Florianópolis, SC 2005

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ARQUITETURA E URBANISMO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CONSTRUÇÃO CIVIL APOSTILA DE CONFORTO AMBIENTAL - ILUMINAÇÃO Fernando Oscar Ruttkay Pereira, PhD Marcos Barros de Souza, Dr. Florianópolis, SC 2005

2 SUMÁRIO ILUMINAÇÃO... 001 A BASE FÍSICA - LUZ... 001 1. FOTOMETRIA... 006 1.1. GRANDEZAS FOTOMÉTRICAS... 007 1.1.1. Fluxo Radiante e Fluxo Luminoso... 007 1.1.2. Eficiência Luminosa... 008 1.1.3. Intensidade Luminosa... 009 1.1.4. Iluminância... 011 1.1.5. Luminância... 012 1.2. LEIS FUNDAMENTAIS DA ILUMINAÇÃO... 016 1.2.1. Lei do inverso do quadrado... 016 1.2.2. Lei do cosseno... 016 1.2.3. Lei da aditividade... 017 1.3. PROPRIEDADES ÓTICAS DOS MATERIAIS... 017 1.3.1. Reflexão... 019 1.3.2. Absorção... 019 1.3.3. Transmissão... 019 1.3.4. Refração... 020 2. COR... 022 2.1. CLASSIFICAÇÃO DAS CORES... 023 2.2. TEMPERATURA DA COR CORRELATA... 028 2.3. APARÊNCIA DE COR... 028 2.4. REPRODUÇÃO DAS CORES... 029 2.5. USO DAS CORES EM AMBIENTES DE TRABALHO... 031 2.6. USO DAS CORES NAS SINALIZAÇÕES... 032 3. ILUMINAÇÃO ESPACIAL... 034 3.1. ILUMINAÇÃO ESCALAR... 034 3.2. VETOR ILUMINAÇÃO... 035 4. VISÃO E PROJETO DE ILUMINAÇÃO... 036 4.1. VISÃO E PERCEPÇÃO... 037 4.2. ADAPTAÇÃO VISUAL... 038 4.3. DESEMPENHO DAS TAREFAS VISUAIS... 038

3 4.3.1. Iluminância média (nível de iluminação médio)... 039 4.3.2. Contraste... 040 4.3.3. Acuidade visual... 041 4.3.4. Desempenho visual... 042 4.3.5. Eficiência visual... 043 4.4. OFUSCAMENTO... 043 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 51 ANEXOS

4 ILUMINAÇÃO PREÂMBULO "Por que estudar a luz?" Na sociedade moderna as pessoas passam a maior parte do tempo em ambientes iluminados parcialmente por aberturas, mas predominantemente iluminados artificialmente. Nas estradas, à noite, estamos totalmente dependentes dos faróis dos veículos e das luminárias das ruas para nossa segurança. Desta forma, a maior parte do ambiente que vemos, seja de trabalho ou não, é iluminado artificialmente. Iluminação inadequada pode causar desconforto e fadiga visual, dor de cabeça, ofuscamento, redução da eficiência visual ou mesmo acidentes. Iluminação artificial é também um dos sistemas que mais consome energia no ambiente construído. Boa iluminação aumenta a produtividade, gera um ambiente mais prazeiroso e pode também salvar vidas. Portanto, garantir uma iluminação adequada é uma das principais responsabilidades não só dos projetistas, mas também de administradores e autoridades locais. A BASE FÍSICA - LUZ Várias teorias tem sido utilizadas para descrever o fenômeno da luz. Estas teorias são: A Teoria Corpuscular, a Teoria da Onda, a Teoria Eletromagnética, a Teoria do Quantum e finalmente uma Teoria de Unificação. Teoria do Corpuscular Esta foi a teoria defendida por Isaac Newton (1642-1727), que no século XVII imaginou que a luz poderia ser constituída de partículas. Como esta teoria passou a explicar a maior parte dos fenômenos e fatos conhecidos na época, Newton não quis ir adiante em suas pesquisas, e esta idéia tornou-se popular entre seus seguidores. Esta teoria está baseada nos seguintes princípios: Corpos luminosos emitem energia radiante em partículas; Que estas partículas são lançadas intermitentemente em linha reta; Que as partículas atingem a retina e estimulam uma resposta que produz uma sensação visual. ISAAC NEWTON (1642 1727)

