Физика в архитектуре. В данном проекте учащимися рассмотрены проблемы равновесия, устойчивости, прочности и жесткости конструкций

Транскрипт

1 Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования «Полоцкий государственный университет» АРХИТЕКТУРНАЯ ФИЗИКА СВЕТОТЕХНИКА И АКУСТИКА УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС для студентов специальности «Архитектура» Составители Н. В. Ощепкова, М. Н. Войтик, О. И. Ковальчук Под общей редакцией Н. В. Ощепковой Новополоцк 2007

2 УДК 72.01:53(075.8) ББК я73 А 87 Рекомендован к изданию методической комиссией инженерно-строительного факультета Рецензенты: И. Г. МАЛКОВ, д-р архитектуры, проф., зав. каф. архитектуры промышленных и гражданских сооружений Белорусского государственного университета транспорта; В. А. ГРУЗДЕВ, д-р техн. наук, проф., зав. каф. физики УО «ПГУ»; Г. И. ЗАХАРКИНА, канд. архитектуры, доцент, зав. каф. архитектуры УО «ПГУ» А 87 Архитектурная физика: Светотехника и акустика: учеб.-метод. комплекс для студ. спец «Архитектура» / сост. Н. В. Ощепкова, М. Н. Войтик, О. И. Ковальчук; под общ. ред. Н. В. Ощепковой. Новополоцк: ПГУ, с. ISBN Состоит из двух учебных модулей, изучаемых в пятом семестре: «Архитектурная светотехника» и «Архитектурная акустика». Объединение содержательного материала этих модулей в одну книгу объясняется единой расчетно-графической базой и общими физическими законами и обусловлено рабочей программой дисциплины на один семестр. Основой создания УМК является концепция междисциплинарных связей. Разработан кафедрой физики УО «ПГУ» и кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции БНТУ. Продолжает серию «Интегративное образование», издаваемую в УО «ПГУ». Предназначен для студентов, аспирантов и специалистов архитектурно-строительного профиля. УДК 72.01:53(075.8) ББК я73 ISBN Ощепкова Н. В., Войтик М. Н., Ковальчук О. И., составление, 2007 Оформление. УО «ПГУ»,

3 ВВЕДЕНИЕ Архитектурная физика изучает теоретические основы и практические методы формирования архитектуры под воздействием солнечного и искусственного света, цвета, тепла, движения воздуха и звука, а также природу их восприятия человеком с оценкой социологических, гигиенических и экономических факторов. Эта наука является фундаментом, на котором базируются важнейшие положения основных строительных документов СНиПов и ГОСТов, регламентирующих комфортность, плотность и экономичность застройки. Традиционное образование, ориентированное на предметное изучение и блочное построение дисциплины, в условиях быстро развивающихся и высокотехнологических производств требует обновления содержания и разработки новых методов изложения инженерных дисциплин. Благодаря великим открытиям второй половины XX века в области естественных наук созданы условия для развития интегративных процессов, синтеза научных знаний, а также комплексного исследования объектов. Поэтому при изучении курса «Архитектурная физика» используются все компоненты научного познания и реализуются междисциплинарные связи различных форм и типов. Архитектурная физика находится на стыке таких наук, как астрономия, метеорология, климатология, тепло- и светотехника, и тесно связана с эстетикой, психологией, гигиеной, социологией и экономикой. В системе современных знаний постоянно увеличивается значение и роль физических знаний. С одной стороны, знание концептуальных проблем естествознания и законов физики является общенаучной теоретической базой, без которой невозможна деятельность современного специалиста. С другой стороны, владение основными физическими понятиями, законами и принципами способствует развитию интеллектуальных качеств студента, формированию его мировоззрения, привития навыков творческой работы. Дисциплина «Архитектурная физика» имеет своей целью: формирование представлений об актуальности проблемы экологизации современной архитектуры; изучение основных понятий и законов архитектурной климатологии, теплотехники архитектурной светологии и цветоведения, а также архитектурной акустики; подготовка специалиста, способного успешно реализовать современный уровень знаний при проектировании, строительстве и реконструкции зданий различного назначения; ознакомление с архитектурными и физическими методами модельного и натурного исследования, формирование умения выделить конкретное физическое содержание в прикладных задачах и проблемах. 3

4 Задачи изучения дисциплины «Архитектурная физика» следующие: создание теоретической подготовки, позволяющей будущим архитекторам ориентироваться в потоке научной и технической информации; овладение методами решения и оценки качества архитектурного проекта на всех стадиях его разработки; информация о новейших открытиях и перспективах их использования в профессиональной деятельности архитектора; Для адаптации традиционного изложения курса «Архитектурная физика» к современным условиям в рабочую программу введен раздел «Формальная аналогия оптических и акустических явлений» что позволило избежать повторений и систематизировать учебный материал по темам «Колебания», «Волны», «Способы описания взаимодействия изучения с веществом». Учебно-методический комплекс (УМК) разработан как система взаимосвязанных и взаимодополняющих средств и способов обучения на основе учебной программы и дидактических приемов высшей школы, необходимых и достаточных для реализации требований образовательного стандарта. Предполагается, что УМК по дисциплине «Архитектурная физика» будет способствовать системному решению задач: осуществление необходимых технологий организации процесса обучения; организация системы контроля результатов обучения; обновление содержания и разработка новых методов изложения курса. Для реализации педагогической системы в данный УМК заложены следующие функции: методическое обеспечение курса «Архитектурная физика» (разделы «Архитектурная светотехника», «Архитектурная акустика»); дидактические средства обучения, объединенные конечными целями обучения; реализация междисциплинарных связей различных форм и типов; предъявление знаний концептуальных проблем естествознания и фундаментальных законов физики с целью развития интеллектуальных качеств студента, формирование его мировоззрения, привитие навыков творческой работы. Основой УМК является образовательный стандарт (РД РБ) специальности Г «Архитектурная физика» (ТД J.008/тип) и рабочая программа дисциплины «Архитектурная физика» для специальности «Архитектура». В качестве базового учебника был выбран новейший учебник по архитектурной физике, подготовленный коллективом МАрхИ под редакцией проф. Н.В. Оболенского . 4

5 Для студентов УМК предлагает: рекомендации по выбору учебников и методических пособий, необходимых для достижения целей обучения при минимизированном бюджете времени; рекомендации по самоорганизации и содержанию самостоятельной работы, как наиболее эффективной формы обучения; методические материалы для различных форм учебного процесса; критерии оценки знаний по 10-бальной системе; положение рейтинговой системы текущего и итогового контроля знаний. Для преподавателей УМК может оказаться полезным при адаптации курса «Архитектурная физика» к учебным программам других специальных дисциплин в связи с развитием интегративных процессов и синтеза научных знаний. УМК может избавить от рутинной работы по подготовке индивидуальных заданий и материалов контроля, а так же позволит унифицировать оценку знаний, умений и навыков. УМК построен по модульно-блочному принципу. Учебный модуль представляет собой единицу курса, основанную на рассмотрении физической модели или на совокупности физических явлений, относимых к единому классу. В свою очередь учебный модуль состоит из учебных блоков, формируемых на тех же принципах, но с большей детализацией. Как и УМК, каждый модуль и блок представляют собой завершенный элемент в структуре учебного курса. В каждом из них указаны цели обучения, приведено технологическое и методическое обеспечение, указаны формы текущего и итогового контроля с элементами самоконтроля. В данном УМК рассматриваются электромагнитные волны и волновые процессы в упругих средах. Объединение механических и световых волн в одном УМК обусловлено возможностью единого подхода их описания, несмотря на различие их физической сути. Это позволяет значительно сократить бюджет времени для изучения волновых процессов. Настоящее издание охватывает два модуля: «Архитектурную светотехнику» и «Архитектурную акустику». Каждый из них содержит учебную и методическую программы, перечень рекомендуемой литературы с указанием рекомендуемых разделов; краткое содержание теоретического материала, примеры решения проектировочных и расчетно-графических задач; методическое руководство к выполнению курсовой работы, составленное по разделам учебника , а так же варианты исходных данных для расчетной части курсовой работы. В рамках УМК издание дополнено методическими указаниями к выполнению и оформлению курсовой работы по дисциплине «Архитектурная физика» и методическими указаниями и расчетными заданиями к курсовой работе по разделу «Архитектурная акустика». 5

6 МОДУЛЬ 1. АРХИТЕКТУРНАЯ СВЕТОТЕХНИКА В современной архитектуре выразительные решения достигаются профессиональным сочетанием естественного и искусственного света, применением новейших светотехнических и строительных материалов и конструкций, разработкой оригинальных оптических систем, новых архитектурных форм и, в конечном итоге, рождением характерных образов. В данном учебном модуле рассматриваются основные законы, закономерности и принципы архитектурной светологии науки о светоцветовой среде как основе восприятия архитектуры. Модуль содержит три учебных блока, связанных единством метода изложения. В первом блоке рассматриваются физические основы фотометрии. Приводятся характеристики глаза как зрительного анализатора. Показана органическая взаимосвязь света и архитектурной формы . Во втором блоке излагаются основы архитектурной светотехники науки о проектировании, расчетах и нормировании световой среды в городах и отдельных зданиях разного назначения . В третьем блоке рассматриваются особенности светового климата, вопросы о единстве и взаимодействии утилитарных, эстетических и гигиенических функций света. В этом же блоке излагаются теоретические основы и практика проектирования световой архитектуры с учетом взаимодействия света с пространством, формой, пластикой и цветом . Для приобретения запланированных в модуле навыков в учебных блоках даны примеры решения типовых расчетно-графических задач. Учебный блок «Световая среда» - Светоцветовая среда и ее характеристики - Цель и задачи архитектурной светотехники - Основы фотометрии и светотехники - Шкала электромагнитных волн Учебно-методическая структура модуля Модуль 1. «Архитектурная светотехника» Учебный блок «Инсоляция и светозащита» - Инсоляция. Оптическая теория естественного освещения - Системы естественного освещения помещения - Методы расчета естественного освещения помещения - Солнцезащита и методы светорегулирования Учебный блок «Световой климат» - Световой климат. - Нормирование и проектирование естественного освещения. - Искусственное освещение. Осветительные приборы нового поколения. - Комбинированное и совмещенное освещение. 6

7 Методическая программа модуля Тема занятия Тип занятия Вид занятия Часы 1. Световая среда основа восприятия архитектора. Свет, зрение, архитектура формирование новых знаний 2. Основные величины, единицы формирование и законы фотометрии. Методы новых знаний фотометрии. 3. Цель и задачи архитектурной светотехники. формирование Солнечная радиация. Сани- новых знаний тарно-гигиенические требования 4. Анализ продолжительности инсоляции формирование территории в зависимости от ори- новых знаний ентации зданий 5. Оценка инсоляции помещений зданий формирование на фасадах различной ориентации новых знаний 6. Выбор формы и размеров окна. формирование Солнцезащитные системы. новых знаний 7. Классификация солнцезащитных формирование и светорегулирующих средств. новых знаний 8. Расчет солнцезащитных устройств. углубление и систематизация навыков 9. Метод проекции Калотты. формирование новых знаний и углубление знаний 10. Световой климат. КЕО. формирование новых знаний 11. Проектирование естественного формирование освещения. Метод А.М.Данилюка. новых знаний 12. Светотехнические характеристики формирование бокового освещения. новых знаний 13. Особенности проектирования системы естественного освещения помещений промышленных и общественных зданий. 14. Моделирование солнцезащитных устройств в условиях Беларуси. формирование новых знаний занятие проверка результатов обучения лекция лабор. работа лекция лабор.работа 1 1 лекция 1 лекция 1 лекция 1 лекция 1 лекция 1 лекция лабор.работа 1 лекция 1 лекция 1 лекция 1 лабор.работа лекция 1 лекция 1 Итоговое занятие 1 7

