Fisica tecnica: illuminotecnica e acustica (Prof. Vallati)

ILLUMINOTECNICA - I PARTE

LA LUCE

L’illuminotecnica è lo studio della luce, naturale ed artificiale: In ambiente sia interno che esterno

c’è sempre questo connubio tra luce naturale ed artificiale. Nell’ambiente esterno questo connubio

è piuttosto marcato, perché non è una sovrapposizione, ma ci sarà un certo numero in cui è presente

la luce e delle ore in cui comincia ad entrare in funzione la luce artificiale. In ambienti interni invece,

c’è una sovrapposizione, perché durante il giorno può esserci la necessità di ricorrere alla luce

artificiale per ottenere un’illuminazione naturale sul piano di lavoro. In questo corso ci occuperemo

esclusivamente della luce artificiale.

Quando abbiamo parlato di irraggiamento abbiamo detto

che l’energia raggiante viene trasportata attraverso delle

onde elettromagnetiche in determinate frequenze di

oscillazione. Per quanto riguarda la luce nel campo del

visibile avviene un fenomeno analogo, ovvero esiste un

determinato spettro costituito da diverse lunghezze d’onda,

compreso tra circa 380 e 780 nm, in cui queste onde elettromagnetiche trasportano energia nel

campo del visibile, cioè permettono la visione dei nostri oggetti. Esiste un corpo, che è il sole, il quale

emette energia in un ampio spettro, cioè un grande range di lunghezze d’onda, tra cui i raggi

cosmici, i raggi gamma, i raggi x, l’ultravioletto, il visibile, l’infrarosso, le onde radio. Il sole ha una

fortissima energia al suo interno, cioè un’elevatissima temperatura (5000/6000 Kelvin), che permette

lo sviluppo di onde magnetiche in un range molto ampio. Ad ogni lunghezza d’onda è associato un

colore. Ognuna di queste lunghezze d’onda serve a uno scopo in natura, ma noi ci occuperemo

del range del visibile e dell’infrarosso, che ci permettono rispettivamente di vedere e di riscaldarci.

L’organo sensibile alla lunghezza d’onda del visibile è l’occhio, mentre l’elemento sensibile

all’energia dell’infrarosso è tutto il corpo umano.

L’OCCHIO

L’occhio umano ha una curva di sensibilità che non è piatta, quindi non è costante in tutto il range

del visibile, ma ha un massimo e uno zero in determinate lunghezze d’onda nel campo del visibile.

Questo vuol dire che uguali quantità di energia raggiante che sono trasportate da diverse lunghezze

d’onda non provocano un’uguale sensazione luminosa.

Importante è il concetto di stimolo-sensazione: esisterà uno stimolo che è la radiazione

elettromagnetica proveniente dal sole, che porta un’energia raggiante; l’occhio è l’elemento

sensibile che riceve gli stimoli e li porta al cervello, il quale risponde con delle sensazioni. Lo stimolo

è quindi l’arrivo di un’onda magnetica nel campo del visibile, proveniente dal sole. La sensazione è

diversa in base alla lunghezza d’onda: il nostro occhio vede bene le

lunghezze d’onda intorno al verde/giallo, mentre vede male le

lunghezze d’onda intorno al rosso/violetto, a parità di energia

raggiante trasmessa. Lo spettro è comunque uno spettro continuo,

cioè il nostro occhio ha una sensazione rispetto allo stimolo che riceve

di tipo continuo, con una curva gaussiana in cui abbiamo il picco

della sensazione intorno alle frequenze centrali dello spettro.

GRANDEZZE FOTOMETRICHE

Poiché nell’illuminotecnica esiste uno stimolo-sensazione, di conseguenza esisterà una sorgente,

quella che emette lo stimolo, cioè il sole o la lampada, e un ricevitore, cioè quello che riceve uno

stimolo e quindi emette una sensazione. Le grandezze fotometriche sono grandezze che sono riferite

sia alla sorgente che al ricevitore.

La grandezza fotometrica fondamentale è la visibilità V dell’occhio umano. La visibilità ci classifica

le radiazioni luminose provenienti dal sole che giungono al nostro occhio.

Il flusso luminoso è la seconda grandezza fotometrica fondamentale e caratteristica di un corpo.