5 Teoria das Ondas Embora a teoria corpuscular fosse amplamente aceita, o físico holandês Cristiaan Huygens (1629-1695) não se deixou convencer por ela e em 1690 lançou uma série de argumentos que o levavam a crer que a luz deslocava-se em ondas. O que o levou a defender a teoria das ondas ao invés da teoria das partículas, foi a imensa velocidade com que a luz se deslocava. Os princípios básicos da teoria das ondas são os seguintes: A luz era resultante da vibração molecular de materiais luminosos; Estas vibrações eram transmitidas através de uma substância invisível e sem peso que existia no ar e no espaço, denominada éter luminífero ; As vibrações transmitidas atuam na retina, simulando uma resposta que produz uma sensação visual. CRISTIAAN HUYGENS (1629 1695) (Fonte: BURNIE [1994]) Anos depois, o físico Charles Wheatstone (1802-1875) criou o modelo ondulatório que mostrava como as ondas luminosas se comportavam. O modelo de Wheatstone mostrava que o éter luminoso fazia o transporte vibrando em ângulo reto com as ondas luminosas, ao contrário do que acreditava Huygens, para ele o éter vibrava na mesma direção da luz, se espremendo e esticando enquanto transportava as ondas. Atualmente, sabe-se que o éter luminoso não existe. Thomas Young (1773-1829) juntamente com Augustin Fresnel (1788-1827) conseguiu reunir importantes evidências para validar a teoria ondulatória. Young foi o primeiro a concluir que as cores diferentes são produzidas por diferentes comprimentos de onda. Teoria Eletromagnética Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) verificou que a posição da agulha de uma bússola era modificada quando esta estava ao lado de um fio condutor percorrido por corrente elétrica. Na mesma época o físico e matemático francês André Marie Ampère (1775-1836) demostrou que dois fios condutores percorridos por corrente elétrica sofriam uma força de atração ou repulsão, dependendo do sentido da corrente elétrica. Neste momento ficou claro que eletricidade e magnetismo se relacionavam de algum modo. Em 1865, o físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) explicou matematicamente esse relacionamento, elaborando a teoria do eletromagnetismo. Maxwell percebeu que ao fazer uma corrente elétrica oscilar em dois sentidos, para frente e para trás, esta produz ondas eletromagnéticas variáveis que se irradiam a uma grande velocidade. Em seus cálculos ele JAMES CLERK MAXWELL (1831 1879) (Fonte: BURNIE [1994])

6 demonstrou que estas ondas eletromagnéticas se deslocavam a velocidade da luz, o que o levou a concluir que a própria luz era uma forma de onda eletromagnética. A teoria defendida por Maxwell baseia-se nos seguintes princípios: Os corpos luminosos emitem luz na forma de energia radiante; A energia radiante se propaga na forma de ondas eletromagnéticas; As ondas eletromagnéticas atingem a retina, estimulando a uma resposta que produz uma sensação visual. Teoria Quântica No final da década de 1850, o físico alemão Gustav Kirchoff (1824-1887) descobriu que todos os átomos podem emitir ou absorver determinados comprimentos de onda. Esta descoberta demonstrou a existência de fortes ligações entre os átomos e a luz. Até o final do século XIX os físicos acreditavam que a luz e outras formas de radiação eletromagnética eram fluxos contínuos de energia. No entanto, no início do século XX essa concepção começou a apresentar vários problemas teóricos. Max Planck (1858-1947) desafiou a todos sugerindo que a energia na radiação não era contínua, mas dividida em minúsculos pacotes, ou quanta. Sua teoria quântica mostrou que em certas circunstâncias a luz podia ser concebida como partículas, como acreditavam os seguidores da teoria corpuscular de Isaac Newton. MAX PLANCK (1858 1947) O átomo é formado por um núcleo pequeno e denso, circundado por elétrons, as mesmas partículas que produzem a corrente elétrica. Os elétrons possuem tanto mais energia quanto mais afastados estiverem do núcleo. Se um elétron desloca-se de uma órbita externa para outra mais interna, ele perde energia, que é liberada como um quantum de luz, ou fóton. A maioria dos átomos possui muitos elétrons e muitos níveis de energia. Os comprimentos de onda da luz que cada elétron pode produzir dependem da quantidade de energia liberada quando ele cai de uma órbita para a outra. Juntos, esses diversos comprimentos de onda dão ao átomo seu espectro de emissão característico, cujo exame permite aos cientistas identificar o tipo de átomo que o produziu. A teoria defendida por Planck possui as seguintes premissas: A energia é emitida e absorvida em quantum, ou fóton; A magnitude de cada quantum é determinada pelo produto de h e f, onde h é a constante de Planck (6,626x10-34 J.s), e f é a freqüência de vibração do fóton em Hertz. Teoria de Unificação Esta teoria foi proposta pelo físico francês De Broglie (1892-1987) e o físico alemão Heisenberg (1901-1976) baseada no seguinte:

