Instruments des grandes découvertes

Ce document se compose de deux parties :
- Première partie : un texte d’explications.
- Deuxième partie : des planches qui permettent de
confectionner des instruments, soit en imprimant sur
du papier d’environ 200 grammes, soit en collant les
images sur du carton ou du bois.
Le ciel étoilé fut le premier guide des voyageurs.
Depuis déja très longtemps une étoile, bien que
banale en éclat apparent, devint la plus connue. Le
hasard la situe à peu près dans le prolongement de
l’axe de rotation de la Terre, ce qui fait qu’elle semble
 xe au cours des nuits.
Cette étoile “polaire” est relativement proche
dans l’univers, mais suf samment distante d’un
observateur terrestre. Ce dernier peut alors
considérer que son bras est presque parallèle à l’axe
de la Terre lorsqu’il vise cet astre (vu la distance, la
parallaxe est pratiquement nulle).
Très rapidement les hommes ont constaté que
la polaire n’était pas visible à la même hauteur
apparente suivant le lieu d’observation. Au passage
ils ont vite compris que cela ne se produirait pas si la
terre était plate.
Un personnage situé sur l’équateur doit la voir sur
la ligne de l’horizon (en réalité l’atmosphère et les
obstacles empèchent son observation). S’il voyage
entre l’équateur et le pôle nord, l’étoile lui apparaît
de plus en plus haute au fur et à mesure qu’il se dirige
vers le nord. Arrivé au pôle il l’aperçoit au zénith
juste au dessus de lui.
Au cours de ses animations, le Planétarium Ventoux
- Provence, exploite un croquis animé où le
personnage et son bras exécutent les mouvements
simultanés. Très visuel et ludique, vous le trouverez
en deuxième partie de ce document.
Bien entendu si le personnage franchit l’équateur,
il doit se repérer avec des constellations australes
comme par exemple la Croix du Sud.
En fait, mesurer la hauteur apparente de la polaire
revient à déterminer directement la latitude.
Deux remarques :
1/ Le principe n’est valable avec la polaire que dans
l’hémisphère nord.
2/ L’étoile polaire n’étant pas située exactement dans
l’axe (environ 1° à l’époque actuelle) il faut tenir
compte de sa position réelle relativement au pôle
céleste nord.
Ceci dit, avec des élèves par exemple, c’est le principe
de la mesure qui importe.
En observant des cartes anciennes, il est aisé de
constater une certaine précision dans les latitudes.
Ce qui n’est vraiment pas le cas pour les longitudes.
Les latitudes ont toujours été simples à déterminer
par simple observation de la hauteur polaire.
Pour les longitudes, il fallait déterminer l’heure
locale en deux lieux distants, en se basant sur des
phénomènes célestes observables de ces deux points.
Le problème était ardu et ne commença à être résolu
de manière  able que dans la deuxième moitié du
XVIIIeme siècle avec la possibilité d’emporter une
heure de référence, puis plus tard, par une heure
transmise pratiquement instantanément par radio.
Facile ! à la lati-
tude de 45°
Tiens voilà la polaire,
où suis-je ?
Et moi ?
Sur l’équateur !
Les instruments des grandes découvertes, première partie : 1

Les premiers ‘‘instruments’’ de mesure de la hauteur
de l’étoile polaire furent peut-être tout simplement
les doigts. Avec un peu de pratique, cela permet déja
une évaluation.
L’instrument le plus simple est le Kamal.
Il est constitué d’une plaquette en bois au centre
de laquelle est xée une celle. Cette dernière
comporte un certain nombre de noeuds disposés
pour correspondre à des angles. Il suft de viser une
direction (par exemple l’horizon) par la base de la
plaquette et une deuxième direction (par exemple
l’étoile polaire) par le haut de la plaquette. En tendant
la celle, il faut alors chercher quel est le noeud qui
se situe au plus près de l’oeil. Il faut interpoler à vue
entre des noeuds situés souvent de 5 en 5 degrés.
