16.07.24
Парадокси
світла
Фізики жартують, що «світло – це темна пляма в науці». Оскільки в кожному жарті, як відомо, є лише частка жарту, то це можна вважати першим парадоксом світла. Справді, ще й сьогодні вчені не знають, чому світло поводиться саме так, а не інакше. Тому приймають факти, як постулати, бездоказово, як, наприклад, швидкість світла.
Якщо серйозно, то світлом називають електромагнітні хвилі видимого спектру. Тобто, – це електромагнітне випромінювання у певному діапазоні частот 4…7,5⋅1014 Герц, що відповідає діапазону довжин хвиль від 380 до 780 нм (нанометрів). Хто підзабув фізику, 1 нм = 10-9 м (одна мільярдна частинка метра, або одна мільйонна частинка міліметра). Саме цей діапазон частот електромагнітного випромінювання є не тільки найменш шкідливим, але й корисним для живих організмів (можливо не для всіх, але для людини так точно!). Всі інші частоти, як нижчі, так і вищі є набагато шкідливішими.
Парадокс другий – хвиля чи корпускула (частинка)? В макросвіті кожен предмет чи явище є чимось одним – хвилею або частинкою (корпускулою). А світло, уявіть собі, є одночасно і тим, і іншим. Тому його пояснюють за допомогою «корпускулярно-хвильової теорії» (т. зв. дуалізм).
Світло народжується (виникає, випромінюється) у вигляді найменшої частинки – фотона, а далі… «забуває», що воно частинка і поширюється у вигляді хвилі (чим не метелик з личинки?). І це чудово, бо для переміщення частинки, якою б вона не була маленькою, потрібна енергія, яка не безмежна, тому далеко не полетиш. А от хвиля поширюється у вакуумі без затрат енергії – це в неї спосіб існування такий.
Але, щойно така хвиля потрапляє на непрозору поверхню, вона або відбивається від неї, або тут же повертається знову на фотон, який віддає свою енергію молекулі чи електрону і зникає («помирає»). Завдяки цій «хитрості» світло може «мандрувати» Всесвітом мільярди років з найбільшою можливою швидкістю – швидкістю світла.
Парадокс третій – швидкість світла. Якщо ви їдете своєю автівкою зі швидкістю 100 км/год., а потужна автівка наздоганяє вашу, бо їде зі швидкістю 120 км/год., то очевидно, що швидкість однієї автівки відносно іншої (відносна швидкість) дорівнює 20 км/год. Саме з цією швидкістю потужна автівка наближається до вашої. Якщо ж зі швидкістю 100 км/год. інша автівка їде вам назустріч, то ви зближаєтесь, а потім віддаляєтесь з відносною швидкістю 200 км/год.
Очевидні речі – проста арифметика. Однак, у випадку зі світлом така арифметика не працює. Якщо уявити, що ви рухаєтесь космічним кораблем у Всесвіті разом з променями світла, то незалежно від швидкості руху вашого корабля (навіть рівній швидкості світла) і напрямку вашого руху (попутно, чи назустріч світлу) ваша відносна швидкість залишиться незмінною – приблизно 300 тис. км/с. Це і є швидкість світла, і в цьому суть теорії відносності Ейнштейна.
Парадокс четвертий – фізика і лірика, або скільки наук вивчають світло? Звичайно, насамперед не обійтись без фізики, що вивчає виникнення, поширення і зникнення фотонів (часточок світла).
А як же математика? Без неї не обходиться жодна інша точна наука. А закони відбиття і заломлення світла вивчає цілий її розділ – геометрична оптика. Вплив світла на рослини вивчає ботаніка, а на живі організми, і на людський зокрема, – біологія. Світло настільки важливе в нашому житті (та й саме життя в тому вигляді як ми його знаємо, неможливе без світла), що його вивчення просто не поміщається в рамки однієї науки. Та хіба лише науки? А мистецтво (Рембрандт з його світлом і тінню), театр, поезія («Два кольори…»), дизайн (світловий дизайн), архітектура – хіба вони б обійшлись без світла?
Ось чому світлотехніки – люди, що професійно займаються світлом, – це ерудити, з глибокими знаннями в різних галузях науки і техніки, а крім того, небайдужі до мистецтва, поезії, культури, словом, «два в одному» – фізики і лірики водночас, які готові своїми знаннями та емоціями ділитися з оточенням!
