Horloge de Shortt

Réseau de synchronisation au début du XX^e siècle : une horloge mère produit des impulsions électriques qui actionnent les autres horloges.

En 1895, les horlogers Frank Hope Jones et George Bennett Bowell fondent la société Synchronome, dans le quartier londonien de Clerkenwell, où sont réunis nombre d'entreprises et d'artisans de ce domaine. Elle produit des horloges de précision, principalement des horloges mères pour les besoins des compagnies ferroviaires[1]. En effet à cette époque, les opérateurs ferroviaires sont d'importants donneurs d'ordres pour l'industrie horlogère, car ils ont besoin d'une excellente synchronisation des horloges utilisées par tous les maillons de leur réseau pour éviter les risques de collision[2].

Les horloges-mères produites par Synchronome et par ses concurrents sont électromécaniques. La plupart utilisent des électroaimants pour relancer le mouvement du pendule, en remplacement du poids suspendu à un fil qui constituait la source d'énergie des horloges traditionnelles. En outre, elles possèdent un moyen de traduire leur mesure du temps sous forme d'impulsions électriques, qui permettent de synchroniser des réseaux d'horloges filles, ou de confronter des horloges entre elles[3].

William Hamilton Shortt, né en 1881, fait ses études au Christ's College, puis est employé par la London and Southwestern Railways en 1902, comme apprenti. Pendant ses années au sein de cette entreprise, il met au point, vers 1908, un nouveau type de tachymètre ferroviaire, et commence, à cette occasion, à s'intéresser à l'horlogerie. Dans les années suivantes, il travaille avec l'entreprise Synchronome, et de cette collaboration naît la nouvelle horloge mère. Lorsque la première horloge de Shortt est installée à l'Observatoire royal d'Édimbourg en 1921, ses performances sont telles que les commandes affluent. Shortt rejoint définitivement l'entreprise Synchronome (il en devient même par la suite président). Outre le prototype, 99 horloges de ce type sont produites[4].

Shortt n'a pas inventé un nouvel organe régulateur : il a poussé à la perfection le pendule, organe régulateur proposé trois siècles plus tôt par Galilée et mis en œuvre par Huygens[5]. Les horloges Synchronome antérieures à pendule unique possédaient un mécanisme d'entretien du mouvement du balancier, jouant le rôle de remontoir, par la chute, à chaque rotation de la roue d'échappement, d'un levier qui vient donner une impulsion au pendule, puis est remis en place par l'action d'un électroaimant ; ce mécanisme a été breveté en 1915[6].

L'horloge Shortt-Synchronome à balancier libre comprend, elle, deux pendules. Le pendule primaire (ou maître) fonctionne sous vide et est libre de toute connexion mécanique, ce qui permet une précision bien meilleure. Le balancier secondaire (ou esclave) actionne effectivement l'horloge. Il est doté d'une version améliorée du mécanisme d'échappement , qui, en plus de son rôle de remontoir, assure aussi l'asservissement au pendule primaire. Les deux pendules sont suffisamment éloignés, ou placés dans des plans orthogonaux, pour éviter tout couplage entre eux[7].

Asservissement

Éléments techniques. (1) bras du pendule secondaire, (2) roue d'échappement, (3) pièce de transmission pour l'entretien, (4) pêne du levier, (5) galet, (6) contact électrique, (7) électroaimant, (8) levier, (9) roue, (10) électroaimant, (11) électroaimant, (12) ressort-lame, (13) palette.

Toutes les 30 secondes, à chaque rotation de la roue d'échappement (2) liée au pendule secondaire, s'active le mécanisme d'entretien et d'asservissement. D'abord, une tige solidaire de la roue d'échappement vient décrocher le pêne (4) qui maintenait en place le levier en équerre, qui tombe sous l'effet de son propre poids. Ce levier porte le galet (5) qui vient appuyer sur la pièce (3) solidaire du bras (1) du pendule esclave. C'est un apport d'énergie, qui entretient le mouvement. Le chute du levier vient aussi actionner l'interrupteur (6), fermant un circuit électrique. Alors, un même courant électrique passe dans les électroaimants (7) et (10), montés en série. L'électroaimant (7) provoque la remontée du levier et la remise en place du pêne, ce qui prépare le prochain cycle[11].

