Mesure du temps (partie 1)
Découpage de cette étude
Introduction et Page 1 : Instruments d'avant l'écriture.
Page 2 : Instruments d'observation des ombres. (Cette page)
Page 3 : Instruments d'observation des astres.
Page 4 : Instruments avec écoulement ou combustion.
Page 5 : horloges et instruments modernes.
LES INSTRUMENTS D'OBSERVATION DES OMBRES
Inutile, je pense, de vous dire que cette page sera essentiellement consacrée aux cadrans solaires dans l'acception la plus large de ces termes sans perdre de vue que notre but est de suivre l'évolution des instruments de mesure du temps. Il n'est ni de faire l'inventaire des cadrans solaires dans le monde ni de savoir comment on les construit.
Nous ferons quand même une petite entorse au titre de cette page en y incluant les instruments basés sur l'observation d'un point lumineux ou d'une tache lumineuse.
Dernière précision avant de poursuivre notre étude : si vous avez oublié vos notions d'astronomie, je vous conseille d'aller vous rafraîchir les idées ici. C'est fait ? Alors, c'est parti pour un voyage au royaume des ombres.
LES CADRANS SOLAIRES
Quand le bâton devient gnomon
Plantons un bâton verticalement dans le sable d'une plage plane. Je dis plage parce que c'est plus facile à faire mais si vous voulez planter ce bâton dans la dalle en béton de votre terrasse, je n'y vois aucun inconvénient.
Maintenant, observons l'ombre de ce bâton produite par le soleil sur le sable et marquons l'extrémité de cette ombre à différentes heures de la journée. Et nous venons de réussir notre premier tour de magie : le bâton s'est transformé en gnomon.
Pendant que nous en sommes là, terminons en une fois pour toute avec la définition du gnomon :
- Gnomon (lat. Gnomon, du grec) sm. : Espèce de grand style dont les astronomes se servent pour connaître la hauteur du soleil. L'aiguille ou style du cadran solaire. Littré
- Gnomon (1547, mot latin du grec) : Ancien instrument astronomique composée d'une tige verticale (style) faisant ombre sur une surface plane.Le Petit Robert
GNOMON. s. m. Terme d'Astronomie. Espèce de grand style dont les Astronomes se servent pour connaître la hauteur du Soleil, principalement au Solstice. Les Gnomons des Anciens étaient des espèces d'obélisques surmontés d'une boule.
On appelle aussi Gnomon, Le style d'un cadran solaire. Dictionnaire de l'Académie française, 5 ème édition 1798
GNOMON. n. m. T. d'Astronomie. Tout instrument qui marque les heures par la direction de l'ombre qu'un corps solide porte sur un plan ou sur une surface courbe. Dictionnaire de l'Académie française, 8ème édition (édition actuelle)
J'ajoute que gnomon vient du grec et signifie indicateur.
Bref, le gnomon est parfois le "bâton", parfois "l'instrument ". Quel instrument ? faisons simple et disons qu'il est composé d'un faiseur d'ombre et d'un récepteur d'ombre.
La tendance actuelle est de nommer gnomon un style (faiseur d'ombre) droit et style un gnomon incliné. A moins que le gnomon soit un style incliné !! Pour notre part, nous appellerons simplement style l'objet qui produit l'ombre.
Quelle différence entre un gnomon (au sens de "instrument") et un cadran solaire ? Souvenons nous de cette vieille devinette éculée, "quelle est la différence entre le tennis et le ping pong ?". Au tennis, on joue sur la table !! Le gnomon instrument est au cadran solaire ce que le tennis est au tennis de table. D'ailleurs on appelle table le "récepteur d'ombre" en gnomonique (art de construire des cadrans solaires) ou chez les cadranistes (constructeurs de cadrans solaires).
Bon. Mine de rien, j'ai casé toutes mes définitions (ou presque) et nous pouvons en venir aux choses sérieuses.
Retournons à notre bâton et observons bien, sur une journée, son ombre portée sur le sable. Nous constatons que cette ombre varie aussi bien en position qu'en longueur. Lorsque l'ombre est la plus courte, il est midi et le soleil indique le sud dans l'hémisphère nord (ne dit-on pas qu'on descend dans le midi ?).
Sur plusieurs années, on peut constater qu'une ou deux fois par an l'ombre de la pointe du gnomon dessine une ligne droite durant une même journée. L'ombre au lever et l'ombre à midi forment un angle de 90 degrés. Idem pour le soir ou le soleil se couche exactement à l'ouest. Ce sont les jours de l'équinoxe.
