Brevet FR2349867A1 — publié le 19771125

La présente invention concerne les cadrans solaires et, plus particulièrement, un cadran solaire perfectionné qui peut localiser le pole de la voûte céleste et le méridien du nord géographique. Dans les domaines de la navigation, du génie civil, etc ..., l'exposition à la lumière solaire est souvent importante et la direction des rayons solaires est directement liée au méridien du nord géographique. Lorsque la localisation précise du méridien du nord géographique est demandée, l'utilisation d'une boussole ou compas magnétique conventionnel, même lorsque la déclinaison du champ magnétique terrestre est bien connue, peut mener à des erreurs importantes en raison de la présence de structures en acier voisines, telles que charpentes métalliques renforcées de certains immeubles, rails de chemins de fer aériens ou souterrains ou, encore, viaducs routiers en acier. De plus, la détermination du nord géographique pour la navigation est devenue très importante depuis l'avénement des voyages historiques à longue distance par terre et par mer. Un objet de la présente invention est de prévoir un nouvel appareil pour la détermination du nord géographique basée sur le principe de fonctionnement d'un cadran solaire perfectionné. Un cadran solaire du type horizontal donne l'heure solaire ou sidérale vraie seulement lorsque son indicateur ou gnomon est pointé sur le poule de la volte céleste. Inversement, l'indicateur du cadran solaire donne correctement la direction du pale de la voûte céleste lorsque ce cadran est convenablement orienté pour indiquer l'heure solaire vraie. La présente invention fait usage d'un principe tendant à prévoir un cadran solaire perfectionné du type horizontal portant des divisions horaires pratiquement équidistantes de manière que ce cadran solaire puisse donner l'heure solaire exacte en faisant une simple correction pour la latitude, la longitude et l'équation de temps. Avec ces perfectionnements, le cadran solaire de la présente invention peut permettre la détermination de la direction du méridien du nord géographique, pourvu qu'il soit placé de manière que 11 ombre portée de la platine indicatrice indique correctement l'heure solaire vraie. Un autre objet de l'invention est de prévoir un système indicateur de méridien du nord géographique dans un cadran solaire capable d'offrir une précision de mesure constante entre l'aube et le crépuscule. Ces objets de l'invention et d'autres encore deviendront plus apparents à la lecture de la description suivante qui fait référence aux dessins ci-annexés dans lesquels La figure 1 est une vue perspective d'un appareil indicateur du méridien du nord géographique selon l'invention. La figuré 2 est un diagramme illustrant le procédé d'établissement d'une graduation composée de divisions horaires équidistantes sur le cadran solaire de l'indicateur de méridien de la figure 1. la figure 3 est un graphique montrant comment on peut corriger l'indicåteur de méridien de la figure 1 pour tenir compte de la variation journalière tout au long de l'année, de l'angle de déclinaison du soleil. Dans la figure 1, une semelle horizontale 1 porte une plaque inclinée 2 suivant un angle prédéterminé p. Sur la plaque inclinée est monté un axe de pivotement A autour duquel peut pivoter par rapport à la plaque 2, une plaque formant un cadran semi-circulaire gradué en heures. Les divisions ou graduations horaires XII, I, II, III, IV, V et VI sur le côté gauche du cadran représentent les heures de la matinée, alors que les graduations horaires sur le c8té droit de ce cadran 4 représentent les heures de l'après-midi. Un élément indicateur ayant la forme d'une platine rectangulaire 5 est monté sur la plaque inclinée 2 en faisant avec cette dernière, un angle réglable q.Pour des raisons de robustesse mécanique, l'élément indicateur 5 est supporté par la plaque inclinée 2 au moyen de montants 6, 6a, traversant des ouvertures 7, 7a pratiquées dans le cadran semicirculaire 4. L'arête gauche 5a de l'élément indicateur 5, lorsqu'elle est pointée sur le p81e de la voûte céleste, produit une ombre portée indiquant l'heure sur les graduations horaires gauches gravées sur le cadran semi-circulaire 4. L'arête droite 5b de l'élément indicateur 5 est parallèle à l'arête gauche 5a et lorsqu'elle est pointée sur le pôle de la voûte céleste, elle produit une ombre portée sur les graduations horaires droites portées par le cadran semi-circulaire 4.La semelle 1 est inclinable par l'intermédiaire de vis à oreilles 8, 8a se vissant dans des trous taraudés dans ladite semelle 1, de sorte que l'élément indicateur ou platine indicatrice 5 peut être inclinée à la demande par