La Mesure du temps (Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs)

« masse pesante décrit non un arc de cercle mais un arc de cycloide .

Le pendule cycloïde bat ainsi avec une période constante.

Cependant , comme indiqué plus haut , il s'amortit.

Il faut donc l'entretenir à l'aide d'une force motrice si l 'on ne veut pas qu'il finisse par s 'arrêter .

La force motrice, le moteur, est la gravité :c'est la chute d'un poids qui fournit l'énergie au pendule et assure l'entretien du mouvement.

Mais pour des raisons évidentes, il faut éviter que le poids chute brutalement: il faut donc l'arrêter dans sa chute et transmettre l 'énergie petit à petit, un peu à chaque oscillation.

C'est le rôle de "l'échappement ».Il existe différents modèles d 'échappement.

ëun des plus répandus est l'échappement dit« à ancre » inventé vers 1670 .

Ancre , car l 'organe qui assure cette fonction rappelle , par sa forme, une ancre .

Les oscillations du pendule agissent sur l'ancre qui vient bloquer la chute du poids.

Parallèlement l'ancre transmet au pendule de l'énergie et entretient ses oscillations .

Horloge à balantier spiral Huygens fait une autre découverte , cette fois intéressante pour les petites horloges : celle du ba/antier· spiral réglant.

Il s 'agit d 'un ressort en acier enroulé en spirale qui joue le rôle de moteur , à la place de la _.._ __ __. gravité .

Son invention permet la réalisation de la première montre à spirale en 1675 par Isaac Thuret , maitre-horloger .

HORLO, ES ÉL E(TRIQU ES Par horloge électrique , on entend une horloge dans laquelle l'énergie nécessaire à l'entretien du fonctionnement est d'origine électrique .

Horlo g e à di apason .-------.

On sait qu'un diapason vibre à fréquence constante .

On peut donc l'employer comme r égulateur .

Et pour entretenir ses vibrations on peut employer l'électricité , plus précisément l'action d 'un électroaimant.

Plus concrètement , le mouvement vibratoire du diapason engendre , par induction électromagnétique , un courant alternat if .

Une fois amplifiée , l'intensité de ce courant permet l'entretien des vibrations par le biais du champ magnétique qui accompagne le courant et qui attire alternativement les branches du diapason.

En résumé, le diapason est excité par un courant alternatif dont il pilote lui-même la fréquence .

Horloge à qua rtz La première horloge " à quartz » est apparue vers 1930 .

Le principe est similaire à celui de l'horloge à diapason , au sens où une vibration mécanique est entretenue par un phénomène électrique.

Si l'on comprime un uist a / d e q uartz convenablement taillé, il développe sur ses faces une tension électrique (un voltage).

Inversement , si on y applique une tension , il se comprime .

Si on inverse la polarité, au contraire , il se dilate.

Ce phénomène porte le nom de piézoélectricité.

ëidée de base consiste donc à faire vibrer un barreau de quartz électriquement et entretenir cette vibration grâce à la tension électrique qu'il développe.

On Je fait ainsi entrer en résonance en compensant les pertes énergétique s inévitables par l'énergie fournie par une pile.

Les fréquences étant très élevées (de l'ordre de 10kHz), il est nécessaire qu'un système électronique compte le nombre d 'oscillations afin de donner la seconde .

C'est le rôle du microprocesseur.

Comme électroniquement il est très simple de diviser par deux, on a intérêt à choisir une fréquence égale à une puissance de deux : on chois it souvent 32 768 Hz (215).

Ensuite, le temps peut être affiché numériquement ou en faisant tourner une trotteuse , cela est un détail.

Grâce aux progrès de l 'électronique , la fabrication d 'une montre à quartz aujourd'hui ne coûte presque rien pour une très bonne précision (de l'ordre de la seconde par jour ), si bien que le rapport qualité-prix est très bon, sans parler de l'encombrement et du poids qui sont ridiculement faibles.

On peut difficilement imaginer pouvoir faire mieux .

Une variante de la montre à quartz a pourtant vu le jour il y a quelques années seulement.

Il s 'agit de l'horloge et de la montre radio -pilotées qui sont remises à l'heure une fois par jour par onde radio , l'heure exacte étant donn é e par une horlog e atomique , évitant ainsi la dérive journalière d'une seconde .

HORLO,E S ATOMIQUES Les horloge s atomiques ont été mises au point dès le milieu des années 1950 , bien que le principe théorique fût déjà connu bien avant.

Ce sont les étalons de temps par excellence.

En effet, la Conférence générale des poids et mesures de 1967 a défini la seconde comme la durée égale à " 9192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133 ».

Par définition donc , la seconde est « atomique ».

Peu importe ce qu'est un niveau hyperfin .

Ce qui est important à savoir est qu'un atome peut exister dans des états d 'énergie différents , ces états étant séparés non pas de façon continue , mais discontinue , à la manière des marches d'escaliers (quantique ).

Le passage d'un état vers un autre de moindre énergie s'accompagne de l'émission d 'une onde électromagnétique de fréquence f bien précise de sorte que la différence d'énergie E soit telle que E =hf , h étant une constante (la constante de Planck ).

Fonctionnement d'une horloge à quartz .--------- microprocesseur pile barreau de quartz Inversement , le passage vers un état rigoureusement égale à degrés au-dessus du zéro absolu de niveau supérieur peut se faire par 9192 631 770Hz .

