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Angle

En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.

Dans son sens ancien, l'angle est une figure plane, portion de plan délimitée par deux droites sécantes. C'est ainsi qu'on parle des angles d'un polygone. Cependant, l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) est maintenant d'employer le mot de secteur angulaire pour une telle figure. L'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) peut désigner également d'une portion de l'espace délimitée par deux plans (angle diédral). Il est possible de définir la mesure de tels angles, et cette mesure porte couramment mais abusivement le nom d'angle elle aussi.

En un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine....) plus abstrait, l'angle est une classe d'équivalence, c'est-à-dire un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) obtenu en assimilant entre eux tous les angles-figures identifiables par isométrie (En géométrie, une isométrie est une transformation qui conserve les longueurs. Une isométrie est donc un cas particulier de similitude.). L'une quelconque des figures identifiées est alors appelée représentant de l'angle. Tous ces représentants ayant même mesure, on peut parler de mesure de l'angle abstrait.

Il est possible de définir une notion d'angle orienté en géométrie euclidienne (La géométrie euclidienne commence avec les Éléments d'Euclide, qui est à la fois une somme des connaissances géométriques de l'époque et une tentative de formalisation mathématique de ces connaissances. Les notions de...) du plan, ainsi que d'étendre la notion d'angle au cadre des espaces vectoriels préhilbertiens ou des variétés riemanniennes.

Le mot angle dérive du latin angulus, le coin.

L'angle comme figure du plan ou de l'espace

Secteur angulaire et angle

secteurs angulaires obtenus par intersection des demi-plans délimités par des droites sécantes
secteurs angulaires obtenus par intersection des demi-plans délimités par des droites sécantes

Un secteur angulaire est une figure plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le dégrossissage et le...) obtenue par intersection ou réunion de deux demi-plans délimités par des droites sécantes ou confondues.

L'angle d'un secteur angulaire est le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) réel positif qui mesure la proportion du plan occupée par le secteur angulaire. Les unités utilisées pour le quantifier sont le radian (Le radian (symbole : rad) est l'unité dérivée d'angle plan du système international (SI).), le quadrant (En géométrie euclidienne : quart de la circonférence du cercle (lui-même divisé en 100 grades ou 90 degrés et leurs subdivisions respectives). Chacune des...) et ses subdivisions le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) et le grade (Le mot grade a plusieurs significations :). Les angles sont fréquemment notés par une lettre grecque minuscule, par exemple α, β, θ, ρ... Lorsque l'angle est au sommet d'un polygone et qu'il n'y a pas d'ambiguïté, on utilise alors le nom du sommet surmonté d'un chapeau, par exemple Â.

L'angle peut aussi s'interpréter comme l'ouverture du secteur angulaire, c'est-à-dire la " vitesse " à laquelle s'éloignent les droites l'une de l'autre lorsque l'on s'éloigne du point (Graphie) d'intersection. C'est la mesure de l'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le plan de référence...) d'une droite par rapport à l'autre.

Valeur d'un angle

Définition des angles par la proportion d'une portion de disque centré sur l'intersection des droites
Définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) des angles par la proportion d'une portion de disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) centré sur l'intersection des droites

Pour évaluer cet angle, cette " proportion de surface ", on prend un disque centré au point d'intersection, et on effectue le rapport entre l'aire de la portion de disque interceptée par le secteur angulaire et l'aire totale du disque. On peut montrer que cela revient également à faire le rapport entre la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est...) de l'arc intercepté et la circonférence du cercle ; cette valeur inférieure à 1 est appelée nombre de tour. La valeur 1/4 (quart de tour) correspond au quadrant.

Une unité couramment utilisée est le degré, qui consiste à subdiviser le quadrant en 90 parts égales. Le tour complet correspond donc à 360 degrés. La minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée...) d'arc est un sous-multiple du degré, égale à 1/60 de degré. De même, la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. ...) d'arc est égale à 1/60 de la minute d'arc, soit 1/3600 de degré. On utilise plus rarement le grade, qui correspond à une subdivision centésimale du quadrant.

Définition du radian, unité de mesure de l'angle
Définition du radian, unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de grandeurs physiques qui ont besoin de définitions précises pour être utiles.) de l'angle

L'unité internationale de mesure des angles est cepdendant le radian, défini comme le rapport entre la longueur de l'arc intercepté et le rayon du cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée rayon du cercle. Celui-ci étant...). Le tour complet correspond donc à radians.

Les angles peuvent être calculés à partir des longueurs des côtés de polygones, notamment de triangles, en utilisant la trigonométrie (La trigonométrie (du grec ancien τρ?γωνος / trígonos, « triangulaire », et μ?τρον / métron, « mesure ») est une branche des...).

