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Chronomètre marin

Le « Chronomètre » marin de Jeremy Thacker utilisait des cardans et un vide dans une cloche de verre.

Plus d’informations : Histoire de la longitude

Pour déterminer une position à la surface de la Terre, il est nécessaire et suffisant de connaître la latitude, la longitude et l’altitude. Les considérations relatives à l’altitude peuvent naturellement être ignorées pour les navires évoluant au niveau de la mer. Jusqu’au milieu des années 1750, la navigation précise en mer hors de vue de la terre était un problème non résolu en raison de la difficulté à calculer la longitude. Les navigateurs pouvaient déterminer leur latitude en mesurant l’angle du soleil à midi (c’est-à-dire lorsqu’il atteint son point le plus haut dans le ciel, ou culmination) ou, dans l’hémisphère Nord, en mesurant l’angle de Polaris (l’étoile polaire) par rapport à l’horizon (généralement au crépuscule). Pour trouver leur longitude, cependant, ils avaient besoin d’un étalon de temps qui fonctionne à bord d’un navire. L’observation des mouvements célestes réguliers, comme la méthode de Galilée basée sur l’observation des satellites naturels de Jupiter, n’était généralement pas possible en mer en raison du mouvement du navire. La méthode des distances lunaires, initialement proposée par Johannes Werner en 1514, a été développée en parallèle avec le chronomètre de marine. Le scientifique néerlandais Gemma Frisius a été le premier à proposer l’utilisation d’un chronomètre pour déterminer la longitude en 1530.

Le but d’un chronomètre est de mesurer avec précision le temps d’un lieu fixe connu, par exemple le temps moyen de Greenwich (GMT). Ceci est particulièrement important pour la navigation. Connaître l’heure GMT à midi locale permet à un navigateur d’utiliser la différence de temps entre la position du navire et le méridien de Greenwich pour déterminer la longitude du navire. Comme la Terre tourne à un rythme régulier, la différence de temps entre le chronomètre et l’heure locale du navire peut être utilisée pour calculer la longitude du navire par rapport au méridien de Greenwich (défini comme 0°) en utilisant la trigonométrie sphérique. Dans la pratique moderne, un almanach nautique et des tables de réduction de la vue trigonométrique permettent aux navigateurs de mesurer le Soleil, la Lune, les planètes visibles ou l’une des 57 étoiles sélectionnées pour la navigation à tout moment où l’horizon est visible.

La création d’une pièce d’horlogerie qui fonctionnerait de manière fiable en mer était difficile. Jusqu’au 20e siècle, les meilleurs garde-temps étaient des pendules, mais tant le roulis d’un navire en mer que les variations jusqu’à 0,2 % de la gravité de la Terre rendaient inutile un simple pendule basé sur la gravité, tant en théorie qu’en pratique.

Premiers exemplesModifier

Henry Sully (1680-1729) présente un premier chronomètre de marine en 1716

Christiaan Huygens, après son invention de l’horloge à pendule en 1656, fait la première tentative de chronomètre de marine en 1673 en France, sous le parrainage de Jean-Baptiste Colbert. En 1675, Huygens, qui reçoit une pension de Louis XIV, invente un chronomètre qui utilise un balancier et un ressort spiral pour la régulation, au lieu d’un pendule, ouvrant ainsi la voie aux chronomètres de marine et aux montres de poche et montres-bracelets modernes. Il obtient de Colbert un brevet pour son invention, mais son horloge reste imprécise en mer. La tentative de Huygens d’obtenir un brevet anglais auprès de Charles II en 1675 incita Robert Hooke, qui prétendait avoir conçu une horloge à ressort des années auparavant, à tenter d’en produire une et de la faire breveter. Au cours de l’année 1675, Huygens et Hooke livrèrent chacun deux dispositifs de ce type à Charles, mais aucun ne fonctionna bien et ni Huygens ni Hooke ne reçurent de brevet anglais. C’est au cours de ces travaux que Hooke a formulé ce que l’on appelle la loi de Hooke.

