LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Transcript

1 ILLUMINOTECNICA Obiettivi: L illuminotecnica si pone come obiettivo l acquisizione delle nozioni di base e la conoscenza di alcune tecniche e strumenti orientati alla progettazione illuminotecnica, al fine di potere effettuare consapevoli scelte progettuali rispettose delle esigenze del comfort visivo e del risparmio energetico. Gli argomenti comprendono: -la descrizione delle caratteristiche fisiche della luce, delle grandezze fotometriche, della propagazione della luce nei mezzi e delle interazioni tra luce e materia - gli aspetti fisiologici e percettivi coinvolti nel meccanismo della visione -la caratterizzazione delle sorgentisia di luce artificiale che naturale - i sistemi di controllo del flusso luminoso - metodologie per il calcolo degli illuminamenti -criteri generali di progetto per gli ambienti, considerando anche gli aspetti energetici

2 La Luce Che cosa è la luce? Il concetto di luce coinvolge immediatamente il concetto del meccanismo della visione e della percezione del mondo che ci circonda. È il sistema visivo che grazie a un azione combinata tra occhio e cervello ci consente di percepire l ambiente in cui ci troviamo, di orientarci e riconoscere oggetti e persone. La luce è una grandezza particolare poiché la sua definizione e la sua misura dipendono non solo da quantità fisiche oggettive, ma anche dal sistema visivo dell essere umano.

3 La Luce La luce è costituita da radiazioni elettromagnetiche in grado di stimolare la retina dell occhio umano, producendo la sensazione visiva Per capire perché alcune radiazioni sono visibili all occhio altre no, occorre definirne le grandezze caratteristiche. Le radiazioni elettromagnetiche costituiscono LABORATORIO un fenomeno DI COSTRUZIONI ondulatorio di propagazione di energia. Le caratteristiche di tali radiazioni variano in funzione del valore assunto dalle proprietà tipiche delle onde.

4 La Luce Proprietà: Lunghezza d onda λ: distanza minima tra due punti che si trovano nella stessa posizione rispetto all onda stessa (es. due punti di cresta consecutivi) Altezza massima o ampiezza dell onda (m) Periodo T: intervallo di tempo (s) in cui l onda si propaga di una distanza pari a λ (oscillazione), Frequenza ν: numero di cicli o oscillazioni nell unità di tempo La velocità di propagazione nel vuoto è costante ed è detta velocità della luce ed indicata con c ed è indipendente dalla lunghezza dell onda λ. In un mezzo diverso dal vuoto essa è minore e dipende dal tipo di mezzo (rifrazione)

5 Per una radiazione elettromagnetica lunghezza d onda e la frequenza sono inversamente proporzionali λ/τ = v, λν= v. Il campo del visibile Per dato mezzo di propagazione (v=c/n) al variare della frequenza, ossia della lunghezza d onda, le radiazioni elettromagnetiche presentano caratteristiche differenti. La luce visibile dall occhio umano è una piccola banda di lunghezze d onda del campo elettromagnetico (10-12 metri metri) nm (0,380 µm-0,760µm) 1 nm= 10-9 m

6 Importante: Tali radiazioni sono percepibili dall occhio umano perché innescano le attività elettrochimiche nervose alla base del meccanismo della visione. Al variare delle lunghezze d onda delle radiazioni nel campo del visibile varia la sensibilità dell occhio e varia anche la percezione di una qualità della luce, in termini di una qualità detta colore. Per lunghezze d onda minori (vicine all estremo inferiore del campo) si percepisce il viola o violetto e spostandosi verso l estremo superiore, si percepisce il rosso. UV(λ < 380nm)eIR(λ >760 nm) La maggior parte delle sorgenti luminose emettono anche IR e UV. La radiazione proveniente dal sole (sorgente primaria di luce) è compresa tra il campo dell UV e dell IR e comprende quindi il visibile.

7 Il campo del visibile Un corpo 25 FEBBRAIO appare visibile 2011 o per emissione di radiazioni proprie o per riflessione o trasmissione di luce irraggiata da altri corpi. L emissione di radiazioni proprie può avvenire per eccitazione termica o elettrica, fluorescenza, elettroluminescenza o luminescenza chimica. Sorgenti di luce I corpi che emettono radiazioni proprie sono detti sorgenti primarie e a loro volta si distinguono in sorgenti artificiali e naturali. I corpi che trasmettono o riflettono radiazioni provenienti da altri corpi sono detti sorgenti secondarie. artificiale Sorgente primaria naturale Sorgente primaria Sorgente secondaria

8 Come si esprime la luce Nomenclatura essenziale Si definisce flusso luminoso, e si indica con Φ v, la radiazione visibile emessa da una sorgente oppure ricevuta da una superficie, per unità di tempo. Nel SIsiesprime in lumen(lm). Il flusso luminoso nello studio illuminotecnico è legato al flusso energetico energetica della sorgente di emissione, Φ LABORATORIO e, [W]. Laquantità di luce Q DI COSTRUZIONI v è pari al flusso luminoso per il tempo e si esprime in lm s. Figura Lumen emessi da una sorgente non dipendono solo dai watt (23x2=46 W, 3000 lm) Il legame tra lumen e watt, come si vedrà dopo, dipende dalla composizione spettrale della radiazione luminosa emessa dalla sorgente in relazione alla sensibilità dell occhio umano alle diverse lunghezze d onda.

