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horlogerie

(de horloger)

Chaîne cinématique d'une montre
Chaîne cinématique d'une montre

Technique de la fabrication ou de la réparation des horloges, des pendules, des montres.

Introduction

Pour mesurer le temps, il faut d'abord choisir un phénomène uniforme et périodique bien défini, celui-ci étant soit naturel, soit produit par un montage mécanique ou électrique. Il faut aussi que l'utilisateur puisse fixer lui-même le début et la fin d'une mesure, c'est-à-dire déterminer sa durée. Deux passages consécutifs du Soleil au zénith, l'écoulement jusqu'à épuisement d'un fluide contenu dans un récipient percé, l'aller et retour d'un pendule, la vibration d'un quartz, l'oscillation d'un champ magnétique induit, dans une horloge atomique, par une transition électronique, tous ces phénomènes ont été utilisés pour mesurer le temps. Une fois le choix fait, la deuxième étape consiste à entretenir le phénomène, ce qui suppose généralement l'intervention d'une source d'énergie et d'un mécanisme qui en contrôle le débit. Il faut ensuite compter ses réitérations et rendre l'information accessible à l'utilisateur sous forme visible ou audible. Tout ce processus n'a de sens que si l'on dispose d'un étalon de temps indépendant auquel on puisse comparer le résultat.

Actuellement, plusieurs systèmes cohabitent, chacun ayant sa spécificité et un usage bien défini. Avec son passé prestigieux, l'horlogerie mécanique traditionnelle reste un produit largement répandu. Le quartz, remarquablement bon marché et fiable, a submergé la planète en moins de dix ans. Les étalons atomiques sont essentiellement des instruments de laboratoire qui donnent la seconde avec une précision bien supérieure à celle des observatoires astronomiques, faisant du temps la grandeur physique la mieux mesurée.

L'horlogerie mécanique

L'horlogerie mécanique a 700 ans, l'horlogerie moderne, seulement 300 ans. De la plus minuscule montre à l'horloge de cathédrale, l'organisation est sensiblement la même. On trouve successivement, dans le sens où s'écoule l'énergie, les éléments suivants : – une source d'énergie, poids suspendu ou ressort enroulé, ou, d'apparition plus récente, moteur électrique ;– l'ensemble couplé de l'échappement et du régulateur ;– les rouages, dont le rôle est d'assurer une démultiplication appropriée du mouvement issu de l'échappement ;– enfin, l'affichage, soit sonore par un ensemble de timbres ou de cloches, soit visuel par des aiguilles sur un cadran.

L'histoire de l'horlogerie est indissociable de celle de l'échappement. Le rôle de celui-ci est de canaliser le flux d'énergie que délivre le poids qui tombe ou le ressort bandé qui se déroule, d'en contrôler le débit de façon à le rendre régulier. C'est une sorte de robinet qui s'ouvre et se ferme périodiquement, pour fournir à chaque ouverture une petite quantité d'énergie, toujours la même, qui agit sur les rouages et fait avancer les aiguilles. La régularité de cette alternance d'ouvertures et de fermetures est assurée par le régulateur, étroitement associé au mécanisme d'échappement. Outre cette fonction, l'échappement assure aussi l'apport d'énergie nécessaire à l'entretien du mouvement du régulateur.

Depuis l'invention du grand physicien néerlandais Christiaan Huygens au xviie s., le régulateur est soit un pendule, soit un balancier à ressort spiral. Le pendule est formé d'une masse accrochée à l'extrémité d'une tige, l'ensemble pouvant osciller autour d'un axe ; il équipe les horloges murales, les pendules de cheminée, mais aussi les grandes horloges astronomiques qui, à la fin du xixe s., atteignaient la précision remarquable de 10−8, soit 1/1 000 de seconde par jour. Le balancier spiral est une roue qui tourne autour de son axe en comprimant ou détendant un ressort spiral. Le mouvement peut se faire quelle que soit la position de la roue, d'où l'utilisation de ce système dans les montres et les chronomètres de marine.