Φ

Il flusso è il flusso che caratterizza la sorgente, quindi il sole o la lampada. Concettualmente il flusso

luminoso è uguale al flusso termico, quindi si parla di potenza luminosa, quindi è un’energia irradiata

nell’unità di tempo. Ci sono due caratteristiche che lo differenziano rispetto al flusso termico:

- Il concetto di visibilità: il flusso luminoso proveniente da una sorgente deve essere

caratterizzato in funzione del ricevitore, dell’occhio umano. Quindi è necessario inserire la

curva della visibilità, perché l’occhio umano reagisce in maniera diversa in base alle diverse

lunghezze d’onda.

- Il flusso è dipendente dalla lunghezza d’onda, perché ci sarà un fascio di onde

elettromagnetiche, ognuna caratterizzata dalla sua lunghezza d’onda, e ogni onda

elettromagnetica porta una quantità di energia raggiante. Quindi il flusso dovrà essere

integrato in funzione delle lunghezze d’onda del visibile

L’unità di misura è il lumen, che ci da la quantità di flusso, quindi di energia luminosa, trasportata da

una sorgente. [lumen]

Φ=#∙W [lumen/Watt]

⁄

# = Φ W

La terza grandezza fotometrica fondamentale è l’illuminamento E. La lampada o il sole sono una

fonte di energia e attraverso il flusso luminoso quantifico quanta energia è stata trasportata da

questa sorgente. Tuttavia, è importante capire quanta parte di questo flusso proveniente dalla

sorgente arriva su un piano di lavoro o su una superficie che deve essere illuminata. Per questo

introduciamo l’illuminamento, che è il rapporto tra il flusso luminoso proveniente dalla sorgente e la

superficie da illuminare. La sorgente produce energia e solamente una parte di quest’energia

raggiungerà la superficie, il resto si disperde nell’ambiente. L’illuminamento è, dunque, una

grandezza relativa al ricevitore, perché riguarda la luce che arriva al luogo di lavoro.

L’unità di misura è il lux. !" $

[lumen/( ]=[lux]

'= !#

L’illuminamento è una grandezza importantissima nell’illuminotecnica, perché è alla base della

normativa illuminotecnica vigente, cioè per ogni attività (ospedale, scuola…) è definito un livello di

illuminamento minimo.

Ovviamente anche all’interno di questa grandezza c’è la curva di visibilità, perché è sempre una

grandezza legata all’occhio umano.

Esempi:

- In estate, a mezzogiorno, in pieno sole: circa 100.000 lux

- In inverno, a mezzogiorno, all’aperto: circa 10.000 lux

- Luna piena con cielo senza nuvole: circa 0.25 lux

- Aula scolastica, luce artificiale su un piano di lavoro: circa 500 lux

Confrontando la luce artificiale in un’aula con quella prodotta dal sole, ci possiamo rendere conto

di che quantità di energia produce il sole e di quanto sia superiore rispetto a quella di cui abbiamo

bisogno per illuminare un piano di lavoro.

La radianza M, invece, è una grandezza relativa alla superficie emittente, e indica il flusso luminoso

emesso per unità di superficie. Per superfici bianche la radianza è esattamente uguale

all’illuminamento. !" [lumen s.b.] (lux su bianco)

)= !#

Come nell’irraggiamento anche nell’illuminotecnica esiste questo fenomeno di assorbimento e

riflessione. Abbiamo una lampada che emette un certo flusso luminoso, questo flusso arriva alla

superficie, che comincia a recepire energia luminosa. A questo punto questa superficie emette di

nuovo un flusso in funzione delle sue caratteristiche superficiali, quindi occorre parlare di radianza.

Quindi è una grandezza relativa al ricevitore, il quale emette di nuovo energia luminosa.

Quando io illumino un ambiente chiuso, illumino non solo il piano di lavoro ma tutti gli oggetti presenti

all’interno dell’ambiente. Quindi alzando lo sguardo per guardare ad esempio la lavagna, nel mio

campo visivo ho l’interferenza della luce che viene emessa dalla sorgente luminosa ma anche

riemessa da tutti gli oggetti circostanti. Quindi potrebbe accadere che nel mio angolo visivo io abbia

la sovrapposizione di più energie luminose provenienti da diversi oggetti e quindi potrei essere

abbagliato o comunque disturbato da queste energie luminose provenienti dagli oggetti circostanti.

Per questo è importante il concetto di radianza, per valutare eventuali situazioni di criticità e

discomfort nel mio campo visivo, oppure nel caso di una strada il problema diventa di sicurezza,

quindi di notevole importanza.