Au même instant, dans le bâti sous vide, l'électroaimant (10) provoque la chute du levier (8) qui vient relancer le pendule primaire, en exerçant une légère pression sur la roue (9). L'apport d'énergie est minime, car le pendule primaire perd très peu d'énergie : son facteur de qualité est de 110 000. Le contact mécanique ne dure que 0,3 seconde, le pendule primaire est donc parfaitement libre 99 % du temps[17]. Une fois sa course terminée et le pendule écarté, le levier déclenche le mouvement du marteau qui remet en place le mécanisme du levier et ferme alors un deuxième contact électrique, faisant passer un courant dans l'électroaimant (11), lequel provoque un mouvement du ressort-lame (12). Alors, deux cas de figure sont possibles, définissant la procédure d'asservissement que Shortt appelle (en) hit and miss. Si le pendule secondaire est en retard par rapport au pendule primaire, une petite impulsion mécanique lui est donnée quand la lame (12) percute la palette (13), ce qui accélère son mouvement. La durée de cette oscillation est alors réduite d'environ 1/240^e de seconde, c'est un hit. Si le pendule secondaire est en avance, il n'est pas relancé, c'est un miss. Le pendule secondaire prend 1/480^e de seconde de retard par période de 30 secondes (six secondes par jour), si bien que les deux situations sont à peu près équiprobables : il y a approximativement une alternance de hit et de miss. Ce système garantit qu'en moyenne, le pendule secondaire maintient le même rythme que le primaire, il peut être considéré comme une forme électromécanique de boucle à phase asservie[11].

L'horloge de Shortt est un instrument scientifique coûteux et complexe à entretenir, elle n'est jamais produite en grand nombre. Le premier exemplaire de série, après le prototype d'Edimbourg, est utilisé à partir de 1923 à l'Observatoire de Greenwich[18].

Ce dernier, qui fait autorité en matière de mesure du temps, possède au total huit horloges de Shortt, dont cinq sont réglées au temps sidéral et trois au temps solaire moyen. À partir de 1927, un émetteur radio est utilisé : il émet des signaux de synchronisation provenant d'une des horloges de Shortt, pour donner une référence de temps utilisable partout. À partir de 1938, le signal de toutes les horloges est moyenné pour obtenir une référence encore plus précise[11].

Auparavant, la référence absolue de mesure du temps était la rotation de la Terre. L'horloge de Shortt, pour la première fois, est plus précise que la rotation de la Terre, et elle permet de prouver que celle-ci accélère ou ralentit très légèrement au cours de l'année, sous l'effet de la marée solide[19].

La Pologne a acheté cinq exemplaires pour équiper ses observatoires. L'une d'elles, portant le numéro 98, est toujours en fonctionnement au XXI^e siècle à l'observatoire astronomique d'Olsztyn[20].

En 1929, l'inventeur américain Alfred Lee Loomis, connu principalement pour avoir créé le système de radionavigation aéronautique LORAN, a fait l'achat de trois horloges de Shortt. Il les a payées 240 livres sterling chacune[21] - [22].

Oscillateur à quartz confronté à l'horloge de Shortt.

La fréquence d'un pendule simple est proportionnelle à ${\displaystyle {\sqrt {g}}}$, g étant la valeur de l'accélération de la gravité. Ainsi, mesurer la dérive d'une horloge à pendule est un moyen indirect de mesurer l'accélération de la gravité. Cela nécessite bien sûr de pouvoir comparer la marche de l'horloge à une référence qui n'est pas influencée par la gravité (et pour cela ne fonctionne pas avec un pendule). C'est cette méthode (avec un pointage astral comme référence) qui a permis, en 1672, en mesurant la différence de gravité entre Paris et Cayenne, de prouver que la Terre n'était pas parfaitement sphérique[23]. L'accélération de la gravité varie (au septième chiffre significatif[17]) selon la position apparente de la Lune et du Soleil, ce qui cause les marées. En 1928, le géophysicien britannique Harold Jeffreys calcule l'influence que chacun des termes de marées peut avoir sur une horloge à pendule[23].

