Ce document se compose de deux parties :

- Première partie : un texte d’explications.- Deuxième partie : des planches qui permettent de confectionner des instruments, soit en imprimant sur du papier d’environ 200 grammes, soit en collant les images sur du carton ou du bois.

Le ciel étoilé fut le premier guide des voyageurs.

Depuis déja très longtemps une étoile, bien que banale en éclat apparent, devint la plus connue. Le hasard la situe à peu près dans le prolongement de l’axe de rotation de la Terre, ce qui fait qu’elle semble fi xe au cours des nuits. Cette étoile “polaire” est relativement proche dans l’univers, mais suffi samment distante d’un observateur terrestre. Ce dernier peut alors considérer que son bras est presque parallèle à l’axe de la Terre lorsqu’il vise cet astre (vu la distance, la parallaxe est pratiquement nulle).

Très rapidement les hommes ont constaté que la polaire n’était pas visible à la même hauteur apparente suivant le lieu d’observation. Au passage ils ont vite compris que cela ne se produirait pas si la terre était plate.Un personnage situé sur l’équateur doit la voir sur la ligne de l’horizon (en réalité l’atmosphère et les obstacles empèchent son observation). S’il voyage entre l’équateur et le pôle nord, l’étoile lui apparaît de plus en plus haute au fur et à mesure qu’il se dirige vers le nord. Arrivé au pôle il l’aperçoit au zénith juste au dessus de lui.

Au cours de ses animations, le Planétarium Ventoux - Provence, exploite un croquis animé où le personnage et son bras exécutent les mouvements simultanés. Très visuel et ludique, vous le trouverez en deuxième partie de ce document.

Bien entendu si le personnage franchit l’équateur, il doit se repérer avec des constellations australes comme par exemple la Croix du Sud.

En fait, mesurer la hauteur apparente de la polaire revient à déterminer directement la latitude.

Deux remarques :

1/ Le principe n’est valable avec la polaire que dans l’hémisphère nord.

2/ L’étoile polaire n’étant pas située exactement dans l’axe (environ 1° à l’époque actuelle) il faut tenir compte de sa position réelle relativement au pôle céleste nord.

Ceci dit, avec des élèves par exemple, c’est le principe de la mesure qui importe.

En observant des cartes anciennes, il est aisé de constater une certaine précision dans les latitudes. Ce qui n’est vraiment pas le cas pour les longitudes. Les latitudes ont toujours été simples à déterminer par simple observation de la hauteur polaire.Pour les longitudes, il fallait déterminer l’heure locale en deux lieux distants, en se basant sur des phénomènes célestes observables de ces deux points. Le problème était ardu et ne commença à être résolu de manière fi able que dans la deuxième moitié du XVIIIeme siècle avec la possibilité d’emporter une heure de référence, puis plus tard, par une heure transmise pratiquement instantanément par radio.

Facile ! à la lati-tude de 45°

Tiens voilà la polaire,où suis-je ?

Et moi ?

Sur l’équateur !

Les instruments des grandes découvertes, première partie : 1

Les premiers ‘‘instruments’’ de mesure de la hauteur de l’étoile polaire furent peut-être tout simplement les doigts. Avec un peu de pratique, cela permet déja une évaluation.

L’instrument le plus simple est le Kamal.

Il est constitué d’une plaquette en bois au centre de laquelle est fixée une ficelle. Cette dernière comporte un certain nombre de noeuds disposés pour correspondre à des angles. Il suffit de viser une direction (par exemple l’horizon) par la base de la plaquette et une deuxième direction (par exemple l’étoile polaire) par le haut de la plaquette. En tendant la ficelle, il faut alors chercher quel est le noeud qui se situe au plus près de l’oeil. Il faut interpoler à vue entre des noeuds situés souvent de 5 en 5 degrés.

En 1498, Vasco de Gama arrivant dans l’océan indien s’attacha les services de navigateurs arabes qui lui présentèrent un instrument dont la description correspond bien au kamal.

Il importe de préciser que pendant très longtemps, les navigateurs ‘‘courraient à la latitude’’. Faute de pouvoir se fier aux longitudes, ils rejoignaient au plus vite le parallèle correspondant au port d’arrivée et tentaient de s’y tenir pour atteindre leur objectif. Ils progressaient ainsi en marches d’escalier sans avoir la possibilité d’effectuer un trajet direct en diagonale. Dans ce contexte, il n’est pas sur que le kamal fut gradué en degrés. Il suffisait qu’un noeud corresponde par exemple à la hauteur de l’étoile polaire à Bombay en Inde. Dès la première nuit de navigation au départ de la côte orientale de l’Afrique, le pilote observait la hauteur polaire. Si cette dernière, par rapport à l’indication du kamal était trop basse, cela voulait dire que le bateau était encore trop au sud. Si au bout de quelques jours de navigation l’étoile était vue trop haute, c’est que la position était à présent plus au nord. Cette méthode permettait ainsi de louvoyer autour du parallèle d’arrivée. Facile à dire...

L’arbalestrille ou bâton de Jacob.

