ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Θέμα: ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΦΩΤΙΣΜΟΥ Τίτλος: Η ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΔΙΕΥΡΥΝΕΙ ΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΣΥΝΘΕΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ. ΤΟ ΦΩΣ ΩΣ ΥΛΙΚΟ ΑΝΑΔΕΙΞΗΣ, ΑΝΑΤΡΟΠΗΣ, ΚΑΙ ΜΕΤΑΛΛΑΞΗΣ. Ονοματεπώνυμο: Κωνσταντίνος Γ. Χριστοδούλου Α.Μ.: 511/2002064 Επιβλέπων καθηγητής: Ευγένιος Σκουρμπούτης Τριμελής Εξεταστική Επιτροπή: Ευγένιος Σκουρμπούτης Μαρία Σίμωση Σέργιος Φωτιάδης Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων & Συστημάτων Ερμούπολη Σύρος 22 Σεπτεμβρίου 2011
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία σελ 2 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Πίνακας περιεχομένων Πίνακας περιεχομένων... 3 Πίνακας εικόνων... 7 1. Εισαγωγή... 9 2. Μέρος Α Το Φως... 14 2.1. Και είπεν ο Άνθρωπος Γενηθήτω Φως 1... 14 2.1.1. Ο Άνθρωπος Τιθασεύει το Φως 2... 17 2.2. Τι είναι το Φως;... 20 2.2.1. Το Φως ως Επιστημονική Οντότητα 3... 20 2.2.1.1. Το Φως ως Σωματίδιο... 21 2.2.1.2. Το Φως ως Κύμα... 22 2.2.1.3. Σύγκριση των Δυο Θεωριών... 24 2.2.2. Το Φως ως Συμβολή στην Ζωή και την Κοινωνική Ύπαρξη 4... 30 2.2.2.1. Το Φως στην Αρχιτεκτονική Δημιουργία 5... 34 2.3. Οι Ιδιότητες του Φωτός 6... 38 2.4. Μια από τις Πέντε Αισθήσεις του Ανθρώπου Η Όραση 7... 47 2.4.1. Η Όραση και το Ανθρώπινο μάτι... 47 2.4.2. Το Φαινόμενο της Προσαρμογής... 52 2.4.3. Κεντρική και Περιφερειακή Όραση... 52 3. Μέρος B Φωτισμός... 54 3.1. Η έννοια του Φωτισμού... 54 3.1.1. Ενισχύοντας το φυσικό φως 8... 54 3.1.2. Τα χαρακτηριστικά του Φωτισμού... 57 3.1.2.1. Γενικός Χαρακτηρισμός του Φωτισμού 9... 58 3.1.3. Μεγέθη φωτομετρίας 10... 64 3.2. Εργαλεία μορφοποίησης του φωτός... 68 3.2.1. Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των λαμπτήρων 11... 69 3.2.2. Λαμπτήρες 12... 73 3.2.2.1. Λαμπτήρες πυράκτωσης... 73 3.2.2.2. Λαμπτήρες ηλεκτρικής εκκένωσης... 77 3.2.2.3. Επαγωγικοί λαμπτήρες... 88 3.2.2.4. Πηγές φωτός στερεάς κατάστασης... 89 Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 3 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία 3.2.2.5. Lasers... 93 3.2.2.6. Συστήματα φωτισμού οπτικών ινών... 95 3.3. Φωτιστικά 13... 100 3.3.1. Κατηγορίες φωτιστικών σωμάτων... 101 3.3.2. Τα μέρη ενός φωτιστικού... 105 4. Μέρος Γ Φωτισμός & Περιβάλλον 14... 107 4.1. Ενέργεια... 107 4.1.1. Νομοθετικό πλαίσιο 15... 108 4.1.2. Σημαντική και η ιδιωτική πρωτοβουλία... 110 4.1.3. Σύγχρονες εγκαταστάσεις φωτισμού... 112 4.2. Ενημέρωση 16... 112 4.3. Φωτορύπανση 17... 