L'astronomie en long et en large

( 01/2003 IUFM Livry-Gargan, Marie-Lise Lopez)

  1. Histoire de l'astronomie :

    De tous temps les hommes scrutèrent le ciel et les astronomes furent considérés comme des êtres à part capables de décrypter les mystères de la Nature. L'astronomie dit-on nous vient des bergers et se préoccupait surtout du lever et coucher du Soleil. Les progrès de l'astronomie babylonienne eux viennent du besoin d'établir un calendrier luni-solaire. L'Egypte continua cette lente maturation en nous léguant tout de même, grâce à l'un de ses calendriers, l'année égyptienne : 365 jours qui se répartissent en 12 mois de 30 jours auxquels s'ajoutent en fin d'année 5 jours, les mois étaient regroupés en trois saisons : les mois de l'inondation, les mois de la germination et les mois de la récolte. Puis vint le temps des présocratiques avec Thalès et l'école de Millet dont il ne nous reste quasiment rien sauf les témoignages d'Aristote, ainsi que Pythagore et l'école de Crotone vers 530 av. J.C. où l'on étudia les liens entre astronomie et mathématiques. Ce sont les premiers à suggérer que la Terre est sphérique , parce que " la sphère est la plus belle de toutes les figures solides ". Mais c’est Aristote (IVème s ; av. J.C.) qui, le premier, donne dans son " Traité du ciel " des arguments pour justifier cette théorie : la forme circulaire de l’ombre projetée par la Terre sur la surface de la Lune lors des éclipses de Lune ; le fait qu’un voyageur se déplaçant du Nord vers le Sud voit disparaître certaines constellations tandis que de nouvelles s'élèvent ; enfin la Terre doit être sphérique pour des raisons de symétrie et d’équilibre.

    Enfin Socrate et l'école d'Athènes avec pour première trace de l'astronomie grecque : Méton et son "cycle" ou "période de 19 ans" dont la Grande Année de Platon qui au bout de 76000 ans ramène toutes les âmes au même point de départ . Au temps de Platon on s'intéresse au mouvement des corps célestes qui doivent être circulaires, uniformes et réguliers. Hipparque arrive jusqu'à nous grâce à sa découverte de la précession des équinoxes, c'est lui qui va poser les jalons d'une astronomie géométrique dont l'œuvre de Ptolémée sera l'aboutissement.

    Ptolémée était grec mais vivait à Alexandrie en Egypte. Pendant 1500 ans son oeuvre "L'Almageste" donnera la définition de l'astronomie. On l'admirait parce qu'à tout moment il pouvait établir les positions des cinq planètes visibles à l'oeil nu, du Soleil et de la Lune. Pour chacune des planètes il se basait sur des modèles géométriques composés de cercles ensuite convertis en tables mathématiques. Ces tables furent utilisées jusqu'au Moyen-Age, en Europe les plus célèbres étaient les tables alphonsines.

    Quel était le système de Ptolémée : chaque modèle planétaire est expliqué séparément, avec des dimensions arbitraires et sans tenir compte de leurs distances à la Terre. La Lune était aussi considérée comme une planète. Ptolémée imaginait l'Univers composé d'un ensemble de huit sphères ( ou orbes) entourant la Terre placée au centre = géocentrisme ( géo = terre) : les sphères de la Lune, de Mercure, Vénus, du Soleil, de Mars, Jupiter, Saturne, et celle des étoiles fixes ( le firmament).

    Au XVIème siècle, sous la tutelle d'un oncle maternel, évêque du primat de Pologne, un certain Nicolas Copernic étudie dans les meilleures universités le droit canon, les mathématiques, l'astronomie et la médecine à l'université de Padoue. Devenu chanoine de la cathédrale de Frombork et brillant médecin, il n'a que peu de temps à consacrer à l'astronomie, ce qui ne l'empêchera pas de publier en 1543 son oeuvre majeure " De Revolutionibus coelestium".

    Véritable révolution, Copernic abandonne l'hypothèse d'emboîtement et donc l'idée d'une Terre placée au centre. Il introduit un système plaçant le Soleil au centre = héliocentrisme ( hélios = soleil) et imagine un Soleil fixe et une Terre qui tourne autour d'un axe dans un mouvement diurne et se déplace autour du Soleil. Les planètes seraient ordonnées selon leur période de révolution autour du Soleil. Il réaffirma aussi l'idée rejetée par Ptolémée, d'un mouvement circulaire uniforme.

  1. Dans les années qui suivirent cette publication, "De Revolutionibus" fut souvent lu mais peu de scientifiques s'intéressèrent vraiment à ces nouvelles idées. Cependant, une dizaine de ses lecteurs seront de fervents adeptes du "De Revolutionibus", parmi lesquels Johannes Képler, Giordano Bruno, Galileo Galilei, mais ce petit groupe était tellement disparate et éclaté que chacun se croira isolé. A cette époque les demandes en astrologie imposaient de disposer d'éphémérides et de tables astronomiques les plus précises possibles afin d'obtenir des prédictions planétaires les plus favorables, seule cette contrainte éveilla un intérêt pour le livre de Copernic qui semblait pouvoir permettre des calculs plus justes. Jusqu'en 1570, l'héliocentrisme de Copernic ne trouva aucun autre soutien.

  2. De nouveaux systèmes virent le jour entre celui de Ptolémée et celui de Copernic. Le plus célèbre étant le système géo-héliocentrique de Tycho Brahé qui plaçait bien le Soleil au centre de toutes les planètes, mais la Terre n'en était pas une. Elle était immobile et constituait le centre de révolution du Soleil.

    Puis de 1570 à la fin du XVIème siècle, il y eut plusieurs modèles en compétition et c'est à cette époque qu'apparurent de nouveaux coperniciens qui ouvrirent la voie à Képler. C'est aussi dans la deuxième moitié de ce siècle que l'on fait la part belle aux observations astronomiques. Tycho Brahé obtiendra, par exemple, du roi du Danemark, l'île Hven et de quoi y construire un observatoire ainsi qu'un atelier de fabrication d'instruments. Il multiplie ses expériences et travaille sur les viseurs, sur la précision des instruments en essayant d'utiliser les horloges comme intruments de mesure. Encore imprécises, il les abandonne au profit des arbalestrilles, cercles, quarts de cercles, sextants...(cf plus loin). Toutes ces observations conduiront à confirmer le système copernicien avec notamment celles de Galilée avec sa lunette. Au XVIIème siècle une nouvelle génération d'instruments optiques resserre les liens entre cosmologie et observation.

     De par leur statut et leur rôle d'éducateur d'une élite sociale et politique, les Jésuites ne pouvaient être qu'anti-coperniciens. Ils devaient se conformer au décret de l'Index de 1616 suspendant la circulation du livre de Copernic jusqu'à ce qu'il soit corrigé, et à la condamnation de celui de Galilée. Peu après la fondation de leur Compagnie par Ignace de Loyola en 1540, ils se posent en candidats au rôle d'élite éducative. Certaines considérations les amènent à élargir la base de leur contrat éducatif. Vers la fin du XVIème siècle, ils contrôlent des centaines de collèges en Europe et dans les colonies, et définissent leur rôle d'éducateur et les contenus à transmettre. H. Nadal, un des fondateurs, distingue deux voies par lesquelles l'ordre peut atteindre son objectif : adorer Dieu, la première passe par les sacrements, la prière,la contemplation, la seconde par l'étude et la connaissance. Ainsi le discours des Jésuites, n'exclut pas des déviations, elles peuvent être présentées et discutées, sans toutefois être interprétées ou défendues. Toutes idées ou théories non admises peuvent être transmises et acquièrent alors un étrange statut d'opinions " possibles". Cette politique d'ouverture fera toutefois l'objet d'un contrôle et vers 1600 les Jésuites instaurent leur censure interne. Un collège de réviseurs est donc chargé de contrôler la conformité de tous les manuscrits jésuites aux positions officielles. Cependant les théories coperniciennes si elles étaient prouvées, impliqueraient une réévaluation de la signification des passages concernés dans les Saintes Ecritures. Le copernicianisme peut certes être discuté comme hypothèse astronomique, mais il ne peut pas prétendre au degré de vérité atteint par la philosophie. Car les Jésuites ont une vision des sciences "mixtes", subordonnées au mathématiques puis, plus tard à la physique, et leurs thèses doivent être soumises au consentement de la communauté des philosophes qui s'opposait alors à leurs méthodes et rejetait leurs conclusions. Paradoxalement c'est ce mode de fonctionnement qui, tout en impliquant le rejet de la majeure partie du copernicianisme, permit les nouvelles découvertes des astronomes Jésuites et l'intégration d'innovations astronomiques à leur culture.

