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

• 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

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 = 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

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

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

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

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:

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

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

luz monodirecional

luz onidirecional

aula 1 fundamentos fÍsicos da luz

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