Corso di Fisica Tecnica Ambientale Scienze dell’Architettura FTA/Lezione di...

Prof.Gianfranco Cellai

Fondamenti di illuminotecnica

Corso di Fisica Tecnica Ambientale

Scienze dell’Architettura


Grandezze del moto oscillatorioGrandezze del moto oscillatorio

Periodo TT (s) tempo occorrente per compiere una oscillazione

frequenza (n° di periodi contenuti in un secondo) f = 1/Tf = 1/T (Hz o s-1)lunghezza d’onda λλ = c = c ·· T = c /fT = c /f (m) spazio percorso nel periodo T

velocità della luce c = 3 c = 3 ·· 101088 (m/s) ovvero 300.000 km/sEE = h = h ·· ff (J) Ampiezza o contenuto energetico dell’oscillazioneCon h = 6,62 · 10 -34 (J·s)unità di misura derivate 1 μm (micron) = 10-6 m 1 nm (nanometro) = 10-9

Eλλ

(μm)


Il campo del visibileLa luce è energia che si propaga nel vuoto sotto forma di onde elettromagnetiche alla velocità di circa 300.000 km/s, ed è caratterizzata da lunghezza d’onda comprese tra circa 0,38 μm e 0,78 μm (380-780 nm), corrispondente al campo di visibilità dell’occhio umano.

0,38 μm 0,78 μm


Sensibilità dell’occhioL’occhio umano presenta una diversa sensibilità in funzione della lunghezza d’onda della radiazione, analoga alla sensibilitàdell’orecchio. Di questo fatto ce ne rendiamo conto a causa del diverso contenuto di energia necessario affinchè due radiazioni monocromatiche di diversa frequenza, producano la stessa sensazione di intensità luminosa: l’occhio percepisce meglio la gamma dei colori intermedi del campo di visibilità.

La misuramisura della sensibilitdella sensibilitàà dell’occhio è fatta dalla relazione che lega il flusso luminoso al flusso energetico mediante il fattore di visibilità massimo Kmax = 680 lumen/watt ottenuto per 555 nm e corrispondente alla massima efficienza luminosa :

fattore di visibilità relativa V(λ) = K(λ)/ Kmax


giorno

notte

Il fattore di visibilità relativaper visione fotopica (diurna) (V)per visione scotopica (notturna) (V’)

Si ha V(λ) = 1

per 555 nm con visione fotopica(verde -giallo)

per 507 nm con visione scotopica(azzurro-verde)

Curve di sensibilità relativa


Relazione tra emissione termica e luminosa

Se esaminiamo l’emissione termica dei corpi neri in funzione della loro temperatura e lunghezza d’onda vediamo che l’area sottesa dal campo del visibile diminuisce al ridursi della temperatura fino a scomparire: c’è quindi una relazione diretta tra flusso luminoso e flusso energetico.


Classificazione della luce delle lampade:Classificazione della luce delle lampade:la radiazione termicala radiazione termica

La classificazione della luce emessa dalle lampade è basata sulla determinazione della temperatura coloretemperatura colore mediante l’analogia con lo spettro cromatico emesso da un corpo nero portato ad una certa temperatura assoluta misurabile in kelvin (K).

TEMPERATURA DI COLORE FREDDOFREDDO

T > 4000 K

TEMPERATURA DI COLORE CALDOCALDOT < 4000 K

• Luce diurna 6500 K

• Luce bianca-calda 3000 K

• Luce bianca 4000 K


Temperatura colore per alcune tipiche sorgenti

Temperatura colore di alcune sorgenti

1800° K Sole all’alba

1900°K Fiamma di una candela

2000-2800° K Sole al tramonto

2800° K Incandescenti tradizionali

3000-3200° K Alogene

4500-5500° K Cielo sereno/fluorescenti

6000-8000° K Cielo coperto, nuvoloso/fluorescenti a luce diurna

25000° K Cielo blu terso del nord


Le grandezze fotometricheGrandezzaGrandezza SimboloSimbolo UnitUnitàà di misuradi misura AbbreviazioneAbbreviazione

Flusso luminoso Φ lumen lm

Illuminamento E lux Lux

Intensità luminosa I candela cd

Luminanza L nit cd/m2

Le relazioni che individuano le grandezze suddette sono relative a sorgenti luminose puntiformi ovvero di dimensioni piccole rispetto alla distanza: ad esempio il Sole rispetto alla Terra, una lampada in una stanza, ecc.