8 УЧЕБНЫЙ БЛОК «СВЕТОВАЯ СРЕДА» ВВЕДЕНИЕ В учебном блоке «Световая среда» рассматриваются физические основы светотехники и некоторые физиологические аспекты зрения. Термины и определения светотехнических величин приведены в глоссарии. В современной фотометрии применяются различные методы измерения характеристик электромагнитного излучения и световых величин, в том числе измерения интенсивности излучений и потоков заряженных частиц. При этом используются два вида величин: энергетические величины, которые характеризуют энергетические параметры оптического излучения по его действию на технические приемники излучения (фотоэлементы и т.д.); визуальные величины, которые характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз (исходят из так называемой средней чувствительности глаза) либо по действию на селективные приемники излучения с заданной спектральной чувствительностью. Для успешного изучения учебного материала данного блока студент должен в рамках программы средней школы: иметь представление: об электромагнитной природе света; об основных фотометрических единицах; обладать навыками: фотометрических измерений; математической обработки результатов измерений. Учебная программа блока Содержание блока Форма подготовки Литература 1. Светоцветовая среда и ее характеристики. лекция Цель и задачи архитектурной светотехники. самостоятельная 2. Основы фотометрии и светотехники. лекция Шкала электромагнитных волн. самостоятельная Цели обучения Студент должен знать Студент должен уметь критерии оценки световой функции определять спектральный состав света искусственных источников света основные фотометрические единицы рассчитывать значение фотометрических величин для ламп накаливания и источников света нового накопления распределение световых потоков при отражении, поглощении и пропускании пользоваться люксметром и монохроматорами 8

9 КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА 1. Свет, зрение и архитектура Свет излучение оптической области спектра, которое вызывает биологические, главным образом зрительные реакции. Цвет особенность зрительного восприятия, позволяющая наблюдателю распознавать цветовые стимулы (излучения), различающиеся по спектральному составу. Световая среда совокупность ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных излучений, генерируемых источниками естественного и искусственного света; это важнейшая составляющая жизненной среды живых организмов и растений, определяемая световыми потоками источников света, трансформируемыми в результате взаимодействия с окружающей предметной средой, которая воспринимается по распределению света и цвета в пространстве. Рассматривание цветных поверхностей при изменении уровня яркости в пределах, соответствующих области дневного зрения, сопровождается изменением цветового ощущения, которое особенно заметно при солнечном освещении поверхностей (фасадов, деталей). Это явление архитектуры определяют словами «солнечный свет съедает цвет». Зрение чрезвычайно сложный процесс. Химические и электрические явления в сетчатке глаза, передача нервных импульсов по зрительному нерву, деятельность клеток в зрительных зонах мозга все это составные части процесса, называемого зрением. Человеческому глазу присущи дефекты и ограничения, свойственные всякой оптической системе. Однако широкие пределы чувствительности глаза, его способность приспосабливаться к различным условиям распределения яркости в поле зрения позволяют оценивать глаз как наиболее совершенный орган чувств. Способность глаза реагировать как на весьма слабые, так и на интенсивные раздражители объясняется наличием в сетчатке глаза двоякого рода элементов колбочек и палочек, воспринимающих световые раздражения (табл. 1). Глаз, подобно оптической системе, дает наилучшие изображения для точек, которые расположены близко к оптической оси. Центральное зрение отличается от периферического тем, что оно позволяет судить о спектральном составе света. Это свойство глаза обогащает возможности архитектора оценивать пространство распределения света с помощью не только количественных, но и качественных характеристик, определяемых спектральным составом света. 9

10 Характеристика глаза Светочувствительные элементы Способность реагировать на яркость Спектральная чувствительность к излучениям Способность к восприятию цветов Способность к различению деталей Характеристики зрительного анализатора Таблица 1 Дневное Сумеречное Ночное (периферическое) (центральное) зрение зрение зрение Колбочки Колбочки + палочки Палочки Высокие яркости, L > 10 кд/м 2 Максимальная к желтозеленому [λ = 555 нм, V (λ) = 1,0] с уменьшением к красному [λ = 710нм, V(λ) = 0,0021] и фиолетовому Хорошее различение цветов Высокая разрешающая способность Малые яркости, Очень малые яркости, 0,01 < L < 10 кд/м 2 L < 0,01 кд/м 2 Максимальная к голубовато-зеленому (λ = 520 нм) с уменьшением в длинноволновой и коротковолновой частях спектра Голубые и зеленые светлеют, красные темнеют Малая разрешающая способность Максимальная к зеленовато-голубому [λ = 510 нм, V"(λ) = 1,0] с уменьшением к красно-оранжевому и фиолетовому Цвета не различаются, черно-белое видение Отсутствует Периферическое зрение с более высокой (в тысячи раз) чувствительностью к свету обладает меньшей четкостью видимости. Максимум чувствительности при сумеречном зрении сдвинут из желто-зеленой части спектра (при центральном зрении) в сине-зеленую при почти полной потере чувствительности палочек в красной части спектра. Такое изменение чувствительности глаза к излучениям различных участков спектра при переходе от больших яркостей к малым известно под названием эффекта Пуркинье. Эффект Пуркинье имеет большое практическое значение при выборе уровня освещенности на улицах городов и в зданиях, а также при отделке зданий и интерьеров, освещаемых источниками с различной цветностью излучения. Субъективная (воспринимаемая глазом) яркость зависит не только от действительной яркости и яркостных контрастов, но и от условий адаптации глаза. Различают темновую адаптацию, наблюдаемую при переходе от большой яркости к малой, и световую при обратном переходе. 10

11 Египетские мастера Нового царства ввели в архитектуру движение, открыли красоту световых контрастов и полутонов. Прием световой адаптации широко использовался в архитектуре барокко. Отчетливо выраженная тенденция к яркостным контрастам особенно характерна для этого стиля в решении интерьера. Используя в соборах и церквях контраст ярких поверхностей центральных нефов и алтарей с сумраком боковых нефов, зодчие барокко добились впечатления движения и беспредельности пространства. Глаз не только реагирует на высокие яркости и сопутствующие им контрасты, но и «охотится» за ними, выделяя наиболее яркие и контрастные участки поля зрения. Этой свойство глаза следует учитывать в архитектурной композиции. Световая композиция русского храма как бы «втягивает» посетителя в него, ведет его к центру и заставляет затем поднять голову кверху к светоносному куполу, внутренняя поверхность которого, наиболее яркая, являет собой и живописную кульминацию интерьера. Появление, изменение и исчезновение раздражателя главный источник зрительного ощущения. Установлено, что к постоянно действующим раздражителям глаз привыкает настолько, что их не замечает. Это испытываешь, например, идя вдоль улицы, освещенной типовыми фонарями. Когда в окружающем пространстве отсутствуют архитектурные доминанты, а также резко контрастирующие с фоном или друг с другом объекты, зрительная ориентация человека затрудняется. Различают две задачи, связанные с учетом оптических свойств глаза человека. Первая задача не допустить всякого рода оптические обманы, которые искажают художественный образ, масштаб, пропорции и архитектонику интерьеров зданий и сооружений; вторая использовать оптические иллюзии для архитектурных целей (увеличение или уменьшение глубины пространства, использование живописных средств светоцвета для изменения пластической отделки фасадов, интерьеров, устранение геометризма в архитектуре и др.). Опыт показывает, что степень оптических искажений и иллюзий во многом предопределяется условиями освещения здания или интерьера и яркостью поля адаптации и позиции наблюдателя. Задачи освещения не могут быть решены без творческого учета особенностей превалирующего в данной местности природного освещения, которое наиболее привычно и комфортно для человека. В современной световой архитектуре зданий и интерьеров часто встречаются оптические искажения, возникающие вследствие иррадиации. Особенность вечернего освещения его высокая контрастность, которая возникает из-за отсутствия рассеянного света неба. Так, например, даже 11

12 днем при контрастном солнечном освещении искажается восприятие колонны. На основании сопоставления кривых видимости и освещенности цилиндра было доказано, что возникают зрительные эффекты уплощения и излома цилиндрической колонны. Подобные оптические искажения присущи вечернему освещению, обладающему, как правило, резкими светотеневыми контрастами. Отсутствие полутеней и рефлексов приводит к тому, что цилиндрическая поверхность, освещенная сбоку, воспринимается ломаной; освещенная же лучами, направление которых совпадает с направлением зрения наблюдателя, такая поверхность воспринимается плоской. Чтобы приблизить светотеневой контраст вечернего освещения фасада к привычным контрастам, характерным для естественного освещения, следует световые приборы разделить на две группы: первая из них должна быть подобна солнцу, заливающему детали им светом; вторая выполняет роль рассеянного света неба, смягчающего контраст светотени. Первую группу приборов располагают выше освещаемых зданий; вторую группу можно располагать на земле. При обозрении предмета различают две стадии: первую называют видимостью объекта; эта стадия характеризуется 75 % вероятностью увидеть предмет без возможности различения его формы; вторая стадия различимость характеризуется способностью глаза видеть форму предмета. Первое, что мы замечаем, яркость, цвет и светотень, которые, по существу, определяют первое впечатление и позволяют нам оценивать окружающую обстановку, здание и его детали. Рассматривая одно и то же здание на различных естественных фонах (небо, деревья) и в разную погоду, мы убеждаемся в том, что восприятие его резко изменяется при переходе от ясного солнечного дня к пасмурному, исчезают определяющие форму контрасты светотени, искажаются глубинность пейзажа и объемность здания, пропадает пластика. Глаз не только оптический прибор, позволяющий видеть предметы, но и анализатор, дающий возможность получать впечатления, возбуждающие мысли и эмоции, на основании которых рождаются суждения и оценки. Как оптический прибор глаз человека обладает рядом особенностей. Так, зона бинокулярного видения в вертикальной плоскости приблизительно равна 120, в горизонтальной 180, зона монокулярного видения по горизонтали составляет 40 (справа и слева). Порог видимости наблюдаемого предмета оценивают минимальной разностью яркостей фона и предмета, которую называют разностным порогом L. В отличие от разностного порога относительное значение пороговой яркости, определяющее порог различимости, называют пороговым контрастом предмета с фоном. Величину, обратную этому порогу, называют контрастной чувствительностью глаза. 12

