VẬT LÝ KIẾN TRÚC CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN

Sóng điện từ được truyền trong cả các môi trường vật chất và trong chân không.Vận tốc truyền trong môi trường chân không bằng vận tốc ánh sáng v = c = 3.108 ms.Sóng điện từ là sóng ngang, trong quá trình truyền sóng, tại một điểm bất kỳ trên phương vector E và vector B luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng.Sóng điện từ có tính chất của sóng cơ và có thể phản xạ được trên bề mặt kim loại ngài ra chúng có thể khúc xạ và giao thoa được với nhau.

1 Bản chất của ánh sáng

a Sóng điện từ - Sóng hạt

b Tính chất sóng điện từ

c Ánh sáng.

1 B ả n c h ấ t á n h s á n g

a S ó n g đ i ệ n t ừ - S ó n g h ạ t

Hai luận điểm của

Maxwell:

• Mọi từ trường biến

thiên theo thời gian đều sinh ra một điện trường xoáy.

• Mọi điện trường biến

thiên theo thời gian đều sinh ra một từ trường xoáy.

1 B ả n c h ấ t á n h s á n g

a S ó n g đ i ệ n t ừ - S ó n g h ạ t

b Sóng điện từ: là quá trình truyền đi trong không gian của điện từ

trường biến thiên tuần hoàn trong không gian theo thời gian.

1 B ả n c h ấ t á n h s á n g

b T í n h c h ấ t s ó n g đ i ệ n t ừ

Sóng điện từ được truyền trong cả các môi trường vật chất

và trong chân không.

Vận tốc truyền trong môi trường chân không bằng vận tốc ánh sáng v = c = 3.108 m/s.

Sóng điện từ là sóng ngang, trong quá trình truyền sóng, tại một điểm bất kỳ trên phương vector E và vector B luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng.

Sóng điện từ có tính chất của sóng cơ và có thể phản xạ được trên bề mặt kim loại ngài ra chúng có thể khúc xạ và giao thoa được với nhau.

Năng lượng sóng điện từ tỉ lệ với lũy thừa của bậc của tấn số

1 B ả n c h ấ t á n h s á n g

b T í n h c h ấ t s ó n g đ i ệ n t ừ

• Sóng có một tần số (f) xác định, cũng tức là có một chu kỳ T xác định:

• Và trong môi trường xác định có bước sóng λ xác định:

• Sóng điện từ phẳng đơn sắc, vừa tuần hoàn theo

thời gian t, vừa tuần hoàn theo không gian x.

1 B ả n c h ấ t á n h s á n g

b T í n h c h ấ t s ó n g đ i ệ n t ừ

Phân loại sóng điện từ

1 B ả n c h ấ t á n h s á n g

c Á n h s á n g

Ánh sáng – bức xạ điện từ phổ biến

1 B ả n c h ấ t á n h s á n g

c Á n h s á n g

• Nhiều ánh sáng đơn sắc hợp thành một ánh sáng phức tạp.

• Tính chất của một ánh sáng phức tạp quyết định bởi

tỷ lệ cường độ quang phổ của các ánh sáng đơn sắc thành phần chứa trong tập hợp đó.

Máy quang phổ (1905)

2 Q u a n g h ì n h h ọ c

Là khoa học nghiên cứu sự lan truyền ánh sáng nhưng không chú ý tới bản chất của các tia sáng.

Quang học kiến trúc Quang hình học

Là môn khoa học xây dựng trên cơ sở những nguyên lí của quang hình học Là môn kỹ thuật chuyên ngành thuộc nhóm vật lí kiến trúc Tập trung nghiên cứu về vai trò và hiệu quả sử dụng ánh sáng trong kiến

trúc, được xem xét ở cả hai khía cạnh: kỹ thuật và nghệ thuật.

2.2 Đ ị n h l u ậ t q u a n g h ì n h h ọ c

Trong môi trường trong suốt, đồng chất và đẳng hướng, ánh sáng truyền theo đường thẳng.

Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng

Tác dụng của các chùm tia sáng khác nhau hoàn toàn độc lập với nhau Nghĩa là tác dụng của chùm tia sáng này

không phụ thuộc vào sự có mặt hay không có mặt của những chùm sáng khác

2.3 Đ ị n h l u ậ t q u a n g h ì n h h ọ c

Khi tia sáng OI tới trên

mặt phân cách giữa 2 môi

trường trong suốt, đồng

2.3 Đ ị n h l u ậ t q u a n g h ì n h h ọ c

Tia khúc xạ cũng nằm trong mặt phẳng tới OIN nhưng ở phía bên kia của mặt phân cách n-n:

n21 có giá trị không đổi

n21- chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1,

có giá trị phụ thuộc bản chất của hai môi trường đó.

Định luật Đécatt 2

Góc tới i1max gọi là góc tới hạn.

Khi i1 > i1max thì toàn bộ tia tới đều cho tia phản xạ, không có tia khúc xạ nào, ta có hiện tượng phản xạ toàn phần.

Định luật Đécatt 2

3 Đ ạ i l ư ợ n g q u a n g

Các phép đo ánh sáng:

• Trắc quang khách quan: là phép đo các đại lượng

quang thuần túy vật lý cũng như các đại lượng vật lý khác như năng lượng, nhiệt độ…Một trong những đại lượng quang thường được kiểm tra trong kiến trúc là cường độ ánh sang (độ rọi) được

đo bằng Lux kế.

• Trắc quang chủ quan: là phép đo các đại lượng

ánh sáng dựa trên tác dụng sinh lý của mắt người Trong miền bức xạ khả kiến, bức xạ có bước sóng khác nhau gây cảm giác khác nhau về cường độ,

về màu sắc Cảm giác này còn thay đổi từ mắt người này sang mắt người khác, vì vậy các đại lượng và đơn vị quang phải thiết lập với mắt trung bình (mắt trung bình là mắt của nhiều người có thị giác bình thường) Mắt trung bình gọi là mắt chuẩn được hội nghị trắc quang thế giới tiêu chuẩn hóa, Ủy ban thắp sáng thế giới C.I.E công

bố năm 1924

3 Đ ạ i l ư ợ n g q u a n g

Giới thiệu về LUX Kế:

• Lux kế dùng để đo cường độ ánh sáng.

• Phần lớn lux kế đều bao gồm một phần thân, một thiết bị cảm ứng với một tế bào quang điện, và một màn hình hiển thị Thiết bị cảm ứng được đặt tại nguồn sáng Ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện có năng lượng, được truyền

từ tế bào quang điện sang dòng điện

Tế bào quang điện hấp thụ được càng nhiều ánh sáng, dòng điện tạo ra càng cao Đồng hồ đo sẽ đọc dòng điện và tính toán giá trị thích hợp của Lux hoặc Foot candles (độ sáng) Giá trị đo được hiển thị trên màn hình.

3 Đ ạ i l ư ợ n g q u a n g

3.1 Thông lượng bức xạ ( ):

Như ta đã biết, mọi vật ở nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối (0 0 K) sẽ không ngừng bức xạ năng lượng ra không gian chung quanh dưới dạng sóng điện từ Bất cứ loại sóng điện từ nào cũng mang năng lượng.

Trong đó:

C : hệ số tỉ lệ, đặc trưng khả năng hấp thu năng lượng bức xạ của vật.

W : năng lượng bức xạ toàn phần (watt)

t : thời gian tác dụng (giây)

Thông lượng bức xạ: là lượng bức xạ phát ra trong 1 đơn vị thời gian

 = C.W/t (w) ( 1 watt = 1 J/s = 0,86 Kcal/h)

Đối với bức xạ đơn sắc ứng với bước sóng  xác định ta có thông lượng bức xạ đơn sắc   .

  =    là thông lượng bức xạ của miền bức xạ khả kiến.

a Nguỡng thấy: là giá trị  min tối thiểu đủ gây cho mắt 1 cảm giác sáng trên vật được rọi.

