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La Teoria della luce, foto copertina

Lighting Design | Teoria della Luce

Il lighting designer come sviluppava il progetto illuminazione?

Un attento studio illuminotecnico di quali materie si deve avvalere? Come veniva eseguita la verifica illuminotecnica prima dell’avvento dei software per la simulazione della luce? Per rispondere a queste domande dobbiamo analizzare alcuni principi della fisica che hanno a che fare con la luce. Una sorgente qualsiasi di radiazioni, ad esempio il sole, emette un’infinità di radiazioni. Si chiama radiazione elettromagnetica il fenomeno di propagazione simultanea e in linea retta di un campo elettrico. Tutte le onde elettromagnetiche, in modo particolare in riferimento alle loro propagazioni, riflessioni e rifrazioni, seguono dunque le stesse leggi fisiche ma i loro effetti differiscono essenzialmente per l’energia che trasportano, cioè per la loro lunghezza d’onda λ.

dettaglio tecnico illustrativo per la radiazione elettromagnetica

Una stretta banda privilegiata, compresa tra 780 nm e 380 nm che è direttamente percepibile al sensore umano costituito dall’insieme “occhio-cervello” è la luce visibile, o più semplicemente, la luce. Se la luce è composta da una somma finita di radiazioni di lunghezza d’onda distinta (radiazioni monocromatiche) si osserva uno spettro di righe dei diversi valori di λ, corrispondenti a colori detti “puri”. Invece se essa è composta da un miscuglio continuo di tutte le lunghezze d’onda, diversamente dosate, (luce bianca), si ottiene uno spettro continuo con passaggio indistinto da un colore all’altro. Poiché tutte le sorgenti di luce emettono energia raggiante, conviene introdurre le grandezze fisiche che definiscono le caratteristiche di emissione delle sorgenti stesse in rapporto all’energia ed alla loro distribuzione geometrica.

Gli spettri della resa cromatica

La luce è energia elettrica trasformata in energia luminosa. La misura fondamentale è quindi il watt. Il watt deriva da altri due fattori, ossia dall’intensità della corrente elettrica in ampere e dalla sua tensione in volt. Il watt è il prodotto della intensità in ampere moltiplicata per la tensione in volt. Si supponga che la corrente elettrica esca da un tubo come l’acqua. Se il tubo è molto grosso non occorre molta pressione per far uscire molta acqua.

Per contro, con un tubo sottile, se l’acqua esce sotto forte pressione, si può ottenere, in una determinata unità di tempo, una quantità uguale d’acqua a quella fluente da un tubo grosso. La grossezza del tubo può essere paragonata all’intensità della corrente elettrica in ampere, e la pressione dell’acqua alla tensione in volt. La tensione in volt è generalmente un fattore fisso della rete di distribuzione dell’energia elettrica; ma la si può variare impiegando un trasformatore di tensione. Il fattore riguardante gli ampere è variabile, perché riguarda il contatore di energia elettrica installato. Il watt è l’unità di misura dalla quale siamo partiti perché rappresenta il consumo necessario per produrre energia luminosa. Ma non esiste una relazione diretta che indichi quanta luce si ricava da un watt. Il rendimento dipende dai sistemi e dagli accorgimenti costruttivi adottati dai fabbricanti. L’unità di misura dell’intensità luminosa è la candela internazionale, le cui caratteristiche sono stabilite mediante accordi internazionali.