13 Согласно закону, открытому Вебером и уточненному Фехнером, субъективное восприятие любого увеличения яркости определяется числом разностных порогов в оцениваемом приросте яркости. Закон говорит о том, что едва ощутимый прирост зрительного восприятия А есть функция разностного порога [ А = f (L/L)], а субъективное восприятие увеличения яркости какой-либо поверхности оценивается числом разностных порогов, укладывающимся в рассматриваемом приросте яркости. Яркость, субъективно воспринимаемая глазом, то есть количественное выражение уровня зрительного ощущения, называют светлотой. Светлота пропорциональна яркости, то есть по Веберу Фехнеру: где В = c lgl, В светлота; L фотометрическая величина яркости; с коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц. Отношение минимальной разности яркостей (определяющей порог различения предмета) к яркости фона и называют пороговым контрастом. Значение порогового контраста, так же как и разностного порога, зависит от яркости поля адаптации, углового размера и формы предмета и времени наблюдения. При высоких освещенностях глаз способен различать яркости, отличающиеся одна от другой на 1 2 % (например, глаз может различать яркости, равные 33 и 35 кд/м), а при низких контрастная чувствительность резко уменьшается (например, в темную звездную ночь для различения яркости двух смежных поверхностей необходимо, чтобы перепад между ними был не менее 55 %; яркости поверхностей должны отличаться более чем в 1,5 раза одна от другой). При малых яркостях закон Вебера Фехнера не соблюдается. При заданном контрасте объекта с фоном порог различимости этого объекта определяется минимальным угловым размером (разрешающим углом). Значение, обратное разрешающему углу, называют остротой различения (в медицине остротой зрения). Условно считают разрешающую способность глаза нормальной, если он видит предмет с угловым размером, равным 1 мин; это соответствует отношению абсолютного размера к расстоянию до глаз 1: Архитектору при решении пространственных задач важно знать порог глубины, характеризуемый минимальной разностью параллактических углов между зданиями, которые обеспечивают заданную вероятность различения их при различной удаленности от наблюдателя. 13

14 Значение глубины выражается в угловых секундах по формуле: δ пор = b l / l, где b расстояние между центрами зрачков глаз наблюдателя (основание стереоскопического зрения); l расстояние от ближайшего здания до наблюдателя; l максимальное расстояние между двумя зданиями, видимыми как различно удаленные от наблюдателя. 2. Основные величины, единицы и законы Фотометрией называется раздел оптики, в котором рассматриваются измерения энергии, которую переносят электромагнитные световые волны. В архитектурной светологии рассматриваются действия на глаз и другие оптические приборы электромагнитных волн видимого диапазона. Для характеристики этого действия вводятся следующие величины, характеризующие свет с точки зрения переносимой им энергии: световой поток, сила света, освещенность. Световым потоком Ф называется мощность видимого излучения, которая оценивается по действию этого излучения на нормальный глаз. Иными словами, Ф есть энергия световых электромагнитных волн, переносимая в единицу времени через некоторую площадь поверхности и оцениваемая по зрительному ощущению. Для монохроматического света, соответствующего максимуму спектральной чувствительности глаза (λ = 5500 А), световой поток равен 683 люменам (лм) если мощность излучения равна одному ватту. Точечным источником света называется источник, линейные размеры которого значительно меньше, чем расстояние от него до точки наблюдения. Такой источник излучает сферические электромагнитные волны. Силой света (силой излучения) I точечного источника называется величина, численно равная световому потоку, который этот источник создает в единичном телесном угле. Если точечный источник равномерно излучает свет по всем направлениям, то: I = Ф полн / 4 π, где Ф полн есть полный световой поток источника света, то есть мощность излучения, создаваемая источником по всем направлениям, энергия света, которая за единицу времени переносится сквозь произвольную замкнутую поверхность, охватывающую источник света (рис. 1). 14

15 Освещенностью Е некоторой поверхности называется отношение светового потока Ф, которая падает на площадь S поверхности, к величине этой площади: Е = Ф / S. Освещенность Е в каждой точке экрана, на который падает свет, пропорциональна интенсивности электромагнитной световой волны в этой точке. Освещенность, которую создает точечный источник с силой света I на поверхности, удаленной на расстояние r от источника, описывается законом освещенности от точечного источника: 2 Е = I cos i / r, где i угол падения лучистого потока, отсчитанный от нормали к поверхности. Оптическая часть электромагнитного спектра лучистой энергии включает в себя области ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения. Шкалу электромагнитных волн в приложении студенту предлагается изучить самостоятельно. Ультрафиолетовым является излучение, длины волн λ монохроматических составляющих которого меньше длин волн видимого излучения и больше 1 нм. По данным Международной комиссии по освещению (МКО), различают следующие области ультрафиолетового излучения: УФ-А с длинами волн нм; УФ-В с длинами волн нм; УФ-С с длинами волн нм. Видимое излучение (свет) непосредственно вызывает зрительные ощущения. Нижняя граница спектральной области видимого излучения лежит между 380 и 400 нм, верхняя между 760 и 780 нм. Инфракрасным называют излучение, длины волн монохроматических составляющих, которого больше длин волн видимого излучения и меньше 1 мм. По данным МКО, различают следующие области инфракрасного излучения: ИК-А с длинами волн нм; ИК-В с длинами волн 1,4 3 мкм; ИК-С с длинами волн 3 мкм 1 мм. Различают монохроматическое и сложное видимое излучение. Монохроматическое излучение характеризуется очень узкой областью частоты (или длин волн), которая может быть определена одним значением частоты (или длины волны). Сложное излучение характеризуется совокупностью монохроматических излучений разных частот. Пример сложного излучения дневной свет. 15

16 Под спектром излучения понимают распределение в пространстве сложного излучения в результате его разложения на монохроматические составляющие. Действуя на глаз, излучения, имеющие разную длину волны, вызывают ощущение того или иного цвета. Приближенные границы цветных полос видимого излучения студенты определяют экспериментально в лабораторной работе «Изучение дисперсного спектра на двойном монохроматоре». Для представления о распределении светового потока, излучаемого источником в пространстве, пользуются кривыми распределения силы света (рис. 2). Эти кривые строятся обычно в полярных координатах следующим образом: сила света в разных направлениях откладывается в принятом масштабе на радиусах-векторах, проведенных из центра. Концы векторов, соответствующих значениям силы света в разных направлениях, соединяют и таким образом получают замкнутую поверхность; часть пространства, ограниченная этой поверхностью, называется фотометрическим телом силы света. Для большинства источников света и осветительных приборов фотометрическое тело симметрично относительно некоторой оси. Такие источники света и осветительные приборы называют симметричными. Кривые силы света в плоскостях, проходящих через ось симметрии, называют продольными кривыми силы света. Для симметричных источников света и осветительных приборов обычно строят половину продольной кривой силы света (от 0 до 180). Классификация светильников по кривым силы света приведена в лабораторной работе «Измерение силы света и светового потока электрических источников света». При оценке качества световой среды решающее значение имеет яркость свечения источника света и освещаемых им поверхностей. Яркость световая величина, которая непосредственно воспринимается глазом; она представляет собой поверхностную плотность силы света в заданном на правлении, которая определяется отношением силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению. Различают два частных случая определения яркости L: 1) яркость в точке М поверхности источника в направлении светового луча, определяется по формуле: L = I / Acos θ, где I сила света в направлении I; А элемент светящей поверхности, содержащей точку М; Acos θ сила света, приходящаяся на единицу площади проекции; 16

17 2) яркость в точке М поверхности приемника (например, глаза или фотоэлемента) в направлении I представляет собой отношение освещенности Е, создаваемой в этой точке приемника в плоскости, перпендикулярной направлению I, к телесному углу Ω, в котором заключен световой поток, создающий эту освещенность (нормальная освещенность, приходящаяся на единицу телесного угла) (рис. 1): L = E / Ω. Единица яркости кандела на квадратный метр (кд/м 2). В общем случае яркость светящей поверхности различна в разных направлениях, поэтому яркость, подобно силе света, характеризуется значением и направлением. Поверхности, обладающие одинаковой яркостью по всем направлениям, называются равнояркими излучателями. К ним относятся, например, оштукатуренные и матовоокрашенные поверхности потолка и стен, осветительные приборы в виде шара из молочного стекла и др. Рис. 1. Схема к определению телесного угла света Рис. 2. Продольные кривые силы света источников Для плоской равнояркой во всех направлениях поверхности (при I θ = I cosθ) справедливо соотношение: Iθ L = = I / A = const. Acosθ 17

18 Сравним значения яркости для некоторых светящих элементов. Луна при полнолунии 2500 кд/м 2 ; Небо в зените в полдень (при различной облачности) кд/м 2 ; Солнце в зените 1, кд/м 2 ; Пламя стеариновой свечи кд/м 2 ; Люминесцентные лампы кд/м 2 ; Лампы накаливания (100 Вт) (0,5 15) 10 6 кд/м 2 ; Ксеноновые лампы 1, кд/м 2. Между яркостью и освещенностью поверхности, равномерно рассеивающей падающий на нее свет, существует важнейшая зависимость: L = Eρ/ π, где ρ коэффициент отражения. При световом потоке, проходящем через рассеивающее стекло с коэффициентом пропускания τ, яркость стекла определяется по формуле: L = Eτ/ π. По характеру распределения световых потоков, отраженных поверхностью или пропущенных телом, различают следующие основные их виды: а) рассеянное (диффузное) отражение от оштукатуренной поверхности потолка и стен или пропускание света молочным стеклом (рис. 3); б) направленное отражение или пропускание, например, при отражении света от зеркал и полированных поверхностей металла или пропускание света через оконное стекло (рис. 4); в) направленно-рассеянное отражение, например от поверхностей, окрашенных масляной краской, или пропускание света матированным стеклом. Более детально распределение световых потоков описано в глоссарии «Архитектурная светотехника». При направленном и направленно-рассеянном отражении света характеристикой распределения яркости в различных направлениях служит коэффициент яркости, определяемый из соотношения: r = L L, α α / o где L α яркость поверхности под углом к перпендикуляру на эту поверхность; L o яркость идеально рассеивающей поверхности, имеющей коэффициент отражения ρ = 1 и одинаковую освещенность с исследуемой поверхностью. 18

19 В общем случае для поверхностей, диффузно отражающих свет, коэффициент яркости равен коэффициенту отражения: r = L π / E или L = r E / π. α α α α Освещенность поверхности представляет собой плотность светового потока, то есть отношение светового потока Ф, падающего на элемент поверхности, содержащей данную точку, к площади этого элемента А: Е = Ф / А. Рис. 3. Схема, характеризующая диффузное отражение (а) и диффузное пропускание (б) света Рис. 4. Виды отражения света зеркальными (а) и блестящими (б) поверхностями Единица освещенности люкс (лк); 1 лк равен освещенности, создаваемой световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на поверхности площадью 1 м. Об освещенности, равной 1 лк, можно судить по следующим примерам: освещенность горизонтальной поверхности при лунном освещении (полнолуние) составляет 0,2 лк; минимальная освещенность на проезжей части улиц (посередине между фонарями) равна 1 0,5 лк. Освещенность, создаваемая точечным излучателем (рис. 5) с заданным распределением силы света, определяется по формуле: Eм = I cos α / d, где I сила света, кд; d расстояние от источника света до точки М, в которой определяется освещенность. Если излучателем является светящая линия, например, ряд люминесцентных ламп, то освещенность на расстоянии d пропорциональна d 1, а не d 2, как в случае точечного излучателя. 2 19

20 Студенту предлагается самостоятельно изучить шкалу электромагнитных волн (табл. 2). Следует обратить внимание на параметры видимой области и сравнить их с значениями, полученными в лабораторной работе «Изучение дисперсионного спектра на двойном монохроматоре». Рис. 5. Схема к определению освещенности от точечного источника света Шкала электромагнитных излучений Таблица 2 Тип излучения Характеристика рентгеновское ультрафиолетовое γ-излучение излучение излучение Длина волны λ, м Волновое число, 1/λ, см Частота ν = с/λ, Гц с = м/с скорость света Энергия кванта, Е = hν, эв, h постоянная Планка, h = 6, Джс Характеристическая температура, К θ = hν / К, К = 1, Дж К, постоянная Больцмана Источник излучения Способ получения излучения Метод регистрации Ядерная реакция превращения элементарных частиц Радиоактивный распад, космические процессы, ускорители Гейгеровские и сцинтилляционные счетчики, ионизационные камеры, камера Вильсона, пузырьковая, фотографический метод. Переходы внутренних электронов. К-захват. Атомные процессы при воздействии элементарных частиц. Рентген. трубка. Космические процессы, ускорители плазмы. Глаз, фотоэлементы и фотоумножители, фотографический метод Переходы электронов на К, L уровнях. К-захват. Процессы при воздействии элементарных частиц. Переходы в молекулах. Дуговой и искровой разряды. Раскаленные тела. 20

