STP6: Amélioration et développement de nouvelles complications horlogères sur le thème céleste
L’astronomie, l’astrophysique et l’horlogerie sont intimement liées. La quête pour mesurer de façon fiable le temps qui s’écoule a depuis des temp immémoriaux mobilisé les esprits des hommes. Comme une évidence, le lien intrinsèque entre mouvements des astres et temps fut exploité. La course du Soleil, et la variation de celle-ci au cours de l’année, fut longtemps utilisée au travers des gnomons et cadrans solaires pour mesurer le temps. Les phases de la lune et la course des planètes dans le ciel nocturne permirent l’établissement de calendriers. Du développement de la mécanique par Newton aux théories de la relativité d’Einstein, le caractère indissociable entre un déplacement dans l’espace et le temps mis pour l’effectuer fut établi; le temps s’avérant la quatrième dimension de l’espace(-temps) de tout objet physique.
Aujourd’hui, c’est l’Union Astronomique Internationale (UAI) qui se charge de définir les référentiels dans lesquels nous mesurons l’écoulement du temps. L’UAI a aussi pour mission de donner une définition scientifique et rigoureuse du temps légal, ç-à-d le temps qui régit notre quotidien. Le choix relatif du référentiel, comme l’a montré Einstein, impacte le temps mesuré. Ainsi il ne « s’écoulera » pas de la même façon à la surface de la Terre qu’à bord d’un satellite en orbite. C’est la raison pour laquelle les satellites de positionnement géospatial, tel le système GPS, doivent inclure des corrections à leur horloge interne. Démontrant un autre lien étroit avec l’astrophysique, une des propositions historiques de l’UAI fut d’établir une mesure du temps basée sur les pulsars, des étoiles à neutrons émettant des signaux périodiques extrêmement stables au cours du temps. Aujourd’hui le temps légal est mesuré à l’aide d’horloges atomiques, auquel des corrections ad hoc sont ajoutées au fil des années (les secondes intercalaires), afin de corriger les variations de le rotation terrestre, qui reste la base de notre mesure calendaire.
En Suisse, le développement de l’horlogerie et de l’astronomie se firent de concert. L’observatoire de Genève, dont on a fêté les 250 ans en 2022, fut initialement fondé pour répondre en partie à la demande des horlogers de Genève d’avoir un institut de référence pour la calibration de leurs mécanismes. En 2023, on célèbre les 190 ans de la manufacture de Jaeger-LeCoultre, l’une des fondatrices du savoir-faire horloger de la vallée de Joux.
Ces deux anniversaires étaient amenés à se répondre ; j’ai ainsi effectué un stage chez Jaeger- LeCoultre de mars à mai 2023. Ce stage fut initié suite à la visite d’une équipe de la manufacture horlogère à l’observatoire, pour chercher à améliorer certaines complications horlogères en lien avec les phénomènes célestes. La problématique soulevée était celle de décrire avec exactitude l’évolution des phases de la lune. Si le temps d’un cycle lunaire complet est en moyenne de 29,53 jours (=la période synodique), cette durée varie en réalité au fil des années, avec des écarts à la période synodique pouvant grimper jusqu’à sept heures. La question était donc d’établir comment rendre compte de ces écarts dans un mouvement.
Ce stage fut ainsi une belle opportunité de rappeler l’expertise unique que l’astrophysicien peut amener pour l’innovation horlogère. Si initialement mon domaine de spécialisation concerne la physique des étoiles, les bases de ma formations en astrophysique m’ont permis, à l’aide d’une recherche et sélection de bibliographie, d’identifier des modèles analytiques d’éphémérides décrivant le mouvement orbital de la lune. Si l’on veut décrire les variations de durée du cycle lunaire, il faut calculer avec précision la révolution orbitale lunaire. Pour cela, il faut prendre en compte les éléments pouvant perturber gravitationnellement la lune : les principaux sont évidemment le Soleil et la Terre, suivis des autres planètes de notre système solaire. A cela s’ajoutent des effets de marée et de précession apsidale liés à l’aspect non parfaitement sphérique de la lune. De cette façon, l’on peut acquérir une précision sur des siècles de l’ordre de la seconde si l’on inclus des centaines de termes correctifs, ainsi que des termes séculaires (car les orbites des autres planètes varient elles aussi au fil des décennies et siècles !). Cette précision est bien entendu difficilement envisageable si l’on considère qu’un seul terme correctif correspondra à un train de rouages dans une complication horlogère. Mon rôle a donc été d’exprimer le modèle en expressions mathématiques exploitables en horlogerie. Ne l’oublions pas, en horlogerie, la place est limitée, et les mathématiques sous-jacentes sont discrètes.
