Rayon (géométrie)

En géométrie, un rayon d'un cercle ou d'une sphère est un segment de droite quelconque reliant son centre à sa circonférence. Par extension, le rayon d'un cercle ou d'une sphère est la longueur de chacun de ces segments. Le rayon est la moitié du diamètre. En sciences et en ingénierie, le terme rayon de courbure est souvent utilisé comme synonyme de rayon.

Plus généralement  le rayon d'un objet (par exemple un cylindre, un polygone, un graphe ou une pièce mécanique) est la distance de son centre ou axe de symétrie à ses points de surface les plus éloignés. Dans ce cas, le rayon peut être différent de la moitié du diamètre (dans le sens de plus grande distance entre deux points de l'objet).

Il peut aussi avoir plusieurs définitions spécifiques comme on le verra pour l'ellipse ci-dessous.

Rayon d'un cercle 
La relation entre le rayon  et la circonférence  d'un cercle est .
Pour calculer le rayon  d'un cercle passant par trois points  on peut utiliser la formule suivante (voir Théorème de l'angle inscrit, Angle inscrit dans un demi-cercle et la figure ci-contre) :

Si les trois points sont donnés par leurs coordonnées ,  et , on peut aussi utiliser la formule suivante (voir Loi des sinus et Aire d'un triangle) :

Rayons d'une ellipse 

On peut définir plusieurs notions de rayon pour une ellipse, notions redonnant celle de rayon classique dans le cas du cercle.

 Le demi grand axe  de l'ellipse s'interprète comme le rayon du cercle circonscrit à l'ellipse, ou cercle principal , et le demi petit axe comme le rayon du cercle inscrit, ou cercle secondaire. On peut définir comme "rayon moyen", la moyenne arithmétique de ces deux rayons : .

 Le rayon surfacique est le rayon d'un cercle d'aire (surface) égale à celle de l'ellipse.

Il est égal à la racine carrée du produit des deux demi-axes de l'ellipse :

C'est donc la moyenne géométrique des demi-axes.

 Un autre rayon remarquable de l'ellipse est la distance moyenne d'un point parcourant l'ellipse à vitesse constante au foyer de cette ellipse. Ce rayon, qui est par définition égal à  se simplifie en la valeur  du demi grand axe.

 La distance moyenne à vitesse constante au centre de l'ellipse :  ne donne pas, elle, une valeur simple.

 La distance moyenne au centre de l'ellipse, à vitesse de l'anomalie excentrique t constante :  est égale, elle, à  où  est la longueur de l'ellipse. C'est donc le rayon d'un cercle de longueur égale à celle de l'ellipse.
 On peut aussi considérer l'écart-type de la distance entre deux points de l'intérieur de l'ellipse :  , soit  qui se simplifie en , moyenne quadratique des demi-axes.

Rayons d'un ellipsoïde 

On peut définir plusieurs notions de rayon pour l'ellipsoïde de demi-axes  .

Rayon moyen 
Le "rayon moyen" est égal à la moyenne arithmétique des 3 demi-axes :

Rayon volumétrique 
Le rayon volumétrique est le rayon d'une sphère fictive de volume égal à celui de l'ellipsoïde considéré.

Il est égal à la moyenne géométrique des demi-axes :

Rayon authalique 
Le rayon authalique est le rayon d'une sphère fictive d'aire (surface) égale à l'aire  de l'ellipsoïde considéré, donc .

Par exemple dans le cas d'un ellipsoïde de révolution allongé (rotation d'une ellipse autour de son grand axe) .

Rayon d'un polygone 
Un rayon d'un polygone régulier est un segment reliant le centre de ce polygone à l'un de ses sommets. Sa longueur est par conséquent le rayon du cercle circonscrit à ce polygone.

Le rayon d'un polygone à  côtés de longueur  est donc égal à

ou encore, en fonction de la longueur de l'apothème , à

Rayons de la Terre

Données

Historique 
La première mesure du rayon de la Terre en astronomie a été effectuée par Ératosthène. Son calcul est le suivant : le Soleil est si éloigné que ses rayons arrivent parallèlement en tout point de la Terre. Il a lu qu'à Syène, les rayons tombent verticalement dans un puits le jour du solstice d'été. Cela veut dire que le Soleil passe par le zénith, il n'y a alors pas d'ombre. Plus au nord, au même instant, les rayons atteignent Alexandrie sous un angle non nul, qu'il mesure. L'angle mesuré est de un cinquantième de cercle. Cela signifie que la circonférence de la Terre est cinquante fois plus grande que la distance Syène-Alexandrie. Il avait lu également que les caravanes de chameaux partant de Syène mettaient cinquante jours pour arriver à Alexandrie en parcourant cent stades par jour. Il calcula que la distance entre les deux villes de la vallée du Nil était de . Le stade équivaut à .

Par la mesure de l'ombre portée par ces objets de hauteur connue situés en deux points de latitude différente, il trouve la valeur de  pour la longueur du méridien, c'est-à-dire la circonférence terrestre. Cette mesure est exacte à 2 % près. Il en déduisit le rayon terrestre.

Utilisation 
Le rayon terrestre est utilisé pour de nombreux calculs astronomiques comme le calcul de la parallaxe diurne d'un astre :
Parallaxe diurne : deux observateurs se placent en deux points A et B de la Terre les plus éloignés possible et notent la configuration des étoiles entourant l'astre observé. Ils peuvent ainsi calculer les angles  et , puis en déduire la parallaxe qui permettra d'obtenir la distance TP.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes 
 Éléments d'Euclide
 Caractère carré vide (؈), appelé "ray" (en arabe , aussi abbrévié ), symbole utilisé en géométrie en arabe pour le rayon

Bibliographie 
 Michel Morin et Alain Roy, Géométrie 4 : les relations dans le cercle, Mont-Royal (Québec), Modulo, 1995 

Cercle et sphère