Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Свет в архитектуре

Лекция № 1. Предмет и место дисциплины в творчестве архитектора. Влияние систем естественного освещения на здание

архитектурный освещение градостроительство

Архитектурная светофизика - это наука, изучающая приемы оптимизации свето-инсоляционной среды в зданиях и городских структурах на основе законов распределения естественного излучения Солнца.

Свет является важным композиционным средством в архитектуре. "Важнейшими материалами для архитектора являются солнце (свет), бетон, металл, стекло, деревья, трава и т.д. При этом последовательность перечисления соответствует их важности" (Корбюзье).

Форма любой архитектурной детали по-разному воспринимается в зависимости от характера освещения. Прямому (сильному) освещению свойственны резкая профилировка, глубокие контрастные тени, некоторая грубость воспринимаемой формы. Мягкое рассеянное освещение, наоборот, сглаживает детали, часто совсем не создает теней, как бы лишает вещь объема. Эти качества света широко использовали мастера прошлого.

Предметом изучения в данной дисциплине являются прежде всего системы естественного освещения зданий, сами здания и их взаимное расположение между собой и с элементами градостроительных структур.

Значение световых проемов в зданиях велико и многогранно.

С архитектурно-художественной точки зрения окна и фонари, витрины и витражное остекление существенную роль играют при формировании композиции интерьера и экстерьера здания, определяя ритм и масштабность, зрительно могут раздвигать или сдвигать внутренние стены, удлиняя или расширяя, таким образом, пространство в помещениях.

С функциональной точки зрения через светопрозрачные ограждения освещается внутренний объем помещения, создавая определенные условия зрительной работы. Через окна и фонари также осуществляется естественная вентиляция помещений, что очень важно для создания благоприятного температурно-влажностного режимов внутренней среды.

Нельзя недооценивать и санитарно-гигиеническое значение остекления, через которое проникают солнечные лучи, создавая определенные инсоляционный и температурно-радиационный режимы помещения. При этом резко сокращается количество болезнетворных организмов, возбудителей различных инфекционных заболеваний.

Следует особенно отметить и психологическую роль светопроемов. Именно они являются связующим звеном между окружающим здание пространством и замкнутой внутренней средой. При наличии этого звена человек в здании чувствует себя спокойным и уверенным, т.к. сохраняется множество положительно действующих на человека природных факторов.

Светопрозрачные ограждения оказывают большое влияние на стоимость здания, особенно значительными являются эксплуатационные расходы. И, наконец, велика их роль в энергетическом балансе здания, потому что через глухие части ограждения проходит тепла в два-четыре раза меньше, чем через остекленные поверхности.

Данная дисциплина рассматривает приемы оптимизации среды в зависимости от различных условий и позволяет специалисту архитектору придти к единственно правильному решению.

1.1 Исторические примеры решения свето-инсоляционной среды и их анализ

Египетские храмы Нового Царства, как известно, состояли из нескольких пространств, следовавших друг за другом. Первое - открытый двор, окруженный колоннадой, был залит солнцем. Всякий, проходящий через этот двор, адаптировался на высокие яркости неба, колонн и пола. За двором располагается гипостильный зал, ограниченный с боков глухой стеной с небольшими отверстиями для проветривания помещений. Зал освещается через проемы, расположенные в перепаде высот среднего и боковых нефов… Полусумрак гипостильного зала сгущается по направлению к святилищу, куда имели доступ только жрецы. Простые смертные могли видеть святилище только после длительного пребывания в зале. Приближаясь к нему, молящиеся постепенно теряли связь с миром, солнцем, все более подчинялись власти мистики и мрака. Здесь архитекторы умело использовали световую и темновую адаптацию зрения. По свидетельству исследователей, египетские мастера храмов Нового Царства ввели в архитектуру движение, открыли красоту световых контрастов и полутонов и использовали свет как средство эмоционального воздействия.

Греки освещали свои храмы через гиперфральные отверстия в крыше, заполненные полупрозрачными плитками белого мрамора, и через двери, обращенные на восток. Благодаря этому в утренние часы в храме создавалось мягкое общее рассеянное освещение, а пучок лучей восходящего солнца сильно освещал богато украшенную статую божества, расположенную напротив входной двери. Здесь так же использовалось контрастное освещение, которое подчеркивало значимость божества и отрывало мирян от реальной жизни и способствовало появлению в создании молящихся радужных грез и стремлению к совершенству. Солнечный прямой свет в сочетании с рассеянным светом, проходящим через плитки мрамора, делали интерьер храма в эти часы очень выразительным.

Интерьер Римского Пантеона - это гармония архитектуры и света. Гигантская ротонда перекрыта куполом и освещена сверху единственным круглым отверстием диаметром 8,9 м. Нет другого примера в истории архитектуры, где световой проем имел бы такое важное композиционное значение. Это центр композиции и центр внимания посетителей. Проникающий через отверстие свет создает сдержанное равномерное освещение, усиливающее впечатление сосредоточенности и покоя от всей композиции сооружения. Отверстие в куполе, через которое видно небо, придает интерьеру глубину, и пространство Пантеона кажется грандиозным.

Так светом утверждается архитектурный образ, создается настроение, соответствующее художественному замыслу.

Знаменательно, что купол Пантеона является, вероятно, символическим воспроизведением небосвода: "Я же думаю, что название (Пантеон) происходит от того, что храм имеет купольное покрытие, напоминающее небо" (Кассий Дион).

Интерьер собора св. Софии в Стамбуле - другой классический пример световой архитектуры. Здесь свет - организующее начало интерьера и его примечательность. Известный французский теоретик в области архитектуры Виоле-Дюк так пишет о роли света в интерьере собора: "Помимо впечатления, производимого структурой, световые отверстия, пробитые у основания куполов, отличаются еще тем преимуществом, что освещают слой воздуха внутренней поверхности купола. Эта воздушная пелена, освещаемая таким образом, образует светящуюся дымку между глазом наблюдателя и верхними мозаиками, которые без этого слоя, подобного лессировке, казались бы "жесткими" и слишком яркими. Таким образом, мозаики, напротив, приобретают прозрачный тон, благодаря которому они кажутся выше и легче".

