Comment fonctionnent les montres et horloges à quartz ?

Vous ne croyez peut-être pas à l’astrologie, mais il ne fait aucun doute que les planètes régissent nos vies. Nous nous levons lorsque le soleil se lève (ou quelque temps après) et nous nous couchons lorsqu’il se couche. Nous avons un calendrier basé sur les jours, les mois et les années – des périodes de temps qui dépendent de la façon dont la Lune et la Terre se déplacent autour du Soleil dans le ciel. Pendant la plus grande partie de l’histoire, les gens ont trouvé ce type de « chronométrage astronomique » suffisant pour répondre à leurs besoins. Mais à mesure que le monde devenait de plus en plus frénétique et sophistiqué, les gens devaient tenir compte des heures, des minutes et des secondes, ainsi que des jours, des mois et des années. Il nous fallait donc des moyens précis de garder le temps. Les horloges à balancier et les montres mécaniques étaient autrefois le meilleur moyen de le faire.

Aujourd’hui, de nombreuses personnes utilisent des horloges et des montres à quartz, mais de quoi s’agit-il et comment fonctionnent-elles ?

Nous savons tous qu’une horloge donne l’heure, mais avez-vous déjà réfléchi à la manière dont elle le fait ? L’horloge la plus simple que vous puissiez fabriquer est probablement une horloge parlante. Si vous comptez les secondes en répétant une phrase qui prend exactement une seconde à dire (comme « éléphant un », « éléphant deux », « éléphant trois »…), vous découvrirez que vous pouvez garder le temps assez précisément. Essayez-le. Dites vos éléphants de 1 à 60 et voyez comment vous gardez le temps sur une minute, comparé à votre montre.

Lisez aussi : Comment fonctionnent une pendule ou une horloge à balancier ?

Pas mal, non ?

Le problème est que la plupart d’entre nous ont mieux à faire toute la journée que de dire « éléphant ». C’est pourquoi les gens ont inventé les horloges. Certaines des premières horloges utilisaient des pendules pour donner l’heure. Un pendule est une longue tige ou un poids accroché à une corde qui se balance d’avant en arrière. En 1583, le physicien italien Galileo Galilei (1564-1642) a découvert qu’un pendule d’une certaine longueur mettait toujours le même temps à se balancer d’avant en arrière, quel que soit son poids ou l’ampleur de son mouvement. Il a compris cela en observant une énorme lampe qui se balançait sur une chaîne depuis le plafond de la cathédrale de Pise, en Italie, et en utilisant son pouls pour chronométrer son mouvement de va-et-vient. Dans une horloge, le rôle du pendule est de réguler la vitesse des engrenages (des roues engrenées dont les bords sont dentelés). Les engrenages comptent le nombre de secondes qui passent et les convertissent en minutes et en heures, affichées sur les aiguilles qui balaient le cadran de l’horloge. En d’autres termes, les engrenages d’une horloge à balancier ne font que compter les éléphants.

[ggiesshortcode]

Vous pouvez fabriquer une horloge à pendule en attachant un poids à un morceau de ficelle. Si la ficelle mesure environ 25 cm de long, le pendule se balancera d’avant en arrière environ une fois par seconde. Les cordes plus courtes se balanceront plus vite et les cordes plus longues plus lentement. Le problème avec une horloge de ce type, c’est que le pendule ne cesse de s’arrêter. La résistance de l’air et les frottements épuiseront bientôt son énergie et le feront s’arrêter. C’est pourquoi les horloges à pendule sont équipées de ressorts. Une fois par jour environ, vous enroulez un ressort à l’intérieur de l’horloge pour emmagasiner l’énergie potentielle qui permettra au pendule de continuer à bouger pendant les 24 heures suivantes. Lorsque le ressort se déroule, il alimente les engrenages de l’horloge. Grâce à un mécanisme de balancier appelé échappement, le pendule force les engrenages à tourner à un rythme précis – c’est ainsi que les engrenages donnent l’heure. Une montre de poche est évidemment trop petite pour contenir un pendule, elle utilise donc un mécanisme différent. Au lieu d’un pendule, elle possède un balancier qui tourne d’abord dans un sens puis dans l’autre, contrôlé par un échappement beaucoup plus petit que celui d’une horloge à pendule.

