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C'est en novembre 1997 que l'idée me vint de construire une horloge dont le balancier ne serait animé que par la chute de billes de roulement. Pour cela, il fallait d'abord inventer le moteur qui pouvait maintenir l’oscillation du balancier: comment tirer assez d’énergie de la chute d’une bille? De plus, les billes devaient être assez lourdes pour que leur course soit stable. Mais plus elles sont lourdes, plus elles sont grosses. Or je suis obligé de me limiter pour éviter que l’horloge ne devienne immense. Je décidais donc arbitrairement de les arrêter à 19,844 millimètres. La nouvelle horloge était née, elle tournait déjà dans ma tête et j'imaginais encore qu’il serait possible de la terminer en trois mois…
Les premiers prototypes du moteur étaient incroyables, car j'imaginais à l'époque qu’il me fallait le plus de gain possible pour arriver à une oscillation la plus grande possible. Après un mois de travail, j’avais obtenu une oscillation de soixante centimètres sur une longueur de balancier de 1 mètre. Le triomphe! Les billes descendaient alternativement le long d’une ancre et sautaient sur un tremplin opposé au sens de marche du balancier. Je tenais mon affichage, je tenais mon moteur, il ne restait plus qu’à construire l’horloge qui irait autour. C’est alors que je suis tombé sur un vieux traité de physique datant de 1894, qui expliquait que la loi de l’isochronisme n'était valable que pour les petites oscillations d’un pendule. Pas pour les grandes! Un mois de travail pour rien. Je me retrouve alors avec le problème inversé : comment avoir le moins d’amplitude possible avec des billes de vingt millimètres? Cette fois-ci, il me fallut un mois pour réduire peu à peu le gain du moteur précédent et arriver enfin à la version définitive.
LE MOTEUR
Le principe est simple: chaque bille qui tombe pousse par sa propre pesanteur le balancier dans le sens de l’oscillation.
Celle qui est sur l’aiguille de l'échappement roule quand le balancier n’est pas en position verticale. Celle au-dessus roule aussi mais dans l’autre sens. C’est pourquoi on peut voir six petits roulements fixes au-dessus de l’échappement : ils réduisent les pertes par friction.
Le plus important était d'éviter que le poids de toutes les billes de la rampe influencent la précision du moteur. C'est pourquoi je les fais venir par-derrière à angle droit. La pesanteur de toutes les billes en amont dans la rampe vient alors se perdre contre une butée. Pour mieux répartir le couple de pression, j'ai ainsi accumulé cinq brise-vitesse à angle droit.
LE BALANCIER
Pour faire démarrer l'horloge, il suffit de lâcher le balancier de manière à ce que l'oscillation initiale soit assez grande pour pouvoir laisser passer une bille. On le lâche, et c'est tout. Cette fonction est confiée à un levier, ce qui permet un premier balancement parfaitement dans l'axe du pendule.
Dès qu' on lâche le balancier, celui-ci se retrouve mû par les billes des secondes. L'oscillation s'amplifie peu à peu puis se stabilise après dix minutes. Le gain d'amplitude est d'environ deux centimètres et ne varie plus.
La base de temps est donnée par la longueur du balancier, elle doit être d’environ un mètre pour avoir une bille tombante par seconde. Les tiges du balancier sont en invar, alliage qui ne se dilate pas avec les fluctuations de la température ambiante. Le balancier lui-même fut usiné dans un lingot d’étain de 17 kilos pour assurer assez d’inertie. Le réglage grossier s’effectue en vissant ou dévissant la vis supérieure, ce qui lève ou baisse l’ensemble de la masse du balancier. Le réglage fin se fait en vissant ou dévissant la petite masselotte graduée au fond.
LE CHÂSSIS
La construction du châssis débuta en janvier 1998. Sa grandeur fut déterminée principalement par la grosseur des billes: soixante billes de 19.844 millimètres font un total d'un peu moins qu’un mètre vingt. Ajoutons trente centimètres pour l’échappement du moteur, vingt pour qu’il y ait un peu de réserve de billes plus haut, dix pour les lunaisons et cinquante pour toute la mécanique du fond. Ce qui nous fait un minimum de deux mètres vingt de hauteur. La construction du châssis, du balancier et de l’affichage prit cinq mois...
