Entrez les trois demi-axes \(a\), \(b\) et \(c\) de l’ellipsoïde (les distances du centre à la surface). L’aire \(S\) (formule de Thomsen) s’affiche, ainsi que sa conversion en m² si vous saisissez des cm.
Table des matières
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Ce que vous pouvez faire sur cette page
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À quoi sert ce calcul ?
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Mode d'emploi
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Formules et figures
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Symboles et termes
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Ce qu’il est utile de savoir avant de commencer
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Calculer avec Excel
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Calculer avec Google Sheets
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Calculer avec Python
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Écrire la formule en LaTeX et autres langages mathématiques (à copier-coller)
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Faire faire le calcul par ChatGPT
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Les atouts de DataChef
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Fonctions connexes
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Liste des calculatrices NumberChef
Ce que vous pouvez faire sur cette page
- Entrez les trois demi-axes \(a\), \(b\) et \(c\) (les distances du centre à la surface), et vous obtenez aussitôt l’aire de l’ellipsoïde (calculée avec la formule de Thomsen, utilisée dans le monde entier)
- Le résultat s’affiche aussi dans une figure 3D à faire tourner avec la souris : vous voyez d’un coup d’œil quelle longueur va dans quelle direction
- Entrez la même longueur dans les trois champs, et le calcul marche aussi pour l’aire d’une sphère (\(S = 4\pi r^2\)) ; dans ce cas, le résultat est exact et non approché
- La conversion en mètres carrés (m²) s’affiche en même temps si vous saisissez des cm
- Une explication simple des formules et des formules à copier-coller pour Excel, Google Sheets et Python se trouvent aussi sur cette page
À quoi sert ce calcul ?
La Terre est un ellipsoïde de révolution légèrement aplati par sa rotation. Avec un rayon équatorial d’environ 6 378 km et un rayon polaire d’environ 6 357 km, cette formule donne une aire d’environ \(5{,}10 \times 10^8\,\mathrm{km^2}\) (environ 510 millions de km²), en bon accord avec la valeur des ouvrages de référence.
Des faits comme « environ 70 % de la surface de la Terre est couverte d’océans », ou les estimations de la quantité d’air et d’eau de mer, partent de cette aire. C’est une formule réellement utilisée pour les astres qui ne sont pas des sphères parfaites.
Un œuf de poule a presque la forme d’un ellipsoïde. Pour un œuf d’environ 6 cm de long et 4,5 cm de large, les demi-axes valent \(3 \times 2{,}25 \times 2{,}25\,\mathrm{cm}\), et l’aire vaut environ \(78\,\mathrm{cm^2}\).
La quantité de matière qui couvre une surface, comme le chocolat pour enrober des œufs de Pâques, la surface à peindre ou à décorer sur une coquille, ou la taille d’un film rétractable, s’estime à partir de l’aire (un vrai œuf n’est pas un ellipsoïde parfait : ce n’est qu’un ordre de grandeur).
La coque d’un dirigeable est conçue avec une forme proche d’un ellipsoïde de révolution allongé. Par exemple, en assimilant un dirigeable de 75 m de long et de 14 m de diamètre maximal à un ellipsoïde de demi-axes \(37{,}5 \times 7 \times 7\,\mathrm{m}\), l’aire vaut environ \(2\,610\,\mathrm{m^2}\). C’est utile pour une première estimation du tissu d’enveloppe ou de la peinture nécessaires.
L’aire est aussi directement liée à la résistance de l’air (frottement) et aux échanges de chaleur : c’est l’une des premières grandeurs à fixer pour concevoir un véhicule ou un bâtiment en dôme (l’étude détaillée passe ensuite à des calculs sur la forme réelle).
Les pastèques et les melons ont une forme proche d’un ellipsoïde : cette formule permet d’estimer leur aire d’après leur taille. Pour une pastèque de demi-axes \(12 \times 10 \times 10\,\mathrm{cm}\), l’aire vaut environ \(1\,430\,\mathrm{cm^2}\) (environ 0,14 m²).