9 Nel vuoto le radiazioni luminose si propagano in modo rettilineo, ma nella materia? Interazione 25 FEBBRAIO luce-materia 2011 Si consideri un flusso luminoso dφ vλ che ricade nell'intervallo di ampiezza dλ centrato intorno ad una data lunghezza d onda λ, incidente sulla superficie S di un corpo. In funzione della sostanza che costituisce il corpo e della finitura della superficie, la radiazione monocromatica incidente si scompone in tre aliquote: quella LABORATORIO riflessa dφ vλr DI COSTRUZIONI quella assorbita dφ vλa quella trasmessa dφ vλt dφ vλ = dφ vλr + dφ vλa + dφ vλt

10

11 Fattori 25 monocromatici FEBBRAIO 2011 ρ λ è il fattore di riflessione monocromatico o spettrale; α λ è il fattore di assorbimento monocromatico o spettrale; τ λ è il fattore di trasmissione monocromatico o spettrale. Al variare della lunghezza d onda λ ogni coefficiente varia, ma la somma dei tre fattori monocromatici è sempre unitaria. A = piastrella rosa B = gomma blu C = plastica porpora

12 Quindi a partire dai valori del coefficiente di riflessione per ogni materiale in funzione della lunghezza 25 FEBBRAIO d onda λ, noto 2011 il flusso luminoso nel campo del visibile Φ v possiamo valutare il flusso complessivamente riflesso. Dato nell intervallo dλ il flusso riflesso dφ vλr :

13 Fattori 25 di FEBBRAIO trasmissione 2011 ed assorbimento In modo analogo si definiscono i fattori di trasmissione(rapporto tra il flusso trasmesso e quello incidente) ed assorbimento(rapporto tra il flusso assorbito e quello incidente): τ = Φ vt / Φ v α = Φ va / Φ v

14

15

16 La riflessione 25 FEBBRAIO speculare 2011 e diffusa Si consideri una radiazione incidente su una superficie proveniente da una data direzione e sia θil angolo di incidenza. Se la superficie è otticamente liscia, si verifica il fenomeno della riflessione speculare. Si ha: a) Il raggio riflesso giace nel piano individuato dal raggio incidente e dalla normale alla superficie, dall altra parte della normale rispetto al raggio incidente. b) L angolo LABORATORIO di riflessione, ossia l angolo DI formato COSTRUZIONI dal raggio riflesso e dalla normale alla superficie è uguale all angolo di incidenza. Otticamente liscia: liscia rispetto alle dimensioni delle lunghezze d onda della radiazione incidente

17 Se la 25 superficie FEBBRAIO è scabra, 2011 cioè rappresenta delle irregolarità che hanno dimensioni confrontabili con la lunghezza d onda della radiazione, si verifica il fenomeno della riflessione diffusa (scattering), ossia la luce viene riflessa in tutte le direzioni, secondo una direzione che dipende dal materiale e dalla direzione della radiazione incidente.

18 La riflessione uniformemente diffusa Un modello particolarmente utile nel calcolo è quello del diffusore uniforme, o superficie lambertiana, in cui la radiazione viene riflessa in modo uniforme in tutte le direzioni. In molti casi (ambienti) si verifica un comportamento misto tra il modello di riflessione speculare e quello di riflessione uniformemente diffusa.

19 Rifrazione È sempre n>1 essendo sempre c >v

20 n = 1 c v a n = 2 c v v n n 1 2 = c v c v a v = v v v a = senα 2 senα 1

21 La rifrazione Nel passaggio da un mezzo ad un altro, i raggi luminosi vengono deviati e nel passaggio da un mezzo meno denso ad un più denso vengono rallentati e deviati verso la normale alla superficie di separazione tra i due mezzi. Il contrario avviene quando si passa da un mezzo più denso ad uno meno denso. Nell attraversare un corpo, se le sue superfici estreme sono parallele (ad esempio lastra di vetro), i due effetti si annullano, e la direzione di propagazione LABORATORIO in uscita risulta invariata, altrimenti DI COSTRUZIONI si ha una deviazione complessiva dei raggi (caso del prisma). α i β r

22 In sintesi Quando un raggio luminoso incide su una superficie piana di separazione tra due mezzi trasparenti, una parte della luce attraversa la superficie di separazione e si propaga nel nuovo mezzo. In assenza di fenomeni di dispersione, nel passare nel nuovo mezzo il fascio luminoso devia dalla direzione di propagazione (RIFRAZIONE). Valgono le seguenti leggi: 1. Il raggio incidente, quello rifratto e la normale alla superficie di confine nel punto di incidenza giacciono tutti sullo stesso piano. 2. L angolo di incidenza e quello di rifrazione sono legati dalla seguente relazione: n 1 senθ 1 = n 2 sen θ 2

