Histoire de la chronométrie mécanique

Dès sa fondation en 1924, la mission de la Société Suisse de Chronométrie est la diffusion du savoir horloger. Vu son appellation, elle a un intérêt particulier pour la chronométrie que l’on peut définir comme la mesure précise du temps. Cette mesure du temps a ses sources dans l'observation du ciel et nos unités de temps, le jour, l'année, reflètent cette origine. Les garde-temps ont été conçus pour constituer une référence autonome. L'exemple le plus ancien est la clepsydre1 dont l'apothéose est la grande horloge conçue en Chine par Su Song (1020-1101). La grande avancée suivante est l'horloge mécanique basée sur l'échappement, où l'énergie est libérée de manière intermittente par le biais d'un régulateur, son appellation venant du fait que les dents d'engrenage « s'échappent » une à une. Cette invention a discrétisé le temps et introduit le tic-tac dans la mesure du temps. Du point de vue conceptuel, les garde-temps mécaniques suivent le schéma énergétique suivant :  ENERGIE ? Transmission ? Echappement ? Oscillateur.

La décharge énergétique d'un ressort armé ou d'un poids moteur est rythmée par un régulateur qui constitue la base de temps. L'échappement sert d'interface entre la transmission mécanique de la montre et sa base de temps.  Jusqu'au 17e siècle, le régulateur était un foliot, où le couple fourni par la source d'énergie accélère angulairement le foliot, un levier supportant deux masses, de manière alternée en utilisant un échappement à roue de rencontre. Etant donné que la durée nécessaire pour faire parcourir un angle donné à un volant d'inertie accéléré par un couple dépend directement de la valeur de ce couple, la vitesse de ces horloges et montres dépend directement du couple du ressort ou poids moteur. Lorsqu’il varie, le couple moteur affecte significativement la précision chronométrique, elle dépassait à l’époque du foliot difficilement le 1% (15 minutes par jour).

La grande avancée faite au 17e siècle fut l'introduction d'un régulateur ayant son propre temps. Mathématiquement, un oscillateur est caractérisé par une équation qui exprime le fait que la force de rappel est proportionnelle au déplacement. Les principaux exemples sont le pendule et le ressort, où les forces de rappel sont respectivement la gravité et l'élasticité.  Par les méthodes standards du calcul infinitésimal, on obtient la solution de l'équation. Il est remarquable que la fréquence soit entièrement indépendante de l'amplitude. Cette propriété, nommée isochronisme, rend la mesure du temps indépendante des fluctuations de la source d'énergie qui l'alimente. Ceci explique notre affirmation qu'un oscillateur possède son temps propre.

Le principe d'isochronisme a été découvert par Galilée et mis en œuvre par Christiaan Huygens, d'abord avec le pendule en 1656 pour les horloges et ensuite avec le balancier-spiral en 1654 pour les montres. L'utilisation d'un réel oscillateur a tout de suite amélioré la précision chronométrique de deux ordres de grandeur, l'amenant à 15 secondes par jour. On peut ainsi parler de la conquête du temps puisque les garde-temps sont devenus plus précis que le Soleil qui peut avoir une avance ou un retard diurne de l’ordre de 30 secondes par jour par rapport au temps civil. Le résultat fut une révolution sociale, puisque le temps n'était plus dépendant des phénomènes naturels, mais basé sur une référence artificielle : l'horloge.

Il est notoire que l’établissement d’une théorie du temps – l'équation de l'oscillateur, ainsi que les mathématiques requises pour en trouver la solution – a été nécessaire à cette avancée. C'est ainsi que l'horlogerie est devenue une science. Les apprentis horlogers suisses se sont par voie de conséquence trouvés obligés d'étudier la théorie d'horlogerie.

L'invention de l'échappement libre.