IlluminamentoIlluminamentoL'illuminamento è una grandezza fotometrica che esprime la quantitàdi luce che investe una determinata superficie o un determinato punto.

L’illuminamento è misurabile con uno strumento denominato luxmetro.

Nel caso in cui si consideri una superficie, è corretto parlare di Illuminamento medio

E = dΦ/dS [lux]


La luminanza può essere intesa come la quantità di luce che effettivamente colpisce i nostri occhi: la luminanza genera il processo fisiologico della visione ed è quindi la luce che effettivamente noi percepiamo. La luminanza diretta è legata alle sorgenti primarie.

LuminanzaLuminanzadirettadiretta

α

=dSdIL (nit =1cd/m²)


LuminanzaLuminanza riflessariflessaMolto frequente è anche il caso in cui si debba considerare la luminanza non di una sorgente luminosa ma di una superficie riflettente (sorgente secondaria)

Le caratteristiche di riflessione dei materiali sono determinanti nell’influenzare la luminanza

La luminanza indiretta è legata alle sorgenti definite secondarie, ovvero agli oggetti che riflettono la luce.


Contrasto di luminanzaIl contrasto indica il rapporto di luminanza tra l’oggetto da visualizzare e il suo sfondo:

C (contrasto) = 100 (Loggetto- Lsfondo) / Lsfondo (%)

i valori delle luminanze e i loro contrasti sono degli ottimi indicatori della qualità luminosa degli spazi.

In generale:Se Lsfondo > Loggetto allora 0 < C < 1 (esempio stampa nera su sfondo bianco)Se Lsfondo < Loggetto allora 0 < C < ∞ ( esempio stampa bianca su sfondo nero)In seguito sono forniti i valori di C suggeriti dalla UNI 10380.


Efficienza luminosaL'efficienza di una sorgente luminosa è un parametro che valuta quanta energia elettrica sia effettivamente convertita in luce.

Eff = Φ / W [Im / Watt]


La La colorimetriacolorimetria

La percezione del colore degli oggetti, così come l’emozione che essi suscitano, è un fatto soggettivo e pertanto differente da individuo a individuo .Nel 1931, la CIE (Commission Internationale de l’Éclairage - Commissione Internazionale di Illuminazione) pubblica una serie di tabelle delle emissioni luminose e delle risposte cromatiche di un osservatore medio, che sono ancora oggi il sistema di classificazione più usato.


Parametri dei coloriParametri dei coloriLa sensazione di colore che il cervello umano percepisce è il risultato della combinazione di tre componenti:

- tono o tintatono o tinta; legato alla lunghezza d’onda dominante individua il colore dell’oggetto (rosso, giallo, ecc.)

- saturazione o purezzasaturazione o purezza; è la vivacità del colore che appare più o meno definito distinguendosi dalla visione del grigio;

- luminositluminositàà o o luminanzaluminanza; esprime l’intensità luminosa nella direzione della visione.

Con queste tre componenti siamo in grado di Con queste tre componenti siamo in grado di definire e di descrivere qualsiasi colore.definire e di descrivere qualsiasi colore.


