431 Héliostat de MON JULES DUBOSCQ PH. PELLIN PARIS.
Inscription sur le mouvement PAUL GARNIER PARIS 17048

Vers 1882

Le principe de l’héliostat est de capter un faisceau lumineux solaire pour le renvoyer dans une direction fixe malgré le mouvement du soleil (par rapport à la terre). Le principe est de compenser le mouvement de rotation de la terre par un mécanisme d’horlogerie. Fahrenheit fut le premier à imaginer ce type d’instrument au XVIIIe siècle, puis de nombreux scientifiques, comme le physicien Silbermann, ont essayé d’améliorer son fonctionnement.

Il fut un temps où disposer d’une source de lumière assez puissante et fixe n’allait pas de soi. Comment faire, par exemple, pour des observations longues et minutieuses en microscopie, en polarimétrie ou encore en spectroscopie ? Dans la journée, le Soleil est bien sûr la meilleure des sources, a fortiori si c’est sa lumière qu’on veut étudier. Au 18ème siècle, des physiciens ont donc l’idée de concevoir un appareil qui renvoie les rayons solaires dans une direction fixe quelle que soit l’heure de la journée : l’héliostat. Plusieurs générations de physiciens vont devoir se succéder pour améliorer le fonctionnement de cet appareil particulièrement complexe. Ses efforts culminent en 1843 lorsque Jean Thiebault Silbermann présente à l’Académie des Sciences un héliostat d’une précision et d’une ingéniosité remarquable. Si d’autres versions plus simples et moins précises verront le jour par la suite, l’héliostat de Silbermann restera la référence absolue jusqu’à ce que ce type d’instruments tombe en désuétude, notamment avec le développement de la lumière électrique. Au-delà de son intérêt pratique, son principe de fonctionnement en fait un excellent sujet d’étude, et plusieurs lycées vont s’en procurer un exemplaire pour leur cabinet de physique. Mais sa diffusion va rester assez restreinte, en raison du prix très élevé de cet appareil qui le rend inabordable pour la grande majorité des lycées.

Le premier exemplaire mis au point par Silbermann est réalisé par le célèbre constructeur Soleil. Cette maison, l’une des plus réputées de tout le 19ème siècle, en fera sa spécialité et la plupart des héliostats de Silbermann sortiront ainsi de ses ateliers, repris par la suite par son gendre Jules Duboscq puis par Philippe Pellin. Dans le fabuleux catalogue de l’association Aseiste, seuls 7 héliostats de Silbermann sont recensés, 3 sont signés Soleil, 2 Duboscq et 1 Duboscq et Pellin. La version initiale de Soleil était assez petite, et l’instrument est agrandi par Duboscq pour atteindre près de 50 cm de hauteur. (Permettant ainsi de collecter plus de lumière grâce à un miroir plus grand).
L’instrument présenté ici mesure également 50 cm de hauteur pour près de 10 kg,

Il partage d’ailleurs une autre caractéristique avec ce dernier exemplaire, à savoir la présence d’un deuxième verre, transparent celui-là. Il date donc de manière quasi-certaine des années 1880. Le catalogue de la maison Duboscq-Pellin de 1889 nous apprend que cet instrument était vendu 1000 Francs, et l’on comprend que beaucoup de lycées n’avaient donc pas les moyens d’en acquérir un. A titre de comparaison, le spectroscope à 3 branches, instrument déjà relativement cher, n’était vendu que 300 Francs dans le même catalogue.

