Gnomons et cadrans solaires - Cours de Physique Chimie 5eme avec Maxicours - Collège

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Gnomons et cadrans solaires

Objectif
Plus les sociétés humaines et leurs activités sont devenues complexes, plus elles ont eu besoin de mesurer le temps qui s'écoule. Les phénomènes naturels ont fourni à l'homme les premiers repères temporels, puis celui-ci a mis au point des dispositifs apportant une plus grande précision. Les premiers dispositifs de mesure du temps sont les gnomons et les cadrans solaires.
Quelle est la différence entre un gnomon et un cadran solaire ?
Quel est leur principe de fonctionnement ?
1. Ombres et mouvement apparent du Soleil

La Terre tourne sur elle-même en 24 heures. À cause de cette rotation, un observateur situé sur Terre a l'impression que les autres astres sont en mouvement.
Le Soleil notamment possède un mouvement apparent : il semble se déplacer dans le ciel.
La position du Soleil dans le ciel constitue un repère temporel rudimentaire ; il est observé (doc.1.) :
- à l'est et proche de l'horizon au début de la journée ;
- haut dans le ciel (il culmine) vers midi ;
- à l'ouest et proche de l'horizon en fin de journée.

Doc.1. Position du Soleil au cours de la journée.

2. Gnomons
a. Constitution d'un gnomon
Un gnomon est un dispositif simple constitué d'une tige, appelé style, fixée verticalement sur un socle ou directement plantée dans le sol.
b. Principe du gnomon
On n'observe pas directement le soleil, mais l'ombre portée du style sur son socle ou sur le sol. La longueur et la direction de cette ombre varient tout au long de la journée en fonction de la position du Soleil dans le ciel (l'ombre tourne en même temps que le Soleil) :
– en début de journée, l'ombre est longue et projetée vers l'ouest ;
– vers midi l'ombre est courte et projetée vers le nord ;
– en fin de journée, l'ombre est longue et projetée vers l'est.

Doc.2. Principe du gnomon.

c. Réaliser et utiliser un gnomon
Un gnomon ne permet pas seulement de repérer le début, le milieu et la fin d'une journée, il permet aussi de repérer les différentes heures qui s'écoulent dans la journée si on lui ajoute des graduations.
Midi est l'heure qui peut être repérée le plus facilement, puisque qu'elle correspond à l'ombre la plus courte.
Les autres heures peuvent ensuite être repérées facilement en les plaçant sur un cercle divisé en 24 arcs de cercles délimités par un angle de 15 ° (doc.3.) :
24 h sont représentées par un angle plein de 360 °, donc 1 h est représentée par un angle de 360 : 24 = 15 °.

Doc.3. Construction d'un gnomon.

d. Inconvénient des gnomons
Au cours de l'année, l'orientation de la surface terrestre change, du fait de l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre, modifiant ainsi le mouvement apparent du Soleil.
Au bout de quelques semaines, cela produit un décalage important entre l'heure solaire et celle indiquée par le gnomon.
Pour obtenir à nouveau une indication correcte, il faut effectuer une nouvelle série de graduations.
Certains gnomons très complexes portent ainsi plusieurs séries de graduations qui indiquent l'heure à différentes dates de l'année.
3. Cadrans solaires

Le cadran solaire est une amélioration du gnomon qui permet d'éviter tout décalage.
Le style n'est plus fixé verticalement, il est orienté dans la même direction que l'axe de rotation de la Terre.
Il garde ainsi la même orientation tout au long de l'année et les graduations obtenues de la même manière que pour le gnomon restent fiables. L'orientation du style est proche de la direction nord. Elle peut être facilement obtenue en pointant le style en direction de l’étoile polaire Cette étoile semble fixe dans le ciel nocturne, car elle est située sur l'axe de rotation terrestre.
Le cadran solaire garde néanmoins certains inconvénients du gnomon : il ne peut être utilisé de nuit et par temps nuageux.

 
Remarque : Un cadran solaire ou un gnomon indique l'heure solaire. Cette heure ne correspond pas à l'heure légale indiquée par notre montre : il faut lui ajouter deux heures en été et une heure en hiver.
L'essentiel
À cause de la rotation de la Terre, le Soleil semble se déplacer dans le ciel ; il possède un mouvement apparent : il est proche de l'horizon à l'est le matin, haut dans le ciel vers midi et proche de l’horizon à l'ouest le soir.

Un gnomon est constitué d'une tige verticale, appelée style, fixée sur un socle ou plantée dans le sol.
L'ombre projetée du style change de direction et de longueur au cours d'une journée à cause du mouvement apparent du Soleil et constitue ainsi un repère temporel.
L'ombre du style est :
- longue le matin et dirigée vers l'ouest ;
- la plus courte à midi ;
- longue le soir et dirigée vers l'est.

L'ombre du style d'un gnomon permet aussi d'obtenir une indication plus précise de l'heure en repérant midi grâce à l'ombre la plus courte, puis en ajoutant sur un cercle 24 graduations équidistantes correspondant aux 24 heures d'une journée.
L'heure indiquée par un gnomon se décale peu à peu par rapport aux graduations, car le mouvement apparent du Soleil change au cours de l'année.

Le cadran solaire est une amélioration du gnomon. Pour éviter tout décalage, le style n'est plus vertical, mais est orienté dans la même direction que l'axe de rotation de la Terre.

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