Il suffit de repérer sur le sable ou ailleurs ces moments privilégiés pour avoir marqué les équinoxes, midi, le sud, l'est et l'ouest.
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Considérons comme plat l'endroit où nous sommes avec notre bâton. En nous tournant sur nous-même, nous parcourons visuellement un cercle qui correspond à l'horizon et le ciel ressemble à une demi-sphère. Représentons un peu cette situation dans un dessin.
| Nous sommes au centre O du cercle constitué par l'horizon. A la verticale du bâton se situe un point Z qui est le zénith. À l'opposé N se situe le nadir. Le demi plan passant par la droite ZN et par le soleil S s'appelle le vertical de S. Il coupe notre cercle horizontal en S'. Sur ce même plan horizontal, nous avons déterminé un point R en direction du sud. On appelle azimut de S l'arc RS' (angle S'OR) et hauteur l'arc SS' (angle SOS') Comme nous l'avons vu plus haut, azimut et hauteur varient tous deux en permanence en dépendant de la latitude du lieu, de la déclinaison du soleil (date) et de l'heure. |  |
Si, pour un lieu donné, nous tenons compte de la position de l'ombre entière pour mesurer le temps, nous allons construire un gnomon azimutal.
Si, on contraire, nous tenons compte de la longueur de l'ombre en marquant sa pointe, nous allons construire un gnomon de hauteur.
De tels gnomons existent au moins depuis 2 000 ans avant notre ère. Mais ils sont certainement plus anciens surtout si on ne tient pas compte de la distinction entre instrument de mesure et instrument d'observation.
Il aurait existé en Inde, dès le IV ème siècle av. J.-C. des tables d'ombres basées sur le principe du gnomon de hauteur où le style était l'individu lui-même. Il suffisait de mesurer l'ombre d'un individu et, à l'aide de la table, de connaître l'heure. Le premier cadran portatif !
Gnomon et obélisques
Nous venons de voir que l'observation de l'ombre portée d'un simple bâton suffit à commencer à se repérer dans le temps. Avant d'aborder les problèmes posés par le style vertical, posons nous clairement cette question qui nous trotte dans la tête : puisqu'un objet vertical peut nous servir à construire un "cadran solaire", les obélisques égyptiens n'étaient-ils pas les styles de cadrans solaires ?
C'est très peu probable pour différentes raisons :
- Aucune marque trouvée de repères sur le sol
- Hauteur immense (10 à 20 mètres) portant des ombres jusqu'à 200 mètres ou plus (dont l'extrémité est floue)
- Section carrée qui donne des ombres à mouvements saccadés.
- Section inégale tout au long de la hauteur (arêtes inclinées).
Avec de tels instruments, on peut tout au plus repérer les solstices et les équinoxes avec plus ou moins de bonheur. Ce serait faire insulte à l'intelligence des Égyptiens de l'époque que de penser qu'ils n'auraient pas utilisé d'autres moyens plus fiables s'ils en avaient connu le principe.
Ceci dit, au moins un des obélisques égyptiens a été construit en cadran solaire. Fut-il utilisé comme tel ? Il le fut à Rome, dans la partie septentrionale du Champ de Mars, provenant d' Héliopolis, amené en 10 av. J.-C. sur ordre d'Auguste et érigé au V ème s. av. J.-C.
à gauche : reconstitution
(Photo D. Lauvernier)
à droite :
Aujourd'hui l'Horologium sur la Piazza Montecitorio.
(Photo M. Royo)
Polos et scaphé
Comme nous l'avons vu plus haut, l'azimut et la hauteur dépendent de trois variables qui sont la latitude du lieu, la déclinaison et l'heure. Pour un cadran d'azimut, sauf à midi, l'ombre de notre style vertical ne sera jamais dans la même direction. Pas question donc de diviser notre cadran en parties égales fixes pour mesurer les heures.
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| Si, avec un style droit, l'ombre du bâton est toujours au même endroit à midi (image du haut) , il n'en est pas de même pour les autres heures du jour (image du bas) |
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Pour un cadran de hauteur, la pointe de l'ombre ne sera jamais au même endroit. Pas question donc de tracer une ligne et d'y marquer les heures.
Le scaphé va nous aider à régler ce problème. Il daterait de près de 3 000 ans mais comme les premiers instruments connus avec certitude datent de 600 ans av. J.-C. en Grèce, nous retiendrons plus modestement cette date. Nous ne parlerons pas de leur ancêtre le Polos qui, bien qu'ayant certainement existé, ne nous est pas parvenu.
