Фізичні поняття та одиниці

Роль і місце світлології в містобудуванні

Містобудівна діяльність направлена на раціональне освоєння міських територій, принципом якого є максимальна ефективність використання територіальних ресурсів. Генералізація території проходить у два етапи. На першому в ході складання генерального плану міста чи населеного пункту містобудівник вирішує задачі у напрямі диференціації території від загального до окремого, від цілого до елементів системи. Розміри цих елементів будуть більшими або меншими залежно від масштабу і характеру системи. Цими елементами можуть бути різні матеріальні об’єкти. Для планувальної структури міста це будуть житлові й промислові райони, громадські центри, міські парки, транспортна інфраструктура. Для житлового кварталу це житлові будинки, їх групи, установи громадського обслуговування, майданчики для відпочинку, занять спортом, дороги і проїзди.

Другий етап генералізації території постає у процесі складання проекту детального планування, коли відбувається вирішення зворотної задачі містобудівного планування від окремого до загального. На другому етапі відбувається зворотний процес, тепер уже інтегрування елементів у єдине ціле, процес синтезу ідейно-композиційних підходів до створення планувально-просторової структури з урахуванням нормативних вимог і рекомендацій до забезпечення санітарно-гігієнічних, екологічних, транспортних і протипожежних заходів та вимог.

І от саме на цьому етапі повною мірою постають питання формування температурно-вологісного, вітрового, світлового та інсоляційного мікроклімату, а з ними й необхідність у світло-технічних, інсоляційних розрахунках, необхідність побудови гарантійно-інсоляційних зон, обчислення ступеня затінення незабудованої території, його регулювання планувальними заходами і виявлення в результаті оптимальної структури забудови, яка б найефективніше дозволяла використати відведену територію. Для доповнення до кліматичного паспорта міста на цьому етапі виконуються розрахунки, будуються графіки, складаються схеми планів і проводиться аналіз, робляться висновки, вносяться зміни чи корективи до планів та в структуру забудови. У результаті досягається поєднання архітектурно-естетичних уявлень автора з функцією і фізико-кліматичними прогнозами мікроклімату. В ході такого синтезу відбувається вдале чи менш вдале “поєднання світла і конструкції” в забудові.

Роль світла

До 80 – 85% інформації про навколишній світ людина одержує [27] завдяки органам зору. На відміну від більшості представників тваринного світу людина здатна розрізняти навколишнє середовище в кольорі. Без перебільшення можна сказати, що природне освітлення є одним із найважливіших факторів зовнішнього середовища. Світло, діючи через органи зору, викликає збудження організму. Під дією світла перебудовуються фізіологічні і психологічні реакції організму, змінюється загальний тонус та підтримується діяльний стан. Світло впливає на різнобічні фізіологічні процеси в організмі, активізує процеси обміну речовин і підвищує газообмін [12; 27].

У психологічному відношенні воно поряд з інсоляцією сприяє доброму настрою, робить людину бадьорою, життєдіяльною. При недостатньому освітленні приміщень людина стає повільною, обережною, навіть нерішучою. Похмурість і сірість навколишнього середовища знижує фізичну й розумову діяльність людей. У цьому відношенні заслуговують на увагу досліди, що проводились із метою вивчення впливу світла на організм людей, на їх психічний стан при різних умовах освітлення навчальних приміщень.

Вивчення хімічних процесів, які проходять у головному мозку під дією світла, показало, що найбільш чутливо реагує на зміни освітленості маленька гулеподібна залоза, яка виробляє специфічний гормон мелатонін. Його концентрація в організмі залежить від інтенсивності освітленості, і чим нижча інтенсивність освітленості, тим більше мелатоніну, який гальмує активність роботи мозку. Навпаки, під дією яскравого світла кількість цього гормону зменшується і в результаті підвищується тонус, покращується самопочуття, зростає активність організму. З¢ясувалося, що блакитне і синє світло також гальмує вироблення мелатоніну. Ці знання дозволяють виробити належний режим освітлення приміщень. Вивчення оптимальної освітленості навчальних приміщень з¢ясувало, що найсприятливіші умови для праці створюються при наявності достатнього [12, 29] дифузного світла і з цього погляду надмірна тривалість інсоляції приміщень не бажана. Недостатня освітленість приміщень погіршує умови праці, знижує рівень розпізнавання деталей навколишніх предметів, сприяє змінам в органах зору, що ж до дітей – розвивається короткозорість.

Чим довше триває природне освітлення і задовольняє людей за добу, тим менше витрат іде на штучне освітлення. У гігієнічному відношенні воно найсприятливіше. При цьому очі людей комфортно сприймають лише дифузне, відбите світло від поверхонь, а прямі сонячні й відбиті від дзеркальної поверхні промені засліплюють їх.

Складові світлового клімату та сфера різнобічної взаємодії його з архітектурою наведені на рисунку 1.1 [29].