Зеновій Монастирський, доктор технічних наук
Інші статті
-
31.03.25
α
CRI і його стосунки з ССТ
Визначення CRI (color rendering index), або коефіцієнт передачі кольору – це фотометрична величина, яка показує наскільки штучне світло наближене до природного, сонячного. CRI вимірюється за лінійною шкалою у відносних одиницях від 0 до 100. Чим вище значення, тим краща якість передачі кольору, і тим штучне світло ближче до сонячного, CRI якого дорівнює 100. Чому це важливо? Освітлення з високим CRI робить предмети яскравими і красивими. Це важливо у магазинах, зокрема продуктових, тому що тьмяно-бліді та сіруваті овочі і фрукти не зацікавлять покупців. Не кажучи вже про коричневий відтінок м’яса чи хліба. Щоб надати продуктам, одягу, тканинам, подарункам, прикрасам привабливого, натурального вигляду слід вибирати освітлення з високим CRI. Життєво необхідним таке освітлення є у лікарнях, зокрема в операційних, щоб правильно диференціювати анатомію тканин, у реставраційних майстернях для детального відновлення предметів мистецтва, у портретних студіях, вітринах, магазинах високої моди і т. п. І навіть у квартирах та офісах яскраві натуральні кольори покращують настрій та сприяють підвищенню працездатності. ➜ Світильники з CRI=90 і більше чудово передають кольори. Музеї, художні галереї, дорогі магазини потребують саме такого освітлення. ➜ Світло з CRI не менше, ніж 80 теж є високоякісним і яскраво передає природний колір. Воно цілком підходить для загального освітлення офісів, великих торгівельних залів та більшості житлових приміщень. ➜ Освітлення з CRI нижче, ніж 70 помітно спотворює передачу кольорів. Однак воно підходить для загального освітлення територій, автостоянок, складів, тощо. Як виміряти? Для вимірювання CRI будь-якого джерела світла була розроблена спеціальна методика, що базується на двох поняттях. 1. Опорне (його ще називають еталонним) джерело світла, якість якого в сенсі передачі кольору, настільки близька до сонячного, що його CRI можна прийняти за 100. 2. Стандартні еталонні кольори, які задаються зразками. Ця методика спочатку була використана для швейної промисловості та архітектури, де важливим є сприйняття м’яких пастельних кольорів. Тому в якості еталонних були вибрані наступні вісім кольорів. R1 – зів’яла троянда; R2 – гірчичний; R3 – салатовий; R4 – світло-зелений; R5 – бірюзовий; R6 – небесно-блакитний; R7 – фіолетова айстра; R8 – бузковий. Відібрані вісім зразків порівнюються під еталонним та досліджуваним джерелами світла. Схожість кожного зразка кольору під досліджуваним джерелом світла та під еталонним оцінюють за шкалою від 0 до 100. Значення CRI знаходять як середнє арифметичне з восьми оцінок і позначають Ra. Тобто Ra – це різновид CRI, який показує усереднене значення для восьми зразків середньої насиченості. Що не так з Ra, і до чого тут ССТ? Зразки R1...R8 дозволяють адекватно оцінювати передачу м’яких, пастельних відтінків, однак вони погано оцінюють передачу насичених кольорів. Тому навіть джерело світла з Ra=100 може погано передавати певні кольори. Справа в тому, що високі значення Ra свідчать лише про неперервність спектру світла у всьому частотному діапазоні, але аж ніяк не про рівномірність його інтенсивності (яскравості). Тому певні кольори (на максимумі інтенсивності) відображаються яскравіше і насиченіше, а інші (на мінімумі) – м’якше і блідніше. Як відомо, максимуми спектральної інтенсивності світла визначають його колірну температуру (ССТ). Тому, хоча ССТ і не впливає безпосередньо на CRI, але має вплив на яскравість та насиченість кольору. Для прикладу, лампи розжарювання та галогенові лампи мають CRI близькі до 100. Їхня колірна температура Тк=2700К, отже максимум інтенсивності розташований у червоній частині спектру. У їхньому світлі чудово виглядають відтінки