В целом световое решение композиции собора св. Софии подчеркивает значение сферических форм, особенно купола. Этой цели служат многочисленные арочные светопроемы, устроенные в нижней части купола и полукуполов, а так же нарастающая от периферии к центру интенсивность световых потоков, которая достигает своей кульминации в обильном освещении подкупольного пространства из под сферы через 40 проемов в ее основании. Залитый светом купол как бы парит над всем интерьером, подчеркивая его воздушность и пространственность.

Византийский писатель VI в. Прокатий пишет о куполе: «Кажется, что он не покоится на каменной клади, а свисает с неба на золотой цепи».

Новые конструктивные приемы готической архитектуры обусловили и новое световое решение внутреннего пространства. Нервюрный каркас позволил предельно уменьшить толщину сводов и стен, ввести в последние обширные площади светопрозрачных ограждений увеличив, таким образом, пространство интерьера. Система легких опор и вынесенных наружу подпорных элементов также способствовала созданию пространственного интерьера, в котором масса стен «растворяется» в обильно освещенном, динамическом пространстве.

Готическая конструктивная система способствовала и преодолению замкнутости интерьера: огромные стрельчатые окна заполняют плоскости между опорами. К проемам в боковых стенах прибавилось круглое окно-роза, устраиваемое на главном фасаде и обычно повторяющееся в торцах трансепта (поперечный неф). Трифорий (аркада во втором ярусе центрального нефа, а так же узкая галерея, расположенная за аркадой) при устройстве плоскостей крыши под боковыми нефами также иногда превращался в дополнительную ленту проемов. Окна имели сложные по рисунку резные переплеты, которые обычно состояли из нескольких фигурных рам, последовательно вставляемых в другие. Другие переплеты заполнялись витражами часто с изображениями святых или отдельных культовых сцен. Свет, проходивший сквозь цветные стекла, создавал настроение таинственности, потусторонности.

Пластическая разработка готических фасадов посредством включения в композицию световых проемов и других структурных элементов (нефов, башен, аркбутанов и т.п.) привела к стремлению «демонстрации» массы посредством ее всемерного декоративного расчленения.

Для архитектуры барокко характерно стремление к усложненной композиции интерьера, создающей впечатление богатства и силы. Для достижения этой цели архитекторы светом разрушали грань между пространством и плоскостью. Свет в их руках - живописное средство. Игра рефлексов и бликов, светотени и отражений, создание всякого рода иллюзий, основанных на резких перепадах яркостей при движении посетителя к центральной части собора, умело использованы как средства архитектурной композиции.

Исследователь архитектуры барокко Г. Вельфлин так оценил роль света в этом архитектурном стиле: «Раньше всего живописный стиль заботится о световых эффектах. Бездонность темной глубины, магия света, льющегося с неизмеримой высоты купола, переход от темного к светлому и еще более светлому - вот те средства, которыми он располагает. Пространство, которое ренессанс освещал равномерно и которого он себе не мог иначе представить, как тектонически замкнутым, растворяется в бесконечности.

Главная роль купола - открыть церкви потоки верхнего света, придающего ее внутреннему пространству торжественный характер. В противоположность этому неземному свету большая часть корпуса продолговатого в плане храма остается сравнительно темною, глубина же приделов подчас совершенно тонет во мраке. Пространство кажется безграничным».

Это описание относится, в частности, к интерьеру собора св. Петра в Риме, безграничность пространства которого производит большое впечатление.

Свет в интерьере русской церкви всегда выполнял не только утилитарную, но и эстетическую роль. Обращает внимание логичное расположение световых барабанов в плане церкви. Главный барабан акцентирует светом центральное средокрестие плана - архитектурный центр постройки. Свет, льющийся сверху, подчеркивает весь вертикальный строй интерьера, он вторит его величию и является его неотделимой частью.

Современная архитектура располагает достаточным количеством примеров мастерского использования света для архитектурных целей.

В 1958г. на Всемирной выставке в Брюсселе архитектор Э. Стоун построил павильон США, в котором архитектура, конструкция и освещение представляют собой единое целое.

Более поздний пример - олимпийский стадион в Токио (архитектор К.Танге), построенный в 1963г. Достопримечательность стадиона - покрытие, сделанное в форме гипара. Чувство света подсказывает Танге прием верхнего освещения стадиона, при котором скользящий свет делает пластически выразительной форму покрытия.

Мастера прошлого широко использовали формообразующие качества света, что способствовало благоприятному восприятию архитектурного сооружения, как целиком, так и его деталей. В различные эпохи выработался ряд традиционных архитектурных приемов, основанных на этих качествах. Высокое стояние солнца и почти полное отсутствие облачности в Египте определили, например, мелкий рельеф египетских орнаментов и профилировок. На многих греческих зданиях можно заметить различную глубину профилировки деталей на северных и южных фасадах. Этот прием применялся также и в древней русской архитектуре. Формообразующими свойствами света были продиктованы и утолщения крайних колонн портиков, и легкая выпуклость центральной части пола, и некоторые другие приемы греческой архитектуры, способствовавшие ее высокому совершенству. Глубокая профилировка готических соборов Европы и в особенности силуэтный характер северных русских храмов являются классическими примерами решений, продиктованных условиями естественного освещения.

Как видим, те зодчие, которые наряду с другими качествами, смогли подчинить свои решения характеру естественного освещения, создавали высокохудожественные и функционально полноценные архитектурные сооружения. И наоборот, пренебрежение этим фактором и отсутствие в арсенале архитектора приёмов световой архитектуры часто приводит к существенным недостаткам даже в весьма известных произведениях. Достаточно привести только два примера.