114 4.3.1. Αποφυγή της φωτορύπανσης 18... 117 4.4. Φωτίζοντας τον κόσμο. Ποιο είναι το κόστος; 19... 118 5. Μέρος Δ Ο Φωτισμός ως Σχεδιαστική Διαδικασία... 121 5.1. Το Φως και η Αρχιτεκτονική Δημιουργία 20... 122 5.1.1. Σχεδιάζοντας Φωτισμό... 122 5.1.2. Μηχανικός Σχεδίασης Φωτισμού Μια νέα ειδικότητα 21... 125 5.2. Σχεδιασμός Φωτισμού... 128 5.2.1. Αρχιτεκτονικός και Θεατρικός Φωτισμός... 129 5.2.1.1. Θεατρικός Φωτισμός... 130 5.2.1.2. Αρχιτεκτονικός Φωτισμός... 131 5.2.2. Φωτισμός ανάδειξης Αρχιτεκτονικής τοπίου 22... 136 5.3. Οπτική αντίληψη Η όραση ως αίσθηση 23... 142 5.4. Το μάτι και η ανθρώπινη αντίληψη 24... 144 5.4.1. Θεωρίες αντίληψης Η θεωρία Gelstalt 25... 148 5.4.1.1. Μορφή / Φόντο... 151 5.4.1.2. Αμεταβλητότητα των αντικειμένων... 151 5.4.1.3. Ενδείξεις βάθους... 153 5.4.1.4. Ψευδαίσθηση... 155 5.4.1.5. Η αντίληψη των χρωμάτων... 156 5.4.1.6. Η σχεδίαση και οι ανθρώπινες ανάγκες 26... 160 6. Μέρος Ε Φωτισμός: η διαδικασία του σχεδιασμού... 163 6.1. Το προϊόν... 163 σελ 4 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 6.1.1. Οι σχεδιαστικές προδιαγραφές... 164 6.2. Ερευνητική διαδικασία: Προσαρμόζοντας τα γενικά στάδια του σχεδιασμού στο αντικείμενο του φωτισμού... 168 6.2.1. Καταγραφή μιας νέας μεθοδολογίας με αντικείμενο τον Φωτισμό... 170 6.2.1.1. Ανάθεση του έργου (Στάδιο διερεύνησης)... 170 6.2.1.2. Επικοινωνία με τον πελάτη (Στάδιο διερεύνησης)... 170 6.2.1.3. Συλλογή πληροφοριών (Στάδιο διερεύνησης)... 171 6.2.1.4. Δημιουργία πρώτων σκέψεων (Στάδιο ανάπτυξης)... 172 6.2.1.5. Ορισμός των σχεδιαστικών κατευθύνσεων (Στάδιο ανάπτυξης)... 173 6.2.1.6. Καταγραφή των πρώτων πιθανών λύσεων (Στάδιο ανάπτυξης)... 173 6.2.1.7. Έλεγχος συμβατότητας των λύσεων με τους περιορισμούς του έργου (Στάδιο αξιολόγησης)... 173 6.2.1.8. Επιλογή των 3 4 επικρατέστερων ιδεών (Στάδιο αξιολόγησης)... 174 6.2.1.9. Σύνθεση των επικρατέστερων ιδεών (Στάδιο σύνθεσης)... 174 6.2.1.10. Λεπτομερής σχεδίαση / Αναπαράσταση (Στάδιο σύνθεσης)... 175 6.2.1.11. Αναθεώρηση των ιδεών (Στάδιο σύνθεσης)... 175 6.2.1.12. Επιλογή των εργαλείων φωτισμού (Στάδιο σύνθεσης)... 175 6.2.1.13. Έλεγχος των επιλογών μας με μαθηματικό/ψηφιακό τρόπο (Στάδιο αξιολόγησης)... 175 6.2.1.14. Δημιουργία των τεχνικών προδιαγραφών και απαιτούμενων σχεδίων (Στάδιο σύνθεσης)... 177 6.2.1.15. Επιλογή συγκεκριμένων εργαλείων φωτισμού (Στάδιο σύνθεσης)... 177 6.2.1.16. Προμήθεια υλικού και εφαρμογή της εγκατάστασης (Στάδιο σύνθεσης)... 178 6.2.1.17. Έλεγχος της εφαρμογής (Στάδιο αξιολόγησης)... 178 6.2.1.18. Πιθανές προτάσεις επίλυσης σε περιπτώσεις προβλημάτων (Στάδιο σύνθεσης).... 