horloge.

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horloge. n.f., instrument de mesure du temps. Les horloges les plus utilisées aujourd'hui
sont mécaniques, à quartz ou atomiques.

Le fonctionnement de l'horloge mécanique.
Les organes essentiels d'une horloge sont le moteur, le rouage, l'échappement, le
régulateur, le cadran et les aiguilles.
La force motrice peut être produite par la chute d'un poids suspendu à une corde ou à
une chaîne enroulée sur un tambour mobile autour de son axe ; par un ressort en acier
enroulé sur lui-même dans un barillet ; par un petit moteur électrique.
Le rouage est un système de roues et de pignons dentés qui démultiplie et transmet,
par l'intermédiaire de l'échappement, le mouvement au régulateur, puis aux aiguilles
indicatrices.
L'échappement décompose le mouvement en parties égales. Son rôle est de canaliser
le flux d'énergie que délivre le poids qui tombe ou le ressort bandé qui se déroule et d'en
contrôler le débit de façon à le rendre régulier. C'est une sorte de vanne qui s'ouvre et se
ferme régulièrement, laissant à chaque ouverture une petite bouffée d'énergie, toujours la
même, entraîner les rouages pour faire avancer les aiguilles. La régularité de cette suite
d'ouvertures et de fermetures est assurée par le régulateur, étroitement associé au
mécanisme d'échappement. Outre sa fonction de vanne, l'échappement assure l'entretien
du mouvement du régulateur.
Le régulateur est en général un pendule oscillant, dont les oscillations sont isochrones
lorsqu'elles sont de petite amplitude, ou un balancier, petit volant solidaire d'une des
extrémités d'un ressort spiral dont l'autre extrémité est attachée à un point fixe. Ce
ressort agit sur le volant comme la pesanteur sur un pendule ; les oscillations du système
peuvent être considérées comme isochrones. Au-delà du système régulateuréchappement, le train de rouage démultiplie le mouvement de la roue d'échappement
jusqu'aux valeurs nécessaires pour l'entraînement des différentes aiguilles.

Le fonctionnement de l'horloge à quartz.
L'horloge à quartz n'est, dans son principe, pas fondamentalement différente de la pendule
ou de la montre à balancier spiral. On y retrouve la même chaîne d'éléments : une source
d'énergie, un oscillateur-régulateur, un échappement, un train de rouage et un affichage,
mais l'énergie est électrique et non mécanique ; elle est donc transportée à travers cette
chaîne par des conducteurs électriques et non des engrenages.
Tel un instrument de musique, un cristal de quartz peut entrer en vibration et il vibre
d'autant plus vite qu'il est plus petit : sa fréquence de vibration ne dépend que de sa forme
et de ses dimensions, on peut donc faire des quartz vibrant à n'importe quelle fréquence, il
suffit de bien les tailler. Les quartz sont des oscillateurs très peu amortis et leur fréquence
de vibration est donc extrêmement bien définie.
Le quartz possède la propriété de piézoélectricité, découverte par Pierre et Paul Curie :
toute contrainte mécanique engendre dans le cristal un champ électrique. Réciproquement,
l'application d'un champ électrique entraîne une déformation du quartz. Un quartz qui vibre
est donc le siège d'un champ électrique qui oscille à la même fréquence que le cristal. Si
l'on place un quartz entre deux plaques métalliques reliées à un générateur d'oscillations
électriques, le quartz ressent un champ électrique oscillant et se met à vibrer à la
fréquence du champ électrique. Il ne vibre vraiment que si la fréquence électrique est la
même que sa propre fréquence de vibration ; mais alors, il entre en résonance, et cette
résonance est si intense qu'elle force littéralement le générateur électrique à osciller
comme elle. On dit que l'oscillation du quartz « pilote « celle du circuit électrique. À partir de
là, la montre est quasiment construite ; il ne reste plus qu'à diviser la fréquence très élevée
engendrée par le système couplé quartz-oscillateur électrique un nombre de fois suffisant
pour arriver à la fréquence intéressante pour des montres, c'est-à-dire un coup par
seconde. Les seules divisions que sache faire vite et bien l'électronique sont les divisions
par deux. Il faut donc que la fréquence du quartz, divisée suffisamment de fois par deux,
donne une oscillation par seconde ; c'est pourquoi la plupart des montres ont des quartz
vibrant à 32 768 Hz, nombre qui, divisé quinze fois par deux, donne 1. Une fois cette
fréquence d'un coup par seconde obtenue, il ne reste plus qu'à l'utiliser, soit pour
commander un affichage numérique (cristaux liquides), soit pour entraîner des aiguilles. Le
choix de cette fréquence de 32 768 Hz, qui n'a rien de fatidique, est un compromis qui
optimise les dimensions et les faisabilités des trois éléments de base, l'oscillateur électrique,
le quartz et le diviseur de fréquence. Il existe d'ailleurs des montres fonctionnant sur
d'autres fréquences.

