Construire une horloge mécanique

Abstract

L’horloge mécanique est une machine qui mesure le temps en utilisant un mécanisme régulier (l’échappement) actionné par une source d’énergie (un poids ou un ressort). Construire une horloge, c’est maîtriser la précision mécanique. C’est la machine la plus complexe de l’ère pré-industrielle et le point de départ de toute mécanique de précision.

Qu’est-ce que c’est

Une horloge mécanique est un dispositif qui divise le temps en unités égales et affiche ces unités sur un cadran. Contrairement au cadran solaire (qui dépend du soleil) ou à la clepsydre (qui dépend d’un débit d’eau), l’horloge mécanique fonctionne nuit et jour, par tout temps, sans intervention continue.

Les composants principaux sont :

• Le moteur : un poids qui tombe (actionné par la gravité) ou un ressort enroulé (énergie élastique). C’est la source d’énergie.
• Le rouage : une série de roues dentées (engrenages) qui transmettent le mouvement du moteur aux aiguilles.
• L’échappement : le régulateur. C’est le mécanisme qui libère l’énergie du moteur par petits pas réguliers. Sans échappement, le poids tombe d’un coup et les aiguilles tournent à toute vitesse.
• L’oscillateur : un balancier (tige avec un poids) ou un foliot (barre transversale) qui bat un rythme régulier. C’est le cœur qui donne le tempo.
• Le cadran : une face avec des marquages pour les heures, et des aiguilles qui tournent.

Pourquoi c’est important

L’horloge mécanique est le premier mécanisme de précision. Avant l’horloge, le temps est approximatif (« la troisième heure après le lever du soleil »). Avec l’horloge, le temps est précis et partagé. Une communauté peut coordonner ses activités. Les moines peuvent prier aux heures exactes. Les marchands peuvent se rencontrer à l’heure. Les navigateurs peuvent déterminer leur longitude.

L’horloge est aussi le premier appareil qui transforme un mouvement continu en un mouvement discret et compté. C’est le principe du calcul mécanique (voir Créer un ordinateur mécanique).

Étapes détaillées

Étape 1 — Comprendre le principe de l’échappement

L’échappement est la clé de toute horloge. Sans lui, le poids ou le ressort libère son énergie d’un seul coup. L’échappement retient le rouage, le libère d’une dent, le retient, le libère, etc. Chaque libération avance le rouage d’une dent. Le rythme de libération est donné par l’oscillateur.

L’échappement le plus simple est l’échappement à foliot (ou échappement verge) :

• Une roue dentée (la roue d’échappement) est actionnée par le poids.
• Un axe vertical (la verge) porte deux palettes (palettes en fer). Les palettes alternent devant et derrière la roue.
• Quand la roue tourne, une dent pousse une palette, ce qui fait tourner la verge.
• La verge est reliée à une barre horizontale (le foliot) avec un poids à chaque extrémité.
• L’inertie du foliot régule la vitesse de rotation de la verge.
• Quand une palette est poussée hors du chemin, l’autre palette se présente devant la roue et bloque la dent suivante.
• Le cycle se répète : tic, toc, tic, toc.

Étape 2 — Fabriquer le moteur (poids moteur)

1. Le tambour : tourner ou tailler un cylindre en bois dur de 10 cm de diamètre et 15 cm de long. Le tambour porte la corde du poids.
2. L’axe du tambour : un axe en fer de 8 mm de diamètre traverse le tambour. Les extrémités de l’axe tournent dans des trous percés dans le cadre en bois.
3. La corde : enrouler une corde (voir Fabriquer des cordages) ou un fil de fer autour du tambour. L’extrémité libre porte un poids en pierre ou en fer de 2 à 5 kg.
4. Le poids : quand le poids descend, il fait tourner le tambour. Le tambour entraîne le premier engrenage du rouage.
5. Remonter le poids : une manivelle sur l’axe du tambour permet de remonter le poids chaque jour. Un cliquet (mécanisme anti-retour) empêche le tambour de tourner en sens inverse pendant le remontage.

Étape 3 — Fabriquer les engrenages (le rouage)

Voir Fabriquer des engrenages pour les techniques de base.