21 Окончание табл видимая инфракрасное излучение микроволновое радиочастотное низкочастотное область излучение излучение излучение (7,4-4,0) (1,35-2,5) ,1 0,001 0, (4-7,5) ,7-3, и менее (2,0-3,6) и менее Переходы валентных электронов Колебание молекул и атомов (в близкой Вращение молекул. Переворот спина электрона. Переворот спина ядра. в атомах и ИК). Вращение моле- молекулах кул (в далекой ИК). Раскаленные тела. Горячие нити. Магнетроны, клистроны, трубки с бегущей волной. Фотоэлементы. Металлические и полупроводниковые болометры. Фоторезисторы. Болометры, термостолбики, СВЧ-диоды. Радио- и телекоммуникационные устройства. Эл.контуры, генераторы переменного тока. Радиотехнические устройства. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛЕКЦИОННЫМ ЗАНЯТИЯМ 2. Основы фотометрии и светотехники Лекция Лабораторная работа 21 Вопросы лекции Форма обучения Лит. Вопросы для самоконтроля 1. Светоцветовая Лекция самостоятельное 1. Дайте определение световой среды. среда и ее характеристики изучение 2. Перечислите функции света. 3. Что такое цветовая среда? Приведите примеры различных приемов освещения. 4. Что такое яркость в точке источника света? 5. Что такое яркость в точке приемника света? Приведите примеры яркости некоторых освещенных и самосветящих поверхностей. 1. Что называется лучистой энергией? В каких единицах она измеряется? 2. Что называется лучистым потоком? 3. Перечислите составляющие оптического спектра. 4. Какими способами изучается спектральный состав излучения? 5. Дайте определение силы света и определение фотометрическому телу силы света. 6. Как связаны яркость и сила света равнояркой поверхности? 7. Приведите примеры диффузного, направленного и направленно рассеянного отражения.

22 УЧЕБНЫЙ БЛОК «ИНСОЛЯЦИЯ И СВЕТОЗАЩИТА» ВВЕДЕНИЕ Учебный блок «Инсоляция и светозащита» является одним из важнейших в курсе архитектурной физики. Это обусловлено, во-первых, неразрывностью связи человека с окружающей средой. Во-вторых, этот раздел является основой при изучении других дисциплин. Поэтому материал этого блока, по сравнению с первым блоком, предлагается на лекции и не выносится на самостоятельное изучение. Закрепить теоретический материал предлагается в курсовой работе. В рамках программы средней школы материал не изучался. Вместе с тем для изучения этого блока требуется наличие у студентов необходимых знаний и умений. Студенты: должны знать: законы освещенности; понятие телесного угла и единицу его измерения; законы геометрической оптики, понятие светового луча; иметь представление: о небесном своде и горизонте; о солнечной радиации и ее зависимости географической от широты, времени года и прозрачности воздуха; о спектральном составе солнечного излучения. Учебная программа блока Содержание блока Форма подготовки Литература 1. Оптическая теория естественного светового поля. лекция, самост. 2. Системы естественного освещения помещений. лекция 3. Методы расчета естественного освещ. помещения. лекция, самост. 4. Солнцезащита и светорегулирование в городской застройке и помещении. лекция 5. Моделирование инсоляции. Новейшие технологии светорегулирования. лекция «Естественное освещения помещения» Курсовая работа студент должен знать закон проекции телесного угла; закон светотехнического подобия; способ светотехнического моделирования принцип нормирования КЕО Цели обучения студент должен уметь решать комплексные задачи; рассчитывать освещенность поверхностей в определенное время года на заданной широте; определять КЕО и времени использования естественного света для проектируемого помещения; определять требуемую площадь и расположение светопроемов; пользоваться нормированными документами. 22

23 В лабораторный практикум данного учебного блока включены работы «Исследование условий инсоляции городской застройки и зданий» и «Экспериментальное определение и проверочный расчет коэффициента естественной освещенности» (КЕО)». КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Введение Естественное и искусственное освещение городов и отдельных зданий и сооружений может и должно быть только «архитектурным», то есть выполнять одновременно экологическую, эстетическую и экономическую функции. Широкое понятие комфортности освещения связано главным образом с обеспечением благоприятной видимости и восприятия архитектурных форм, пространства и объектов человеком. При выборе приемов и систем освещения в процессе разработки архитектурного проекта можно условно выделить два этапа. На первом этапе решают следующие задачи: в соответствии с нормами выбирают необходимые уровни освещенности с учетом особенностей зрительной работы (размер объектов различения, светлота фона, контраст между объектами и фоном и т.п.); обеспечивают неравномерность, контрастность и направленность освещения, способствующие наилучшей видимости объектов различения и светомоделировке их формы; определяют спектр и динамику освещения, обеспечивающие требуемую цветопередачу и эмоциональную атмосферу; устраняют или ограничивают ослепленность и дискомфорт, возникающие при попадании в глаза прямых или отраженных лучей солнца, неба или источников искусственного света; выбирают расположение световых проемов, осветительных приборов и отделочных материалов, обеспечивающее комфортное распределение яркостей и цвета в пространстве. Второй этап проектирования включает решение архитектурной сверхзадачи создание архитектурного светового образа, который возникает в результате взаимодействия архитектуры и света. В интерьерах этот образ зависит от назначения помещений. Так, в зрительных залах архитектурный световой образ должен создавать впечатление праздничности и торжественности; в музеях и картинных галереях ощущение отрешенно- 23

24 сти от внешнего мира и сосредоточенности; в производственных помещениях иллюзию естественности световой среды. В современной архитектуре выразительные решения достигаются искусным сочетанием естественного и искусственного света, применением новейших светотехнических и строительных материалов и конструкций, разработкой оригинальных оптических систем, новых архитектурных форм и, в конечном итоге, рождением характерных образов. 1. Системы естественного освещения помещений Существуют три системы естественного освещения помещений: боковое, верхнее и комбинированное освещение. Эта классификация положена в основу нормирования естественного освещения. Система бокового освещения подразделяется на одно-, двух-, трехстороннее и круговое освещение. Система верхнего освещения может быть обеспечена различными устройствами от полностью светопропускающего покрытия до точечных фонарей и световых шахт. Система комбинированного естественного освещения представляет собой комбинацию бокового и верхнего освещения. Если любая из этих систем не обеспечивает требуемого уровня освещения и его качества (комфортности), то она может быть дополнена искусственным освещением. Такая система получила название совмещенной. Выбор архитектором систем освещения определяется, прежде всего, назначением помещения. Основными задачами проектирования естественного освещения зданий являются: 1) выбор типа, размеров и расположения световых проемов (в стенах и покрытиях), при которых в помещениях обеспечиваются нормированные показатели освещения; 2) защита рабочих зон помещения от слепящей яркости прямых и отраженных лучей солнца; 3) согласование выбранных светопроемов и их расположения с архитектурными требованиями к освещению, способствующими выявлению пространства, тектоники, ритма, цветового решения и характерного образа сооружения. При выборе типов окон и фонарей и их расположения в пространстве цеха необходимо учитывать большую архитектурную роль этих деталей интерьера, которые вносят свой ритм в членение пространства, способст- 24

25 вуют выявлению его глубины, а также во многом определяют художественную тектонику помещений. По характеру распределения прошедшего в помещение светового потока окна и фонари подразделяются на три вида (рис. 6): первый вид (рис. 6, а) характеризуется отчетливо выраженной направленностью светового потока, который четко выделяет формы рассматриваемой детали благодаря образующимся собственной и падающей теням, то есть обладает наилучшим светомоделирующим эффектом; световые проемы второго вида (рис. 6, б) создают в помещениях так называемое бестеневое освещение благодаря двустороннему или многостороннему освещению объектов в интерьере или применению в светопроемах светорассеивающих материалов (стекла, пленки, решетки и т.п.; обозначены штриховыми линиями); для третьего вида естественного освещения (рис. 6, в) характерно использование отраженного света, который создается скрытыми от наблюдателя окнами; этот прием освещения создает иллюзию открытого проема и зрительно увеличивает глубину пространства. Рис. 6. Классификация приемов естественного освещения по характеру светораспределения 25

26 Примеры использования отраженного света в архитектуре показаны на рис. 7. Рис. 7. Приемы использования отраженного света: а в трапезной Симонова монастыря (Москва); б, в в промышленных зданиях; г в картинной галерее Задачи проектирования естественного освещения зданий определяются их художественным образом и назначением. Классификация зданий в зависимости от требований к световой среде приведена в табл. 3. Естественное освещение зданий, относящихся к I группе, целесообразно решать так, чтобы свет подчеркивал архитектурное значение центральных (главных) помещений, акцентировал оси и членение пространства, служил своеобразным гидом при движении посетителей от вестибюля к центру здания. В основных помещениях зданий II группы свет используется как эффективное средство акцентирования внимания на объекте восприятия (картине, скульптуре, сценической или спортивной мизансцене, панораме и т.д.), то есть как бы без персонификации его роли в окружающем архитектурном пространстве. Для этого применяется неравномерное распределение света в помещении и используется эффект темновой адаптации глаз наблюдателей, располагающихся в зоне пониженной яркости. 26

27 Таблица 3 Классификация зданий по требованиям к световой среде Группа зданий I II III IV Требования к световой среде Определяются в основном идейно-художественными задачами Функциональные с учетом зрительной адаптации посетителей Определяются высокими требованиями к обеспечению условий зрительной работоспособности в сочетании с эстетическими и гигиеническими требованиями Определяются в основном психологическими, эстетическими и гигиеническими требованиями Примеры 1. Здания мемориальной архитектуры. 2. Здания парламентов, судов, власти. 3. Дворцы культуры, науки и искусства. 4. Культовые сооружения. 1. Панорамы, диорамы. 2. Картинные галереи и музеи. 3. Выставочные здания. 4. Спортивные залы. 1. Здания высших и средних учебных заведений. 2. Школы. 3. Здания проектных и научно-исследовательских институтов. 4. Производственные здания и офисы. 1. Здания лечебных учреждений, санаториев и домов отдыха. 2. Здания детских учреждений. 3. Жилые дома. Демонстрационные залы в зависимости от экспозиции подразделяются на два вида: в первых преобладают плоскостные экспонаты (картины, гобелены и т.п.), во вторых объемные (скульптура, оборудование). При проектировании картинных галерей необходимо предусматривать выполнение следующих требований: а) обеспечение достаточно интенсивной освещенности картин, которая характеризуется средним значением КЕО на плоскости картины в пределах 1,5 2 %; б) соблюдение определенного отношения среднего КЕО на плоскости картины е к к значению КЕО на вертикальной плоскости, проходящей через глаз наблюдателя, е в; численное значение отношения е к / е в должно быть больше единицы и не превышать 10; в) соблюдение определенного отношения среднего значения КЕО на горизонтальной плоскости в зале е г на уровне глаз наблюдателя к среднему значению КЕО на поверхности картины е к; численное значение отношения должно быть меньше единицы; г) полное устранение инсоляции помещений во избежание разрушительного действия на картины прямого солнечного света, особенно его ультрафиолетовой составляющей; 27

Основные светотехнические понятия и их практическое применение В природе существует множество электромагнитных волн с различными параметрами: рентгеновские лучи, γ-лучи, микроволновое излучение и др. (см.