Le principe du scaphé est aussi simple que remarquable : représenter la demi-sphère céleste que nous voyons sur notre plage de sable dans une demi-sphère creusée (scaphé signifie barque) dans un bloc de pierre et représenter le soleil par l'ombre portée d'un boule placée en son centre. Après, il ne reste plus qu'à tracer quelques lignes pour nous permettre de mesurer le temps.
Il y eu deux sortes de scaphé : le scaphé grec où la demi-sphère est entière et le scaphé romain qui ne comporte qu'une partie de la demi-sphère. Nous verrons que le principe est le même et que tronquer la demi-sphère ne change rien à son utilisation.
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| A gauche : Scaphé grec. Au centre : principe du scaphé grec. A droite : Scaphé romain | ||
Du fond du scaphé grec s'élève un style droit en direction du zénith du lieu. Il est souvent terminé par une boule. A l'intérieur de la sphère, côté nord, les grecs gravaient trois lignes parallèles représentant les deux solstices (2 lignes) et les deux équinoxes (1 ligne). Puis les heures étaient matérialisées par 11 lignes plus les deux bords du scaphé qui vont découper la demi-sphère en 12 tranches.
Comme, bien entendu, l'ombre de la boule évoluera forcement entre les deux lignes extrêmes représentées par les deux solstices, on comprend pourquoi les romains se sont contentés d'une demi-sphère tronquée à la limite de ces deux lignes. Autre changement caractéristique du Scaphé romain : le style est horizontal au dessus de la ligne de midi ce qui permet d'utiliser toute son ombre comme indicateur.
Le scaphé, instruments de mesure du temps ? On peut répondre OUI à la question même s'il n'indique pas l'heure avec précision. Il permet à tout le moins de se positionner dans l'année (saisons) et la partie du jour.
Notons aussi l'invention par les Grecs Eudoxe de Cnide et Apollonios de l'Arachné, un cadran d'azimut dont les courbes horaires dessinées sur la table rappellent une toile d'araignée, d'où son nom. Cette découverte remonterait aux environs de 400 av. J.-C.
Un tournant décisif : le style polaire
Reprenons notre bâton du début mais, cette fois, au lieu de le planter verticalement, faisons le pointer vers l'étoile polaire. Il est donc parallèle à l'axe de la terre ou ligne des pôles. Que se passe-t-il avec l'ombre portée ?
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| Avec un style polaire, l'ombre du bâton est toujours au même endroit à midi (image du haut) , comme aux autres heures du jour (image du bas) |
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Cette fois, l'ombre de notre bâton, si elle toujours variable en longueur, est toujours à la même position quel que soit le jour de l'année.
| Pourquoi ? Parce que, cette fois, nous sommes dans un système de coordonnées horaires. La perpendiculaire en O à ce plan constitue la ligne des pôles PP'. Le plan formé par cette ligne et la ligne ZN (verticale du lieu) constitue le plan du méridien du lieu O. L'arc ES' (ou angle EOS') est l'angle horaire de S Le cadran à style solaire mesure l'angle horaire qui ne dépend pas de la date. |  |
Nous n'allons pas voir par le détail tous les types de cadrans à style vertical possibles. Cette partie de la gnomonique sort du cadre de notre étude.
Il suffit que nous sortions de chez nous pour nous rendre dans les villes et villages proches et ce serait bien une malchance si nous ne découvrions pas, sur la façade d'une maison ancienne ou d'une église un cadran à style polaire. Ce sont, en effet, les plus nombreux. Attention quand même à ne pas les confondre avec des cadrans canoniaux (voir plus loin).
De quand datent les premiers cadrans à style polaire ?
Difficile de répondre avec précision. Le polos était-il un scaphé à style polaire comme son nom semble l'indiquer ? Certains le pensent mais nous n'en avons aucune certitude.
A défaut, nous allons faire remonter le style polaire à 300 av. J.-C. qui correspond à l'âge d'un cadran grec à style polaire découvert en 1975 en Afghanistan. Cette date correspondrait avec celle des expéditions d'Alexandre le Grand.
On ne les voit apparaître que beaucoup plus tard en Europe puisque le plus ancien date seulement de 1477. Il se trouve sur un cloître à Alpirsbach en Forêt noire.
Le plus ancien connu en France est celui de la cathédrale de Strasbourg et daterait de 1493.
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