Fotometria -Photometria

Photometria é um livro sobre a medição da luz de Johann Heinrich Lambert publicado em 1760. Ele estabeleceu um sistema completo de grandezas e princípios fotométricos; usando-os para medir as propriedades ópticas dos materiais, quantificar aspectos da visão e calcular a iluminação.

Página de título da Fotometria de Lambert

Conteúdo de fotometria

Escrito em latim, o título do livro é uma palavra que Lambert inventou do grego: φῶς, φωτος (phôs transliterados, fotos) = luz e μετρια (metria transliterada) = medida. A palavra de Lambert encontrou seu caminho em línguas europeias como fotometria, fotometria, fotometria. A fotometria foi o primeiro trabalho a identificar com precisão os conceitos fotométricos mais fundamentais, montá-los em um sistema coerente de grandezas fotométricas, definir essas grandezas com uma precisão suficiente para declarações matemáticas e construir a partir delas um sistema de princípios fotométricos. Esses conceitos, quantidades e princípios ainda são usados ​​hoje.

Lambert começou com dois axiomas simples: a luz viaja em linha reta em um meio uniforme e os raios que se cruzam não interagem. Como Kepler antes dele, ele reconheceu que as "leis" da fotometria são simplesmente consequências e decorrem diretamente dessas duas suposições. Desta forma, a fotometria demonstrou (ao invés de presumir) que

  1. A iluminância varia inversamente com o quadrado da distância de uma fonte pontual de luz,
  2. A iluminância em uma superfície varia conforme o cosseno do ângulo de incidência medido a partir da superfície perpendicular, e
  3. A luz decai exponencialmente em um meio absorvente.

Além disso, Lambert postulou uma superfície que emite luz (seja como uma fonte ou por reflexão) de forma que a densidade da luz emitida (intensidade luminosa) varie como o cosseno do ângulo medido a partir da superfície perpendicular. No caso de uma superfície refletora, esta forma de emissão é considerada o caso, independentemente da direção de incidência da luz. Essas superfícies são agora chamadas de "Perfeitamente Difusas" ou "Lambertianas". Veja: refletância lambertiana , emissor lambertiano

Lambert demonstrou esses princípios da única maneira disponível na época: inventando arranjos ópticos frequentemente engenhosos que poderiam fazer dois campos luminosos imediatamente adjacentes parecerem igualmente brilhantes (algo que só poderia ser determinado por observação visual), quando duas quantidades físicas que produziram os dois os campos eram desiguais em algum valor específico (coisas que podiam ser medidas diretamente, como ângulo ou distância). Dessa forma, Lambert quantificou propriedades puramente visuais (como potência luminosa, iluminação, transparência, refletividade) relacionando-as a parâmetros físicos (como distância, ângulo, potência radiante e cor). Hoje, isso é conhecido como "fotometria visual". Lambert foi um dos primeiros a acompanhar medições experimentais com estimativas de incertezas baseadas em uma teoria de erros e o que ele determinou experimentalmente como os limites da avaliação visual.

Embora os pesquisadores anteriores tivessem pronunciado as leis fotométricas 1 e 3, Lambert estabeleceu a segunda e acrescentou o conceito de superfícies perfeitamente difusas. Mas o mais importante, como Anding apontou em sua tradução alemã de Photometria , "Lambert tinha ideias incomparavelmente mais claras sobre fotometria" e com elas estabeleceu um sistema completo de grandezas fotométricas. Com base nas três leis da fotometria e na suposição de superfícies perfeitamente difusas, a Fotometria desenvolveu e demonstrou o seguinte:

1. Diferenças apenas perceptíveis
Na primeira seção de Photometria , Lambert estabeleceu e demonstrou as leis da fotometria. Ele fez isso com a fotometria visual e, para estabelecer as incertezas envolvidas, descreveu seus limites aproximados determinando quão pequena a diferença de brilho o sistema visual poderia determinar.
Um exemplo de fotometria visual da Photometria . A tela vertical produz o campo EFDC iluminado por uma única vela e o campo adjacente GFDB iluminado por duas velas. As distâncias da vela são alteradas até que o brilho em ambos os lados do FD seja o mesmo. O poder de iluminação relativo pode então ser determinado a partir das distâncias da vela.
2. Refletância e transmitância de vidro e outros materiais comuns
Usando fotometria visual, Lambert apresentou os resultados de muitas determinações experimentais de refletância especular e difusa, bem como a transmitância de vidros e lentes. Entre os experimentos mais engenhosos que conduziu foi o de determinar a refletância da superfície interna de uma vidraça.
3. Transferência radiativa luminosa entre superfícies
Assumindo superfícies difusas e as três leis da fotometria, Lambert usou o cálculo para encontrar a transferência de luz entre superfícies de vários tamanhos, formas e orientações. Ele originou o conceito de transferência por unidade de fluxo entre superfícies e em Fotometria mostrou a forma fechada para muitos integrais duplos, triplos e quádruplos que deram as equações para muitos arranjos geométricos diferentes de superfícies. Hoje, essas grandezas fundamentais são chamadas de fatores de visualização , fatores de forma ou fatores de configuração e são usadas na transferência de calor por radiação e em computação gráfica .
4. Brilho e tamanho da pupila
Lambert mediu o diâmetro de sua pupila olhando-o em um espelho. Ele mediu a mudança no diâmetro ao ver uma parte maior ou menor da chama de uma vela. Esta é a primeira tentativa conhecida de quantificar o reflexo pupilar à luz .
5. Refração e absorção atmosférica
Usando as leis da fotometria e muita geometria, Lambert calculou os tempos e a profundidade do crepúsculo.
6. Fotometria astronômica
Assumindo que os planetas tinham superfícies difusamente reflexivas, Lambert tentou determinar a quantidade de sua refletância, dado seu brilho relativo e distância conhecida do sol. Um século depois, Zöllner estudou Fotometria e continuou de onde Lambert parou, dando início ao campo da astrofísica.
7. Demonstração de mistura de cores aditivas e colorimetria
Lambert foi o primeiro a registrar os resultados da mistura de cores aditivas . Por transmissão e reflexão simultâneas de um painel de vidro, ele sobrepôs as imagens de duas manchas de papel de cores diferentes e observou a cor aditiva resultante.
8. Cálculos de luz natural
Assumindo que o céu era uma cúpula luminosa, Lambert calculou a iluminação pela clarabóia através de uma janela, e a luz ocluída e refletida por paredes e divisórias.

Natureza da Fotometria

O livro de Lambert é fundamentalmente experimental. Os quarenta experimentos descritos em Photometria foram conduzidos por Lambert entre 1755 e 1760, depois que ele decidiu escrever um tratado sobre medição de luz. Seu interesse em adquirir dados experimentais abrangeu vários campos: ótica, termometria, pirometria, hidrometria e magnetismo. Esse interesse pelos dados experimentais e por sua análise, tão evidente na Photometria , está presente também em outros artigos e livros produzidos por Lambert. Para o seu trabalho ótico bastava um equipamento extremamente limitado: alguns vidros, lentes convexas e côncavas, espelhos, prismas, papel e papelão, pigmentos, velas e meios para medir distâncias e ângulos.

O livro de Lambert também é matemático. Embora soubesse que a natureza física da luz era desconhecida (levaria 150 anos antes que a dualidade onda-partícula fosse estabelecida), ele tinha certeza de que a interação da luz com os materiais e seu efeito na visão poderiam ser quantificados. A matemática era para Lambert não apenas indispensável para essa quantificação, mas também o indiscutível sinal de rigor. Ele usou álgebra linear e cálculo extensivamente com uma confiança prática que era incomum em trabalhos ópticos da época. Com base nisso, Photometria certamente não é característica das obras de meados do século XVIII.

Redação e publicação de Photometria

Lambert começou a conduzir experimentos fotométricos em 1755 e em agosto de 1757 tinha material suficiente para começar a escrever. A partir das referências em Photometria e do catálogo de sua biblioteca leiloada após sua morte, fica claro que Lambert consultou as obras ópticas de Newton, Bouguer, Euler, Huygens, Smith e Kästner. Ele terminou Photometria em Augsburg em fevereiro de 1760 e o impressor tinha o livro disponível em junho de 1760.

Maria Jakobina Klett (1709-1795) era proprietária da Eberhard Klett Verlag, uma das mais importantes “editoras protestantes” de Augsburg. Ela publicou muitos livros técnicos, incluindo Lambert's Photometria , e 10 de seus outros trabalhos. Klett usou Christoph Peter Detleffsen (1731–1774) para imprimir Fotometria . Sua primeira e única impressão foi evidentemente pequena, e em 10 anos foi difícil obter cópias. Na pesquisa de óptica de Joseph Priestley de 1772, “Lambert's Photometrie” aparece na lista de livros ainda não adquiridos. Priestley faz uma referência específica à Fotometria ; que era um livro importante, mas improcurável.

Uma tradução abreviada de Photometria para o alemão apareceu em 1892, uma tradução para o francês em 1997 e uma tradução para o inglês em 2000.