Знаменитые здания улицы Росси в Санкт-Петербурге имеют неудовлетворительное естественное освещение в верхних этажах. Небольшие полукруглые окна, расположенные у самого пола, способны осветить только собственные подоконники, оставляя в темноте все помещения; даже в летние дни в большинстве помещений приходится пользоваться искусственным освещением.

Плохое естественное освещение Исаакиевского собора явилось результатом неудачных, хотя и многократных, попыток Монферрана найти способ освещения, не выходя за рамки принятого им архитектурного решения. Полукруглые окна в верхней части основного объёма собора выходят на так называемую «световую галерею» с верхним световым фонарем. Поэтому в собор попадает через эти окна только свет, отраженный от стены галереи. Интересно отметить, что повышение яркости оконных проемов с помощью люминесцентных ламп (1957 г.) показало возможность использования выбранной Монферраном системы освещения собора и совершенно неудовлетворительное ее первоначальное конструктивное решение.

Нет надобности приводить примеры многочисленных неудачных решений естественного освещения в современных архитектурных сооружениях, когда не только нарушались элементарные правила устройства светопроемов, но и понижалось качество архитектуры в целом. Единство архитектурного и светового решений всегда способствует наилучшему восприятию сооружения и обеспечивает выполнение функциональных и технологических требований.

Лекция № 2. Глаз и его работа

При восприятии объектов наблюдения глаз человека затрачивает определенные усилия. Эти затраты тем значительнее, чем хуже условия зрительного восприятия. и наоборот, чем более световая среда приспособлена к работе глаза, тем меньше зрительная система затрачивает биологической энергии.

Создание световой среды, наиболее приспособленной к потребностям глаза, к деятельности человека - основная задача архитектурной светофизики. Чтобы сознательно подходить к решению такой задачи, архитектуру необходимо иметь хотя бы общее представление о строении глаза и функционировании его систем.

Глаз - удивительный орган со сложным строением и очень сложной и важной функцией. В задачи органа зрения человека входит обнаружение различия в яркости, различать мелкие детали, воспринимать цвет, форму, величину, характер поверхности, движение и мерцание. Полученная таким образом информация передается в мозг, где происходит ее глубокая переработка и анализ. В результате у человека возникают соответствующие ощущения, т.е. происходит чувственное познание внешнего мира. Человек работает, отдыхает, любит, радуется, грустит - все эти состояния возможны благодаря органам чувств, среди которых зрение играет основную роль.

Однако значение зрительного органа для человека гораздо важнее, чем просто орган, подобно «почтальону» передающий информацию.

Так например, ученные провели такой опыт. Детенышей шимпанзе выращивали в темноте и лишь на короткое время включали слабый рассеянный свет. В результате сдвиги в худшую сторону касались не столько зрения, сколько самого мозга. Условные рефлексы у таких животных возникают намного медленнее, чем у животных, живших в обычной обстановке. А причина в том, что «у животных лишенных зрительных ощущений, соответствующие нейроны не развивались в биохимическом отношении», - как следует из интереснейших исследований работы мозга видного физиолога Хозе Дельгадо.

Следовательно, зрение не только связано с нервной системой человека и влияет на ее функционирование, но и имеет большое значение для нормальной работы мозга. Физиология второй половины ХХ века на основании многочисленных экспериментов четко определила: «Глаз - это часть мозга, выдвинутая на периферию», т.к. уже на уровне сетчатки глаза происходит очень эффективная переработка информации. Итак, от состояния световой среды окружающего пространства, ее качества зависят мыслительные способности мозга.

2.1 Строение глаза

Внешняя оболочка глазного яблока, имеющего близкую к сферической форму, - склера (греч. - твердый) - представляет собой твердую, белую, почти непрозрачную оболочку (рис. 1). Склера обеспечивает глазу сохранение формы и защищает его внутренние среды от внешних воздействий. В передней части глазного яблока склера переходит в более выпуклую и совершенно прозрачную оболочку, называемую роговицей. От нее в основном зависит оптическая сила глаза благодаря ее большой изогнутости и тому, что ее передняя поверхность, обычно соприкасающаяся с воздухом, является той единственной поверхностью раздела, на которой происходит заметное изменение показателя преломления. Как видно из рис. 1, следующим за склерой внутренним слоем является сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих веществами глаз. В передней части сосудистая оболочка переходит в радужную оболочку, состоящую из кровеносных сосудов. От цвета большинства пигментных клеток зависит «цвет» глаз.



Рис. 1. Горизонтальный разрез правого глаза человека.

В центре радужной оболочки имеется отверстие, называемое зрачком, который играет роль, подобную диафрагме в фотографическом аппарате. Система радиальных и кольцевых мышц радужной оболочки изменяет диаметр отверстия зрачка, что, в свою очередь, регулирует яркость оптического изображения на сетчатке.

Здесь следует отметить интересную деталь - радужная оболочка тесно связана нервными волокнами с центрами головного мозга, которые руководят работой всех внутренних органов и систем организма. Их функционирование (нормальное - ненормальное, здоровое - нездоровое) посредством этой связи отражается на характере рисунка и пигментации радужной оболочки, что позволяет довольно-таки точно определить вид заболевания, т.е. поставить диагноз. Это направление в медицине называется иридодиагностикой.

Непосредственно за радужной оболочкой по оси зрачка расположен эластичный хрусталик, который подвешен к внутренним стенкам глазного яблока специальными цилиарными мышцами, изменяющими его кривизну и фокусирующими взгляд на различно расположенные предметы. Хрусталик представляет собой прозрачную двояковыпуклую, упругую линзу и имеет назначение, подобное системе линз в объективе фотоаппарата.

Пространство за хрусталиком заполнено студенистым, совершенно прозрачным веществом - стекловидным телом.