Le principe est pratiquement le même que celui du kamal mais l’échelle graduée est à présent une règle nommée flèche et la plaquette une pièce coulissante nommée marteau. La flèche tenue contre l’oeil, il faut “poser” le bas du marteau sur l’horizon et ajuster (par coulissement) le haut contre l’étoile polaire. Suivant la latitude, et donc la hauteur apparente de la polaire, il faut prendre le marteau approprié. Cet instrument servait aussi à déterminer l’écart angulaire entre deux astres.Le principal inconvénient est la double visée qui consiste à aligner deux directions angulairement séparées avec le même oeil. Ce problème ne sera résolu que plus tard avec le quartier de Davis, le quadrant d’Adams, l’octant...

Contrairement aux deux instruments suivants, l’arballestrille était moins sensible aux mouvements du bateau. L’opérateur pouvait compenser ces derniers.

Le quadrant.

Son usage est très simple car il suffit de viser l’astre considéré au travers des trous ou fentes pratiquées sur les deux pinnules perpendiculaires au plan de l’instrument. Attention : avec le Soleil, mieux vaut laisser passer un rai de lumière entre les deux trous pour orienter correctement l’instrument.

Le carré des ombres correspond en fait aux tangentes et cotangentes et permettait de déterminer la hauteur d’un édifice par son ombre portée ou la distance d’un repère à partir d’une base connue.

90°

85°

80°

75°

70°

65°

60°

55°

50°

45°

40°

35°

30°

30° - 90°

Les instruments des grandes découvertes, première partie : 2

Par le passé, où l’activité humaine s’effectuait principalement à la lumière solaire, l’unité de temps était la longueur de la journée. On divisait l’intervalle entre lever et coucher du Soleil en segments égaux. Les heures ainsi défi nies variaient au rythme des saisons. Cette échelle de temps est dite temporaire. Les heures nocturnes présentaient une variation annuelle symétrique. Aux équinoxes, les heures diurnes et nocturnes étaient égales. On les appelait alors les heures équinoxiales.Les tracés des heures inégales permettent des conversions entre les deux systèmes.

Cet instrument présentait un inconvénient majeur avec l’instabilité du fi l à plomb sensible au moindre mouvement.

L’astrolabe de mer.

Vers la fi n du XVeme siècle, les navigateurs commençaient à s’approcher puis à franchir l’équateur. Il devint alors impossible d’exploiter l’étoile polaire trop basse sur l’horizon ou invisible. L’idée consistait alors à mesurer la hauteur méridienne du Soleil. Pour cela le pilote suivait la courbe de ce dernier et gardait la plus grande valeur. Il était en fait plus pratique de déterminer la distance zénithale de l’astre. Depuis le XIIIeme siècle, les tables dites Alphonsines donnaient la déclinaison du Soleil pour toute date d’observation. Cette déclinaison directement ajoutée à la distance zénithale donnait la latitude et évitait un calcul intermédiaire. Avec ces nouvelles techniques, l’astrolabe de mer était plus pratique.

Suspendu par son anneau de bélière, l’instrument se positionne de lui même à la verticale. Il suffi t alors, comme avec le quadrant, d’orienter l’alidade portant les pinnules en direction de l’astre.

Le quart gauche de la graduation permet de lire une hauteur apparente au dessus de l’horizon, son quart droit indique la distance zénithale. Cet instrument ne doit pas être confondu avec l’astrolabe planisphèrique dont vous trouverez des informations dans les deux documents : “astrolabes” et “pratique de l’astrolabe”.

Le nocturlabe.

L’heure à bord d’un navire est un élément essentiel. C’est le seul moyen d’approcher le problème des longitudes.

Cet instrument servait à déterminer l’heure locale nocturne. Aprés avoir affi ché la date, il faut pointer l’étoile polaire au travers de l’évidement central,

Pinnules

Direction de l’astre

Carré desombres

Hauteur apparenteen degrés

Heures inégales

Fil à plomb

102 0

3 04 0

5 06 0

7 08 0 90 10 20

3040

5060

7080

Les instruments des grandes découvertes, première partie : 3

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Grande ourse

DateHeure

Polaire

puis, tout en maintenant la verticale, aligner l’alidade sur les deux gardes de la Grande Ourse. L’heure peut alors être lue, avec toutefois une précision très relative.

Le Quartier de Davis.

Il est facile d’imaginer l’instabilité du quadrant ou de l’astrolabe de mer. Le bâton de jacob est plus pratique car il permet de compenser les mouvements du bateau. Il est par contre impossible de l’utiliser avec le Soleil, et surtout, la visée de deux directions angulairement distantes est un exercice de haute dextérité. Son utilisation en “back staff” c’est-à-dire en utilisant l’ombre portée du marteau sur une plaque fi xée à la place de l’oeil, a ouvert la voie à une nouvelle génération d’instruments.

Le Quartier de Davis résoud le problème de la double visée. Pour des raisons techniques son échelle est décomposée en deux. Le petit arc, gradué en valeurs rondes, permet d’approcher la mesure, tandis que le grand arc permet de l’affi ner. Sans cette disposition l’instrument aurait été trop grand et donc plus sensible au vent (les systèmes de graduations à transversalles de l’époque nécessitaient des limbes de bonne dimension).

