Balancier - Balance wheel

Balancier dans un réveil des années 1950, l'Apollo, par Lux Mfg. Co. montrant le spiral (1) et le régulateur (2)

Balancier moderne dans un mouvement de montre

Balancier en horloge de cheminée . Le spiral spiral est visible en haut.

Un balancier , ou balance , est le dispositif de chronométrage utilisé dans les montres mécaniques et les petites horloges , analogue au pendule d'une horloge à pendule . Il est une roue qui tourne pondérée avant et en arrière, à retourner vers sa position centrale par une spirale ressort de torsion , connu sous le nom spiral ou spiral . Il est entraîné par l' échappement qui transforme le mouvement de rotation du rouage de la montre en impulsions délivrées au balancier. Chaque mouvement de la roue (appelé « tick » ou « battement ») permet au train d'engrenages d'avancer d'une quantité définie, déplaçant les mains vers l'avant. Le balancier et le spiral forment ensemble un oscillateur harmonique qui, en raison de la résonance, oscille préférentiellement à une certaine vitesse, sa fréquence de résonance ou « battement », et résiste à l'oscillation à d'autres vitesses. La combinaison de la masse du balancier et de l' élasticité du ressort maintient le temps entre chaque oscillation ou « tick » très constant, ce qui explique son utilisation presque universelle en tant que garde-temps dans les montres mécaniques jusqu'à nos jours. Depuis son invention au 14ème siècle jusqu'à ce que les mouvements à diapason et à quartz soient devenus disponibles dans les années 1960, pratiquement tous les appareils de chronométrage portables utilisaient une forme de balancier.

Aperçu

Jusqu'aux années 1980, les balanciers étaient la technologie de chronométrage utilisée dans les chronomètres , les serrures horaires des coffres de banque , les fusées horaires pour les munitions , les réveils , les minuteries de cuisine et les chronomètres , mais la technologie à quartz a repris ces applications, et la principale utilisation restante est dans les montres mécaniques de qualité. .

Les balanciers de montres modernes (2007) sont généralement constitués de Glucydur , un alliage à faible dilatation thermique de béryllium , de cuivre et de fer , avec des ressorts d'un alliage à faible coefficient d'élasticité thermique tel que le Nivarox . Les deux alliages sont appariés de sorte que leurs réponses de température résiduelle s'annulent, ce qui entraîne une erreur de température encore plus faible. Les roues sont lisses, pour réduire le frottement de l'air, et les pivots sont soutenus par des roulements à billes de précision . Les balanciers plus anciens utilisaient des vis de poids autour de la jante pour ajuster l'équilibre, mais les roues modernes sont réglées par ordinateur en usine, utilisant un laser pour graver une fosse précise dans la jante pour les équilibrer. Les balanciers tournent d'environ 1 tour et demi à chaque oscillation, soit environ 270° de chaque côté de leur position d'équilibre centrale. La vitesse du balancier est ajustée avec le régulateur , un levier avec une fente étroite à l'extrémité à travers laquelle passe le spiral. Cela maintient la partie du ressort derrière la fente stationnaire. Le déplacement du levier fait glisser la fente de haut en bas du spiral, modifiant sa longueur effective et donc le taux de vibration de résonance du balancier. Étant donné que le régulateur interfère avec l'action du ressort, les chronomètres et certaines montres de précision ont des balanciers « à ressort libre » sans régulateur, comme le Gyromax . Leur taux est ajusté par des vis de poids sur la jante de la balance.

Le taux de vibration d'une balance est traditionnellement mesuré en battements (ticks) par heure, ou BPH, bien que les battements par seconde et Hz soient également utilisés. La durée d'un battement est un mouvement de balancier, entre les inversions de sens, il y a donc deux battements dans un cycle complet. Les balances des montres de précision sont conçues avec des battements plus rapides, car elles sont moins affectées par les mouvements du poignet. Les réveils et les minuteries de cuisine ont souvent un rythme de 4 battements par seconde (14 400 BPH). Les montres fabriquées avant les années 1970 avaient généralement un taux de 5 battements par seconde (18 000 BPH). Les montres actuelles ont des cadences de 6 (21 600 BPH), 8 (28 800 BPH) et quelques-unes ont 10 battements par seconde (36 000 BPH). Audemars Piguet produit actuellement une montre avec un taux de vibration du balancier très élevé de 12 battements/s (43 200 BPH). Pendant la Seconde Guerre mondiale, Elgin a produit un chronomètre très précis qui fonctionnait à 40 battements par seconde (144 000 BPH), ce qui lui a valu le surnom de « Jitterbug ».