Роговица, глазные среды и эластичный хрусталик образуют эффективную систему фокусировки, создающую четкое изображение на внутреннем слое оболочки глаза, называемого сетчаткой. Именно в сетчатке формируется информация о цвете, размерах, движении и других характеристиках изображения. Эта информация, в сочетании с другими сенсорными данными, поступающими в данный момент и хранящимися в памяти, обеспечивает зрительное восприятие.

В сетчатке глаза имеется 127 млн светочувствительных клеток - фоторецепторов. От них к мозгу идут 800 тыс. нервных волокон. Следовательно, на каждые 150 клеток одно волокно - это значит в сетчатке осуществляется анализ информации. По нервам сигналы поступают в различные отделы мозга, а затем в зрительную кору полушарий. Из визуального сигнала на каждом этаже извлекается самое существенное, чтобы потом на более высоком уровне с этой информацией удобно было оперировать.

Строение сетчатки чрезвычайно сложно. Обычно в ней различают десять абсолютно прозрачных слоев, в которых расположены структуры, производящие первичную обработку информации. Во втором от сосудистой оболочки слое находятся два вида фоторецепторов - палочки и колбочки, осуществляющие преобразование световых сигналов в электрическое и химическое возбуждение. Это преобразование заключается в следующем. Кванты света поглощаются специальным веществом - зрительным пигментом, находящимся в палочках (родопсин) и в колбочках (иодопсин). При этом происходит химическая реакция, в результате которой появляется электрический сигнал. Затем вещество меняет свою структуру и обесцвечивается. Через некоторое время с помощью элементов, поступающих извне, зрительный пигмент возвращается в исходное состояние - иными словами, происходит его регенерация.



Рис. 2. Схема расположения мышц глаза (вид правого глаза сверху)

Палочки и колбочки распределены по сетчатке очень неравномерно. В центральной части (в районе пересечения оптической оси с задней стенкой глазного яблока) преобладают колбочки, которые обеспечивают цветовое зрение. В месте пересечения зрительной оси и сетчатки (рис. 1) расположена центральная ямка (точка фиксации) - область максимальной остроты зрения (или наилучшего видения). В точке фиксации формируется изображение при движении глаза и головы, когда детали объекта должны быть рассмотрены с наибольшей точностью. В центральной ямке сосредоточены только колбочки.

На периферии преобладают палочки, которые очень чувствительны к свету, но не различают цветов. Поэтому в период сумерек и в ночное время, т.е. когда уровни освещенности малы, работают только палочки. Колбочки же гораздо менее чувствительны к свету, чем палочки. И они рассчитаны на восприятие высоких уровней освещенности, т.е. работают в дневное время суток.

В соответствии с принятыми в настоящее время представлениями в сетчатке глаза имеются три вида колбочек. Один вид воспринимает лучи красного цвета, другой - зеленого и третий - синего, т.е. каждый из этих видов колбочек чувствителен в своей области спектра. Подобный аппарат формирует цветовое зрение человека.

Большое значение для восприятия окружающего мира и настройки глаз на наблюдаемый предмет имеет глазодвигательная система (рис. 2), состоящая из трех пар мышц: вертикальная пара (верхняя 1 и нижняя 2 мышцы); горизонтальная (внутренняя 3 и наружная 4 мышцы); две косые мышцы (верхняя 5 и нижняя 6). При помощи работы этих мышц (сокращение или расслабление) глазное яблоко может поворачиваться на определенный угол вокруг центра вращения. Механизм вращения глаз чрезвычайно сложен и точен, т.к. в норме оси обоих глаз должны быть согласованно направлены в одну точку - точку фиксации.

Реакции глаза на внешние раздражители.

Одной из реакций глаза на внешние раздражители является зрачковый рефлекс - изменение диаметра отверстия зрачка под воздействием различного количества света. Это изменение происходит благодаря сокращению и расслаблению мышц радужной оболочки, представляющих, как было уже отмечено, систему радиальных и кольцевых волокон. Таким образом, глаз настраивается на определенный уровень яркости. Расширение зрачка при снижении яркости поля зрения и его сужение при повышении уровня яркости способствует большей устойчивости зрительного восприятия. По этому поводу Леонардо да Винчи писал в «Трактате о глазе и видению»: «Природа пришла на помощь зрительной способности, которая, будучи поражаема чрезмерным светом, имеет возможность сокращать зрачок глаза и, поражаемая различной темнотой, шире раскрывать это светлое отверстие, наподобие отверстия кошелька. Природа поступает здесь как тот, у кого в помещение слишком много света, смотря по надобности, и когда приходит ночь, открывает он все окно, чтобы лучше видеть внутри названного помещения» (Леонардо да Винчи. Избранные произведения. Рус. пер. Изд. «Академия», М.-Л., 1935, т. I, стр. 209).

Следует отметить, что системы настройки обоих глаз на определенный уровень яркости взаимоувязаны, т.к. световое раздражение одного глаза вызывает соответствующую реакцию на данное раздражение зрачка другого глаза.

Расширение зрачка может наблюдаться и при других раздражениях наших органов чувств (боль, сильный звук, щекотание), а также при различном эмоциональном состоянии человека (от страха и ужаса).

Диаметр отверстия зрачка уменьшается также при увеличении углового размера светового раздражителя.

Приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов называется аккомодацией глаза (лат. «комодус» - удобный, приспособленный).

По общепринятому мнению аккомодация всецело обусловлена эластичностью хрусталика, т.е. изменение его формы с помощью так называемых цилиарных мышц (рис.1). При расслаблении этих мышц кривизна передней поверхности хрусталика уменьшается и соответственно уменьшается оптическая сила, что позволяет глазу фокусироваться на более отдаленных предметах. Нормальный глаз в ненапряженном состоянии способен хорошо видеть бесконечно удаленные предметы, а при полной аккомодации - на расстоянии около 15 см от роговицы.

