Surface réglée

En mathématiques, et plus précisément en géométrie, une surface réglée est une surface par chaque point de laquelle passe une droite, appelée génératrice, contenue dans la surface.

Représentation paramétrique

Exemple de surface réglée

On peut décrire une surface réglée S en la considérant comme la réunion d'une famille de droites D(u) dépendant d'un paramètre u parcourant une partie I de l'ensemble des réels. Il suffit pour cela de se donner pour chaque u dans I un point M(u) et un vecteur directeur $\overrightarrow{V(u)}$ de D(u). On obtient alors une représentation paramétrique de la surface $S$ :

$m \in S \iff \exists\, u \in I, \exists\ v \in \R \, /\, M(u,v) = P(u) + v\, \overrightarrow{V(u)}$.

L'arc paramétré par $u \in I \rightarrow P(u) \in \R^3$ est appelé une courbe directrice de S.

Dans l'exemple ci-contre, on a pris $P(u) = (u,-u^2,u^3)~$ et $\overrightarrow{V(u)} = (-u^2,1,u)$.

Exemples

Outre le plan qui est une surface réglée évidente, les surfaces réglées les plus connues sont :

• le cône, dont toutes les génératrices ont un point commun, appelé sommet du cône ;
• le cylindre, dont les génératrices sont parallèles ;
• le paraboloïde hyperbolique, qui possède deux familles de génératrices ;
• l'hyperboloïde à une nappe, qui possède également deux familles de génératrices ;
• l'hélicoïde, seule surface minimale réglée, avec le plan ;
• le ruban de Möbius, surface réglée non-orientable ;
• le conoïde, dont les génératrices sont parallèles à un plan donné (plan directeur) et passent par une droite (axe du conoïde) ;

• 

  Cône

• 

  Cylindre

• 

  Paraboloïde hyperbolique

• 

  Hyperboloïde à une nappe

• 

  Hélicoïde

• 

  Ruban de Möbius

• 

  Conoïde

Plan tangent

Exemple de surface développable

En tout point régulier d'une surface réglée, le plan tangent contient la génératrice qui passe par ce point.

En effet, la représentation paramétrique donne une base du plan tangent en M(u,v), constituée des vecteurs

$\frac{ \partial M(u,v) }{ \partial u }$ et $\frac{ \partial M(u,v) }{ \partial v } = \overrightarrow{V(u)}$

ce dernier vecteur dirigeant la génératrice D(u).

Notamment, si par un point passent deux génératrices distinctes, celles-ci y engendrent le plan tangent. C'est notamment le cas des surfaces doublement réglées, comme l'hyperboloïde à une nappe ou le paraboloïde hyperbolique.

Si, pour toute valeur de u dans I, en deux points quelconques de la génératrice D(u) les plans tangents sont confondus, on dit que la surface est développable.

On obtient un tel exemple de surface développable en prenant la réunion des tangentes à une courbe gauche, qui est alors courbe directrice de la surface réglée obtenue. Plus généralement, toute surface développable est constituée de parties de cônes, de cylindres, et de tangentes à des courbes gauches, qui se recollent le long d'une génératrice avec un même plan tangent.

Applications

Chaudronnerie industrielle

Raccordement de deux tuyaux par une surface réglée : vue de face (haut) et vue de dessus (bas)

La chaudronnerie est le travail des métaux en feuilles (tôles). La mise en forme des tôles utilise essentiellement deux techniques : le roulage (ou cintrage) et le pliage.

Le roulage donne des surfaces de révolution, portions de cônes ou de cylindres. Ce sont donc des surfaces réglées.

Le pliage permet d'approcher des surfaces réglées par des polyèdres, les plis/arêtes correspondant à des génératrices de la surface que l'on veut approcher.

Considérons par exemple un tuyau cylindrique en biais et un tuyau cylindrique vertical, coupés par des plans horizontaux. Les axes des tuyaux ne sont pas concourants.

Pour raccorder ces tuyaux, il faut donc avoir une surface passant par une ellipse (section du tuyau en biais) et un cercle (section du tuyau vertical). Une solution consiste à définir une surface réglée par une douzaine de génératrices, repérées de [A.1] à [I.12] (par convention, les noms des points sont écrits en minuscule sur les vues projetées, avec une prime sur la vue de face). La forme peut être obtenue par pliage et soudage de tôles.

Article détaillé : b:Traçage en chaudronnerie et tuyauterie/Raccordement de deux sections .

Voir aussi

• Surface réglée standard, qui contient une classification en géométrie algébrique.
• Géométrie différentielle des surfaces, où l'on trouvera des formules permettant de calculer la courbure.