Rapporto tra Volts, Ampers, Ohms e Watts

Una candela irradia il suo flusso luminoso in tutte le direzioni a forma di sfera di cui essa stessa è il centro. La superficie di questa sfera, a qualunque distanza dal centro la si voglia considerare, è 4 ∏ moltiplicato per il quadrato del raggio, ossia 12,57 volte il quadrato del raggio. La sfera può essere immaginata composta di 12,67 coni i cui vertici si incontrano al centro della sfera. La parte di flusso luminoso che una candela irradia in uno dei suoi coni si chiama lumen. Il lumen è l’unità del flusso luminoso. Questa grandezza deriva dal flusso energetico; le radiazioni sono valutate in funzione dal fattore spettrale di visibilità dell’osservatore. Si è dunque resa necessaria un’altra unità di misura che definisca il grado di illuminazione, ossia, con un termine introdotto nella fotometria che corrisponde all’illuminamento. Pur essendo un termine usato spesso in modo generico, è il rapporto tra il flusso luminoso incidente in un punto giacente su un elemento di superficie e l’elemento di superficie stesso, la sua unità di misura è il Lux, il quale definisce l’illuminamento ricevuto da una superficie di 1 metro quadrato alla distanza di 1 metro da una sorgente avente il flusso luminoso di 1 lumen.

dettaglio del rapporto tra lumen, candele e lux

L’illuminamento varia in dipendenza della distanza della sorgente. Una sorgente può dunque essere caratterizzata non solo per via della sua intensità luminosa (dalla quale deriva un determinato flusso in lumen), ma anche dalla concentrazione di questa intensità in uno spazio più o meno grande, dalla quale deriva la sua brillanza. La brillanza è legata alla sorgente nuda, l’effetto sparkling light, ultimamente dimenticato poiché si prediligono sorgenti LED studiate per il comfort visivo. Riassumendo i parametri fondamentali per la progettazione illuminotecnica sono:

  • Flusso luminoso con unità di misura Lumen (lm) e corrisponde alla quantità di luce emessa da una certa sorgente o apparecchio di illuminazione.
  • L’intensità luminosa con unità di misura Candela (cd) e corrisponde alla quantità di luce emessa in una certa direzione.
  • L’illuminamento (E) con unità di misura Lux (lx) e corrisponde alla quantità di flusso luminoso che incide su una superficie.
  • La luminanza con unità di misura cd/m² e corrisponde all’unica grandezza fotometrica percepita dagli occhi.

Solo nel diciottesimo secolo il fisico Lambert gettò le basi della fotometria partendo dalle conoscenze geometriche e fisiologiche del tempo. Sia che la luce attraversi una superficie trasparente, che sia riflessa su una superficie opaca o che subisca entrambi i fenomeni su una superficie traslucida, una parte di essa viene riemessa da questa superficie nei due modi seguenti, più o meno prevalenti a seconda del materiale considerato:

  • Riflessione o rifrazione regolare secondo le leggi dell’ottica geometrica, o leggi di Descartes
  • Riflessione o trasmissione diffusa, secondo la legge di Lambert
dettaglio schizzo tecnico fotometria

Esiste una relazione tra l’illuminamento che riceve una superficie S, di coefficiente di riflessione p<1 e le intensità luminose riflesse nel semispazio superiore del piano di S, nel caso assai frequente in cui la luminanza di S è indipendente dalla direzione di osservazione. Questo genere di diffusione, chiamata uniforme, si ha con tutti i materiali finemente divisi che rinviano la luce in tutte le direzioni, come la carta, la vernice opaca e i materiali di costruzione. Considerando la luminanza di S costante, l’indicatrice di diffusione, curva che racchiude i vettori delle intensità, è una sfera tangente in S.

La triplice funzione degli Apparecchi di Illuminazione

Gli apparecchi di illuminazione assicurano una triplice funzione di natura elettrica, meccanica e fotometrica:

  • Elettrica, deve servire da collegamento tra la rete e la lampada, la normativa relativa alle protezioni elettriche degli apparecchi si distingue in quattro classi di isolamento.
  • Meccanica, deve proteggere da qualsiasi agente esterno che può comportare un deterioramento delle lampade o una diminuzione delle loro ottiche, la normativa definisce un indice IP di protezione a due cifre, di cui la prima relativa alla impermeabilità ai corpi solidi ed alle polveri e la seconda all’acqua.
  • Fotometrica, deve assicurare una ripartizione spaziale della luce al fine di realizzare un’illuminazione che va dal tipo diretto concentrato a quello indiretto diffuso. Si chiama curva fotometrica la curva delle intensità luminose emesse su un piano contenente l’asse di rivoluzione di un apparecchio dotato di una sorgente luminosa di 1000 lm.
dettaglio tecnico per rappresentare la curva fotometrica

