Sphère - Définition

Introduction

Une sphère dans un espace euclidien

En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point appelé centre. La valeur de cette distance au centre est appelée le rayon de la sphère. Elle n'inclut donc pas les points situés à une distance inférieure au rayon, au contraire de la boule. La surface de la Terre ne constitue pas une sphère parfaite mais sa forme en est proche (on parle de sphéroïde), d'où le terme « géosphère » pour désigner les couches enveloppant la terre (lithosphère, hydrosphère, atmosphère et biosphère notamment).

Plus généralement, dans un espace vectoriel normé voire dans un espace métrique, une sphère est l'ensemble des points à même distance d'un centre. Leur forme peut alors être très différente de la forme ronde usuelle. Les sphères des espaces euclidiens constituent des objets fondamentaux en topologie algébrique.

La déformation d'une sphère par une transformation affine produit un ellipsoïde. Le ballon de rugby concrétise une telle forme.

Représentation

En géométrie cartésienne, une sphère de centre (x₀,y₀,z₀) et de rayon r est l'ensemble des points (x,y,z) tels que :

.

Les points de la sphère de rayon r et de centre l'origine du repère peuvent être paramétrés par :

On peut voir comme la latitude et comme la longitude. (Voir fonctions trigonométriques et coordonnées sphériques.)

Développement

On peut démontrer que la sphère est une surface non développable. Il n'existe pas de patron de la sphère. Néanmoins, il est possible en pratique, d'obtenir des surfaces développables approchant la sphère très fidèlement, c'est le cas de tous les ballons cousus. Voir : Ballon de football (icosaèdre tronqué), ballon de Volley Ball, et ballon fantaisie (en fuseaux de pôle à pôle.)

Notez que la pression interne gauchit les surfaces et fidélise l'approche… Plus on gonfle plus la sphère s'approche de la perfection.

Formules

La surface d'une sphère de rayon R est :

Le volume qu'elle renferme est :

Sa compacité est de :

Le moment d'inertie d'une sphère homogène pleine de rayon R, de masse volumique ρ, de masse M par rapport à un axe passant par son centre est:

Le moment d'inertie d'une sphère homogène vide de rayon R, de masse M par rapport à un axe passant par son centre est :

L'élément d'aire de la sphère de rayon dans les coordonnées latitude-longitude est . On en déduit que l'aire d'un fuseau (portion limitée par deux demi-cercles joignant les pôles et faisant un angle exprimé en radians) est .

Cela permet aussi de calculer l'aire d'une calotte sphérique (on dit aussi segment de sphère), c’est-à-dire d'une portion de sphère limitée par deux plans parallèles de distance l'un pouvant être tangent à la sphère. On trouve  : l'aire est la même que celle d'un cylindre circulaire de même hauteur tangent à la sphère (cylindre circonscrit). Ce résultat remarquable est démontré par Archimède dans son traité De la sphère et du cylindre. Selon Cicéron, Archimède aurait, demandé que soient gravés, en mémoire de ce résultat, sur son tombeau, une sphère et son cylindre circonscrit.

Le cylindre circonscrit à une sphère donnée a un volume égal à ³⁄₂ fois le volume de la sphère.

La sphère a la plus petite aire parmi les surfaces renfermant un volume donné et renferme le volume le plus élevé parmi les surfaces d'une aire donnée. Elle est la réponse à la question d'isopérimétrie pour l'espace euclidien de dimension 3. Pour cette raison, la sphère apparaît dans la nature, par exemple les bulles et gouttes d'eau (en l'absence de gravité) sont des sphères car la tension superficielle essaie de minimiser l'aire.