L’intensità luminosa I è un’altra grandezza riferita alla sorgente luminosa e ci dice il flusso luminoso

emesso all’interno di un angolo solido.

!"(%) [lumen/steradiante] = candela

* =

% !%

Vediamo nell’immagine una lampadina che emette un flusso luminoso in

tutte le direzioni e raggiungerà i vari compiti visivi. In particolare, se

vogliamo capire quanto flusso luminoso verrà trasportato all’interno di un

angolo solido dobbiamo parlare di intensità luminosa e quindi di candela.

Questa grandezza è importante perché caratterizza le sorgenti, cioè io voglio che una sorgente

abbia determinate caratteristiche legate alla progettazione illuminotecnica di quell’ambiente.

La lampadina emette luce in tutte le direzioni (a parte quelle dove si trova il bulbo, quindi su un

angolo di 180° e anche di più), e il flusso luminoso che emette è uguale in tutte le direzioni (in questi

180°). La luminosa non sarà da sola ma sarà inserita all’interno di un corpo illuminante, cioè una

lampada, un paralume, quindi l’effetto della luce e il flusso luminoso è ancora più limitato in base

alla forma di questo corpo. Quindi l’intensità luminosa è un parametro ancora più importante

quando la sorgente luminosa è inserita all’interno di un corpo illuminante. L’intensità luminosa è

dunque molto importante nella progettazione illuminotecnica perché definisce il solido fotometrico,

cioè l’elemento caratteristico di un’accoppiata sorgente + corpo illuminante. Il solido fotometrico

quindi ci da le indicazioni del valore dell’intensità luminosa per tutti gli angoli solidi. È quindi un solido

tridimensionale, che possiamo rappresentare su un piano attraverso una o più sezioni, in modo da

indicare le intensità luminose per tutti gli angoli e quindi capire come posso inserire questa lampada

all’interno del mio compito visivo, del mio ambiente chiuso.

Attraverso gli apparecchi possiamo controllare il flusso luminoso e l’intensità, e direzionarla in modo

opportuno per rendere l’ambiente confortevole.

Ogni zona avrà un illuminamento diverso in funzione di questo solido fotometrico di emissione di una

certa lampada. Quindi se voglio fare una progettazione illuminotecnica affinché su un piano di

lavoro ci sia uniformità di illuminamento e un valore di 500 lux in tutti i punti, è necessario affrontare il

problema dal punto di vista puntuale, quindi punto a punto: in ogni punto devo fare la somma

energetica dell’energia visibile prodotta da ogni lampada; è dunque un metodo molto complesso,

che viene messo in pratica attraverso software di illuminotecnica. Se invece voglio utilizzare un

approccio più qualitativo posso utilizzare il cosiddetto metodo del flusso totale, che ci fa capire

tendenzialmente quali sono i valori medi di energia prodotti sul piano di lavoro senza tener conto in

modo approfondito dell’influenza delle singole lampade.

La luminanza L riguarda il concetto di abbagliamento e la sua quantificazione. La luminanza di un

elemento emittente in una certa direzione è il rapporto tra l’intensità luminosa emessa nella

+

direzione considerata e la proiezione della superficie perpendicolarmente a quella direzione. Quindi

se noi prendiamo una certa direzione che è la direzione di osservazione, la luminanza ci da un

+,

valore di emissione di luce di una certa superficie, quindi come concorrono tutte le superfici che

generano una luce alla visione di un utente che guarda queste superfici secondo questa direzione.

!( $

[cd/( ] = nit

!

, = !# )*+,

"#

Attraverso la luminanza possiamo andare a considerare delle curve limite di luminanza per ogni

direzione che ci dicono se siamo in condizioni di comfort o discomfort illuminotecnico.

+ $

La luminanza essendo un rapporto tra intensità luminosa (candele) diviso una superficie (( ), perché

in realtà questa è soltanto una proiezione di una superficie, ci da i nit.

Nell’immagine possiamo vedere che può succedere ad esempio che ho

una lampada che illumina la superficie stradale, c’è un osservatore che

guarda questa sede stradale. Questa superficie emette luce e la

luminanza indica proprio quanta luce viene emessa nell’angolo visivo

dell’osservatore. Nella prima immagine vediamo semplicemente

l’illuminamento E, flusso luminoso diviso superficie; nella seconda, invece, vediamo la luminanza,

cioè come l’osservatore guarda questa superficie illuminata, la quale emette energia luminosa

nell’angolo di vista dell’osservatore.