1. Roue de centre : la première roue, solidaire du tambour. En laiton si possible (plus régulier que le fer). 60 dents. Un tour par heure. Cette roue porte l’aiguille des minutes.
2. Roue intermédiaire : 8 dents (pignon) sur l’axe de la roue de centre, engrenant une roue de 64 dents. Le rapport 8/64 = 1/8. La roue intermédiaire tourne 8 fois plus lentement.
3. Roue d’heures : sur le même axe que la roue intermédiaire de 64 dents, un pignon de 8 dents engrenant une roue de 60 dents. Rapport total : 1/8 x 8/60 = 1/60. La roue d’heures tourne 60 fois plus lentement que la roue de centre. Un tour de la roue d’heures = 12 heures.
4. Roue d’échappement : sur l’axe suivant, une roue de 15 à 30 dents. C’est la roue qui est régulée par l’échappement.

Les engrenages doivent être précis. Chaque dent doit avoir la même taille et le même espacement. Les dents irrégulières font avancer l’horloge par à-coups et faussent le temps.

Étape 4 — Fabriquer l’échappement à foliot

1. La roue d’échappement : une roue de laiton ou de fer de 15 à 30 dents. Les dents sont pointues et inclinées dans le sens de rotation. Diamètre : 8 à 12 cm.
2. La verge : un axe vertical en fer de 4 mm de diamètre, long de 15 cm. Deux palettes en fer de 2 cm de long sont fixées à angle droit sur la verge, séparées de la distance du diamètre de la roue.
3. Le foliot : une barre horizontale en fer ou en bois dur, de 40 cm de long, fixée au sommet de la verge. Deux poids coulissants (en plomb ou en fer) sont ajustés sur les branches du foliot.
4. Le réglage : en éloignant les poids du centre du foliot, l’oscillation est plus lente (l’horloge retarde). En les rapprochant du centre, l’oscillation est plus rapide (l’horloge avance). C’est le réglage fin de la vitesse.

Étape 5 — Fabriquer le cadran et les aiguilles

1. Le cadran : un disque de bois, de pierre plate ou de métal (voir Fabriquer du verre pour un cadran en verre) de 20 à 30 cm de diamètre. Diviser le cercle en 12 parties égales pour les heures. Marquer chaque heure par une encoche, un trait ou un chiffre gravé.
2. L’aiguille des heures : une tige de fer ou de laiton fixée sur l’axe de la roue d’heures. Longueur : 60 pour cent du rayon du cadran.
3. L’aiguille des minutes (optionnel) : fixée sur l’axe de la roue de centre. Longueur : 90 pour cent du rayon. Tourne 12 fois plus vite que l’aiguille des heures.
4. L’axe du cadran : les deux aiguilles tournent sur le même axe central. Des tubes concentriques (un tube extérieur pour les minutes, un axe intérieur pour les heures) permettent cette rotation indépendante.

Étape 6 — Assembler l’horloge

1. Le cadre : construire un cadre en bois dur en forme de tour ou de boîte. Le cadre supporte tous les axes, le tambour et le cadran. Le bois doit être stable (pas de retrait) : chêne sec ou hêtre.
2. Monter le rouage : installer chaque roue et chaque pignon sur son axe. Vérifier que les engrenages tournent librement sans gripper. Lubrifier les axes avec de l’huile (huile de lin, huile animale).
3. Installer l’échappement : monter la verge et le foliot. Vérifier que les palettes alternent correctement et que chaque dent de la roue d’échappement est libérée puis bloquée.
4. Accrocher le poids : suspendre le poids au tambour. L’horloge doit commencer à battre : tic, toc, tic, toc.
5. Installer le cadran : fixer le cadran sur le devant du cadre. Aligner les aiguilles.

Étape 7 — Régler l’horloge

1. Réglage grossier : ajuster la position des poids sur le foliot. Éloigner = ralentir. Rapprocher = accélérer.
2. Réglage fin : comparer l’horloge avec le soleil ou une clepsydre sur 24 heures. Noter l’avance ou le retard. Ajuster les poids du foliot d’un demi-centimètre et tester à nouveau.
3. Itérer : le réglage prend plusieurs jours. Chaque ajustement est testé sur 24 heures. Une bonne horloge à foliot est précise à 15 minutes par jour. C’est suffisant pour la coordination communautaire.
4. Régularité : la précision dépend de la constance du frottement. Lubrifier les axes régulièrement. Le frottement varie avec la température et l’humidité.

