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L'échappement à force constante
La précision d'un garde-temps dépend de plusieurs facteurs:
* internes :
- isochronisme (du grec : même temps, temps constant)
- position (qui peut varier, par exemple pour la montre-bracelet)
- matériaux utilisés
- frottement
- lubrifiants
* externes :
- température
- pression atmosphérique
- chocs
- champs magnétiques
Tout élément étant constant, l'isochronisme apparaît comme la composante principale de la variation de marche d'un garde-temps. Selon la théorie, l'isochronisme du balancier-spiral doit toujours donner la même fréquence ou le même temps par oscillation, indépendamment de l'amplitude de l'oscillation.
En réalité, le temps par oscillation varie en fonction de l'amplitude, qui dépend, elle, de la force variable donnée par le ressort du barillet (ressort principal conditionnant le fonctionnement de la montre).
Pour une précision toujours plus poussée, l'échappement dans la montre joue un rôle capital. De par sa double fonction, il est au cœur même d'un problème épineux, délicat, qui a été un enjeu majeur durant les 350 ans de développement de la chronométrie: la science de la mesure du temps.
Si l'échappement doit d'une part "dompter" la force motrice du ressort du barillet transmise par les rouages, il doit aussi laisser "échapper" une petite quantité d'énergie pour entretenir les oscillations de l'organe réglant, le balancier-spiral. Plus l'énergie fournie est régulière et harmonieuse, plus la marche du garde-temps est précise et stable.
Ainsi, dès l'invention du balancier-spiral par Huyghens en 1675, de nombreux mécanismes furent imaginés pour régulariser et rendre constante la force qui parvient à l'échappement, problème difficile puisque, la pièce étant remontée à fond, elle génère une grande force qui diminue progressivement avec le désarmage du ressort. Dans cet état de fait, comment assurer que cette force variable produise au balancier-spiral des oscillations de même durée, de même fréquence? La théorie de l'isochronisme était née: le balancier-spiral doit toujours donner des oscillations de même durée, indépendamment de leur amplitude.
C'est cet aspect qui conduit Xavier J. Theurillat à chercher des solutions pour parer à un isochronisme imparfait et à créer une force constante. Au cours des siècles, il y avait eu des centaines de propositions, des dispositifs peut-être ingénieux, mais qui souvent chargeaient le mécanisme de complications, ce qui les rendait peu fiables.
En 1959, Xavier J. Theurillat inventa un mécanisme à force constante - protégé par le brevet suisse No 353 679 - avec une transmission d'énergie rigoureusement constante au balancier-spiral. Cette énergie est produite par la tension d'un ressort intermédiaire (spiral), fixé sur l'axe de la roue d'échappement. A la fin de l'impulsion, c'est la roue d'échappement elle-même qui, durant son angle de chute, déclenche (grâce à deux systèmes de palettes) le rouage de la pièce qui, à nouveau, réarme le ressort intermédiaire.
La beauté de ce dispositif est que l'énergie transmise est constante et que le déclenchement de l'énergie variable du rouage, nécessaire à remonter le ressort, est indépendant du balancier-spiral. C'est ce deuxième élément, très astucieux, qui faisait défaut dans la grande majorité des mécanismes à force constante précédents.
Réalisations:
Si, jusqu'à ce jour, cette solution n'a pas été testée - comparativement à un échappement conventionnel - dans deux pièces absolument identiques, Anthony G. Randall en Angleterre en a réalisé un premier prototype au début des années '70. Séduit par le principe de ce mécanisme ingénieux, il obtint rapidement des résultats de précision encourageants de l'ordre d'un dixième de seconde par jour, tant et si bien que plus tard, il choisit ce mécanisme pour la construction de plusieurs pendulettes de précision. L'une d'elles fut même utilisée au Time Museum de Rockford, Illinois, USA, pour étalonner les autres garde-temps!
Afin d'exploiter au mieux cette invention qui l'avait tant inspiré, et pour la faire connaître, Anthony Randall utilisa deux versions du brevet initial de Xavier J. Theurillat, dont la version démultipliée (Cf. Fig. 1,2, 3 du brevet). Il créa des variantes dans le but d'améliorer encore la précision, comme l'intégration d'un échappement à détente qui ne nécessite pas d'huile et qui rend le mécanisme plus constant dans le temps (mais qui ne peut être utilisé que dans des pendulettes, car il est très sensible aux chocs), ou comme des spiraux de verre pour combattre les effets néfastes du magnétisme. Pendant plus de quarante ans, il s'adonna à des expérimentations sur la disposition des composants, sur le choix des matériaux de construction, ainsi qu'à des recherches sur les propriétés de différents balanciers-spiraux.
Plus tard, et plus récemment, Richard Daners en 1995 et Kari Voutilainen en 2000 incorporèrent le mécanisme à force constante à ancre de Xavier J Theurillat dans des montres de poche, puis enfin Karsten Frasdorf en 2009 dans une montre-bracelet.