C’est un repère utile pour tout ce qui couvre la surface du fruit : choisir la taille des sachets de protection, doser une cire ou un enrobage alimentaire, ou commander le matériel d’emballage.
Un ballon de rugby a presque la forme d’un ellipsoïde de révolution allongé. Pour un ballon d’environ 30 cm de long et 19 cm de large, les demi-axes valent \(15 \times 9{,}5 \times 9{,}5\,\mathrm{cm}\), et l’aire vaut environ \(1\,590\,\mathrm{cm^2}\).
Le ballon est fait de 4 panneaux cousus ensemble : on peut donc estimer qu’il faut environ 400 cm² de matière par panneau (plus les marges de couture et le gonflement). C’est la première étape pour prévoir la matière d’un produit à surface courbe.
Formules et figures
Symboles et termes
Symboles
| \(S\) | S | Une lettre souvent utilisée pour une aire (S comme « surface »). Sur cette page, c’est l’aire de l’ellipsoïde. Les manuels français notent souvent une aire \(\mathcal{A}\). |
| \(a,\ b,\ c\) | a, b, c | Les longueurs des trois demi-axes de l’ellipsoïde. Chacune est une distance du centre à la surface, comme le rayon d’une sphère, et vaut la moitié de la longueur d’un bout à l’autre (l’axe). |
| \(\pi\) | pi | Le nombre pi : le périmètre d’un cercle divisé par son diamètre. Il vaut \(3{,}14159265\ldots\), avec des décimales qui ne s’arrêtent jamais et ne se répètent pas (c’est un nombre irrationnel). Le « 3,14 » de l’école primaire en est une valeur approchée. |
| \(\approx\) | environ égal à | Le symbole qui indique que les deux membres sont presque égaux. La formule de Thomsen est une formule approchée : on relie donc ses deux membres par ce symbole au lieu du signe égal (=). |
| \(x^{1{,}6}\) | x puissance 1,6 | Une puissance dont l’exposant (le petit nombre en haut à droite) est décimal. \(x^{1{,}6} = x^{\frac{8}{5}}\), c’est-à-dire la racine cinquième de \(x\) multiplié 8 fois par lui-même (les puissances à exposant réel, vues au lycée). C’est difficile à la main, mais facile avec une calculatrice scientifique, Excel ou Python. |
| \(r\) | r | Le rayon de la sphère, initiale de « rayon ». Une sphère est un ellipsoïde dont les trois demi-axes valent tous \(r\). |
| \(\mathrm{cm^2}\) | centimètre carré | Une unité d’aire. L’aire d’un carré de 1 cm de côté vaut 1 cm². À ne pas confondre avec le cm³ (centimètre cube), qui mesure un volume. |
| \(\mathrm{m^2}\) | mètre carré | Une unité d’aire. L’aire d’un carré de 1 m (= 100 cm) de côté vaut 1 m², et \(1\,\mathrm{m^2} = 10\,000\,\mathrm{cm^2}\). |
Termes
| ellipsoïde | Un solide lisse en forme d’œuf, la version en 3D de l’ellipse. Quel que soit le plan qui le coupe, la section est une ellipse (ou un cercle). Un ballon de rugby ou une pastèque en ont à peu près la forme. |
| demi-axe | Une distance du centre de l’ellipsoïde à sa surface, mesurée dans l’une des trois directions de symétrie (perpendiculaires entre elles). Ces trois longueurs fixent la taille et la forme de l’ellipsoïde. Chacune vaut la moitié de la longueur d’un bout à l’autre (l’axe). |