червоного, помаранчевого, жовтого кольорів, а з синім та фіолетовим - справи кепські. Світло полуденного неба (денне світло) має такий же Ra=100, при колірній температурі Тк=7500К (максимум інтенсивності у синій частині спектру). Тому синій та фіолетовий кольори у цьому світлі виглядають яскравими та насиченими, а от червоний – не дуже. Що ж робити? Очевидно, що справа тут не тільки у залежності CRI від ССТ, яку, до речі, методика вимірювання Ra не зауважує, але й у самій цій методиці. Саме тому її стали вдосконалювати. По-перше, оцінку кольоропередачі проводять за допомогою еталонних джерел світла, колірність яких (ССТ) така ж, як у досліджуваних, або близька до них. Для джерел світла з Тк ≤5000К як еталон використовується так званий повний випромінювач, що має значну інтенсивність по всьому спектру, а для джерел світла з Тк>5000К – денне світло. По-друге, до контрольних зразків кольору додали іще шість, що мають фіксовані значення спектральних коефіцієнтів яскравості та характеризують передачу насичених кольорів: R9 – червоного; R10 – жовтого; R11 – зеленого; R12 – синього; R13 – людської шкіри; R14 – зеленого листя. Кольоропередачу джерел світла оцінюють не тільки за усередненим значенням для 8-ми (Ra), чи усіх 14-ти (R96а) зразків, але й за спеціальними індексами Ri для окремих зразків. Так наприклад, індекс R9 характеризує передавання насиченого червоного кольору, що є важливим зокрема в косметичній промисловості, де колір шкіри має бути переданий якомога точніше. Однак вдосконалення методів оцінки кольоропередачі на цьому не зупинилося, бо CRI, визначений навіть за 14-ма зразками кольору менш-більш задовільняє лише «стандартного спостерігача», тобто homo sapiens (як люди бачать колір), і не підходить для фото- кіно- телекамер. Тому були розроблені інші індекси кольоропередачі. Американське Товариство інженерів з освітлення (IES), зокрема запропонувало індекс ТМ-30-15, який по аналогії з CRI використовує набір з 99-ти кольорів і оцінює кожен з них від 0 до 100. Для оцінки джерел світла у кіно- та телеіндустрії користуються такими індексами як SSI (Spectral Similarity Index), TLSI (Television Lighting Consistency Index) та іншими. Висновок CRI є важливим критерієм при виборі освітлення, оскільки суттєво впливає на наше сприйняття простору, в якому це освітлення встановлено. Для правдивішого відображення кольорів і зменшення відмінностей між природним і штучним освітленням CRI має бути якомога вищим. CRI низький CRI високий Зеновій Монастирський, доктор технічних наук
-
14.02.25
β
Що таке UGR та як він впливає на наш зір?
Наш зір влаштований таким чином, що у першу чергу ми бачимо яскравіші предмети. При нерівномірному розподілі яскравості в полі зору, а також при наявності дуже яскравих предметів виникає відчуття незручності, або напруженості, порушується комфорт зору, який з часом проявляється у відволіканні уваги, зниженні зосередженості, і навіть до зорової та загальної втоми. Для контролю та мінімізації таких небажаних ефектів Міжнародна комісія з освітлення (МКО) рекомендувала уніфікований показник відблисків, або англійською Unified Glare Rating (UGR). Визначення UGR характеризує ефект відблиску систем внутрішнього освітлення та оцінює «психологічний», тобто тривожний відблиск, який особливий тим, що не є занадто яскравим і не призводить до засліплення та зниження зорової продуктивності. Цей показник за визначенням не стосується окремого світильника, а враховує відблиски усіх світильників у приміщенні, особливості зору людини, положення спостерігача та інші фактори. Як розраховують UGR? Звичайно, що для обчислення UGR, як і для будь-якого поважного показника, існує солідна формула. Але правда і те, що в епоху тотальної комп’ютерної грамотності нею мало хто користується. Однак для розуміння суті показника корисним буде розглянути основні складові цієї формули. 