La luminanza è una grandezza che riguarda il ricevitore. È una proprietà della superficie illuminata,

non della sorgente, ma di quella che riceve luce e la riemette nell’angolo di vista del ricevitore.

ILLUMINOTECNICA - II PARTE

Il progettista illuminotecnico deve conoscere le varie sorgenti luminose presenti in commercio e

valutarle per il proprio progetto illuminotecnico, dunque occorre avere a disposizione il manuale del

produttore di lampade. Senza manuale è impossibile progettare, perché non si conoscono i prodotti

disponibili sul mercato. Sul manuale sono presenti i prodotti acquistabili con le varie grandezze

illuminotecniche.

Nei manuali troviamo due parametri fondamentali:

- il flusso luminoso, espresso in lumen, che è la potenza raggiante utile, cioè quella parte di

energia che rientra nel campo del visibile secondo la sensibilità dell’occhio umano (la curva

di visibilità), perché ogni lampada può emettere luce secondo diverse lunghezze d’onda

(ad esempio la lampada ad incandescenza emette lunghezze d’onda non solo nel campo

del visibile ma anche nel campo dell’infrarosso).

I watt, parametro che spesso troviamo indicato nei prodotti in commercio, rappresentano la

potenza elettrica della lampada, che è un parametro che in questo caso ci interessa poco.

- il solido fotometrico, cioè come questo flusso luminoso si distribuisce nello spazio.

Oltre a questi ovviamente ci sono altri parametri, come quelli di costo ed estetica della lampada.

L’efficienza specifica è una grandezza che lega i lumen ai watt. L’efficienza è un rendimento (cfr.

macchine termiche). L’efficienza specifica è il rapporto tra il flusso luminoso emesso e la potenza

elettrica assorbita. Indica, cioè, quanta luce, quindi quanto flusso luminoso nel campo del visibile

riesco a produrre a fronte di un consumo elettrico. Più grande è questo rapporto più la lampada ha

efficienza luminosa.

Ad esempio, le lampade ad incandescenza tradizionali hanno un’efficienza di circa 10 lumen/watt,

mentre quelle a vapore di sodio hanno un’efficienza di circa 200 lumen/watt. Poiché il rendimento

è un parametro importante nell’economia e nelle spese energetiche dell’impianto, se ad esempio

devo progettare una strada in cui ci sono grosse potenze in gioco, utilizzare una lampada ad alta

efficienza è fondamentale. Nel caso invece di una camera da letto questo parametro risulta meno

importante, mentre vengono considerati altri parametri. Questo parametro è dunque importante

nel caso di progetti con un grosso dispendio energetico (strade, autostrade, aeroporti, parcheggi…)

Altro parametro importante è la durata, cioè il numero di ore dopo le quali la lampada va fuori

servizio. Ad esempio, i LED sono lampe con un elevatissimo numero di ore di funzionamento. Anche

questo parametro riguarda l’ambito energetico ed economico.

È importante capire la durata di una lampada per comprendere come varia il flusso luminoso:

inizialmente una lampada ad incandescenza tradizionale avrà un certo tipo di flusso luminoso che

con l’utilizzo inizierà a diminuire, fino a quando il tungsteno si romperà e si interromperà il

funzionamento della lampada (questo avviene in dopo circa 1000-1500 ore). Questa caratteristica

è descritta attraverso un altro parametro, il decadimento del flusso luminoso, cioè la diminuzione del

flusso luminoso emesso nel tempo.

La temperatura di colore è la temperatura alla quale il corpo nero emette una luce di colore uguale

a quello della lampada in esame. Bisogna prendere un corpo nero e una lampada da analizzare; si

riscalda il corpo nero fino a quando emette una luce uguale a quella della lampada e quella è la

temperatura di colore. Se la lampada ha una temperatura di colore intorno ai 3000 Kelvin la luce è

di tipo caldo (quindi di colore rosso/arancio), se invece alziamo la temperatura di colore andiamo

verso il blu, quindi una luce fredda. Temperatura di colore bassa = luce calda, temperatura di colore

alta = luce fredda.

Questo parametro è importante dal punto di vista economico ed estetico, ma diventa obbligatorio

dal punto di vista normativo quando si tratta di illuminazione pubblica. Questo perché in funzione

del compito visivo e quindi del flusso luminoso, della potenza, esisterà la giusta temperatura di colore

e per questo motivo la normativa la assegna in base al compito

visivo e al flusso lumino