Clepsydres et horloges à eau

CLEPSYDRES ET HORLOGES A EAU

 Le principe de la clepsydre est simple : l'eau s'écoule d'un récipient dans un autre . Puis, on mesure l'eau perdue du premier ou l'eau reçue par le second et on convertit en mesure du temps écoulé.

La première clepsydre, quand, où et combien de temps ? Selon les sources, les dates d'invention de la clepsydre vont de 3 000 ans av. J.-C. à 1 500 ans av. J.-C. Ce qui est certain, c'est que la plus ancienne actuellement a été découverte en 1904 dans les ruines de Thèbes (Temple d'Amon à Karnak) et remonterait à Aménophis III ( XIII ème siècle av. J.-C.) pour lequel elle aurait été fabriquée. Il est fort probable qu'elle ne fut pas la première et que son origine est plus ancienne. Sa disparition est légèrement postérieure au XVIII ème siècle où on utilisait encore des clepsydres à tambour.

 La clepsydre est, tout au plus, ce qu'on peut appeler un garde-temps pour une période plus où moins longue mais pas de retrouver ce temps si son mouvement s'est arrêté.La clepsydre serait plutôt un chronomètre dont le but est de commencer souvent à zéro et de compter des temps assez courts.

 "Il y a au tribunal des clepsydres munies de tuyaux pour l'écoulement. On y verse l'eau dont la mesure détermine la durée des plaidoiries. Sont accordées dix conges (une conge = 3 litres 24) aux affaires au-dessus de cinq mille drachmes et deux pour la réplique [...]. S'il s'agit d'un procès qui dure toute la journée divisée en plusieurs parties, le juge préposé à l'eau ne ferme pas le tuyau ; mais la même quantité d'eau est attribuée à l'accusation et à la défense. La mesure du jour est calculée d'après les jours du mois de Poséidon (décembre-janvier , où les jours sont les plus courts)."

 La clepsydre et son évolution :

 L'évolution des clepsydres, puis des horloges à eau, tient essentiellement à deux choses :

 - Pendant quelques siècles, il faudra maîtriser le fait que les heures mesurées sont des heures inégales  et qu'il faudra graver les marqueurs de niveau d'eau en tenant compte de la position du jour dans l'année.

 - Aux lois qui régissent l'écoulement de l'eau. En effet, sans entrer dans le détail des lois de l'hydraulique, le débit de l'eau dans un instrument comme nous en avons vu un plus haut (les deux récipients) n'est pas constant. Il dépend de la viscosité de l'eau liée à la température, de la taille de l'orifice de sortie qui peut s'élargir par usure ou se rétrécir par encrassement, de la variation du niveau de l'eau dans le récipient de départ.

 Les arabes sont passés maîtres dans la conception de telles horloges qui peuvent atteindre des dimensions volumineuses comme, par exemple, l'horloge monumentale de Fez au Maroc. Citons tout de même le nom du maître en la matière, alJazari (mort en 1206) . Notons aussi qu'une horloge hydraulique fut offerte en 807 à Charlemagne par l'ambassadeur du calife Haroun el Rachid.

 On ne peut pas faire grand chose pour remédier au problème de la viscosité. Pour la taille de l'orifice des matériaux nobles ou des pierres précieuses creusées ont été employées pour éviter que la taille de l'orifice ne se modifie.

 Il  reste le problème majeur de la hauteur d'eau dans le récipient "émetteur" qui fait varier grandement le débit.

 Une première solution fut trouvée par les Égyptiens et les Grecs. Au lieu d'utiliser des récipients de forme cylindrique, ils utilisèrent des récipients évasés. Ils purent ainsi graver à l'intérieur d'un des récipients des traits d'égale distance. Bien entendu, il y avait plusieurs colonnes de traits pour tenir compte des longueurs de jour et de nuit différentes (résultat de la division du jour et/ou de la nuit en heures inégales). Et pourtant, la forme des récipients n'était pas idéale.

 Bien qu'optimisées quant à leur forme, les clepsydres Égyptiennes ou Grecques  n'avaient pas la forme idéale telle qu'on peut la connaître en appliquant les théorèmes de Daniel Bernoulli (Suisse, 1700-1782) d'une génération d'illustres mathématiciens.

 Il fallut attendre des inventeurs de génie pour régler le double problème de l'écoulement de l'eau et des heures inégales. L'un d'eux fut Ktésibios, contemporain d'Archimède, qui vivait à Alexandrie au IIIe siècle avant notre ère. Finie la clepsydre, on peut maintenant parler d'horloges à eau. On peut aussi citer Philon de Byzance (230 av. J.-C.) et Héron d’Alexandrie (125 av. J.-C) .Les horloges qu'ils inventèrent étaient de véritables œuvres d'art mêlant la recherche hydraulique et l'art des automates.