 = 1/ min là độ nhạy của mắt đối với bức xạ đơn sắc 

 Như vậy, các bức xạ đơn sắc có bước sóng  khác nhau sẽ có giá trị ngưỡng thấy

3 Đ ạ i l ư ợ n g q u a n g

Hàm số  = f() gọi là hàm số

thị kiến và đường cong biểu diễn quan

hệ giữa  và  gọi là đường cong thị kiến.

c Hàm số thị kiến:

Hội nghị thắp sáng quốc tế qui ước: lấy độ nhạy của mắt đối với ánh sáng

màu vàng lục bằng đơn vị:  555 = 1/  555 min = 1

Đối với các bức xạ đơn sắc khác có bước sóng  bất kỳ:  < 1 Đối với các bức xạ hồng ngoại, tử ngoại:   hồng ngoại =   tử ngoại = 0

3 Đ ạ i l ư ợ n g q u a n g

3.3 Quang thoâng (F):

Là thông lượng bức xạ trong miền bức xạ khả kiến.

Như vậy, quang thông là đại lượng đo ánh sáng do mắt cảm nhận, đánh giá.

Quang thông đơn sắc: F =   (watt AS).

Đ/v bức xạ màu vàng lục: F 555 =  555 (vì  555 = 1) Còn đ/v các bức xạ khác: F < 

Quang thông của AS phức tạp: F =  F =    (watt AS).

3 Đ ạ i l ư ợ n g q u a n g

3.4 .Cường độ sáng (I):

a Góc khối (góc đặc)  :

Góc khối nhìn từ O tới mặt dS là phần không gian giới hạn trong hình nón đỉnh tại O,

có các đường sinh tựa trên chu vi mặt dS.

Đơn vị Radian (rad):

3 Đ ạ i l ư ợ n g q u a n g

Vd1: Cường độ sáng và quang thông của 1 vài nguồn sáng phổ

biến:

+ Nến trung bình (I = 1 cd, F = 15 lm) + Đèn dây tóc nung 60W (I = 68 cd, F = 850 lm) + Đèn dây tóc nung 100W (I = 128 cd, F = 1600 lm)

 Như vậy, 1 lumen (lm) là quang thông của 1 nguồn sáng điểm có cường độ 1 cd bức xạ đều trong góc khối 1 Sr.

1 lumen = 0,00146 watt AS ; 1 watt AS = 683 lumen

Trong đó:  là góc hợp bởi pháp tuyến

của mặt bị rọi với phương tới của chùm sáng.

3 Đ ạ i l ư ợ n g q u a n g

3.6 .Độ trưng (R):

Là mật độ quang thông của bề mặt phát sáng (là lượng quang thông tại 1 điểm):

Ta không thể dùng quang thông F để đặc trưng cho khả năng phát

sáng của nguồn khối hay nguồn mặt vì:

Dù nguồn này phát sáng yếu nhưng nếu kích thước của nguồn lớn thì quang thông toàn phần của nó vẫn có thể lớn hơn quang thông của 1 nguồn khác phát sáng mạnh hơn nhưng lại có kích thước nguồn nhỏ.

3 Đ ạ i l ư ợ n g q u a n g

3.7 .Độ chói (B):

dI : là cường độ sáng theo phương

của quang thông.

dS : là diện tích mặt phát sáng.

 : là góc hợp bởi pháp tuyến của mặt phát sáng với

phương truyền quang thông.

a) Phản xạ định hướng b) Phản xạ khuếch tán.

TÍNH CHẤT PHẢN XẠ

Loại này gặp trong thực tế Tạo ra nguồn thứ cấp

2 N H Ữ N G N H Â N T Ố Ả N H H Ư Ở N G

Đ Ế N Đ Ộ N H Ì N

1 Góc nhìn () và năng suất phân ly của mắt

2 Tỉ lệ độ chói B giữa vật quan sát và bối

cảnh:K (độ tương phản)

3 Độchóicủavậtquansát (Bv)

4 Khoảngcáchquansát (giữavậtvàmắt)

5 Thời gian quan sát.

6 Hiện tượng lóa mắt do tương quan độ

chói của trường sáng.

b Tính chất xuyên qua

Đối với vật liệu trong suốt, ánh sáng xuyên qua có 3 trường hợp:

• Xuyên qua định hướng.

• Xuyên qua khuếch tán.

Đ ộ n h ì n

1

I Cấu tạo của mắt, chức năng và các bộ phận.

II Thị giác ban ngày, thị giác hoàng hôn.

1 Đ ộ n h ì n

I Cấu tạo của mắt, chức năng và các bộ phận.