Le chronomètre marin H1 de John Harrison de 1735

La première utilisation publiée du terme date de 1684 dans Arcanum Navarchicum, un ouvrage théorique du professeur de Kiel Matthias Wasmuth. Elle a été suivie d’une autre description théorique d’un chronomètre dans des ouvrages publiés par le scientifique anglais William Derham en 1713. L’ouvrage principal de Derham, Physico-theology, ou une démonstration de l’être et des attributs de Dieu à partir de ses œuvres de création, proposait également l’utilisation du vide pour assurer une plus grande précision dans le fonctionnement des horloges. Les tentatives de construction d’un chronomètre de marine fonctionnel ont été lancées par Jeremy Thacker en Angleterre en 1714, et par Henry Sully en France deux ans plus tard. Sully a publié son travail en 1726 avec Une Horloge inventée et exécutée par M. Sulli, mais ni ses modèles ni ceux de Thacker n’ont pu résister au roulis des mers et garder une heure précise dans des conditions de bord.

Dessins du chronomètre H4 de Harrison de 1761, publiés dans The principles of Mr Harrison’s time-keeper, 1767.

En 1714, le gouvernement britannique a offert un prix de longitude pour une méthode de détermination de la longitude en mer, les prix allant de 10 000 à 20 000 £ (2 millions à 4 millions de £ en 2021) selon la précision. John Harrison, un charpentier du Yorkshire, a soumis un projet en 1730 et, en 1735, il a achevé une horloge basée sur une paire de poutres pondérées contre-oscillantes reliées par des ressorts dont le mouvement n’était pas influencé par la gravité ou le mouvement d’un navire. Ses deux premières horloges de mer H1 et H2 (achevées en 1741) utilisaient ce système, mais il s’est rendu compte qu’elles avaient une sensibilité fondamentale à la force centrifuge, ce qui signifiait qu’elles ne pourraient jamais être assez précises en mer. La construction de sa troisième machine, appelée H3, en 1759, comprenait de nouveaux balanciers circulaires et l’invention de la bande bimétallique et des roulements à rouleaux en cage, des inventions qui sont encore largement utilisées. Cependant, les balances circulaires de H3 s’avéraient toujours trop imprécises et il finit par abandonner les grandes machines.

Chronomètre de marine n°3 de Ferdinand Berthoud, 1763

Harrison résolut les problèmes de précision avec sa conception de chronomètre H4 beaucoup plus petite en 1761. H4 ressemblait beaucoup à une grande montre de poche de cinq pouces (12 cm) de diamètre. En 1761, Harrison a soumis H4 pour le prix de la longitude de 20 000 £. Sa conception utilise un balancier à battement rapide contrôlé par un ressort en spirale compensé en température. Ces caractéristiques sont restées en usage jusqu’à ce que des oscillateurs électroniques stables permettent de fabriquer des montres portables très précises à un coût abordable. En 1767, le Board of Longitude publie une description de son travail dans The Principles of Mr. Harrison’s time-keeper. Une expédition française dirigée par Charles-François-César Le Tellier de Montmirail effectue la première mesure de la longitude à l’aide de chronomètres marins à bord de l’Aurore en 1767.

Développement moderneEdit

Chronomètre de marine de Pierre Le Roy, 1766, photographié au Musée des Arts et Métiers de Paris

En France, en 1748, Pierre Le Roy invente l’échappement à détente caractéristique des chronomètres modernes. En 1766, il crée un chronomètre révolutionnaire qui intègre l’échappement à détente, le balancier compensé en température et le spiral isochrone : Harrison montrait la possibilité d’avoir un chronomètre fiable en mer, mais ces développements de Le Roy sont considérés par Rupert Gould comme le fondement du chronomètre moderne. Les innovations de Le Roy ont fait du chronomètre une pièce beaucoup plus précise que ce qui avait été prévu.

Le chronomètre H5 de Harrison de 1772, actuellement exposé au Science Museum de Londres

Ferdinand Berthoud en France, ainsi que Thomas Mudge en Grande-Bretagne ont également produit avec succès des chronomètres marins. Bien qu’aucun ne soit simple, ils ont prouvé que la conception de Harrison n’était pas la seule réponse au problème. Les plus grands progrès en matière de praticité ont été réalisés par Thomas Earnshaw et John Arnold qui, en 1780, ont développé et breveté des échappements simplifiés, détachés, à « détente de ressort », ont déplacé la compensation de température vers le balancier et ont amélioré la conception et la fabrication des ressorts de balancier. Cette combinaison d’innovations servit de base aux chronomètres de marine jusqu’à l’ère électronique.