La visée s’effectue en repérant l’horizon entre la pinnule de coulisse de la grande graduation et un petit écran situé au centre des deux arcs. La valeur de la mesure s’obtient lorsque le rai de lumière solaire qui passe par la pinnule de coulisse de la petite graduation vient se confondre sur l’écran à la direction de l’horizon. Il faut alors additionner la lecture des deux graduations pour obtenir la distance zénithale du Soleil. Cet instrument permet uniquement des mesures solaires, mais en lui tournant le dos il évite tout éblouissement.

Le compas solaire.

Cet objet est plutôt inclassable et tous les historiens ne sont pas d’accord quand à son éventuelle utilisation par les Vikings. Sa présence dans ce document est due à son intérêt pédagogique et au fait qu’il ait été fabriqué jusque au début des années 1990.

Maintenir l’instrument le plus à l’horizontale possible. Par rotation, amener le bout de l’ombre portée du style sur la bonne date. Lorsque le jour d’observation n’est pas un premier du mois, il faut interpoller à vue.

Bien entendu le bout de l’ombre est dirigé d’un côté ou de l’autre suivant que l’observation se fait avant ou aprés midi. Une fois l’instrument correctement positionné, le nord et le sud sont directement indiqués.

Nous venons de passer en revue les principaux instruments en service à la fi n du XVIeme siècle, voire au-delà pour certains. C’est justement au début de ce siècle, qu’un astronome nommé Gemma Frisius proposa pour le problème des longitudes une méthode dite des distances lunaires.Lorsque l’on observe le mouvement apparent de la Lune, on se rend compte qu’elle se déplace (en moyenne) de la valeur de son diamètre apparent en une heure.

Les instruments des grandes découvertes, première partie : 4

Pinnule de coulisse de la grande graduation

Pinnule de coulisse de la petite graduation

Ecran (centre des deux graduations)

Direction de l’horizon

Janvier

Février

Mars

Avril

Mai

Juin

JuilletAoût

SeptembreOctobre

Novembre

Décembre

N

S

Latitude 45° nord

Aprés midi

Matin

Style

Ligne de date

Ombre portée

ΗΗ + 1Η + 2

L’idée est de considérer le fond des étoiles comme le quadrant d’une gigantesque horloge céleste dont l’aiguille est la Lune.

Il fallait alors établir des tables qui délivrent pour des dates et heures définies sur un méridien de référence les distances angulaires apparentes entre la Lune et des étoiles repères ou le Soleil. A bord du bateau, la mesure de ces distances angulaires s’effectue à un heure locale donnée. La consultation des tables donne l’heure à laquelle les mêmes distances angulaires seraient observables sur le méridien de référence. La différence entre l’heure locale et celle du méridien de référence donne la longitude du navire.Cette méthode très élégante était difficile à mettre en oeuvre et ne put être opérationelle que vers la deuxième moitié du XVIIIeme .

La pratique de cette méthode nécessitait des outils qui permettent de déterminer l’écart angulaire entre deux astres. Ainsi une nouvelle génération d’instruments va voir le jour avec les deux plus connus : l’octant et le sextant (toujours utilisé soit pour le plaisir soit pour des raisons de sécurité).

Pour plus de renseignements sur le fonctionnement et l’utilisation du sextant, vous pouvez vous reporter au document : “utilisation du sextant”.

Si la méthode des distances lunaires avait la faveur des astronomes, une autre idée faisait son chemin. Elle consistait à embarquer son heure de référence.

La balle était dans le camp d’une pleïade d’horlogers et de physiciens de génie. Ils ne furent pas toujours reconnus comme tels, mais l’histoire leur a donné raison. L’étoile de première grandeur est ici John Harrison avec sa fameuse horloge H4.

En 1772, le capitaine Cook effectue son second voyage d’exploration du pacifique sud. A bord se trouve une copie de la fameuse H4. A son retour Cook est enthousiamé par la précision obtenue. De plus l’exploitation d’une copie garantissait la pérénisation de la méthode. Il fallut attendre le milieu du XIXeme pour que les montres de marine soient fabriquées en grand nombre.

Le tableau de la page suivante tente de situer les différents instruments au fil des siècles. Les périodes d’exploitation sont représentées par une teinte plus sombre.

Il convient d’être prudent dans l’exploitation car tous les auteurs ne tombent pas d’accord sur l’origine de certains instruments.

Si vous désirez de plus amples informations ou des conseils d’utilisation, vous pouvez nous contacter :

Planétarium Ventoux - Provence

Sur notre site : www.planetarium-provence.comPar mail : pvp@planetarium-provence.comPar téléphone : 06 30 56 23 07

Les instruments des grandes découvertes, première partie : 5

Octant

Sextant

Instrumen

ts1400

XVe

1500

XVIe

1600

XVIIe

1700

XVIIIe

1800

XIX

e1900

XXe

20Co

pernic

Brah

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Gassend

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Hersche

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Les instruments des grandes découvertes, première partie : 6