A ce stade, je pensais encore confier toutes les fonctions autres que le moteur du balancier à de l’électricité et de l’électronique. Elles auraient dû se présenter ainsi : la bille surnuméraire des secondes passait devant un capteur optique qui ordonnait à une électrovanne de vider le tube des cinquante neuf secondes, puis elle continuait sa course pour tomber dans le tube des minutes. De même, la bille surnuméraire des minutes passait devant un capteur ordonnant la purge des cinquante neuf minutes pour tomber dans le tube des heures. La bille de minuit faisait ainsi tomber 59 secondes, puis 59 minutes, puis 23 heures, puis enfin déclenchait le changement de date et la lunaison. L'autre régulation électronique projetée à l’époque était celle de la vitesse de remplissage des billes en amont de l’échappement.
Car si la descente était précise, la remontée des billes se faisait de manière aléatoire et devait donc pouvoir être régulée. Là encore je pensais utiliser des capteurs optiques. Mais l’idée de mélanger de l’électronique à la mécanique me déplaisait au fur et à mesure que passaient les mois... à la fin du mois de mai, je décidai subitement de faire une horloge entièrement mécanique.
Beaucoup de problèmes se dressèrent à ce moment. Car si je récupérais l’énergie de la bille surnuméraire pour débloquer les secondes, je perdais par ce fait cette bille qui ne pouvait plus aller dans les minutes... Je devais donc la récupérer par un autre moyen, faute de quoi l’horloge allait retarder d’une seconde toutes les minutes. Voici donc quel fut le subterfuge retenu. (Et accrochez vos ceintures!)
LA QUÊTE DE LA MINUTE PERDUE...
La soixantième bille des secondes roule donc sur les cinquante-neuf autres. Elle entame la chute qui lui donnera assez de force pour pouvoir débloquer la vanne du fond. En chemin, elle actionne un levier qui bloque momentanément l’arrivée des secondes (pour éviter que les billes entrantes ne se mélangent avec les sortantes) Donc elle continue sa course, chute d'un bon mètre pour frapper un levier et libèrer ainsi les cinquante-neuf secondes. Là, je récupère l’énergie de toutes ces secondes perdues pour débloquer une bille en attente en amont de l’échappement. Celle-ci tombe sur le levier qui bloquait l’entrée des secondes, en les libérant par la même occasion. Puis elle roule dans le tube des minutes. C'est aussi simple que cela.
Le même processus se reproduit pour les heures : la surnuméraire roule sur les 59 minutes, tombe et prend assez d’énergie pour les débloquer, puis la vanne du fond libère une bille en attente qui va tomber dans le tube des heures.
Le problème pour les jours de la semaine et les lunaisons était de récupérer l’énergie de la chute des vingt trois heures à minuit pour actionner, par des leviers et un contrepoids, le disque des jours de la semaine et la boule des lunaisons.
Résoudre tout ces problèmes m’amena en... octobre ! Un autre souci se dessinait maintenant: comment faire remonter toutes ces billes ? Et surtout comment les aligner afin d'éviter tout blocage ? C'est le casse-tête de toutes les usines d'embouteillages. Car les billes arrivent de manière aléatoire et doivent repartir dans un ordre précis. De plus, j’avais ajouté tellement de mécanique un peu partout qu’il ne restait plus beaucoup de place pour le système de remontée. Le principe retenu demanda finalement beaucoup plus de travail que tout le reste car il fallait qu’il soit simple, fiable et surtout ne devait pas prendre de place. J'optais alors pour faire rouler les billes dans un cylindre creusé de trois gorges et cerclé par un ressort. Plus de problème de blocage, un encombrement réduit et une fiabilité à toute épreuve.
LA REGULATION DU SURPLUS DE LA RAMPE
D’autres soucis pointaient maintenant leur nez. Car si les billes montaient de manière aléatoire, il fallait réguler leur nombre de manière à ce qu’il y en aie toujours assez dans la rampe en amont de l’échappement. Il faut donc qu’il y ait à peine plus de soixante billes montantes par minutes et laisser échapper le surplus par un trou de régulation. Voici le système retenu: quand la rampe n’est pas complètement pleine, les billes passent dans une courbe sans s'arrêter à cause de la force centrifuge. Quand elle est pleine, elles rebondissent et tombent dans le ressort spiral de descente jusque dans le bac du fond. Là encore, c’est la force centrifuge qui les force à tourner dans le ressort. Le nombre total de billes de l’horloge est déterminé à minuit, quand toutes les éprouvettes des heures, minutes et secondes sont pleines (144 billes). Nous avons aussi environ 210 billes dans le ressort spiral de montée et il faut encore assurer une réserve de 100 billes dans la rampe, ce qui nous fait un total de 450 billes.