УТВЕРЖДАЮ светотехнического.е. Железникова Вопросы для ГЭК по направле товки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» Основы светотехники. 1. Волновые и квантовые свойства излучения. Оптическая область

1. Классификация осветительных приборов 2. Типы осветительных приборов для освещения помещений 3. Типы осветительных приборов для освещения улиц и площадей 1. Классификация осветительных приборов Осветительные

Лабораторная работа по теме «Оптика» Прохождение света через дисперсную систему сопровождается такими явлениями как поглощение, рассеяние, преломление и отражение. Особенности этих явлений для коллоидных

КРУТИК Михаил Ильич, МАЙОРОВ Виктор Петрович ЛЮМЕНЫ, КАНДЕЛЫ, ВАТТЫ И ФОТОНЫ. РАЗЛИЧНЫЕ ЕДИНИЦЫ РАЗЛИЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ КАМЕР НА ОСНОВЕ ЭОП И ПЗС Авторы этой статьи

Средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением иностранного языка при Посольстве России в Великобритании СОГЛАСОВАНО на заседании МС (Зубов С.Ю.) «10» сентября 2014 УТВЕРЖДАЮ директор школы

2.Пояснительная записка. Программа соответствует Федеральному компоненту государственного стандарта основного общего образования по физике (приказ Минобразования России от 05.03.2004 1089 «Об утверждении

3 Цель работы: ознакомиться с отражательной дифракционной решеткой. Задача: определить с помощью дифракционной решетки и гониометра длины волн линий спектра ртутной лампы и угловую дисперсию решеткит Приборы

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ 11 КЛАСС (базовый уровень) 4 ЭЛЕКТРОДИНАМИКА 35 часов 4.1 Элементарный электрический заряд. 1 Знать: 4.2 Закон сохранения электрического заряда Закон Кулона 1 понятия: электрический

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СОШ 33 г. ТОМСКА. Новикова Ольга Анатольевна Геометрическая оптика Методическая разработка (План урока) Томск 2006 Новикова О.А., 2006 СОШ 33 г. ТОМСКА, 2006

Государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» УТВЕРЖДАЮ Декан ИСФ Бабкин В. И. 2011 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

Лекция 3 АКУСТИКА план лекции ЗВУК. ПРИРОДА ЗВУКА ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА. ЗАКОН ВЕБЕРА-ФЕХНЕРА ЗВУКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ. ШКАЛА УРОВНЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ. ШКАЛА УРОВНЕЙ

Ярославский государственный педагогический университет им. К. Д. Ушинского Лабораторная работа 5 Определение постоянной Ридберга Ярославль 2005 Оглавление 1. Краткая теория........................... 3

Использование светодиодных светильников для освещения внутренних помещений. Требования нормативных документов по освещенности, цветопередаче и спектру излучения источников света. Технический директор ООО

Тур 1 Вариант 1 1. Точка движется по оси х по закону х = 8 + 12t - 3t 2 (м). Определите величину скорости точки при t = 1 с. 2. Тело массой m = 1 кг движется по горизонтальной поверхности под действием

Лабораторная работа 1 ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЗРЕНИЯ Цель работы - изучение свойств зрения и исследование поля зрения с помощью кампиметрического метода. Зрение является для человека основным источником сведений

Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра общей и строительной физики РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ЕСТЕСТВЕННОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ ПРИ БОКОВОМ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мурманский государственный гуманитарный университет»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Рубцовский индустриальный институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова» Кафедра электроэнергетики О.П. БАЛАШОВ, Н.А.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПОРОГА СЛЫШИМОСТИ С ПОМОЩЬЮ АУДИОМЕТРА АП-02 Приборы и принадлежности: аудиометр. Цель работы: изучить устройство аудиометра, ознакомиться с методом определения порога слышимости,

11 класс 1 Условие Солнце и Луна в фазе первой четверти одновременно заходят за горизонт На какой широте находится наблюдатель? Рефракцией и параллаксом Луны пренебречь 1 Решение Изобразим конфигурацию

ПОТЕНЦИАЛ. РАБОТА СИЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ Потенциал, создаваемый точечным зарядом в точке A, находящейся на, если положить потенциал на бесконечности равным нулю: φ(). Потенциал, создаваемый в

Рабочая программа по физике 11 класс (2 часа) 2013-2014 учебный год Пояснительная записка Рабочая общеобразовательная программа «Физика.11 класс. Базовый уровень» составлена на основе Примерной программы

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДИСПЛЕИ РАБОЧЕЕ МЕСТО ОПЕРАТОРА ОБЩИЕ ЭРГОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЕ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ГОСТ 50923-95 Дата введения 1997-07-01 Предисловие

СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В МИКРОСКОПИИ Н.А. Колтовой ЦП ОАО РЖД, Москва Рассматривается применение микроскопа-спектрофотометра в медицине для диагностики. Анализируемый спектральный диапазон от ультрафиолета

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Школа 41 «Гармония» с углубленным изучением отдельных предметов» городского округа Самара РАБОЧАЯ ПРОГРАММА Предмет физика Класс 9 Количество часов

Лабораторная работа 3.15. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА КАК СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР А.И. Бугрова Цель работы: Экспериментальное определение периода и угловой дисперсии дифракционной решетки как спектрального прибора.

Свет в конце туннеля Принципы освещения спортивных объектов и сооружений Создание высококачественного и рационального освещения спортивного сооружения сложная задача. Осветительные установки должны обеспечивать

Тема 16. Электрическое освещение Вопросы темы. 1. Основные понятия и единицы измерения (световой поток, сила света, освещённость и светимость, яркость поверхности). Кривая силы света. Нормы освещённости

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3.08 ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ АТОМОВ РТУТИ И НЕОНА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКРАНИРОВАННОГО ЗАРЯДА ЯДРА АТОМА НЕОНА 1. Цель работы Целью настоящей работы является изучение линейчатых спектров атомов,

12.5.13. Физика Механические явления распознавать механические явления и объяснять на основе имеющихся знаний основные свойства или условия протекания этих явлений: равномерное и равноускоренное прямолинейное

Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова Краткие данные по физиологии органа зрения Доцент Байкенов М.Т. Основной функцией зрительного анализатора животных является восприятие света,

ЛЕКЦИЯ 4 Приемники света Все приемники света можно разделить на две большие группы: биологические (глаз) и фотоэлектрические. В качестве элемента средства измерения в системах ОНК могут использоваться

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО» В.И. Кочубей СПЕКТРОФЛУОРИМЕТР

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ОПТИКЕ. ВОЗБУЖДЕНИЕ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНА НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД Верхотуров А.О., Еремеева А.А. Современная оптика, сильно изменившаяся после появления лазеров

1. Цели освоения дисциплины Целью освоения дисциплины «Источники света» является повышение профессионального уровня и компетенции слушателей в области энергетической эффективности электрических установок

Лабораторная работа 47 Определение длины световой волны при помощи интерференционных колец Лабораторная работа 47 Определение длины световой волны при помощи интерференционных колец Цель работы: изучение

И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Принцип Гюйгенса В кодификаторе ЕГЭ принцип Гюйгенса отсутствует. Тем не менее, мы посвящаем ему отдельный листок. Дело в том, что этот основополагающий постулат

Интерференция от протяженного источника света Получение интерференционной картины в оптическом диапазоне возможно только в случае, когда интерферирующие волны исходят из одного источника В схеме Юнга свет

8. Характеристики и свойства гармонических волн 07 19 Источником гармонических волн являются гармонические колебания. Собственно говоря, волна и представляет собой колебание, распространяющееся в пространстве.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ИЗУЧЕНИЕ ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ 1. Цель работы 1.1. Освоить методику определения плотности дислокаций по точкам выхода и методом секущих.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА Теоретическое введение Основные понятия и законы геометрической оптики Во многих областях, имеющих важное практическое значение, например

Ярославский государственный педагогический университет им. К. Д. Ушинского Лабораторная работа 1 Определение разрешающей способности микроскопа и глаза Ярославль 013 Оглавление 1. Вопросы для подготовки

НЕГИДРОСТАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ ВЕНЕРЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ К. Г. Орлов 1, И. В. Мингалев 1, А. В. Родин 2 1 Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН (E-mail:

Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ, Работа 3.6 ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА ВВЕДЕНИЕ М. Ю. Липовская Ю. П. Яшин Скорость света является одной из основных констант нашего мира и определяет предельную скорость

4 ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ПРИ НАЛИЧИИ ПРОВОДНИКОВ Проводники электричества это вещества, содержащие свободные заряжённые частицы. В проводящих телах электрические заряды могут свободно перемещаться в пространстве.

Пояснительная записка При составлении программы были использованы следующие правовые документы федеральный компонент государственного стандарта среднего (полного) общего образования по физике, утвержденный

Графический редактор GIMP: Первые шаги. Иван Хахаев, 2008 Глава 14. Инструменты цвета Инструменты цвета предназначены для коррекции различных характеристик цвета (яркости, насыщенности, контрастности и

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Рабочая программа по физике составлена на основе примерной программы среднего (полного) общего образования по физике базового уровня и соответствует федеральному государственному

Аннотация к рабочим программам по физике 7-9 класс (основное общее образование) Физика как наука о наиболее общих законах природы, выступая в качестве учебного предмета в школе, вносит существенный вклад

Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск 68 www.a.ru/scece/rudy/ УДК 537.87+6.37 Решение задачи рассеяния на протяженных цилиндрических телах различного сечения Гиголо А. И. * Кузнецов Г. Ю. ** Московский

5 Проводники в электрическом поле 5 Проводники Проводниками называются вещества, в которых при включении внешнего поля перемещаются заряды и возникает ток Наиболее хорошими проводниками электричества являются

18 Сергей Никифоров, к. т. н. [email protected] Реальный цвет и виртуальный индекс его передачи В статье предлагается рассмотреть связь одного из качественных показателей белого света индекса цветопередачи

Преобразование Фурье в оптике В математике доказывается что любую периодическую функцию () с периодом Т можно представить рядом Фурье: a a cos b s где / a cos d b s d / / a и b - коэффициенты ряда Фурье

Оптические каустики и их метаморфозы. Подосинникова Анастасия Анатольевна учащаяся средней школы 70 г. Саратова, 11 класс, 2003 г. Научный руководитель: проф. А.П. Кузнецов Работа доложена на школе-конференции

Региональный этап Всероссийской олимпиады по астрономии 6 года Условия задач 9 класс 1. Может ли созвездие Южного Креста (склонение около 6) наблюдаться в северной части неба? Если да, то в каких районах

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА НА СВЧ Ц е л ь р а б о т ы: Ознакомление с основными закономерностями туннельного эффекта на СВЧ-модели. П р и б о р ы и п р и н а д л е ж н

Системы светодиодного освещения Инновационный свет в бюджетных организациях Содержание Свет. Основные понятия Классификация источников света Ламповые источники света. Недостатки и преимущества ламповых

Технический бюллетень TB 02 Интерференционные полосы в стеклопакете Интерференционные полосы это ряд тусклых, неравномерно распределенных, почти параллельных линий, которые имеют сероватый или радужный

На природе человек практически всегда находит очередной, новый для глаз зрительный элемент, на котором можно «задержаться» на короткое время до очередной саккады (визуальные элементы расположены довольно плотно и, как указывалось ранее, они отличаются друг от друга). В городе же при наличии больших гомогенных полей для глаза нет очередного визуального объекта. В результате мозг человека не получает нужной информации, могут наступить неприятные ощущения. Поэтому гомогенные поля неприятны для глаз. Зрительные поля «агрессивны», когда на рассматриваемой поверхности (стен, тротуара, пола, обоев, ткани и др.) расположено множество одинаковых повторяющихся элементов (окон, плиток, швов, рисунков и др.). После каждой саккады глаз видит такой же элемент, какой уже был рассмотрен, что отрицательно сказывается на состоянии нервной системы и на здоровье человека.