En 1498, Vasco de Gama arrivant dans l’océan indien
s’attacha les services de navigateurs arabes qui lui
présentèrent un instrument dont la description
correspond bien au kamal.
Il importe de préciser que pendant très longtemps,
les navigateurs ‘‘courraient à la latitude’’. Faute de
pouvoir se er aux longitudes, ils rejoignaient au plus
vite le parallèle correspondant au port d’arrivée et
tentaient de s’y tenir pour atteindre leur objectif. Ils
progressaient ainsi en marches d’escalier sans avoir
la possibilité d’effectuer un trajet direct en diagonale.
Dans ce contexte, il n’est pas sur que le kamal fut
gradué en degrés. Il sufsait qu’un noeud corresponde
par exemple à la hauteur de l’étoile polaire à Bombay
en Inde. Dès la première nuit de navigation au départ
de la côte orientale de l’Afrique, le pilote observait
la hauteur polaire. Si cette dernière, par rapport à
l’indication du kamal était trop basse, cela voulait
dire que le bateau était encore trop au sud. Si au bout
de quelques jours de navigation l’étoile était vue trop
haute, c’est que la position était à présent plus au
nord. Cette méthode permettait ainsi de louvoyer
autour du parallèle d’arrivée. Facile à dire...
L’arbalestrille ou bâton de Jacob.
Le principe est pratiquement le même que celui du
kamal mais l’échelle graduée est à présent une règle
nommée èche et la plaquette une pièce coulissante
nommée marteau. La èche tenue contre l’oeil, il faut
“poser” le bas du marteau sur l’horizon et ajuster (par
coulissement) le haut contre l’étoile polaire. Suivant
la latitude, et donc la hauteur apparente de la polaire,
il faut prendre le marteau approprié. Cet instrument
servait aussi à déterminer l’écart angulaire entre
deux astres.
Le principal inconvénient est la double visée qui
consiste à aligner deux directions angulairement
séparées avec le même oeil. Ce problème ne sera
résolu que plus tard avec le quartier de Davis, le
quadrant d’Adams, l’octant...
Contrairement aux deux instruments suivants,
l’arballestrille était moins sensible aux mouvements
du bateau. L’opérateur pouvait compenser ces
derniers.
Le quadrant.
Son usage est très simple car il suft de viser l’astre
considéré au travers des trous ou fentes pratiquées
sur les deux pinnules perpendiculaires au plan de
l’instrument. Attention : avec le Soleil, mieux vaut
laisser passer un rai de lumière entre les deux trous
pour orienter correctement l’instrument.
Le carré des ombres correspond en fait aux tangentes
et cotangentes et permettait de déterminer la hauteur
d’un édice par son ombre portée ou la distance d’un
repère à partir d’une base connue.
90°
85°
80°
75°
70°
65°
60°
55°
50°
45°
40°
35°
30°
30°-90°
Les instruments des grandes découvertes, première partie : 2

Par le passé, où l’activité humaine s’effectuait
principalement à la lumière solaire, l’unité de temps
était la longueur de la journée. On divisait l’intervalle
entre lever et coucher du Soleil en segments égaux.
Les heures ainsi dé nies variaient au rythme des
saisons. Cette échelle de temps est dite temporaire.
Les heures nocturnes présentaient une variation
annuelle symétrique. Aux équinoxes, les heures
diurnes et nocturnes étaient égales. On les appelait
alors les heures équinoxiales.
Les tracés des heures inégales permettent des
conversions entre les deux systèmes.
Cet instrument présentait un inconvénient majeur
avec l’instabilité du  l à plomb sensible au moindre
mouvement.
L’astrolabe de mer.
Vers la  n du XVeme siècle, les navigateurs
commençaient à s’approcher puis à franchir
l’équateur. Il devint alors impossible d’exploiter
l’étoile polaire trop basse sur l’horizon ou invisible.
L’idée consistait alors à mesurer la hauteur
méridienne du Soleil. Pour cela le pilote suivait la
courbe de ce dernier et gardait la plus grande valeur.