LES LUNAISONS ET LES JOURS DE LA SEMAINE
Les cycles de la lune et le changement des jours de la semaine sont effectués en récupérant l'énergie de la chute des 23 billes des heures à minuit. En tombant, elles poussent un levier qui s'occupe de toutes ces fonctions. Le retour du levier est assuré par un contrepoids réglé de manière à être à peine plus léger que la somme des 23 billes.
La lune doit faire un tour complet en 29,5 jours, ce qu'un engrenage ne peut certes pas faire. J'ai donc doublé le nombre de dents de l'engrenage des lunaisons (59 dents). La chute des billes de minuit le fait donc avancer de deux dents, ce qui nous permet d'être beaucoup plus précis. Les jours de la semaine, les lunaisons et la remontée des billes sont les seules pièces en rotation de toute l'horloge.
LA REMISE A L'HEURE
Toute horloge doit avoir un remontoir pour pouvoir la remettre à l'heure, passer à l'heure d'été, etc. Sur celle-ci, j'ai monté huit petits leviers qui ont pour but d'assurer huit fonctions différentes :
1. - Débloquer les secondes.
2. - Vider les secondes
3. - Ajouter une minute
4. - Débloquer les minutes
5. - Vider les minutes
6. - Ajouter une heure
7. - Vider les heures
8. - Avancer les jours et les lunaisons
Pour vider les secondes, il faut d'abord pouvoir les débloquer. Pour cela, on pèse sur le petit levier n°1 (débloquer les secondes) qui appuie au même endroit que la bille des minutes. Si l'éprouvette des secondes est pleine, le poids des billes est supérieur au contrepoids et elles vont donc se vider toutes seules. Mais ceci ne se produira pas si, par exemple, l'éprouvette est à moitié pleine. Donc le levier n° 2 (vider les secondes) s'occupera de compenser ce manque de poids. La fonction n°3 (ajouter une minute) devient un peu plus compliquée, car elle va se greffer sur celle du déblocage de la bille des minutes. Il fallut donc construire un embrayage (à billes, bien sûr) dans l'axe de la vanne des secondes, puis une transmission de l'effort mécanique de la manette. Quand l'horloge tourne et que la vanne des secondes s'ouvre, la manette des ajouts de minutes tourne aussi. Par contre, si on l'actionne manuellement, la vanne ne s'ouvrira pas à cause de l'embrayage.
Les fonctions 4, 5 et 6 (débloquer les minutes/vider les minutes/ajouter une heure) reproduisent exactement le même schéma et n'ont donc pas besoin d'être expliquées de nouveau.
La septième fonction (vider les heures) est la plus simple de toutes car la mécanique est différente et il n'y a plus rien à ajouter après les heures. Quant au huitième bouton, (avance des jours et lunaisons), il ne fait que simuler le poids des 23 billes de minuit.
Pour remettre l'horloge à l'heure, il faut respecter l'ordre suivant : commencer par les secondes, continuer par les minutes et finir par les heures. Il est important de toujours le faire quand l'horloge est en mouvement.
L'ECHAPPEMENT EN CAS D'ERREUR
Imaginons maintenant qu'il y ait un blocage ou une fausse manipulation.
Que se passe-t-il ? Par exemple l'entrée des secondes est fermée: les billes vont continuer à tomber, une chaque seconde. Puis elles vont commencer à sortir du rail et tomber sans fin dans le bac du fond. De là elles remontent et le cycle continuera tant qu'il restera des billes, c'est à dire sans fin. En un mot: une vraie catastrophe.
Pour éviter ce phénomène, j'ai fabriqué une sorte de porte inertielle. S'il n'y a pas de blocage, les billes roulent tout droit. Par contre, si elles rencontrent un obstacle sur leur chemin elles rebondissent et tombent dans un bac de sécurité situé au-dessus de l'autre. Comme celui-ci est dimensionné pour pouvoir accueillir cinq cent billes, elles vont toutes finir là et le balancier s'arrêtera bientôt faute de billes. Il ne restera donc plus qu'à purger ce bac au moyen d'un bouton,
QUELQUES FAITS
Plus de 1600 pièces différentes. Plus de 300 kilos. 95 roulements à billes. Une année et demie de travail.
Matériaux choisis : laiton, acier inoxydable, argent, acier et invar. Verre Pyrex sablé pour les affichages des heures, minutes et secondes. Le meuble est en chêne massif.