II Thị giác ban ngày, thị giác hoàng hôn.

• Võng mạc mắt cảm nhận ánh sáng chủ yếu nhờ các tế bào hình nón (cone) và hình que (rod)

• Có ba loại tế bào hình nón, mỗi loại lại cảm nhận được chính xác từng màu sắc khác nhau trong ba màu : Đỏ (red), xanh lá cây (Green), xanh da trời (Blue) Mỗi một màu sắc khác nhau có thể được cấu thành bởi sự kết hợp theo “liều lượng” khác nhau của

ba màu cơ bản này và mắt của chúng ta sẽ cảm nhận được màu sắc đó dựa trên việc từng loại tế bào nón trong võng mạc cảm nhận chúng như thế nào

Đ ộ n h ì n

II Thị giác ban ngày, thị giác hoàng hôn.

Khi độ rọi E>=10 lux thì tế bào hữu sắc cho cảm giác màu sắc

và phân biệt đc chi tiết của vật quan sát

a Thị giác ban ngày

Khi độ rọi E<= 0,01 lux thì tế bào vô sắc làm việcThông thường thì cả 2 thị giác đồng thời tác dụng với mức độ khác nhau, nhưng khi E<=0,01 thì chỉ có tế bào vô sắc làm việc

b Thị giác ban đêm

II Thị giác ban ngày, thị giác hoàng hôn.

Khi chuyển từ độ rọi lớn sang độ rọi nhỏ,tế bào vô sắc không thể đạt ngaylậptứchoạt động cực đại mà cần có thời gian thích nghi

II Thị giác ban ngày, thị giác hoàng hôn.

• Khi quan sát ,độ cong của thủy tinh thể có thể thay đổi được

để điều chỉnh độ hội tụ

Cực cận : cách mắt 20cmCực viễn : ở vô cùng

•Trường nhìn của mắt : góc đứng 130 o , góc ngang 160 o

d Cực cận và cực viễn

II Thị giác ban ngày, thị giác hoàng hôn.

• Là độ chói của vật quan sát tác động lên mắt người  mắt người là dụng cụ trắc quan chủ quan

• Nếu ảnh của vật quan sát trên võng mạc có kích thước hữu hạn thì độ chói không phụ thuộc vào kích thước và khoảng cách

e Độ chói chủ quan

𝑬𝒉𝒊 ệ 𝒖𝒅ụ𝒏𝒈= 𝐥𝐨𝐠 𝑬𝒌í 𝒄𝒉𝒕𝒉 í 𝒄𝒉 ∆ 𝑭 =𝑰 ∆ 𝝎=𝑰 (𝝅 𝒅 ²)/(𝟒𝒓 ²)

Trong giới hạn nhất định, độ tương phản càng lớn thì càng nhìn rõ vật.Trong ánh sáng ban ngày, K 0,5 là đủ để nhìn rõ vật 0,5 là đủ để nhìn rõ vật

Vd: Ban ngày nhìn bóng đèn điện không chói như ban đêm vì K giảm.

II 2 2 T Ỉ L Ệ Đ Ộ C H Ó I B G I Ữ A V Ậ T

Q U A N S Á T V À B Ố I C Ả N H

Ngưỡng tương phản:

Là giá trị K nhỏ nhất (Kmin) mà mắt có thể phân biệt được vật quan sát

(độ phân biệt nhỏ nhất): K min = 0,01

Độ nhạy tương phản: S max = 1/ K min

Độ nhạy tương phản phụ thuộc

khá lớn vào độ chói của bối cảnh Bb :

Độ nhạy tương phản còn phụ thuộc vào kích thước vật quan sát (tức là

phụ thuộc góc nhìn α ).

+ Bb bé, độ nhạy tương phản Smax tăng khá nhanh

+ Khi Bb = 103 nit, độ nhạy tương phản Smax đạt giá trị cực đại

+ Khi Bb tăng tiếp, độ nhạy tương phản Smax giảm nhanh vì lúc này độ chóilớn đã gây hiện tượng lóa mắt

Khi Bv < 0,6 cd/m2 thì không gây cho mắt cảm giác lóa.