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  3. 2.Astronomie et mesures :

    Mais bien avant le 16ème siècle, les mouvements de la Terre étaient étudiés pour servir à la compréhension de sa géographie. Dès le IVème siècle, Pythéas partit en expédition géographique vers le Nord de l'Europe et mesura grâce au gnomon les latitudes de Marseille et Cadix, il décrivit aussi "un lieu où le Soleil ne s'était pas couché". Plus tard, Aristarque fut le premier héliocentriste en estimant que la Terre tournait autour du Soleil et n'était pas au centre du monde. Il fut bien sûr contesté et sagement ne chercha pas à défendre ses idées, l'héliocentrisme disparaît donc pour de nombreux siècles. La première mesure, " mère" de toutes les mesures astronomiques qui suivirent, fut la mesure du rayon de la Terre au IIIème siècle av. JC..De l’astronomie grecque on retient le nom d’Eratosthène , poète, grammairien, philosophe, géomètre, géographe et…astronome pour cette première mesure de la Terre. C’est dans le " De motu circulari corporum caelestium " ( " Théorie du mouvement circulaire des corps célestes ") de Cléomède, astronome grec, que l’on trouve le récit de cette expérience. Plusieurs acquisitions furent nécessaires à cette expérience, deux d’ordre intellectuel, une d’ordre technique : la connaissance de la sphéricité de la Terre, la relation d’égalité des angles alternes – internes, la connaissance d’un instrument de mesure adéquat.
    Les géomètres de l’époque savent qu’une droite coupant des droites parallèles forme des angles alternes – internes égaux. Les grecs ont emprunté aux populations agricoles du Néolithique, un instrument de mesure, ancêtre primitif du cadran solaire, le gnomon ( ou stylet) : c’est un bâton planté verticalement dont on mesure la longueur de l’ombre projetée par le Soleil qui varie en fonction de la position de l’astre. L’ombre la plus courte correspond au midi solaire, et si l’on mesure au cours de l’année la longueur de l’ombre quand le Soleil est au méridien on peut en déduire les dates des solstices : quand l’ombre est la plus courte c’est le solstice d’été, quand elle est maximale c’est le solstice d’hiver.

    Plusieurs versions de l’expérience diffèrent à propos de l’instrument utilisé : certains parlent de l’ombre de l’obélisque d’Alexandrie, d’autres d’un scaphé : un hémisphère creux ayant comme rayon le gnomon et comme centre la pointe du gnomon, " le gnomon projette dans le scaphé une ombre qui est l’image renversée mais exacte d’un arc céleste ". Eratosthène a donc calculé la mesure du rayon de la terre. Il pensait qu’Alexandrie, au Nord de l’Egypte, se trouvait sur le même méridien (donc à la même longitude) que Syène (aux environs de l’actuel barrage d’Assouan), ce qui n’est pas tout à fait exact. Il avait remarqué que le jour du solstice d’été à midi, il n’y avait pas d’ombre au fonds d’un puits à Syène car à ce moment là le Soleil est au zénith. Mais le même jour au même moment les bâtiments à Alexandrie ont une ombre. Il utilisa un gnomon (ou l’obélisque d’Alexandrie lui servit de gnomon) pour mesurer l’angle ainsi formé (gnomon/rayons solaires) il mesura environ 7°. Par simple géométrie (angles alternes-internes égaux) il put déduire que cet angle est aussi la différence de latitude entre les deux villes. Il savait aussi que les caravanes de chameaux évaluaient la distance entre Syène et Alexandrie à 5000 stades , mesure de l’époque. Une simple règle de trois lui permit de calculer la circonférence de la terre, soit un arc de cercle de 360° :

    Angle de 7° égal à un arc de cercle de 5 000 stades donc pour un angle de 360° l'arc de cercle sera de 257 000 stades Un stade vaut 157m environ, la circonférence de la Terre est donc de 40349km à comparer aux 40074km actuellement mesurés ! Connaissant la circonférence il est facile de calculer le rayon de la Terre : 40349 : 3,14 = 12838,85 / 2 = 6419 km

    Mesure actuelle : 6378 km !

    Ptolémée estimera la Terre plus petite, ramenant sa circonférence à 33 000 km dans son livre " La géographie", on dit que cet ouvrage influença Christophe Colomb pour atteindre les Indes en partant vers l'Ouest.

    Le début du christianisme entraîne un recul sur la représentation de la Terre, l'intérêt primordial étant le salut de l'âme, on n'a pas de temps à consacrer à la connaissance scientifique. De plus les chrétiens refusent les idées de la sphéricité de la Terre et des Antipodes habitées incompatibles avec le récit de l'Arche de Noé. On représentera pendant des siècles la Terre en O-T ( Orbis Terrarum) avec trois continents ( Noé ayant trois fils) séparés par la mer et le Nil. Cependant, tous les Chrétiens ne refusent pas ces idées et un tenant célèbre de la sphéricité fut Virgile qui, dénoncé au pape, se rétracta lui aussi. Dans le même temps, plus loin, en Extrême Orient, il en va autrement, les chinois organisent des expéditions géographiques pour cartographier la péninsule indochinoise avec des latitudes précises, l'étude de la culmination du Soleil, la hauteur de la Polaire, les distances entre les villes...Au IXème siècle à Bagdad le calife Al Mamûn ordonne plusieurs expéditions pour mesurer la Terre en marchant le long d'un méridien du désert syrien ( circonférence 40 250 km).

    Dans le monde chrétien il faudra attendre le XIIème siècle et les contacts avec les Arabes d'Espagne qui favoriseront l'acceptation de la rotondité de la Terre ainsi que la traduction de La Géographie de Ptolémée au XVème siècle. L'astronomie se met alors au service des navigateurs. Les Portugais sont certainement les plus aventuriers, le premier de ces célèbres navigateurs fut Bartoloméo Diaz qui mesure la latitude du Cap ( 1488) puis Vasco de Gama celle Sainte-Hélène ( 1497). mais c'est Magellan ( 1519-1522)et son tour de la Terre ( dont il ne reviendra pas) qui prouve à tous la sphéricité de la Terre. La navigation progressant de plus en plus la cartographie s'améliore aussi et les mesures de la Terre se précisent. Les échanges commerciaux par les mers demandent alors des routes précises et sûres. C'est pourquoi Philippe II désireux de rendre moins aventureuse la traversée entre l'Espagne et ses colonies et surtout le roi d'Angleterre vont se livrer bataille dans la recherche de la longitude qu'aucun marin ne sait calculer alors. Pour encourager les savants dans cette recherche des primes énormes seront mises en jeu ( 20 000 livres " la rançon pour un roi!"). Deux méthodes s'affrontent la fabrication d'horloges et l'utilisation de l'astronomie. C'est l'horloger John Harisson ( 1693-1776) qui gagnera ( voir plus loin) avec son horloge marine.

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3.Astronomie et instruments de navigation :

Les instruments de navigation servent à une chose : faire le point. Pendant longtemps se repérer en mer fut une entreprise difficile et souvent périlleuse. Faire le point donc, c’est être capable de déterminer sa latitude et sa longitude, savoir exactement où l’on est !

Revenons dans notre classe ; si j’enseigne la géographie je parle de latitude et de longitude, de repérage dans l’espace. Si je fais de l’astronomie je parle de latitude/longitude, de repérage, mais aussi de hauteur d’astres, d’angles, de déclinaison, de degrés, de minutes d’arc….bref de mesures. D'où cette "recherche" afin d'étudier d’un peu plus près le fonctionnement de ces instruments et leur possible utilisation dans une classe.

Après la navigation à l’estime fort périlleuse, vint le temps de la navigation en observant les astres. La détermination de la longitude ne fut résolue que dans la seconde moitié du XVIII ème siècle seulement, par John Harrison horloger et l’invention de son chronomètre. Celle, plus facile, de la latitude fut connue très tôt.

Il faut calculer la hauteur d’un astre (distance angulaire entre un astre et le plan de l’horizon) au-dessus de l’horizon à son passage au méridien ( on dit qu’un astre passe au méridien lorsqu’il est à sa plus grande hauteur au-dessus de l’horizon, lorsque l’astre et l’observateur sont immobiles) et d’y ajouter la déclinaison de l’astre (distance angulaire entre un astre et le plan de l’équateur).

La déclinaison se lit sur des tables précalculées pour la date et l’heure, la hauteur se mesure avec des instruments qui n’ont cessé de s ‘améliorer.

La méthode de calcul de la latitude et de la longitude ainsi que les tables de déclinaison pour l’année 2000 vous sont données dans le document joint : " Faire le point ".

Le premier instrument permettant de calculer la hauteur du soleil fut un gnomon (bâton planté verticalement dans un sol bien horizontal), Eratosthène et Gassendi en firent bon usage. Malheureusement les marins sont sur un pont plutôt mobile ! Il faut donc chercher des instruments qui puissent rester immobiles.

