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Géométrie · 4 affiches · formule n° 55

Le volume de la sphère

Le volume d’une boule de rayon r vaut quatre tiers de pi multiplié par le cube du rayon. Archimède a montré qu’il représente exactement les deux tiers du volume du cylindre dans lequel la boule tient tout juste.

Voir les 4 affiches 20 contrôles par le calcul

VV est le volume de la boule délimitée par une sphère de rayon rr. Dessin : la sphère dans son cylindre, avec deux cônes de sommet le centre ; à chaque hauteur zz, le disque coupé dans la boule et l’anneau entre cylindre et cônes ont la même aire π(r2−z2)\pi(r^2 - z^2).

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Une sphère de centre OO et de rayon rr est l’ensemble des points de l’espace situés à la distance rr de OO : c’est une surface, comme la peau d’un ballon. Le solide qu’elle délimite, formé des points situés à une distance inférieure ou égale à rr, s’appelle une boule. Quand on parle du « volume de la sphère », il s’agit en toute rigueur du volume de cette boule :

V=43πr3V = \frac{4}{3}\pi r^3
  • VV est le volume, en unités de volume : si rr est en centimètres, VV est en centimètres cubes (cm³).
  • rr est le rayon, la distance du centre à n’importe quel point de la sphère, avec r>0r > 0.
  • π\pi est le nombre pi, environ 3,141 59.
  • r3=r×r×rr^3 = r \times r \times r : le volume est proportionnel au cube du rayon.

Trois remarques complètent la formule :

  • Avec le diamètre d=2rd = 2r, elle devient V=πd36V = \frac{\pi d^3}{6}. Confondre rayon et diamètre multiplie le résultat par 8.
  • Doubler le rayon multiplie le volume par 23=82^3 = 8. Une boule deux fois plus large contient huit fois plus de matière.
  • L’aire de la sphère (sa surface) vaut 4πr24\pi r^2, soit quatre fois l’aire d’un disque de même rayon. C’est d’ailleurs la dérivée du volume par rapport au rayon : quand le rayon augmente d’une petite quantité, le volume gagne une fine couche de surface 4πr24\pi r^2.

Un exemple

Une boule de 10 cm de rayon. Le cube du rayon vaut 103=100010^3 = 1\,000, donc

V=43π×1000=4000π3,V = \frac{4}{3}\pi \times 1\,000 = \frac{4\,000\,\pi}{3},

soit environ 4 188,79 cm³, un peu moins de 4,19 litres. Le cylindre qui l’entoure exactement, de rayon 10 cm et de hauteur 20 cm, a pour volume π×102×20=2000π\pi \times 10^2 \times 20 = 2\,000\,\pi, environ 6 283,18 cm³ ; la boule en occupe bien les deux tiers.

La Terre. La Terre n’est pas une sphère parfaite, mais la NASA donne un rayon moyen de 6 371 km, défini comme le rayon de la sphère de même volume. La formule donne

V=43π×63713≈1,0832×1012 km3,V = \frac{4}{3}\pi \times 6\,371^3 \approx 1{,}083\,2 \times 10^{12} \text{ km}^3,

soit environ mille milliards de kilomètres cubes, ce qui correspond à la valeur de 108,321×1010108{,}321 \times 10^{10} km³ publiée dans la fiche de la Terre de la NASA (nouvel onglet).

Pourquoi c’est vrai

La démonstration la plus parlante est celle que dessine l’affiche ; elle remonte à Archimède. On place la boule de rayon rr dans un cylindre de rayon rr et de hauteur 2r2r, et l’on y ajoute deux cônes qui ont pour sommet le centre de la boule et pour bases les deux disques du cylindre (on obtient une forme de sablier).

Coupons le tout par un plan horizontal, à la hauteur zz au-dessus du centre, avec −r≤z≤r-r \leq z \leq r :

  • la boule y laisse un disque dont le rayon vaut r2−z2\sqrt{r^2 - z^2} d’après le théorème de Pythagore ; son aire est π(r2−z2)\pi(r^2 - z^2) ;
  • le cylindre y laisse un disque de rayon rr et les cônes un disque de rayon |z||z|, car leurs flancs sont inclinés à 45° ; le cylindre privé des cônes laisse donc un anneau d’aire πr2−πz2\pi r^2 - \pi z^2.