Однако американский врач Уильям Бейтс, на основании значительного опыта лечения глазных болезней утверждает другую позицию в этом вопросе. Он считает, что аккомодация обусловлена не эластичностью хрусталика, а изменением формы глазного яблока [12]. Удлинение или укорочение глаза вдоль его оптической оси происходит под воздействием мышц, находящихся снаружи глаза, и аномалии зрения связаны с функциональным расстройством действия мышц.

При воздействии на глаз света, по уровню резко отличающегося от предыдущего воздействия, системы глаза настраиваются на новый уровень. На этот процесс необходимо определенное время и затраты биологической энергии.

Перестройка зрительной системы для наилучшего приспособления к данному уровню яркости называется адаптацией. Глазу приходится работать при яркостях, меняющихся в чрезвычайно широких диапазонах, примерно от 10⁴ до 10^-6 кд/м², т.е. в пределах десяти порядков. При изменении уровня яркости поля зрения автоматически включается ряд механизмов, которые и обеспечивают адаптационную перестройку зрения. Если уровень яркости длительное время существенно не меняется, состояние адаптации приходит в соответствие с этим уровнем. В таких случаях можно говорить уже не о процессе адаптации, а о состоянии: адаптации глаза к такому-то уровню яркости.

При резком изменении яркости происходит разрыв между яркостью и состоянием зрительной системы, разрыв, который и служит сигналом для включения адаптационных механизмов.

В зависимости от знака изменения яркости различают световую адаптацию - перестройку на более высокую яркость и темновую - перестройку более низкую яркость.

Световая адаптация протекает значительно быстрее темновой. Выходя из темного помещения на яркий дневной свет, человек бывает ослеплен и в первые секунды почти ничего не видит. Глаз отказывается нормально работать в течение короткого промежутка времени. Чувствительность его автоматически и достаточно быстро падает. Прежде всего, сужается зрачок. Кроме того, под непосредственным действием света выцветает зрительный пурпур палочек, в результате чего их чувствительность резко падает. Начинают действовать колбочки, которые, по-видимому, оказывают тормозящее действие на палочковый аппарат и выключает его. Наконец, происходит перестройка нервных связей в сетчатке и понижение возбудимости мозговых центров. В результате уже через несколько секунд человек начинает видеть в общих чертах окружающую картину, а минут через пять световая чувствительность его зрения приходит в полное соответствие с окружающей яркостью, что обеспечивает нормальную работу глаза в новых условиях (светочувствительная функция колбочек полностью восстанавливается в течение приблизительно 5-7 минут).

При темповой адаптации процессы в глазе человека протекают в обратном направлении, но значительно медленнее. После сильного освещения в первые минуты темновой адаптации, палочковый аппарат сумеречного зрения совершенно выключен, функционирует лишь колбочковый аппарат. Спустя 5-7 минут пребывания в темноте частично восстанавливается чувствительность палочек.

• Функция светочувствительности палочек восстанавливается полностью в течение приблизительно 30 мин. Однако рост чувствительности наблюдается в течение 1 часа. Затем этот процесс прекращается, хотя некоторыми учеными было прослежено нарастание чувствительности в течение темновой адаптации, длившейся 24 часа. Увеличение чувствительности при темновой адаптации по мере регенерации зрительных пигментов частично обусловлено изменениями в нервных слоях сетчатки.

2.2 Восприятие при движении глаза и его проявление в архитектуре

Удивительную особенность в работе светоприемников глаза заметили ученые. Так советский исследователь А.Л. Ярбус [28] создал оригинальное приспособление в виде располагаемой на роговице присоски с миниатюрной лампочкой. Естественно, эта присоска двигалась вместе с глазным яблоком, и потому изображение источника света падало на одно и тоже место сетчатки, на одни и те же рецепторы. При этом было замечено, что у человека ощущение света возникает только в момент включения и выключения лампочки, но когда она горит постоянно, человек не видит ее. Весьма своеобразный факт! Ведь мы привыкли непрерывно видеть предмет при его рассмотрении. Оказалось, что рецепторы сетчатки работают по он-, офф-типу, т.е. реагируют только на включение или выключение светового раздражителя. Непрерывность же наших ощущений связана с тем, что глаз постоянно совершает микро движения, благодаря которым изображения перемещаются по сетчатке, «включая» и «выключая» при этом всякий раз новые рецепторы или изменяя их потенциал.

Рис. 3. Схема движения глаза при попытке фиксации взора на объекте (1-9 - последовательность точек фиксации)

Глаз - самый подвижный из наших органов чувств. Он почти никогда не бывает совсем неподвижным: небольшие непроизвольные движения совершаются даже при попытке фиксировать взор на одной точке.

При попытке фиксации взора различают движения трех типов (рис. 3):

тремор - колебания зрительных осей глаз (мелкое дрожание) с амплитудой около одной угловой минуты и с частотой от 30 до 90 Гц. Направление перемещения и частота при треморе непостоянны и хаотически меняются;

саккады - быстрые скачкообразные движения глаза (обычно соответствующие дуге в несколько минут), происходящие 1-2 раза в секунду с угловой скоростью порядка сотен градусов в секунду при попытке фиксации взора на какой-либо точке;

дрейф - медленные, также хаотически меняющиеся по скорости и направлению повороты глаз между саккадами. Скорость движения при дрейфе от 0 до 30 угловых минут в секунду, средняя скорость примерно 6 минут в секунду. Продолжительность одного дрейфа может доходить до двух секунд , но чаще всего лежит в пределах от 0,2 до 0,8 с. Изображение фиксируемой точки перемещается по центральной ямке, но не выходит за ее пределы.

Эти микродвижения глаза помогают нам видеть окружающий мир. При помощи этого процесса взгляд переводится с более ярких элементов на менее яркие и наоборот. Все это происходит с большой частотой. Таким образом, изображения с различными яркостями, перемещаясь по различным участкам сетчатки, «включают» или «выключают» соответствующие рецепторы. После каждого такого взаимодействия в мозг посылается определенная информация, которая формирует наши ощущения.