1/ Le bâton de Jacob (ou arbalète, rayon astronomique, arbalestrille…) :inventé en 1342 par l’espagnol Levy ben Gerson, dérivé du Kamaal arabe. Il fut l’instrument des découvreurs et permit à Vasco de Gama de mesurer sa latitude à une trentaine de kilomètres près, en corrigeant régulièrement sa position déduite de son cap et de sa vitesse. Il est formé d’une longue tige qui peut atteindre 1,20 mètres, sur laquelle coulisse une double équerre appelée marteau, il y en a souvent trois, de hauteurs respectives de 30cm, 15cm, 4cm. La tige est graduée en degrés. L’observation directe du soleil étant dangereuse on place un petit écran perpendiculaire à la tige à l’opposé de la visée. Dos au soleil l’observateur place son œil à l’extrémité de la tige et fait coulisser le marteau en en maintenant la pointe basse sur l’horizon jusqu’à ce que l’ombre de la pointe haute soit projetée sur l’écran dans l’alignement formé par l’œil, la pointe basse du marteau, l’écran et l’horizon. Il n’y a plus qu’à lire la graduation sur la tige. Pour le calcul de la hauteur d’une étoile, l’observateur, face à l’étoile, place son œil à l’extrémité de la tige et fait coulisser le marteau jusqu’au moment où il voit l’horizon sur la pointe basse du marteau et l’astre sur la pointe haute.

Cet instrument est très facilement réalisable en classe, mais le maniement est difficile et les mesures très approximatives ( il est difficile de placer l’œil sur le zéro de la graduation, à moins de s’éborgner !). Néanmoins ce peut être un début, et c’est de toutes façons très utile pour travailler la proportionnalité.

Bâton de Jacob, la mesure des hauteurs

2/L’astrolabe de mer : instrument d’origine portugaise, amélioré au début du XVIème siècle, c’ est un cercle, souvent en airain, lourd d’environ 6 kilogrammes pour se mettre à la verticale rapidement et ne pas être sensible au vent, et de 50cm de diamètre. Il est divisé en 4 parties de 90° chacune et comporte les déclinaisons . On le tient par un anneau. Une alidade (règle de métal pouvant tourner sur son axe et dont l’extrémité permet de lire des graduations) munie de deux pinnules (petite plaque percée d’un trou permettant la visée) aux extrémités pivote autour du cercle. On prend donc l’astrolabe par l’anneau jusqu’à se qu’il se mette bien à la verticale puis on le dirige de profil vers le soleil. On fait pivoter l’alidade jusqu’à ce qu’un rayon de soleil passe par les trous et que l’ombre d’une pinnule recouvre l’autre. Il n’y a plus qu’à lire ce qui est indiqué par l’alidade.

L’astrolabe présentait l’avantage de dispenser le marin de fixer directement le soleil, mais avait le gros inconvénient d’une lecture difficile, d’une verticalité capricieuse suivant le roulis et c’était un instrument cher.

3/L’anneau astronomique : c’est un anneau souvent en bois d’environ 50cm de diamètre. Il est muni d’une poignée. Près de celle-ci un trou en forme de cône est percé, l’angle de ce cône est droit, une de ses arêtes est verticale et l’autre est horizontale quand on tient l’anneau par la poignée. La face interne de l’anneau est graduée de 0° à 90° ( le 0 dans l’alignement de l’arête horizontale, le 90 dans celui de l’arête verticale). On oriente l’anneau de profil vers le soleil jusqu’à ce qu’un rayon passe par le trou et éclaire une des graduations du bord interne de l’anneau. Sa lecture est plus facile que celle de l’astrolabe, mais le rayon de soleil passant par le trou ne fait pas un point mais plutôt une tâche et il est tout aussi sensible au vent. L’anneau astronomique avait toutefois la préférence des marins car il était tout de même plus précis que l’ astrolabe et surtout moins cher à une époque où chacun devait avoir son matériel.

Anneau équinoxial

4/Le nocturlabe : était utilisé pour calculer la distance de l’étoile Polaire au pôle céleste et en déduire la latitude, ainsi que pour savoir l’heure locale en pleine nuit. Il est constitué d’un cadran stellaire en deux parties, l’une fixe indiquant les mois, l’autre pivotante en son milieu munie d’un repère pour indiquer la date  et comportant les heures; ainsi que d’une réglette elle aussi pivotante.

Le centre du cadran est percé d’un trou. Pour connaître l’heure, il fallait positionner la date grâce au repère, tenir le nocturlabe bien verticalement et faire coïncider le centre du cadran avec l’étoile polaire. Aligner la réglette sur les Gardes , Béta (b ) et Gamma (g ) de la Grande Ourse. La position de la réglette indique alors l’heure locale.

5/ Le quadrant (ou quartier) : Dérivé du quartier de Davis (ou quart de nonante), instrument qui n’a cessé d’être amélioré et préfigure les instruments encore utilisés de nos jours. Son amélioration majeure fut " le verre ardent " de Flamsteed qui permettait la visée lors des observations du Soleil. Il resta en usage jusqu’à la seconde moitié du XVIIIème siècle malgré la supériorité des instruments à double réflexion . Il est simplement constitué d’un quart de cercle muni d’une alidade (règle de métal pouvant tourner sur son axe et dont l’extrémité permet de lire des graduations). Le pivot de l’alidade est au centre du quadrant, point de croisement de deux tiges perpendiculaires rejointes par le limbe . L’alidade est munie de deux pinnules ainsi que la tige du bas. On vise l’horizon dans l’axe des pinnules du bas et, en faisant pivoter l’alidade, on vise l’astre à travers les pinnules de l’alidade. On fait tourner l’alidade jusqu’à ce que l’ombre de la pinnule haute recouvre la pinnule basse, on a ainsi la hauteur du soleil. Une version très simplifiée est réalisable en classe, en remplaçant l’alidade et les pinnules par une sorte de fil à plomb.

Quartier de Davis

Octant de Hadley

6/ L’octant : de Baradelle, amélioré par J. Hadley. Il facilite la mesure de hauteurs d’astres à la mer par la double réflexion et permet des mesures d’angles jusqu’à 100°. On lui préférera le sextant fonctionnant sur le même principe, ainsi l’octant disparaîtra peu à peu.

6bis/Le sextant  : inventé en 1731 par John Hadley, puis perfectionné à partir de 1732 par J.P. Granjean de Fouchy (issu du quadrant). Permet des mesures d’angles jusqu’à 120°.

Le sextant possède une lunette, deux miroirs, une alidade et un limbe ; l’astre est vu par double réflexion dans la lunette. Le petit miroir, face à la lunette, est constitué d’une partie réfléchissante et d’une partie transparente. Un grand miroir est situé sur l’extrémité supérieure du limbe, il pivote avec l’alidade.

 

L’observateur vise l’horizon avec la lunette, à travers la partie transparente du petit miroir. L’image du soleil est réfléchie sur le grand miroir, puis sur le côté réfléchissant du petit miroir, des filtres permettent de la colorer pour éviter les éblouissements. En déplaçant l’alidade donc le grand miroir, on amène l’image de l’astre sur l’horizon et on lit la hauteur sur le limbe.

90° correspondent à 45° réels, car lorsqu’un miroir pivote de 1°, l’image réfléchie se déplace de 2° .

Ces sextants permettent aussi de mesurer la distance angulaire de la lune à une étoile. L’observateur vise l’étoile par la lunette, et en déplaçant l’alidade donc le grand miroir, il amène l’image réfléchie deux fois du grand miroir vers le petit dans l’axe de la lunette. Lorsque les deux images se superposent, on lit la distance sur le limbe, et grâce à la lunette la lune n’occulte pas l’étoile.

L'espace correspondant à 1 degré d'arc est petit ( env. 1mm), mais le Vernier permet de l'approcher jusqu'à la minute d'arc voire moins.Vernier est l'inventeur français du système de lecture sur le limbe.

7/ Le loch : pour pouvoir estimer leur position en mer, les marins utilisèrent pendant longtemps cet instrument permettant de connaître la distance parcourue. C’est un simple morceau de bois appelé " bateau ", en forme de triangle équilatéral, lesté. Il est relié au navire par une ligne enroulée sur une sorte de bobine appelée le touret. Cette ligne est graduée, une première longueur correspond à la longueur du navire et est signalée par un morceau de tissu : la houache. Après la houache, des nœuds faits sur la ligne sont espacés de 14,50m. Le loch est jeté à la mer (" mouillé "), lorsque la houache passe par dessus bord, un marin renverse un sablier de 30 secondes et on compte le nombre de nœuds défilant pendant ces 30s. D’où le nom de l’unité de vitesse en mer( corrigée à 15,40m pour rattraper le fait que le " bateau " est légèrement entraîné par le navire), 30s = 1/120 d’heure et 15,40 multiplié par 120 donne à peu près les 1852m du mille marin. Un nœud correspond donc à une vitesse d’un mille à l’heure.

Le loch fut amélioré par ce que l’on appelle les tubes de Pitot, leur inventeur, ils sont toujours utilisés pour mesurer la vitesse à bord des petits voiliers de régate.

3 bis : Histoire de mesures

1792, la révolution décide de faire table rase des inégalités. On reprochait la multiplicité des patois, on reprocha aussi la diversité des poids et mesures.

Petit échantillon : le bois se vendait à la corde, le charbon de terre à la bacherelle, le bois de charpente à la marque. On vendait le sel au muid, au sétier. On achetait l’avoine au picotin, le plâtre au sac , le vin à la pinte, le blé à l’écuellée. L’étoffe, les tapis, la tapisserie s’achetaient à l’aune carrée, mais l’aune est différente pour la laine, pour la soie ou pour la toile ; elle n’est pas la même à Paris, Provins ou en Flandre. On mesure la longueur d’un champ en perches, mais la perche diffère à Paris, Corbeil ou Saint-Germain. L’arpent valait 12 hommées et l’hommée valait le travail d’un homme en un jour. Les apothicaires pesaient en livres, en onces, en drachmes, en scrupules. Les longueurs s’exprimaient en toise et en pied… Il existait près de 800 unités de mesures différentes en France !