1. Формула враховує ефект відблиску усіх наявних у приміщенні джерел світла, підсумовуючи їхні яскравості. 2. Враховується логарифмічна залежність чутливості ока від яскравості - формула містить логарифм відношення суми квадратів яскравостей світильників до фонової яскравості. 3. Показник розраховується для певного положення кожного світильника відносно напрямку зору спостерігача. 4. Формула містить сталі коефіцієнти, що приводять значення UGR до діапазону від 10 (найнижча ймовірність відблисків) до 30 (дуже висока ймовірність відблисків). Стандартні програми, такі як DIAlux, чи Relux разом з розрахунком освітленості в приміщенні дають можливість оцінити значення UGR в усіх необхідних точках. А як же бути з UGR світильника? Як видно з наведеного опису формули, значення UGR не є технічною характеристикою світильника, а описує вплив відблисків для конкретного спостерігача, що знаходиться у конкретному приміщенні з певним числом та розташуванням світильників. Тим не менше відомо, що серйозні виробники світильників приписують їм (і відмічають у технічних даних) конкретні значення UGR. Звідки вони беруться? Один з методів оцінки UGR окремого світильника полягає у наступному. Використовуючи стандартні програми розрахунку освітлення, створюють таблицю значень UGR (аналогічну таблиці значень освітленості) для стандартизованого розміщення одного типу світильників у прямокутній кімнаті зі стандартизованими пропорціями. З таблиці вибирають найбільше значення UGR, що відповідає найгіршому (з якого видно якомога більшу кількість світильників) положенню спостерігача. Вибране значення округляють і приписують даному типу світильника. Цей метод описаний у DIN EN 12464-1 (освітлення внутрішніх приміщень) як стандартний для визначення UGR світильника. Стандарт UGR 19 Ці ж Європейські норми EN 12464-1 рекомендують використовувати UGR для оцінки якості системи освітлення. Ефект відблиску оцінюється за допомогою граничних значень з кроком 3 (≤10; ≤13; ≤16; ≤19; ≤22; ≤25; ≤28; >28). Такий крок відповідає найменшій помітній різниці у відблиску. Значення UGR≤19 задовольняє більшість потреб внутрішнього освітлення, тому його інколи називають стандартом UGR19, маючи на увазі, що світильники для внутрішнього освітлення повинні відповідати цьому значенню. Вищі вимоги (UGR≤16) застосовуються до складних візуальних завдань, тоді як нижчі вимоги (UGR≤22) застосовуються до областей з простішими візуальними завданнями. Нижче наведено перелік візуальних завдань та приміщень з рекомендованими для них значеннями UGR. Виконання технічних креслень - ≤16. Робота на ПК, наради, навчання, офіси, аудиторії - ≤19. Робота на підприємствах, легка промисловість, рукоділля, торговельні зали (окрім зони кас) - ≤22. Робота на підприємствах важкої промисловості - ≤25. Просторі холи, зали очікування, коридори, склади - ≤28. Будь-яка робота у приміщеннях з UGR >28 вважається поганою практикою. Як зменшити UGR? 1. Найпростіший і найдієвіший спосіб досягнення бажаного значення UGR у приміщенні – це вибрати та інсталювати відповідні світильники. Цей спосіб, правда, не найдешевший, але зоровий комфорт та продуктивна праця без напруженості і відволікання уваги того варті. 2. Регулювання у певних межах яскравості джерел світла теж має право на існування. Звичайно, що надмірне зменшення яскравості світильника призведе до зорового дискомфорту тепер уже через занижену освітленість. І тут без здорового глузду і компромісу не обійтись. 3. Непряме світло, та потайні джерела світла, як от захована за карнизи, чи у багаторівневій стелі світлодіодна стрічка. Треба мати на увазі, що у цьому випадку розраховувати на добре співвідношення між освітленістю і витратою електроенергії (світловіддача) не приходиться.