Такое объяснение не полностью обосновано. Так, в природе встречаются большие однородные пространства (поверхность спокойного озера, небо, пустыня и др.) без каких-либо деталей, воспринимаемые глазом вполне позитивно. Так же воспринимаются покрытые тонированным стеклом небоскребы, не имеющие деталей на фасадах (огромный цветной кристалл).

Архитектурная физика пока не отвечает на некоторые актуальные вопросы, связанные со светологией: о позитивно воспринимаемых экологически обоснованных размерах помещений, зданий, городов; о формах помещений и зданий; о предпочтениях в архитектурных стилях, деталях, отделке. Можно отметить, что, во-первых, красивы и приемлемы для человека пространственные криволинейные формы (волнистая линия - линия красоты), во- вторых, необходимо стремление к разнообразию, подобному биоразнообразию в природе (архитектурное разнообразие размеров, форм, деталей, цвета с учетом природоподобия), в-третьих, желательно соответствие размеров зданий размерам компонентов ландшафта (в первую очередь, деревьев) и тела человека.

Живая природа не подчиняется законам симметрии. Кажущиеся симметричными левая и правая половина лица и тела, ноги, руки, а также крылья животных в действительности несимметричны. Можно предположить, что здания и сооружения также не должны быть абсолютно симметричными. Большую роль в позитивности или, напротив, негативности визуального восприятия зданий и сооружений играют индивидуальные особенности людей. Известно, что некоторым архитекторам нравятся небоскребы, огромные площади, широкие проспекты с потоками автомобилей и др. Это является одним из проявлений разнообразия.

Агрессивными для человека можно предварительно считать любые поля, отличающиеся от привычных для его органов чувств (например, монотонные визуальные поля, сильные и резкие шумы и вредные запахи и др.). Агрессивные звуковые и запаховые воздействия при постоянном контакте с органами слуха и обоняния могут вызвать болезненные состояния. Как отмечал Н. Ф. Реймерс, человек исторически более приспособлен к жизни в сельской местности, поэтому городская среда вызывает в нем стресс.

С глубокой древности люди стремились к приятной сенсорной среде в зданиях. Так, известны «медовые кирпичи», «благовонная штукатурка», «музыкальные колонны». В центральной части острова Шри-Ланка находится храм, построенный более пяти веков назад. Глина для кирпичей замешивалась с медом диких пчел, которых было много на острове. После долгой сушки под знойным тропическим солнцем «медовые кирпичи» становились очень прочными и надолго сохраняли аромат. Для создания приятного аромата в XII в. в марокканском городе Кутубия при строительстве башни в глину и штукатурный раствор добавили около тысячи бочек благовоний, запах которых можно ощутить даже сейчас. В мечети индийского города Карид, называемой мечетью запахов, средневековые строители замешали в штукатурный раствор 3 500 кг шафрана. В Индии гранитные колонны в древних храмах Витала, Махшвара и других еще и поют: если по ним ударить ладонью, они издают звук, напоминающий звук духовых инструментов. Умельцы, ударяя ладонями и пальцами по колоннам, извлекают мелодии. Для создания таких колонн устраивали пористые фундаменты из плит обожженной глины и песчаника.

Среда современных городов зачастую агрессивна для человека. Возможно, механизм ее агрессивности таков: в мозгу человека под воздействием предшествующей естественной многовековой среды и условий жизни сложился личный опыт (личная среда), который определяет его структуру поведения и биопсихологическое состояние; создался природоподобный образ окружающей среды, ее компонентов (места расселения, дома, улицы), соответствующий этому предыдущему опыту. Новые сенсорные воздействия не соответствуют этому опыту и создают напряженность в психофизиологическом состоянии: современная агрессивная среда требует создания нового образа города, новой структуры поведения. Но предыдущий опыт складывался в течение длительного исторического развития и не может быть быстро заменен другим; требуется очень длительное время.

В учебном пособии изложены теоретические основы архитектурного проектирования зданий различного функционального назначения с учетом климатических условий места строительства с целью создания в них комфортных условий проживания и трудовой деятельности. Рассмотрены вопросы климатологии и влияния климатических факторов на архитектурно-планировочное, конструктивное и пластическое решение зданий. Приведены методики оценки климатических факторов и архитектурно-климатические основы проектирования зданий. Изложены теоретические вопросы теплопередачи, паропроницаемости и инфильтрации через однослойные и многослойные ограждающие конструкции. Рассмотрены вопросы звукоизоляции помещений от воздушного и ударного шума, а также мероприятия по обеспечению нормативных требований по защите селитебных территорий от различных шумов. Приведены современные методики по определению общего и приведенного сопротивления теплопередачи однородных и неоднородных ограждающих конструкций с учетом энергосбережения на отопление зданий, а также звукоизолирующих качеств вертикальных (стены и перегородки) и горизонтальных (междуэтажные перекрытия) ограждающих конструкций. Значительная часть учебного пособия посвящена архитектурной акустике, раскрывающей теоретические вопросы распространения звука в помещениях и практические рекомендации по акустическому проектированию зрительных залов с учетом беспрепятственной видимости в них. Рассмотрены вопросы естественного и искусственного освещения жилых, общественных и производственных зданий. Приведены методики по расчету необходимых площадей остекления в вышеперечисленных помещениях и последовательность проведения проверочных расчетов в зависимости от принятой системы освещения. Рассмотрены вопросы проектирования освещения городов, архитектурных ансамблей и светоцветовой режим городской застройки.
Предназначено для самостоятельной работы бакалавров направления 270800.62 «Строительство» профилей «Промышленное и гражданское строительство» и «Проектирование зданий и сооружений».

Связь между климатом и архитектурой зданий.
На территории нашей страны здания и сооружения подвергаются комплексу климатических воздействий в различных сочетаниях и различной интенсивности. Строительная климатология - наука, раскрывающая связи между климатическими условиями и архитектурой зданий и градостроительных образований. Основная задача строительной климатологии - обоснование целесообразности решений планировки городской застройки, выбор типов зданий и ограждающих конструкций с учетом климатических особенностей района строительства. Правильный выбор размеров и формы помещений зависит от ряда факторов, среди которых особое место занимает воздушная среда, характеристики которой зависят от климатических условий и места строительства. На протяжении тысячелетий архитекторам было известно, что города и здания следует проектировать и строить в соответствии с климатом, а ширину улиц, высоту зданий и размеры окон - выбирать с учетом ориентации и глубины помещений. Необходимо бережно и композиционно оправдано вписывать здания и сооружения в природу. Как показывает практика, все архитектурные и градостроительные шедевры создавались с учетом этих вечных истин.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение
Глава 1. Строительная климатология
1.1. Связь между климатом и архитектурой зданий
1.2. Климатические факторы и их роль при проектировании зданий и сооружений
1.3. Климатическое районирование
1.4. Архитектурно-климатические основы проектирования зданий
1.5. Архитектурный анализ климатических условий погоды
Глава 2. Строительная теплотехника
2.1. Общие положения
2.2. Виды теплообмена
2.3. Теплопередача через ограждения
2.4.Сопротивление теплопередачи через однослойные и многослойные ограждающие конструкции, выполненные из однородных слоев
2.5. Расчет температуры внутри ограждающих конструкций
2.6. Графический метод определения температуры внутри многослойной ограждающей конструкции
2.7. Влияние расположения конструктивных слоев на распределение температуры внутри ограждающих конструкций
2.8. Методика проектирования тепловой защиты зданий
2.9. Исходные данные для проектирования тепловой защиты зданий
2.9.1. Параметры внутреннего воздуха помещений
2.9.2. Наружные климатические условия района строительства
2.9.3. Расчетные характеристики строительных материалов и конструкций
2.9.4. Расчет отапливаемых площадей и объемов зданий
2.10. Определение нормируемого (требуемого) сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций
2.11. Расчет общего или приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций
2.12. Конструктивное решение наружных ограждений
2.13. Определение санитарно - гигиенических показателей тепловой защиты зданий
2.14. Расчет удельного расхода тепловой энергии на отопление зданий
2.15. Влажность воздуха и конденсация влаги в ограждениях
2.15.1. Расчет ограждающих конструкций на конденсацию водяного пара
2.15.2. Графо - аналитический метод определения зоны возможной конденсации внутри многослойной ограждающей конструкции
2.15.3. Паропроницаемость и защита от переувлажнения наружных ограждений
2.16. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций
2.17. Теплоустойчивость наружных ограждений
2.17.1. Расчет теплоустойчивости ограждающих конструкций в теплый период года
2.17.2. Теплоусвоение поверхности полов
2.18. Повышение теплозащитных свойств существующих зданий
2.19. Энергетический паспорт здания
Контрольные вопросы
Глава 3. Архитектурная и строительная светотехника
3.1. Основные понятия, величины и единицы измерения
3.2. Световой климат
3.3. Количественные и качественные характеристики освещения
3.4. Естественное освещение зданий
3.5. Естественное и искусственное освещение зданий
3.6. Выбор систем естественного освещения помещений и световых проемов
3.7. Нормирование естественного освещения
3.8. Проектирование естественного освещения
3.8.1. Определение площади световых проемов жилых и общественных зданий при боковом или верхнем естественном освещении помещений
3.8.2. Расчет площади световых проемов производственных зданий при боковом или верхнем естественном освещении помещений
3.9. Проверочный расчет естественного освещения помещений
3.9.1. Последовательность проведения проверочного расчета при боковом освещении производственных зданий
3.9.2. Расчет естественного освещения производственных помещений при верхнем и комбинированном расположении световых проемов
3.9.3. Проверочный расчет естественного освещения при боковом размещении световых проемов в жилых и общественных зданиях
3.9.4. Последовательность проведения проверочного расчета при верхнем или комбинированном освещении жилых и общественных зданий
3.10. Расчет времени использования естественного освещения в помещениях
3.11. Совмещенное освещение зданий
3.12. Технико-экономическая оценка систем естественного и совмещенного освещения по энергетическим затратам
3.13. Нормирование и проектирование искусственного освещения помещений
3.14. Архитектурная светотехника
3.14.1. Нормирование и проектирование освещения городов
3.14.2. Проектирование освещения архитектурных ансамблей
3.15. Светоцветовой режим помещений и городской застройки
3.16. Инсоляция и защита помещений от солнечных лучей
3.17. Солнцезащита и светорегулирование в зданиях
3.18. Экономическая эффективность использования инсоляции и солнцезащиты
Глава 4. Архитектурная акустика и звукоизоляция помещений
4.1. Общие понятия о звуке и его свойствах
4.2. Источники шума и их шумовые характеристики
4.3. Нормирование шума и звукоизоляция ограждений
4.4. Распространение шума в зданиях
4.5. Звукоизоляция помещений от воздушного и ударного шума
4.5.1. Определение индекса изоляции воздушного шума для вертикальных однослойных плоских ограждающих конструкций сплошного сечения
4.5.2. Определение индекса изоляции воздушного шума для каркасно-обшивных перегородок
4.5.3. Определение индекса изоляции воздушного шума для междуэтажных перекрытий
4.5.4. Расчет междуэтажных перекрытий на ударное воздействие шума
4.6. Измерение звукоизолирующих свойств ограждающих конструкций в акустических камерах
4.7. Мероприятия, обеспечивающие нормативную звукоизоляцию помещений
4.8. Защита от шума селитебных территорий городов и населенных пунктов
4.9. Архитектурная акустика
4.9.1. Оценка акустических качеств залов
4.9.2. Экспериментальные способы проверки акустических качеств залов
4.10. Общие принципы акустического проектирования залов
4.11. Специфические особенности акустического проектирования залов различного функционального назначения
4.12. Моделирование акустических свойств зрительных залов
4.13. Видимость и обозреваемость в зрелищных сооружениях
4.13.1. Общие принципы проектирования беспрепятственной видимости в зрительных залах
4.13.2. Обеспечение беспрепятственной видимости в зрительных залах
4.14. Расчет беспрепятственной видимости в зрительных залах
Контрольные вопросы
Основные термины и определения
Список литературы
Приложения.