Radiazione eterocromatica

Si dimostra che date tre radiazioni di Si dimostra che date tre radiazioni di lunghezza dlunghezza d’’onda opportuna onda opportuna ((radiazioni primarieradiazioni primarie RGB RGB -- RedRed GreenGreenBleuBleu) una radiazione qualunque ) una radiazione qualunque èèottenibile con la somma algebrica delle ottenibile con la somma algebrica delle tre radiazioni suddette tre radiazioni suddette opportunamente dosate opportunamente dosate (1a legge di Grassman): tale legge è alla base del sistema di classificazione dei colori CIE


Sintesi additiva e colori fondamentaliSintesi additiva e colori fondamentaliI colori fondamentali sono tre :

rosso (R, 700 rosso (R, 700 nmnm)) LLR R (1 (1 nitnit))

verde (G, 546 verde (G, 546 nmnm),), LLGG (4,59 (4,59 nitnit))

bleubleu (B, 436 (B, 436 nmnm) ) LLB B ( 0,06 ( 0,06 nitnit) ) Con L luminanze dei tre colori fondamentali . Sommando o sottraendo i colori fondamentali ed i loro derivati si ottengono tutte le gamme dei colori con le diverse sfumature (grado di saturazione). I colori secondari sono; giallogiallo(rosso+verde), magenta (blu+rosso) e cianociano (blu+verde).Per ottenere la luce bianca possiamo usare anche solo due fonti di luce, in questo caso una deve essere di colore primario e l’altra di colore secondario. Questi colori, in questo caso, sono detti complementari. verde (colore primario) + magenta(blu+rosso) = bianco.


Tonalità e saturazione Con la tonalità si definisce il colore stesso . Il colore ètanto più puro quanto più ha la larghezza di “T” (tonalità) stretta e le altre lunghezze d’onda inesistenti. In pratica solo luce colorata generata da un laser si può definire come colore puro.

Le variazioni di saturazione Le variazioni di saturazione fanno apparire un colore pifanno apparire un colore piùùo meno chiaro. o meno chiaro.

saturazione

tonalità

NB da WordColore di riempimento/Altri colori/personalizzati


LuminositLuminositàà

Più bassa è “L” (luminosità), più scura sarà la luce del colore: a parità di tonalità e saturazione, la tavolozza a sinistra presenta una più alta luminosità rispetto a quella di destra (150 contro 100).


Il triangolo dei colori o diagramma CIEIl triangolo dei colori o diagramma CIE

E’ un triangolo nel quale i vertici corrispondono alle sensazioni di stimolo dei tre ricettori a colori rosso, verde e blu (RGB). Il baricentro del triangolo è spazio acromatico o bianco, avente coordinate x = y = 0,33.

Soglia di percezione delle Soglia di percezione delle differenze negli stimoli e differenze negli stimoli e

curva di visibilitcurva di visibilitàà


Coordinate Coordinate tricromatrichetricromatriche e triangolo colori e triangolo colori

saturazione

tonalità

Per il caso in esame il contributo alla sensazione luminosa dei colori primari è per il verde (55%), seguito dal bleu (33%) e dal rosso(12%)

X = 37 Y = 163 Z = 94X + Y + Z = 294

x = X/(X + Y +Z) = 37/294 = 0,12 y = Y/(X + Y +Z) = 163/294 = 0,55 z = 1 – (0,12+0,55) = 0,33


Indice di resa cromatica (Ra)La buona resa dei colori da parte di una sorgente di luce artificiale ècondizionata dal fatto che essa emetta tutti i colori dello spettro. Si assume che la resa dei colori è ottima quando gli oggetti sono osservati sotto luce diurna o con lampade ad incandescenza perché l’occhio si adatta bene a questi due tipi di luci (luce solare). Le lampade a scarica danno invece luogo a numerose alterazioni dei colori.

La CIE ha definito pertanto l’indice di resa cromatica dei colori: è un valore numerico che raffronta la resa cromatica di una lampada con quella della

luce diurna presa come campione e con indice 100 (massimo).

Relazione tra indice di resa dei colori e classi di resa dei colori secondo UNI 10380.


Esempio di resa cromatica per una rosa

Come appare alla luce del giorno (Ra 100)

Come appare al di sotto di una lampada al sodio a bassa pressione (Ra < 20)


Le caratteristiche che vengono prese in considerazione (come interazione tra luce e un corpo) sono:

• riflessione,

• assorbimento,

• trasmissione.