rapport au plan horizontal. L'angle d'inclinaison de l'élément indicateur 5 est mesuré sur une échelle 9 agencée sur la plaque inclinée 2 et graduée en latitudes. A l'aide des vis à oreilles 8, 8a, l'angle de l'élément indicateur 5 par rapport à lthorizon terrestre est réglé pour correspondre à la latitude du lieu d'utilisation de l'appareil. Adjacente à la graduation 9, se trouve une fente 10 pratiquée dans la plaque inclinée 2.Un fil à plomb ou ficelle lestée il est fixée à une arrête 5c de l'élément indicateur 5 de manière que ce fil à plomb passe dans la fente 10 et que sa position verticale peut être lue sur l'échelle des latitudes 9. Une ouverture 12 de forme appropriée pratiquée dans le cadran semi-circulaire 4 permet le pivotement de ce dernier autour de l'axe A, sans interférence possible avec la position déterminée par la pesanteur du fil à plomb 11. Une échelle graduée 13 est portée par le cadran semi-circulaire 4 pour effectuer, comme on le verra plus loin, la correction correspondant à l'équation de temps, correction imposée par la variation journalière tout au long de l'année de l'angle de déclinaison du soleil.Une autre échelle 14 juxtaposée à l'échelle 13 est portée par la plaque inclinée 2 et est graduée en longitudes. le cadran semi-circulaire4 est positionné à la demande par pivotement autour de l'axe A et est maintenu dans cette position par des moyens conventionnels non montrés. Une boussole 15 est optionnelle dans le cas normal, mais elle devient nécessaire lorsqu'àprès avoir déterminé de façon précise le nord géographique avec l'appareil selon l'invention, il devient nécessaire de mesurer la déclinaison du champ magnétique terrestre. A Tokyo, oU la latitude est de 350 nord, il convient de matérialiser un angle g (entre l'élément indicateur 5 et la plaque inclinée 2) égal à 450C et de faire un angle p égal à 100, de manière que l'angle de l'élément indicateur 5 soit égal à 350 lorsqu'il est réglé au moyen des vis 8 et 8a et tel qu'il est lu au droit du fil à plomb 11 sur l'échelle graduée-9. A Tokyo oU la longitude est de 1400, cette graduation doit être placée en face de la correction d'équation de temps sur l'échelle 13. Cette correction d'équation de temps est imposée parla variation de la déclinaison solaire tout au long de l'année et ces corrections sont portées en minutes sur l'échelle graduée 17 de la figure 3. Pour rendre l'appareil selon l'invention facilement transportable et utilisable en un point quelconque du globe terrestre, la plaque inclinée 2 peut être articulée sur la semelle 1, les montants 6, 6a peuvent être également articulés sur l'élément indicateur 5, de même que-ce dernier peut être articulé sur la plaque inclinée 2. La figure 2 montre comment les graduations horaires portées sur le cadran semi-circulaire 4 sont établies de manière que le déplacement angulaire entre des graduations adjacentes reste pratiquement constant en ce qui concerne toutes les heures de la matinée et de l'après-midi. Dans un cadran solaire conventionnel, les distances entre les divisions horaires XII, I, II, III, IV, V, VI, etc... ne sont égales. On sait que l'angle a de graduation horaire peut être calculé en utilisant la formule suivante tg ai = sin S tg ti s S = latitude t = l'angle de 1 heure solaire En supposant que la latitude de Tokyo soit de 450, on a - Tableau 1 Angle entre les graduations horaires adjacentes a12 = 0 0 a1 = 10 43,7' 10 43,7' a2 = 22 12,5' 11 28,8' a3 = 35 15,9 13 3,4' a4 = 50 46,1' 15 30,2' a5 = 69014,8 18028,7' a6 = 9000' 20045,2' le tableau 1 met en évidence que dans un cadran solaire conventionnel l'arc, c' est-à-dire, l'angle entre les graduations horaires V et VI est environ deux fois plus grand que celui entre les graduations I et II. La figure 2 illustre une méthode permettant de rendre ces graduations horaires équidistantes. Selon la présente invention, les graduations horaires M, C, D, E, F, H et X doivent être séparées par des intervalles approximativement égaux. Comme le montre la figure 2, la droite VI 0B est tracée à partir du point IV jusqu'à un point B en passant par le point 0, ainsi que la droite BAR perpendiculaire à VI OB à partir du point B. Un arc IN est tracé avec comme centre le point A et comme rayon 1. L'arc LM coupe les droites horaires respectives O-VI, O-V, O-IV, O-III, O-II, O-I et O-XII aux points L, F, E, D, C et M. On pose RAM = #12, RAC = #1, RAD = #2, RAE = #3, l'angle #I indiquant l'heure. La figure 2 montre la relation existant entre les angles a3 et 03. Si une perpendiculaire est abaissée sur la droite 0E prolongée, (droite correspondant à 3 heures) au point J à partir du centre de pivotement A, et si AO = m et AOB = p AM = AC = AO = AE ........ = 1, rayon de l'axe MOC = a1, MOD = a2, MOE = a3 ......... RAM = #12 , RAC = #1, RAD = #2, RAE = #3 ...... on a : m cos (a3-ss) = 1 sin (#3-a3) AJ En général, m cos (ai-ss) = 1 sin (#i-ai) En utilisant une méthode de calcul empirique avec les formules (1) et (2), des valeurs qui sont approximativement en progression arithmétique, furent trouvées. Avec OB = 8 cm, BA = 4,00 cm, 1=17,89. cm, les valeurs de présentent des différences presque égales, comme le montre le tableau 2. - Tableau 2 Angle entre les graduations horaires adjacentes # = 26 33,9' # = 39 28,8' 12 54,9' # = 52 6,8' 12 38,0' # = 64 53,1' 12 46,3' # = 77 54,0' 12 0,9' # = 90 48,7' 12 54,7' # = 102 55,3'* (12 6,6') * Valeur moyenne 12051' (excepté 1205,5') le tableau 2 montre que la valeur moyenne d'un angle horaire est de 12 51' entre 12 heures et 5 heures de l'aprèsmidi et que la différence entre ces angles est au maximum de 13'. Le rapport entre cette différence maximale et la valeur moyenne des angles horaires est donné par : 13'/12 51' = 1,7 %. Dans ces conditions, on peut admettre que la distance séparant les différents points de la graduation ne varie pratiquement pas. Les droites de graduation entre 6 et 12 heures dans la matinée sont tracées en tenant compte qu'elles sont symétriques à celles de l'après-midi par rapport à la droite BR de la figure 2. Selon l'invention, le cadran solaire montré en figure 1 est réalisé de la manière suivante : la platine rectangulaire indicatrice 5 fait avec le cadran semi-circulaire 4, un angle de 450. les graduations sur ce cadran semi-circulaire sont déterminées comme on l'a décrit ci-dessus. se se référant à nouveau à la figure 1, les graduations horaires XII, I, Il, III, IV, V, VI, etc ... sont localisées en tenant compte des indications de la figure 2 et du tableau 2. l'élément indicateur 5 est fixé pour former un angle de 450 avec la plaque inclinée 2. les arêtes parallèles 5a et 5b de l'élément indicateur 5 passent respectivement par les points O et 01. Dans la figure 2, le segment de droite O'B est symétrique au segment de droite 03 par rapport à la droite BR. De plus, les points pour 6 heures du matin et 6 heures de l'après-midi se trouvent sur les prolongements de 00'. les arêtes Sa et 5T de l'élément indicateur deviennent parallèles à l'axe de la terre lorsque le cadran semi-circulaire est positionné à un angle de 450 - P, par rapport à un plan horizontal, (p étant égal à environ 100 pour Tokyo), au moyen des vis de réglage 8 et 8a, l'extrémité côté sud du cadran semicirculaire étant plus haute que l'extrémité coté nord. le fil à plomb Il doit indiquer 350 de latitude sur l'échelle 9. En figure 1, une droite prolongeant également de part et d'autre le segment 00' à partir du point milieu B pour aboutir aux deux divisions horaires VI et VI, est tracée comme on le voit sur cette figure. Un arc de cercle de rayon l et de centre A est également tracé et coupe les deux extrémités de ladite droite pour constituer le lieu géométrique des graduations horaires selon la figure 2 et le tableau 2. En conséquence, l'heure indiquée par la position de l'ombre portée délimitée par les arêtes 5a et 5b de l'élément indicateur 5 est bien l'heure solaire vraie. La différence entre l'heure légale et l'heure solaire vraie est due à la différence de longitude et à l'influence de l'équation de temps au lieu d'utilisation de l'appareil. Cependant, cette différence par rapport à l'heure légale peut être facilement corrigée en utilisant les échelles 13 et 14 du cadran semi-circulaire. les applications de la présente invention sont les suivantes. Pour la détermination de la direction du nord géographique, pendant le jour, sur un bateau en plein océan, par exemple, il est en général, nécessaire d'effectuer des calculs compliqués en partant de données relevées au cours d'observations astronomiques, si on ne peut disposer de compas magnétiques, de gyrocompas et d'appareils de navigation par radio. L'indicateur de méridien de la présente invention qui fait usage du principe du cadran solaire, indique directement la direction de ce méridien sans qu'il soit besoin de procéder à des calculs complexes. Dans cet appareil, ctest l'ombre portée d'un élément en forme de platine appelé élément indicateur qui en se projetant sur un cadran semi-circulaire, matérialise la direction-cherchée, ledit cadran portant une graduation à divisions sensiblement équidistantes. Cette méthode de détermination précise.de la direction a fait époque dans l'histoire de l'observation astronomique. La détermination du méridien au moyen d'une aiguille magnétique ou compas est toujours assortie d'une erreur comprise entre 5 et 10 degrés. Selon la méthode