Кипаренко Владислав

В такой важной науке как архитектура используются различные законы физики. Важнейшими из них являются закон Всемирного тяготения и закон Гука. Оба закона тесно связаны с силой – одной из фундаментальных физических величин. Любая форма вещества неизбежно подвергается действию физических процессов.

Я обратился к различным источникам информации о существующих масштабных сооружениях на территории России. Меня заинтересовали четыре архитектурных объекта: Александровская колонна в Санкт-Петербурге, Останкинская телебашня в Москве, мемориальный комплекс с главным сооружением «Родина -мать зовет» в Волгограде и памятник «Медный всадник» в Санкт-Петербурге.

Любое сооружение должно быть долговечным, а, значит, прочным.

Я решил узнать, каким образом эти масштабные объекты удерживаются на земле и не падают. Как законы физики помогают им находиться в состояниях устойчивого равновесия.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное казённое общеобразовательное учреждение

Гимназия №259

Школьный конкурс научно-исследовательских работ «Я- исследователь».

Учебный проект по физике

Физика в архитектуре

Предмет : Физика.

Работу выполнил:

Кипаренко Владислав, 7А МКОУ гимназия №259, ул.Усатого 8, кв.19

Руководитель проекта:

Куличкова Лариса Валентиновна

Учитель физики, МКОУ гимназии №259 (ул. Постникова 4, г. Фокино)

ЗАТО г.Фокино

2017 год.

1.Введение. Главный вопрос проекта.

2.Актуальность проекта.

3.Задачи и цель работы.

4.Теоретический материал.

5. Реализация проекта.

6.Заключение.

7.Используемые ресурсы.

Введение. Главный вопрос проекта.

В такой важной науке как архитектура используются различные законы физики. Важнейшими из них являются закон Всемирного тяготения и закон Гука. Оба закона тесно связаны с силой – одной из фундаментальных физических величин. Любая форма вещества неизбежно подвергается действию физических процессов. Я решил исследовать применение вышеупомянутых законов физики в архитектуре.

Актуальность проекта.

Я выбрал эту тему, потому что мне стало интересно, как возводились архитектурные сооружения, какие технологии строительства использовались и как физика связана с архитектурой.

Архитектурный памятник - это научный документ, исторический источник.

Актуальность моей исследовательской работы заключается в том, что она является практической проверкой взаимосвязи физики и архитектуры, в которой используются знания, полученные в школе.

Задачи:

1. Найти из различных источников, что такое сила упругости и сила тяжести. Определить степень влияния этих сил на состояние архитектурного сооружения.

2.Выяснить, в каких случаях проблемы устойчивости и прочности проявляются в конкретных архитектурных сооружениях

Цель работы.

Доказать тесную связь архитектуры с физическими законами.

Исследовать зависимости сил тяжести и упругости в архитектуре.

Гипотеза : Я предполагаю, что:

1.Действие законов физики в архитектуре могут изменяться в зависимости от различных внешних факторов.

2.В зависимости от погодных условий влияние сил сказывается по-разному.

Теоретическая часть.

Архитектурой называют не только систему зданий и сооружений, организующих пространственную среду человека, а самое главное – искусство создавать здания и сооружения по законам красоты.

Слово «архитектура» происходит от греческого «аркитектон», что в переводе означает «искусный строитель». Сама архитектура относится к той области человека, где особенно прочен союз науки, техники и искусства.

Еще в I в. до н.э. древнеримский архитектор Витрувий сформулировал три основных принципа архитектуры: практичность, прочность и красота. Здание практично, если оно хорошо спланировано и им удобно пользоваться. Оно прочно, если построено тщательно и надежно. Наконец, оно красиво, если радует глаз своими материалами, пропорциями или деталями убранства.

В архитектуре, как в ни каком другом искусстве, тесно переплелись, постоянно взаимодействуя между собой, красота и полезность функционального назначения построек. Неделимое целое в архитектуре создается средствами эстетической выразительности, главным из которых является тектоника – сочетание конструкции архитектурной формы и работы материала. Воплощая свой замысел, архитектор должен знать многие физические свойства строительных материалов: плотность и упругость, прочность и теплопроводность, звукоизоляционные и гидроизоляционные параметры, функциональные характеристики света и цвета.

Любое сооружение должно быть долговечным, а, значит, прочным. Достижение высокой конструктивной эффективности в архитектурно-строительной практике последних лет достигается физическим моделированием природных форм.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии внешних нагрузок, в узком смысле - только сопротивление разрушению. Прочность твёрдых тел обусловлена в конечном счете силами взаимодействия между атомами и ионами, составляющими тело . Прочность зависит не только от самого материала, но и от вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.), от условий эксплуатации (температура, скорость нагружения, длительность и число циклов нагружения, воздействие окружающей среды и т. д.). В зависимости от всех этих факторов в технике приняты различные меры прочности: предел прочности, предел текучести, предел усталости и др. Повышение прочности материалов достигается термической и механической обработкой, введением легирующих добавок в сплавы, радиоактивным облучением, применением армированных и композиционных материалов.

Устойчивость равновесия - способность механической системы, находящейся под действием сил в равновесии, почти не отклоняться при каких-либо незначительных случайных воздействиях (лёгких толчках, порывах ветра и т.п.) и после незначительного отклонения возвращаться в положение равновесия.

Жёсткость - способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации; физико-геометрическая характеристика поперечного сечения элемента конструкции. Понятие жёсткости широко используется при решении задач сопротивления материалов.

Как повысить устойчивость равновесия? Тело (конструкция, сооружение) находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры. Равновесие утрачивается, если линия действия силы тяжести не пройдет через площадь опоры. Как повысить устойчивость равновесия?

1. Следует увеличить площадь опоры, помещая точки опоры дальше друг от друга. Лучше всего, если они будут вынесены за границу проекции тела на плоскость опоры.

2. Вероятность выхода вертикальной линии за границы площади опоры снижается, если центр тяжести расположен низко над площадью опоры, т. е. соблюдается принцип минимума потенциальной энергии.

Среди всех наук физика занимает важное место, которое особенно возросло в современной архитектуре и строительстве.

В основе выбора архитектурной композиции лежат данные многих наук: надо учитывать назначение сооружения, его конструкцию, климат местности, особенности природных условий. Требования к конструктивным элементам зданий:

Архитектурные сооружения должны возводиться на века.

Конструктивные элементы (деревянные, каменные, стальные, бетонные и т.п.), воспринимающие основные нагрузки зданий и сооружений должны надёжно обеспечивать прочность, жёсткость и устойчивость зданий и сооружений.

Чем выше архитектурное сооружение, тем строже требования к его устойчивости.

С 1829 года на Дворцовой площади в Санкт-Петербурге начались работы по подготовке и строительству фундамента и пьедестала Александровской колонны.Фундамент памятника был сооружён из каменных гранитных блоков полуметровой толщины. Он был выведен до горизонта площади тёсовой кладкой. В его центр была заложена бронзовая шкатулка с монетами, отчеканенными в честь победы 1812 года.

Работы были закончены в октябре 1830 года.

Строительство пьедестала

После закладки фундамента, на него был водружён громадный четырёхсоттонный монолит, привезённый из Пютерлакской каменоломни, который служит основанием пьедестала.

Инженерная задача установки столь крупного монолита была решена О. Монферраном следующим образом:

Установка монолита на фундамент. Монолит закатили на катках через наклонную плоскость на платформу, построенную вблизи от фундамента. Камень свалили на кучу песка, предварительно насыпанную рядом с платформой. Были подведены подпорки, потом работники выгребли песок и подложили катки.Подпорки подрубили, и глыба опустилась на катки. Камень вкатили на фундамент.Канаты, перекинутые через блоки, натянули девятью кабестанами и приподняли камень на высоту порядка одного метра.

Подъём Александровской колонны

По наклонной плоскости колонну подкатили на особую платформу, находившуюся у подножия лесов и обмотали множеством колец из канатов, к которым были прикреплены блоки.

Большое число канатов, опоясывающих камень, огибало верхние и нижние блоки и свободными концами были намотаны на кабестаны, расставленные на площади.

Каменная глыба наклонно приподнялась, неспешно поползла, затем оторвалась от земли и её завели на позицию над пьедесталом. По команде канаты были отданы, колонна плавно опустилась и стала на своё место.

Скульптура « Родина-мать зовет» сделана из предварительно напряжённого железобетона - 5500 тонн бетона и 2400 тонн металлических конструкций (без основания, на котором она стоит).

Статуя стоит на плите высотой 2 метра, которая покоится на главном фундаменте.

Скульптура полая. Внутри вся статуя состоит из отдельных ячеек-камер . Толщина железобетонных стен скульптуры составляет 25-30 сантиметров. Жёсткость каркаса поддерживается 99 металлическими тросами, постоянно находящимися в натяжении.

Меч длиной 33 метра и весом 14 тонн был первоначально сделан из нержавеющей стали, обшитой листами титана . Огромная масса и высокая парусность меча, обусловленная его колоссальными размерами, вызывали сильное раскачивание меча при воздействии ветровых нагрузок, что приводило к возникновению избыточного механического напряжения в месте крепления руки, держащей меч, к телу скульптуры. Деформации конструкции меча также вызывали перемещения листов титановой обшивки, создавая неприятный для слуха звук гремящего металла. Поэтому в 1972 году лезвие заменили на другое - целиком состоящее из стали,- а в верхней части меча предусмотрели отверстия, позволившие уменьшить его парусность.

Останкинская телебашня

Внешне лёгкое элегантное сооружение высотой 540 м, удачно вписанное в окружающий ландшафт. Возвышаясь над окружающей застройкой, выразительная и динамичная по композиции, башня играет роль основной высотной доминанты и своеобразной эмблемы города.

Авторы проекта Останкинской телебашни уверены в инженерных расчётах по устойчивости сооружения: огромная полукилометровая башня была построена по принципу неваляшки. Три четверти всего веса башни приходятся на одну девятую её высоты, т. е. основная тяжесть башни сосредоточена внизу у основания. Потребуются колоссальные силы, чтобы заставить упасть такую башню. Ей не страшны ни ураганные ветры, ни землетрясения.