Per la “colorimetria” si considera la luce riflessa o trasmessa dall’oggetto per ogni lunghezza d’onda dello spettro.

In merito si ricorda che il colore degli oggetti è costituito dallo spettro della luce riflessa.

Interazione luce Interazione luce -- oggettioggetti


La riflessione

Riflessione irregolare

Riflessione diffusa

Riflessione speculare

Diffusore lambertiano

Iα = In cos α

In Iα

α


Percezione dei colori

ross

ogi

allo

verd

ebl

eu

giallo verde bleu

rosso

Radiazione riflessa

Radiazione assorbita

0.8

aλ

λ (μm)0.4 0.8

Corpo grigio

Corpo rosso


Le sorgenti luminosePossono essere artificiali (lampade) o naturali (luce del sole).

La lampada• Costituisce il “cuore”

dell’apparecchio ed è l’effettiva “SORGENTE LUMINOSA”

• E’ la lampada il primo elemento che determina la QUANTITA’ e la QUALITA’ della luce

• Il tipo di lampada scelta influisce direttamente sulla PRESTAZIONE LUMINOSA

lampada


Tipologie di lampade

INCANDESCENZA SCARICA

TUNGSTENO

ALOGENE

IODURIMETALLICI

FLUORESCENTI

FLUORESCENTI COMPATTE


Lampade fluorescenti compatte•• VANTAGGIVANTAGGI

– COSTI CONTENUTI– BASSI CONSUMI– DURATA ELEVATA– GAMMA CROMATICA

•• SVANTAGGISVANTAGGI– DIMENSIONI SEMPRE

IMPORTANTI– RESA CROMATICA

Spettro luminoso


Spettri delle sorgenti luminose fluorescenti

Alogena (2700 K)

TC-D 26W Col 21 (4000 K) TC-D 26W Col 31 (3000 K)

TC-D Lampade fluorescenti compatte

TC-D 26W Col 41 (2700 K)


Lampade a incandescenza•• VANTAGGIVANTAGGI

- BASSO COSTO – MANUTENZIONE– DIMENSIONI

•• SVANTAGGISVANTAGGI– CONSUMO – DURATA– CALORE– GAMMA CROMATICA

Spettro luminoso


La qualità del progetto illuminotecnico

Un impianto di illuminazione deve assicurare:

• un illuminamento adeguato al compito visivo;

• una buona uniformità di luce ovvero un giusto rapporto di luminanza tra zona di lavoro, le zone circostanti e lo sfondo;

• l’eliminazione dell’abbagliamento diretto o riflesso, ottenuto con sorgenti luminose a bassa luminanza e lampade opportunamente schermate;

• una resa di colori e una tonalità di luce (temperatura di colore) adatta al compito visivo.


Rapporto tra illuminamento e temperatura di colore


Valori raccomandati di illuminamento (UNI 10380)


Valori per il contrasto di luminanza

X: ambienti dove è possibile controllare le riflessioni ovunque secondo UNI 10380;Y: ambienti dove è possibile controllare le riflessioni solo nelle zone prossime all’area di lavoro;Z: ambienti dove non è possibile controllare le riflessioni.


Effetti psicologiciEffetti psicologici


Effetti psicologici


Stanza di degenza: luce diurna


Stanza di degenza: luce notturna


Colori e orientamentoColori e orientamento


LL’’architetto ed il architetto ed il lightinglightingdesignerdesigner

Dante Ferretti Dante Ferretti –– Museo Egizio a TorinoMuseo Egizio a Torino


La fotografia e la scenografiaLa fotografia e la scenografia

Vittorio Vittorio StoraroStoraroApocalipseApocalipse NowNow di F.F. Coppoladi F.F. Coppola


Blade Runner di Ridley Scott


La fotografia e la scenografiaLa fotografia e la scenografia

Vittorio Vittorio StoraroStoraroApocalipseApocalipse NowNow di F.F. Coppoladi F.F. Coppola

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