Horloge mécanique

Dans une horloge mécanique, un poids qui descend fait tourner un train d'engrenages, et un échappement ne laisse avancer ce train que par petits pas réguliers. Les premières furent construites en Europe à la fin du XIIIe siècle : de grandes machines de fer, dans les clochers, qui sonnaient les heures sur une cloche.

Ce que c’est

Une horloge mécanique découpe le temps en battements égaux et les compte avec des engrenages. Les premières, construites à partir de la fin du XIIIe siècle, étaient de grandes cages de fer forgé placées dans un clocher d’église ou une tour de ville. Un lourd poids de pierre les entraînait et un échappement à verge et foliot les réglait : une barre oscillante qui ne laissait les roues tourner que par petits pas réguliers. Beaucoup n’avaient pas de cadran : elles frappaient une cloche aux heures, et l’on connaissait l’heure à l’oreille.

À la cathédrale de Salisbury, une horloge de ce type fonctionne encore dans la nef. On l’identifie d’ordinaire à une horloge mentionnée sur place en 1386, et c’est pourquoi on la présente souvent comme la plus ancienne horloge en état de marche du monde ; cette datation repose sur des indices indirects, et d’autres horloges sont proposées pour ce titre. Ses roues tiennent dans une cage de fer à quatre montants assemblée par des tenons clavetés et non par des boulons. Un poids entraîne le rouage de mouvement, qui garde l’heure ; un autre entraîne le rouage de sonnerie, qui fait tinter la cloche.

Comment ça marche

Le poids pend au bout d’une corde enroulée sur un tambour de bois. En descendant lentement, il fait tourner le tambour et la grande roue fixée sur le même axe. La grande roue mène un petit pignon sur l’axe suivant, qui porte une autre roue, et ainsi de suite jusqu’à la roue d’échappement. À chaque passage d’une roue à un pignon, l’axe suivant tourne plus vite.

L’échappement à verge vu de profil, où les dents du pourtour de la roue de rencontre s’alignent en une seule colonne : la roue pousse tour à tour les deux palettes, et le foliot lesté va et vient au sommet de la verge.

Livré à lui-même, le poids ferait tourner tout le rouage et tomberait en quelques secondes. L’échappement l’en empêche. La roue d’échappement est une roue de rencontre, en forme de couronne, dont les dents en dents de scie se dressent sur une face. Devant elle pend la verge, une tige verticale portant deux petites palettes, l’une qui rencontre les dents en haut de la roue, l’autre en bas, disposées à peu près à angle droit. Une dent écarte la palette du haut et fait tourner la verge ; la palette du bas vient alors se placer devant une dent, de l’autre côté de la roue, qui la repousse en sens inverse. La verge oscille ainsi, et la roue avance d’une demi-dent à chaque mouvement dans un sens, d’une dent entière à chaque aller-retour.

Le foliot est une barre horizontale fixée en travers du sommet de la verge, avec un petit poids suspendu près de chaque bout. Son inertie ralentit chaque battement. En écartant les poids, on ralentit le battement et l’horloge retarde ; en les rapprochant, elle avance. Le foliot n’a pas de période propre : la marche varie aussi avec la force du poids moteur, les frottements et l’état de l’huile, et l’écart courant était de l’ordre d’un quart d’heure par jour. Le gardien remettait l’horloge à l’heure d’après un cadran solaire et remontait les poids chaque jour.

Comment la construire

On peut fabriquer à la main, en contreplaqué et en tourillons de bois dur, une maquette d’échappement à verge et foliot. Elle bat et montre comment l’échappement retient un poids qui descend ; sans cadran, elle ne donne pas l’heure. Ce qui suit résume les étapes : pour la forme des dents et l’entraxe des axes, suivre un plan coté publié pour une maquette d’échappement en bois.

Un pignon à lanterne : des tiges rondes entre deux disques, faciles à faire à la main, engrènent avec les dents de la grande roue.