Les deux aires sont égales à toute hauteur. Or deux solides de même hauteur dont toutes les sections horizontales ont la même aire ont le même volume : c’est le principe de Cavalieri, que le calcul intégral justifie. La boule a donc le volume du cylindre moins celui des deux cônes. Chaque cône a pour volume un tiers de sa base fois sa hauteur, soit 13πr2×r\frac{1}{3}\pi r^2 \times r. D’où

V=πr2×2r−2×13πr3=2πr3−23πr3=43πr3.V = \pi r^2 \times 2r - 2 \times \frac{1}{3}\pi r^3 = 2\pi r^3 - \frac{2}{3}\pi r^3 = \frac{4}{3}\pi r^3.

Avec une intégrale, le même découpage en tranches s’écrit directement : on additionne les disques d’aire π(r2−z2)\pi(r^2 - z^2) et d’épaisseur infiniment petite,

V=∫−rrπ(r2−z2)dz=π[r2z−z33]−rr=π(2r3−2r33)=43πr3,V = \int_{-r}^{r} \pi(r^2 - z^2)\,dz = \pi\left[r^2 z - \frac{z^3}{3}\right]_{-r}^{r} = \pi\left(2r^3 - \frac{2r^3}{3}\right) = \frac{4}{3}\pi r^3,

grâce au théorème fondamental de l’analyse.

Un peu d’histoire

La formule est due à Archimède de Syracuse (vers 287 - vers 212 av. J.-C.). Dans son traité De la sphère et du cylindre, écrit vers 225 av. J.-C., il établit que la boule a pour volume, et la sphère pour aire, les deux tiers de ceux du cylindre circonscrit, en comptant les deux disques du cylindre dans son aire. Il tenait tant à ce résultat qu’il aurait demandé que l’on grave sur sa tombe une sphère inscrite dans un cylindre ; selon Cicéron, qui dit l’avoir retrouvée, envahie par la végétation, alors qu’il était questeur en Sicile, le monument portait bien cette figure.

La comparaison des sections, utilisée plus haut, apparaît dans un autre texte d’Archimède, La Méthode, où il découvre le volume de la boule en comparant ses tranches à celles d’un cylindre et d’un cône. Ce traité, longtemps perdu, n’est connu que par un palimpseste, un parchemin réutilisé pour copier des prières, dont l’intérêt fut reconnu par le philologue danois Johan Ludvig Heiberg en 1906.

En Chine, Zu Chongzhi et son fils Zu Gengzhi ont obtenu le volume de la boule au Ve siècle de notre ère par un principe semblable. En Europe, ce principe porte le nom de l’Italien Bonaventura Cavalieri, qui l’a exposé en 1635 dans sa Geometria indivisibilibus.