7 Todo o elemento de massa em movimento tem associado com ele uma onda cuja duração é determinada pela EQUAÇÃO 1.1: h = m v λ (1.1) Onde: λ é o comprimento de onda; h é a constante de Planck; m é a massa e; v a velocidade da partícula. É impossível determinar simultaneamente todas as propriedades que são distintas de uma onda ou de um corpúsculo. LOUIS DE BROGLIE (1892 1987) WERNER HEISENBERG (1901 1976) Esta teoria foi proposta pelo físico francês De Broglie (1892-1987) e o físico alemão Heisenberg (1901-1976) baseada no seguinte: Todo o elemento de massa em movimento tem associado com ele uma onda cuja duração é determinada pela EQUAÇÃO 1.1: h = m v λ (1.1) Onde: λ é o comprimento de onda; h é a constante de Planck; m é a massa e; v a velocidade da partícula. É impossível determinar simultaneamente todas as propriedades que são distintas de uma onda ou de um corpúsculo. As teorias, quântica e das ondas eletromagnéticas, fornecem a explicação de todas as características da energia radiante que interessam a engenharia de iluminação. Luz, ou radiação visível, é energia em forma de ondas eletromagnéticas capazes de excitar o sistema humano olho-cérebro, produzindo diretamente uma sensação visual. Ao contrário do som ou vibração, que são vibrações mecânicas, ondas eletromagnéticas não

8 necessitam do meio para sua transmissão. Elas passam através de sólidos, líquidos ou gases, mas se propagam mais eficientemente no vácuo, onde não há nada para absorver a energia radiante. O espectro eletromagnético, mostrado na FIGURA 1.1, cobre uma grande variedade de energia radiante, classificadas de acordo com a magnitude de suas freqüências ou comprimento de onda. Numa extremidade do espectro, de grande comprimento de onda (milhares de metros; baixa freqüência) encontram-se as ondas de rádio, enquanto na outra ponta, estão os raios gama e raio X com comprimentos de onda na ordem de 10-12 m (alta freqüência). Apenas uma pequena parte desta energia radiante é percebida pelo olho humano; sendo denominada "luz". Esta radiação visível situa-se no espectro entre 380nm a 780 nm. O sistema olho-cérebro não só percebe a radiação dentro desta faixa, mas também é capaz de descriminar diferentes comprimentos de onda para produzir a sensação de cor. 400 500 600 700 nm Azul Amarelo Vermelho Violeta Verde Laranja Raios Gama Raios X Ultravioleta Infravermelho Microondas Ondas de Rádio 10-5 10-3 10-1 10 1 10 3 10 5 10 7 10 9 10 11 FIGURA 1.1 Espectro eletromagnético (comprimentos de onda em nanometros). Radiação ultravioleta As ondas de ultravioleta possuem mais energia do que a luz e as ondas de infravermelho. A radiação ultravioleta, em função de seus efeitos, pode ser dividida em três parcelas, ultravioleta A, B e C. A radiação ultravioleta UV-A (315 a 400 nm), embora seja a menos prejudicial a saúde humana, ela é capaz de penetrar profundamente nas camadas da pele, destruindo gradativamente sua elasticidade causando assim o envelhecimento precoce. Superfícies fluorescentes quando bombardeadas por este tipo de radiação são capazes de emitir luz, por isso a radiação UV-A é também conhecida como luz negra. O UV-A também é utilizado em seções de bronzeamento e em tratamentos fototerápicos. A radiação UV-B (280 a 315 nm) é a parte mais destrutiva da radiação ultravioleta, pois possui energia suficiente para danificar tecidos biológicos (queimaduras). Este tipo de radiação é conhecido por causar câncer de pele. A camada de ozônio da atmosfera é capaz de bloquear a maioria da radiação UV-B extraterrestre, por isso uma pequena diminuição desta camada poderá aumentar dramaticamente o perigo de câncer de pele na população humana.

