Les instruments de mesure du temps

Travaux Personnels Encadrés des première S (2008-2009)
Les instruments de
mesure du temps
Encadrement: VEROT Emmanuel (Mathématiques) et ALARD Christian (Physique)

Introduction:
Introduction:
Quels sont les moyens utilisés par l'Homme au cours de son histoire pour mesurer le temps?
Quels sont les principaux instruments inventés à cette fin?
Afin de répondre à ces questions, nous allons étudier onze instruments créés dans ce but au cours
des siècles, la limite d'un instrument amenant la création d'un autre, forçant les hommes à redoubler
d'inventivité pour en améliorer la précision en se servant des phénomènes physiques mis à leurs
dispositions. Nous détaillerons également quelques questions techniques que nous nous sommes
posées quant à l'utilisation, la confection, ou les propriétés de ces instruments de mesure.
Sommaire:
Sommaire:
●
●Instruments basés sur le mouvement des planètes:
Instruments basés sur le mouvement des planètes:
○
○Le gnomon
Le gnomon -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- p 1 p 1
○
○Le cadran solaire
Le cadran solaire -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- p 2 p 2
○
○L'astrolabe
L'astrolabe -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- p 3 p 3
●
●Instruments basés sur l'écoulement:
Instruments basés sur l'écoulement:
○
○La clepsydre
La clepsydre -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- p 5 p 5
○
○L'horloge à eau
L'horloge à eau -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- p 7 p 7
○
○Le sablier
Le sablier -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- p 8 p 8
●
●Instruments basés sur la combustion:
Instruments basés sur la combustion:
○
○La bougie graduée
La bougie graduée -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- p 9 p 9
○
○L'horloge de Candil
L'horloge de Candil -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- p 10 p 10
●
●Instruments basés sur un phénomène périodique:
Instruments basés sur un phénomène périodique:
○
○L'horloge à foliot
L'horloge à foliot -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- p 11 p 11
○La montre à quartz
La montre à quartz -------------------------------------------------- p 12
○L'horloge atomique
L'horloge atomique -------------------------------------------------- p 13

Le gnomon
Le gnomon : :
Historique: Connu depuis l'antiquité, le gnomon peut être considéré
comme le premier instrument de mesure du temps, l'homme debout peut
d'ailleurs lui-même s'apparenter à un gnomon.
Principe: Le gnomon est l'ancêtre du cadran solaire. Il consiste en un
baton planté droit dans le sol dont la longueur et la direction de l'ombre
vont nous donner une approximation de l'heure de jour. Ainsi, lorsque le
soleil est au zénith, l'ombre sera très petite, il sera aux alentours de midi.
Avantages: Le gnomon est très facile à mettre en oeuvre, un bout de
bois dont la hauteur est connue planté dans le sol, un peu de soleil, et
bien sûr de l'observation suffisent pour se faire une idée de l'heure dans la journée.
Inconvénients: Cette méthode de mesure du temps est peu précise, elle permet seulement de se
situer dans une journée. Elle a également un gros inconvénient... Il faut qu'il fasse jour et que le
temps soit clair!
Petite question technique: Quelle heure est-t-il lorsque qu'une personne située à l'équateur voit la
longueur de son ombre égale à sa propre taille?
Réponse: A l'équateur, le soleil décrit un demi-cercle au dessus de l'observateur, passant juste au
dessus de sa tête à midi. En considérant que le soleil se situe à l'infini, les rayons de ce dernier
arrivent parallèles sur la Terre. Si la longueur de l'ombre de l'observateur égale sa propre taille on
obtient schématiquement ceci:
La taille de la personne est notée
T
, la longueur de l'ombre
L
et l'angle que fait le soleil avec la
verticale
. Vu que
L=T
, on a alors
tan =L
T=1
et donc
=45°
.
Il y a ensuite deux cas de figure:
-Si la longueur de l'ombre ensuite diminue, c'est que le soleil est en train de se lever, il est « 1 quart
de jour, c'est à dire 9h en heure solaire!
-Si la longueur de l'ombre ensuite s'agrandit, c'est que le soleil est en train de se coucher, il est « 3
quarts de jour, c'est à dire 15h en heure solaire!
1
1