Bâtir la cage. Deux montants d’environ 40 cm reliés par des traverses, percés pour trois axes horizontaux superposés aux entraxes du plan. Prendre des tourillons comme axes et garnir les trous de courts morceaux de tube de laiton pour qu’ils tournent librement. Visser la cage sur un socle lourd ou une console murale pour qu’elle ne puisse pas basculer.

Faire le rouage. Sur l’axe du bas, un tambour pour la cordelette et la grande roue ; sur l’axe du milieu, un pignon à lanterne en tourillons et une deuxième roue ; sur l’axe du haut, un autre pignon à lanterne et la roue de rencontre. Chaque roue doit engrener avec son pignon sans coincer ni sauter : découper les dents selon le profil du plan et les limer.

Faire l’échappement. La roue de rencontre demande un nombre impair de dents, 15 étant courant, dressées sur une face : les découper sur le bord d’un court anneau de contreplaqué mince ou de bois dur, puis coller l’anneau sur la face d’un disque. Monter la verge, un tourillon bien droit, à la verticale devant la roue, avec deux palettes minces à environ 90 degrés l’une de l’autre, à la hauteur du haut et du bas de la roue. Le nombre impair de dents fait qu’une palette rencontre une pointe pendant que l’autre fait face à un creux. Fixer en travers du sommet de la verge le foliot, une barre légère d’environ 30 cm munie de deux poids coulissants.

Régler sans le poids. Faire tourner le rouage à la main, un doigt sur le tambour, et vérifier que les palettes travaillent tour à tour : une dent du haut échappe, puis une dent du bas vient buter sur l’autre palette, sans dent sautée ni blocage. Ne tordre ou limer les palettes que poids retiré. Enrouler ensuite sur le tambour une cordelette dont la charge admise dépasse largement le poids, en attacher le bout au tambour, suspendre le poids indiqué par le plan, souvent 1 à 2 kg pour un petit modèle en bois. Pour régler le battement, décrocher ou soutenir le poids, déplacer un peu les masselottes du foliot, laisser de nouveau pendre le poids et compter les battements sur une minute ; recommencer jusqu’à obtenir un battement régulier.

Sécurité. Si une palette lâche, le rouage s’emballe et le poids tombe : retirez ou soutenez toujours le poids avant de toucher à l’échappement, et faites-le descendre dans un guide fermé, tube ou caisson, qui s’arrête au sol. Gardez mains, pieds et animaux hors de sa course. Serrez la pièce et gardez les mains derrière la lame en découpant les dents ; portez des lunettes de protection pour percer.

Histoire et évolution

Clepsydres et cadrans solaires mesuraient le temps depuis des millénaires avant l’horloge mécanique. Le pas décisif, un mécanisme qui laisse un poids descendre par saccades régulières, fut franchi quelque part en Europe à la fin du XIIIe siècle, et de grandes horloges publiques sont attestées dans des villes italiennes dans la première moitié du XIVe. Des horloges apparaissent alors dans les archives des cathédrales et des abbayes, mais le même mot latin, horologium, désignait aussi les horloges à eau, si bien qu’on ne peut nommer la première horloge mécanique. À la fin du XIVe siècle, de grandes horloges de fer fonctionnaient dans bien des cathédrales ; le mouvement de celle de Wells, de 1392, est aujourd’hui au Science Museum de Londres, tandis que son cadran est resté dans la cathédrale.

Le rouage de sonnerie tire le fil, le marteau frappe la cloche, et l’on entend l’heure dans toute la ville.

Le grand changement vint en 1656-1657, quand Christiaan Huygens, reprenant une idée de Galilée, régla une horloge par un pendule. Un pendule oscille en un temps presque constant quelle que soit la force motrice. La première horloge à pendule de Huygens s’écartait de moins d’une minute par jour, les suivantes de moins de dix secondes. Beaucoup d’horloges de clocher furent transformées ; celles de Salisbury et de Wells perdirent leur foliot au profit d’un pendule, et celle de Salisbury reçut une verge et un foliot reconstitués lors de sa restauration en 1956. Vers 1675, le ressort spiral donna aux montres un régulateur doté d’une période propre ; leur écart tomba à une dizaine de minutes par jour, loin d’une horloge à pendule mais bien mieux qu’auparavant.