Variations et améliorations

Le balancier (pendule) à la place du foliot

L’invention du pendule (Galilée, 1580, appliqué par Huygens, 1656) améliore la précision de 15 minutes par jour à 15 secondes par jour. Le pendule remplace le foliot par une masse suspendue à une tige qui oscille. La période du pendule dépend uniquement de sa longueur, pas de la force motrice.

1. Fixer un poids (lentille de plomb ou de laiton) au bout d’une tige de laiton de 1 m.
2. La tige est suspendue par un fil mince ou une lame de ressort.
3. Le pendule fait un aller-retour en 2 secondes (longueur de 1 m). Chaque oscillation avance la roue d’une ou deux dents.
4. Régler la longueur de la tige ajuste la vitesse. Allonger = ralentir. Raccourcir = accélérer.
5. Le pendule est couplé à l’échappement par un mécanisme d’ancre (échappement à ancre) plus précis que l’échappement à verge.

Le ressort moteur à la place du poids

Un ressort spiral en fer ou en laiton enroulé remplace le poids. L’avantage : l’horloge est portable (montre de poche). L’inconvénient : la force du ressort diminue au fil du temps, ce qui modifie la vitesse. Un mécanisme appelé fusée (cône à gorge en spirale) compense cette diminution.

Pour fabriquer un ressort spiral :

1. Prendre un fil d’acier de 1 mm d’épaisseur et de 2 à 3 m de long.
2. L’enrouler autour d’un mandrin cylindrique en laissant un espace constant entre les spires.
3. Le chauffer au rouge et le tremper (voir Produire de l’acier) pour durcir le ressort.
4. Le recuire légèrement (bleu de chauffe) pour lui donner de l’élasticité.

Pièges et erreurs courantes

• Engrenages qui grippent : les dents mal taillées ou les axes tordus font gripper le rouage. Chaque roue doit tourner librement. Lubrifier les pivots avec de l’huile.
• Horloge qui s’arrête : le poids est insuffisant ou le frottement est trop grand. Augmenter le poids ou réduire les frottements (lubrifier, ajuster les axes).
• Horloge qui avance ou retarde : le foliot ou le pendule est mal réglé. Ajuster les poids ou la longueur.
• Dents usées : les dents en fer s’usent avec le temps. Le laiton est plus durable. Remplacer les dents usées.
• Bois qui travaille : le cadre en bois se déforme avec l’humidité. Cela déplace les axes et modifie les engrenages. Utiliser du bois très sec et peindre ou huiler le cadre pour le protéger.
• Poids trop lourd : un poids excessif force les engrenages et accélère l’usure. Le poids juste nécessaire pour faire tourner le rouage est le bon.
• Oscillation irrégulière : le foliot est sensible aux variations de force motrice. Le pendule est beaucoup plus régulier car sa période ne dépend pas de la force motrice.

Une fois que vous savez faire ça, vous pouvez débloquer

• Créer un ordinateur mécanique — les engrenages et les échappements sont la base du calcul mécanique
• Coordination communautaire par l’heure exacte
• Navigation maritime précise (avec une horloge marine)
• Fabriquer des engrenages — la précision horlogère améliore tous les engrenages

Notes

• La première horloge mécanique européenne connue date de environ 1300. Elle n’avait pas de cadran : elle sonnait les heures sur une cloche (voir Fabriquer une cloche en bronze).
• L’horloge à foliot est précise à environ 15 minutes par jour. L’horloge à pendule est précise à 15 secondes par jour. L’horloge moderne au quartz est précise à 1 seconde par jour.
• Le mot « horloge » vient du grec « horologion » qui signifie « ce qui dit l’heure ».
• L’horloge mécanique a été la première machine à feedback : l’échappement est un système de régulation qui compare le mouvement réel au mouvement désiré et corrige en continu.
• Les horlogers étaient les ingénieurs de l’ère pré-industrielle. Tout ce qui requérait de la précision mécanique passait par eux.