Le régulateur est la pièce maîtresse de toute horloge, puisque c'est de lui que dépend la précision de l'instrument. C'est lui qui impose le rythme, qui décompose le temps en intervalles égaux, à partir desquels se fera la mesure du temps. L'obtention de cette égalité du rythme quelles que soient les conditions extérieures (température, force du ressort, résistance des rouages, mouvement global de l'instrument, etc.) a constitué la grande entreprise de l'horlogerie.

Le quartz

Dans une horlogerie à quartz, celui-ci joue le rôle de régulateur : par effet piézo-électrique, il délivre un courant électrique alternatif très stable qui, après transformation, peut déclencher l'avancement de rouages et d'aiguilles, ou activer un affichage numérique. En vingt ans, les progrès techniques sur les composants et l'abaissement des coûts de fabrication ont permis au quartz de remplacer l'ancienne horlogerie, mais aussi de faire de la mesure du temps un produit de grande consommation.

La minuscule lamelle de quartz constitue un oscillateur mécanique, qui doit vibrer comme le fait un diapason. La fréquence de sa vibration dépend strictement de sa forme et de ses dimensions, donc de sa découpe. La fréquence la plus couramment utilisée est de 215 = 32 768 hertz ; la lamelle est souvent taillée suivant une forme qui rappelle celle d'un diapason. Les deux faces sont métallisées et l'ensemble est enfermé dans un petit cylindre métallique qui protège électriquement, mécaniquement et chimiquement le fragile oscillateur.

Pour vibrer, le cristal de quartz doit être soumis à un champ électrique oscillant engendré par un circuit électronique. La vibration mécanique de la lamelle fait apparaître entre ses faces un signal électrique de même fréquence (effet piézo-électrique) qui stabilise l'oscillateur électronique, en le forçant à vibrer à la fréquence du quartz. Ainsi, l'oscillateur externe fournit l'énergie nécessaire à l'oscillation du quartz, et ce dernier, en retour, stabilise la fréquence de l'oscillateur à la valeur désirée. Cette fréquence est ensuite amenée par une suite de divisions (ou de multiplications) à la valeur souhaitable pour l'utilisation, par exemple un hertz, dans la plupart des montres à aiguilles. Toutes les fonctions électroniques sont accomplies à l'intérieur d'une puce au silicium, qui joue le rôle de l'échappement de l'horloge mécanique.

Les montres à quartz ont popularisé l'affichage numérique à cristaux liquides. Celui-ci repose sur les propriétés optiques de certaines substances organiques capables de former en solution des cristaux liquides dans lesquels les molécules s'orientent spontanément les unes par rapport aux autres. Cette orientation mutuelle est susceptible de changer sous l'influence d'un champ électrique. Les propriétés optiques changent en même temps et une mince couche initialement transparente peut ainsi devenir opaque et apparaître en sombre sur un fond clair. Le champ électrique est fourni par l'électronique de la montre. L'énergie consommée pour cet affichage est pratiquement négligeable, ce qui permet de faire marcher les montres pendant plusieurs années avec la même pile.

L'atome

Les horloges mécaniques de précision, chères et peu transportables, ne peuvent constituer des étalons primaires de temps. Il a fallu trouver un oscillateur dont la fréquence ne dépende ni de sa construction ni de ses conditions de fonctionnement. Grâce aux connaissances acquises en physique des atomes et du rayonnement, les physiciens ont proposé comme étalon une transition atomique, reproductible indéfiniment, identique, puisque sa période ne dépend que de l'atome choisi et non de conditions extérieures.

Il fallait trouver une transition qui réunisse un certain nombre de conditions : indépendance par rapport au champ magnétique, fréquence située dans un domaine accessible à la mesure, atome suffisamment répandu. Le candidat retenu pour définir l'étalon international de temps est l'isotope 133 de l'élément césium. La seconde est définie depuis 1967 comme la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de son état fondamental. Il existe des étalons secondaires utilisant d'autres transitions atomiques ou moléculaires.