Trừ đèn huỳnh quang, các loại đèn khác đều có độ chói rất mạnh

=> Để không gây lóa phải đặt vị trí nguồn sáng phù hợp: góc tia sáng tới hợp với phương nhìn 1 góc 64 0,5 là đủ để nhìn rõ vật 0 sẽ không gây lóa

II 2 4 K H O Ả N G C Á C H G I Ữ A V Ậ T V À

M Ắ T

Về lý thuyết: 2 vật AB và CD cócùng ảnh trên mắt

AB và CD được nhìn là như nhau

Thực tế, do có lớp không khí không trong suốt giữa mắt và vật quan sát

=> Vật càng xa càng mờ.

Khi gặp nguồn sáng lớn, để tự vệ, mắt thu nhỏ lỗ con ngươi => Làm giảm

độ rọi trên võng mạc =>Làm mờ vật quan sát

Hiện tượng lóa mờ phụ thuộc vào độ chói của

nguồn và phương tới của tia sáng trên phương

nhìn

Nếu phương tới của tia sáng hợp với

phương nhìn 1 góc > 640 sẽ không còn gây lóa

II 2 5 T H Ờ I G I A N Q U A N S Á T

Do đặc trưng sinh lý của mắt, càng nhìn lâu mắt càng nhìn rõ vật

Mắt có đủ thời gian để thích nghi với ánh sáng trên vật và bối cảnh.

Qúa trình thích nghi phụ thuộc vào cường độ sáng của hai môi trường chuyển tiếp

Quá trình thích nghi tối mất hàng chục phút, trong khi thích nghi sáng chỉ cần mấy phút.

Khi thiết kế bảng quảng cáo trên 1 tuyến đường, phải chú ý loại phương tiện và tốc độ di chuyển => xác định được thời gian quan sát

II 2 6 H I Ệ N T Ư Ợ N G L Ó A M Ắ T D O Đ Ộ

C H Ó I T R O N G T R Ư Ờ N G S Á N G

b Lóa mất tiện nghi nhìn:

Thực nghiệm cho thấy khi có độ chói lớn hơn 5000 cd/m2 trong trường nhìn sẽ gây lóa nghiêm trọng, làm mất hoàn toàn tiện nghi nhìn

Nguồn gây chói càng nằm sâu trong trườngnhìn thì hiện tượng lóa càng nghiêm trọng

VD: Để chống lóa, phải đặt

vị trí nguồn sáng phù hợp và dùngcác chụp, chao đèn bảo vệ

3 Á n h S á n g M à u - T í n h B a

B i ế n C ủ a T h ị G i á c

1 Ba biến của thị giác.

Màu sắc mà mắt nhìn thấy hoàn toàn phụ thuộc vào độ nhạy của tế bào nón trong mắt người.

Khả năng cảm nhận màu sắc đó đặc trưng bằng ba thông số:

-độ chói: biểu thị số lượng ánh sáng -độ hiện: xây dựng bằng bước sóng màu hỗn hợp -độ thuần khiết: biểu thị độ liên tục của ánh sáng

TÍNH BA BIẾN CỦA THỊ GIÁC

3 Á n h S á n g M à u - T í n h B a

B i ế n C ủ a T h ị G i á c 3.2 Biểu đồ màu RGB.

Khi đặt 2-3 màu liền nhau trên nền trắng, mắt sẽ

thấy màu hỗn hợp có bước sóng trung gian.

-2 trong 3 màu đó có bước sóng ở 2 đầu mút của

-Độ chói của hỗn hợp màu là tổng

độ chói màu thành phần -Bước sóng hỗn hợp cũng phụ thuộc độ chói của màu thành phần

=> Một số màu hỗn hợp cần tỉ lệ màu đỏ là âm Cụ thể đó là những màu nằm trong vùng có bước sóng từ 436 đến 546m

BIỂU ĐỒ MÀU XYZ

3 Á n h S á n g M à u - T í n h B a

B i ế n C ủ a T h ị G i á c 3.3 Biểu đồ màu XYZ.

Hệ thống 3 màu cơ bản ảo XYZ suy

ra từ thệ thống RGB bằng phép

biến đổi tuyến tính

-Màu trắng W là tổng hợp của 1X, 1Y,

HẾT