Les horloges optiques

Genre très précises

[www.lesechos.fr]

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Modifié 1 fois. Dernière modification le 23/10/22 10:02 par Nestor Burma.

[www.observatoiredeparis.psl.eu]

[syrte.obspm.fr]



Modifié 1 fois. Dernière modification le 23/10/22 10:05 par Nestor Burma.

On fait ça chez nous à FEMTO-ST
Mais c'est une manip de labo énorme ... c'est pas demain la veille qu'on pourra réduire le volume d'une telle horloge optique à celui d'un rack d'électronique standard, comme pour une horloge césium commerciale.
La quelle horloge césium coûte nettement moins cher qu'une répétition-minutes de la vallée de Joux ;-)

À B'zançon, on fait aussi nettement plus petit, toujours avec de l'optique, mais pas aussi vertigineux en stabilité que le nec plus ultra des horloges optiques de laboratoire : seulement 10^-11 (en valeur relative) par jour pour ce modèle bisontin miniature ;-)

E.B.



Modifié 2 fois. Dernière modification le 23/10/22 13:27 par Emmanuel Bigler (modérateur).

Un petit tableau pour voir les ordres de grandeur de la stabilité chronométrique sur un jour (dérive journalière), consommation énergétique, volume et masses de différents garde-temps.

                          dérive journalière   consommation    volume      masse
                     1 jour = 86400 s  ~105 s
pendule ATMOSMD                 ??               10-8 W        ~2 dm3     ~2 kg
Jaeger-le-Coultre

montre mécanique              +4/-6 s/jour     qqs 10-6 W     qqs cm3   20 à 150 gr
norme chrono COSC                 

montre à quartz               +- 0,07 s/jour   10 à 100x-6 W  qqs cm3   10 à 100 gr      
norme chrono COSC       

rotation de la Terre            10-3 s/jour

pendule de Shortt (1921)        2x10-4 s/jour  
mesuré en 1982

oscillateur quartz             2x10-6 s/jour     qqs W      ~1 dm3   ~1 kg
ultra-stable

micro-horloge                  3x10-6 s/jour     0,1 W       17 cm3    35 g
optique césium 
commerciale

horloge rubidium               10-8 s/jour      10 à 30 W     0,2 à 2 dm3   0,3 à 3 kg
commerciale

oscillateur micro-ondes      < 10-9 s/jour      1000 W        1 m3     200  kg
(résonateur saphir cryogénique)

étalon césium
horloge primaire             étalon primaire !     50 W          30 dm3    30 kg
commerciale                   ( < 10-8 s/jour )

horloge optique                
état de l'art                   10-14 s/jour        ??            5 m3    ??
en laboratoire                  10-19 relatif

À noter :

- la championne de la sobriété énergétique est la pendule ATMOS^MD de chez Jaeger-le-Coultre ;
- une montre mécanique simple ne consomme que quelques microwatts, à comparer avec votre téléphone portable  : en veille = 70 mW ; écran allumé = 0,3 à 2W
- la réserve de marche de la montre à quartz est due, non pas au quartz ni à l'affichage, mais à la capacité volumique de stockage électro-chimique de la pile, qui dépasse de plusieurs ordres de grandeur la capacité volumique de stockage de l'énerge élastique dans un ressort de barillet ;
- les irrégularités de la rotation de la Terre étaient à la limite du détectable par les meilleures pendules mécaniques, l'avènement de l'horloge atomique (césium, rubidium) a permis de mesurer ces irrégularités et de remplacer la rotation de la Terre comme étalon primaire de temps en 1967 ; le ralentissement moyen de la rotation de la Terre est d'environ 25 secondes tous les 40 ans (2x10^-8s/jour) tendance moyenne à laquelle s'ajoutent des fluctuations de l'ordre de la milliseconde par jour ;
- la stabilité chronométrique se paye cher en termes de consommation énergétique, les micro-horloges à césium (qui sont des horloges optiques) réalisent un compromis très intéressant avec 120 mW de consommation, mais une dérive journalière qui est de l'ordre de celle des meilleurs quartz thermostatés, lesquels consomment beaucoup plus et sont beaucoup plus volumineux.
Néanmoins, encore aujourd'hui, les oscillateurs à quartz sont les champions de la stabilité à court terme (sur quelques fractions de seconde), qui est indispensable pour les applications de type RADAR. L'oscillateur micro-ondes à résonateur saphir cryogénique est bien meilleur que le quartz, mais son volume, son poids et sa consommation l'excluent pour l'instant des applications aéro-spatiales embarquées.

E.B.



Modifié 5 fois. Dernière modification le 23/10/22 14:32 par Emmanuel Bigler (modérateur).