L'oscillateur doit être entretenu et ses oscillations doivent être comptées. Ces deux tâches sont accomplies par l'échappement qui fait office d'interface avec la montre. Si le 17e siècle fut à l'origine des oscillateurs, le 18e siècle fut quant à lui celui de l'invention des échappements les plus utilisés par la suite. La recherche la plus intense a porté sur les chronomètres de marine, la quête de la longitude étant l'un des plus grands problèmes scientifiques et pratiques de cette époque. L'échappement à détente inventé et perfectionné par Leroy, Arnold et Earnshaw, a démontré sa supériorité. Cet échappement est un exemple d'échappement libre, où l'oscillateur ne subit que très peu de perturbations par l'échappement, l'avantage étant que l'équation de l'oscillateur est plus fidèlement respectée, donc que la régularité de la base de temps est améliorée.

En ce qui concerne les montres bracelet, l'échappement à détente n'est pas utilisable tel quel en raison de sa sensibilité aux chocs, et l'échappement ayant le plus fait ses preuves est l'échappement à ancre inventé par Thomas Mudge en 1769, surtout par l'introduction du tirage au début du 19e siècle par Richard Pendleton (1780-1808) et perfectionné vers 1830 par George Leschot (1800-1884), ce qui le rendit beaucoup moins sensible aux chocs. La version aboutie est l'échappement à ancre suisse utilisé pour pratiquement toutes les montres bracelet mécaniques.

Avancées incrémentales.

Dans son traité définitif sur le chronomètre de marine, Rupert Gould a fait la remarque que l'instrument de 1920 ne diffère conceptuellement pas de celui de 1800, malgré des performances beaucoup plus élevées, et il écrit : « That the difference is not more apparent at first sight is due to the fact that it resides chiefly in small and apparently not very important details ». En effet, la performance chronométrique de l’ordre de 0,001% requise en horlogerie est telle que les phénomènes de deuxième ordre doivent être pris en compte. Arriver à cette précision nécessite une attention particulière aux détails techniques. C’est dans ces derniers et non dans des avancées conceptuelles qu’a résidé l’amélioration des performances horlogères réalisée depuis 1800. Ainsi la chronométrie est une science du détail et sa progression est surtout incrémentale.

La remarque de Gould s’applique aussi à la montre de 2014 qui est conceptuellement similaire à celle de 1800, bien que grandement améliorée sur tous les plans techniques. Citons par exemple les avancées des matériaux tels que l'Invar de Charles-Edouard Guillaume pour la stabilité thermique et le silicium pour la précision de fabrication et l'élimination de la lubrification, ainsi que de nouveaux échappements très intéressants tels que l'échappement coaxial d'Omega et l'échappement Constant de Girard-Perregaux.

L'oscillateur doit être entretenu et ses oscillations doivent être comptées. Ces deux tâches sont accomplies par l'échappement qui fait office d'interface avec la montre. Si le 17e siècle fut à l'origine des oscillateurs, le 18e siècle fut quant à lui celui de l'invention des échappements les plus utilisés par la suite. La recherche la plus intense a porté sur la quête de la longitude, l'un des plus grands problèmes scientifiques et pratiques de cette époque, puisque celle-ci peut être déterminée par un chronomètre de marine. Le terme “chronomètre”, c’est-à-dire, un garde-temps dont l’objet principal est la mesure précise du temps, date de 1714, année où le fameux Longitude Prize fut proposé par le parlement anglais.

L'échappement à détente inventé et perfectionné par Leroy, Arnold et Earnshaw, a démontré sa supériorité. Cet échappement est un exemple d'échappement libre, où l'oscillateur ne subit que très peu de perturbations par l'échappement, l'avantage étant que l'équation de l'oscillateur est plus fidèlement respectée, donc que la régularité de la base de temps est améliorée.

Malgré ces importantes avancées technologiques, force est de constater aujourd’hui un ralentissement des progrès de la montre mécanique en termes de performances horlogères. Ce ralentissement est selon nous imputable notamment à la problématique des deux facteurs limitatifs fondamentaux pour la performance que sont le facteur de qualité de l'oscillateur et le rendement de l'échappement : le premier ne dépasse pas 3008 pour les balanciers-spiraux actuels et le second ne dépasse pas les 40%, une valeur faible comparée à la plupart des transmissions mécaniques classiques.

Ainsi, il semble aujourd'hui que seule une avancée conceptuelle puisse permettre de dépasser significativement les limites actuelles de la montre mécanique.

Source : Actes de la Journée d’études 2014, EPFL

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