fausse explication la plus répandue, que l'on trouve même encore aujourd'hui sur l'encyclopédie Britanica. Maxell, rendu circonspect par sa première plantée, démontra l'erreur de cette théorie sans pour autant pouvoir expliquer pourquoi les palettes tournaient.

La solution correcte ne fut démontrée qu'en 1879 par Osborne Reynolds, mieux connu pour son "nombre de Reynolds". Il a découvert que la pression mécanique ne se faisait pas sur la face des palettes, mais uniquement sur leurs bords. Il appela ce phénomène thermonucléaire la "perspiration thermique", due à l'écoulement du gaz plus froid vers le côté le plus chaud.

"Le Matin"
Télévision Suisse romande
"le Nouvelliste"
"Horological Science Newsletter"
"Orologi"
"Horological Time" (American watchmakers clockmakers Institute) Mai 2003
PORTFOLIO: Le Chronolithe vu par Karine Denoual

Video clip