-
10.02.25
γ
ССТ та колірність
білого світлаДо появи світлодіодного освітлення, мабуть, тільки спеціалісти знали про існування колірної температури світла. Тепер же практично усі споживачі цього освітлення знають, що біле світло буває теплим, нейтральним, або холодним, тобто має «температуру», яка вимірюється у градусах Кельвіна. Та от цікавий факт – чим вища (більша) температура світла, тим воно холодніше. А це як...? Більш того – температура в тисячі градусів не обпікає. Чому? Давайте розберемось! Визначення Фізики для визначення терміна «колірна температура світла» використовують поняття «абсолютно чорного тіла» і цим трошки лякають масового споживача освітлення, який призабув фізику. Хоча, між нами кажучи, звичайний шматок заліза за своїми властивостями для нашого випадку не надто відрізняється від цього тіла. Так от, при нагріванні шматка заліза до температури близько 800К, що відповідає 527°C, він починає світитися тьмяно-червоним кольором. При 1000К (727°C) стає яскраво-червоним, далі з підвищенням температури він починає «біліти», і при 6500К (6227°C) випромінює денне світло. За кольором (відтінком кольору) розпеченого металу металурги «на око» безпомилково оцінюють його температуру. Виявляється, що для будь-якого джерела світла можна підібрати таку температуру абсолютно чорного тіла (шматка заліза), при котрій їхні колірності (відтінки білого) співпадають, або майже співпадають. Саме таку температуру розпеченого заліза і називають колірною температурою джерела світла, яка, насправді, характеризує лише колірність білого світла, але аж ніяк не його температуру. Інакше кажучи, колірна температура є синонімом і своєрідною мірою колірності, але не температури у звичному розумінні. Тому ні джерело світла, ні промені світла не обпікають, бо їх і не нагрівали, їм цю температуру умовно приписали, дозволу у них не питаючи. Звичайно, точного співпадіння спектрів випромінювання чорного тіла і нашого джерела світла на практиці досягти важко, а інколи й неможливо, тому значення колірної температури є наближеним, а саму температуру через це називають «корельованою» (Correlated Color Temperature – CCT) з одиницями вимірювання у градусах Кельвіна (К). Для позначення ССТ використовують також знак ТК. . ССТ і колірність На практиці найчастіше використовують джерела штучного білого світла з колірністю, що має значення ТК в діапазоні від 2200К до 6500К, який поділяють на три піддіапазони: 2200..3500К – тепле світло; 3500..4500К – нейтральне; 4500..6500К – холодне. Межі цих піддіапазонів достатньо умовні, бо залежать від суб’єктивного сприйняття колірності окремою людиною. Однак колірність у середніх точках – 3000К (тепла); 4000К (нейтральна); 6000К (холодна), як правило, сумнівів не викликає. Цікаво, що скандинави для освітлення магазинів обирають ССТ в межах 3000..3500К, а жителі півдня Європи – 4000..6500К. На що впливає ССТ? Від колірності світла суттєво залежать дві речі: 1) вигляд (наше суб’єктивне сприйняття) простору, що освітлюється; 2) емоційний стан людини, що у цьому просторі перебуває. Саме тому вибір колірності джерел світла є важливим завданням для архітекторів та дизайнерів. Тепле світло має максимум у червоній частині спектру, що активізує вироблення гормону мелатоніну, який сприяє розслабленню. Людина відчуває спокій та комфорт, атмосферу м’якості та затишку. Максимум у синій частині спектру, характерний для холодного світла, сприяє виробленню серотоніну, який збуджує нервову систему, сприяє концентрації уваги, але одночасно і швидкій втомлюваності. Як вибрати ССТ? У наведеній нижче таблиці вказані деякі простори та їхні характеристики, рекомендовані для теплої та холодної колірностей освітлення, а також емоційні стани (відчуття) людини, які породжує кожен з цих типів освітлення. Чи можна регулювати ССТ? З наведеної у таблиці інформації уважний читач винесе щонайменше два питання: 1. А якщо у моєму просторі переважають нейтральні тони, то якої колірності має бути освітлення? 2. Невже для зміни емоційного стану треба змінювати люстри у моєму просторі, який у мене, до того ж, єдиний (однокімнатна квартира)? Обидва питання законні, але добра новина полягає в тому, що по-перше, можна підібрати світильники з нейтральною колірністю, а по-друге - сучасні світлодіодні пристрої дозволяють змінювати ССТ (колірність джерела світла) одним натиском кнопки, або за допомогою пульта, чи застосунку на вашому смартфоні. І відчуття простору з нейтральними тонами легко змінюється від теплого та затишного до активного та енергійного. Такі пристрої мають позначку ССТ, що, однак, у цьому випадку вказує не на конкретну колірну температуру, а на можливість її регулювання (Change Color Temperature). Їх іще називають мультивайтами (multi white). Ринок сьогодні пропонує велику кількість мультивайтів від світлодіодних ламп та стрічок з регульованою колірністю до систем освітлення офісних центрів з індивідуальним налаштуванням колірності кожного робочого місця. До речі, в нашому портфоліо присутні і такі проєкти. Є питання з вибором освітлення? Не соромтесь, задавайте! Зеновій Монастирський, доктор технічних наук
Запропонуйте свою тему для наступної лекції
Володимир
26.09.2024
залишити коментар