L'horloge atomique.
C'est une horloge à quartz dans laquelle le quartz est lui-même piloté par un autre
régulateur dont la fréquence est extrêmement précise et bien définie. Le « pendule « de ce
régulateur est par exemple l'isotope 133 du césium. Les électrons qui gravitent autour d'un
atome sont enfermés dans des orbites extrêmement bien définies, avec une énergie aussi
bien définie, mais ils ont le choix entre plusieurs orbites. Ils peuvent en changer à condition
d'échanger avec l'extérieur un photon, petit grain d'énergie porté par une onde, qui peut
être une onde radio, de la lumière, des rayons X ou d'autres encore. Tout comme les
vibrations du quartz, ce photon a une fréquence bien définie, ne dépendant que de la
quantité d'énergie qu'il véhicule. Suivant qu'il monte ou qu'il descend l'échelle des énergies à
l'intérieur de l'atome, l'électron absorbe ou émet un photon dont l'énergie est exactement
égale à la hauteur de l'échelon, laquelle est extrêmement bien définie. L'absorption n'a lieu
que si l'on fournit des photons à la bonne énergie.
Dans une horloge atomique, un régulateur à quartz commande un générateur de
photons, c'est-à-dire un émetteur d'ondes radio qui arrose de ses ondes 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 que sont prêts à absorber les
électrons du césium. Après avoir absorbé un photon, l'atome de césium n'est plus tout à
fait semblable ; en particulier, ses propriétés magnétiques ont changé et, lorsqu'il traverse
le champ d'un aimant, il est dévié dans une direction autre que celle des atomes qui n'ont
rien absorbé. Un récepteur situé en face de l'émetteur mesure la quantité d'atomes qui
n'ont pas été modifiés et corrige la fréquence des photons de l'émetteur pour avoir le
maximum d'absorption. Ainsi la fréquence de l'émetteur est pilotée par les électrons du
césium avec une précision extraordinaire. La stabilité d'une horloge à césium est telle
qu'elle permet de définir la seconde avec une précision d'un millionième de millionième de
seconde.
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Les corrélats
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horlogerie
Huygens Christiaan
isochronisme
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techniques (histoire des) - La Renaissance et l'âge classique
temps - La notion physique - Savoir l'heure - Introduction
temps - La notion physique - Savoir l'heure - Quartz et césium
temps - La notion physique - Savoir l'heure - Une précision de plus en plus grande
Les livres
clepsydre, page 1141, volume 2
horloge - horloge de la gare de Lyon, page 2407, volume 5
horloge - pendule de cheminée, page 2407, volume 5
horloge de Giovanni Dondi, page 2407, volume 5
horloge mondiale, page 2407, volume 5
Prague - l'horloge astronomique, page 4090, volume 8
temps - horloge anglaise du XVIIe siècle, page 5118, volume 9
temps - horloge à eau tirée du Traité des arts mécaniques, d'Al Jazari (1206),
page 5120, volume 9
temps - horloge astronomique (1827), page 5120, volume 9
temps - l'horloge de la cathédrale de Florence, page 5120, volume 9
temps - Penn Station, une gare de New York, dans les années quarante, page 5121,
volume 9
temps - l'horloge florale d'après Linné, page 5122, volume 9