Il était en fait plus pratique de déterminer la distance
zénithale de l’astre. Depuis le XIIIeme siècle, les tables
dites Alphonsines donnaient la déclinaison du Soleil
pour toute date d’observation. Cette déclinaison
directement ajoutée à la distance zénithale donnait
la latitude et évitait un calcul intermédiaire. Avec
ces nouvelles techniques, l’astrolabe de mer était
plus pratique.
Suspendu par son anneau de bélière, l’instrument se
positionne de lui même à la verticale. Il suf t alors,
comme avec le quadrant, d’orienter l’alidade portant
les pinnules en direction de l’astre.
Le quart gauche de la graduation permet de lire une
hauteur apparente au dessus de l’horizon, son quart
droit indique la distance zénithale.
Cet instrument ne doit pas être confondu avec
l’astrolabe planisphèrique dont vous trouverez des
informations dans les deux documents : “astrolabes”
et “pratique de l’astrolabe”.
Le nocturlabe.
L’heure à bord d’un navire est un élément essentiel.
C’est le seul moyen d’approcher le problème des
longitudes.
Cet instrument servait à déterminer l’heure locale
nocturne. Aprés avoir af ché la date, il faut pointer
l’étoile polaire au travers de l’évidement central,
Pinnules
Direction de l’astre
Carré des
ombres
Hauteur apparente
en degrés
Heures inégales
Fil à plomb
1
0
2
0
3
0
4
0
5
0
6
0
7
0
8
0
9
0
1
0
2
0
3
0
4
0
5
0
6
0
7
0
8
0
Les instruments des grandes découvertes, première partie : 3
Grande ourse
Date
Heure
Polaire

puis, tout en maintenant la verticale, aligner l’alidade
sur les deux gardes de la Grande Ourse. L’heure peut
alors être lue, avec toutefois une précision très
relative.
Le Quartier de Davis.
Il est facile d’imaginer l’instabilité du quadrant ou
de l’astrolabe de mer. Le bâton de jacob est plus
pratique car il permet de compenser les mouvements
du bateau. Il est par contre impossible de l’utiliser
avec le Soleil, et surtout, la visée de deux directions
angulairement distantes est un exercice de haute
dextérité. Son utilisation en “back staff” c’est-à-
dire en utilisant l’ombre portée du marteau sur une
plaque  xée à la place de l’oeil, a ouvert la voie à une
nouvelle génération d’instruments.
Le Quartier de Davis résoud le problème de la double
visée. Pour des raisons techniques son échelle est
décomposée en deux. Le petit arc, gradué en valeurs
rondes, permet d’approcher la mesure, tandis que le
grand arc permet de l’af ner. Sans cette disposition
l’instrument aurait été trop grand et donc plus
sensible au vent (les systèmes de graduations à
transversalles de l’époque nécessitaient des limbes de
bonne dimension).
La visée s’effectue en repérant l’horizon entre la
pinnule de coulisse de la grande graduation et un
petit écran situé au centre des deux arcs. La valeur
de la mesure s’obtient lorsque le rai de lumière
solaire qui passe par la pinnule de coulisse de la
petite graduation vient se confondre sur l’écran à
la direction de l’horizon. Il faut alors additionner
la lecture des deux graduations pour obtenir la
distance zénithale du Soleil. Cet instrument permet
uniquement des mesures solaires, mais en lui
tournant le dos il évite tout éblouissement.
Le compas solaire.
Cet objet est plutôt inclassable et tous les historiens ne
sont pas d’accord quand à son éventuelle utilisation
par les Vikings. Sa présence dans ce document est
due à son intérêt pédagogique et au fait qu’il ait été
fabriqué jusque au début des années 1990.
Maintenir l’instrument le plus à l’horizontale
possible. Par rotation, amener le bout de l’ombre
portée du style sur la bonne date. Lorsque le jour
d’observation n’est pas un premier du mois, il faut
interpoller à vue.