9 A radiação UV-C (100 a 280 nm) é praticamente absorvida em sua totalidade pelo ar. Quando os fótons de UV-C colidem com os átomos de oxigênio, existe uma troca de energia que proporciona a formação do ozônio. Este tipo de radiação raramente é observado na natureza, visto que rapidamente é absorvido pela atmosfera. Lâmpadas germicidas UV-C são freqüentemente utilizadas para purificar o ar e a água, pela sua capacidade de matar bactérias, fungos e microorganismos. Luz A parcela da radiação eletromagnética compreendida entre os comprimentos de onda de 380 a 780 nm é conhecida como luz, sendo a faixa do espectro que o olho humano consegue perceber. Dependendo do comprimento de onda será a cor da luz percebida pelo olho humano. Nos comprimentos de onda de 380 a 440 nm tem-se a cor violeta, de 440 a 500 nm a cor azul, de 500 a570 nm a cor verde, de 570 a 590 nm a cor amarela, de 590 a 630 nm a cor laranja e finalmente de 630 a 780 nm a cor vermelha. Radiação infravermelho A radiação eletromagnética nos comprimentos de onda do infravermelho possui menos quantidade de energia por fóton do que a radiação ultravioleta e a luz. Este tipo de radiação é percebido na forma de calor. Os equipamentos de visão noturna ampliam a radiação infravermelha e tornam visíveis as pessoas e os equipamentos que estão escondidos na escuridão. Além de tornar visível a escuridão, a radiação infravermelha também tem aplicações na industria, agricultura e medicina. Para a geração de infravermelho utilizam-se lâmpadas de onda curta (780 a 1.400 nm), onda média (1.400 a 3.000 nm) e onda longa (3.000 nm a 1 mm). 1. FOTOMETRIA O termo fotometria, originado diretamente do grego (φωs - luz; µετου - medida) é definido simplesmente como: "o ramo da ciência que trata da medição da luz". A fotometria lida com o balanço de energia nos processos de emissão, propagação e absorção de radiação. A quantidade de radiação pode ser avaliada em unidades de energia ou no seu efeito sobre o receptor: o olho humano, a película fotográfica, a pele humana, etc. Dependendo do receptor, o resultado será avaliado nas unidades físicas habituais ou em unidades especiais, como unidades de luz (ou fotométricas), unidades fotográficas ou unidades eritêmicas.

10 A teoria fotométrica, formulada por Pierre Bouguer (1698-1758) e elaborada matematicamente por J.H. Lambert (1728-1777), esteve completamente esquecida até meados de 1900 quando, com o surgimento da lâmpada elétrica, a humanidade pode aspirar a uma melhor iluminação artificial. Inicialmente, o projetista só necessitava de métodos de cálculo da iluminação produzida por fontes puntuais. Entretanto, com o crescente interesse na iluminação natural (grandes fontes de luz superficiais), projeto de luminárias, propriedades das superfícies quanto à absorção, transmissão e reflexão da luz e uma série de outros problemas, a fotometria tomou seu primeiro impulso na direção de uma generalização. JOHANN HEINRICH LAMBERT (1728 1777) No primeiro quarto deste século, os projetistas só estavam preocupados em obter a iluminação necessária nos planos de trabalho (iluminação planar). A experiência prática tem mostrado que este critério pode ser bastante inadequado, dependendo da atividade visual considerada. Novos conceitos têm aparecido para explicar e gerar um embasamento teórico para a expressão "qualidade da iluminação", que tem sido entendida como todas aquelas propriedades que o projetista não consegue caracterizar com números (quantificar). 1.1. GRANDEZAS FOTOMÉTRICAS As grandezas físicas descritas a seguir podem ser classificadas de acordo com dois critérios independentes: Composição espectral da radiação: as grandezas físicas relacionadas com a totalidade do espectro são chamadas de totais e esta qualificação deve ser considerada como implícita. As grandezas relacionadas com um intervalo espectral específico dλ, centradas num comprimento de onda λ, são denominadas monocromáticas e usualmente designadas com o símbolo λ. Distribuição espacial da radiação: diz-se hemisférica ou global a quantidade relativa a todo o espaço no qual uma superfície emite ou recebe radiação. As grandezas são ditas direcionais quando relacionadas a uma direção de propagação da radiação específica. 1.1.1. Fluxo Radiante e Fluxo Luminoso Fluxo radiante é a potência [W] da radiação eletromagnética emitida ou recebida por um corpo. O fluxo radiante pode conter frações visíveis e não visíveis. Por exemplo, quando uma lâmpada é ligada não é apenas a radiação visível que é vista, a radiação térmica (infravermelho) também é sentida. O componente de qualquer fluxo radiante que gera uma resposta visual é