FONCTIONNEMENT DE L’HELIOSTAT

L’héliostat sur l’axe Nord-Sud en s’aidant d’une petite graduation gravée sur le socle. Si ce Le principe de l’héliostat est plus complexe qu’un simple suivi du Soleil tel que peut le faire un télescope motorisé dont la monture est simplement calée sur l’axe de rotation de la Terre. En effet le miroir de l’héliostat ne suit pas directement la trajectoire du Soleil, mais doit être à tout moment perpendiculaire à la bissectrice de deux droites, l’une fixe donnée par la direction des rayons réfléchis, et l’autre, mobile, allant du centre du miroir au Soleil. Ces deux droites sont matérialisées par deux axes de l’héliostat sur lesquels se trouvent deux arcs de cercle. Le premier arc de cercle est fixe pendant le fonctionnement de l’appareil et orienté dans la direction souhaitée pour les rayons réfléchis. Le second arc est mobile, et son axe suit la direction du Soleil. Le miroir est astucieusement monté sur une simple charnière s’appuyant sur ces deux arcs, assurant ainsi de manière mécanique que la perpendiculaire au miroir soit confondue avec la bissectrice des deux axes. Cette astuce seule ne suffit évidemment pas, et il faut procéder à plusieurs réglages de l’appareil avant sa mise en mouvement :
– tout d’abord, la base en laiton de l’héliostat doit être parfaitement à l’horizontal. Pour cela, on oriente l’héliostat dans une direction arbitraire en faisant tourner cette base, puis on règle la hauteur des pieds vissés afin de faire l’horizontalité dans l’axe du niveau à bulle vissé sur le socle. Puis on tourne le socle de 90°, et on réalise l’horizontalité dans un axe perpendiculaire au moyen de ce même niveau ;
– l’horizontalité étant assurée, on oriente réglage peut être fait assez facilement au moyen d’une boussole, il faut ensuite compenser de la déclinaison magnétique du lieu pour une précision optimale, puisque l’héliostat doit s’orienter par rapport au Nord géographique et non magnétique ;

On incline ensuite la partie supérieure de l’héliostat afin de mettre sa platine dans le plan perpendiculaire à l’axe de rotation de la Terre. Pour cela, une seconde échelle graduée par demi-degré se trouve fixée à l’un des montants verticaux de l’appareil. L’inclinaison nécessaire n’est autre que la latitude du lieu d’observation. Un vernier gravé sur ce même montant et gradué de 0 à 30 permet ainsi d’obtenir une précision d’une minute d’arc seulement ;

– puis on règle la direction de l’axe des rayons réfléchis : l’arc en question peut tourner autour d’un axe vertical, mais également être incliné au moyen d’une molette attachée à une roue dentée qui entraine l’arc via une crémaillère placée sous celui-ci;
– l’arc suivant le soleil doit également être réglé, d’abord par rapport à la platine se trouvant dans le plan perpendiculaire à l’axe de rotation de la Terre. Ce cadran est divisé en 24 heures, avec mention du Midi, Minuit, Est et Ouest, et l’axe mobile doit être aligné à l’heure de départ de l’instrument. Il doit aussi être aligné à la déclinaison du Soleil au jour de l’observation, le Soleil se trouvant plus haut en été qu’en hiver à cause de l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre sur elle-même par rapport à son axe de rotation autour du Soleil (cet angle valant environ 23,5°). Pour ce faire, l’arc mobile est gradué selon les jours et mois de l’année, et l’on fait ainsi coïncider ce jour avec une flèche gravée sur le montant portant l’axe mobile. Afin de rendre le réglage plus facile et la graduation en jour plus lisible, la partie inférieure de l’arc mobile porte les jours du solstice d’hiver au solstice d’été, la partie supérieure portant ceux du solstice d’été au solstice d’hiver. Compte tenu de la graduation utilisée (le 20 juin de l’échelle inférieure coïncide avec le 25 juin de l’échelle supérieure, alors que le solstice a lieu vers le 21 juin, de même pour le solstice d’hiver en décembre), la flèche inférieure et la flèche supérieure sont très légèrement décalées l’une de l’autre ;

Lorsque l’instrument est prêt, on remonte le mécanisme d’horlogerie à l’heure de départ, qui une fois en route entraîne l’arc mobile. Afin de vérifier le bon réglage de l’appareil, et notamment que l’arc mobile est bien orienté dans la direction du Soleil, cet arc contient deux petites excroissances, l’une côté Soleil portant un minuscule trou et l’autre à l’opposé de l’arc contenant une mire. A tout instant, on peut ainsi vérifier que l’arc mobile est dans la bonne direction, le trou devant laisser les rayons du Soleil former une tâche lumineuse au centre de la mire.

Sources : sprocure.web.cern.ch/Optique/Heliostat/heliostat.htm