Dans certains cas, les angles sont exprimés par leur tangente. Par exemple, une pente est exprimée en pourcent, c'est le nombre de mètres que l'on monte (ou descend) lorsque l'on parcourt 100 m par rapport à l'horizontale ; si α est l'angle entre la droite de plus grande pente et l'horizontale, alors la pente en % est égale à 100×tan(α). En vol à voile (Le vol à voile est une activité de loisirs et de compétition au cours de laquelle ses adeptes appelés vélivoles utilisent un aérodyne appelé planeur. Alors que certains vélivoles apprécient la liberté, le plaisir esthétique et...) (aéronautique), la finesse d'une voile est le nombre de mètres dont on descend lorsque l'on a parcouru 100 m horizontalement (en absence de vent) ; il s'agit également de cent fois la tangente de la pente.

" Sur le terrain ", les angles peuvent être mesurés avec un appareil appelé goniomètre ; il comporte en général une règle courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les...) graduée en degrés, appelée rapporteur (Un rapporteur (ou rapporteur d'angle) est un outil utilisé en géométrie pour mesurer des angles et pour construire des figures. Les rapporteurs utilisés par les...).

Nom des angles

Les angles correspondant à un nombre entier de quadrants portent un nom particulier

Valeur des angles particulier dans les diverses unités
angle nombre de tour nombre de quadrants radians degré grade
tour complet 1 tour 4 quadrants 2π rad 360 ° 400 gr
angle plat 1/2 tour 2 quadrants π rad 180 ° 200 gr
angle droit 1/4 de tour 1 quadrant π/2 rad 90 ° 100 gr
angle nul 0 tour 0 quadrant 0 rad 0 ° 0 gr

L'angle droit est obtenu en considérant deux droites qui divisent le plan en quatre secteurs égaux. De telles droites sont dites " orthogonales " ou " perpendiculaires ".

Définition des angles droit, plat, complémentaires et supplémentaires
Définition des angles droit, plat, complémentaires et supplémentaires

Les qualificatifs suivant sont employés pour les angles prenant des valeurs intermédiaires entre ces valeurs remarquables

  • l'angle rentrant est un angle supérieur à l'angle plat ;
  • l'angle saillant est un angle inférieur à l'angle plat ;
  • un angle saillant est obtus lorsqu'il est supérieur à l'angle droit ;
  • il est aigu lorsqu'il est inférieur à l'angle droit.

Pour qualifier les valeurs relatives de deux angles on emploie les expressions suivantes :

  • deux angles sont complémentaires quand leur somme fait 90° ;
  • deux angles sont supplémentaires quand leur somme fait 180°.

On emploie encore d'autres expressions pour qualifier la position des angles sur une figure, c'est-à-dire plus justement, la position relative de secteurs angulaires.

  • Deux secteurs angulaires sont opposés par le sommet, lorsqu'ils ont le même sommet et que les côtés de l'un sont dans le prolongement de ceux de l'autre. Dans ce cas les angles correspondant sont égaux.
  • Deux secteurs angulaires sont adjacents lorsqu'ils ont le même sommet, un côté commun, et que leur intersection est égale à ce côté commun. Les angles s'ajoutent lorsqu'on considère la réunion (La Réunion est une île française du sud-ouest de l'océan Indien située dans l'archipel des Mascareignes à environ 700 kilomètres à l'est de Madagascar et à 170 kilomètres...) de ces secteurs.
  • Les angles alternes-externes et les angles alternes-internes concernent des droites parallèles (Deux droites sont dites parallèles si elles n'ont aucun point commun ou si elles sont confondues. Deux droites ayant un et un seul point commun sont dites sécantes. Deux...) coupées par une sécante.

Remarque : deux angles complémentaires ou supplémentaires ne sont pas nécessairement adjacents : Par exemple, dans un triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La dénomination de « triangle » est...) ABE rectangle en B, les angles  et Ê sont complémentaires.

Par extension, on définit également les angles entre des demi-droites, des segments de droite et des vecteurs, en prolongeant les droites portant ces objets jusqu'à leur intersection. La définition par des demi-droites ou des vecteurs permet de lever l'indétermination entre les angles supplémentaires, c'est-à-dire de définir sans ambiguïté quel secteur angulaire utiliser pour définir l'inclinaison des directions.

Angle géométrique

Un angle géométrique est un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné...) mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures...) pouvant être représenté par un secteur angulaire. On peut l'interpréter de plusieurs façons : divergence entre deux directions, directions des faces d'un objet (coin) la direction visée par rapport au nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) (angle donné par une boussole)… On confond fréquemment " mesure de l'angle " et " angle". Ainsi par exemple un angle "plat" est appelé abusivement angle 'égal' à 180.

Note : Cet abus est appliqué largement et volontairement dans la suite de cet article.