On voulut donc une mesure universelle, éternelle, invariable ; totalement indépendante des hommes et du temps. Seule mère Nature pouvait apporter cette garantie. On proclama donc que la nouvelle unité de longueur serait un morceau du globe : " la quarante millionième partie d’un méridien terrestre ".

Le 25 Juin 1792, deux astronomes, Jean-Baptiste Delambre et Pierre Méchain quittent Paris. Ils sont chargés par l’Assemblée législative d’établir un étalon universel de mesure sous la houlette de Condorcet et Lavoisier ; et partent mesurer la longueur du méridien entre Dunkerque et Barcelone.

Pour mesurer de grandes distances on ne pouvait pas utiliser la traditionnelle chaîne d'arpenteur, les deux astronomes emportent donc avec eux un cercle répétiteur, ou cercle de réflexion : une idée de l’astronome et géomètre allemand Mayer, reprise en 1767 par Borda et améliorée grâce à l’atelier Lenoir de 1772 à 1777. Cet instrument de mesure a l’avantage d’une capacité plus étendue de mesure des distances angulaires et de réduire les erreurs de lecture ( ces avantages en feront aussi un instrument d’hydrographie). Le principe de mesure est assez simple : tout au long de leur parcours les deux savants vont établir une chaîne de points élevés – pics, clochers, tours…situés de part et d’autre du méridien – ces points détermineront une suite de triangles. Puis à l’aide d’une très longue règle plate il vont mesurer une longueur : la base, et à l’aide du cercle muni de deux lunettes indépendantes ils vont mesurer les angles des triangles. Si on connaît trois angles et un côté d’un triangle on peut calculer la mesure des deux autres côtés, et ainsi de suite jusqu’à obtenir la longueur du méridien.

En cette agitation révolutionnaire, il ne fallut pas moins de 7 années d’aventures pour ce que l’on appela la mesure de la méridienne, brutalement interrompue par la mort de Méchain qui fut remplacé par François Arago fondateur de l’Astronomie Populaire.

Pendant ce temps Lavoisier installant un laboratoire dans sa salle de bain détermine, lui, l’unité de poids en pesant de l’eau distillée dans un cylindre à l’aide de " la balance la plus précise du monde ".

Les deux étalons prototypes : le mètre et le kilogramme, sont toujours conservés dans les sous-sols du pavillon Breteuil du Bureau des Poids et Mesures de Sèvres, les portes blindées de ce dépôt ne sont ouvertes qu’une fois par an : le dernier vendredi de Septembre, afin de mesurer la température et le degré d’hygrométrie des lieux.

Les différentes définitions du mètre :

La métrologie est la science du mesurage, elle détermine les étalons et les systèmes d’unités, à ce sujet je recommande l’atelier de métrologie proposé par les Archives Nationales.

Bibliographie

Remerciements, pour son aide précieuse, au Commandant Hubert Michéa, Président de l’AAMM (Association des Amis du Musée de la Marine).

Pour les enfants

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4. Astronomie et mesure du temps :

La manière de définir ou d’appréhender le temps diffère d’une civilisation à une autre. Plusieurs phénomènes naturels imposent une représentation cyclique du temps, mais certaines données de la vie tendent à donner du temps une image linéaire allant dans une seule direction – du passé vers le futur.

Les diverses notions du temps propres à chaque civilisations dépendent des mythes de la création du temps. Dans le judaïsme, la chrétienté et l’islam, qui se fondent sur les premiers versets de la Genèse, le caractère linéaire du temps semble occuper une place prépondérante. Dans d’autres cultures où le divin semble moins éloigné de l’homme , c’est le caractère cyclique qui domine.

Mais la plupart des civilisations ont établi des systèmes de mesure du temps englobant, dans des proportions variables, ces caractères cyclique et linéaire.

L’histoire des efforts incessants de l’homme pour structurer le temps s’étend de la préhistoire à nos jours, selon ses besoins, ses moyens et ses motivations. La première des motivations fut sans doute la survie. Compter donnait à l’homme le moyen de comprendre les rythmes de la nature, le besoin d’un comptage plus précis semble davantage lié à la religion – les schémas de la nature étaient dictés par les dieux, compter permettait donc de se rapprocher du divin.

La mesure du temps :

Le soleil, notre étoile la plus proche, est pour l’immense majorité des civilisations le premier instrument de mesure du temps. Sa présence ou son absence fondent la division du jour en heures de clarté et d’obscurité. Notre course autour du soleil crée l’année et entraîne le rythme alterné des saisons. Les figurations du soleil ardent comme divinité bienfaisante sont communes à l’ensemble du monde.

Les îles de Grande-Bretagne et d’Irlande possèdent un patrimoine préhistorique très riche, et notamment certains cercles de grandes pierres levées, les plus étonnants du monde. On compte un millier de ces sites dont la plupart ont été construits il y a 3000 à 5000 ans. Les archéologues se montrent toutefois très méfiants quant aux interprétations astronomiques complexes que l’on a pu en faire. Néanmoins un grand nombre de ces cercles mégalithiques sont disposés selon un axe orienté vers le lever ou le coucher du soleil au moment du solstice d’hiver ou d’été. Le plus célèbre de tous ces monuments est celui de Stonehenge.

L’idée générale selon laquelle les hommes de cette époque observaient le lever ou le coucher du soleil et de la lune en leurs positions extrêmes n’est pas remis en cause. C’est une coutume qui s’est transmise jusqu’aux temps modernes dans les mondes agricoles et religieux.

Dans de nombreuses civilisations préhistoriques et primitives l’observation du ciel était intimement liée aux rites de la mort, ce qui a permis de donner une explication religieuse à ces monuments. Celui de Stonehenge n’est pas le fruit d’une impulsion soudaine, c’est le fruit de quelques 2000 ans d’application de principes astronomiques et géométriques à la construction d’autres monuments tels que les allées couvertes – les plus anciennes datant de plus de 6000ans, comportant une salle qui servait de chambre funéraire. La plupart d’entre elles étaient bordées d’un fossé qui pouvait servir à l’observation du lever et du coucher de certaines étoiles au-dessus du tertre, utilisé comme horizon artificiel.

Le cromlech de Stonehenge, Angleterre 1500 av. JC, calendrier astral, les dates sont repérées par l'alignement de certaines pierres.

Le Moyen-Orient possède lui aussi des trésors astronomiques, mais certaines de leurs caractéristiques rappellent les monuments édifiés par les populations du Nord de l’Europe. Toutes ces cultures s’intéressaient aux phénomènes se manifestant sur l’horizon.

Dans tous les systèmes de mesure, un élément nous est pratiquement imposé par le cycle solaire ainsi que celui de la lune. Mais la mesure du temps comporte d’autres conventions qui n’ont rien à voir avec des contraintes naturelles, comme la division du jour en 24h, la semaine de 7 jours, la division du temps en heures, minutes, secondes.

Les Egyptiens s’intéressaient beaucoup au levers et couchers des étoiles intervenant juste après le coucher du soleil, la principale étant Sirius la plus brillante. Ils décidèrent de diviser l’année civile en 36 semaines de 10 jours et recherchèrent alors 36 étoiles indiquant par leur lever héliaque le début de ces 36 semaines. Ces étoiles divisent généralement la nuit en 12 parties égales et les Egyptiens finirent par penser que cette division correspondait à la réalité. Par analogie avec la nuit la journée fut elle aussi divisée en 12 heures ; c’est ainsi que l’on aboutit à nos journées de 24 heures !

Les Babyloniens divisaient eux aussi le jour et la nuit en 12 parties égales, et l’influence de l’astronomie babylonienne sur l’astronomie grecque propagea ce système de comptage des heures à travers tout le Proche-Orient, l’Afrique du Nord, l’Empire romain et enfin l’Europe. Cependant deux systèmes de décompte des 24 heures ont coexisté : dans l’un des deux, le jour et la nuit étaient divisés en 12 heures bien que leur longueur varie selon les saisons, au fil de l’année les heures avaient une durée variable ; en revanche si l’on mesure avec une horloge à eau ou en observant les mouvements des astres on obtient des heures plus ou moins équivalentes à nos heures légales actuelles.

Mais qu’en est –il de la division en 60 segments ? : pour la réponse il faut un peu d’arithmétique. Les Babyloniens nous ont légué un système de notation " position-valeur " : quand nous écrivons 2539 par exemple, nous considérons 9 unités, plus 3x10 unités, plus 5x102, plus 2x10; la place du chiffre nous dit par quelle puissance de 10 il doit être multiplié. Les Babyloniens avaient mis au point une version primitive de ce système, dans lequel la base était 60 et non 10. Dans ce système 2539 représentait donc 9 unités, plus 5x60 unités, plus 3x602, plus 2x603. Le système sexagésimal permettait aux Babyloniens d’effectuer les calculs les plus complexes. C’est le système arithmétique que nous utilisons encore aujourd’hui pour compter les minutes et les secondes dans la mesure du temps mais aussi dans celle des angles. Ainsi les coordonnées 51°28’38’’ N (latitude) représentent un arc de 38 secondes, plus 28x60 de la même unité, plus 51x602. Quand nous lisons sur la pendule 9 :30 :45, l’information reçue est la suivante : 45 secondes, plus 30x60 secondes, plus 9x602 secondes se sont écoulées depuis minuit.