11 chamado de fluxo luminoso - φ. A unidade no SI para fluxo luminoso é lumen [lm]. A FIGURA 1.2 mostra o fluxo luminoso típico de fontes luminosas conhecidas. φ = 12 lm φ = 1.000 lm φ = 48.000 lm FIGURA 1.2 Fluxo luminoso. 1.1.2. Eficiência Luminosa Uma fonte de luz ideal seria aquela que converteria toda sua potência de entrada [W] em luz [lm]. Infelizmente, qualquer fonte de luz converte parte da potência em radiação infravermelho ou ultravioleta. A habilidade da fonte de converter potência em luz é chamada de eficiência luminosa, η: Fluxo luminoso = Potência consumida η (1.2) W lm lm/w FIGURA 1.3 Conversão da potência [W] em Fluxo luminoso [lm]. [lm/w]. A unidade de eficiência luminosa no sistema internacional de unidades é lúmen/watt A eficiência luminosa permite comparar entre duas fontes luminosas, qual delas proporcionará um maior rendimento. Infelizmente por questões culturais muitos ainda usam a potência da fonte como termo comparativo, o que é totalmente errado. A FIGURA 1.4 mostra como muitos fabricantes apresentam as suas lâmpadas de alta eficiência. A comparação feita é em função da potência das fontes ao invés da eficiência luminosa.

12 = 9 x 100 W = 23 W FIGURA 1.4 Comparação do fluxo luminoso entre lâmpadas. A potência elétrica da fonte luminosa possibilita estimar o consumo e a eficiência luminosa estabelece o rendimento do sistema de iluminação. A eficiência luminosa depende do comprimento de onda da radiação. O valor máximo teórico é de 683 lm/w o que corresponderia a uma fonte hipotética de radiação monocromática de comprimento de onda igual a 555 nm (cor verde-amarelo), comprimento este no qual a visão humana apresenta o pico de sensibilidade. A FIGURA 1.5 mostra a variação da eficiência luminosa em função do comprimento de onda. Em geral, as fontes luminosas apresentam sua energia distribuída ao longo do espectro, apresentando valores de eficiência luminosa bem abaixo dos 683 lm/w. 700 Eficiência [lm/w] 600 500 400 300 200 Eficiência luminosa máxima 1 W = 683 lm 100 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Comprimento de onda [nm] FIGURA 1.5 Variação da eficiência luminosa em função do comprimento de onda.

13 1.1.3. Intensidade Luminosa Antes de saber o que é de intensidade luminosa é importante entender o que vem a ser ângulo plano e ângulo sólido. Ângulo plano Define-se ângulo plano α como sendo o quociente entre o comprimento de arco l e o raio R da circunferência. α = l R (1.3) R α l FIGURA 1.6 Ângulo plano. Como o comprimento de uma circunferência é de 2πR, o ângulo plano central é de 6,28 rad. Assim sendo, 1 radiano é o ângulo plano central que subentende um arco de círculo de comprimento igual ao do respectivo raio. Ângulo sólido Visto que a luz se propaga no espaço, tem-se a necessidade de trabalhar com ângulos sólidos. Define-se ângulo sólido ω como sendo o quociente entre a área superficial A de uma esfera pelo quadrado de seu raio R. ω = A 2 R (1.4) R A ω FIGURA 1.7 Ângulo sólido (Fonte: RYER [1998]).