Influência posterior

A fotometria apresentou avanços significativos e foi, talvez, por isso mesmo que seu surgimento tenha sido saudado com indiferença geral. A questão ótica central em meados do século 18 era: qual é a natureza da luz? O trabalho de Lambert não estava relacionado a esse problema de forma alguma e, portanto, Photometria não recebeu avaliação sistemática imediata e não foi incorporada à corrente principal da ciência óptica. A primeira avaliação de Photometria apareceu em 1776 na tradução alemã de Georg Klügel da pesquisa de Priestley de 1772 sobre óptica. Um elaborado retrabalho e anotação apareceu em 1777. A fotometria não foi seriamente avaliada e utilizada até quase um século após sua publicação, quando a ciência da astronomia e o comércio de iluminação a gás precisaram da fotometria. Cinquenta anos depois disso, a Illuminating Engineering adotou os resultados de Lambert como a base para os cálculos de iluminação que acompanharam a grande expansão da iluminação no início do século XX. Cinqüenta anos depois disso, a computação gráfica adotou os resultados de Lambert como a base para os cálculos de radiosidade necessários para produzir representações arquitetônicas. A fotometria teve uma influência significativa, embora tardia, sobre a tecnologia e o comércio, uma vez que a revolução industrial estava bem encaminhada, e é a razão de ter sido um dos livros listados em Printing and the Mind of Man .

Veja também

Referências

  1. ^ Lambert, Johann Heinrich, Photometria, sive de mensura e gradibus luminis, colorum e umbrae , Augsburg: Eberhard Klett, 1760.
  2. ^ Mach, E., The Principles of Physical Optics: An Historical and Philosophical Treatment , trad. JS Anderson e AFA Young, Dutton, Nova York, 1926.
  3. ^ Sheynin, OB, “JH Lambert's work on Probability,” Archive for History of Exact Sciences, vol. 7, 1971, pp. 244-256.
  4. ^ Gal, O. e Chen-Morris, R., "The Archaeology of the Inverse Square Law", History Science , Vol 43, dezembro de 2005 pp. 391–414.
  5. ^ Ariotti, PE e Marcolongo, FJ, "The Law of Illumination before Bouguer (1720)", Annals of Science , Vol. 33, nº 4, pp 331–340.
  6. ^ a b Anding, E., fotometria de Lambert , no. 31, 32, 33 do der Exakten Wissenschaften de Klassiker de Ostwald , Engelmann, Leipzig, 1892.
  7. ^ Zöllner, JCF, Photometrische Untersuchungen mit Besonderer Rücksicht auf die Physische Beschaffenheit der Himmelskörper, Leipzig, 1865.
  8. ^ Rood ON, Modern Chromatics , Appleton, New York, 1879, pp. 109-139.
  9. ^ Lambert, JH, Pyrometrie oder vom Maaße des Feuers und der Wärme , Berlin, 1779.
  10. ^ Buchwald, JZ, The Rise of the Wave Theory of Light , Chicago, 1989, p. 3
  11. ^ Bopp, K., “Johann Heinrich Lamberts Monatsbuch,” Abhandlungen der Königlich Bayerischen Akademie der Wissenshaften, Mathematisch-physikalische Klasse, XXVII. Banda 6. Munique, 1916.
  12. ^ Verzeichniß der Bücher und Instrumente, weich der verstorbene Köinig. Ober Baurath e o professor Herr Heinrich Lambert hinterlassen hat, und die den Weistbiethenden sollen verkauft werden. Berlim, 1778.
  13. ^ Priestly, J., The History and Present State of Discoveries related to Vision, Light, and Colors , London, 1772
  14. ^ Boye, J., J. Couty e M. Saillard, Photométrie ou de la Mesure et de la Gradation de la lumière, des couleurs et de l'Ombre , L'Harmattan, Paris, 1997.
  15. ^ DiLaura, DL , Fotometria, ou, Sobre a medida e gradações de luz, cores e sombra , traduzido do latim por David L. DiLaura. Nova York, Illuminating Engineering Society, 2001.
  16. ^ Klügel, GS, Geschichte und gegenwärtiger zustand der Optik nach der Englischen Priestelys bearbeitet , Leipsig, 1776, pp. 312-327.
  17. ^ Karsten, WJG, Lehrbegrif der gesamten Mathematic; Der Achte Theil, Die Photometrie, Greifswald, 1777.
  18. ^ DiLaura, DL, "Light's Measure: A History of Industrial Photometry to 1909", LEUKOS , janeiro de 2005, Vol 1, No. 3, pp. 75-149.
  19. ^ Yamauti, Z., "Estudo adicional de cálculo geométrico de iluminação devido à luz de fontes de superfície luminosa de forma simples," Researches of the Electrotechnical Laboratory , no., 194, Tóquio, 1927, n. 1, pág. 3

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