Il est quasiment impossible d’avoir une idée générale concernant la question du temps en Inde. Les Indiens pratiquent plus d’une demi-douzaine de grandes religions, il n’y a pas de mythes de la création du temps qui soit partagé par les hindous, les musulmans, les jaïns, les sikhs, les bouddhistes et les chrétiens. Le climat, élément important pour la notion de temps, varie du froid du permafrost à la chaleur de la jungle subtropicale ou du désert, le paysage et les activités sont aussi diversifiés, et surtout l’Inde a été soumise à des vagues successives d'invasion et d'occupation. De fait la plupart des composantes de base de la mesure du temps " indien " semblent avoir été importées, connaissances des Babyloniens, des Grecs puis des Romains.

Cependant, plusieurs éléments de la mesure du temps semblent n’appartenir qu’à l’Inde. Le premier est la division de la journée en 24 heures égales, le lever du soleil marquant le début de la journée. La durée du jour et de la nuit est divisée en 30 murhta (48 minutes chacune) ou 60 ghatika (24 minutes, 1 heure = 2,5 ghatika). Chaque ghatika est divisée en 30 kala ( 48 secondes chacune) ou 60 pala (24 secondes) et chaque pala se divise à son tour en 60 vipala (0,4 seconde). Le cadran-bâton du berger tibétain du XIXème siècle fournit un excellent exemple du fonctionnement pratique de ce système.

La structure de l’année était très différente selon les régions, plus de vingt types de calendriers solaires, lunaires, luni-solaires étaient encore en usage à la fin du XIXème siècle. Mais bien que les calendriers solaires indiens se fondent sur les signes du zodiaque gréco-romains, le temps imparti aux mois solaires est une autre caractéristique locale.

Mesurer " le temps ", les instruments :

Choisir un phénomène pour lequel il est possible de définir un début et une fin, donc une durée : deux passages consécutifs du Soleil au zénith, l’écoulement d’un liquide , l’aller et le retour d’un pendule, la vibration d’un quartz ; compter chaque retour de ce phénomène et comparer pour inventer un étalon : c’est mesurer le temps.

Les calendriers :

Trois périodes essentielles liées au mouvement des astres : l’année, le mois solaire, dont l’origine réside certainement dans le mois lunaire de 29 ou 30 jours, et le jour solaire, sont à l’origine du découpage du temps. Le premier calendrier fut donc la nature. Le plus ancien est babylonien et remonte à environ 5000 ans. La vie alors est rythmée par les saisons et les phénomènes cycliques de la nature. Le calendrier sert à observer les rites, les grandes fêtes religieuses, les dates importantes. Jusqu’à l’apparition des premières démocraties en Grèce, sa détermination revenait aux pouvoirs religieux mais aussi politiques.

Cromlech de Torréon, Mexique

Les premières horloges : les horloges à ombre :

Les égyptiens inventèrent les horloges à ombre il y a 4000 ans environ. Elles avaient la forme d’un T et indiquaient l’heure grâce à l’ombre de la barre transversale sur une échelle graduée.

Les cadrans solaires :

Parmi les instruments de mesure du temps, le cadran solaire est probablement le plus ancien. Il a pour avantages d’être facile à réaliser, fiable dans les pays ensoleillés, non périssable, néanmoins il a quelques défauts : il est peu précis, peu transportable, ne fonctionne que le jour et avec du soleil et c’est une " horloge " locale. Cependant il perdura et subit nombre perfectionnements qui donnèrent naissance à divers modèles : horizontaux, verticaux, équatoriaux, polaires, cylindriques, sphériques, analemnatiques…

Le principe des cadrans solaires est simple : il s’agit de mesurer le déplacement de l’ombre d’un bâton appelé style. Il faut tenir compte des variations de hauteur du soleil selon les saisons, il est donc nécessaire de connaître quelques notions d’astronomie pour construire ou lire un cadran solaire. Nous vous conseillons donc de faire un retour sur le document Terre/Lune/Soleil. Quel que soit le cadran, le style est toujours orienté parallèlement à l’axe terrestre, la table de lecture pouvant avoir une forme très variable.

Les clepsydres :

L’homme souhaite mesurer l’écoulement du temps et contrôler sa mesure, ainsi naît la clepsydre , les plus anciennes sont égyptiennes et datent d’environ 1500 ans av. J.C. Il pense le temps comme continu et uniforme et cherche donc une grandeur mesurable continue et uniforme, l’écoulement de l’eau est un phénomène physique qui répond globalement à ces deux critères. La grande variété des clepsydres laisse supposer qu’il fut difficile de déterminer un modèle plus performant qu’un autre. Nos connaissances en hydrodynamique et physique des liquides soulignent le manque de fiabilité des clepsydres. Bien qu’elles aient subi de notables perfectionnements techniques, avec une représentation du temps affinée, elles restent tributaires de paramètres plus ou moins contrôlables : les orifices d’écoulement se bouchent, la régularité du niveau peut fluctuer, le débit aussi ; dès qu’un facteur varie la mesure du temps aussi. Elles ne gardaient donc pas le temps de façon fiable, il fallait tous les jours refaire un réglage grâce au cadran solaire.

Les horloges à encens :

Des horloges à encens ont été utilisées en Chine du VIème siècle av. J.C. jusqu’au XVIIème siècle. L’encens a la particularité de brûler à une vitesse constante il peut donc aider à mesurer le temps.

Les horloges bougies :

Il y a 1000 ans on utilisait des bougies pour donner l’heure, celles ci étaient graduées sur le côté en heures d’égales longueur, au fur et à mesure que la bougie brûlait on pouvait lire l’heure.

Les sabliers :

Dans le principe de la clepsydre, ce n’était pas l’écoulement contrôlé qui était en cause mais l’énergie utilisée, on remplaça l’eau par le sable. Du XIVème au XVIIIème siècle ce fut l’instrument de mesure du temps le plus répandu. A chaque sablier correspond la durée d’une action pour laquelle il a été conçu, il est lié à l’usage qu’on en fait. Très utilisé dans la marine, il réglait les quarts à bord des bateaux ; souffrant peu des changements de température et du roulis il fut, jusqu’à l’apparition des chronomètres de marine, le seul instrument de mesure du temps en mer et au XVIIème siècle on l’utilisa pour calculer la vitesse en mer. Son utilisation déclina avec l’amélioration des horloges mécaniques et des montres.

L’horloge à poids et à foliot :

Elle fut inventée – par un anonyme- au XIIIème siècle. La source d’énergie est un poids accroché à une corde enroulée autour d’un treuil, la régularité du mouvement est assurée par les oscillations du foliot . Elle transforme le mouvement uniformément accéléré du poids qui tombe en une suite régulière d’arrêts et d’accélérations. Le temps ainsi déterminé est uniforme mais il n’est plus représenté par un phénomène uniforme. L’homme a contemplé le mouvement des astres, a plus ou moins domestiqué l’écoulement de l’eau ou du sable, mais l’horloge il l’a inventée, il fabrique le temps. Il a la sensation d’être devenu le maître du temps, aussi apparurent les prodigieuses horloges astronomiques dont l’illustre et remarquable Astrarium de Giovanni de Dondi, l’homme maîtrisait le temps sur terre, pourquoi pas celui de l’univers. Bien qu’imparfaite, l’horloge à foliot atteignit toutes les villes d’Europe en 50 ans. On devait la remettre à l’heure tous les midis avec un cadran solaire, son mécanisme grossier était fragile et s’usait vite.

La mesure du temps change, jusque là on comptait pour chaque jour, hiver comme été, un même nombre d’heures du lever au coucher du soleil, or l’horloge à foliot ne peut mesurer que des heures égales. Cela accentue le décalage entre le temps des villes et le temps des campagnes où l’on continue à suivre le soleil. Avec la croissance des villes la demande ne cesse de s’étendre, l’horlogerie s’organise et devient un métier reconnut au XVIème siècle.

Horloge planétaire d'Oronce Fine

L’horloge à pendule et à balancier :

L’horloge à foliot ne pouvait marcher de façon régulière que si la force motrice était constante et il était impossible de les transporter. La demande d’horloges plus maniables suscita l’invention d’horloges plus compactes et légères. En 1656 Christiaan Huygens propose le remplacement du foliot par le pendule, il bouleverse ainsi le principe de l’horloge en introduisant un régulateur qui a un temps propre (sa période dépend de sa longueur) et ne consomme presque pas d’énergie (il oscille quasi indéfiniment). L’horloge à pendule (" la pendule ") n’est pas plus transportable que les horloges à foliot du Moyen-Age à cause du grand balancier. Huygens imagine alors un autre régulateur, le ressort spiral : c’est un petit ressort en spirale qui fait osciller à une fréquence constante le balancier, il permettra l’invention et l’essor de la montre. Il améliorera encore ce système avec l’échappement à ancre, dispositif qui distribue l’énergie nécessaire à l’entretien des oscillations du balancier ; ainsi naîtra l’horlogerie moderne. L’horloge devient un meuble indispensable dans les intérieurs aisés, c’est un objet de luxe, mais petit à petit elle devient un objet utile pour le commerce et la vie quotidienne.

