La physique expliquant pourquoi la première horloge américaine a échoué

Dec 05, 2023

Pendant près de trois siècles complets, la manière la plus précise dont l’humanité a pu suivre le temps a été l’horloge à pendule. Depuis leur développement initial au XVIIe siècle jusqu'à l'invention des montres à quartz dans les années 1920, les horloges à pendule sont devenues des incontournables de la vie domestique, permettant aux gens d'organiser leurs horaires selon une norme universellement acceptée. Initialement inventés aux Pays-Bas par Christian Huygens en 1656, leurs premières conceptions ont été rapidement affinées pour augmenter considérablement leur précision, où il est rapidement devenu courant que les horloges à pendule maintiennent l'heure avec précision avec une tolérance d'environ 2 secondes seulement par jour. .

Mais lorsque la première horloge à pendule a été introduite en Amérique, quelque chose de bizarre s’est produit. L'horloge, qui avait parfaitement fonctionné pour donner une heure précise en Europe, était initialement synchronisée avec des phénomènes astronomiques connus, comme le coucher/lever du soleil et le coucher/lever de la lune. Mais après seulement une semaine ou deux dans les Amériques, il était clair que l’horloge ne donnait pas l’heure correctement. La première horloge américaine a été un échec complet, mais ce n’est que le début d’une histoire qui allait révolutionner notre compréhension de la physique et de la gravitation sur la planète Terre.

Pendant des milliers d’années, les scientifiques n’avaient pas de meilleure méthode pour connaître l’heure que l’ancien cadran solaire. Mais à partir du début des années 1600, des recherches scientifiques sur le pendule oscillant – et en particulier l’observation de Galilée selon laquelle la période d’un pendule était déterminée uniquement par sa longueur – ont conduit à l’idée qu’un pendule pouvait théoriquement être utilisé comme une horloge. Cela ne dépendrait pas de l'épaisseur du pendule lui-même, de la masse du poids à son extrémité, ni de l'angle auquel le pendule était élevé ; seule la longueur du pendule comptait pour sa période. Galilée a discuté de l'idée en 1637 et, bien qu'il soit mort en 1642, l'idée non seulement perdurerait, mais influencerait également une génération de scientifiques qui commençaient à peine à s'épanouir.

En 1656, alors qu'il travaillait aux Pays-Bas, Christiaan Huygens inventa la toute première horloge à pendule fonctionnelle, à la fois primitive et révolutionnaire à bien des égards. Au cours des décennies suivantes, des améliorations ont été apportées qui ont encore amélioré l'horloge à pendule, notamment :

Toutes ces innovations avaient été réalisées avant 1700 : un ensemble remarquable de progrès en peu de temps. La plus grande « source d’erreur » restante survenant avec ces horloges à pendule était due aux changements de température : la longueur du pendule augmentait ou diminuait à mesure que les matériaux à partir desquels ils étaient fabriqués se dilataient ou se contractaient thermiquement en fonction de la température. En développant un pendule compensé en température – dans lequel la période d'oscillation ne changeait pas même si la température changeait – les horloges à pendule pourraient avoir une précision de quelques secondes par semaine seulement. La première horloge fabriquée aux États-Unis n’apparaîtra que plusieurs décennies après cette avancée, et les premières tentatives pour conserver l’heure dans les Amériques s’appuieront donc sur des appareils importés d’Europe.

C’est là que surgit le grand casse-tête de la mesure du temps : lorsque la première horloge à pendule fut importée d’Europe en Amérique. L'horloge, construite et calibrée aux Pays-Bas, était d'une précision exquise. Les heures de coucher/lever de soleil et de coucher/lever de lune étaient précises pendant des semaines, les étoiles se levant et se couchant dans la minute suivant l'heure prévue sans qu'il soit nécessaire de procéder à un étalonnage supplémentaire jusqu'à ce qu'environ un mois complet se soit écoulé.

Mais dès notre arrivée en Amérique, l’horloge s’est remontée, a commencé à tourner et, très rapidement, tout a commencé à mal tourner.

En une seule semaine, les gens ont remarqué que le Soleil et la Lune ne se levaient ni ne se couchaient aux heures prévues, selon cette nouvelle horloge. De plus, le décalage s’aggravait de jour en jour. Alors que l’horloge était censée être précise – à l’époque – avec une précision d’environ 2 secondes par jour, ou environ 15 secondes par semaine, il a été observé qu’elle tournait lentement de plus de 30 secondes par jour. À la fin de la première semaine, l’écart était d’environ 4 à 5 minutes, une erreur terriblement inacceptable.