Aller au contenu principal

Section 4.3 – L'aire latérale et l'aire totale des solides

Maintenant que notre sens spatial est bien développé grâce à notre travail de la section 4.1, nous sommes prêts à appliquer des mathématiques aux solides. Dans cette section, nous calculerons l'aire latérale et l'aire totale des principaux solides que vous connaissez.

Aire latérale vs. aire totale

L'aire latérale d'un solide inclut seulement l'aire de ses côtés et exclut l'aire de sa ou ses bases. Au contraire, l'aire totale inclut l'aire de toutes les surfaces, donc l'aire latérale et l'aire des faces.

4.3.1 – L'aire latérale du cône

Cône décomposé en aire totale, aire latérale et le secteur qui la compose

Un cône circulaire droit est une forme dont le développement de l'aire latérale ne donne pas un polygone régulier — il est donc difficile de calculer l'aire latérale d'un cône à l'aide des formules d'aires déjà connues. Voici pourquoi une nouvelle formule de calcul d'aire est introduite :

Airelateˊrale du co^ne=ΠraAire_{latérale\ du\ cône} = \Pi \cdot r \cdot a

rr représente le rayon du cercle à la base du cône et aa représente la mesure de l'apothème du cône.

Comme on le verra dans l'exemple suivant, la mesure de l'apothème devra souvent être déduite grâce au théorème de Pythagore.

Pour calculer l'aire totale d'un cône, on fait donc la somme de son aire latérale et de l'aire de sa base, un cercle. La formule est donc la suivante :

Airetotale du co^ne=Πra+Πr2Aire_{totale\ du\ cône} = \Pi \cdot r \cdot a + \Pi \cdot r^{2}

Voici la démarche complète pour calculer l'aire totale d'un cône :

Cône avec hauteur 9 et rayon 3.2, apothème inconnu

Considérons ce cône. Pour pouvoir calculer l'aire latérale de ce cône, il nous faudrait la mesure de l'apothème (aa dans la formule Πra\Pi r a).

1. Calculer la mesure de l'apothème grâce au théorème de Pythagore. On utilise la formule a2+b2=c2a^{2} + b^{2} = c^{2}aa représentera le rayon, bb représentera la hauteur et cc représentera l'apothème.

3,22+92=c23,2^{2} + 9^{2} = c^{2}

10,24+81=c210,24 + 81 = c^{2}

91,24=c291,24 = c^{2}

91,24=c2\sqrt{91,24} = \sqrt{c^{2}}

9,55=c9,55 = c

2. On peut maintenant calculer l'aire latérale du cône.

Alateˊrale=ΠraA_{latérale} = \Pi \cdot r \cdot a

Al=Π3,29,55A_{l} = \Pi \cdot 3,2 \cdot 9,55

Al=96A_{l} = 96

3. On doit alors calculer l'aire de la base.

Abase=Πr2A_{base} = \Pi \cdot r^{2}

Ab=Π3,22A_{b} = \Pi \cdot 3,2^{2}

Ab=Π10,24A_{b} = \Pi \cdot 10,24

Ab=32,17A_{b} = 32,17

4. Puisque l'aire totale correspond à la somme de l'aire latérale et de l'aire de la base, on peut maintenant additionner ces deux valeurs.

Atotale=Alateˊrale+AbaseA_{totale} = A_{latérale} + A_{base}

At=96+32,17A_{t} = 96 + 32,17

At=128,17A_{t} = 128,17

L'aire totale du cône est donc de 128,17 unités carrées.

Exercice

Détermine l'aire latérale et l'aire totale du cône suivant.

Cône avec hauteur 150 et rayon 50

4.3.2 – L'aire d'une sphère

Comme pour le périmètre et l'aire avec le cercle, la sphère a aussi droit à un traitement particulier avec l'aire. Ici, le calcul de l'aire totale ne compte qu'une seule formule, puisqu'il n'y a qu'une face continue et donc pas de distinction entre l'aire latérale et l'aire totale.

Aspheˋre=4Πr2A_{sphère} = 4 \cdot \Pi \cdot r^{2}

rr représente le rayon de la sphère.