D'autre part un angle droit par exemple, peut être représenté par plusieurs secteurs angulaires différents, mais comme ils sont tous 'superposables', ils représentent tous le même angle. En mathématiques on parle de "classe d'équivalence".

Remarque : Ce problème se pose aussi lorsqu'on essaie de distinguer "fraction" et "rationnel".

Angles orientés dans le plan

Si le plan est orienté, alors les angles peuvent être positifs ou négatifs selon le sens dans lequel ils " tournent ". Par convention, on oriente le plan dans le sens dit "trigonométrique", c'est-à-dire dans le sens inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel...) des aiguilles d'une montre (ou " sens anti-horaire "). Si l'on considère deux demi-droites ou vecteurs, alors l'ordre dans lequel on cite les demi-droites ou les vecteurs définit le sens de l'angle, donc son signe ; ainsi :

\widehat{BAC} = - \widehat{CAB}
(\widehat{\vec{u},\vec{v}}) = - (\widehat{\vec{v},\vec{u}})
Angles orientés : l'orientation du plan permet de donner un signe à l'angle ; l'illustration souligne l'égalité en alpha et alpha-2π
Angles orientés : l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) du plan permet de donner un signe à l'angle ; l'illustration souligne l'égalité en alpha et alpha-2π

Les angles sont définis à un nombre entier de tours près. Ainsi, le plan complet peut être défini par un tour complet dans le sens positif, deux tours complets dans le sens positif, un tour complet dans le sens négatif... En radians, on dit que les angles sont définis à 2π près (" à deux pi près "). Par exemple, si l'angle α est droit de sens direct, il est noté :

\alpha = \frac{\pi}{2} + 2k\pi, k \in \mathbb{Z}

ou bien

\alpha \equiv \frac{\pi}{2} [2\pi]

Cette dernière notation se lit : " alpha est congru à pi sur deux modulo ( En arithmétique modulaire, on parle de nombres congrus modulo n Le terme modulo peut aussi être associé à d'autres formes de congruence En informatique, le modulo (informatique) est une fonction qui au couple (a, b)...) deux pi ".

On remarque notamment que pour deux demi-droites (ou deux vecteurs) données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), le fait de choisir la " petite " ou la " grande " portion de plan importe peu, puisque α ≡ α -  2π (cf. illustration ci-dessus).

Angles de vecteurs

Les angles sont définis à partir de classes d'équivalence de la manière suivante :
Dans le plan euclidien usuel (normé), on définit les isométries, transformations du plan conservant la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une règle à...) des vecteurs. Les isométries ont un déterminant égal à 1 ou à -1.

Les isométries de déterminant 1 (dites " positives ") transforment un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication...) unité (de norme 1) en un autre vecteur unité. Pour un couple de vecteurs unités (\vec{u}, \vec{v}) donné, il existe une isométrie positive f transformant \vec{u} en \vec{v}, on a

\vec{v} = f(\vec{u}).

Soit une autre isométrie positive g et \vec{u'} et \vec{v'} deux autres vecteurs tels que

\vec{u'}=g(\vec{u}) et \vec{v'} = g(\vec{v}).

Nous pouvons démontrer que

\vec{v'} = f(\vec{u'})

et que l'ensemble des couples de vecteurs unités (\vec{u''}, \vec{v''}) vérifiant

\vec{v''} = f(\vec{u''})

est une classe d'équivalence sur f, chaque isométrie f détermine une classe d'équivalence.

Nous appelons angle θ la classe d'équivalence de ce couple, l'isométrie associée est la rotation d'angle θ.

Définition à revoir, à compléter et à illustrer

Angles dans l'espace

Deux droites sécantes sont nécessairement coplanaires, donc l'angle entre les droites est défini dans ce plan, de la même manière que ci-dessus. Pour orienter le plan, on choisit un vecteur normal au plan : le plan est alors orienté dans le sens trigonométrique lorsque le vecteur normal pointe vers l'observateur. Si l'on a défini une base (\vec{i},\vec{j}) dans ce plan, alors on choisit pour vecteur normal \vec{i}\wedge\vec{j}.

orientation d'un plan par un vecteur normal
Orientation d'un plan par un vecteur normal

Pour définir l'angle entre deux plans, on considère l'angle que font leurs vecteurs normaux.

Pour définir l'angle entre un plan et une droite, on considère l'angle α entre la droite et sa projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une carte.) orthogonale sur le plan, ou encore l'angle complémentaire entre la droite et la normale au plan : on retranche l'angle β entre la droite et la normale au plan de l'angle droit (α = π/2 - β en radians).