Природная среда также «помогает» этому процессу. Листочки, травинки, ветки просто на фоне светлого неба или темной земли, плюс это все приводиться в движение потоками ветра, плюс неравномерная яркость небосвода, плюс, постоянно изменяющаяся освещенность - все это способствует нормальному восприятию. Мы еще не успеваем осмыслить всю прелесть увиденного, а саккады, одна за другой посылают в центр сигнал «сцепка произошла, все нормально». И человек чувствует себя комфортно.

Представим теперь, что перед нами огромная равнояркая плоскость. Глаз сделал скачок, а сигнала об изменении яркости в мозг не поступило. Зрительная система вводится в заблуждение: действие есть, а подтверждения нет. Это все равно, что сделал шаг, а нога не ощутила твердой поверхности. Неудивительно - подобное приведет человека в замешательство, утомляет зрение, а может и на состоянии здоровья, в том числе на психике, сказаться.

К сожалению, подобные плоскости часто имеют место в современной архитектуре, на производстве. Стекло и бетон, однояркие стены больших размеров, огромные панели «под дуб» или другое модное дерево в кабинетах. Это усиливает дискомфорт и отрицательно отражается на нервной системе.

Наша беда в том, что год от года размеры строительных плит и плоскости стекол растут, гомогенизируя среду, делая ее все более однородной. Возьмем электронную или приборостроительную промышленность. Стены, халаты, шапочки - белые; столы, инструменты - светло-серые. Плюс к этому напряженная зрительная работа в основном при постоянном искусственном освещении. И результат - 80% работающих на подобных предприятиях уходят домой с головной болью. Видимая среда как экологический фактор, к сожалению здесь не учтена.

Поэтому предлагается все раскрашивать в разные цвета. А на стол каждой монтажнице поставить телевизор, по специальному видеоканалу которого показывать приятные для глаза пейзажи в сопровождении мягкой негромкой музыки. При каждом предприятии создать комнаты психологической разгрузки.

Почему мы любуемся творениями Растрелли или других архитекторов барокко? Да потому, что у них на каждом квадратном метре столько элементов, сколько необходимо для автоматии саккад, и расположены эти элементы по эстетическим законам. У нас же кругом сплошные стены, порой без единого декоративного элемента.

Индустрия строительства сводит порой на нет интересные задумки архитекторов. Так например, в Москве неподалеку от Свято-Данилова монастыря расположен огромный Монетный двор. Целый квартал - и весь из ребер. Стоишь перед ним, и возникает исключительно неприятное ощущение. Театр на Таганке - стена, обращенная к Садовому кольцу, - сплошь гомогенное полотно.

У немецкого художника Гюнтера Юккера, имеется произведение в виде серого полотна размером 2 1,5 м. В него на половину длины квадратно-гнездовым способом (каждые 2 см) вбиты гвозди. Художник назвал это произведение «Агрессивное поле». Обеспечить глазом фиксацию точки (шляпки гвоздя) невозможно. Куда ни кинь взгляд - одни гвозди. Все одинаковы. Смотришь на один, и нет уверенности, что видишь именно его. Зрительная система приходит в полное заблуждение: саккада наслаивается на саккаду, невозможно ничего выделить, отделить одну от другой - состояние неприятное.

Вот такие агрессивные поля заполонили нашу архитектуру. Окна, подобно гвоздям на полотне, располагаются равномерно. И не парадокс ли, 70% жителей новых микрорайонов, по опросам, хотели бы куда-то переехать из столь долгожданных новых квартир. Их легко понять: выходишь из подъезда - перед тобой стена с окнами - гвоздями, справа - такая же стена, слева - тоже. Неуютно. В природе за долгую эволюцию человек не встречался с такими агрессивными полями и нет механизма, от них защищающего. Не потому ли урбанизация, по данным ВОЗ (Всемирная охрана здоровья - международная общественная организация), неуклонно ведет к росту численности психических заболеваний.

Деревянные панели в служебных помещениях, стенки под дерево заполняют все плоскости холлов, комнат и коридоров многих квартир. Вроде бы порядок. Только вот бежать из такого холодного дома хочется.

Каким же образом можно избежать подобных неприятностей? Главное - создать среду в соответствии с законами восприятия окружающего нашими органами чувств. В идеале она не должна отличаться от природной среды. Тогда горожанину не захочется бежать из города. Прежде всего нельзя строить такие гомогенные да еще и агрессивные массивы. Их разбить нетрудно. Жидкому бетону можно придать любую форму. Яркая окраска, веселые балкончики, башенки, шпили. Очевидно, скоро мы к этому придем. Тут за образец можно взять Зеленоград, Новосибирский Академгородок, когда вроде бы стандартные дома «прячутся», удачно вписываясь среди ландшафта и деревьев. Норильск, Киев (Троещино) - ярко окрашенные косыми полосами стены крупнопанельных зданий. Хорошо применить фонтаны, скульптуры и др. малые архитектурные формы. Все это должно быть выполнено в соответствии с законами автоматии саккад, где все углы остры, как в природе.

А в интерьерах помещений важно, чтобы не было однообразия. Здесь смогут помочь любые репродукции: эстамп, графика, скульптура. Для этой цели можно привлечь комнатные цветы и растения, особенно большие, разрушающие гомогенность.

Прежде всего, это важно в интерьере детской. Замечено, что если ребенок от 3 до 18 месяцев пребывает в серой, скучной, однородной среде, это отражается на его развитии. Он не видит мир таким, каким он есть. Краски тускнеют. Причина в том, что младенец видит в несколько раз хуже взрослого. Без яркого, контрастного окружения трансформируется заложенная природой связь между сенсорным и зрительным аппаратами. Став взрослым, такой человек может быть умственно отсталым, а к ряду профессий (летчик, космонавт, оператор и др.) просто непригодным. Об этом мы как раз и говорили в начале этой лекции (опыт с обезьянами).