Chronomètre Ferdinand Berthoud no. 24 (1782), exposé au Musée des Arts et Métiers, Paris

La nouvelle technologie était initialement si coûteuse que tous les navires n’étaient pas équipés de chronomètres, comme l’illustre le dernier voyage fatidique de l’East Indiaman Arniston, naufragé avec la perte de 372 vies. Cependant, en 1825, la Royal Navy avait commencé à fournir systématiquement des chronomètres à ses navires.

Il était courant à l’époque que les navires observent une boule horaire, comme celle de l’Observatoire royal de Greenwich, pour vérifier leurs chronomètres avant de partir pour un long voyage. Chaque jour, les navires jetaient brièvement l’ancre dans la Tamise à Greenwich, attendant que la boule de l’observatoire tombe à 13 heures précises. Cette pratique est en partie responsable de l’adoption ultérieure du temps moyen de Greenwich comme norme internationale. (Les boules horaires sont devenues superflues vers 1920 avec l’introduction des signaux horaires radio, qui ont eux-mêmes été largement remplacés par le temps GPS). En plus de régler leur heure avant de partir en voyage, les chronomètres de navire étaient aussi régulièrement vérifiés pour leur exactitude en mer en effectuant des observations lunaires ou solaires. Dans le cadre d’une utilisation typique, le chronomètre était monté dans un endroit abrité sous le pont pour éviter les dommages et l’exposition aux éléments. Les navigateurs utilisaient le chronomètre pour régler une montre dite de pirate, qu’ils portaient sur le pont pour effectuer les observations astronomiques. Bien que beaucoup moins précise (et coûteuse) que le chronomètre, la hack watch serait satisfaisante pendant une courte période après son réglage (c’est-à-dire suffisamment longtemps pour effectuer les observations).

Bien que les méthodes de production industrielle aient commencé à révolutionner l’horlogerie au milieu du XIXe siècle, la fabrication des chronomètres est restée artisanale bien plus longtemps. Au tournant du XXe siècle, des fabricants suisses tels qu’Ulysse Nardin ont fait de grands progrès vers l’intégration de méthodes de production modernes et l’utilisation de pièces entièrement interchangeables, mais ce n’est qu’avec le début de la Seconde Guerre mondiale que la Hamilton Watch Company aux États-Unis a perfectionné le processus de production de masse, ce qui lui a permis de produire des milliers de ses chronomètres Hamilton Modèle 21 et Modèle 22 de la Seconde Guerre mondiale pour la marine américaine & armée et d’autres marines alliées. Malgré le succès d’Hamilton, les chronomètres fabriqués à l’ancienne n’ont jamais disparu du marché à l’époque des garde-temps mécaniques. Thomas Mercer Chronometers fait partie des entreprises qui continuent à en fabriquer.

Sans leur précision et celle des exploits de navigation que les chronomètres de marine ont permis, on peut soutenir que l’ascendant de la Royal Navy, et par extension celui de l’Empire britannique, n’aurait peut-être pas eu lieu de manière aussi écrasante ; la formation de l’empire par les guerres et les conquêtes de colonies à l’étranger s’est déroulée à une époque où les navires britanniques disposaient d’une navigation fiable grâce au chronomètre, alors que leurs adversaires portugais, néerlandais et français n’en disposaient pas. Par exemple : les Français étaient bien implantés en Inde et dans d’autres endroits avant la Grande-Bretagne, mais ils ont été vaincus par les forces navales lors de la guerre de Sept Ans.

La collection internationale la plus complète de chronomètres de marine, y compris les H1 à H4 de Harrison, se trouve à l’Observatoire royal de Greenwich, à Londres, au Royaume-Uni.

La collection de chronomètres de marine la plus complète se trouve à l’Observatoire royal de Greenwich, à Londres, au Royaume-Uni.

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