La précision des meilleures montres à balancier au poignet est de l'ordre de quelques secondes par jour. Les montres à balancier les plus précises fabriquées étaient des chronomètres de marine , qui étaient utilisés sur les navires pour la navigation céleste , comme source de temps précise pour déterminer la longitude . Au cours de la Seconde Guerre mondiale, ils avaient atteint une précision de 0,1 seconde par jour.

Période d'oscillation

La période d'oscillation d' un balancier T en secondes, le temps nécessaire pour un cycle complet (deux battements), est déterminée par le moment d'inertie du balancier I en kilogramme-mètre ² et la raideur ( constante de ressort ) de son spiral κ en newton -mètres par radian :

${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,}$

Foliot (barre horizontale avec poids) de l'horloge De Vick, construit 1379, Paris

Histoire

Peut-être le premier dessin existant d'une roue d'équilibre, dans Giovanni de Dondi d » horloge astronomique , construit 1364, Padoue, Italie. Le balancier (forme de couronne, sommet) avait un battement de 2 secondes. Traçage d'une illustration de son traité d'horloge de 1364, Il Tractatus Astrarii .

Le balancier est apparu avec les premières horloges mécaniques, dans l'Europe du 14ème siècle, mais on ne sait pas exactement quand ni où il a été utilisé pour la première fois. Il s'agit d'une version améliorée du foliot , un ancien garde-temps à inertie composé d'une barre droite pivotée au centre avec des poids aux extrémités, qui oscille d'avant en arrière. Les poids foliot pouvaient être glissés vers l'intérieur ou l'extérieur sur la barre, pour ajuster la vitesse de l'horloge. Les premières horloges d'Europe du Nord utilisaient des foliots, tandis que celles d'Europe du Sud utilisaient des balanciers. Au fur et à mesure que les horloges devenaient plus petites, d'abord comme horloges à support et horloges à lanterne , puis comme premières grandes montres après 1500, les balanciers ont commencé à être utilisés à la place des foliots. Comme une plus grande partie de son poids est située sur la jante à l'écart de l'axe, un balancier pourrait avoir un moment d'inertie plus important qu'un foliot de la même taille, et garder un meilleur temps. La forme de la roue avait également moins de résistance à l'air et sa géométrie compensait en partie l' erreur de dilatation thermique due aux changements de température.

Ajout d'un spiral

Balancier ancien avec ressort dans une montre française du XVIIIe siècle

Ces premiers balanciers étaient des garde-temps grossiers car il leur manquait l'autre élément essentiel : le spiral . Les premiers balanciers étaient poussés dans une direction par l' échappement jusqu'à ce que le drapeau de verge qui était en contact avec une dent de la roue d'échappement glisse devant la pointe de la dent (" échappé ") et l'action de l'échappement s'inverse, repoussant la roue en arrière l'autre côté. Dans une telle roue " inertielle ", l'accélération est proportionnelle à la force motrice. Dans une horloge ou une montre sans spiral, la force motrice fournit à la fois la force qui accélère la roue et également la force qui la ralentit et l'inverse. Si la force d'entraînement est augmentée, l'accélération et la décélération sont augmentées, ce qui entraîne une poussée plus rapide de la roue d'avant en arrière. Cela rend le chronométrage fortement dépendant de la force appliquée par l'échappement. Dans une montre, la force d'entraînement fournie par le ressort moteur , appliqué à l'échappement par le train d'engrenages de la pièce d'horlogerie, décliné pendant la période de fonctionnement de la montre lorsque le ressort moteur se déroulait. Sans aucun moyen d'égaliser la force d'entraînement, la montre a ralenti pendant la période de fonctionnement entre les enroulements lorsque le ressort a perdu de sa force, lui faisant perdre C'est pourquoi toutes les montres à ressort pré-balancier nécessitaient des fusibles (ou dans quelques cas des stackfreeds ) pour égaliser la force du ressort principal atteignant l'échappement, pour atteindre même une précision minimale. Même avec ces appareils, les montres antérieures au spiral étaient très imprécises.

L'idée du spiral a été inspirée par des observations selon lesquelles des bordures élastiques en soies de porc, ajoutées pour limiter la rotation de la roue, augmentaient sa précision. Robert Hooke appliqua pour la première fois un ressort métallique au balancier en 1658 et Jean de Hautefeuille et Christiaan Huygens l' améliorèrent jusqu'à sa forme spirale actuelle en 1674. L'ajout du ressort fit du balancier un oscillateur harmonique , la base de toute horloge moderne . Cela signifie que la roue a vibré à une fréquence de résonance naturelle ou « battement » et a résisté aux changements de son taux de vibration causés par le frottement ou la force d'entraînement changeante. Cette innovation cruciale a considérablement augmenté la précision des montres, de plusieurs heures par jour à peut-être 10 minutes par jour, les transformant de nouveautés coûteuses en garde-temps utiles.