Le cadran solaire
Le cadran solaire
Historique: Le premier cadran solaire connu est égyptien et date
de 1500 avant Jésus-Christ mais il est probable que son
invention remonte à des temps plus anciens.
Principe: C'est avec le cadran solaire que l'on voit apparaître la
division du temps telle qu'on la connait aujourd'hui. L'heure
étant déterminée là aussi de jour grâce aux mouvements de la
Terre par rapport au soleil, les cadrans solaires sont dotés de
douze graduations séparée chacune de 15°, le 0 correspondant à
midi. L'objet produisant l'ombre est une tige métallique appelée
style qui, contrairement au gnomon, est positionnée parallèle au
sol.
Avantages: La graduation en 12ème permet une plus grande précision de l'heure. Les matériaux
utilisés pour la fabrication d'un cadran solaire restent rudimentaires.
Inconvénients: Le cadran doit être orienté selon le méridien local, plein sud, ce qui pose un
problème puisqu'il est en général tributaire de l'orientation du mur sur lequel ils est disposé. Il
faudra alors jouer sur l'inclinaison latérale du style pour qu'il épouse le bon méridien. De plus la
durée des journées étant variable tout au long de l'année suivant où l'on se trouve (présence
d'équinoxes et de solstices), les heures seront plus ou moins longues entraînant un décalage de
l'heure suivant le moment de la lecture.
Tout comme le gnomon, ce type d'instrument nécessite qu'il fasse jour et que le temps soit clair.
Petite question technique: Pourquoi les cadrans solaires que l'on trouve en France voient leur style
très incliné vers le bas?
Réponse: L'axe de rotation de la Terre n'est pas perpendiculaire à sa trajectoire elliptique autour du
soleil, ce qui a pour conséquence de faire varier la durée des jours et des nuits tout au long de
l'année. Ainsi, pour que l'angle de l'ombre du style soit indépendant de la saison, il faut que ce
dernier soit perpendiculaire à l'axe de rotation de la Terre, c'est à dire parallèle à l'équateur. La
France se situant à une latitude moyenne de 45° on obtient le schéma suivant pour que ces
conditions soient remplies:
Ramené à notre référentiel d'observateur terrestre, pour que le cadran solaire soit efficace, il faudra
donc que le style soit incliné de 45° vers le bas par rapport à l'horizon (ou de 45° vers le haut par
rapport à la verticale). C'est dans ces conditions que l'ombre du style décrira un demi arc de cercle
tout au long de l'année.
2
2

L'astrolabe:
L'astrolabe:
Historique: On attribue l'invention de l'astrolabe au Grec
Hipparque qui est considéré comme le plus grand astronome de
l'antiquité. L'apparition de cet instrument remonte donc à 150 ans
avant Jésus-Chris.
Principe: L'astrolabe est un instrument de mesure complexe
composé de « la mère », dont le limbe est gradué de face en heure et
de dos en degré. Sur la face de « la mère » est fixé « le tympan » sur
lequel sont gravés les cercles d'altitudes par projection
stéréographique (cette projection dépendra de la latitude à laquelle
se trouve l'observateur). Une pièce mobile, appelée « l'araignée »,
qui représente les corps celestes les plus brillants d'un point de vu
géocentrique par projection stéréographique, recouvre le tympan.
Enfin une pièce mobile autour de l'axe de l'astrolabe, nommée « l'alidade », permet d'effectuer les
visées. Il suffit donc de tenir l'astrolabe à la verticale est de mesurer l'angle entre un corps celeste (le
soleil ou une autre étoile) et l'horizon, puis de régler l'araignée pour que le corps celeste
corresponde avec l'angle observé et enfin lire l'heure sur le limbe de l'astrolabe.
Avantages: Contrairement aux cadrans solaires, l'astrolabe peut donner l'heure même la nuit, même
si ce n'est pas sa vocation première, à condition bien sûr de l'éclairer.
Inconvénients: Tout comme les autres instruments basés sur le mouvement des planètes, il ne peut
être utilisé que par temps clair. De plus, l'astrolabe est un instrument complexe à réaliser,
nécessitant une double projection plane sur une de ses faces. Il est surtout utilisé pour des mesures
astronomiques (prévision de phénomène, orientation) qui dépassent l'objet de ce TPE.
3
3