Fig.1: A gauche : mécanisme composée d’une roue de 59 dents, actualisé par une impulsion/jour. On remarque les deux disques lunaires utilisés dans ce dispositif. A droite : affichage des phases de la lune dans le cas de ce mécanisme. On retrouve bien entendu l’affichage d’un seul disque. Figures extraites de « Théorie d’horlogerie », Reymondin, Monnier, Jeannerret et Pelaratti, ed. FET, Suisse, 2010.
Mon rôle d’astrophysicien était donc d’identifier la problématique, de la modéliser et de réduire la solution proposée à un degré où la précision est suffisante ; tout en restant réaliste pour être traduite mécaniquement dans une complication horlogère, entrant dans l’espace réduit du boîtier de montre. Cette dernière partie est le domaine des horlogers concepteurs, avec qui j’étais donc en interaction et qui m’ont appris et guidé sur ce sujet.
La leçon la plus importante apprise de ce stage fut pour moi la suivante : en astronomie, nous recherchons la meilleure précision possible, en horlogerie, la précision au mieux (des contraintes données). Ou plus directement en anglais : « the most accurate vs a better accuracy. »
Les compétences de l’astrophysicien
Je souhaite mettre en avant quelles sont les compétences qui m’ont été utiles et on apporté une plus-value durant mon stage au sein de la manufacture. J’en retiens également des visites et entretiens qui m’ont également fait progresser.
Ainsi, je pense avoir témoigné durant ce stage de la large palette de compétences et la versatilité qu’ont à offrir un astrophysicien. En particulier, je suis satisfait d’avoir montré et appliqué mes capacités à :
- identifier un problème, le modéliser via recherche bibliographique et ensuite développements mathématiques
- réécrire des expressions analytiques sous une forme horlogère
- mener une étude de faisabilité et aller vers un premier concept général mécanique
- appréhender les difficultés techniques d’un domaine, l’horlogerie, qui m’est nouveau
- se former de façon autodidacte sur les principes de base de la théorie horlogère
- se familiariser rapidement avec des concepts, une nomenclature et des normes d’une industrie de pointe
- soumettre des idées novatrices
- capacité à faire des présentations structurées, concises et adaptées à des publics différentsJe tiens aussi à souligner de cette expérience les visites et échanges qui m’ont permis d’acquérir ou renforcer des compétences et savoirs. Je peux mettre en évidence :
- la visite de l’atelier prototypage : découvertes des machines robotiques taillant les pièces, les durées de conception, l’ordre de priorité des projets
- la visite de l’atelier mécanique (outillage) : les outils nécessaires à la fabrication, aux montages et réglages des montres sont souvent spécifique à un modèle de montre donné. La manufacture est l’une des rares à avoir la faculté de produire de a à z les pièces composants ses montres, y compris les outils.
- la visite du service qualité : découverte des normes d’acceptation/rejet de pièces
- la visite du laboratoire de tests physique : on y mesure une vaste gamme de paramètres des montres ; la précision de la fréquence de marche (tic-tac) – résistance aux chocs – étanchéité et résistance à la température et l’humidité – usure de vieillesse des pièces – … cette visite et les échanges avec le responsable furent une des plus belles découvertes. La plupart des instruments de mesure et des tests effectués suivent la démarche que l’on effectue dans les laboratoires de physique.
J’ai enfin pu bénéficier d’un échange/cours sur la gestion de projets par un chef de projet. Ce fut également très intéressant car j’ y ai appris les étapes de développement et production menant de l’idée/concept de montre à sa commercialisation. J’ai ainsi pu établir un parallèle et surtout les différences avec la gestion d’un projet spatial, que je connaissais de par mes études et ma participation aux développements de missions spatiales durant mes années de chercheur.
Au quotidien, en écoutant les discussions des personnes de la cellule innovation et du bureau technique, j’ai pu me familiariser avec les termes spécifiques à l’horlogerie et le travail quotidien des concepteurs horlogers, qui travaillent principalement sur logiciel 3D.
Je vois enfin comme une satisfaction mutuelle du travail accompli la proposition de contrat qui m’a été faite de poursuivre, dans un premier temps pour une durée de 1 an, ce travail au sein de Jaeger- LeCoultre.