14 A área superficial de uma esfera é de 4πR 2, logo o ângulo sólido dela será de 12,56 sr. O esterradiano [sr] é para o espaço tridimensional o mesmo que o radiano [rad] é para o espaço bidimensional. Um esterradiano é definido como o ângulo sólido, que tem seu vértice no centro da esfera, cuja área superficial é igual ao quadrado de seu raio (A = R 2 ). Intensidade luminosa Se você olhar diretamente para um farol e depois repetir a operação mais de lado, é aparente que não é só a quantidade total de luz emitida pela fonte que é importante. A direção de propagação da luz também é vital. Luz se propagando numa dada direção, dentro de um ângulo sólido unitário, é chamada intensidade luminosa, I, e sua unidade no SI é lúmen/esterradiano ou candela [cd]. Fonte ω φ FIGURA 1.8 Intensidade Luminosa. Para fontes puntais, onde suas dimensões são muito pequenas se comparadas com a sua distância do objeto iluminado (distância > 5 x maior dimensão da fonte), por definição, a EQUAÇÃO 1.5 é válida: φ = ω I (1.5) Uma tabela ou curva polar (curva fotométrica) da distribuição da intensidade ao redor de uma fonte pode ser confeccionada a partir de medições de intensidade luminosa. O diagrama fornece uma boa representação gráfica da distribuição espacial, enquanto a tabela é mais útil para o desenvolvimento de cálculos (FIGURA 1.9). 270 o 300 o 240 o 210 o 180 o 150 o 120 o 40 80 120 330 o 0 o 30 o 90 o 60 o Ângulo I [cd] 0 o 159 5 o 153 15 o 146 25 o 135 35 o 117 45 o 95 55 o 71 65 o 46 75 o 23 85 o 6 Direção da intensidade luminosa FIGURA 1.9 Distribuição da intensidade luminosa.

15 1.1.4. Iluminância Quando a luz emitida por uma fonte atinge uma superfície, esta superfície será iluminada. Assim, iluminância (E), é a medida da quantidade de luz incidente numa superfície por unidade de área. Sua unidade no sistema internacional é lumen/m 2 ou lux [lx]. 1 cd E = φ A (1.6) 1 sr 1 m 1 m 2 1 lux = 1 lm/m 2 FIGURA 1.10 Iluminância. Na FIGURA 1.10, a fonte de luz possui uma intensidade luminosa I de 1 candela [cd], ou 1 lm/sr. O fluxo luminoso se propaga sob um ângulo de 1 esterradiano [sr]. Este fluxo luminoso produzirá em uma superfície de 1 m 2 que está afastada da fonte de 1 m, a iluminância de 1 lux [lx]. Observe que quanto mais distante da fonte luminosa, o fluxo luminoso se expande cada vez mais, tornando-se menos denso. Portanto, para uma superfície a 0,5 m da fonte a área é igual a 1/4 da área a 1 m. Se a 1 m a iluminância é de 1 lux, a 0,5 m, com um fluxo luminoso bem mais denso, a iluminância é de 4 lux. Além da distância entre a fonte e a superfície, outro fator que influência no valor da iluminância é o ângulo entre o feixe luminoso e o vetor normal a superfície. Quando o fluxo luminoso é paralelo ao vetor normal a superfície, tem-se a iluminância máxima. Em situações em que o fluxo luminoso é perpendicular ao vetor normal a superfície a iluminância será nula (FIGURA 1.10). Para posições intermediárias, a iluminância varia de 0 ao valor máximo. N r E máx N r E = 0 E θ N r φ FIGURA 1.11 Variações da iluminância em função do ângulo de incidência.

