Comment fonctionnent une pendule ou une horloge à balancier ?

Tic-tac, tic-tac, c’est le son qui nous vient à l’esprit lorsque nous pensons aux horloges, même si la grande majorité des garde-temps modernes ne font pratiquement aucun bruit. Il n’y a pas si longtemps, pratiquement toutes les horloges et montres faisaient un tic-tac parce qu’elles étaient entièrement mécaniques et non électriques ou électroniques. Au lieu d’être alimentée par une pile, l’horloge était remontée à l’aide d’une clé et une longue tige oscillante, appelée pendule, veillait à ce que les engrenages tournent à l’heure. Comment ces horloges à pendule d’antan fonctionnaient-elles réellement ? Voyons cela de plus près !

Un pendule est une tige suspendue verticalement à son extrémité supérieure (ou un poids appelé bob suspendu à une corde) qui oscille d’un côté à l’autre sous l’effet de la force de gravité. Comme l’a découvert le scientifique italien Galileo Galilei (1564-1642), la particularité du pendule est qu’il lui faut toujours le même temps pour effectuer un mouvement complet. En théorie, la seule chose qui affecte la vitesse de balancement d’un pendule est sa longueur et la force de gravité.

Lisez notre article : « Comment fonctionne le mécanisme d’une horloge ?« 

Un pendule fonctionne en convertissant l’énergie d’avant en arrière, un peu comme un tour de montagnes russes. Lorsque la bobine est au plus haut (la plus éloignée du sol), elle possède un maximum d’énergie stockée (énergie potentielle). Lorsqu’il accélère vers son point le plus bas (son point médian, le plus proche du sol), cette énergie potentielle est convertie en énergie cinétique (énergie du mouvement), puis, lorsque le fléau remonte, en énergie potentielle. Ainsi, lorsque la bobine se balance (oscille) d’avant en arrière, elle passe de façon répétée de l’énergie potentielle à l’énergie cinétique. Un objet qui fonctionne de cette manière s’appelle un oscillateur harmonique et son mouvement est un exemple de mouvement harmonique simple, bien que nous n’abordions pas ces questions ici.

S’il n’y avait pas de friction ou de traînée (résistance de l’air), un pendule continuerait à bouger indéfiniment. En réalité, à chaque oscillation, les frottements et la résistance volent un peu plus d’énergie au pendule, qui s’arrête progressivement. Mais même s’il ralentit, il garde le rythme. Il ne monte pas aussi haut, mais il couvre la distance plus courte plus lentement, de sorte qu’il lui faut exactement le même temps pour se balancer. Cette capacité pratique (techniquement appelée isochronisme, qui signifie simplement « temps égal ») est ce qui rend le pendule si utile pour mesurer le temps.

Galilée a tout de suite compris et, bien qu’il n’ait jamais réussi à construire une horloge à pendule complète, il n’en était pas loin (voici un modèle de l’horloge à pendule qu’il concevait en 1642, juste avant sa mort) ; c’est un autre brillant scientifique, le Néerlandais Christiaan Huygens (1629-1695), qui a terminé le travail dans les années 1650. (En savoir plus sur Huygens et ses horloges et voir une photo de la première horloge à pendule de Huygens de 1656).

Supposons que vous vouliez construire une horloge à partir de rien, de la manière la plus simple possible et avec le moins de pièces possible. Vous pourriez commencer par un cadran et quelques aiguilles que vous déplaceriez sur le cadran avec votre doigt, en comptant les secondes pour vous-même et en déplaçant les aiguilles en conséquence. Vous déplacez l’aiguille des secondes une fois par seconde, l’aiguille des minutes une fois toutes les 60 secondes et l’aiguille des heures une fois toutes les 60 minutes (3600 secondes). Quelle horloge ! Cela va vite devenir fastidieux, alors pourquoi ne pas automatiser les choses ? Vous pourriez monter les aiguilles sur un petit axe entraîné par ce que nous appellerons des « engrenages de chronométrage », de sorte que la trotteuse fasse automatiquement tourner l’aiguille des minutes à 1/60 de sa vitesse, et que l’aiguille des minutes fasse de même pour l’aiguille des heures à 1/60 de sa vitesse. Il ne vous reste plus qu’à compter les secondes, à tourner la trotteuse, et le reste du travail est fait pour vous.

