Pendules à pendule

Comment fonctionne un pendule?

Un pendule fonctionne en convertissant l’énergie d’avant en arrière, un peu comme un tour de montagnes russes. Lorsque la bobine est la plus haute (la plus éloignée du sol), elle a un maximum d’énergie stockée (énergie potentielle). Lorsqu’il accélère vers le bas, vers son point le plus bas (son point médian, le plus proche du sol), cette énergie potentielle est convertie en énergie cinétique (énergie de mouvement), puis, lorsque le fléau remonte, en énergie potentielle. Ainsi, lorsque la bobine se balance (oscille) d’avant en arrière, elle passe régulièrement d’une énergie potentielle à une énergie cinétique. Quelque chose qui fonctionne de cette façon est appelé un oscillateur harmonique et son mouvement est un exemple de mouvement harmonique simple, bien que nous n’aborderons pas ces choses ici.

Artwork : Un pendule échange constamment de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique.

S’il n’y avait pas de friction ou de traînée (résistance de l’air), un pendule continuerait à se déplacer éternellement. En réalité, à chaque oscillation, la friction et la traînée volent un peu plus d’énergie au pendule et celui-ci s’arrête progressivement. Mais même s’il ralentit, il garde le rythme. Il ne monte pas aussi loin, 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 « quantités égales de temps ») est ce qui rend un pendule si utile pour le chronométrage.

Galilée a tout de suite compris cela et, bien qu’il n’ait jamais réussi à construire une horloge à pendule complète.Il s’en est approché (voici un modèle de l’horloge à pendule de 1642 qu’il était en train de concevoir juste avant sa mort) ; il a fallu qu’un autre brillant scientifique, le Néerlandais Christiaan Huygens (1629-1695), termine 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.)

Comment fonctionne une horloge à pendule ?

Supposons que vous vouliez construire une horloge à partir de zéro de la manière la plus simple possible avec le moins de pièces possible. Vous pourriez commencer avec un cadran et quelques aiguilles et les déplacer autour du visage 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 quand même 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 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 prendront la puissance du poids qui tombe et la transformeront 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 qu’il tombe, comme tout objet qui tombe. En d’autres termes, l’horloge va devenir de plus en plus rapide jusqu’à ce que le poids frappe le sol avec une claque!

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 cette deuxième aiguille 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 osciller un levier appelé échappement qui verrouille puis déverrouille la partie du mécanisme entraînée par la chute du poids. (Pensez-y : 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.) Ce sont ces verrouillages et déverrouillages répétés qui produisent le tic-tac que vous entendez. Étant donné que (en théorie, du moins) un pendule d’une certaine longueur prend toujours le même temps pour se balancer d’avant en arrière, le pendule est ce qui maintient l’horloge à l’heure. Le mécanisme d’échappement que régule le pendule le maintient également (intelligemment) en mouvement d’avant en arrière en lui donnant de façon répétée un léger coup de pouce – une injection supplémentaire d’énergie pour contrecarrer le frottement et la traînée.

Ce n’est pas exactement comme ça que les horloges à pendule fonctionnent ; c’est une approximation très simplifiée de ce qui se passe qui est raisonnablement facile à suivre.

Photo : L’échappement est un levier oscillant qui permet aux engrenages d’une horloge d’avancer seulement à une certaine vitesse, déterminée par les oscillations du pendule. Photo d’Anders Sandberg publiée sur Flickr en 2009 sous une licence Creative Commons.

Animation : Comment fonctionne l’échappement : 1) Le poids qui tombe alimente l’horloge.2) En tombant, le poids entraîne les engrenages. Laissé à lui-même, le poids accélérerait, tombant de plus en plus vite. 3) L’échappement à bascule engage et désengage les engrenages, de sorte qu’ils tournent à une vitesse constante et que l’horloge donne l’heure exacte. 4) Le pendule oscillant balance l’échappement et fixe la vitesse à laquelle il se déplace.