L'horloge de Shortt est si précise qu'elle a permis de mettre en évidence cette variation. Alfred Loomis décide de procéder à l'expérience, et la finance lui-même. Il possède trois horloges de Shortt dans son laboratoire personnel à Tuxedo Park. Il établit une connexion électrique dédiée avec le laboratoire Bell Labs, où l'ingénieur Warren Marrison dispose d'une référence non influencée par la gravité : un oscillateur à quartz de son invention. L'oscillateur à quartz envoie un signal électrique toutes les millisecondes. Pour comparer les signaux, un enregistreur a été développé : une bande de papier avance lentement dans un appareil, qui enregistre les instants d'intérêt en produisant des étincelles qui marquent le papier. Un signal à 10 Hz est enregistré, sous-échantillonné à partir du signal à 1 000 Hz du quartz. Par ailleurs, les signaux venant de la régulation des trois horloges de Shortt (toutes les 30 secondes) sont aussi enregistrés sur le même support. L'expérience dure 147 jours. Le dépouillement des résultats montre la différence de marche entre l'horloge de Shortt et le quartz sur la période de 23 h 37 du mouvement apparent de la Lune : les horloges prennent de l'avance ou du retard selon que la gravité de la Lune s'ajoute à la gravité terrestre ou s'en soustrait, suivant les prévisions de Jeffrey. La fluctuation totale est de moins de 500 µs[23].

En 1984, l'ingénieur Pierre Boucheron obtient l'autorisation d'utiliser une horloge de Shortt conservée au musée de l'US Naval Observatory pour mesurer sa précision, en la comparant à une horloge atomique. Pour mesurer directement le mouvement du balancier primaire, il utilise une méthode optique : un faiseau lumineux est envoyé vers le bras du balancier ; à chaque oscillation du pendule, deux photodétecteurs sont successivement excités par la lumière réfléchie, activant un circuit électronique de comptage (qui active aussi, toutes les 30 secondes, le mécanisme d'entretien). Il ressort de ces tests que la dérive de l'ancienne horloge est de l'ordre d'une seconde tous les douze ans, précision meilleure que les estimations contemporaines[23] - [24].

Le prototype est exposé au musée national d'Écosse[25]. Trois des horloges de Shortt de l'observatoire royal de Greenwich sont conservées, mais ne sont pas exposées[26] - [27] - [28].

Aux États-Unis, on peut voir l'horloge n^o 32 au musée du National Institute of Standards and Technology. Cet exemplaire a été l'horloge de référence pour tout le pays[29].

Deux des horloges polonaises ont été préservées et exposées : la n^o 14 au Główny Urząd Miar (office central des mesures polonais), la n^o 30 à l'observatoire de Poznań[20]. La n^o 8 est visible en Australie, au Powerhouse Museum de Sydney[30]. La n^o 5 est conservée en réserve dans un autre musée australien, à Melbourne, elle n'est pas exposée[31].

L'horloge astronomique à pression constante Leroy est utilisée en France à la même époque que l'horloge de Shortt. Elle est légèrement moins précise que cette dernière, mais beaucoup plus simple dans sa conception[32] - [23].

L'horloge de Fedchenko est une horloge à pendule libre mise au point en 1958 en URSS. Elle n'a plus besoin de pendule secondaire, le mouvement du pendule libre est directement détecté par un couplage électromagnétique, et totalisé par un circuit électronique qui remplace ainsi l'échappement. Elle pourrait, selon certaines sources, être encore plus précise que l'horloge de Shortt, mais l'écart est de l'ordre de la variabilité individuelle entre exemplaires. À cette époque, il existe déjà des horloges atomiques, l'horloge de Fedchenko n'est donc jamais utilisée comme horloge de référence, mais uniquement pour la gravimétrie[33].