Le problème des longitudes : John Harrisson et Ferdinand Berthoud :

Au XVIIème siècle la marine a besoin d’une mesure exacte, l’obstacle à une navigation sûre est l’impossibilité de déterminer exactement la longitude. Pour pouvoir savoir sur quel méridien on se trouve, il fallait avoir à bord une horloge donnant en permanence et avec exactitude l’heure de Greenwich. A cette époque aucune horloge n’est assez fiable, dès lors il est impossible de faire le point correctement, on navigue à l’estime. Or la navigation en pleine mer est en essor avec la découverte des Amériques, le développement du commerce triangulaire et la volonté de conquérir des empires coloniaux. Les états prennent des dispositions pour tenter de régler ce problème, cela devient si urgent que le Parlement anglais en 1714 promulgue la loi " de la longitude " promettant une forte récompense à qui trouverait la solution. Astronomes et horlogers vont se livrer bataille. Les premiers utilisent des calculs compliqués avec la " méthode des distances lunaires " auxquels s’ajoutent les difficultés d’observations sur un bateau. Les seconds comprennent rapidement qu’ils doivent surmonter deux difficultés techniques : la marche des horloges en mer dépendait fortement de la température, la lubrification des pièces mobiles n’était pas satisfaisante. Ajouter à cela une concurrence féroce et une impitoyable jalousie et il faudra attendre le début du XVIIIème siècle pour entrevoir la solution avec l’invention des horloges marines de John Harrisson et Ferdinand Berthoud.

On découvrit le phénomène de dilatation thermique et on employa des compensateurs, certaines pièces furent remplacées par des pierres précieuses telles que saphir, rubis et même diamant insensibles à l’abrasion. Les états n’accordèrent leurs récompenses qu’après des essais sévères lors de " voyages d’épreuve ". Leur fiabilité reconnue les horloges marines furent fabriquées en grande quantité pour répondre à la demande des flottes, la totalité des mers du globe fut fixée sur des cartes en moins d’un siècle. Ainsi même en mer le temps abstrait des horloges remplace le temps stellaire observé, désormais tout navigateur sait où il se trouve au milieu des mers .

Le temps au XXème siècle :

La révolution du monde du travail change la perception du temps. A l’usine, le temps est la principale mesure du travail ; dans les ateliers les contremaîtres veillent, montre en main, au respect des horaires. L’américain Taylor, l’arrivée du travail à la chaîne amplifient ce changement. Parallèlement la montre est un objet qui se popularise.

Le 1er octobre 1885 à Washington, une conférence internationale accepte le principe d’une division de la planète en 24 fuseaux horaires avec le méridien de Greenwich comme référence ; l’organisation théorique du Temps Universel voit le jour. En France on crée le Bureau des Longitudes puis le Bureau International de l’Heure. L’adoption du T.U. et des fuseaux horaires ne se fit pas sans mal. Puis on s’aperçut que la durée du jour est loin d’être constante, petit à petit la définition de la seconde subira bien des changements.

Malgré la précision toujours croissante des horloges on voulait encore faire mieux. L’innovation qui allait tout transformer fut ce qu’on appela " la révolution du quartz ", mais la véritable révolution fut celle du silicium qui allait permettre la technologie des circuits intégrés les fameuses " puces "permettant la mise au point d’horloges ne comportant aucune partie mobile.

Malgré tout le quartz n’est pas parfait et le vieux problème des variations se pose aussi pour lui, pour assurer la stabilité d’un régulateur à quartz on s’est donné autant de mal qu’avec le pendule ou le ressort spiral. Les progrès de la physique permirent de construire de nouvelles horloges : les horloges atomiques, aujourd’hui les plus précises, avec le césium 133 choisi par la conférence des Poids et Mesures de 1967. Elles fonctionnent à partir des atomes de césium dont les vibrations servent d’étalon de temps. Il permet actuellement de garder la seconde avec une précision de 10-13, deux horloges à césium se décalent entre elles de 3 secondes en un million d’années !

Cependant, pour diverses raisons, la course à la précision continue et curieusement c’est de nouveau vers le ciel que l’on se tourne. Du confins de l’univers nous parvient l’étrange tic-tac des pulsars, certains d’entre eux captés par de grands radiotélescopes ont une fréquence plus stable que nos horloges atomiques, de là l’idée de confier la garde du temps à un certain

PSR 1937+21... retour du temps des astres ?

Bibliographie

Pour les enfants

Unités de temps :

Divisées par 60 : les heures furent divisées en 60 minutes et les minutes en 60 secondes par les Sumériens, un peuple qui vivait en Irak actuel, il y a 5000 ans.

On peut comprendre ce choix en remarquant que 12 est le premier nombre divisible par 2, 3 et 4 ce qui explique l’utilisation des douzaines à une époque où les divisions décimales n’étaient pas connues… 60 est le premier nombre divisible par 2, 3, 4 et 5.

Les jours de la semaine : les Babyloniens furent les premiers à utiliser la semaine de sept jours, en nommant les jours d’après les sept planètes connues à cette époque. Puis les Grecs divisèrent le mois en trois fractions de 10 jours, ce sont les Romains qui rétablirent la semaine de 7 jours.

A.M., P.M. : Les Romains divisaient les heures de la journée entre celles avant midi, antemeridiem, et celles après midi, postmeridiem. Les pays de langue anglaise désignent encore le matin par a.m. et l’après-midi par p.m.

Les calendriers

Calendrier Egyptien : il y a 5000 ans les Egyptiens mirent au point un des premiers calendriers de l’Antiquité. L’année était divisée en 365 jours, ils s’en servaient pour calculer la date de la crue du Nil, événement vital de l’année. D’après la Lune et les étoiles les astronomes découvrirent que le fleuve débordait à peu près tous les 365 jours. L’année égyptienne était divisée en 12 mois de 30 jours plus 5 jours de fêtes à la fin de l’année. Ils comptaient les années depuis la date de couronnement du pharaon, à chaque nouveau pharaon le calendrier recommençait en l’an 1.

Calendrier Chinois : en Chine antique le calendrier permettait de s’assurer que tout se passait bien dans la conduite de l’empire. Les Chinois croyaient que les dieux veilleraient sur leur empire s’ils étaient adorés à heures fixes . Ce contrat entre les dieux et l’empereur s’appelait le Mandat du ciel.

Calendrier Maya : les Mayas d’Amérique Centrale avaient deux calendriers : le calendrier de tous les jours calculé sur l’année solaire avec 18 mois de 20 jours plus 5 jours à la fin, et aussi un calendrier sacré de 260 jours indiquant les jours sacrés et les fêtes religieuses.

Calendrier Aztèque : ils adoptèrent le calendrier Maya ; mais chaque jour avait une valeur spéciale, du jour faste au jour néfaste. Les 5 jours supplémentaires étaient des jours particulièrement néfastes à toute activité humaine c’était les " journées noires "

Calendrier Julien : il fut inventé par Jules César pour rattraper le retard du calendrier Romain de 365 jours. Les années avaient 365 jours mais, tous les quatre ans, on ajoutait un jour en février, dernier mois du calendrier romain. Malheureusement le calendrier Julien était encore inexact.

Calendrier Grégorien : il doit son nom au pape Grégoire XIII. En 1582, le pape, après consultation des astronomes ayant évalué la durée de l’année à 365,2425 jours au lieu des 365,25 jours du calendrier julien, ce qui correspondait à 10 jours " perdus " depuis l’an 1, décréta que dix jours devaient être supprimés pour rétablir la date des fêtes religieuses à la période de l’année où elles se trouvaient en l’an 1. Pour éviter que ce décalage ne perdure, il modifia les années bissextiles en introduisant des années séculaires (divisibles par 100) non bissextiles alors qu’elles devaient l’être dans le calendrier julien… et des années quadricentenaires (divisibles par 400) qui restent bissextiles. Cette modification diminue donc la valeur moyenne de l’année julienne (365,25) de 3/400émes soit 0,075, ce qui donne bien 365,2425 ! … En Italie, le jour qui suivit le 4 octobre 1582 devint le 15 octobre 1582, la France suivit cette règle avec quelques mois de retard. La Grande-Bretagne n’adopta ce calendrier qu’en 1752, la Grèce et la Russie seulement en 1900. Le calendrier Grégorien s’accorde précisément à la durée de l’année solaire puisque 1 jour est perdu tous les 44 000 ans.