Pour définir l'angle entre deux droites quelconques de l'espace, on considère l'angle que font leurs vecteurs directeurs (dont le cosinus (En mathématiques, les fonctions trigonométriques sont des fonctions d'angle importantes pour étudier les triangles et modéliser des phénomènes périodiques. Elles peuvent...) est égal au produit scalaire (En géométrie vectorielle, le produit scalaire est une opération algébrique s'ajoutant aux lois définissant la structure d'espace vectoriel. À deux vecteurs elle associe leur produit, qui est un nombre (ou scalaire)....) de ces vecteurs unitaires), ou encore l'angle planaire que fait une des deux droites avec une quelconque parallèle à l'autre qui la coupe. Cet angle est définit modulo les mêmes choix d'orientation évoqués ci-dessus.

On définit également les angles solides : on prend un point (parfois appelé " point d'observation ") et une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) dans l'espace (la " surface observée "), l'angle solide (En mathématiques, en géométrie et en physique, un angle solide est l'analogue tridimensionnel de l'angle plan ou bidimensionnel.) est la proportion de l'espace délimitée par le cône ayant pour sommet le point considéré et s'appuyant sur le contour de la surface. L'unité est le stéradian (sr en abrégé), l'espace complet (En mathématiques, un espace métrique M est dit complet ou espace complet si toute suite de Cauchy de M a une limite dans M (c’est-à-dire qu'elle converge dans M). La propriété de...) fait 4π sr.

Usage des angles

  • En géodésie (géographie)
    • azimut : angle par rapport à l'axe Nord-Sud sur un plan contenant cet axe et le point visé, compté par rapport au Nord compté dans le sens des aiguilles d'une montre ;
    • latitude : angle que fait une verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) partant d'un point et allant au centre de la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) par rapport au plan de l'équateur ; les points ayant la même latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre (ou sur une autre planète), au nord ou au sud de l'équateur.) forment un cercle1 appelé " parallèle "
    • longitude : angle permettant de se repérer sur Terre : angle que fait le plan contenant l'axe Nord-Sud et le point considéré (appelé " plan méridien ") avec un plan de référence contenant aussi l'axe Nord-Sud ; l'intersection d'un plan méridien (Sur la surface d'une sphère tournant autour d'un axe passant par son centre on peut tracer un repère constitué des cercles qui restent invariants dans la rotation; on...) avec la surface de la Terre est un demi grand-cercle 1 appelé méridien ; le méridien de référence est le méridien de Greenwich
    • droite de hauteur : position d'un point calculé (comprenant azimuth et différence angulaire) par rapport à un point estimé
  • En astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs...)
    • azimut (L’azimut est l'angle horizontal entre la direction d'un objet et une direction de référence.) (ou azimuth) : lorsque l'on vise un point depuis le centre de la Terre, angle par rapport à l'axe Nord-Sud sur un plan contenant cet axe et le point visé, compté par rapport au Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.)
    • diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.) apparent : angle sous lequel on voit un objet ou un astre
    • distance zénithale : angle entre la verticale et le point visé
    • hauteur : angle entre l'horizontale et le point visé
    • parallaxe : angle formé par le regard d'une personne qui fixe un point quelconque d'un objet et son changement de position
    • nadir : angle droit vers le bas verticalement par rapport au tour de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien d'autres...) de l'observateur
    • zénith : angle droit vers le haut verticalement par rapport au tour de l'horizon de l'observateur
Par ailleurs, la notion d'angle permet de définir une unité de longueur (Il existe de nombreuses unités de longueur ne faisant pas partie du système international. Certaines sont utilisées dans des domaines scientifiques pour simplifier les expressions, d'autres sont utilisées pour des...), le parsec (Le parsec (symbole pc) est une unité de longueur utilisée en astronomie. Son nom vient de la contraction de « parallaxe-seconde ».)
  • En optique géométrique (L'optique géométrique est une branche de l'optique, comme le sont l'optique ondulatoire (souvent appelée optique physique) et l'optique quantique. Ces approches ne sont...)
    • angle d'incidence : angle entre un vecteur et le vecteur de la surface, par exemple en réflexion et en réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci change...), angle entre un rayon lumineux et la surface d'un dioptre (En optique, un dioptre est une surface séparant deux milieux transparents d'indices de réfraction différents. Si la lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et isotrope, elle est déviée...)
    • parallaxe (La parallaxe est l'incidence du changement de position de l'observateur sur l'observation d'un objet.)
  • En aérodynamique :
    • angle d'attaque
    • assiette
  • En balistique (La balistique est la science qui a pour objet l'étude du mouvement des projectiles.)
    • hausse
  • Angle mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la...)

Notes

  1. on suppose ici que la Terre est sphérique, ce qui n'est pas tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait vrai : sa forme générale est légèrement aplatie aux deux pôles, et sa surface présente des aspérités (fosses océaniques, montagnes) ;
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