Bien entendu le bout de l’ombre est dirigé d’un côté
ou de l’autre suivant que l’observation se fait avant
ou aprés midi. Une fois l’instrument correctement
positionné, le nord et le sud sont directement
indiqués.
Nous venons de passer en revue les principaux
instruments en service à la  n du XVIeme siècle,
voire au-delà pour certains. C’est justement au
début de ce siècle, qu’un astronome nommé Gemma
Frisius proposa pour le problème des longitudes une
méthode dite des distances lunaires.
Lorsque l’on observe le mouvement apparent de
la Lune, on se rend compte qu’elle se déplace (en
moyenne) de la valeur de son diamètre apparent en
une heure.
Les instruments des grandes découvertes, première partie : 4
Pinnule de coulisse
de la grande graduation
Pinnule de coulisse
de la petite graduation
Ecran (centre des deux graduations)
Direction de l’horizon
Janvier
Février
Mars
Avril
Mai
Juin
Juillet
Août
Septembre
Octobre
Novembre
Décembre
N
S
L
a
t
i
t
u
d
e
4
5
°
n
o
r
d
A
p
r
é
s
m
i
d
i
M
a
t
i
n
Style
Ligne de date
Ombre portée
Η
Η + 1
Η + 2

L’idée est de considérer le fond des étoiles comme
le quadrant d’une gigantesque horloge céleste dont
l’aiguille est la Lune.
Il fallait alors établir des tables qui délivrent pour des
dates et heures dénies sur un méridien de référence
les distances angulaires apparentes entre la Lune et
des étoiles repères ou le Soleil.
A bord du bateau, la mesure de ces distances
angulaires s’effectue à un heure locale donnée. La
consultation des tables donne l’heure à laquelle les
mêmes distances angulaires seraient observables sur
le méridien de référence. La différence entre l’heure
locale et celle du méridien de référence donne la
longitude du navire.
Cette méthode très élégante était difcile à mettre
en oeuvre et ne put être opérationelle que vers la
deuxième moitié du XVIIIeme .
La pratique de cette méthode nécessitait des outils
qui permettent de déterminer l’écart angulaire entre
deux astres.
Ainsi une nouvelle génération d’instruments va
voir le jour avec les deux plus connus : l’octant et le
sextant (toujours utilisé soit pour le plaisir soit pour
des raisons de sécurité).
Pour plus de renseignements sur le fonctionnement
et l’utilisation du sextant, vous pouvez vous reporter
au document : “utilisation du sextant”.
Si la méthode des distances lunaires avait la faveur
des astronomes, une autre idée faisait son chemin.
Elle consistait à embarquer son heure de référence.
La balle était dans le camp d’une pleïade d’horlogers
et de physiciens de génie. Ils ne furent pas toujours
reconnus comme tels, mais l’histoire leur a donné
raison. L’étoile de première grandeur est ici John
Harrison avec sa fameuse horloge H4.
En 1772, le capitaine Cook effectue son second
voyage d’exploration du pacifique sud. A bord se
trouve une copie de la fameuse H4. A son retour Cook
est enthousiamé par la précision obtenue. De plus
l’exploitation d’une copie garantissait la pérénisation
de la méthode. Il fallut attendre le milieu du XIXeme
pour que les montres de marine soient fabriquées en
grand nombre.
Le tableau de la page suivante tente de situer les
différents instruments au fil des siècles. Les périodes
d’exploitation sont représentées par une teinte plus
sombre.
Il convient d’être prudent dans l’exploitation car tous
les auteurs ne tombent pas d’accord sur l’origine de
certains instruments.
Si vous désirez de plus amples informations ou des
conseils d’utilisation, vous pouvez nous contacter :
Planétarium Ventoux - Provence
Sur notre site : www.planetarium-provence.com
Par mail : [email protected]
Par téléphone : 06 30 56 23 07
Les instruments des grandes découvertes, première partie : 5
Octant
Sextant