По первоначальному проекту у башни было 4 опоры, позже - по совету всемирно известного немецкого инженера-строителя Фритца Леонхардта автора первой в мире бетонной телебашни в Штутгарте - их число увеличили до десяти. Высота башни была увеличена до 540 м, увеличено количество телевизионных и радио программ.

Причиной устойчивости Александрийской колонны в Санкт-Петербурге и многих других высотных сооружений является близкое к земле расположение центра масс сооружения.

Тело (конструкция, сооружение) находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры. Равновесие утрачивается, если линия действия силы тяжести не пройдет через площадь опоры.

Реализация проекта.

Я обратился к различным источникам информации о существующих масштабных сооружениях на территории России. Меня заинтересовали четыре архитектурных объекта: Александровская колонна в Санкт-Петербурге, Останкинская телебашня в Москве, мемориальный комплекс с главным сооружением «Родина -мать зовет» в Волгограде и памятник «Медный всадник» в Санкт-Петербурге.

Любое сооружение должно быть долговечным, а, значит, прочным.

Я решил узнать, каким образом эти масштабные объекты удерживаются на земле и не падают. Как законы физики помогают им находиться в состояниях устойчивого равновесия.

Александровская колонна .

Архитектор-Огюст Монферран. Воздвигнута в 1834г.

Общая высота сооружения 47,5 м.

Высота ствола (монолитной части) колонны 25,6 м

Высота пьедестала 2,85 м

Высота фигуры ангела 4,26 м,

Высота креста 6,4 м

Нижний диаметр колонны 3,5 м (12 футов), верхний - 3,15 м

Размер постамента - 6,3×6,3 м.

Общий вес сооружения 704 тонны.

Вес каменного ствола колонны около 600 тонн.

Общий вес навершия колонны около 37 тонн.

Вывод:

Я выяснил, что колонна была установлена вручную при помощи простых механизмов: блоков, наклонных плоскостей.

Монумент обладает удивительной чёткостью пропорций, лаконизмом формы, красотой силуэта.

Это самый высокий монумент в мире, выполненный из цельного гранита и третья по высоте из всех монументальных колонн.

Колонна стоит на гранитном основании без каких-либо дополнительных опор, лишь под действием силы собственной тяжести равной 7040000Н=7,04МН

Ствол колонны - самый высокий и самый тяжёлый монолит, когда-либо установленный в виде колонны или обелиска вертикально, и один из величайших (пятый за всю историю и второй - после Гром-камня - в Новое время) перемещённых человеком монолитов.

А так же я выяснил, что причиной устойчивости колонны является близкое к земле расположение центра масс сооружения.

Архитектурное сооружение «Родина-мать зовёт!»г.Волгоград 1967г.

Архитекторы-Е.В.Вуетич,Н.В.Никитин

Скульптура «Родина-мать зовёт!» занесена в книгу рекордов Гиннеса как самая большая на тот момент скульптура-статуя в мире.

Её высота - 52 метра,

длина руки - 20 м. и меча - 33 метра.

Общая высота скульптуры - 85 метров.

Вес скульптуры - 8 тысяч тонн, а меча - 14 тонн.

Вывод:

Я выяснил, что статуя стоит на плите высотой 2 метра, которая покоится на главном фундаменте. Скульптура полая. Жёсткость каркаса поддерживается 99 металлическими тросами, постоянно находящимися в натяжении.

Сила упругости имеет огромную величину и уравновешена силой тяжести скульптуры равной 80000000 Н=80МН.

Для меня стало открытием, что в руках этой скульптуры было два разных меча. Первый- длиной 28м сильно раскачивался на 1,5-2 метра при сильном ветре, что могло привести к разрушению всей скульптуры.Выйти из положения решили путем создания нового меча большей массы и длины до 33м, была использована сталь с большим содержанием углерода, что повысило его прочность. Теперь при сильном ветре отклонения меча составляют не более 1,5-2 см.

Останкинская телебашня Главный конструктор - Н. В. Никитин.

Главный архитектор - Л. И. Баталов

Высота - 540 метров

Глубина фундамента не превышает 4,6 метров.

Диаметр основания - 60 метров.

Масса башни вместе с фундаментом - 55 000 тонн.

Коническое основание сооружения опирается на 10 опор

Кольцевые сечения ствола башни обжаты 150 канатами.

Средний диаметр между опорами-ногами - 65 метров.

Высота опор - 62 метра.

Максимальное теоретическое отклонение вершины башни при максимальных расчётных скоростях ветра - 12 метров

Вывод:

Я узнал, почему устойчива Останкинская башня:

У основания она опирается десятью железобетонными «ногами» в кольцевой фундамент с внешним диаметром 74 м, заложенный в грунт на глубину 4,65 м. Такой фундамент, несущий 55 000 т бетона и стали, обеспечивает шестикратный запас прочности на опрокидывание . На изгиб запас прочности был выбран двукратный. Напряжённый железобетон, сжатый стальными тросами, позволил сделать конструкцию башни простой и прочной.

Амплитуда колебаний верхней части башни при сильном ветре достигает 3,5 м! Узнал, что врагом башни является Солнце: из-за нагрева с одной стороны корпус башни переместился у вершины на 2,25 м, но 150 стальных тросов удерживают ствол башни от искривления. Велика сила упругости, уравновешивающаяся силой тяжести в 550000000Н=550МН.

Я восхищен прогрессивной идеей Никитина об использовании относительно мелкого фундамента, когда башня должна была бы практически стоять на земле, а её устойчивость обеспечивалась бы за счёт многократного превышения массы конусообразного основания над массой мачтовой конструкции.

До возведения Останкинской Башни в нашей стране использовалась Шуховская Башня 160 м. на Шаболовке-37 (проект В.Г.Шухова) – самое лёгкое в мире сооружение. В этом году ей 95 лет. Её лёгкость обусловлена тем, что все её элементы работают только на сжатие (это обеспечивает прочность сооружения), а ажурность конструкции уменьшает вес башни.

Памятник Петру I (Медный Всадник).Санкт-Петербург

«Гром-камень»- основа пьедестала Медного всадника.

Монумент уникален тем, что имеет всего три точки опоры:

«Гром-камень»перевозили на деревянной платформе, под которую были уложены тридцать металлических шаров диаметром 5 дюймов каждый (прообразы современных подшипников) .Шары катились по двум

параллельным желобам. Скала проехала расстояние 8,5 верст (9 км), в ее транспортировке участвовало около 1000 человек.

Вывод:

Я познакомился с условиями устойчивого равновесия.

Узнал, что монумент имеет всего три точки опоры: задние ноги коня и извивающийся хвост змеи.

Для того, чтобы скульптура приобрела устойчивость, мастера должны были облегчить ее переднюю часть, потому толщина бронзовых стенок передней части намного тоньше задних стенок, что значительно усложнило отливку монумента.

Я был удивлен, тому, что камень начали обтесывать по ходу перемещения с берега Финского залива. Однако императрица запретила его трогать: будущий пьедестал должен прибыть в столицу в естественном виде! Свой нынешний облик «Гром-камень» обрел уже на Сенатской площади, значительно «похудев» после обработки.

«Гром-камень» перевозили на деревянной платформе, под которую были уложены тридцать металлических шаров диаметром 5 дюймов каждый. Шары катились по двум параллельным желобам (прообраз современных подшипников).

Заключение. В ходе проекта моя гипотеза подтвердилась.

Вывод

P.S .

На этом я не останавливаюсь, буду продолжать следить за новыми технологиями строительства. А также сравнивать с архитектурой прошлых веков и рассмотрю симметрию в оформлении зданий.

Использованные информационные ресурсы:

Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2006.

Иллюстрированный энциклопедический словарь.

Энциклопедия «Мир вокруг нас»

Детская энциклопедия Кирилла и Мефодия 2006.

Библиотека наглядных пособий.

Ресурсы интернет и Википедия

Высота памятника-10,4 м, масса приблизительно 1600 т.

Спустя некоторое время после создания проекта и многочисленных поисков, литейщик, наконец-то, нашелся. Им оказался Емельян Хайлов, пушечных дел мастер. Совместно с французским скульптором он подбирал сплав нужного состава и делал пробы. Непосредственно отливка памятника стартовала в 1774 году и проводилась по невероятно сложной технологии. Необходимо было добиться, чтобы передние стенки в толщине своей непременно уступали задним, что придавало бы композиции необходимую устойчивость. Но вот незадача: труба, по которой расплавленная бронза поступала в форму, вдруг лопнула, испортив верхнюю часть монумента. Её пришлось удалить и еще три года затратить на подготовку ко второй заливке. В этот раз фортуна им улыбнулась, и всё было готово в срок и без происшествий. После трехлетней подготовки была проведена повторная отливка, оказавшаяся полностью удачной. Именно по его чертежам изготовили приведшую всех в восторг машину, с помощью которой транспортировали «Гром-камень», легший в основу пьедестала Медного всадника.

Кстати, о «Гром - камне». Его нашел в окрестностях деревушки Конная Лахта крестьянин Семен Вишняков, откликнувшийся на обращение в «Санкт-Петербургских ведомостях». Мегалит весил 1600 тонн и когда был извлечен из земли, то оставил после себя огромный котлован. Он заполнился водой и образовался водоем, названный Петровским прудом и сохранившимся до наших дней. Чтобы доставить камень к месту погрузки, нужно было преодолеть почти 8 километров. Но как? Решили дождаться зимы, чтобы подмерзшая почва не проседала под его тяжестью. Транспортировка началась 15 ноября 1769 года и завершилась 27 марта 1770 года (по старому стилю) на берегу Финского залива. К тому моменту здесь построили пристань для отгрузки исполина. Чтобы не терять драгоценное время, камень начали обтесывать по ходу перемещения. Однако императрица запретила его трогать: будущий пьедестал должен прибыть в столицу в естественном виде! Свой нынешний облик «Гром-камень» обрел уже на Сенатской площади, значительно «похудев» после обработки. «Гром-камень» перевозили на деревянной платформе, под которую были уложены тридцать металлических шаров диаметром 5 дюймов каждый. Шары катились по двум параллельным желобам (прообраз подшипников).

Монумент уникален тем, что имеет всего три точки опоры. Чтобы скульптура приобрела устойчивость, мастера должны были облегчить ее переднюю часть, потому толщина бронзовых стенок передней части намного тоньше задних стенок, что значительно усложнило отливку монумента.

Заключение.

Вывод : В результате проделанной работы я узнал, на сколько важны силы тяжести и упругости в архитектуре, и какова роль закона устойчивого равновесия в строительстве архитектурных сооружений. Я привёл четыре примера различных памятников и скульптур. В них во всех действуют законы физики. Александровская колонна стоит лишь под действием силы собственной тяжести, что достигается за счёт увеличения площади опоры. Останкинская телебашня опирается на десять железобетонных “ног” в каждой из которых – пятнадцать стальных тросов. Такая конструкция увеличивает жёсткость постройки. Меч “Родины – матери” был заменён на стальной, с отверстиями на конце, которые позволяли уменьшить его парусность, тот есть понизить воздействие ветра. А толщина стенок Медного всадника неравномерна, что позволяет повысить его устойчивость.

На этом я не остановлюсь, я буду проводить опыты, и увижу эти законы в действии.