de la présente invention, on peut observer facilement que dans le Tableau 2, la distance angulaire des graduations de l'échelle correspondant à une heure est d'environ 12051. Il s'ensuit que pour un intervalle de temps d'une minute, la distance angulaire correspondante sur l'échelle est de 13'. De sorte que si la largeur de l'élément indicateur 5 est de 16 cm, on voit qu'il est facile d'apprécier l'heure à partir de l'ombre portée de cet élément indicateur sur le cadran semi-circulaire avec une erreur inférieure à 1 minute. Bes résultats expérimentaux montrent, en effet, qu'une erreur d'environ 0,50 apparats dans la détermination de la direction lorsque l'erreur faite à la lecture de l'heure sur l'indicateur de méridien est de 1 minute. En conséquence, il n'est pas difficile de déterminer la direction avec une erreur inférieure à 0,50 si l'opération est effectuée avec le soin voulu. Après avoir déterminé la direction du nord géographique avec appareil selon la présente invention (figure 1), il est également possible de mesurer la déclinaison du champ magnétique terrestre. cadran solaire de la figure 1, lorsqu'il est convenablement orienté vers le pôle de la voûte céleste, donne l'heure solaire vraie avec précision. Inversement, le même cadran solaire peut être utilisé pour indiquer la direction du nord géographique. lorsque l'heure solaire vraie est connue. Pourvu, bien entendu, que le soleil brille dans le ciel. Bien que de nouvelles caractéristiques fondamentales de la présente invention aient été dictées en faisant référence à une réalisation préférée de cette invention, il est-bien entendu que de nombreux changements et modifications peuvent lui être apportés par les hommes de l'art sans pour cela stécarter de son esprit et.de son domaine d'application tels qu'ils sont définis dans les revendications ci-annesées. -REVENI?ICAT IONS - 1. Indicateur de méridien à une latitude s comprenant une plaque en forme de cadran semi-circulaire; un élément indicateur rectangulaire; un dispositif destiné à positionner ledit élément à un angle de q degrés par rapport audit cadran semi-circulaire; un dispositif permettant de donner audit cadran semi-circulaire une inclinaison de (q-s) degrés par rapport au plan horizontal, l'un des côtés dudit élément étant placé sur ledit cadran d'une manière telle que les deux côtés parallèles opposés dudit élément indicateur soient orientés vers le pôle de la voûte céleste, ledit côté dudit élément indicateur étant prolongé de part et d'autre de la même quantité pour former une ligne droite et un demi-cercle passant par les extrémités de ladite ligne droite, la circonférence de ce demi-cercle étant divisée en graduations horaires, de sorte que l'ombre portée de l'un desdits côtés opposés dudit élément indicateur indique l'heure sur 11 échelle graduée le matin, alors que l'autre desdits côtés opposés dudit élément indique l'heure dans l'après-midi. 2. Indicateur de méridien selon la revendication 1, dans lequel ledit cadran semi-circulaire peut pivoter autour de l'ase situé au centre de ladite demi-circonférence utilisée pour recevoir l'échelle horaire. 3. Indicateur de méridien comprenant une semelle, une plaque inclinée d'un certain angle sélectionné rar rapport à ladite semelle, une plaque en forme de cadran semi-circulaire, un dispositif autour duquel ledit cadran peut pivoter en prenant appui sur ladite plaque inclinée, un élément indicateur rectangulaire, un dispositif supportant un premier côté dudit élément indicateur pour donneràcedernier un certain angle par rapport à la plaque inclinée, un dispositif pouvant incliner ladite semelle à un angle sélectionné par rapport à un plan horizontal, un fil à plomb fixé à un second côté dudit élément indicateur parallèle audit premier côté, une ouverture pratiquée dans ladite plaque inclinée positionnée de manière que ledit fil à plomb puisse le traverser, et un dispositif constitué par une échelle des latitudes fixée sur ladite plaque inclinée adjacente audit fil à plomb au point où se dernier traverse ladite ouverture, un dispositif à échelle graduée pour la correction de l'équation de temps disposé sur ledit cadran semi-circulaire et un dispositif à échelle graduée pour la correction de longitude disposé sur ladite plaque inclinée en correspondance avec ladite échelle graduée pour la correction de l'équation de temps, ledit cadran semi-circulaire portant des graduations horaires de manière que lorsqu'un troisième côté dudit élément indicateur est orienté vers le nord géographique, l'ombre portée dudit troisième côté dudit élément indicateur, sur ladite graduation horaire dudit cadran semi-circulaire, permet de lire l'heure solaire vraie.