Pour résoudre la dérive journalière en secondes d'une montre, suffit d'enlever la trotteuse ;-)

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.: jeanbaPhoto ::: jeanbaBlog :.

C'est vertigineux et passionnant, merci Henri et Emmanuel pour ces informations.
Est-ce qu'on peut mettre cela en parallèle avec ces centrales inertielles à fibres optiques ?
[www.safran-group.com]



Modifié 1 fois. Dernière modification le 23/10/22 13:39 par claude_e.

de Claude E. (que je salue au passage)

Est-ce qu'on peut mettre cela en parallèle avec ces centrales inertielles à fibres optiques ?

Euh... pas vraiment.
Les gyroscopes optiques en général et les gyro-fibres en particulier sont basés sur un effet très difficile à expliquer, l'effet Sagnac, qui permet de détecter une rotation par interférences lumineuses entre deux faisceaux optiques qui tournent en sens inverse dans un interféromètre ... tournant.

voir cette conférence d'Hervé Lefèvre, le grand spécialiste français de la question. mais c'était une conférences pour les étudiant(e)s de l'ENS de Lyon, c'est costaud

On parle d'horloge optique lorsque l'oscillation qui délivre le « signal d'horloge » provient directement d'une interacton lumineuse avec un atome ou un ion. Donc des fréquences autour de 600 térahertz qu'on ne savait pas « compter » directement avant l'an 2000.
Dans les horloges à rubidium et les micro-horloges à césium (120 mW, 35 gr), on utilise une interaction optique (mesure d'un facteur de transmission optique d'une cellule de gaz placée dans une cavité micro-ondes) mais on n'a pas besoin de la synchronisation de la fréquence optique avec l'oscillateur micro-ondes de l'horloge. La stabilité de fréquence de ce type d'horloge miniature, bien que très intéressante (des horloges à rubidium de dernière génération équipent les satellites européens GALILEO), est très en-dessous des horloges optiques « dernier cri » dans lesquelles on mesure effectivement la fréquence optique..

Jusque vers l'an 2000, on savait que ce genre d'interaction optique avec un ion piégé ou un atome était susceptilbe d'application à des horloges très stables, mais on ne savait pas synchroniser une fréquence optique avec une fréquence micro-ondes, en particulier celle de l'horloge à césium étalon primaire (9 GHz) oscillation électrique elle-même synchronisée avec celle d'un très bon oscillateur à quartz (10 MHz).
C'est l'oscillation du quartz qui « sort » de l'horloge césium. L'interaction avec les atomes de césium recale la fréquence du quartz sur le long terme en empêchant sa dérive.
Au tournant des années 2000, des chercheurs étazuniens et allemands ont inventé un principe de synchronisation entre une oscillation optique et une oscillation électrique dans le domaine radio-fréquence ou micro-ondes (prix Nobel 2005).
Presque immédiatement, la recherche sur les horloges optiques s'est emballée, au point qu'il n'est pas impossible que l'étalon primaire à césium (1967) soit un jour remplacé par un étalon primaire horloge optique.

Dans un gyro optique à fibres, il y a une source lumineuse, mais je ne sais pas dans quelle mesure la stabilité de la fréquence optique de la source est importante pour donner au gyro ses caractéristiques. En tous cas je ne pense pas que la stabilité de fréquence optique requise soit celle des horloges à ions piégés !
Des gyromètres, il y en a en de toutes sortes et de toutes classes de performance, il y en a peut-être même dans votre téléphone portable, mais ils ne viennent pas de chez SAFRAN ;-)

Font l'objet de recherches très actives, les gyromètres et accéléromètres basés sur la manipulation d'atomes « froids », là encore les gains en performance semblent faramineux, mais la compacité et la consommation énergétique sont des freins à l'industrialisation.

E.B.



Modifié 5 fois. Dernière modification le 24/10/22 11:27 par Emmanuel Bigler (modérateur).

Merci Emmanuel :)
Je vais laisser la conférence de M. Lefèvre aux spécialiste...

Comme disait Mr propre en buvant sa Javel, j'ai pas le temps de tout lire vous pouvez pas me faire un résumé ?

de AndGe (que je salue au passage)
vous pouvez pas me faire un résumé ?

Résumé
Au Moyen-Àge, les pendules d'édifice avaient une dérive de l'ordre de 3 à 4 heures par jour.
On a fait nettement mieux depuis.

E.B.

Emmanuel Bigler écrivait:
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> de AndGe (que je salue au passage)
> vous pouvez pas me faire un résumé ?
>
> Résumé
> Au Moyen-Àge, les pendules d'édifice avaient une
> dérive de l'ordre de 3 à 4 heures par jour.
> On a fait nettement mieux depuis.