16 A iluminância numa superfície também pode ser relacionada com a intensidade da fonte luminosa e a sua posição em relação ao fluxo luminoso pela EQUAÇÃO 1.7. = I d cosθ 2 E (1.7) Onde: I é a intensidade luminosa da fonte; d é a distância entre a fonte e a superfície e; θ é o ângulo formado entre a direção da luz e a normal da superfície (FIGURA 1.11). 1.1.5. Luminância Luminância pode ser considerada como uma medida física do brilho de uma superfície iluminada ou fonte de luz, sendo através dela que os seres humanos enxergam. A luminância é uma excitação visual e a sensação de brilho é a resposta visual desse estímulo. Assim, luminância L, é definida como a intensidade luminosa por unidade de área aparente de uma superfície numa dada direção e sua unidade no SI é candela/m 2 [cd/m 2 ]. A área aparente, A, é a área que a superfície parece ter do ponto de vista do observador (FIGURA 1.12): A N r β FIGURA 1.12 Luminância de uma superfície. A EQUAÇÃO 1.8 apresenta a definição de luminância. I I ( β ) ( β ) (1.8) L = = ' A A cos( β ) A área aparente A = A. cos β, onde A é a área real da superfície, β é o ângulo entre o vetor normal a superfície e a direção de observação e I (β) é a intensidade luminosa na direção considerada.

17 FIGURA 1.13 Luminância. A luminância independe da distância entre o observador e a superfície fonte de luz. Como pode ser visto na FIGURA 1.13, a medida em que o observador se aproxima, a área vista por ele diminui, mantendo constante a luminância da superfície. Alternativamente, a luminância de uma superfície difusa pode ser calculada pela EQUAÇÃO 1.9, onde ρ é o fator de reflexão da superfície. ρ L = E π (1.9) O olho humano detecta luminâncias da ordem de um milionésimo de cd/m 2 até um limite superior de um milhão de cd/m 2, a partir do qual a retina é danificada. Ofuscamento, impedimento da visão, ocorre a partir de 25.000 cd/m 2. Assim se explica como os olhos podem ser facilmente danificados pela visão direta da luz solar que apresenta uma luminância 1.000 vezes maior que o limite máximo. TABELA 1.1 - Valores de luminância de algumas fontes Fonte Luminância [cd/m 2 ] Sol 1600 x 10 6 Céu claro 0,4 x 10 4 Lâmpada de tungstênio de bulbo claro (100 W) 6,5 x 10 6 Lâmpada de tungstênio de bulbo leitoso (100 W) 8 x 10 4 Lâmpada a vapor de mercúrio alta pressão (400 W) 120 x 10 4 Lâmpada fluorescente (80 W) 0,9 x 10 4 Lâmpada a vapor de sódio baixa pressão (140 W) 8 x 10 4 Papel branco (fator de reflexão 80%) E = 400 lux 100 Papel cinza (fator de reflexão 40%) E = 400 lux 50 Papel preto (fator de reflexão 4%) E = 400 lux 5

18 TABELA 1.2 - Grandezas fotométricas Nome Símbolo Significado Grandeza Unidade Como medir Fluxo luminoso φ Componente do fluxo radiante que gera uma resposta visual. lm Esfera de Ulbricht: a fonte luminosa é colocada dentro de uma grande esfera, cujo o interior é pintado de branco perfeitamente difusor. Mede-se a iluminância produzida pela luz difusa através de uma pequena abertura, protegendo os raios que saem diretamente da fonte, esta iluminância é proporcional ao fluxo luminoso emitido pela fonte. Eficiência Luminosa η É a razão entre o fluxo luminoso "φ" produzido por uma fonte e a potência "P" consumida. η = φ P lm W A eficiência luminosa é deduzida juntamente com a medição do fluxo luminoso com a esfera de Ulbricht, medindo-se a potência consumida pela fonte luminosa e seus equipamentos auxiliares, através de um wattímetro. Intensidade Luminosa I É o fluxo luminoso "φ" emitido por uma fonte numa certa direção, dividido pelo ângulo sólido "ω", no qual está contido. I = φ ω cd Banco fotométrico: a fonte luminosa em exame é comparada com uma fonte de intensidade conhecida. No caso de aparelhos de iluminação, a medição é feita por meio de um fotogoniômetro: uma célula fotovoltaica gira em volta do aparelho e mede a intensidade luminosa emitida em todas as direções. Iluminância E É o fluxo luminoso incidente "φ" numa dada superfície, dividida pela área "A"da mesma. E = φ A lux Luxímetro: é formado por uma fotocélula que transforma a energia luminosa em energia elétrica, indicada por um galvanômetro cuja a escala está marcada em lux. Luminância L É a intensidade luminosa "I" (de uma fonte ou de uma superfície iluminada) por unidade de área aparente "A'" numa dada direção. L = I A' cd 2 m Luminancímetro: aparelho que reproduz a imagem da superfície projetada e cuja a luminância deve ser medida. A energia elétrica produzida pelo fotosensor é ampliada e medida por um galvanômetro calibrado em candelas por m 2.