 L'horloge de Ktésibios

 "En premier lieu, il ménagea l'orifice d'écoulement dans un morceau d'or ou dans une gemme perforée; car ces matières ne s'usent pas au frottement de l'eau qui coule, et des saletés capables de boucher le trou ne peuvent s'y déposer. L'eau s'écoulant régulièrement par cet orifice fait monter un flotteur renversé, que les techniciens appellent " liège " ou " tambour ". Sur ce flotteur est fixée une tige en contact avec un disque tournant, tige et disque étant munis de dents égales. Ces dents, dont le mouvement se transmet de l'une à l'autre, produisent des rotations et des déplacements mesurés. De plus, d'autres tiges et d'autres roues, dentées de la même façon et mues par une même impulsion, produisent en tournant des effets et des mouvements variés[...]. En outre, dans ces horloges, les heures sont tracées soit sur une colonne, soit sur un pilastre contigu, et c'est une figurine qui, sortant du bas de la machine, les indique avec une baguette pour toute la durée du jour. En ajoutant ou en ôtant des cales chaque jour et chaque mois, on rend compte obligatoirement de la durée plus courte ou plus longue des jours. Ainsi, grâce à ces systèmes et à ce dispositif, on combine le montage d'horloges à eau utilisables l'hiver. Mais l'accroissement de la durée des jours en se servant de cales qu'on ajoute ou qu'on retranche - car ces cales sont très souvent défectueuses -, on devra s'arranger ainsi: on tracera les heures transversalement sur la colonnette, d'après l'analemme, et l'on gravera sur elle les lignes des mois. Cette colonne devra pouvoir pivoter de façon que, par rapport à la figurine et à la baguette - baguette que tient la figurine pour indiquer les heures en s'élevant -, elle puisse, par sa rotation régulière, rendre compte pour chacun des mois qu'elle porte de la durée, courte ou croissante, des heures..."

  Ktésibios aurait, pour régler le débit de l'eau, inventé le carburateur avant la lettre grâce à un système de cône flotteur qui obstrue l'arrivée d'eau dans un autre cône quand le niveau d'eau monte.

 II aurait  régulé le débit de l'eau à l'aide d'un flotteur G qui vient obstruer momentanément l'arrivée d'eau lorsqu'elle monte trop haut dans le compartiment BCDE. Lorsque le niveau d'eau descend dans cette partie, le flotteur descend et libère l'arrivée d'eau.

 L'autre version ne mentionne pas l'existence de ce flotteur régulateur mais celle de l'existence d'un système destiné à régler le débit en fonction des heures inégales. Rees précise même que ce système serait antérieur à Ktésibios.Le problème du débit aurait été réglé en maintenant constant le niveau d'eau du premier récipient à l'aide d'un trop plein. La seule innovation de l'horloge hydraulique de Ktésibios serait donc ce tambour vertical tournant sur lequel une figurine désigne l'heure exacte.

 Selon la seconde version, l'eau arriverait par un tuyau H et tomberait dans un premier réservoir conique en forme d'entonnoir.

 Le trop plein d'eau serait évacué par un tuyau I positionné de façon à maintenir le niveau d'eau constant dans le réservoir.

 Un autre cône en métal plein serait maintenu dans le premier et pourrait être déplacé par une règle indexée D. Le fait de rapprocher un cône de l'autre aurait pour effet de diminuer le débit de l'eau et donc de limiter la quantité de liquide qui arrive dans le réservoir principal pour les jours les plus courts.

 Le déplacement de l'index doit se faire deux fois par jour : une fois au lever et une autre fois au coucher du Soleil pour respecter les heures inégales.

Autres types d'horloges décrits par Vitruve

  Le débit de l'eau est régulé pour donner les heures inégales

 Une horloge anaphorique où les heures sont données sur un analemme (le cercle à droite de l'horloge) qui n'est autre qu'une projection de la sphère céleste comme sur les astrolabes. Le débit de l'eau n'est pas régulé.

 Une horloge à Tympan où le passage de l'eau est régulé en tournant journellement le disque qui est en bas (normalement en position "poussée") constitué de deux plateaux d'épaisseur variable.

 L'horloge de Su Song

En 1092, un Chinois du nom de Su Song construit au palais impérial de Khaifeng une immense horloge dans une tour de bois de 3 étages de 3 mètres chacun. L'engin est plus une horloge astronomique qu'un instrument destiné à donner l'heure. En effet, son mouvement complexe anime une sphère armillaire et un globe céleste en parfaite synchronisation avec les mouvements des étoiles du Soleil et de la Lune. Face à la tour, dans une pagode, des personnages animés sonnent des cloches et autres objets bruyants.

 En 1126, l'horloge est démontée par les Tartares et emportée à Pékin. Au XIV ème siècle, elle fut détruite quand la dynastie Ming envahit Pékin.

La grande roue au centre de la construction est le premier échappement connu.

 Le système d'échappement de la machine de Su Song.

 Ce mécanisme est dénommé échappement car il laisse échapper une "dent" à chaque impulsion, en l'occurrence le remplissage d'un godet. Ainsi, un écoulement continu d'eau est transformé en mouvement discontinu de la roue.

 Yi Xing et un ingénieur chinois, Liang Ling-Tsan  auraient, eux aussi, fabriqué une horloge hydraulique astronomique.