Еще один важный момент. Нужно периодически делать перестановку мебели, перевешивать картины, гравюры. В этом кроется огромный психологический фактор. Меняя среду, мы воздействуем на свой эмоциональный настрой. А если внести новый элемент - цветок, свечу, салфетку, положить на один диван подушку - эффект будет усилен. Так, вроде бы незаметно, мы можем бороться не только с гомогенными, но и агрессивными полями [2] .

Лекция № 3. Основные понятия и законы архитектурной светофизики

3.1 Основные понятия, величины, единицы

Всякое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию, называемую лучистой энергией (Q_e).

Количество энергии, посылаемое источником в единицу времени, называется интенсивностью излучения или лучистым потоком:

, [Вт], (1)

где dt - бесконечно малый промежуток времени, в течение которого излучение является равномерным.

Оптическая часть электромагнитного спектра лучистой энергии включает три составляющие:

ультрафиолетовую область излучения с длиной волны = 280 - 400 нм;

видимую область излучения с длиной волны = 400 - 780 нм;

инфракрасную область излучения с длиной волны = 780 нм - 1 мм.

Действуя на глаз, излучения, имеющие различную длину волны, вызывают ощущения того или иного цвета. Чувствительность глаза к тому или иному цвету различна (рис. 4). Средний человеческий глаз наиболее чувствителен при дневном зрении к желто-зеленому излучению с длиной волны = 555 нм.



Рис. 4. Кривые относительной спектральной световой эффективности излучений для дневного V() и ночного V() зрения.

Мощность светового излучения (видимая область спектра), оцениваемая по световому ощущению, которое она производит на средний человеческий глаз, называется световым потоком (F).

Единица измерения светового потока - люмен (лм), т.е. световой поток, излучаемый в единичном телесном угле равномерным точечным источником света силой в 1 канделу.

Телесный угол () - часть пространства, ограниченная конической или пирамидальной поверхностью с вершиной в точке расположения источника излучения. Измеряется в стерадианах (ср).

, [ср] (2)

где S_сф - площадь сферической поверхности, на которую опирается телесный угол (рис. 5);

R - радиус этой сферической поверхности.

Оценка светового действия источника в каком-либо направлении производится величиной, называемой силой света (I) - пространственная (угловая) плотность светового потока источника света, излучаемого в данном направлении. Измеряется в канделах (кд).

, [кд] (3)

Кандела представляет собой интенсивность света, испускаемого в перпендикулярном направлении с площади в 1 / 600000 м² черного тела при температуре затвердевания платины Т=2045 К и давлении 101325 Па.

Рис. 5. Схема к определению телесного угла

Освещенность (E) - поверхностная плотность светового потока dF, падающего на данную поверхность dS. Измеряется в люксах (лк).

, лк. (4)

Люкс представляет собой освещенность поверхности, на 1 м² которой падает и равномерно распределяется на ней световой поток, равный 1 лм.

Для точечных источников света (рис. 6)

, лк, (5)

d - расстояние от источника до освещаемой поверхности, м;

- угол между нормалью к поверхности и направлением силы света.

Рис. 6. Схема к определению освещенности от точечного источника света

Яркость (L) представляет собой поверхностную плотность силы света в заданном направлении. Определяется отношением силы света бесконечно малого элемента светящейся поверхности (по направлению к глазу наблюдателя) к площади проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную тому же направлению:

, [кд / м²], (6)

s - площадь светящейся поверхности, м²;

- угол между направлением линии зрения и нормалью к светящейся поверхности, град;

Яркость - световая величина, которая непосредственно воспринимается глазом.

Яркости некоторых светящихся тел представлены в таблице 1.

Это основные величины и единицы, которые используются в светотехнике. В строительной светотехнике при проектировании естественной световой среды в зданиях использовать абсолютные критерии неудобно по той причине, что источником излучения света является небосвод. Параметры этого природного излучения постоянно меняются в течение года, сезона и суток. Поэтому удобнее в этом случае использовать относительные критерии.

Таблица 1. Яркости различных светящихся тел

№	Источник	Яркость, кд / м2
1	Ночное безлунное небо	Около 110-4
2	Полная луна, видимая сквозь атмосферу	2,5103
3	Пламя обычной стеариновой свечи	5103
4	Ясное дневное небо в зените в полдень	(2,5 - 4)103
5	Облачное небо в зените в полдень	(7 - 8)103
6	Спираль газонаполненной лампы накаливания	5106
7	Диск Солнца	1,5109

В связи с этим критерием оценки переменного естественного освещения служит величина, называемая коэффициентом естественной освещенности (КЕО, е), который показывает какую долю освещенность в данной точке помещения составляет от одновременной наружной освещенности горизонтальной поверхности на открытом месте при пасмурном (облачность 8 - 10 баллов) небосводе и выражается отношением

, %, (7)

где Е_в - освещенность в расчетной точке внутри помещения, лк;

Е_н - одновременная освещенность этой же точки под открытым небосводом, лк.

Одновременно с этим понятием используется понятие геометрический коэффициент естественной освещенности () - отношение естественной освещенности, создаваемой в рассматриваемой точке заданной плоскости внутри помещения светом, прошедшим через незаполненный световой проем и исходящим непосредственно от равномерно яркого неба (Е_вп) к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности под открытым полностью небосводом (Е_но), при этом участие прямого солнечного света в создании той и другой освещенности исключается; выражается в процентах:

, %. (8)

Законы архитектурной светофизики

Освещенность в какой-либо точке помещения создается световым потоком, который излучается с участков небосвода, видимых из данной точки через светопроемы, расположенные в ограждающих конструкциях здания. При этом возникает вопрос, от каких параметров зависят светотехнические показатели и каким образом их можно определить. Это позволяет сделать четыре основных закона строительной светотехники, которые формируют теоретическую базу данной науки.

1. Закон проекции телесного угла.

Поместим помещение с расчетной точкой М под небосвод, который представляет собой полусферу единичного радиуса (рис. 7). Причем точка М совпадает с центром полусферы.