Une horloge atomique est une horloge à quartz dans laquelle le quartz est lui-même piloté par un autre régulateur. La fréquence de celui-ci est extrêmement précise et parfaitement définie. Le « pendule » de ce régulateur est, par exemple, l'isotope 133 du césium.

Les électrons sont répartis autour du noyau atomique en niveaux d'énergie précis. Pour changer de niveau, ils doivent gagner ou perdre une énergie égale à la différence entre niveaux de départ et d'arrivée. À ce gain ou à cette perte peut correspondre l'absorption ou l'émission d'un photon, quantum d'énergie associé à une onde électromagnétique : lumière visible, rayons X, onde radio. Dans une horloge atomique, il s'agit d'une onde radio dont le photon a une fréquence bien définie : transitant entre deux niveaux hyperfins de l'atome de césium, l'électron absorbe ou émet un photon dont l'énergie est égale à la différence de ces niveaux.

Le générateur de photons de l'horloge atomique est un synthétiseur d'ondes radio commandé par un régulateur à quartz. Il agit sur de la vapeur de césium 133, obtenue en chauffant dans un vide très poussé du césium métallique. Ces photons ont une fréquence aussi proche que possible de celle qu'absorbent les électrons du césium. Après absorption d'un photon, l'atome de césium passe au niveau hyperfin supérieur. Ses propriétés magnétiques en sont changées et, lorsqu'il traverse le champ d'un aimant, il est dévié dans une direction différente de celle des autres atomes. Le champ magnétique fait donc le tri entre les atomes situés sur chacun des deux niveaux d'énergie. Un détecteur reçoit les atomes d'une seule espèce. Un asservissement ajuste la fréquence de l'émetteur de radio, de telle sorte que le courant d'atomes reçus soit maximal. À ce moment, l'oscillateur vibre, rigoureusement à l'unisson des atomes, avec une extraordinaire précision. Une horloge à césium de fabrication industrielle courante définit la seconde avec une précision d'un millionième de millionième de seconde. Les horloges à césium utilisées pour définir l'étalon international de temps ont une précision encore cent fois supérieure.

La diffusion du temps

Que ce soit pour les transactions boursières, les déplacements aériens ou les observations astronomiques, le même temps est actuellement utilisé sur toute la surface du globe. L'aiguille des heures varie d'un point à l'autre, mais celle des minutes est strictement assujettie à suivre l'heure de Greenwich, le temps universel (T.U.). Les heures des différents fuseaux horaires sont, en général, décalées d'un nombre entier d'heures par rapport à ce temps universel, mais les secondes coïncident à un milliardième de seconde près, ce qui permet en principe de définir l'instant d'un événement quelconque de façon rigoureuse en n'importe quel point du globe.

Pour rendre ce temps universel accessible à tous, il a fallu installer des réseaux de diffusion du temps qui utilisent le plus rapide et le plus mobile des messagers, l'onde hertzienne. En plus de la diffusion des tops sonores horaires familiers, certains émetteurs à grande portée (c'est le cas de France-Inter ondes longues) utilisent l'onde porteuse de leurs émissions normales pour diffuser un message codé nécessitant un décodeur spécifique. Ce message donne, chaque minute, une information horaire et calendaire complète, fondée sur le temps universel avec une précision de l'ordre du millionième de seconde, qui est très largement suffisante pour la plupart des utilisateurs.

À partir de la définition atomique de la seconde, il est apparu nécessaire de construire un réseau mondial d'élaboration et de diffusion du temps atomique international (T.A.I.), formé en 1989 de 160 horloges atomiques à travers le monde. La définition du T.A.I. repose sur la comparaison de ces horloges, opération qui exige l'échange des signaux entre les différents laboratoires qui les surveillent. Les meilleurs résultats sont obtenus en utilisant comme messagers des faisceaux laser réfléchis sur des satellites géostationnaires. La précision qui en résulte, et qui limite celle du T.A.I., est de l'ordre du milliardième de seconde. Il paraît indispensable de travailler à l'amélioration de cette précision.