AULA 1 FUNDAMENTOS FÍSICOS DA LUZ

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOUNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

CENTRO DE TECNOLOGIAPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

AULA 1FUNDAMENTOS FÍSICOS DA LUZ

DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDOPROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

Introdução• A importância da iluminação natural• O olho humano• O que é luz• Comportamento dos materiais frente à luz• A cor da luz e a cor das superfícies• Temperatura de cor• Índice de reprodução de cores• Grandezas fotométricas


A importância da iluminação natural

• Expressão arquitetônica – despertar e estimular o sentido da visão

• Desenvolvimento de tarefas visuais• Satisfação psicológica• Redução do consumo energético – abundância

da luz natural em nossa latitude


Olho humano – órgão da visão• Até o século XVI, pensava-se que o olho emitisse luz. • O olho humano é um receptor de luz.• Os raios luminosos penetram a córnea, atravessam

o humor aquoso, o cristalino e o corpo vítreo e atingem a retina, na qual se forma uma imagem invertida do objeto.

• As células que revestem a retina emitem sinais elétricos para o cérebro que interpreta a imagem baseado em nossa experiência de vida.


Olho humano – órgão da visão


A estrutura do olho humano


Córnea

Humor aquoso

Cristalino

Corpo vítreo

Retina

Nervo óptico

Esclera


Íris, pupila e retina• DUAS FUNÇÕES BÁSICAS:

– ADAPTAÇÃO – diafragama – íris e pupila– ACOMODAÇÃO – foco – músculos

Músculos da acomodação

Fonte: Ciências entendendo a natureza

Retina


• DOIS TIPOS DE TERMINAÇÕES NERVOSAS– CONES – 6,5 milhões – intensidade e qualidade – visão fotópica– BASTONETES – 125 milhões – intensidade – visão escotópica

Bastonetes – tons de cinza, visão noturna, púrpura visual ou rodopsina (derivada da vitamina A) – cegueira noturnaCones – cores, visão diurna, concentrados na fóvea

A luz


• O que é luz?

O que é luz?A luz é energia radiante capaz de ser captada pelo

olho humano e ser interpretada pelo cérebro como luz visível.

luz visível

400x10-9 m 800x10-9 m

10-6 m 10-3 m 1 m 103 m10-18 m 10-15 m 10-12 m 10-9 m

raios UV

raios Xraios raios infravermelhosmicroondas rádioraios cósmicos

Transmissão da luz

• linha reta (se o meio for homogêneo)

• velocidade constante e de acordo com o meio:vácuo – 299.792.000 m/s

ar – 299.724.000 m/s

água – 224.915.000 m/s

vidro – 198.223.000 m/s


Transmissão da luz


• transparentes• opacos• translúcidos

A transparência depende da espessura do material

Corpos translúcidos e transparentes


Transmissão da luz


Os materiais não opacos permitem a transmissão da luz entre os meios que eles separam, sendo que sua textura, cor e transmitância vão determinar a característica da luz

transmitida.

Transmissão direta pouca alteração na distribuição dos raios luminosos mantendo o caráter direcional da luz

Transmissão difusa espalhamento da luz em todas as direções alterando o caráter direcional da luz

Reflexão, absorção e transmissãoA luz que incide sobre um corpo pode ser refletida, absorvida e transmitida.

Características do corpo determinarão a parcela de luz incidente que será refletida, absorvida e transmitida.

luz incidente =

parcela de luz refletida + parcela de luz absorvida + parcela de luz transmitida

luz incidente =

parcela de luz refletida + parcela de luz absorvida + parcela de luz transmitida


Reflexão, absorção e transmissão

Reflectância () , absorbância () e transmitância ()

luz incidenteluz incidente

=luz refletidaluz incidente

+luz absorvidaluz incidente

+luz transmitida

luz incidente

1 = + + 1 = + +


Comportamento das superfícies frente à reflexão

• reflexão especular• reflexão espalhada• reflexão semi-difusa• reflexão difusa

O tipo de reflexão é determinado pela textura da superfície



o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão

Reflexão especularnão há modificação na freqüência da luz incidente

uma percentagem sempre se perde por absorção


Comportamento das superfícies frente à reflexãoReflexão especular

superfície côncova x superfície convexa

Há uma divergência dos raios refletidos a partir de

um ponto

Há uma convergência dos raios refletidos para um

ponto


a superfície apresenta a mesma aparência independente do ângulo de visão

Reflexão difusa

os raios são refletidos uniformemente em todas as direções



Reflexão espalhada

apresenta uma certa direcionalidade na reflexão

a superfície apresenta uma aparência mais brilhante em certo ângulo de visão



Reflexão semi-difusa

apresenta uma parcela especular e outra difusa

a superfície apresenta uma aparência especular, porém não como um espelho


Refração

Quando um raio de luz atravessa a superfície de separação entre dois meios transparentes sua

