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

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

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

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

Olho humano – órgão da visão DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

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

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

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

A luz O que é luz? DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

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

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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

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

Corpos translúcidos e transparentes DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

A cor da luz Combinando diferentes comprimentos de onda de luz obtém-se as diferentes cores da luz

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

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.

A cor dos objetos também dependa da cor da luz incidente DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

A cor dos objetos também dependa da cor da luz incidente

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 1.500 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

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

comprimentos de onda emitidos são maiores que a banda visível Temperatura de cor temperatura até 1.500 K comprimentos de onda emitidos são maiores que a banda visível acima de 1.500 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

Temperatura de cor correlacionada temperatura 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 Reprodução moderada 80 a 90 Boa reprodução 90 a 100 Excelente reprodução DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

Grandezas fotométricas DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

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

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

Grandezas fotométricas Distribuição da intensidade luminosa de uma lâmpada DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

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

Fluxo luminoso -  DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

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

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

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

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 + 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 DAU 808 ILUMINAÇÃO NATURAL NO AMBIENTE CONSTRUÍDO PROFA GIANE DE CAMPOS GRIGOLETTI

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

 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