En revanche, la vapeur (-273 °C), ils sont lancés en direction absorption de l'onde de fréquence f.

devient subitement opaque à la bonne de la cavité UHF, comme dans les Les deux niveau x d'énergie choisis fréquence .

étalons classiques , à cela près qu'ici la pour définir la seconde sont tels qu'une Bien qu'extrêmement précise , l'horloge cavité est verticale .

Cela s'impose en oscillation de l'onde, soit une période , qui vient d 'être décrite peut encore être raison de la très faible vitesse des dure 1/9192 631 770 de seconde.

Par améliorée .

En effet, dans une vapeur atomes qui, s'ils étaient lancés conséquent 9192 631 770 périodes chaude , les atomes possèdent une horizont alement retomberaient vite sur durent une seconde.

D 'où la définition .

grande vitesse .

En raison de leur le plancher de la cavité .

Ils sont donc La précision de ces horloges est de vitesse , ils sont alors capables lancés vers le haut à 2 à 5 mfs, comme l'ordre de la seconde d 'écart en un d'absorber l'onde même si la fréquence dans une fontaine .

Les atomes montent million d 'années ! de celle-ci n 'est pas rigoureusement et retombent , quittant la cavité après un égale à 9192 631 770 Hz, car dans ce séjour de 0,5 seconde , soit cent fois Print ipe d 'une horloge atomique cas, selon que l'atome s 'éloigne de plus longtemps que dans une horloge Si on voulait résumer le principe d'une l'onde ou va à sa rencontre , il« voit >> atomiqu e classique.

La meilleure horloge atomique , on pourrait dire qu'il une fréquence respectivement fontaine atomique actuellement en s'agit d 'une horloge à quartz dans inférieure ou supérieure à celle émise.

fonctionnement dans le monde, FOl, laquelle la Par conséquent , en ralentis sant les se trouv e au Laboratoire primaire du fréquence atomes on gagne en précision .

Or, un temps et des fréquences, laboratoire du quartz est des principaux axes de recherches en du Bureau national de métrologie à :Q pilotée par physique se situe actuellement dans le l'observatoire de Paris .

Une manière .2! le césium .

refroidissement atomique .

Et c'est d'allonger encore davantage la durée ~~ ëidée consiste d 'ailleurs dans ce cadre que Claude de séjou r des atomes dans la cavité ~·~ à " éclairer » Cohen-Tannoudji s'est vu décerner le UHF consiste à faire en sorte qu'ils ne !::; dans un tombent pas.

Il suffit pour cela de se '5!.!G ::> i5 premier temps placer en apesanteur : c'est l'objectif -g_, .,- une vapeur du proje t PHARAO ou Projet d 'Horloge > .!11 d'atomes Atomiqu e par Refroid issement ~i de césium d'Atome s en Orbite.

Des tests "5< !t~ capab le d' absorber la fréquence concluants ont déjà été effectués à bord .,-tl z ..

9192 631 770Hz, par une onde UHF d'avions en vol parabolique où l'on ~ :8 produite par un générateur à quartz et obtient les conditions d 'apesanteur.

~n=e possédant cette m ême fréquence ; puis, Une horl oge à fontaine atomique ~~ U." par des techniques de physique prix Nobel de physique en 1997.

Ce devrait bientôt être installé à bord de ~ 2 atomique , observer le nombre procédé est particulièrement utilisé ~~ d'atome s ayant effectué la transition, dans les fonta ines atomiques , les ;-tl c'est-à -dire ayant absorbé l'onde UHF.

horloges les plus précises actuellement , u Si ce nombre est faible , cela signifie que environ 10 fois plus que les horloges la fréquence de l'onde UHF n 'est atomiques à atomes froids, elles pas rigoureusement égale à mêmes plus précises que les horloges ~~ 9192 631 770 Hz.

On modifie donc atomiques à « atomes chauds ».

légèrement cette fréquence UHF , ~~ jusqu'à ce que la proport ion des Les fontaines atomiques ~~ atomes de césium qui effectuent la Quel que soit l'étalon considéré, le g~_ transition vers l'état d 'énergie nombre d'atomes qui subit l'interaction Les phys iciens espèrent obtenir une Ot: supérieure devienne maximale .

À cet avec l'onde UHF est d 'autant mieux stab ilité de fréquence de 10·~ seconde Wa> instant on sait que le générateur est déterminé que la durée d'interaction sur une journée, soit une dérive ~~ rigoureusement réglé sur 215 Hz :on dans la cavité est élevée .

Dans les journaliè r e d' un dix millionième de ~!d détermine ainsi d'une manière horloges atomiques, classiques ce milliardième de seconde ! extrêmement précise la seconde .

Un temps de séjour est de 5 millisecondes moyen qui permet par exemple de environ .

Afin d 'allonger ce temps , Utilité des horloges atomi ques déterminer la proportion d 'atomes de environ un milliard (seulement ) Nous mentionnerons simplement que césium excités consiste à regarder la d'atomes ultrafroids sont piégés , la précisi on du système GPS est transparence de la vapeur aux UHF.

confinés , dans six faisceaux lasers étroitement liée à celle des horloges à Si l'onde UHF traver s e la vapeur, cela concourants afin de réduire le plus bord des satellites : il faut en effet que signifie que peu d 'atome s de césium possible leur vitesse d'agitation toutes les horloges soient synchrones .

ont absorbé l'onde , c'e st- à - dire thermique.

Une fois les atome s quasi- Et ce synchronisme ne peut être obtenu que la fréquence UHF n 'e st pas immobilisés à quelques millionièmes de qu'avec d es horloges atomiques.. »