A seconda della consulenza illuminotecnica si sceglie generalmente uno dei seguenti tipi di ripartizione della luce:

  • Illuminazione diretta: più del 90% della luce è emessa verso il basso. Poco assorbimento da parte dei muri e del soffitto, ma le ombre sono marcate e conviene usare numerose sorgenti luminose per attenuarle. Questa risulta conveniente per illuminazione architetturale, illuminazione ufficio, nei laboratori, negli uffici o nei grandi magazzini.
  • Illuminazione semidiretta: dal 60 al 90% la luce viene diretta verso il basso, le ombre sono attenuate e l’ambiente luminoso è molto più confortevole. Può essere adatta per illuminazione interni come le abitazioni, oppure per l’illuminazione showroom.
  • Illuminazione mista: dal 40 al 60% di luce verso il basso, può essere usata solo in locali con pareti molto riflettenti per questioni di rendimento luminoso.
  • Illuminazione semi-indiretta: dal 10 al 20% della luce verso il basso.
  • Illuminazione indiretta: più del 90% del flusso luminoso verso l’alto. Conviene usarla nelle sale di spettacolo, ristoranti, nell’illuminazione interni design.

La temperatura di colore, espressa in kelvin, è un altro aspetto progettuale:

  • 2500/3000 K: sole al tramonto, lampade a incandescenza. Luce “calda” ricca di radiazioni rosse.
  • 4500/5500 K: luce del giorno a cielo sereno.
  • 6000/8000 K: cielo nuvoloso. Luce “fredda”, ricca di radiazioni blu.

L’indice di Resa Cromatica: fondamentale per l’illuminazione dei Musei

Un altro dato tecnico che il light designer deve valutare per la scelta di una sorgente luminosa è l’indice di resa cromatica. Questo aspetto è fondamentale nei progetti di illuminazione musei.

Gli spettri della resa cromatica

Le tecniche di illuminazione sono un insieme di metodi che permettono di assicurare, per qualità e per quantità, una distribuzione della luce adatta all’uso desiderato dalla progettazione illuminazione interni alla progettazione illuminazione esterni. Per la realizzazione di un light design, dopo aver stabilito il concept e analizzato le saggestion, si passa alla scelta del livello di illuminamento, alla scelta del tipo di lampada, alla scelta del tipo di illuminazione e dell’apparecchio, alla scelta della collocazione dell’apparecchio, alla ripartizione dei centri luminosi, al flusso luminoso totale e infine alla potenza della lampada. Nella ripartizione dei centri luminosi l’uniformità dipende dal modo in cui si intersecano i fasci luminosi delle sorgenti, distanziate a un intervallo n, sul piano utile.

Schizzo esemplificativa per l'abbagliamento

Seguendo questi punti, si sviluppa un progetto preliminare che determina una soluzione geometrica e fotometrica possibile, poi viene effettuata una verifica puntuale dei diversi livelli di illuminamento, essenzialmente allo scopo di controllare il grado di comfort dell’impianto. I lighting designer italiani che ci hanno preceduto, non avevano a disposizione programmi di calcolo, questo comportava che il lavoro del software lo svolgessero loro, attraverso l’applicazione delle formule sopra descritte. Conoscere le leggi della fisica che rendono possibile tutto questo è alla base del rapporto luce e architettura. La curiosità porta a una continua conoscenza, è importante conoscere le teorie fisiche, geometriche e matematiche che si celano dietro a ogni progetto, capire cosa ha portato alle scelte progettuali, scoprendo così il “backstage” di un progetto.

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