direção original de propagação é desviada

meio 1

meio 2


Leis da refração

meio 1

meio 2

sen

sen = velocidade no meio 1

velocidade no meio 2

índice de refração do meio -

1 =velocidade da luz no vácuo


2 =velocidade da luz no vácuo



Leis da refraçãosen

sen = velocidade no meio 1


sen

velocidade no meio 1=

sen velocidade no meio 2

sen x c

velocidade no meio 1=

sen x c


1 x sen = 2 x sen 1 x sen = 2 x sen Lei de Snell


RefraçãoAo passar por uma lâmina transparente com

superfícies paralelas, o raio de luz permanece paralelo ao original, mas deslocado

meio 1

meio 2

meio 1


A cor da luzDepende de sua composição espectral

Cada cor corresponde a um comprimento de onda da radiação eletromagnética

LUZ VISÍVEL

viol

eta

400x

10-9

m

azul

verd

e

cian

o

amar

elo

lara

nja

verm

elho

700x

10-9

m

500x

10-9

m

600x

10-9

m

A cor da luzA luz branca é composta por todos os comprimentos de

onda e é obtida através de um processo de adição


Dispersão da luz brancaFenômeno explicado por Isaac Newton em 1966: a luz pode

ser fisicamente separadaO ângulo de refração (índice de refração) varia com o

comprimento de onda (cor da luz)

vermelho – menor desvio violeta – maior desvio

A cor da luzCombinando diferentes comprimentos de onda de

luz obtém-se as diferentes cores da luz


Cores superficiaisAs superfícies possuem diferentes coeficientes de

reflectância para diferentes comprimentos de onda

Reflexão neutra – propriedade de algumas superfícies em refletir por igual todos os comprimentos de onda:

Superfície branca

Superfície cinza

Superfície preta

> 0,75

0,05 < < 0,75

< 0,05

Uma superfície preta absorve todos os comprimentos de onda

Cores superficiaisReflexão seletiva – absorção de alguns comprimentos de onda da luz incidente e reflexão de outros (que determina

a cor da superfície)

Superfície amarela Absorve ciano e magenta e reflete verde, vermelho e amarelo

Superfície ciano Absorve vermelho, magenta e amarelo e reflete ciano, azul e verde

Superfície verde Absorve azul, magenta e vermelho e reflete verde, ciano e amarelo

A cor de uma superfície iluminada por luz branca dependerá dos comprimentos de onda de luz que ela é capaz de absorver – logo a cor de uma superfície é resultante de um processo subtrativo.


Cor dos objetosA cor dos objetos também dependa da cor da luz

incidente

Temperatura de corTodos os corpos na natureza emitem radiação eletromagnética

400x10-9 m 800x10-9 m

10-6 m 10-3 m 1 m 103 m10-18 m 10-15 m 10-12 m 10-9 mraios UV

raios Xraios raios infravermelhosmicroondas rádioraios cósmicos

Com o aumento da temperatura, a radiação emitida aproxima-se

da radiação visível (6.000 K)

Para temperaturas de até 1.500 K, os comprimentos de onda emitidos são maiores que o visível (radiação infra-vermelha)

= 2900/T (10-6 m)


Temperatura de corTermoluminescência – emissão de luz devido à alta

temperatura

= 2900/T (10-6 m) = 2900/T (10-6 m)