178 6.3. Η σχεδίαση φωτισμού διευρύνει την αρχιτεκτονική συνθετική διαδικασία... 180 6.3.1. Παραδείγματα... 182 6.3.1.1. Φωτισμός της Ακρόπολης, Αθήνα, Ελλάδα... 182 6.3.1.2. Sackler Crossing, Royal Botanic Gardens, Kew, UK... 188 6.3.1.3. Bridge of Aspiration, London, UK... 190 6.3.1.4. Kunsthaus Graz, Austria... 191 6.3.1.5. Φωτισμός του Κτιρίου της Βουλής των Ελλήνων, Αθήνα, Ελλάδα... 192 6.3.2. Τρεις νέες στρατηγικές: Τρείς διαφορετικοί τρόποι προσέγγισης... 194 6.3.2.1. Ανάδειξη... 194 Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 5 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία 6.3.2.2. Ανατροπή... 197 6.3.2.3. Μετάλλαξη... 199 7. Case Study:... 201 7.1. Το έργο:... 201 7.2. Συνεργάτης / πελάτης:... 201 7.3. Συλλογή πληροφοριών:... 201 7.4. Οι πρώτες σκέψεις:... 203 7.5. Οι σχεδιαστικές κατευθύνσεις:... 204 7.6. Δημιουργία πολλαπλών πιθανών λύσεων:... 204 7.7. Αξιολόγηση και επιλογή των επικρατέστερων ιδεών:... 205 7.8. Αξιολόγηση και επιλογή του τελικού concept:... 208 7.9. Επιλογή των κατάλληλων εργαλείων φωτισμού:... 208 7.10. Μαθηματική μοντελοποίηση και υπολογισμών των φωτομετρικών αποτελεσμάτων:... 209 7.11. Τεχνικές προδιαγραφές φωτιστικών σωμάτων & λαμπτήρων:... 211 7.12. Δημιουργία λεπτομερών Σχεδίων Θέσεως Φωτισμού:... 211 7.13. Έρευνα αγοράς και επιλογή συγκεκριμένων εργαλείων φωτισμού:... 211 8. Επίλογος... 213 9. Βιβλιογραφία... 214 Επισυνάπτεται: Παράρτημα Α : Άρθρα Προδιαγραφών Παράρτημα Β : Σχέδια Αρχιτεκτονικού Φωτισμού Θέσεις Φωτιστικών Σωμάτων Παράρτημα Γ : Τεχνικές Προδιαγραφές Προτεινόμενων Φωτιστικών Σωμάτων σελ 6 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Πίνακας εικόνων Εικόνα 1. Άποψη φωτισμένου έργου στο Abu Dhabi από τους Speirs & Major... 13 Εικόνα 2. Ο Φάρος της Αλεξάνδρειας... 15 Εικόνα 3. Διατομή μιας οπτικής ίνας... 18 Εικόνα 4. Πολλαπλές πληροφορίες ταξιδεύουν μαζί μέσα σε κάθε οπτική ίνα... 19 Εικόνα 5. Το φως προερχόμενο από τον ήλιο... 20 Εικόνα 6. Η ανάλυση του φωτός μέσα από ένα πρίσμα... 21 Εικόνα 7. Το φως ως κύμα... 22 Εικόνα 8. Η διάθλαση του φωτός... 23 Εικόνα 9. Η συμβολή των κυμάτων... 24 Εικόνα 10. Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και το ορατό πεδίο... 25 Εικόνα 11. Αναλυτικά το φάσμα των ακτινοβολιών και ειδικότερα το Φάσμα του Ορατού Φωτός... 26 Εικόνα 12. Η απόδοση των χρωμάτων κάθε αντικειμένου... 28 Εικόνα 13. Η φωτοσύνθεση είναι η έσχατη πηγή τροφής όλων των γήινων οργανισμών... 31 Εικόνα 14. Le Corbusier... 35 Εικόνα 15. Το φως παίζει ενεργό ρόλο στην Αρχιτεκτονική... 37 Εικόνα 16. Η ανάκλαση του φωτός... 