Calendrier Hindou : en Inde l’ancien calendrier est utilisé pour la vie religieuse, le calendrier Grégorien pour la vie de tous les jours. Pour les Hindous, l’univers est fait d’une série de cycles. Un cycle est égal à 12 000 années divines, une année divine est égale à 360 années solaires, ce qui fait un total de 4 320 000 années. Un millier de ces cycles s’appelle un kalpa et vaut une journée dans la vie de Brahma, le créateur de l’univers.

Calendrier Juif : il date de 3761 avant J.C., date supposée de la création du monde. Il est fondé sur les phases de la Lune, le jour religieux commence et finit à la tombée de la nuit, le samedi est le jour de Sabbat, jour saint.

Calendrier Musulman : il commence le 16 juillet 622 jour où le prophète Mahomet s’enfuit de la ville de La Mecque pour échapper à ses ennemis et gagne Médine. Son voyage est connu sous le nom d’Hedjra et le calendrier d’Hidjri (Hégide). Chaque mois commence avec la Nouvelle Lune et l’année comporte 12 mois de 30 et 29 jours en alternance, soit 354 jours. Cette base moyenne de 29,5 jours permet d’assurer partiellement la correspondance avec le mois lunaire de 29,53… jours. Certaines années particulières d’un cycle de 30 ans, le dernier mois de 29 jours passe à 30 jours pour rattraper le décalage avec la nouvelle lune, l’écart avec le calendrier grégorien est donc, selon les années de 10, 11 ou 12 jours,. Le mois le plus important est le mois de Ramadan. Ce calendrier est purement lunaire, de manière volontaire : il ne faut donc pas interpréter les 10 à 12 jours de décalage comme une erreur : les repères sont simplement fondés sur des arbitraires différents.

Le temps : petit glossaire

La Terre tourne sur elle-même en 23h56mn d’Ouest en Est autour de son axe. Ce mouvement a pour conséquence un mouvement relatif du ciel en sens contraire : le mouvement diurne.

La Terre se déplace autour du Soleil en un an son axe polaire (Nord-Sud) incliné à 23°26’ par rapport à la perpendiculaire de l’axe Terre-Soleil. Lorsque la terre a fait 1 tour, soit 23h56mn plus tard, il s’est écoulé un jour sidéral. Or un point qui se trouvait en face du Soleil ne s’y trouve plus 23h56mn plus tard. Il faut donc que la terre tourne un peu plus sur elle même pour se retrouver face au Soleil. Cette période porte le nom de jour solaire qui vaut environ 24h.

L’inclinaison de l’axe terrestre produit un déplacement en hauteur du Soleil, tout au long de l’année, d’où l’inégalité des jours et des nuits et les saisons. A quelques jours d’intervalle le Soleil ne monte pas à la même hauteur dans le ciel, il va se déplacer sur deux cercles différents.

Si nous comparons l’heure solaire et l’heure légale il y a 1 à 2 heures de décalage et cela pour des raisons de précision.

Au XVIIIème siècle lorsque l’utilisation des montres et pendules , devenues plus précises, se généralisa, il ne fut plus possible d’ignorer ce décalage, ce qui conduisit à imaginer des jours égaux entre eux tout au long de l’année. Ces jours de 24 heures sont des jours solaires moyens. La différence entre le temps solaire moyen et le temps solaire vrai porte le nom d’équation du temps. Le temps solaire moyen est compté à partir de midi : on appelle temps civil d’un lieu, le temps solaire moyen de ce lieu augmenté de 12h.

Le développement des moyens de communication montra les inconvénients du temps civil. En 1884, le méridien de Greenwich fut déclaré méridien international et le temps civil de Greenwich devint temps universel ( ou heure GMT Greenwich Mean Time). Pour que ce T.U. soit utilisé sur toute la planète, la surface de la Terre a été divisée en 24 fuseaux horaires. Aujourd’hui encore des pays utilisent des temps différents du temps universel d’un nombre d’heures non entier (comme l’Inde qui a un décalage de 5,5 heures). Certains ont même conservé le temps solaire. Parmi les pays utilisant les fuseaux horaires, certains ne se réfèrent pas à l’heure de leur fuseau. La France par exemple à 1h d’avance en hiver et 2h en été sur le temps universel.

Aujourd’hui le temps donné par nos montres est un temps atomique. La mesure du temps la plus exacte est obtenue par les horloges atomiques, la première fut construite en 1948. Ces horloges sont animées par les vibrations des atomes de gaz d’ammoniaque ou du césium. En 1967 une nouvelle définition du temps fut décidée. Alors que la seconde avait été la 1/86400ème partie d’un jour, elle est maintenant le temps que prend un atome de césium pour vibrer 9 192 631 770 fois. Son dérivé le temps universel coordonné, fourni par exemple par l’horloge parlante, a toujours moins d’une seconde de différence avec le temps universel.

L’horloge atomique la plus précise, construite au début des années 1990, perd ou gagne une seconde tous les 1,6 millions d’années !

Le temps universel :

Si vous travaillé sur un calendrier, il est fort probable que les élèves remarquent, et demandent l’explication de la précision : ‘’les heures sont données en temps universel ‘’. Un peu d’histoire donc : en 1911 le besoin se fait ressentir d’unifier l’heure dans le monde d’où la création du Bureau International de l’Heure à Paris, remplacé en 1985 par le Bureau International des Poids et Mesures. Ce bureau a pour mission d’assurer un temps universel (T.U.). Pourquoi ? Entre l’heure du lever de Soleil à Strasbourg et celle de Brest il y a 50mn d’écart, on ne peut donc pas obtenir la même heure solaire dans ces deux endroits, une heure légale est nécessaire. Le globe terrestre est partagé en 24 fuseaux de 1 heure à partir d’un fuseau de référence. Ce fuseau est celui passant par le méridien 0° qui est le méridien de Greenwich. Quand on change de fuseau horaire, on change d’heure, si il est 12h à Greenwich il est 13h dans le fuseau à l’Est et 11h dans le fuseau à l’Ouest.

A retenir : Heure légale d’hiver (en France) = heure T.U. + 1h.

Heure légale d’été (en France) = heure T.U. + 2h.

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5. Astronomie, histoire, géographie, littérature :

Des activités liant l'astronomie, l'histoire, la géographie et la littérature sont possibles, en voici quelques exemples ( à compléter bien sûr !)

Astronomie (voir doc Terre/lune/soleil) :

Le mouvement apparent du soleil

Observation, utilisation d'outils permettant les repérages spatiaux (niveau à bulles, fil à plomb, boussole, gnomon…) Observer l'évolution de l'ombre d'un gnomon, inventer des instruments de mesure permettant le calcul de la hauteur du soleil. Utilisation et fabrication de boussoles. Repérage de l'horizontale et la verticale. Calcul du midi solaire vrai local et calcul de la latitude et de la longitude du lieu.

La rotation de la terre

Observation, modélisation. Mesurer le temps.

Modéliser toutes les possibilités de mouvement. Mesure du temps : fabrication de sabliers, clepsydres, travail sur le pendule et horloges à poids. Comparaison des différents instruments anciens et actuels.

La révolution de la terre

Interpréter des graphiques, comprendre les saisons. Modélisation : planche + clou. Inclinaison de la terre.

Le satellite de la terre : la lune

Observation. Comprendre les phases de la lune, les éclipses. Rôle de la lune sur les marées.

( A tester, sur le terrain : exploitation sur les marées A l'aide d'un bâton repérer le déplacement de l'eau durant une journée. A marée basse durant la semaine, collecter la faune et la flore des différentes zones humides, faire un dessin de ces différentes zones et noter pour chacune ce qu'on a pu y ramasser ( animaux morts ou vivants, bien fixés ou pas, quelles algues, couleur, forme des cailloux ou grains de sable….) Grâce à des documents faire un classement des différents animaux bivalves, crustacés, vers…).

Histoire : comprendre les grandes découvertes, les échanges au XVII et XVIII ème s., commerce triangulaire, la révolution du mètre…

Géographie : se représenter et découvrir le monde grâce au quadrillage abordé en astronomie (latitude, Longitude), évolution dans le temps de ces représentations (cartes anciennes). Lecture de cartes, représentations, légende, échelles, courbes de niveaux…

Objectif principal : aider à la représentation du globe terrestre en s’appuyant sur les repères vus en astronomie.

Les lignes "imaginaires" : ( aller voir le document "L'astronomie pour les nuls" )

Objectifs :

Cercles polaires :

Vus en astronomie : la nuit et le jour polaires. Mise en évidence par modélisation : un petit personnage habitant au nord du cercle polaire reste en permanence dans la zone d’ombre au solstice d’hiver et dans la zone éclairée au solstice d’été.

Des textes :

Tropiques et équateur :

A associer à des spécificités climatiques, faire remarquer que les grands déserts africains sont localisés sur les tropiques.

Des textes :

Méridiens et fuseaux horaires :

Le méridien de Greenwich, la ligne de changement de date, les fuseaux horaires.

Repérer les pays sur ces lignes. Faire remarquer le nombre de fuseaux horaires rencontrés en traversant les Etats Unis d’Est en Ouest…

Des textes :

Les cartes :

Objectifs : se représenter le monde par comparaison de cartes anciennes. Les navigateurs s’aidaient des repères astronomiques pour se situer et représenter le monde ( voir plus haut), au fur et à mesure des voyages cette représentation s’est approchée de la réalité. Mémoriser les cartes actuelles

Partir de la représentation des enfants du monde ( ou de la France), puis comparer des cartes anciennes aux cartes actuelles (IGN) en s’appuyant sur l’histoire.