Ce que montre l’affiche

Le programme dessine, en perspective, la boule de rayon rr dans son cylindre et les deux cônes de sommet le centre. Trois plans horizontaux la coupent, aux hauteurs 0,8r0{,}8\,r, 0,1r0{,}1\,r et −0,6r-0{,}6\,r ; pour chacun, il trace à droite, vus de dessus, le disque coupé dans la boule, de rayon r2−z2\sqrt{r^2 - z^2}, et l’anneau compris entre les cônes et le cylindre, de rayons |z||z| et rr, dont il vérifie que les aires sont égales. Sous la formule, la ligne V=23VcylindreV = \tfrac{2}{3}\, V_{\text{cylindre}} rappelle le résultat d’Archimède. Comme tous les dessins de la boutique, celui-ci est calculé par des programmes écrits pour l’atelier, à partir de la formule elle-même, et existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • tranches : somme de 200 000 disques π(r² − z²)·dz = 4/3 π r³ (r = 1)obtenu 4.188790204838703, attendu 4.1887902047863905, écart 1.25e-11 (tolérance 1e-9)
  • tranches : somme de 200 000 disques π(r² − z²)·dz = 4/3 π r³ (r = 2,5)obtenu 65.44984695060572, attendu 65.44984694978736, écart 1.25e-11 (tolérance 1e-9)
  • tranches : somme de 200 000 disques π(r² − z²)·dz = 4/3 π r³ (r = 6371)obtenu 1083206916859.2666, attendu 1083206916845.7535, écart 1.25e-11 (tolérance 1e-9)
  • comptage : 4 188 781 437 points entiers dans la boule de rayon 1000 ≈ 4/3 π R³obtenu 4188781437, attendu 4188790204.7863903, écart 2.09e-6 (tolérance 0.00001)
  • Monte-Carlo : 2 000 000 points tirés dans le cube de côté 2, proportion dans la boule ≈ (4/3 π)/8 = π/6obtenu 0.5240935, attendu 0.5235987755982988, écart 9.45e-4 (tolérance 0.003)
  • Cavalieri : π(r² − z²) + π z² = π r² à 10 000 hauteurs tirées au hasardécart relatif maximal 1.37e-15
  • tranches : cylindre (2π) − deux cônes (2π/3) = 4π/3obtenu 4.188790204829694, attendu 4.1887902047863905, écart 1.03e-11 (tolérance 1e-9)
  • Archimède : volume de la boule = 2/3 du cylindre circonscritobtenu 0.666666666667624, attendu 0.6666666666666666, écart 1.44e-12 (tolérance 1e-10)
  • fractions de l’affiche : 4/3 = 2 − 2/3 (boule = cylindre − cônes)
  • dV/dr = 4π r² (aire de la sphère), r = 0,5obtenu 3.1415926540045986, attendu 3.141592653589793, écart 1.32e-10 (tolérance 1e-9)
  • dV/dr = 4π r² (aire de la sphère), r = 3obtenu 113.09733553019895, attendu 113.09733552923255, écart 8.54e-12 (tolérance 1e-9)
  • cube inscrit (2r/√3)³ < V < cube circonscrit (2r)³
  • rayon doublé : volume multiplié par 8obtenu 8, attendu 8, écart 0.00e+0 (tolérance 1e-14)
  • avec le diamètre d = 2r : V = π d³ / 6obtenu 4.1887902047863905, attendu 4.1887902047863905, écart 0.00e+0 (tolérance 1e-15)
  • valeur de référence : V(1) = 4,188 790 204 786 39…obtenu 4.1887902047863905, attendu 4.18879020478639, écart 2.12e-16 (tolérance 1e-14)
  • dimensions : r³ est un volume (m³)[3,0,0,0,0] contre [3,0,0,0,0] (m, kg, s, A, K)
  • contre-exemple : 4/3 π r² n’est pas un volume (m², et faux pour r = 2)
  • dessin : coupe à z = 0,8 r, disque de rayon √(r² − z²) = anneau entre |z| et robtenu 1.130973355292325, attendu 1.1309733552923253, écart 3.93e-16 (tolérance 1e-14)
  • dessin : coupe à z = 0,1 r, disque de rayon √(r² − z²) = anneau entre |z| et robtenu 3.1101767270538954, attendu 3.1101767270538954, écart 0.00e+0 (tolérance 1e-14)
  • dessin : coupe à z = −0,6 r, disque de rayon √(r² − z²) = anneau entre |z| et robtenu 2.0106192982974678, attendu 2.0106192982974678, écart 0.00e+0 (tolérance 1e-14)

Sources

Questions fréquentes

Comment calculer le volume d’une boule à partir de son diamètre ?

On divise le diamètre par 2 pour obtenir le rayon, puis on applique V=43πr3V = \frac{4}{3}\pi r^3. On peut aussi utiliser directement V=πd36V = \frac{\pi d^3}{6} : une boule de 6 cm de diamètre a un volume de 36π36\pi, environ 113,09 cm³.

Quel est le volume d’une demi-sphère ?

La moitié de celui de la boule : 23πr3\frac{2}{3}\pi r^3. Pour un rayon de 3 cm, on trouve 18π18\pi, environ 56,54 cm³.

Quelle différence entre une sphère et une boule ?

La sphère est la surface, formée des points situés exactement à la distance rr du centre ; la boule est le solide plein qu’elle délimite. Le volume est celui de la boule, l’aire 4πr24\pi r^2 est celle de la sphère.

Quelle est la formule de l’aire d’une sphère ?

L’aire de la sphère de rayon rr vaut 4πr24\pi r^2, quatre fois l’aire d’un disque de même rayon. Elle est égale à l’aire latérale du cylindre qui entoure la sphère, 2πr×2r2\pi r \times 2r.

Pourquoi y a-t-il 4/3 dans la formule ?

Le volume de la boule est celui du cylindre circonscrit, 2πr32\pi r^3, moins celui de deux cônes, 23πr3\frac{2}{3}\pi r^3, et 2−23=432 - \frac{2}{3} = \frac{4}{3}. Le calcul par tranches de la section « Pourquoi c’est vrai » le montre en détail.