38 Εικόνα 17. Η ανάκλαση και η διάχυση του φωτός... 39 Εικόνα 18. Η απορρόφηση του φωτός και η εκπομπή ενός συγκεκριμένου χρώματος... 39 Εικόνα 19. Κυρτός καθρέφτης... 39 Εικόνα 20. Ο μηχανισμός δημιουργίας ειδώλων... 40 Εικόνα 21. Διαφορετικά υλικά μέσα από τα οποία διέρχεται το φως... 40 Εικόνα 22. Η διάθλαση του φωτός... 42 Εικόνα 23. Κρίσιμη γωνία για την εμφάνιση του φαινομένου της ολικής ανάκλασης 43 Εικόνα 24. Τριγωνικό πρίσμα... 43 Εικόνα 25. Το φαινόμενο της πόλωσης του φωτός... 43 Εικόνα 26. Η συμβολή του φωτός επάνω σε μια πολύ λεπτή επιφάνεια μιας μπουρμπουλήθρας... 45 Εικόνα 27. Το φαινόμενο της θετικής συμβολής δύο κυμάτων... 45 Εικόνα 28. Το φαινόμενο της περίθλασης... 46 Εικόνα 29. Η περίθλαση επάνω σε ένα ψηφιακό δίσκο (CD)... 46 Εικόνα 30. Κεντρική & περιφερειακή όραση... 53 Εικόνα 31. Το φυσικό φως μέσα από ένα παράθυρο... 54 Εικόνα 32. Μια πιο ψυχρή άποψη του ουρανού... 55 Εικόνα 33. Θερμή απόχρωση του ουρανού κατά τις απογευματινές ώρες... 55 Εικόνα 34. Διάχυτος φωτισμός... 58 Εικόνα 35. Έμμεσος φωτισμός... 60 Εικόνα 36. Κατευθυνόμενος φωτισμός... 62 Εικόνα 37. Τοπικός διακοσμητικός φωτισμός... 63 Εικόνα 38. Απεικόνιση των φωτομετρικών αποτελεσμάτων... 67 Εικόνα 39. Ενδεικτικό πολικό διάγραμμα συγκεκριμένης πηγής φωτός... 71 Εικόνα 40. Λαμπτήρας πυράκτωσης... 73 Εικόνα 41. Λαμπτήρας αλογόνου... 76 Εικόνα 42. Λαμπτήρας εκκένωσης υψηλής πιέσεως... 83 Εικόνα 43. Λαμπτήρας μεταλλικών αλογονιδίων... 86 Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 7 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία Εικόνα 44. Μονάδα LED υψηλής απόδοσης... 90 Εικόνα 45. Οργανικά εύκαμπτα LEDs... 92 Εικόνα 46. Δέσμες laser... 93 Εικόνα 47. Απολήξεις οπτικών ινών... 95 Εικόνα 48. Φωτεινή πηγή οπτικών ινών... 96 Εικόνα 49. Οι μικρές διαστάσεις και η απομακρισμένη πηγή του φωτός ως πλεονέκτημα των οπτικών ινών... 97 Εικόνα 50. Μεγάλη ποικιλία στις τεχνολογίες λαμπτήρων... 99 Εικόνα 51. Φωτιστικό σώμα... 100 Εικόνα 52. Ανακλαστήρας... 105 Εικόνα 53. Συνθετικός διαχύτης... 106 Εικόνα 54. Ηλεκτρονικά στοιχεία φωτιστικού... 106 Εικόνα 55. Άποψη της γης κατά τις νυχτερινές ώρες... 114 Εικόνα 56. Σπατάλη ηλεκτρικής ενέργειας, σπατάλη χρημάτων, φρικτή θέα του νυκτερινού τοπίου της περιοχής. Άποψη του Los Angeles κατά τις νυχτερινές ώρες.... 120 Εικόνα 57. Ακολουθία διεργασιών σχεδιαστικής διαδικασίας... 128 Εικόνα 58. Θεατρικός φωτισμός παράστασης... 130 Εικόνα 59. Παράδειγμα αρχιτεκτονικού φωτισμού... 131 Εικόνα 60. Άποψη θεατρικού φωτισμού σε κατάστημα ρούχων... 