У загальному випадку природне освітлення [27] у забудові створюється прямими і відбитими променями від небосхилу, прилеглої поверхні території й оточуючих елементів забудови, тобто

Е_і = Е_np + E_q + E₃ + E_e , (1.1)

де Е_і – загальна освітленість у даному місці; E_np – освітленість від прямих променів Сонця; E_q – дифузне світло, відбите від небосхилу; E₃ – освітленість за рахунок відбитого світла від землі (прилеглої території); E_e – освітленість за рахунок променів, відбитих від елементів забудови.

На освітленість приміщень на відміну від цього впливає ще й світло, відбите від поверхонь стін, стелі, підлоги і навколишніх предметів. Природна освітленість приміщень вважається задовільною, якщо у найвіддаленіших місцях вона не нижче від критичної, встановленої за гігієнічними умовами спостереження чи виконання певної роботи.

Величина освітленості від прямих променів, як і дифузне світло, зележить від стану атмосфери, географічної широти місцевості, пори року та часу дня. При ясному небосхилі освітленість від прямих променів залежить від пори року і висоти стояння Сонця, а дифузне світло є функцією розподілу яскравостей неба та землі й тому може бути визначене через середню яскравість
небосхилу [35].

Рис. 1.1. Функції світла

Джерела світла

Головним джерелом природної енергії є Сонце. Активність сонячного випромінювання не постійна і носить циклічний характер залежно від змін, які відбуваються на Сонці. Сонячна активність чергується з періодами відносного спокою. Активність сонячного випромінювання проявляється у спалахах на його поверхні, і тоді від нього в екваторіальній площині у межах сонячної магнітосфери спрямовуються плазмові потоки, магнітне поле яких зростає до колосальних величин у міру віддалення від нього. Ці потоки поступово охолоджуються та загинаються, замикаючись на протилежному боці Сонця, змінюючи знак магніту на протилежний. Потоки магнітосфери на своєму шляху захоплюють космічний пил, який і потрапляє у фотосферу, утворюючи плями з дещо нижчою температурою. Існують й інші, більш складні теорії плямоутворення на Сонці [10]. Циклічний процес плямоутворень на Сонці відчутно впливає на земні процеси у живій і неживій природі, про які докладно розповідається у працях О.Л. Чижевського, О.І. Опаріна, С.І. Вавілова та багатьох інших учених.

За інтенсивністю і часом дії природне освітлення поділяється на денне, присмеркове й нічне. Кожен із цих видів природного освітлення характеризується різними рівнями, різними співвідношеннями між освітленістю від прямого потоку та розсіяним світлом; різним розподілом яскравості на уявній поверхні неба, відмінним спектральним складом випромінювання і динамікою освітлення.

Сонце – це величезна куля з радіусом R = 696000 км, що у 110 разів більша від Землі, і відстань між ними дорівнює 149,6 млн. км [10, 29, 93]. Кожного року Земля одержує близько 6×10¹⁷ кВт×год променевої енергії. Це на сьогодні у 20 тис. раз перевищує потреби людства в енергії. Люди вже приступили до прямого використання сонячної енергії, але для серйозного промислового її використання необхідно буде покрити великі території суші напівпровідниковими плівками і пластинами. Можливо, більш раціональним виявиться використання вітрової енергії, яка породжена також сонячними випромінюваннями.

Фізичні поняття та одиниці

Випромінювання – це особлива форма матерії з масою спокою, що дорівнює нулю, і рухається у безповітряному просторі з постійною швидкістю 299,792×10⁶ м/с. Променевою енергією [29] називається енергія випромінювання будь-яких тіл із температурою поверхні, що вища від температури абсолютного нуля.

Енергія випромінювання вимірюється в джоулях і позначається – Q_e. Для практичного оцінювання променевої енергії використовується поняття [44] променевого потоку Ф_е, що випромінює енергію в одну секунду, тобто

, Вт (Дж/с). (1.2)

Величину відносної спектральної світлової ефективності випромінювання, одержану за показаннями селенового приймача з нормальною спектральною чутливістю, називають світловим потоком Ф_v, який вимірюється в люменах (лм):

лм, (1.3)

де – відносна спектральна світлова ефективність;

– потік випромінювання світла [44, 86] в інтервалі довжини хвиль від l до dλ;

l+Dl; l – довжина світлової хвилі у нанометрах (нм) (1 нанометр дорівнює 1/10000 мм);

K_m – коефіцієнт приймача світлового потоку.

Люмен – це світловий потік, що випромінюється одиничним тілесним кутом (стерадіан), рівномірним точковим джерелом світла силою в 1 Кд (канделу).

Сила світла характеризується відношенням світлового потоку, що надходить від джерела і розподіляється в середині елементарного тілесного кута із заданим направленням, до величини цього елементарного кута:

Кд, (1.4)

де dФ_v – світловий потік, лм;

dW – елементарний просторовий кут, стер.

Одиниця сили світла – кандела (Кд), яка дорівнює силі світла, що надходить із поверхні площею (1/600000) м² повного випромінювача у перпендикулярному напрямку при температурі випромінювача, котра дорівнює температурі затвердіння платини при тиску 101325 Па (Н/м²). Раніше називали цю одиницю 1 свіча (св). 1 св = 1Кд.

Тілесний кут визначається за формулою

W = S / r², стер, (1.5)

де S – площа, м², яку тілесний кут вирізає на поверхні сфери, описаної з вершини, радіусом r, м.

Поряд із силою світла І_v другою векторною величиною є яскравість світла. Це величина, яка безпосередньо сприймається оком. Яскравість елемента поверхні являє [44] собою поверхневу (рис. 1.3.) щільність сили світла у заданому напрямку, яка визначається відношенням сили світла І_v від даного елемента у заданому напрямку до площі проекції елемента на площину, перпендикулярну до заданого напрямку:

. (1.6)

Освітленість у точці поверхні визначається відношенням світлового потоку, падаючого на елемент поверхні із заданою точкою М, до площі цього елемента [29, 44]:

(1.7)

де dA – елемент висвічуючої поверхні з точкою М.

Освітленість у 1 люкс (лк) створюється світловим потоком у 1 лм, який рівномірно розподілений на поверхні в 1м².

Яскравість у точці М поверхні приймача в даному напрямку являє відношення освітленості, створеної в точці приймача на площині, перпендикулярній даному напрямку, до елементарного тілесного кута, в якому замкнений світловий потік, що створив цю освітленість:

. (1.8)

Для плоскої рівнояскравої в усіх напрямках поверхні спостереження справедливе співвідношення

. (1.9)

Звідки: І_a =І×cosa, тобто висвітлююча плоска поверхня спостереження з однаковою яскравістю в усіх напрямках висвітлює світло за законом косинуса. Для таких поверхонь зручніше визначати поверхневу щільність випромінюваного ними світлового потоку, яка називається світимістю і являє відношення світлового потоку, випромінюваного елементом поверхні із заданою точкою, до площі цього елемента:

. (1.10)

Якщо позначити коефіцієнт світловідбиття від поверхні r, а відбитий потік від площини Ф_r, то при рівномірному висвітленні поверхні можемо записати:

. (1.11)

У такому випадку між яскравістю та освітленістю поверхні буде залежність

. (1.12)

При проникненні світлового потоку через матове, молочне скло з коефіцієнтом пропускання τ, яскравість поверхні скла визначатиметься залежністю

. (1.13)

За характером розподілення світлових потоків, відбитих поверхнею або пропущених через прозоре тіло, розрізняють їх види:

а) направлене світловідбиття, або пропускання від дзеркальних чи полірованих та металевих поверхонь або світлопропускання через звичайне скло;

б) направлено-розсіяне світловідбиття, або пропускання від пофарбованих глянцевих поверхонь чи світлопропускання через матове скло;

в) розсіяне (дифузне) світловідбиття від оштукатурених (тинькованих) поверхонь стін, стелі чи пропускання світла через молочне скло.

При направленому і направлено-розсіяному світловідбитті характеристикою розподілення яскравостей у різних напрямках стає коефіцієнт яскравості r_a, який дорівнює

(1.14)

де L_a – яскравість поверхні під кутом a;

L_о – яскравість ідеальної світловідбиваючої поверхні з коефіцієнтом r = 1 й однаковою освітленістю з досліджуваною поверхнею.

Ф_і = Ф_r + Ф_r + Ф _a, лм. (1.15)

Розділивши обидві частини рівняння на Ф_і, одержимо

1 = r + r + a, (1.16)

де r – коефіцієнт світловідбиття, що дорівнює Ф_r/Ф_і; r – коефіцієнт світлопропускання, відповідно Ф_r/Ф_і; a – коефіцієнт поглинання енергії світла – Ф_a/Ф_і.

При рівномірному розподіленні світлового потоку на поверхні освітленість у точці буде визначатися за формулою

(1.17)

де Ф_v – світловий потік, лм; А – площа поверхні, м²; І – сила світла, Кд; d – відстань від точки визначення освітлення до точкового джерела світла, м.

Освітленість у точках приміщення залежить не тільки від віддалення від вікна, а також від яскравості видимої частини небосхилу або від величини світлового потоку чи освітленості під відкритим небом. Щоб унезалежити рівень освітленості від величини яскравості небосхилу, було визнано корисним оцінювати рівень освітлення через коефіцієнт природного освітлення, який визначається за формулою

е_м = Е_м × 100% /Е_н, (1.18)

де Е_м – освітленість приміщення у точці М; Е_н – освітленість під відкритим небосхилом, лк.

Звідси освітленість у точці М дорівнює

Е_м = е_м Е_н / 100%. (1.19)