23 L arcobaleno è un effetto dovuto al fenomeno di rifrazione della luce da parte delle particelle d acqua sospese nell atmosfera

24 Riflessone 25 FEBBRAIO interna totale 2011 Quando un raggio luminoso passa da un mezzo con indice di rifrazione maggiore ad uno con indice di rifrazione minore, viene deviato in modo da allontanarsi dalla normale alla superficie di separazione dei due mezzi. Se l angolo di incidenza supera un valore limite, non vi sarà propagazione del secondo mezzo, ma solo una riflessione totale verso il mezzo di provenienza. Mezzo 2 Mezzo 1 aria n 1 > n 2 acqua

25 Questo fenomeno si può sfruttare nell illuminazione di piscineevasche,sesivuoleche un effetto luminoso riempia l intera acqua senza che i raggi luminosi fuoriescano da essa.

26 Applicazioni 25 FEBBRAIO della riflessione 2011 totale: le fibre ottiche Le fibre ottiche sono costituite da un cavo di vetro o plastica trasparente circondato da una guaina di vetro o plastica con indice di rifrazione minore del primo, il tutto protetto da una guaina esterna piuttosto robusta che ha la funzione di sopportare gli stress meccanici a cui è sottoposto il cavo durante l uso. Un raggio luminoso che entra nella fibra entro un certo angolo caratteristico della fibra percorre per riflessione totale tutta la lunghezza del cavo, con perdite pressoché trascurabili.

27

28

29 La funzione 25 FEBBRAIO V(λ) 2011 In condizioni di visione fotopica(visione diurna), la sensibilità dell occhio umano dipende dalla lunghezza d onda della radiazione incidente, ed è massima per λ = λ max = 555 nm. Si consideri un flusso radiante alla lunghezza d onda λ = 555 nmche determina una sensazione visiva. Si consideri LABORATORIO inoltre un flusso radiante ad una DIlunghezza COSTRUZIONI d onda λche determina la stessa sensazione visiva del precedente. Allora: Questa funzione V(λ) rappresenta la sensibilità dell occhio e assume valore unitario per λ = λ max. Tale funzione decresce verso gli estremi del visibile fino ad annullarsi (grafico)

30 La funzione 25 FEBBRAIO V(λ) 2011 In condizioni di visione scotopica (visione affidata ai bastoncelli), la curva di sensibilità si sposta a sinistra, V (λ), raggiungendo il massimo per λ = λ max = 507 nm. Per condizioni di visione intermedie si ha la visione mesopica

31 Relazione 25 FEBBRAIO tra watt e lumen 2011 Per convenzione si assume che ad una radiazione monocromatica, emessa nel campo del visibile, alla lunghezza d onda λ max =555 nm(massima sensibilità in visione fotopica) corrispondano 683 lmad ogni watt (il maxpossibile). Spostandosi verso gli estremi del visibile, ad ogni Watt corrispondono sempre meno lumen, sino ad annullarsi in corrispondenza degli estremi. In condizioni di visione scotopica, quando i livelli di luce non riescono a stimolare i coni, la visione è affidata ai bastoncelli. In corrispondenza di λ = λ max = 507 nm, a 1 Watt corrispondono 1700 lm. Allora -In visione fotopicaun flusso radiante che emesso a 555 nmcorrisponde a un flusso luminoso di 683 W -In visione scotopica un flusso radiante emesso a 507 nmcorrisponde a un flusso luminoso di 683 W

32 Si definisce coefficiente di visibilità spettrale o efficienza luminosa (lm/w) è il rapporto tra il flusso luminoso monocromatico e quello energetico corrispondente. In condizioni di visione fotopica, esso è massimo e pari a 683 lm/w per λ = λ max = 555 nm.

33 In sintesi Fattore di visibilità spettrale V(λ): -è adimensionale -vale al massimo 1 per λ = λ max Coefficiente di visibilità spettrale K (λ) - dimensionale -il valore massimo K max =683 lm/w per visione fotopica Se si conosce il flusso energetico (W), come si fa a ricavare il corrispondente flusso luminoso? Per data λ: Essendo dφ v (λ)=k(λ)dφ e (λ) si ha:

34 Coefficiente 25 FEBBRAIO e fattore 2011 di visibilità spettrale Esempio: ad una radiazione ΔΦ e = 20 W, monocromatica a 555 nmcorrispondono ΔΦ v = K max V(λ max ) ΔΦ e = = lm Se invece la lunghezza d onda è 500 nm, sempre ad una radiazione di 20 W corrispondono: ΔΦ v =K max V(λ) ΔΦ e = 683 0,32 20= 4371,2 lm

35 Sorgenti 25 FEBBRAIO puntiformi e 2011 steradianti Una sorgente di luce può essere considerata puntiforme quando la sua massima dimensione lineare è minore di un quinto della distanza tra il baricentro della sorgente stessa ed il punto di osservazione. Condizione per cui una sorgente può essere considerata puntiforme

36

37 Radianza Illuminamento Luminanza