Au Moyen Age on utilisait les heures antiques, les horloges étaient inutiles ...

Moi qui m'amuse bien avec les coucous (inventés en Forêt Noire, pas en Suisse), je complète le tableau : consommation : remonter deux poids de 275 g chaque jour de 2 mètres, volume 3-4 dm3, masse 2-3 kg et délice 1-2 mn chaque jour pour un coucou un jour.

Heureusement que l'on abandonné la clepsydre car avec la sécheresse on serait an retard

Andge écrivait:
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> Heureusement que l'on abandonné la clepsydre car
> avec la sécheresse on serait an retard

On serait en avance ...

Et cela ne fonctionne pas avec les heures antiques qui rythmaient la vie des travailleurs.

d'Yves Tourmen : remonter deux poids de 275 g chaque jour de 2 mètres

On en déduit facilement la consommation moyenne du coucou pour le mouvement seul (le 2e poids sert pour la sonnerie)
275 gr à remonter de deux mètres : m g h = 0,275 x 9,81 x 2 joules = 5,4 joule
Pour 24H = 86400 secondes, cela nous donne une consommation moyenne fort modeste de l'ordre de 60 micro-watts, certes c'est 20 fois plus qu'une montre mécanique, mais mille fois moins qu'un téléphone portable en veille  !
Eh oui, s'il n'y avait pas le bon courant fourni par nos bonnes centrales, vous devriez au minimum remonter un poids de coucou de 275gr à la main mille fois par jour pour pouvoir maintenir votre téléphone en mode veille  !

P.S. on ne va pas demander à un coucou d'être certifié chonomètre COSC ou « poinçon tête de vipère » de l'Obs de B'zançon !...

E.B.



Modifié 1 fois. Dernière modification le 23/10/22 19:38 par Emmanuel Bigler.

J'ai hérité d'une horloge de parquet, les poids font 3600 g chacun et la longueur de remontage est 1,50 m, on la remonte tous les 15 jours ...

Je reprends le calcul d'Emmanuel

Energie cumulée = 3,500 x 9,81 x 1,500 x 2 (deux poids ... la sonnerie cela compte, c'est tout le charme des horloges) = 103 joules soit pour 15 jours et 6,8 joules/jours soit 70 microwatts

horloge de parquet ...6,8 joules/jours soit 70 microwatts

Très intéressant, le coucou n'est donc pas si sobre que cela vu sa petite taille ;-)
Resterait à estimer la dérive chronométrique journalière du coucou et de la pendule.
Les bon garde-temps mécaniques ont une dérive régulière, au XVIIIe siècle, on laissait dériver les chronomètres de marine en appliquant une correction à la lecture de l'heure ...
Pour la pendule de parquet, il y a les petites variations de température, modifiant d'un micro-poil la longueur du balancier. Au XIXe siècle, on utilisait parfois un balancier compensé des effets de température par un astucieux dispositif bi-métallique dit « à grille » ou « à grill » !

E.B.



Modifié 1 fois. Dernière modification le 23/10/22 20:04 par Emmanuel Bigler.

Emmanuel Bigler écrivait:
-------------------------------------------------------
> Au XIXe
> siècle, on utilisait parfois un balancier
> compensé des effets de température par un
> astucieux dispositif bi-métallique dit « à
> grille » ou « à grill » !

La pendule de parquet évoquée plus haut dispose d'un balancier bi-métal acier-laiton ...

de l'archevêque de Moisenay :
La pendule de parquet évoquée plus haut dispose d'un balancier bi-métal acier-laiton ...

Félicitations !
Le principe du balancier-compensateur à grill(e) est incroyablement astucieux.
Voici les coefficients de dilatation thermique pour l'acier et le laiton :

          coef de dilatation
acier       12x10-6 par degré
laiton    18,5x10-6 par degré

Le balancier à grill(e) est en fait agencé en 2 serpentins symétriques.
L'un des métaux pousse vers le bas lorsque la température augmente, l'autre, attaché au précédent, pousse vers le haut.

Il suffit que le serpentin soit agencé de telle façon qu'il y ait un peu moins de barres de laiton que d'acier, et la dilatation de l'ensemble se trouve fort réduite, sans être totalement annulée.

Et, surtout, que le coucou de la Forêt-Noire, avec son élégant balancier en bois, n'en prenne pas ombrage !