Для упрощения вывода закона примем следующие три допущения:

1) яркость неба во всех точках одинакова;

2) влияние отраженного света от внутренних поверхностей помещения не учитывается; 3) оконное заполнение светопроема отсутствует.

Освещенность в точке М создается видимым из т. М через проем сферическим прямоугольником АБВГ (рис. 7) площадью S. В этом прямоугольнике вырежем бесконечно малый точечный элемент dS с силой света dI. На основании формулы (6) определяем яркость этого элемента

откуда dI = L dS.

Поскольку направление излучения от элемента dS до точки М перпендикулярно элементарной площадке, то = 0 и cos = 1.

Освещенность в т. М согласно формуле (5) для точечного источника света определится следующим образом:

.

Подставляя dI из предыдущего выражения, получаем

.

Однако, величина dS / R² = d, согласно формулы (2), а величина dS cos / R² = d есть проекция элементарного телесного угла на освещаемую плоскость. При интегрировании до конечных размеров светопроемов d = .

Таким образом,

Е_М = L . (9)

На основании этого выражения закон проекции телесного угла можно сформулировать следующим образом.

Освещенность в какой-либо точке поверхности помещения, создаваемая равномерно светящимся небосводом, прямо пропорциональна яркости неба L и площади проекции телесного угла , в пределах которого из данной точки виден участок неба, на освещаемую поверхность.

На основании этого закона можно вычислить значение КЕО в точке М. Освещенность в этой точке под открытым небосводом с использованием формулы (9) будет равна:

Е_н = L _н = L R² ,

т.к. площадь проекции всей полусферы на горизонтальную плоскость _н = R² , а при единичном радиусе _н = . Тогда, Е_н = L . Подставляем значения двух освещенностей в формулу (7)

= 100 = 100, (10)

т.е. при равноярком небосводе величина КЕО прямопропорциональна площади проекции телесного угла светопроема.

Рис. 7. Схема к закону проекции телесного угла

Практическое значение этого закона очень велико: пользуясь им, можно сравнивать освещенности, создаваемые одним и теме же светопроемом, расположенным различно относительно рабочей плоскости, а также определять светотеневой рисунок на объемных объектах и деталях под открытым небосводом в пасмурный день.

На основе этого закона разработан ряд графических и аналитических методов расчета естественного освещения (в частности, метод Данилюка), получившие широкое распространение в нашей и мировой архитектурной практике.

Рис. 8. Схема к закону светотехнического подобия

2. Закон светотехнического подобия

Рассмотрим освещенность в точке М, создаваемую несколькими светящимися поверхностями, имеющими яркости L₁, L₂, …, L_к и площади проекции телесных углов на освещаемую плоскость ₁, ₂,…, _к. Тогда освещенности от этих поверхностей в данной точке будут равны:

Е₁ = L₁· ₁; Е₂ = L₂·₂; ….; Е_к = L_к·_к.

Условие, когда эти поверхности создадут равные освещенности, т.е. Е₁ = Е₂ = … = Е_к, будет соблюдено, если L₁·₁ = L₂·₂ = … = L_к·_к.

Если принять полусферу равномерной яркости, то ₁ = ₂ = … = _к.

Отсюда видно, что светящиеся поверхности - светопроемы - могут иметь различные размеры при одинаковом значении площади проекции телесного угла, описанного из т. М по контурам этих проемов.

Из всего этого следует, что освещенность в точке от светящейся поверхности зависит не от абсолютных ее размеров, а от относительных.

Или, светящиеся равнояркие поверхности разных размеров могут создать в точке одинаковую освещенность, если площади проекции их телесных углов, описанных из точки по их контуру, будут равны. На схеме (рис. 8) представлены два светопроема. Хотя абсолютные их размеры различны S₂ S₁, но ₁ = ₂ = , поэтому и освещенности от этих двух светопроемов будут равны. Это и есть формулировки закона светотехнического подобия.

3. Закон эффективности светопроемов

Светопроемы, плоскость остекления которых располагаются параллельно освещаемой плоскости, имеют наибольшую световую активность по отношению к светопроемам, имеющим какой-либо угол наклона.

Рис. 9. Схема к закону эффективности светопроемов

На схеме (рис. 9) представлено помещение с двумя одинаковыми по размерам светопроемами, один из которых расположен в стене, другой в покрытии. Причем, расстояние от расчетной точки до центров проемов равны. Из схемы видно, при равенстве размеров проемов S₁ = S₂, проекции телесных углов на освещаемую плоскость различны _{1 2}, поэтому освещенность от светопроема, расположенного в покрытии, будет гораздо больше освещенности от светопроема, расположенного в стене. Отсюда следует, что зенитные фонари обладают наибольшей световой активностью, т.к. плоскость их остекления параллельна освещаемой плоскости.

Практическое значение этого закона заключается в том, что сразу можно определить относительную световую эффективность светопроемов одинаковой площади, расположенных под различными углами наклона.

4. Закон сложения освещенностей

Поскольку освещенность плоскости величина скалярная, то освещенность в данной точке помещения от нескольких светопроемов равна сумме освещенностей от каждого светопроема в отдельности.

Т.е. Е_в = Е₁ + Е₂ +…+ Е_к . Если это выражение подставить в формулу определения КЕО (7), то получим

. (11)

Понятно, что в большинстве случаев в помещениях имеется несколько светопроемов и этот закон позволяет определить в любой точке помещения суммарное значение КЕО от всех проемов.

Сущность метода расчета геометрического КЕО по А.М. Данилюку

На базе рассмотренных законов архитектурной светофизики разработано несколько методов расчета освещенности. Однако наиболее простым и удобным в практике архитектурно-строительного проектирования является графоаналитический метод расчета геометрического КЕО, который разработал в 20 - 30 годы прошлого века А.М. Данилюк. Идея этого метода состоит в следующем.

...