| aire | Ici, l’aire de toute la surface extérieure d’un solide (on dit aussi « aire de la surface »). C’est l’aire de la « peau » du solide si on pouvait la découper et la mettre à plat ; elle s’exprime dans une unité d’aire comme le cm² ou le m². |
| formule approchée | Une formule qui donne, par un calcul simple, une valeur assez proche de la valeur exacte. Pour les grandeurs difficiles à calculer exactement, comme l’aire d’un ellipsoïde, on utilise largement des formules approchées en pratique. |
| formule de Thomsen | Une formule approchée de l’aire d’un ellipsoïde, proposée en 2004 par le Danois Knud Thomsen. Avec l’exposant 1,6, l’erreur reste inférieure à environ 1,06 % pour toutes les formes ; c’est la formule de référence des calculateurs et de la pratique dans le monde entier. |
| intégrale elliptique | Une intégrale de niveau universitaire qui apparaît quand on calcule exactement l’aire d’un ellipsoïde ou le périmètre d’une ellipse. Le résultat ne s’écrit pas avec des expressions ordinaires (les quatre opérations, les puissances et les racines) : en pratique, on utilise des formules approchées ou un calcul numérique. |
| sphère | Un ellipsoïde particulier dont les trois demi-axes sont égaux. Vue de n’importe quelle direction, elle ressemble à un cercle de même taille, et son aire vaut \(S = 4\pi r^2\). En France, la sphère désigne la surface, et la boule le solide plein. |
| ellipsoïde de révolution | Le solide obtenu en faisant tourner une ellipse autour d’un de ses axes, c’est-à-dire un ellipsoïde dont deux des trois demi-axes sont égaux (on dit aussi sphéroïde). Un ballon de rugby (allongé) ou une mandarine (aplatie) en sont des exemples, et la Terre est un ellipsoïde de révolution légèrement aplati. |
Ce qu’il est utile de savoir avant de commencer
Voici ce qu’il est utile de comprendre pour utiliser le calcul de cette page en sachant ce qu’il fait, et pas seulement en appuyant sur le bouton.
| La multiplication et les puissances (le carré) (CE1-5e, 7-13 ans) |
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| L’aire et ses unités (CM1-6e, 9-12 ans) |
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| Le nombre pi (6e, 11-12 ans) |
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| L’aire de la sphère (3e, 14-15 ans) |
|
| Les puissances à exposant réel (terminale, 17-18 ans) |
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Calculer avec Excel
| Demi-axe a (cm) | 10 |
| Demi-axe b (cm) | 5 |
| Demi-axe c (cm) | 8 |
| Aire de l’ellipsoïde (cm²) | =4*PI()*(((B1*B2)^1,6+(B1*B3)^1,6+(B2*B3)^1,6)/3)^(1/1,6) |
| Rayon (cm) | 3 |
| Aire de la sphère (cm²) | =4*PI()*B1^2 |
| Aire en cm² | 25000 |
| Aire en m² | =B1/10000 |
Dans une formule, « B1 » et « B2 » veulent dire « prendre le nombre de cette cellule ». « * » est la multiplication, « / » la division, « ^ » la puissance (combien de fois on multiplie ; un exposant décimal comme 1,6 marche aussi) et « PI() » une fonction qui donne le nombre pi (π).
Par exemple, dans le premier tableau, B4 affiche environ 730,87 (en cm², car vous avez saisi des cm). Le deuxième tableau affiche environ 113,10 en B2, et le troisième 2,5 en B2. Il suffit de remplacer les nombres saisis par vos propres longueurs.