4.3.3 – Les formules des principaux solides

Pour l'ensemble des solides vus en classe cette année, on peut donc déduire trois grandes formules de calcul d'aire : les solides à deux bases (prismes et cylindres), les solides à une seule base (cônes et pyramides) et les sphères. Pour ces trois types de solides, on a les formules suivantes :

SolidesAire latéraleAire totale
Prismes droits, cylindresAirelateˊrale=PeˊrimeˋtrebasehauteurAire_{latérale} = Périmètre_{base} \cdot hauteurAiretotale=Airelateˊrale+AirebasesAire_{totale} = Aire_{latérale} + Aire_{bases}
Cônes, pyramidesAirelateˊrale=Peˊrimeˋtrebaseapotheˋme2Aire_{latérale} = \dfrac{Périmètre_{base} \cdot apothème}{2}Airetotale=Airelateˊrale+AirebaseAire_{totale} = Aire_{latérale} + Aire_{base}
SphèresAirelateˊrale=Airetotale=4Πr2Aire_{latérale} = Aire_{totale} = 4 \cdot \Pi \cdot r^{2}
Prisme triangulaire, base équilatérale de 60cm, hauteur 100cm

Essayons ensemble de calculer l'aire latérale et l'aire totale de ce prisme :

1. Développer la formule de l'aire totale du prisme.

Atotale=Alateˊrale+AbasesA_{totale} = A_{latérale} + A_{bases}

Ici, l'aire latérale correspond à Alateˊrale=peˊrimeˋtre de la basehauteur du prismeA_{latérale} = périmètre\ de\ la\ base \cdot hauteur\ du\ prisme. L'aire d'une base, quant à elle, correspond à Abase=Atriangle=basehauteur2A_{base} = A_{triangle} = \dfrac{base \cdot hauteur}{2}.

2. Vérifier si nous détenons toute l'information. Pour l'aire latérale, on peut facilement calculer le périmètre de la base (3×60 cm3 \times 60\ cm) et la hauteur du prisme nous est donnée (100 cm100\ cm) : on détient donc toutes les informations. Pour l'aire d'une base, la base du triangle nous est donnée (60 cm60\ cm), mais la hauteur du triangle nous est inconnue — il faudra donc utiliser le théorème de Pythagore.

Triangle équilatéral de côté 60cm formant la base du prisme

3. Déterminer la hauteur du triangle à la base du prisme. On commence par placer un triangle rectangle dans notre triangle.

Triangle équilatéral avec triangle rectangle interne, côtés a, b, c

Puisque bb est notre inconnue, on peut transformer la formule a2+b2=c2a^{2} + b^{2} = c^{2} en b2=c2a2b^{2} = c^{2} - a^{2}. Lorsqu'on y place les valeurs connues (le triangle équilatéral étant coupé en deux, la base de chaque moitié mesure 30 cm30\ cm), on obtient :

b2=602302b^{2} = 60^{2} - 30^{2}

b2=3600900b^{2} = 3\,600 - 900

b2=2700b^{2} = 2\,700

b2=2700\sqrt{b^{2}} = \sqrt{2\,700}

b=51,96b = 51,96

La hauteur du triangle formant la base est donc de 51,96 cm.

4. Déterminer l'aire latérale et l'aire des bases.

Alateˊrale=peˊrimeˋtre de la basehauteur du prismeA_{latérale} = périmètre\ de\ la\ base \cdot hauteur\ du\ prisme

Alateˊrale=180 cm100 cmA_{latérale} = 180\ cm \cdot 100\ cm

Alateˊrale=18000 cm2A_{latérale} = 18\,000\ cm^{2}

Abase=base du trianglehauteur du triangle2A_{base} = \dfrac{base\ du\ triangle \cdot hauteur\ du\ triangle}{2}

Abase=60 cm51,96 cm2A_{base} = \dfrac{60\ cm \cdot 51,96\ cm}{2}

Abase=3117,6 cm22A_{base} = \dfrac{3\,117,6\ cm^{2}}{2}

Abase=1558,8 cm2A_{base} = 1\,558,8\ cm^{2}

5. Calculer l'aire totale du prisme.

Atotale=Alateˊrale+AbasesA_{totale} = A_{latérale} + A_{bases}

Atotale=18000 cm2+21558,8 cm2A_{totale} = 18\,000\ cm^{2} + 2 \cdot 1\,558,8\ cm^{2}

Atotale=18000 cm2+3117,6 cm2A_{totale} = 18\,000\ cm^{2} + 3\,117,6\ cm^{2}

Atotale=21117,6 cm2A_{totale} = 21\,117,6\ cm^{2}

On obtient donc une aire totale de 21 117,6 cm².

Les exercices liés à cette section se trouvent dans le manuel Vision 1 : p. 26 # 1 (solides 1, 3 et 4), 2 (a et c), 3, 4, 6, 16, 17 et 19.