Como o comprimento de onda emitido dependerá da temperatura do emissor, pode-se associar à cor uma

temperatura correspondente

Temperatura de cor em K


Temperatura de cor

temperatura até 1.500 Kcomprimentos de onda emitidos são maiores que a banda

visível

acima de 1.500 Kcomprimentos de onda emitidos movem-se na direção do

espectro visível de radiação eletromagnética


Temperatura de cor correlacionadatemperatura correspondente à temperatura do corpo negro

emitindo radiação visível com a mesma aparência do emissor

Índice de reprodução de cor - IRC

fonte de luz – reprodução, com maior ou menor fidelidade, das cores de um determinado objeto ou

superfície

IRC (%) Avaliação qualitativa

50 a 80

80 a 90

90 a 100

Reprodução moderada

Boa reprodução

Excelente reprodução


Grandezas fotométricas



sistema luminoso básico – fonte de luz, feixe de luz, superfície de reflexão e receptor

fonte de luz Ireceptor

L

superfícieE


Fonte primária de luz – produz luzFonte secundária de luz – reflete a luz


intensidade luminosa I – potência de radiação visível disponível numa certa direção

unidade – candela (cd) – intensidade de radiação emitida por um corpo negro de 1/60 cm2 de área,

quando aquecido à temperatura do ponto de fusão da platina

uma fonte de luz não emite a mesma intensidade luminosa em todas as direções, por isso a intensidade luminosa é

definida para uma determinada direção

uma fonte de luz não emite a mesma intensidade luminosa em todas as direções, por isso a intensidade luminosa é

definida para uma determinada direção


• Distribuição da intensidade luminosa de uma lâmpada


Grandezas fotométricasfluxo luminoso – densidade da intensidade

luminoso emitida pela fonte

unidade – lumen (lm) – intensidade de radiação de 1 cd por uma área unitária de ângulo sólido de 1

esferoradiano (sr)

se uma fonte de luz, localizada no centro de uma esfera de raio unitário, irradiar em todas as direções com a mesma

intensidade luminosa I = 1cd, então cada unidade da superfície da esfera receberá um fluxo luminoso = 1 lm

se uma fonte de luz, localizada no centro de uma esfera de raio unitário, irradiar em todas as direções com a mesma

intensidade luminosa I = 1cd, então cada unidade da superfície da esfera receberá um fluxo luminoso = 1 lm


Fluxo luminoso -


Grandezas fotométricasiluminância E – é a intensidade luminosa incidente

sobre uma superfície (iluminamento)

unidade – lux (lx) – corresponde a um fluxo luminoso de 1 lm incidindo sobre uma superfície de 1 m2

na prática não é possível contar com uma distribuição uniforme de fluxo luminoso sobre uma superfície, o valor de

E deve ser interpretado como um valor médio

na prática não é possível contar com uma distribuição uniforme de fluxo luminoso sobre uma superfície, o valor de

E deve ser interpretado como um valor médio


não e possível converter quantidades fotométricas diretamente em quantidades de energia, pois o efeito

luminoso depende do comprimento de onda

não e possível converter quantidades fotométricas diretamente em quantidades de energia, pois o efeito

luminoso depende do comprimento de onda

Quantidades fotométricas

luminância L – medida do brilho da superfície ou medida da sensação de claridade que o olho percebe

da superfície

unidade – cd/m2


Quantidades fotométricas

Luminância para reflexão totalmente difusa: L = E x

Luminância para reflexão não difusa:

L = I

área


Leis da iluminância• a iluminância se reduz proporcionalmente com

o quadrado da distância da fonte

• a iluminância de uma superfície é mais forte quando o raio luminoso é perpendicular à mesma

E d2

I

E =d2

I cos

superfície

• a iluminância de uma superfície devido à várias fontes é a soma simples da iluminância devido à cada fonte tomada separadamente

Etotal = E1 + E2 + ... + EnEtotal = E1 + E2 + ... + En

Iluminância espacial

geralmente o interesse está em iluminâncias tomadas sobre planos,

chamada iluminância planar

pode-se medir a iluminância vinda de todas as direções sobre uma esfera – fluxo total incidente dividido pela superfície da esfera ou iluminância

escalar Es


Iluminância espaciala direcionalidade de uma iluminação é medida através do

vetor iluminância (dada por uma magnitude e uma direção)

a magnitude Emax (lux) é a diferença máxima de iluminância entre dois pontos diametralmente opostos

na superfície de uma esfera

a direção é a do diâmetro da esfera que conecta os dois pontos onde foi feita esta medida de diferença máxima


Iluminância espaciala relação vetor/escalar mede a direcionalidade da luz e é um

bom indicador de suas qualidades de modelagem

Emax

Es

= 4

0

luz monodirecional

luz onidirecional

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