19 1.2. LEIS FUNDAMENTAIS DA ILUMINAÇÃO A intensidade luminosa "I" e a iluminância produzida "E" são correlacionadas por duas leis de propagação da luz: 1.2.1. Lei do inverso do quadrado A iluminação numa superfície é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre a fonte de luz e a superfície. I E = (1.10) 2 d Esta lei advém do fato que a luz é emitida a partir da fonte para o espaço; assim, quanto mais longe estiver a superfície menor é o fluxo de luz que ele irá interceptar. Por outro lado, se a distância é dobrada, a área iluminada é quadruplicada, produzindo uma redução proporcional na densidade superficial de luz incidente (FIGURA 1.14). r 2 = 2.r 1 r 1 Fonte de luz Superfície esférica 2 (4 vezes área 1) Superfície esférica 1 FIGURA 1.14 - Lei do inverso do quadrado da distância (Fonte: MOORE [1991]). 1.2.2. Lei do cosseno A iluminação numa superfície varia com o cosseno do ângulo entre a normal à superfície e o raio de luz. Ela é máxima quando o raio é normal à superfície, ou seja, quando o ângulo de incidência θ = 0. Em qualquer outro caso o raio de luz cobrirá uma área maior, com uma conseqüente redução no nível de iluminação (FIGURA 1.15). E I = cos( θ ) d 2 (1.11)

20 Ângulo de incidência (cosseno = 0,5) Distantes da fonte de luz as linhas de fluxo luminoso são paralelas Iluminância na superfície inclinada 50 lux FIGURA 1.15 - Lei do cosseno (Fonte: MOORE [1991]). 1.2.3. Lei da aditividade Esta lei diz que a iluminação total numa superfície, produzida por várias fontes de luz, será a simples soma das iluminações produzidas por cada uma das fontes: E = E + E + E +... + 1 2 3 E n (1.12) 1.3. PROPRIEDADES ÓTICAS DOS MATERIAIS Materiais expostos à luz se comportam de várias maneiras. Quando a luz incide numa superfície, uma fração ρ do total incidente é refletida, isto é, retoma ao hemisfério de procedência sem penetrar na matéria; uma outra porção, α, é absorvido dentro do material, configurando-se num ganho de energia, enquanto a ultima fração τ pode ser transmitido (no caso de superfícies transparentes ou translúcidas) para o outro lado (ver FIGURA 1.16). Reflexão Material semitransparente Absorção Transmissão FIGURA 1.16 - Fluxo luminoso incidente em uma superfície.

21 Caso φ i, φ r, φ a e φ t, sejam, respectivamente, o fluxo luminoso total incidente, refletido, absorvido e transmitido, pode-se denominar: Refletância Absortância Transmitância ρ α τ φ r = (1.13) φ i φ a = (1.14) φ i φ t = (1.15) φ i resultando em: ρ + α + τ = 1 (1.16) A TABELA 1.3 apresenta os coeficientes de reflexão, absorção e transmissão de alguns materiais. TABELA 1.3 - Refletância, absortância e transmitância de alguns materiais. Material Refletância Absortância Transmitância Alumínio 0,55-0,90 0,45-0,10 Aço polido 0,55-0,65 0,45-0,35 Níquel 0,55 0,45 Papel branco 0,70-0,85 0,30-0,10 0,10-0,20 Vidro transparente 0,06-0,08 0,04-0,02 0,80-0,90 Gesso 0,80-0,90 0,20-0,10 Branco de cal 0,80 0,20 Argamassa de cal 0,40-0,70 0,60-0,30 Concreto 0,40-0,50 0,60-0,50 Tijolo 0,18-0,32 0,82-0,68 Madeira 0,15-0,50 0,85-0,50 Espelho 0,70-0,85 0,30-0,15