Erreur de température

Après l'ajout du spiral, l'une des principales sources d'imprécision restantes était l'effet des changements de température. Les premières montres avaient des spiraux en acier ordinaire et des balanciers en laiton ou en acier, et l'influence de la température sur ceux-ci affectait sensiblement le taux.

Une augmentation de la température augmente les dimensions du spiral et du balancier en raison de la dilatation thermique . La force d'un ressort, la force de rappel qu'il produit en réponse à une déflexion, est proportionnelle à sa largeur et au cube de son épaisseur, et inversement proportionnelle à sa longueur. Une augmentation de la température rendrait en fait un ressort plus fort si elle n'affectait que ses dimensions physiques. Cependant, un effet beaucoup plus important dans un spiral en acier ordinaire est que l' élasticité du métal du ressort diminue considérablement à mesure que la température augmente, l'effet net étant qu'un ressort en acier ordinaire s'affaiblit avec l'augmentation de la température. Une augmentation de la température augmente également le diamètre d'un balancier en acier ou en laiton, augmentant son inertie de rotation, son moment d'inertie , rendant plus difficile l'accélération du spiral. Les deux effets de l'augmentation de la température sur les dimensions physiques du ressort et du balancier, le renforcement du spiral et l'augmentation de l'inertie de rotation du balancier, ont des effets opposés et s'annulent dans une certaine mesure. L'effet majeur de la température qui affecte la marche d'une montre est l'affaiblissement du spiral avec l'augmentation de la température.

Dans une montre qui n'est pas compensée pour les effets de la température, le ressort le plus faible met plus de temps à ramener le balancier vers le centre, donc le « battement » devient plus lent et la montre perd du temps. Ferdinand Berthoud a découvert en 1773 qu'un balancier ordinaire en laiton et spiral en acier, soumis à une augmentation de température de 60 °F (33 °C), perd 393 secondes ( 6+1 ⁄ 2 minutes) par jour, dont 312 secondes sont dues à la diminution de l'élasticité du ressort.

Balanciers compensés en température

Le besoin d'une horloge précise pour la navigation céleste pendant les voyages en mer a conduit à de nombreux progrès dans la technologie de l'équilibre en Grande-Bretagne et en France au XVIIIe siècle. Même une erreur d'une seconde par jour dans un chronomètre de marine pourrait entraîner une erreur de 17 milles dans la position du navire après un voyage de 2 mois. John Harrison a été le premier à appliquer une compensation de température à un balancier en 1753, en utilisant une "courbe de compensation" bimétallique sur le ressort, dans les premiers chronomètres de marine à succès, H4 et H5. Ceux-ci ont atteint une précision d'une fraction de seconde par jour, mais le frein de compensation n'a pas été utilisé davantage en raison de sa complexité.

Balancier bimétallique compensé en température, d'une montre de poche du début des années 1900. 17 mm de diamètre. (1) Le déplacement des paires opposées de poids plus près des extrémités des bras augmente la compensation de température. (2) Dévisser des paires de poids près des rayons ralentit le taux d'oscillation. L'ajustement d'un seul poids modifie l'équilibre ou l'équilibre.

Une solution plus simple fut imaginée vers 1765 par Pierre Le Roy , et améliorée par John Arnold , et Thomas Earnshaw : l' Earnshaw ou balancier compensateur . La clé était de faire changer la taille du balancier avec la température. Si le diamètre du balancier pouvait être réduit à mesure qu'il se réchauffait, le plus petit moment d'inertie compenserait l'affaiblissement du spiral, gardant la même période d'oscillation.

Pour ce faire, le bord extérieur du balancier était constitué d'un « sandwich » de deux métaux ; une couche d'acier à l'intérieur fusionnée à une couche de laiton à l'extérieur. Les bandes de cette construction bimétallique se plient vers le côté en acier lorsqu'elles sont réchauffées, car la dilatation thermique du laiton est supérieure à celle de l'acier. La jante était ouverte en deux points à côté des rayons de la roue, de sorte qu'elle ressemblait à une forme en S (voir la figure) avec deux « bras » bimétalliques circulaires. Ces roues sont parfois appelées "balances Z". Une augmentation de la température fait plier les bras vers l'intérieur vers le centre de la roue, et le déplacement de la masse vers l'intérieur réduit le moment d'inertie de la balance, de la même manière qu'un patineur sur glace en rotation peut réduire son moment d'inertie en tirant dans ses bras. Cette réduction du moment d'inertie compensait le couple réduit produit par le spiral plus faible. Le montant de la compensation est ajusté par des poids mobiles sur les bras. Les chronomètres de marine avec ce type de balance avaient des erreurs de seulement 3 à 4 secondes par jour sur une large plage de températures. Dans les années 1870, les balances compensées ont commencé à être utilisées dans les montres.

