HISTOIRE DES CADRANS SOLAIRES
Depuis l’aube de l’humanité le soleil est notre horloge.
Le temps est une notion subjective et il semble impossible d’en donner une définition.
Pourtant, la nécessité d’organiser les activités agricoles, les contraintes de la vie en société, puis la rigueur exigée par les scientifiques ont amené les hommes à définir un paramètre temps uniforme.
Depuis des temps reculés, les phénomènes astronomiques (les mouvements apparents des astres, soleil et lune en particulier) ont été utilisés, grâce à leur périodicité, pour définir une unité conventionnelle, et fournir les repères de la vie quotidienne.
Les cadrans solaires existent depuis l’Antiquité, notamment dans les civilisations méditerranéennes.
Les premiers gnomons furent de simples bâtons plantés dans le sol.
Ce gnomon, et son ombre ont aussi été utilisés par ERATOSTHENE pour prouver que la terre était ronde.
Mais les cadrans solaires ne peuvent rendre service la nuit ou en l’absence de soleil.
Ils étaient donc suppléés par d’autres instruments comme les sabliers et les clepsydres.( une clepsydre ou horloge à eau est un récipient percé d’un orifice à sa base, de sorte que l’eau s’écoule dans une cuve munie d’une échelle).
Le principe du gnomon a évolué vers une forme améliorant la mesure de la déclinaison du Soleil pour donner naissance au scaphé (signifiant "barque").
Cette invention, vieille de près de 3000 ans, a la
forme d'une sphère céleste concave (creusée dans un support) au milieu de
laquelle est planté un style droit, orienté vers le zénith du lieu.
A l'extrémité du style est fixée une boule placée exactement au centre de cette
demi sphère. Le scaphé n'indiquait pas a proprement parler l'heure, mais
précisait dans quelle partie du jour clair la personne l'utilisant se trouvait.
Chez les Anciens la mesure du temps présentait une difficulté à cause de la non constance de l’heure.
En effet ils partageaient en 12 heures de jour la durée séparant le lever du coucher du soleil, et en 12 heures de nuit la durée séparant le coucher du lever du soleil, de sorte que l’heure de jour n’était en général pas égale à l’heure de nuit, et que leur durée était variable au cours de l’année.
Ces heures anciennes sont appelées heures temporaires.
Jusqu’au XIVème siècle, les Arabes développent la science des cadrans.
En Europe la gestion du temps est longtemps l’affaire des églises et des monastères. Les cloches règlent non seulement la prière mais aussi les activités de tout un chacun.
Le cadran dit canonial voit sa conception remonter à -300 ans. Il aura vécu pendant près de 1500 ans.
La précision horaire de ce cadran est inexistante puisque le style est horizontal et perpendiculaire à la paroi de l'édifice sur lequel il est fixé.
Mais à cette époque, toute information même fausse, si elle est admise par tout le monde, devient juste.
Le seul rôle de ce cadran était d'indiquer les heures des prières (matines, tierce, sexte, none et vêpres); c'est pour cette raison qu'il orne les parois des églises, abbayes et monastères. Très nombreux surtout en Angleterre et en Allemagne, ils s'étalent partout en Europe où l'Église catholique a pu édifier des abbayes. Son apogée s'étend du Vième au Xième siècle.
L'inclinaison du style est un
tournant dans l'histoire des cadrans avec la prise de conscience de la rotation
de la Terre.
En Europe, le plus vieux style polaire connu se situe en Allemagne et date de
1477; en cette fin du Moyen Age et en ce début de révolution culturelle, des
savants comme Copernic, Kepler et Galilée contribuèrent beaucoup à l'idée de la
rotondité de la Terre, imposant donc une direction du style parallèle à l'axe de
Monde.
L'intérêt du style polaire est que toute son ombre indique l'heure alors que seule l'extrémité du style droit donne une information qui sort souvent de la table du cadran, d'où l'abandon du cadran canonial vers le XVIième siècle.
Une horloge solaire est un instrument permettant de rythmer le temps au moyen d’une ombre ou d’une tache lumineuse.
Une horloge solaire fonctionne donc sur le mouvement apparent du soleil, qui est le résultat des mouvements de rotation diurne de la terre sur elle-même et de rotation annuelle de la terre autour du soleil.
La terre tourne sur elle-même autour d’un axe passant par les pôles.
Le plan perpendiculaire à cet axe est le plan équatorial.
Les grands cercles de la terre passant par les pôles sont les méridiens.
Cette figure montre comment on repère un point de la surface terrestre par deux angles, la latitude et la longitude , moyennant le choix d’un méridien origine.
En un lieu donné il est midi vrai lorsque le soleil passe dans le plan du méridien.
