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Ellipsoïde : volume, aire et forme

Calculez le volume et l'aire d'un ellipsoïde à partir de ses trois demi-axes, voyez s'il s'agit d'une sphère, d'un sphéroïde ou d'un ellipsoïde quelconque, et obtenez la sphère équivalente.

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Résultats

Volume

251,327

En unités de longueur saisies, au cube

Aire (approximation de Thomsen, erreur < 1,1 %)

199,502

Nombre de demi-axes égaux
0
Tous différents : un ellipsoïde quelconque (triaxial)
Rayon de la sphère de même volume
3,915
Volume à partir des diamètres : π/6 × D₁ × D₂ × D₃
251,327

Une sphère étirée

Un ellipsoïde est ce que l’on obtient en étirant ou en aplatissant une sphère selon ses axes. Les œufs, les ballons de rugby, la Terre, les planètes, beaucoup de fruits et d’organes, ou encore les fonds bombés des réservoirs ont des formes proches de l’ellipsoïde. Trois demi-axes a, b et c, mesurés du centre vers la surface dans trois directions perpendiculaires, le décrivent entièrement.

Les types d’ellipsoïdes

  • Sphère : a = b = c.
  • Sphéroïde allongé : deux axes courts égaux et un axe long, comme un ballon de rugby ou un grain de riz.
  • Sphéroïde aplati : deux axes longs égaux et un axe court, comme la Terre ou une lentille.
  • Ellipsoïde quelconque (triaxial) : trois axes différents, comme beaucoup de galets.

Le volume

V = 4/3 × π × a × b × c

Cette formule est exacte. Pour une sphère, on retrouve 4/3 × π × r³. Si l’on mesure les longueurs entières plutôt que les demi-axes, on utilise V = π/6 × D₁ × D₂ × D₃, soit environ 0,52 fois le produit des trois diamètres. Les radiologues emploient cette formule pour estimer en échographie ou au scanner le volume de la prostate, des lobes thyroïdiens, de la vessie ou d’une tumeur.

L’aire

Il n’existe pas de formule exacte simple pour l’aire d’un ellipsoïde quelconque. Une très bonne approximation, publiée par Knud Thomsen, est :

S ≈ 4π × ((aᵖbᵖ + aᵖcᵖ + bᵖcᵖ) ÷ 3)^(1/p), avec p = 1,6075

Son erreur ne dépasse pas environ 1,06 %, et elle est bien plus faible pour les formes proches de la sphère.

Exemple

Un ellipsoïde de demi-axes 5, 4 et 3 :

  • Volume = 4/3 × π × 5 × 4 × 3 = 251,3 unités cubes
  • Aire ≈ 199,5 unités carrées
  • Une sphère de même volume aurait un rayon de (5 × 4 × 3)^(1/3) = 3,91

La Terre, un ellipsoïde

La Terre tourne sur elle-même et se renfle à l’équateur. L’ellipsoïde de référence WGS 84 utilisé par le GPS a un rayon équatorial de 6 378,137 km et un rayon polaire de 6 356,752 km, soit un aplatissement d’environ 1/298. En France, le système géodésique officiel RGF93 s’appuie sur un ellipsoïde presque identique, l’IAG GRS 80. Utiliser un ellipsoïde plutôt qu’une sphère modifie les calculs de distance de 0,5 % au plus.

Conseils

  • Saisissez les trois demi-axes dans la même unité : le volume sort dans cette unité au cube, l’aire au carré.
  • Pour estimer la contenance d’un récipient, mesurez les dimensions intérieures ; 1 litre vaut 1 000 cm³.
  • Pour un demi-ellipsoïde, comme un dôme ou un fond de cuve, divisez le volume par deux.

Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'un ellipsoïde ?

Une surface fermée dont toutes les sections planes sont des ellipses, comme une sphère étirée ou aplatie. Il est défini par trois demi-axes a, b et c. Si deux sont égaux, c'est un sphéroïde ; si les trois le sont, c'est une sphère.

Comment calcule-t-on le volume ?

V = 4/3 × π × a × b × c, une formule exacte. Avec les diamètres entiers au lieu des demi-axes, elle devient π/6 × D₁ × D₂ × D₃, soit environ 0,52 fois le produit : c'est la formule utilisée en échographie pour estimer le volume de la prostate, de la thyroïde ou de la vessie.

Pourquoi l'aire est-elle approchée ?

Il n'existe pas de formule exacte simple pour l'aire d'un ellipsoïde quelconque : il faut des intégrales elliptiques. L'approximation de Knud Thomsen, utilisée ici, se trompe au plus d'environ 1,06 %, ce qui suffit pour la plupart des usages.

La Terre est-elle un ellipsoïde ?

Presque. Son rayon équatorial est de 6 378,1 km et son rayon polaire de 6 356,8 km : c'est un sphéroïde aplati d'environ 1/298. Le GPS utilise l'ellipsoïde WGS 84 comme forme de référence.

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Résultats indicatifs fournis à titre d'information. Ils ne remplacent pas l'avis d'un professionnel.