Erreur de température moyenne

Balanciers de chronomètre de marine du milieu des années 1800, avec divers systèmes de «compensation auxiliaire» pour réduire l'erreur de température moyenne

La balance de compensation Earnshaw standard a considérablement réduit l'erreur due aux variations de température, mais elle ne l'a pas éliminée. Comme décrit pour la première fois par JG Ulrich, une balance compensée ajustée pour maintenir l'heure correcte à une température basse et élevée donnée sera rapide de quelques secondes par jour à des températures intermédiaires. En effet, le moment d'inertie du balancier varie comme le carré du rayon des bras de compensation, et donc de la température. Mais l'élasticité du ressort varie linéairement avec la température.

Pour atténuer ce problème, les fabricants de chronomètres ont adopté divers schémas de «compensation auxiliaire», qui ont réduit l'erreur en dessous d'une seconde par jour. De tels schémas consistaient par exemple en de petits bras bimétalliques fixés à l'intérieur du balancier. De tels compensateurs ne pouvaient se plier que dans une direction vers le centre du balancier, mais la flexion vers l'extérieur serait bloquée par la roue elle-même. Le mouvement bloqué provoque une réponse de température non linéaire qui pourrait légèrement mieux compenser les changements d'élasticité du ressort. La plupart des chronomètres qui sont arrivés en premier dans les essais annuels de l'observatoire de Greenwich entre 1850 et 1914 étaient des modèles de compensation auxiliaires. La compensation auxiliaire n'a jamais été utilisée dans les montres en raison de sa complexité.

De meilleurs matériaux

Balancier et ressort en alliage à faible coefficient de température, dans un mouvement ETA 1280 d'une montre Benrus Co. fabriquée dans les années 1950

Le balancier bimétallique compensé a été rendu obsolète au début du 20e siècle par les progrès de la métallurgie. Charles Edouard Guillaume a gagné un prix Nobel de l'invention 1896 de Invar , alliage d'acier au nickel avec une très faible dilatation thermique, et Elinvar ( El asticité invar iable ) en un alliage dont l' élasticité est stable sur une large plage de température, pour des ressorts d'équilibrage. Une balance en Invar solide avec un ressort en Elinvar n'était en grande partie pas affectée par la température, elle a donc remplacé la balance bimétallique difficile à régler. Cela a conduit à une série d'alliages améliorés à faible coefficient de température pour les balanciers et les ressorts.

Avant de développer Elinvar, Guillaume a également inventé un alliage pour compenser l'erreur de température moyenne dans les balances bimétalliques en le dotant d'un coefficient de température quadratique négatif. Cet alliage, nommé anibal, est une légère variation de l'invar. Il annulait presque complètement l'effet de la température du spiral en acier, mais nécessitait toujours un balancier compensé bimétallique, connu sous le nom de balancier Guillaume. Cette conception est ensuite tombée en désuétude au profit des balanciers Invar à un seul métal avec ressorts Elinvar. Le coefficient quadratique est défini par sa place dans l'équation de dilatation d'un matériau ;

${\displaystyle \ell _{\theta }=\ell _{0}(1+\alpha \theta +\beta \theta ^{2})\,}$

où:

${\displaystyle \scriptstyle \ell _{0}}$ est la longueur de l'échantillon à une certaine température de référence

${\displaystyle \scriptstyle \theta }$ est la température au-dessus de la référence

${\displaystyle \scriptstyle \ell _{\theta }}$ est la longueur de l'échantillon à la température ${\displaystyle \scriptstyle \theta }$

${\displaystyle \scriptstyle \alpha }$ est le coefficient de dilatation linéaire

${\displaystyle \scriptstyle \beta }$ est le coefficient de dilatation quadratique

Les références

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Liens externes

• Choi, Fred (2007-05-26). "Montre de poche William Simcock Massey Type III" . YouTube . Récupéré le 2008-04-26 . Vidéo d'une montre antique du milieu du XIXe siècle montrant le balancier tournant
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• Oliver Mundy, The Watch Cabinet Images d'une collection privée de montres anciennes de 1710 à 1908, montrant de nombreuses variétés de balanciers.

Notes de bas de page