Connaissant l’heure solaire au méridien origine, on peut prévoir l’heure sur un autre méridien, en tenant compte de la longitude.
Sachant que 360° correspondent à 24 h, le décalage horaire est :
L = 24 /360 (où L est en heures et en degrés)
Ce décalage est une avance si le lieu considéré est à l’est du méridien origine, et un retard dans le cas contraire.
En réalité, la terre est partagée en 24 fuseaux horaires qui ne sont pas exactement des fuseaux, car, pour des raisons pratiques, ils tiennent compte des frontières.
En outre, en un lieu donné, la durée du jour solaire, soit le temps séparant deux passages consécutifs du soleil au zénith, n’est pas invariable au cours de l’année
Mais le mouvement de la terre autour du soleil est elliptique et il s’ensuit que sa vitesse n’est pas uniforme, d’où un décalage de l’heure qu’on appelle équation du temps, et qui sera noté E.
Il est possible de traduire cette courbe d’une autre manière en portant, le long de l’axe des abscisses, l’écart de temps de gauche à droite pendant 6 mois, et de droite à gauche les 6 mois suivants ; on obtient alors une courbe qui se ferme sur elle-même, qu’on appelle, en raison de sa forme, la courbe en huit.
On verra plus loin que cette courbe figure sur certains cadrans solaires.
Il faut encore tenir compte de l’heure qu’on ajoute en hiver et des deux heures en été, et en définitive, l’heure H que nous devons lire sur nos montres est liée à l’heure solaire Hs
Un cadran solaire comporte un objet dont on va observer l’ombre portée : le style, et une surface plane, la table, sur laquelle sont tracées les lignes horaires c’est-à-dire les traces de l’ombre aux différentes heures de la journée (le style peut être remplacé par un œilleton qui donne une tache lumineuse sur la table). Le style est toujours parallèle à l’axe de rotation de la terre.
Les lignes horaires convergent au point où aboutit le style rectiligne et qu’on appelle le centre du cadran.
On a l’habitude de classer les cadrans suivant l’orientation du plan de la table.
Les cadrans les plus simples, construits pour un lieu donné, n’indiquent que l’heure solaire locale.
D’autres, plus sophistiqués, indiquent les corrections de longitude et d’équation du temps.
Enfin certains fournissent beaucoup plus d’indications encore.
Utilisation de la courbe en huit
Elle fut tracée pour la première fois en 1730 par Granjean de Fouchy.
On peut y inclure les deux corrections de longitude et d’équation du temps et la tracer autour de la ligne horaire du midi vrai.
Dans ce cas elle permet de trouver l’heure moyenne pour chaque époque de l’année.
Sur certains cadrans elle est même tracée autour de chaque ligne horaire.
Lecture de la date
Suivant la saison, le soleil à une heure donnée, se trouve plus ou moins haut dans le ciel et, en conséquence, l’ombre portée d’un style présente une longueur variable. Sur la figure suivante, on peut voir que, sur un plan horizontal, l’ombre est plus courte en été, plus longue en hiver, et que les choses s’inversent pour l’ombre portée sur un plan vertical.
Le lieu de l’extrémité de l’ombre pendant une journée est une courbe qui coupe les lignes horaires et qui varie avec la date : on peut l’appeler arc diurne.
Le réseau formé par les arcs diurnes est compris entre deux courbes extrêmes relatives au solstice d’hiver et au solstice d’été.
Bien entendu il n’est pas question de représenter les arcs diurnes de tous les jours de l’année.
Sur de nombreux cadrans figurent seulement les arcs des solstices et celui de l’équinoxe pratiquement rectiligne .
Pour d’autres cadrans, les arcs diurnes sont plus nombreux et correspondent aux signes du zodiaque.
Les heures anciennes
Certains cadrans donnent les heures anciennes. Nous avons cité plus haut les heures temporaires, appelées aussi artificielles. Dans ce système le laps de temps qui sépare le lever du coucher du soleil est partagé en 12 heures et par conséquent le midi vrai est noté 6 heures.
Les heures babyloniques (utilisées par les Anciens en Egypte et Asie Mineure) sont comptées à partir de l’heure du lever du soleil.
Par exemple si le soleil s’est levé à 8 heures, à midi il sera seulement 4 heures pour les heures babyloniques.
Pour passer de l’heure babylonique à l’heure classique, il faut ajouter un nombre variable suivant l’époque de l’année.
Inversement si un cadran donne à la fois l’heure classique et l’heure babylonique, on peut trouver l’heure de lever du soleil et la date.
Utilisées par les Romains, puis pratiquement jusqu’au XVIIIème siècle par les Italiens, les heures italiques sont, elles, comptées à partir du coucher du soleil du jour précédent.