Mais, attendez, c’est encore assez fastidieux. Ce dont nous avons vraiment besoin, c’est d’un moyen d’alimenter les aiguilles automatiquement. Vous pourriez enrouler un morceau de ficelle autour de l’axe et y attacher un poids. Lorsque le poids tombe, il tire sur l’axe, fait tourner la trotteuse et entraîne le reste de l’horloge. Le seul problème, c’est que le poids va tomber très vite et que la trotteuse va tourner trop vite, si bien que l’horloge ne sera pas à l’heure. D’accord, introduisons un autre jeu d’engrenages – que nous appellerons « engrenages de puissance » (pour éviter de les confondre avec les engrenages de chronométrage) – qui prendra la puissance du poids qui tombe et la transformera de sorte que, lorsque le poids tombe, la trotteuse avance exactement d’une position sur le cadran en une seconde. Mais cela ne fonctionnera toujours pas, car le poids va accélérer au fur et à mesure de sa chute, comme tout objet qui tombe. En d’autres termes, l’horloge va aller de plus en plus vite jusqu’à ce que le poids heurte le sol avec fracas !

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Ce qu’il faut ajouter, c’est un mécanisme qui régule la vitesse à laquelle le poids peut tomber, permettant à l’ensemble du mécanisme de chronométrage d’avancer de sorte que la trotteuse se déplace d’une seconde sur le cadran (et seulement d’une seconde) dans un temps d’une seconde. C’est ce que fait le pendule. En se balançant d’un côté à l’autre, il fait basculer un levier appelé échappement qui verrouille et déverrouille la partie du mécanisme entraînée par la chute du poids. (Pensez-y de cette façon : le mécanisme est verrouillé et l’échappement le libère pour qu’il puisse bouger – en d’autres termes, il le laisse s’échapper – une fois par seconde). C’est ce verrouillage et ce déverrouillage répétés qui produit le tic-tac que vous entendez. Étant donné que (en théorie, du moins) un pendule d’une certaine longueur met toujours le même temps à se balancer d’avant en arrière, le pendule est ce qui maintient l’horloge à l’heure. Le mécanisme d’échappement que le pendule régule le maintient également (intelligemment) dans son mouvement de va-et-vient en lui donnant à plusieurs reprises un léger coup de pouce – une injection supplémentaire d’énergie pour contrecarrer la friction et la résistance.

Ce n’est pas exactement la manière dont les horloges à pendule fonctionnent ; c’est une approximation très simplifiée de ce qui se passe et qui est raisonnablement facile à suivre.

Complétez vos connaissances avec notre article : Comment fonctionnent les montres et horloges à quartz ?

En résumé, les éléments clés d’une horloge à pendule sont donc les suivants :

1. Un cadran et des aiguilles qui indiquent l’heure.
2. Un poids qui stocke de l’énergie (potentielle) et la libère dans le mécanisme de l’horloge en tombant, très progressivement, au cours d’une journée (ou de plusieurs jours, si vous avez de la chance). Le remontage de l’horloge fait remonter le poids, qui stocke davantage d’énergie potentielle pour alimenter le mécanisme.
3. Un ensemble d’engrenages qui prennent l’énergie du poids qui tombe et l’utilisent pour entraîner le mécanisme de l’horloge à la bonne vitesse. Si nous utilisons un poids très lourd et les bons engrenages, le poids stockera suffisamment d’énergie pour faire fonctionner l’horloge pendant des jours sans avoir à la remonter. (Rappelez-vous la loi de la conservation de l’énergie : plus l’horloge fonctionne longtemps, plus elle consomme d’énergie ; une horloge avec un poids plus lourd peut stocker plus d’énergie potentielle, donc, en général, elle fonctionnera plus longtemps sans être remontée qu’une horloge avec un poids plus léger).
4. Un ensemble d’engrenages de chronométrage qui entraînent les différentes aiguilles autour du cadran de l’horloge à des vitesses différentes. Ils sont généralement plus fins et plus précis que les engrenages moteurs.
5. Un pendule et un échappement qui régulent la vitesse de l’horloge et la maintiennent (plus ou moins) constante.

Dans la pratique, les horloges comportent beaucoup d’autres éléments, pièces et caractéristiques que les horlogers (maîtres horlogers) aiment appeler, avec une splendide honnêteté, des « complications« .