Calculer avec Google Sheets
| Demi-axe a (cm) | 10 |
| Demi-axe b (cm) | 5 |
| Demi-axe c (cm) | 8 |
| Aire de l’ellipsoïde (cm²) | =4*PI()*(((B1*B2)^1,6+(B1*B3)^1,6+(B2*B3)^1,6)/3)^(1/1,6) |
| Rayon (cm) | 3 |
| Aire de la sphère (cm²) | =4*PI()*B1^2 |
| Aire en cm² | 25000 |
| Aire en m² | =B1/10000 |
Calculer avec Python
import math
a = 10 # demi-axe a (en cm dans cet exemple ; distance du centre à la surface)
b = 5 # demi-axe b (même unité que a)
c = 8 # demi-axe c (même unité que a et b)
# Formule approchée de Thomsen (exposant p = 1.6). « ** » est la puissance
p = 1.6
mean = ((a * b) ** p + (a * c) ** p + (b * c) ** p) / 3
surface_area = 4 * math.pi * mean ** (1 / p) # aire de l’ellipsoïde (unité saisie au carré ; ici en cm2)
surface_area_m2 = surface_area / 10000 # pour des cm saisis, l’aire convertie en m2
print(f"Aire de l’ellipsoïde : {surface_area} cm2")
print(f"En m2 : {surface_area_m2} m2")
Écrire la formule en LaTeX et autres langages mathématiques (à copier-coller)
S \approx 4\pi \left( \dfrac{(ab)^{1{,}6} + (ac)^{1{,}6} + (bc)^{1{,}6}}{3} \right)^{\frac{1}{1{,}6}}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>S</mi>
<mo>≈</mo>
<mn>4</mn>
<mi>π</mi>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup><mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><mi>b</mi><mo>)</mo></mrow><mn>1,6</mn></msup>
<mo>+</mo>
<msup><mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><mi>c</mi><mo>)</mo></mrow><mn>1,6</mn></msup>
<mo>+</mo>
<msup><mrow><mo>(</mo><mi>b</mi><mi>c</mi><mo>)</mo></mrow><mn>1,6</mn></msup>
</mrow>
<mn>3</mn>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>1,6</mn></mrow>
</msup>
</mrow>
</math>
S ~~ 4 pi (((a b)^1,6 + (a c)^1,6 + (b c)^1,6)/3)^(1/1,6)
4 Pi (((a b)^1.6 + (a c)^1.6 + (b c)^1.6)/3)^(1/1.6)
S := 4*Pi*(((a*b)^1.6 + (a*c)^1.6 + (b*c)^1.6)/3)^(1/1.6);
S = 4*pi*(((a*b)^1.6 + (a*c)^1.6 + (b*c)^1.6)/3)^(1/1.6);
S ≈ 4π(((ab)^1,6 + (ac)^1,6 + (bc)^1,6)/3)^(1/1,6)
S = 4πr²
S = 4\pi r^{2}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>S</mi>
<mo>=</mo>
<mn>4</mn>
<mi>π</mi>
<msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup>
</mrow>
</math>
S = 4 pi r^2
4 Pi r^2
S := 4*Pi*r^2;
S = 4*pi*r^2;
S = 4πr^2
S[m²] = S[cm²] ÷ 10000
S_{\mathrm{m^2}} = S_{\mathrm{cm^2}} \div 10000
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msub><mi>S</mi><mrow><msup><mi mathvariant="normal">m</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msub>
<mo>=</mo>
<msub><mi>S</mi><mrow><msup><mi mathvariant="normal">cm</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msub>
<mo>÷</mo>
<mn>10000</mn>
</mrow>
</math>
S_(m^2) = S_(cm^2) -: 10000
sCm2/10000
sM2 := sCm2/10000;
s_m2 = s_cm2/10000;
S(m²) = S(cm²)/10000
Faire faire le calcul par ChatGPT
Vous êtes un assistant de calcul en mathématiques. Faites le calcul suivant en exécutant réellement du code Python, et appuyez votre réponse uniquement sur les nombres obtenus à l’exécution (ne répondez pas de tête ni au jugé). Un ellipsoïde a pour demi-axes a = 10 cm, b = 5 cm et c = 8 cm (un demi-axe est la distance du centre à la surface). Calculez : 1. L’aire de cet ellipsoïde en cm², avec la formule approchée de Thomsen S = 4 × π × (((a×b)^1,6 + (a×c)^1,6 + (b×c)^1,6) / 3)^(1/1,6) 2. Cette aire convertie en mètres carrés (m²) Montrez les formules utilisées et les nombres obtenus à l’exécution.
Mode d'emploi
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1Saisissez vos nombresTapez les nombres à calculer dans les champs de saisie
-
2CalculezAppuyez sur le bouton « Calculer »
-
3Lisez le résultatLe résultat s’affiche aussitôt. La même page explique aussi le raisonnement et la formule
Les atouts de DataChef
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