Reste néanmoins à estimer la dérive journalière de cette honorable pendule de parquet compensée en température, dérive qui, normalement, doit être très inférieure à la minute par jour ; une minute par jour c'est une dérive assez commune avec les montres mécaniques-de-famille qui n'ont pas été révisées récemment.
Mais le prix de la révision de la montre-de-famille chez un horloger compétent excède largement le prix d'un réveil radio-piloté par le système DCF-77, 4,99€ chez l'épicier-allemand-du-coin, réveil radio-piloté qui servira à peu de frais (une pile AA tous les 4 ans) d'horloge de référence pour tous vos garde-temps mécaniques, qui, eux, sont sobres, durables et responsables !!

Mille fois moins d'énergie dépensée que votre téléphone portable en veille, pour une pendule à poids, et 20000 fois moins pour une montre mécanique !

E.B.



Modifié 1 fois. Dernière modification le 24/10/22 11:28 par Emmanuel Bigler (modérateur).

1/ pour le réglage automatique de la position de poids d'un balancier, outre les balanciers à tiges combinées acier-laiton, il y a aussi celles ou le poids du balancier est remplacer par quelques fioles contenant du mercure (en général 3 fioles côte à côte).

2/ Pour augmenter le temps nécessaire entre deux remontée des poids d'une pendule, il y a aussi eu les systèmes à moufle (combinaison de poulies) à câble d'acier (plutôt qu'une chaîne) ... chacun sait que, de la sorte, il y a une longueur nettement plus grande de câble ( en compensation on réduit la force nécessaire à la levée du poids, mais là c'est un corollaire).

3/ L'oeuf de nurenberg (première montre de gousset) ne comportait qu'une seule aiguille .... la précision demandée n'était pas si importante à l'époque ... on était pas à 5 minutes près. De nombreuses pendules n'en comportait pas davantage ...balancier va-et-vient et 1 seule aiguille avec cadran en heures et quart d'heures.

On peut encore cité les pendules à crémaillère, sans poids ni chaîne.

La roue de chaîne est remplacée par une roue qui s'engrène sur un crémaillère horizontale à denture droite.

C'est le poids de la pendule qui constitue donc le moteur du mécanisme .... au fil des mouvements du balancier, la pendule descend le long de la crémaillère ...

[www.cjoint.com]

Merci m'sieur Sulmon !
le poids du balancier est remplacé par quelques fioles contenant du mercure

Le coefficient de dilatation linéaire d'une colonne de mercure enfermée dans un récipient cylindrique en verre est nettement plus élevé que celui du laiton ou de l'acier ; pour une colonne de mercure, en négligeant la dilatation du verre, on a un coefficient de dilatation de 181,5x10^-6 par degré, un ordre de grandeur au-dessus des coefficients du laiton et de l'acier !
Dans le balancier compensé au mercure, la tige métallique pousse vers le bas quand la température augmente, le mercure pousse vers le haut en se dilatant, une petite colonne de mercure 10 fois plus courte que la tige en métal réalise la compensation.

Le seul danger d'avoir à la maison une pendule avec un balancier compensé au mercure est de casser les tubes de verre ou de renverser par mégarde le mercure un peu partout ; sinon, bien enfermé dans un récipient étanche, le mercure ne risque guère d'empoisonner la maisonnée.

E.B.



Modifié 2 fois. Dernière modification le 24/10/22 12:00 par Emmanuel Bigler.

Sur l'horloge de parquet mentionnée plus haut, le poids de balancier est composé de 2 portions de sphère, des calottes de 25 cm de diamètre, le côté face en laiton, le côté verso en acier, et au milieu, un tarage de sable ...

l'INVAR c'est pas mal aussi Monsieur BIGLER, et plus sûr que le mercure.
Mais pour un coucou Suisse d'Ultra Haute Précision je pencherai plutôt pour un balancier de Mayence, en Zérodur, pas un jambon !

l'INVAR c'est pas mal aussi

... et l'ELINVAR pour votre spiral-réglant, de Charles Édouard Guillaume, de la Chaux-de-Fonds, prix Nobel 1920 !

(les horloges, c'était plus rigolo avant que la relativité, la physique atomique et la mécanique quantique ne viennent s'en mêler ;-)..)

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J'entends déjà le choeur antique de GP.info qui proteste :
« Digressions Hors Charte ! Mais que font les modérateurs !
Encore du spécial-copinage en faveur des horlogers ! »

E.B.

Et la dérive d'un cadran solaire dont l'aiguille métallique s'allonge au soleil, alors ? Personne n'en parle ?

Charles

Emmanuel Bigler écrivait:
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> Un cadran solaire, oui, mais de B'zançon, sinon rien !

Tout de même...

Charles

Et ce brave homme il a le même heure avec le bras droit qu'avec le bras gauche ?