Un résumé du fonctionnement des horloges

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

1. Un cadran et des aiguilles qui indiquent l’heure.
2. Un poids qui stocke l’énergie (potentielle) et la libère au mécanisme de l’horloge en tombant, très progressivement, au cours d’une journée (ou de plusieurs jours, si vous avez de la chance). Remonter l’horloge fait monter la sauvegarde du poids, stockant plus d’énergie potentielle pour alimenter le mécanisme.
3. Un ensemble d’engrenages moteurs 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 vraiment lourd et les bons engrenages de puissance, le poids stockera assez d’énergie pour faire fonctionner l’horloge pendant des jours sans que nous ayons à la remonter.(Rappelez-vous la loi de conservation de l’énergie ici : plus l’horloge fonctionne, plus elle utilise d’énergie ; une horloge avec un poids plus lourd peut stocker plus d’énergie potentielle donc, en général, elle va fonctionner 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 différentes vitesses. 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.

En pratique, les horloges ont beaucoup d’autres bits, pièces, parties et caractéristiques que les horlogers (maîtres horlogers) aiment appeler avec une splendide honnêteté des « complications ». »

Photo : 1) Lorsque la plupart des gens pensent à une horloge à pendule, voici ce qu’ils imaginent dans leur esprit : une horloge de grand-père(également appelée horloge à long carter). 2) Les horloges comme celle-ci ont un long pendule qui ne fait qu’un balayage relativement étroit d’avant en arrière. 3) Les horloges de grand-père ont souvent des cadrans très ornés et magnifiquement peints.

Certains inconvénients des horloges à pendule

Photo : L’une des horloges à pendule les plus précises jamais fabriquées avant que de meilleures technologies ne les rendent obsolètes. C’était la norme officielle de chronométrage des États-Unis de 1904 à 1929.Elle a été fabriquée par Clemens Riefler en Allemagne.Photo reproduite avec l’aimable autorisation du National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.

Voyez-vous des problèmes avec les horloges à pendule ? Moi aussi ! Un pendule d’une certaine longueur met le même temps à aller et venir si la force de gravité reste la même. Mais que se passe-t-il si la longueur du pendule change ? Cela pourrait certainement se produire s’il s’agit d’un pendule en métal et que la température de la pièce augmente ou diminue (disons entre l’hiver et l’été), car les métaux se dilatent dans la chaleur et se contractent dans le froid.

Mais qu’en est-il de la gravité ? Nous la traitons comme si elle était aconstante, mais la force avec laquelle les forces gravitationnelles de la Terre s’exercent sur les objets varie à la surface de notre planète : elle est d’autant plus grande que l’on est proche du centre de la Terre, donc elle diminue légèrement à mesure que l’on gravit les montagnes et augmente légèrement à mesure que l’on se rapproche du niveau de la mer. Cela signifie que la même horloge à pendule donnera des heures différentes à New York et au Colorado, par exemple ! Et en parlant de mer, imaginez que vous emmeniez une horloge à pendule sur un bateau. Comment le tangage et le roulis des vagues vont-ils affecter les mouvements de va-et-vient de votre pendule ? Cela ne va pas fonctionner très bien, n’est-ce pas ?

Le premier de ces problèmes – la longueur légèrement changeante du pendule – est relativement facile à résoudre. Nous utilisons simplement des pendules de compensation qui s’ajustent automatiquement (« compensent ») lorsque la température change.Les deux premiers types étaient les pendules à mercure (incorporant des tubes de verre remplis de mercure liquide) et les pendules à grille (fabriqués en utilisant deux métaux différents, comme l’acier et le cuivre, le zinc et l’acier, ou l’acier et le laiton, qui annulent les dilatations et les contractions de l’un et de l’autre). Au début du 20e siècle, les gens ont commencé à fabriquer des pendules à partir d’un nouveau matériau appelé invar (un alliage de nickel et d’acier), qui se dilate très peu avec les changements de température et résout pratiquement le problème.

On ne peut pas faire grand-chose contre la gravité, cependant, et comme pour les horloges à pendule sur les navires, de meilleures formes de chronométrage ont été progressivement développées qui les ont rendues inutiles. Mais c’est une autre histoire ! (You can follow it up in the « Find out more » section below.)