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AULA 1 FUNDAMENTOS FÍSICOS DA LUZ
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL AULA 1 FUNDAMENTOS FÍSICOS DA LUZ DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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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. DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Olho humano – órgão da visão
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A estrutura do olho humano
Córnea Humor aquoso Cristalino Corpo vítreo Retina Nervo óptico Esclera DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Íris, pupila e retina DUAS FUNÇÕES BÁSICAS:
ADAPTAÇÃO – diafragama – íris e pupila ACOMODAÇÃO – foco – músculos Músculos da acomodação Fonte: Ciências entendendo a natureza DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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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 noturna Cones – cores, visão diurna, concentrados na fóvea DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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A luz O que é luz? DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO
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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 m 10-18 m 10-15 m 10-12 m 10-9 m raios UV raios X raios raios infravermelhos microondas rádio raios cósmicos
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Transmissão da luz linha reta (se o meio for homogêneo)
velocidade constante e de acordo com o meio: vácuo – m/s ar – m/s água – m/s vidro – m/s DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Transmissão da luz transparentes opacos translúcidos
A transparência depende da espessura do material DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Corpos translúcidos e transparentes
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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 difusa espalhamento da luz em todas as direções alterando o caráter direcional da luz Transmissão direta pouca alteração na distribuição dos raios luminosos mantendo o caráter direcional da luz DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Reflexão, absorção e transmissão
A 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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Reflexão, absorção e transmissão
Reflectância () , absorbância () e transmitância () luz incidente = luz refletida + luz absorvida luz transmitida 1 = + + DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Comportamento das superfícies frente à reflexão
O tipo de reflexão é determinado pela textura da superfície reflexão especular reflexão espalhada reflexão semi-difusa reflexão difusa DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Comportamento das superfícies frente à reflexão
Reflexão especular não há modificação na freqüência da luz incidente uma percentagem sempre se perde por absorção o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Comportamento das superfícies frente à reflexão
Reflexão 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
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Comportamento das superfícies frente à reflexão
Reflexão difusa os raios são refletidos uniformemente em todas as direções a superfície apresenta a mesma aparência independente do ângulo de visão DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Comportamento das superfícies frente à reflexão
Reflexão espalhada apresenta uma certa direcionalidade na reflexão a superfície apresenta uma aparência mais brilhante em certo ângulo de visão DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Comportamento das superfícies frente à reflexão
Reflexão semi-difusa apresenta uma parcela especular e outra difusa a superfície apresenta uma aparência especular, porém não como um espelho DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Leis da refração 1 2 = = sen velocidade no meio 1
sen sen = velocidade no meio 1 velocidade no meio 2 índice de refração do meio - 1 = velocidade da luz no vácuo velocidade no meio 1 2 velocidade no meio 2 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Leis da refração = = = 1 x sen = 2 x sen Lei de Snell sen
velocidade no meio 1 velocidade no meio 2 sen velocidade no meio 1 = sen velocidade no meio 2 sen x c velocidade no meio 1 = sen x c velocidade no meio 2 1 x sen = 2 x sen Lei de Snell DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Refração Ao passar por uma lâmina transparente com superfícies paralelas, o raio de luz permanece paralelo ao original, mas deslocado meio 1 meio 2 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Depende de sua composição espectral
A cor da luz Depende de sua composição espectral Cada cor corresponde a um comprimento de onda da radiação eletromagnética violeta 400x10-9 m azul verde ciano amarelo laranja vermelho 700x10-9 m 500x10-9 m 600x10-9 m LUZ VISÍVEL
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A cor da luz A luz branca é composta por todos os comprimentos de onda e é obtida através de um processo de adição DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Dispersão da luz branca
Fenômeno explicado por Isaac Newton em 1966: a luz pode ser fisicamente separada O ângulo de refração (índice de refração) varia com o comprimento de onda (cor da luz) vermelho – menor desvio violeta – maior desvio
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A cor da luz Combinando diferentes comprimentos de onda de luz obtém-se as diferentes cores da luz
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Uma superfície preta absorve todos os comprimentos de onda
Cores superficiais As 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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Cores superficiais Reflexão seletiva – absorção de alguns comprimentos de onda da luz incidente e reflexão de outros (que determina a cor da superfície) Absorve ciano e magenta e reflete verde, vermelho e amarelo Superfície amarela Absorve vermelho, magenta e amarelo e reflete ciano, azul e verde Superfície ciano Absorve azul, magenta e vermelho e reflete verde, ciano e amarelo Superfície verde 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.
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A cor dos objetos também dependa da cor da luz incidente
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A cor dos objetos também dependa da cor da luz incidente
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Todos os corpos na natureza emitem radiação eletromagnética
Temperatura de cor Todos os corpos na natureza emitem radiação eletromagnética = 2900/T (10-6 m) 400x10-9 m 800x10-9 m 10-6 m 10-3 m 1 m 103 m 10-18 m 10-15 m 10-12 m 10-9 m raios UV raios X raios raios infravermelhos microondas rádio raios cósmicos Para temperaturas de até K, os comprimentos de onda emitidos são maiores que o visível (radiação infra-vermelha) Com o aumento da temperatura, a radiação emitida aproxima-se da radiação visível (6.000 K) DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Termoluminescência – emissão de luz devido à alta temperatura
Temperatura de cor Termoluminescência – emissão de luz devido à alta temperatura = 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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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comprimentos de onda emitidos são maiores que a banda visível
Temperatura de cor temperatura até K comprimentos de onda emitidos são maiores que a banda visível acima de K comprimentos de onda emitidos movem-se na direção do espectro visível de radiação eletromagnética DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Temperatura de cor correlacionada
temperatura correspondente à temperatura do corpo negro emitindo radiação visível com a mesma aparência do emissor
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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 Reprodução moderada 80 a 90 Boa reprodução 90 a 100 Excelente reprodução DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Grandezas fotométricas
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Grandezas fotométricas
fonte de luz I receptor L superfície E Fonte primária de luz – produz luz Fonte secundária de luz – reflete a luz sistema luminoso básico – fonte de luz, feixe de luz, superfície de reflexão e receptor DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Grandezas fotométricas
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
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Grandezas fotométricas
Distribuição da intensidade luminosa de uma lâmpada DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Grandezas fotométricas
fluxo 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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Fluxo luminoso - DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO
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Grandezas fotométricas
iluminância 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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Quantidades fotométricas
luminância L – medida do brilho da superfície ou medida da sensação de claridade que o olho percebe da superfície unidade – cd/m2 não e possível converter quantidades fotométricas diretamente em quantidades de energia, pois o efeito luminoso depende do comprimento de onda DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Quantidades fotométricas
Luminância para reflexão totalmente difusa: L = E x Luminância para reflexão não difusa: L = I área DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Leis da iluminância I E d2
a iluminância se reduz proporcionalmente com o quadrado da distância da fonte superfície a iluminância de uma superfície é mais forte quando o raio luminoso é perpendicular à mesma E = d2 I cos a iluminância de uma superfície devido à várias fontes é a soma simples da iluminância devido à cada fonte tomada separadamente Etotal = E1 + E En
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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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Iluminância espacial a 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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI
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Iluminância espacial Emax Es
a relação vetor/escalar mede a direcionalidade da luz e é um bom indicador de suas qualidades de modelagem Emax Es = 4 luz monodirecional luz onidirecional
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