134 Εικόνα 61. Το ανθρώπινο μάτι... 144 Εικόνα 62. Λευκή μορφή σε μαύρο φόντο... 151 Εικόνα 63. Αμεταβλητότητα του κύκλου... 152 Εικόνα 64. Προοπτική βάθους... 153 Εικόνα 65. Οπτική ψευδαίσθηση: οι γραμμές που παρεμβάλλονται είναι στην πραγματικότητα οριζόντιες... 155 Εικόνα 66. Χρωματικός δίσκος... 156 Εικόνα 67. Απόψεις από την Ακρόπολη... 182 Εικόνα 68. Άποψη της Ακρόπολης επάνω στον βράχο... 186 Εικόνα 69. Κοντινή άποψη της Ακρόπολης... 186 Εικόνα 70. Άποψη της γέφυρας το βράδυ... 188 Εικόνα 71. Άποψη της γέφυρας το βράδυ... 189 Εικόνα 72. Ο εσωτερικός φωτισμός της γέφυρας αναδεικνύει και την κατασκευή.. 190 Εικόνα 73. Γενική άποψη του μοντέρνου μουσείου σε ένα κλασικό και πολύ συντηρητικό περιβάλλον... 191 Εικόνα 74. Λεπτομέρεια της όψης του κτιρίου... 192 Εικόνα 75. Η Βουλή των Ελλήνων στα μπλε (15 Νοεμβρίου 2007)... 193 Εικόνα 76. Άποψη του κτιρίου από τον δρόμο... 201 Εικόνα 77. Άποψη της πίσω όψης του κτιρίου... 202 Εικόνα 78. Τρισδιάστατη απεικόνιση του χώρου... 203 Εικόνα 79. Φωτισμός ανάδειξης πέτρινων κτιρίων... 203 Εικόνα 80. Αντιθέσεις μεταξύ θερμού και ψυχρού φωτός... 203 Εικόνα 81. Τρισδιάστατη απεικόνηση στο Dialux... 209 Εικόνα 82. Απόδοση των ποσοτήτων φωτισμού με λάθος χρώματα... 209 Εικόνα 83. Τρισδιάστατες απεικονίσεις φωτισμού & λάθος χρώματα για την αποτύπωση του φωτισμού... 210 Εικόνα 84. Τρισδιάστατες απεικονίσεις φωτισμού & λάθος χρώματα για την αποτύπωση του φωτισμού... 212 σελ 8 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 1. Εισαγωγή Το αντικείμενο: Το αντικείμενο της συγκεκριμένης εργασίας είναι ο φωτισμός και πως αυτός συμβάλει στο ύφος και στον χαρακτήρα ενός αρχιτεκτονήματος. Ειδικότερα θα αναφερθούμε στο τεχνητό φωτισμό και τον τρόπο με τον οποίο εφαρμόζεται σε ένα περιβάλλον (συνήθως εξωτερικό) επεμβαίνοντας με διαφορετικούς τρόπους στην κατασκευή και προσδίδοντας κάθε φορά διαφορετικά αποτελέσματα. Το φως είναι ίσως το κυριότερο μέσο αντίληψης του εμπειρικού κόσμου, προσδίδοντας υπόσταση στο περιβάλλον, και ιδιότητες που κατά την απουσία του δεν είναι ορατές από το ανθρώπινο μάτι. Το φυσικό φως παρέχεται άπλετα από την μοναδική φυσική πηγή φωτός στον κόσμο, τον ήλιο. Ο άνθρωπος, αποκτώντας την ανάγκη να διευρύνει τις χρήσιμες και λειτουργικές ώρες της ημέρας, ανακάλυψε το τεχνητό φως. Το τεχνητό φως είναι ένα σύνθετο στοιχείο το οποίο μπορούμε να το πλάσουμε, να το περιορίσουμε ή να το οργανώσουμε με πολλούς διαφορετικούς τρόπους. Επιπλέον έχει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, όπως η μεταβλητότητα και ο εφήμερος χαρακτήρας. Συνεπώς, είναι ένα άυλο στοιχείο που διευρύνει την έννοια της υλικότητας στην αρχιτεκτονική και μετασχηματίζει την συνθετική διαδικασία. Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία προσεγγίσεων, μεθοδολογιών και στοιχείων που προσδιορίζουν πολλές δυνατότητες για τις εφαρμογές του τεχνητού φωτισμού. Αποτέλεσμα αυτού είναι η ανάπτυξη ενός νέου σχεδιαστικού πεδίου, της μελέτης φωτισμού. Τόσο μέσα από εφαρμοσμένα παραδείγματα, όσο και μέσα από μια ερευνητική διαδικασία θα προσεγγιστεί ο ρόλος της σχεδίασης φωτισμού στην αρχιτεκτονική συνθετική διαδικασία. Η καταγραφή και η σύγκριση διαφορετικών μεθοδολογιών και προσεγγίσεων έχει ως στόχο να αποκαλύψει τους τρόπους και τις τεχνικές με τις οποίες το τεχνητό φως μπορεί να αναδείξει, να μετασχηματίσει ή και να μεταλλάξει την αρχιτεκτονική σχεδιαστική ταυτότητα του κτιρίου. Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 9 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία Η μεθοδολογία: Για την προσέγγιση του θέματος διεξήχθη μια αναλυτική ερευνητική διαδικασία της οποίας απώτερος στόχος ήταν η κατανόηση τόσο της αξίας του φωτός στην ανθρώπινη ζωή, όσο και της αξίας των ιδιοτήτων και ιδιαιτεροτήτων του φωτισμού, στην καθημερινή ζωή του ανθρώπου. Με βάση την παραπάνω έρευνα και τα ευρήματά της, θα γίνει παρακάτω μια διεξοδική αναφορά στις έννοιες του φωτός και του φωτισμού. Μεταβαίνοντας από τις γενικότερες έννοιες που σχετίζονται με το φως, όπως το φυσικό φως, ο ήλιος και η επίδρασή του στην καθημερινότητα του ανθρώπου, θα μεταβούμε σε πιο ειδικές έννοιες όπως ο φωτισμός, τα μεγέθη και οι ιδιότητες του. Με αυτό τον τρόπο, θα γνωρίσουμε το φως σφαιρικά και θα κατανοήσουμε τον λόγο για τον οποίο το φως (φυσικό ή τεχνητό) είναι πλέον αναπόσπαστο κομμάτι της ανθρωπότητας. Η μετάβαση από τις γενικές έννοιες στις πιο ειδικές, θα μας οδηγήσει σε συμπεράσματα και κατευθύνσεις επάνω στις οποίες θα βασιστούμε για την εξαγωγή μιας νέας μεθοδολογίας με αντικείμενο τον φωτισμό, μιας ακολουθίας βημάτων η οποία βασίζεται στα γενικά στάδια κάθε σχεδιαστικής διαδικασίας. Λαμβάνοντας υπόψη την φύση του φωτός και τις ιδιαιτερότητές του και σε συνδυασμό με τις γνώσεις ενός Μηχανικού Σχεδίασης, θα καταγραφεί μια πλήρης σχεδιαστική διαδικασία η οποία θα περιλαμβάνει μια ακολουθία διεργασιών προσαρμοσμένη στο αντικείμενο του φωτισμού. Παράλληλα με την βιβλιογραφική όμως έρευνα, θα πραγματοποιηθεί και μια πρακτική έρευνα, επάνω σε μια πληθώρα από νέα έργα φωτισμού. Η πενταετής επαγγελματική μου πείρα επάνω στο αντικείμενο του φωτισμού, μου έδωσε την δυνατότητα την ανάλυσης των μεθοδολογιών που χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε έργο, ενώ παράλληλα διαφορετικές προσεγγίσεις οδήγησαν σε διαφορετικού ύφους σχεδιαστικές λύσεις. Η έρευνα ήταν αναλυτική με σκοπό την εξαγωγή αντικειμενικών αποτελεσμάτων τα οποία σε συνδυασμό με το θεωρητικό υπόβαθρο θα δώσει μια νέα πραγματική μεθοδολογία σχεδίασης του αρχιτεκτονικού φωτισμού. Για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων θα αναφερθούμε σε κάποια ενδεικτικά πραγματοποιημένα παραδείγματα, ενώ για την πλήρη κατανόηση της νέας μεθοδολογίας θα πραγματοποιηθεί ένα case study. Η εφαρμογή των θεωρητικών συμπερασμάτων σε ένα πραγματικό έργο, είναι ίσως ο πιο ορθός και ολοκληρωμένος τρόπος απόδειξης των νέων μεθοδολογιών καθώς και της απόδειξης της ορθότητας των προτεινόμενων προσεγγίσεων. σελ 10 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Συνοπτικά: Όπως ήδη αναφέρθηκε το φως παρέχεται καθημερινά, αιώνες τώρα, από την μοναδική φυσική πηγή φωτός, τον ήλιο. Η κατανόηση της αξίας του φυσικού φωτός στην ζωή της ανθρώπινης ύπαρξης, είναι η αφετηρία για την κατανόηση της ανάγκης του ανθρώπου να διευρύνει την ημέρα φωτίζοντας και την νύχτα, με τεχνητά μέσα. Το φως για τον άνθρωπο δεν είναι μόνο ένα λειτουργικό στοιχείο της ζωής, αλλά έχει μετατραπεί σε σύμβολο για την ζωή. Αυτό θα αποδειχτεί μέσα από την καταγραφή της αξίας του φωτός ως κοινωνικό φαινόμενο και όχι ως επιστημονικό αντικείμενο έρευνας. Παράλληλα όμως, οι ιδιότητες και η φύση του φωτός είναι αυτά που το κάνουν τόσο μαγικό. Κατά συνέπεια δεν θα μπορούσαμε σε καμία περίπτωση να παρακάμψουμε την πραγματική υπόσταση του φωτός και τις δυνατότητες που δίνει στον άνθρωπο να το χρησιμοποιήσει σε πολλαπλές εφαρμογές και με ποικίλους τρόπους. Πηγαίνοντας παρακάτω, το φως μετατρέπεται σε φωτισμό. Το άπλετο και διάχυτο φως μετατρέπεται σε ένα οργανωμένο υλικό, μετρήσιμο και περιγράψιμο. Η ανάγκη του ανθρώπου για την δημιουργία συγκεκριμένων εφαρμογών φωτισμού οδήγησε στην ανάπτυξη ενός νέου επιστημονικού τομέα, αυτό της φωτομετρίας. Τόσο η ελεύθερη περιγραφή ενός φωτιστικού αποτελέσματος όσο και τα μετρήσιμα μεγέθη του φωτισμού δίνουν την δυνατότητα της κατηγοριοποίησης διαφορετικών εφαρμογών φωτισμού, ενώ η λεπτομερής μέτρηση και καταγραφή των ποσοτήτων φωτισμού σε μια εφαρμογή, σημαίνει και την δυνατότητα λεπτομερούς μελέτης, σχεδίασης και ανάπτυξης μιας νέας εγκατάστασης φωτισμού. Η μεγάλη ποικιλία σε τεχνολογίες φωτισμού (λαμπτήρες & φωτιστικά σώματα), διευρύνει ακόμη περισσότερο τα όρια των πιθανών εφαρμογών του φωτισμού. Κατανοώντας την φύση του φωτός και τις πολλαπλές δυνατότητες που παρέχει, θα πρέπει να οριστούν και κάποια περιορισμοί. