Сьогодні розповімо все про формулою освітленості для відкритої місцевості і приміщення, а також наведемо величини світлового потоку при різних обставинах.

Свічка і прядка

До широко поширеної електрифікації джерелом світла були сонце, місяць, багаття і свічка. Вчені вже у п'ятнадцятому столітті вміли створювати систему лінз для посилення освітленості, але більшість людей працювали і жили при свічках. Деяким було шкода витрачати гроші на воскові джерела світла, або цей спосіб продовжити день був просто недоступний. Тоді використовували альтернативні варіанти палива – масло, жир тварин, дерево. Наприклад, російські селянки середньої смуги все життя ткали льон при світлі скіпки. Читач може запитати: «Чому це треба було робити вночі?» Адже коефіцієнт природної освітленості днем набагато вище. Справа в тому, що в світлий час доби у селянок було безліч інших турбот. Крім того, процес ткацтва досить клопітка і вимагає спокою. Жінкам було важливо, щоб ніхто не наступав на полотно, щоб діти не плутали нитки, а чоловіки не відволікали.


Але при такому житті є одна небезпека: світловий потік (формулу ми приведемо трохи нижче) від скіпки дуже низький. Очі перенапрягались, і жінки швидко втрачали зір.

Освітлення і навчання

Коли першокласники йдуть в школу першого вересня, вони з хвилюванням чекають чудес. Їх захоплюють лінійка, квіти, красива форма. Вони цікавляться, якою буде їхня вчителька, з ким вони будуть сидіти за однією партою. І ці відчуття людина запам'ятовує на все життя. Але дорослі, коли відправляють дітей до школи, повинні подумати про більш прозаїчні речі, ніж захоплення або розчарування. Батьків і вчителів турбує зручність парти, розмір класної кімнати, якість крейди і формула освітленості приміщення. Ці показники мають норми для дітей всіх віків. Тому школярі повинні бути вдячні за те, що люди заздалегідь продумали не тільки навчальну програму, але і матеріальну сторону питання.

Освітлення і робота

Недарма в школах проводяться перевірки, в яких застосовується формула розрахунку освітленості кімнат для занять. Діти десять чи одинадцять років тільки й роблять, що читають і пишуть. Потім вони ввечері виконують домашнє завдання, знову не розлучаючись з ручками, зошитами та підручниками. Після чого сучасні підлітки ще й втупляються в різноманітні екрани. У підсумку все життя школяра пов'язана з навантаженням на зір. Але школа – тільки початок життєвого шляху. Далі всіх цих людей чекає внз і праця. Кожен вид робіт вимагає свого світлового потоку. Формула розрахунку завжди враховує, що людина робить по 8 годин на добу. Наприклад, годинникар або ювелір повинен розглядати найдрібніші деталі і відтінки кольорів. Тому робоче місце людей цієї професії вимагає великих і яскравих ламп. А ботаніку, який вивчає рослини тропічного лісу, навпаки, необхідно постійно перебувати в напівтемряві. Орхідеї і бромелии звикли до того, що верхній ярус дерев відбирає майже весь сонячне світло.

Формула

Підходимо безпосередньо до формули освітленості. Її математичне вираз виглядає так: E ? = d? ? /d?. Розглянемо ближче. Очевидно, що E ? – це і є освітленість, тоді ? ? – це світловий потік, а ? – мала одиниця площі, на яку потік падає. Видно, що Е - величина інтегральна. Це означає, що розглядаються дуже невеликі відрізки і шматочки. Тобто вчені підсумовують освітленість всіх цих маленьких ділянок, щоб отримати кінцевий результат. Одиниця освітленості – люкс. Фізичний зміст одного люкси – це такий світловий потік, для якого на один квадратний метр припадає один люмен. Люмен, в свою чергу, – це дуже конкретна величина. Вона позначає світловий потік, який випромінює точковий ізотропний джерело (отже, монохроматичне світло). Сила світла джерела дорівнює одній канделе в тілесний кут один стерадиан. Одиниця освітленості складна величина, яка включає поняття «кандела». Фізичний зміст останнього визначення такий: сила світла в відомому напрямку від джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частотою 540·10 12 Гц (довжина хвилі лежить в видимої області спектру), причому енергетична сила світла дорівнює 1/683 Вт/ср

Поняття, пов'язані з освітленістю

Звичайно, всі ці поняття на перший погляд схожі на сферичного коня у вакуумі. Таких джерел не існує в природі. І уважний читач неодмінно задасть собі питання: «Навіщо це потрібно?» Але у фізиків є необхідність порівнювати. Отже, їм доводиться вводити якісь норми, на які треба орієнтуватися. Формула освітленості проста, але багато що може бути незрозуміло. Розкриємо це детальніше.

Індекс «?»

Індекс ? означає, що величина не зовсім фотометрична. І пов'язано це з тим, що людські можливості обмежені. Наприклад, око сприймає тільки видимий спектр електромагнітного випромінювання. Причому центральну частину цієї шкали (відноситься до зеленого кольору) люди бачать набагато краще, ніж крайові області (червоний і фіолетовий). Тобто фактично людина не сприймає 100% фотонів жовтого або блакитного кольору. При цьому існують прилади, позбавлені такої похибки. Редуковані величини, якими оперує формула освітлення (світловий потік, наприклад) і які позначають грецькою буквою «v», мають поправку на людський зір.

Генератор монохроматичного випромінювання

У самій основі, як вже було сказано вище, лежить кількість фотонів з певною довжиною хвилі, які випускаються в певному напрямку за одиницю часу. Навіть самий монохроматичне лазер має деякий розподіл за довжинами хвиль. І вже точно він повинен на чомусь триматися. Отже, фотони випускаються не в усіх напрямках. Але у формулі фігурує таке поняття, як «точкове джерело світла». Це чергова модель, покликана уніфікувати деяку величину. І жоден об'єкт всесвіту не може так називатися. Отже, точковий джерело світла – це генератор фотонів, який випромінює рівну кількість квантів електромагнітного поля у всіх напрямках, його розмір дорівнює математичної точки. Однак є одна хитрість, вона може зробити реальний об'єкт точковим джерелом: якщо відстань, на яке долітають фотони, дуже велика в порівнянні з розмірами генератора. Таким чином, наша центральна зірка Сонце – це диск, а ось далекі зірки – це точки.

Альтанка, колодязь, парк

Напевно уважний читач помітив наступне: в яскравий сонячний день відкрита місцевість здається освітленій набагато сильніше, ніж закрита з одного боку поляна або галявина. Тому берег моря так манить: там завжди сонячно та тепло. А ось навіть велика галявина в лісі – більш темна і холодна. І неглибокий колодязь погано освітлений в найяскравіший день. Це тому, що якщо людина бачить тільки частину небосхилу, до його очі долітає менше фотонів. Коефіцієнт природної освітленості так і обчислюється як співвідношення потоку світла від усього небосхилу до видимого ділянці.

Коло, овал, кут

Всі ці поняття мають відношення до геометрії. Але зараз мова піде про явище, яке безпосередньо відноситься до формули освітленості і, отже, до фізики. До цього моменту вважалося, що світло падає на поверхню перпендикулярно, строго вниз. Це, звичайно ж, теж наближення. При дотриманні цієї умови видалення від джерела світла означає падіння освітленості пропорційно квадрату відстані. Таким чином, зірки, які людина бачить неозброєним оком на небі, або розташовані не так далеко від нас (вони відносяться до галактиці Чумацький Шлях), або дуже яскраві. Але якщо світло падає на поверхню під кутом, все інакше. Уявіть собі ліхтарик. Він дає кругла пляма світла, коли спрямований строго перпендикулярно стіні. Якщо його нахилити, то пляма змінить форму на овал. Як відомо з геометрії, у овалу площа більше. А раз ліхтарик все той же, значить, і сила світла та ж, але вона як би «розмазана» на велику площу. Сила світла залежить від кута падіння за законом косинуса.

Весна, зима, осінь

Заголовок звучить як назва гарного фільму. Але наявність сезонів безпосередньо залежить від кута, під яким падає світло у своїй найвищій точці на поверхню планети. І в даний момент мова йде не тільки про Землю. Сезони існує на будь-якому об'єкті сонячної системи, вісь обертання якого нахилена по відношенню до екліптики (наприклад, на Марсі). Читач, напевно, вже здогадався: чим більше кут нахилу, тим менше фотонів припадає на квадратний кілометр поверхні в секунду. Значить, тим холодніше буде сезон. У момент найбільшого відхилення планети півкулі панує зима, в момент найменшого – літо.

Цифри і факти

Щоб не бути голослівними, наведемо деякі дані. Попереджаємо: усі вони усереднені і для вирішення конкретних завдань не годяться. Крім того, існують довідники освітленостей поверхонь різними типами джерел. Краще звертатись до них при проведенні розрахунків.

На відстані від Сонця до будь-якої точки простору, яка приблизно дорівнює відстані до Землі, освітленість становить сто тридцять п'ять тисяч люкс.

Наша планета володіє атмосферою, яка поглинає частину випромінювання. Тому поверхня землі висвітлена максимально на сто тисяч люкс.

Влітку середні широти опівдні висвітлені на сімнадцять тисяч люкс в ясну погоду і на п'ятнадцять тисяч люкс – в похмуру.

Вночі в повний місяць освітленість складає дві десяті люкс. Світло зірок у безмісячну ніч дарує всього лише одну-дві тисячні люкса.

Для читання книги необхідна освітленість мінімум тридцять-п'ятдесят люкс.

Коли людина дивиться фільм у кінотеатрі, світловий потік складає близько ста люкс. Самі темні сцени будуть мати показник у вісімдесят люкс, а зображення яскравого сонячного дня «потягне» на сто двадцять.

Захід або схід Сонця над морем дасть освітленість приблизно в одну тисячу люкс. При цьому на глибині п'ятдесяти метрів освітленість буде становити близько 20 люкс. Вода дуже добре поглинає сонячне світло.