Association Méridienne Atelier Horloge marine de Méridienne, d'après l'horloge H1 de J. Harrison

Horloge marine de Méridienne, d'après l'horloge H1
de J. Harrison

Principe de la détermination de la longitude

La position du navire est définie par deux angles :

la latitude qui indique sur quel parallèle il se trouve, elle vaut 0 ° sur l'équateur, + 90 ° aux pôle Nord et - 90 ° au pôle Sud
La longitude qui indique sur quel méridien se trouve le navire. Elle est donc la mesure de l'écart angulaire entre le méridien du navire et le méridien de référence, de longitude 0 °, qui passe à Greenwich.
Elle est positive vers l'Est, de 0° à +180°, et négative vers l'Ouest, de 0° à -180°. Cependant, de nombreux marins utilisent encore une convention inverse, et d'autres ne donnent pas de signe à la longitude et parlent de longitude Est ou Ouest.

Comme la Terre tourne de 360 ° en 24 heures, soit 15 ° par heure, la longitude est proportionnelle à la différence entre l'heure locale à l'emplacement du navire et l'heure sur le méridien de référence.

L'heure locale est assez facile à déterminer à un moment particulier : midi solaire local, c'est à dire le moment de passage du Soleil au méridien du navire. En effet, à cet instant, le Soleil est à sa hauteur maximum au-dessus de l'horizon, et il est vu juste au Sud si l'on est dans l'hémisphère Nord.

Si, à cet instant précis, on connait aussi l'heure t qu'il est au méridien de référence, la longitude est donnée par la formule simple : Longitude G en degrés = ( 12 - t ) x 15 .

Cette heure t est celle indiquée par le chronomètre de marine du bord.

Ce garde-temps doit être d'une grande précision :

En effet, la Terre tourne de 15 ° par heure, soit 1 ° d'angle en 4 minutes, ou 1 minute d'angle en 4 secondes de temps.

Le mille marin (1852 m) est défini comme la distance correspondant à 1 minute d'angle à l'équateur.

Une erreur de temps de 4 secondes entraîne donc une erreur de 1 mille.

N.B.1. La formule ci-dessus est une formule approchée car elle ne tient pas compte de l'écart entre le soleil vrai et le soleil moyen (écart nommé "équation du temps").

N.B.2. Point par la droite de hauteur (après 1837)

Cette méthode de détermination de la position, utilisable à n'importe quel moment où le Soleil est visible, demande des calculs d'interpolation à partir des données des éphémérides nautiques afin de connaître la position du Soleil au moment précis de l'observation. Il faut donc également une connaissance très précise de l'heure avec cette méthode.

Contexte historique

Les navigateurs savaient déterminer leur latitude depuis l'antiquité, par exemple en mesurant la hauteur de l'étoile polaire au-dessus de l'horizon. Par contre, jusqu'au XVIII ° siècle, la détermination de la longitude en mer ne pouvait se faire avec une précision suffisante et les erreurs correspondantes ont été la cause de nombreux naufrages, dont celui de 1707 dans lequel 2000 marins anglais ont péri près des îles Scilly. Le parlement anglais a voté le Longitude Act en 1714, prévoyant une prime de 20000 livres pour celui qui trouverait la solution pour déterminer une longitude précise en mer.

Cette prime stimula de nombreux développements, soit en travaillant sur des méthodes astronomiques, soit en construisant des horloges plus fiables et précises.

La solution a été apportée par John Harrison en 1761 avec son horloge H4 qui ne variera que de 5 secondes en 81 jours de mer. Pour atteindre ce résultat, il avait construit successivement plusieurs prototypes H1, H2, H3 à partir de 1735.

L'horloge marine de Méridienne, d'après l'horloge H1 de J. Harrison

Caractéristiques de cette re-création

Cette horloge est destinée à montrer, en fonctionnement, les caractéristiques principales de l'horloge marine H1 construite par John Harrison et terminée en 1735.

Balanciers

Une horloge à pendule serait inutilisable sur un navire en raison des mouvements de roulis et de tangage qui perturberaient très fortement le fonctionnement de celle-ci.

Harrison a donc conçu une horloge dotée de 2 balanciers équilibrés autour de leur axe de rotation. Leur rappel à la position neutre est assuré par les 4 ressorts fins indépendamment de la gravité terrestre.

Les deux balanciers sont liés de telle sorte qu'ils tournent en permanence à la même vitesse angulaire mais en sens opposés. Les effets des accélérations angulaires dues au mouvement du navire sont ainsi neutralisés.

Ces caractéristiques permettent l'utilisation de cette horloge sur les navires.

Échappement Grasshopper

L'échappement a, comme sur toutes les horloges mécaniques, un double rôle à chaque oscillation :

permettre l'avancement du rouage, donc des aiguilles, en suivant le rythme régulé par les balanciers
fournir aux balanciers la petite quantité d'énergie compensant les pertes dues aux frottements et à la résistance que l'air oppose aux mouvements.

J. Harrison a inventé l'échappement "Grasshopper" (sauterelle en français) utilisé sur cette horloge. Cet échappement n'a pas de contact de type frottement avec la roue d'échappement. Ceci permet de ne pas le lubrifier et d'éviter ainsi les irrégularités de fonctionnement dues au vieillissement des huiles.

Chaîne-fusée

L'entraînement du mécanisme est assuré par un système de chaîne-fusée afin de fournir un couple moteur à peu près constant à la roue d'échappement pour améliorer la régularité de fonctionnement de l'horloge. Dans un tel mécanisme, l'enroulement de la chaîne se fait sur une sorte de cône, avec un rayon croissant à mesure que le ressort spiral se détend. L'augmentation du bras de levier compense ainsi la diminution de la force fournie par le ressort, assurant une constance approximative du couple d'entraînement (qui est le produit de la force par le rayon).

Roulements

J. Harrison a inventé les roulements à rouleaux. Cette reconstruction utilise des roulements à billes.

Régulateur

Dans une horloge ou une montre courante, les aiguilles partagent le même cadran. Elles sont donc entraînées par des tubes coaxiaux. Pour éviter les frottements entre ces tubes, H1 est doté d'un axe et d'un cadran par aiguille. Ce type d'horloge se nomme régulateur.

Compensation des variations de température

J. Harrison a équipé H1 de barres métalliques qui, en se dilatant plus ou moins, agissaient sur la tension des ressorts pour compenser les effets des variations de température. Cette reconstruction n'en est pas dotée.

La suite de l'histoire

Les chronomètres de marine bénéficieront d'importantes améliorations à la fin du XVIII° siècle, en particulier grâce à l'invention de l'échappement à détente par Pierre Le Roy et à la simplification de celui-ci par J. Arnold et T. Earnshaw.

Échappement à détente de type Earnshaw - re-création Méridienne

Ce type d'échappement a été utilisé dans la construction des chronomètres de marine pendant 150 ans. La généralisation de l'emploi des chronomètres de marine à bord des navires prendra une centaine d'années environ, en raison du coût très élevé de ces garde-temps.