Le monde :

Carte de Martin Behaim 1492

Mappemonde d’ Oronce Finé 1536 (BNF)

Carte de Diego Ribero 1529

Mappemonde de F. de Witt 1670

L’Europe :

Carte de Sanson : faire observer le dessin du premier méridien, comparer les noms des océans des mers et des pays.

1 . carte d ‘Europe (1/2) de Sanson (BNF)

 

2 . Carte d’Europe (½) de Sanson

L’Europe carte de Mercator ( Biblio.)

L’Espagne carte de Mercator

L’Amérique carte de Mercator

La France :

Faire constater aux élèves les difficultés de mettre à plat une sphère, obligations de déformations.

 

La France carte de Mercator dite " Gallia "

France (La Gaule) " partie de l’Europe que plusieurs disent être appelée GALATIA, de GALA, qui signifiait lait, parce qu’elle produit des hommes laiteux, c’est à dire blancs parce que les montagnes empêchent l’ardeur du Soleil d’y entrer et de les noircir " in Atlas ou méditations cosmographiques sur la création du monde et de l’apparence de la création, 1609, Gérard Crémer dit Mercator)

 

carte de Mercator dite " Gallia " 1595, in " Nouvelle géographie universelle " d’Elisée Reclus (1830 – 1905)

carte de La Hire

Prolongements possibles :

Atelier carte médiévale, Musée des Plans reliefs.

 

 

Bien lire une carte, définitions de base :

1/ Parallèles et méridiens :

La Terre est divisée en deux hémisphères, Nord et Sud, séparés par une ligne imaginaire : l’ Equateur, qui est un grand cercle " perpendiculaire " à l’axe polaire. On a imaginé d’autres cercles, parallèles à l’équateur, qu’on nomme parallèles. Ils permettent de situer la latitude d’un point, c’est à dire sa distance, calculée en degrés, par rapport à l’Equateur. Au Nord de l’ Equateur on parlera de latitude Nord (ex. 45°N). Les pôles sont à 90° de latitude.

Mais pour situer exactement un point sur le globe, il faut aussi évaluer sa position Est-Ouest. Pour cela on a également imaginé des demi- cercles joignant les deux pôles : ce sont les méridiens. Ils permettent de calculer la longitude. A l’Est du méridien de Greenwich (0°) on parlera de longitude Est, si le point est situer à l’ Ouest, on parlera de longitude Ouest.

2/ L’échelle :

La carte  est le modèle réduit de la réalité. Un modèle d’avion 70 fois plus petit que l’avion réel est dit à l’échelle 1/70ème ( ce qui s’écrit aussi 1 : 70). De la même façon les cartes sont faites à une certaine échelle. Si vous connaissez l’échelle d’une carte, vous pouvez facilement calculer les distances réelles. Cette échelle figure toujours à côté de la carte, toutes les cartes n’ont pas la même précision, plus l’échelle est grande plus la carte est précise.

3/ La figuration du relief :

Représenter le relief sur une surface plane pose un problème. On le résout en employant les courbes de niveau. Ce sont des lignes fermées joignant tous les points ayant même altitude (même hauteur au dessus du niveau de la mer). Elles permettent de représenter la dénivellation c’est à dire la variation d’altitude.

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6. Astronomie progressions possibles cycles2 et 3 :

( travail du stage PREST 03/2001 IUFM de Livry Gargan, document collectif)

Progression sur l’astronomie au cycle 2

Physique

Histoire

Géographie

Sciences

Technologie

Français

Mathématique

Les différents moments de la journée

Le mouvement apparent du soleil (1) (Le Soleil est-il toujours à la même place?)

L’alternance jour/nuit

La représentation de la terre(1)

L’importance des rythmes de vie

Vocabulaire : listes de mots et mots-étiquettes. Express.écrite : écrire des listes

Avant-après Ordre chronologique

Le mouvement apparent de soleil (2) (dispo- sitif d'obs)

Un jour = 24 heures

La représentation de la terre(2)

Education à la santé : le sommeil

Lire et écrire : l’ordre chronologique dans le récit

Les nombres de 0 à 24

Le mouvement apparent de soleil (hypothèse)

La succession des jours/la semaine

Se repérer sur un plan : la classe,

Education à la santé : la visite médicale

Construire le calendrier de la semaine

Le calendrier : la semaine.

Ombre et lumière (1)

La succession des semaines/le mois

Mon corps change : la croissance

Construire un calendrier perpétuel

Les nombres de 0 à 31 Gauche-droite, en haut-en bas..

Ombre et lumière (2)  

Les mois / l’année

Le plan de l’école

Construction d’un gnomon

Verticalité / horizontalité Tracer à la règle

Le mouvement apparent du soleil (relevés)

L’année civile / L’année scolaire

Le plan d’une maison

Le paysage change : étude des arbres dans la cour

Repérage de cases

Le mouvement apparent du soleil (5)

Le calendrier

Orientation : les points cardinaux

Le plan du quartier

 

ASTRONOMIE  ET MESURES exemple de progression cycle 3 et d'ateliers possibles :

MESURER L'ESPACE - La Terre est ronde

CM1

Verticale / horizontale : atelier "Mesurer autrefois" des Archives Nationales

Méridiens et parallèles : atelier junior et Planétarium du Palais de la Découverte "Apprendre à se repérer" , atelier "La mappemonde au Moyen-Age" musée des Plans-reliefs.

CM2

Latitude / longitude : les instruments de marine pour faire le point Musée de la marine

Mesurer la Terre : BIPM étalonnage de longueur, atelier "La méridienne" Musée des Arts et Métiers.

MESURER LE TEMPS - La terre tourne sur elle-même

CM1

Astres, calendriers

Clepsydres et sabliers : atelier junior Palais de la Découverte "modification des écoulements"

Cadrans solaires : observations, relevé, construction, "Les instruments scientifiques" Musée des Arts et Métiers.

CM2

Cadrans : ombre et lumière

Pendules : oscillation, Pendule de Foucault Musée des Arts et Métiers (Chapelle)

MESURER L'ATMOSPHERE - La terre tourne autour du Soleil

CM1

L'atmosphère : étude, participation éventuelle au projet "Un ballon pour l'école" avec le CNES, atelier junior Palais de la Découverte "L'atmosphère"

Les nuages, les océans.

Les climats.

Station météo : construction des instruments, relevés, analyse

CM2

L'atmosphère : les satellites

Les saisons : atelier junior Palais de la Découverte " Les saisons"

La Lune et les marées : observations, graphiques

Prévisions : visite de Météo France.

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7. Astronomie bibliographie

- Une histoire de l'astronomie, Verdet JP, Points Sciences Seuil 1990

- Astronomie et astrophysique, Verdet JP, Larousse 1993

- La révolution copernicienne, Kuhn TS, Livre de Poche 1973

- L'image du monde des Babyloniens à Newton, Simaan A et Fontaine J, Adapt Editions 1999

- La géographie dans le monde antique, Aujac G, PUF 1975

- La carte, image des civilisations, Kish G, Hermann 1971

- Le chiffre et le songe, Blamont J, Odile Jacob 1993

- Dieu et la science, Allègre C, Livre de Poche ?

- L'église et la science, Minois G, Fayard 1991

- La pensée grecque et les origines de l'esprit scientifique, Robin L, Albin Michel 1973

- La formation de l'esprit scientifique, Bachelard, Vrin 1980

- L'histoire des sciences, Rosmorduc J, Hachette éducation 1996

- La science au péril de sa vie, Simaan A, Adapt Editions 2001

- Les académiciens astronomes, voyageurs au XVIIIème siècle, Dumont S et Débarbat S, Académie des sciences 1999

- La terre mandarine, Balland A, Seuil 1994

- Le procès des étoiles, Trystram F, Payot 1993

- Longitude, Sobel D, JC Lattès 1996

- Le mètre du monde, Guedj D, Seuil 2000

- La mesure du monde, Guedj D, R. Laffont 1997

- L'astronomie et les expéditions, Lévy J, Colloque "La figure de la Terre du XVIIIème siècle à l'ère spatiale" 1988

- Les cahiers Clairaut - bulletin du CLEA Labo d'astronomie Université Paris Sud Orsay

- A l'école de l'univers, Hacquard P et Genevaux P, CRDP Lorraine1993

Littérature :

- Entretiens sur la pluralité des mondes, Fontenelle, Flammarion rééd. 1998

- Voyages dans les états de la Lune, Cyrano de Bergerac 1657, Flammarion 1970

- Le pendule de Foucault, Umberto Eco, Grasset 1990

- Promontorium Somnii, Victor Hugo ( rencontres entre V. Hugo et Arago Directeur de l'Observatoire de Paris) 1835

ANNEXE 1 : document de stage PREST 03/2002 " Se repérer dans l'espace" ( Marie- France Joncoux, Christophe Lefèvre, Marie- Lise Lopez)

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