Approfondissez vos connaissances en comprenant le fonctionnement d’une horloge atomique.

Le problème avec les horloges à pendule et les montres ordinaires, c’est qu’il faut sans cesse penser à les remonter. Si vous oubliez, elles s’arrêtent et vous n’avez aucune idée de l’heure qu’il est. Une autre difficulté avec les horloges à pendule est qu’elles dépendent de la force de gravité, qui varie très légèrement d’un endroit à l’autre ; cela signifie qu’une horloge à pendule donne l’heure différemment en haute altitude et au niveau de la mer ! Les pendules changent également de longueur en fonction des variations de température, se dilatant légèrement par temps chaud et se contractant par temps froid, ce qui les rend à nouveau moins précises.

Les montres à quartz résolvent tous ces problèmes. Elles sont alimentées par une pile et, comme elles consomment très peu d’électricité, la pile peut souvent durer plusieurs années avant que vous ne deviez la remplacer. Elles sont également beaucoup plus précises que les horloges à pendule. Les montres à quartz fonctionnent d’une manière très différente des horloges à pendule et des montres ordinaires. Elles ont toujours des engrenages à l’intérieur pour compter les secondes, les minutes et les heures et faire balayer les aiguilles autour du cadran. Mais les engrenages sont réglés par un minuscule cristal de quartz au lieu d’un pendule ou d’un balancier en mouvement. La gravité n’intervient pas du tout dans ce fonctionnement, de sorte qu’une horloge à quartz donne l’heure aussi bien lorsque vous escaladez le mont Everest que lorsque vous êtes en mer.

Lisez aussi : Comment réparer une horloge murale à quartz qui ne fonctionne pas ?

Le quartz semble exotique – avec un « q » et un « z », c’est un mot idéal pour jouer au Scrabble – mais c’est en fait l’un des minéraux les plus courants sur Terre. Il est fabriqué à partir d’un composé chimique appelé dioxyde de silicium (le silicium est également la substance à partir de laquelle les puces informatiques sont fabriquées), et vous pouvez le trouver dans le sable et dans la plupart des types de roches. L’aspect le plus intéressant du quartz est peut-être son caractère piézoélectrique. Cela signifie que si vous pressez un cristal de quartz, il génère une petite tension électrique.

L’inverse est par ailleurs vrai : si vous appliquez une tension à un morceau de quartz, il vibre à une fréquence précise (il tremble un nombre exact de fois par seconde).

Dans une horloge ou une montre à quartz, la pile envoie de l’électricité au cristal de quartz par le biais d’un circuit électronique. Le cristal de quartz oscille (vibre d’avant en arrière) à une fréquence précise : exactement 32768 fois par seconde. Le circuit compte le nombre de vibrations et les utilise pour générer des impulsions électriques régulières, une par seconde. Ces impulsions peuvent soit alimenter un écran LCD (indiquant l’heure numériquement), soit entraîner un petit moteur électrique (un minuscule moteur pas à pas, en fait), qui fait tourner les roues dentées qui font tourner les aiguilles des secondes, des minutes et des heures de l’horloge. 

Si le quartz est si étonnant, vous vous demandez peut-être pourquoi une montre à quartz ne garde pas l’heure avec une précision absolue pour toujours. Pourquoi gagne-t-elle ou perd-elle des secondes ici et là ? La réponse est que le quartz vibre à une fréquence légèrement différente selon la température et la pression, de sorte que sa capacité de chronométrage est affectée dans une faible mesure par le réchauffement, le refroidissement et le changement constant du monde qui nous entoure. En théorie, si vous gardez une montre au poignet en permanence (à une température plus ou moins constante), elle gardera mieux l’heure que si vous l’enlevez et la remettez (ce qui entraîne un changement de température assez spectaculaire à chaque fois). Mais même si le cristal de quartz pouvait vibrer à une fréquence parfaitement constante, la façon dont il est monté dans son circuit, les minuscules imperfections de l’engrenage, les frottements, etc. peuvent également introduire d’infimes erreurs dans le chronométrage. Tous ces effets suffisent à introduire une inexactitude pouvant aller jusqu’à une seconde par jour dans les horloges et montres à quartz typiques (n’oubliez pas qu’une seconde perdue un jour peut être compensée par une seconde gagnée le lendemain, de sorte que la précision globale peut être de quelques secondes par mois).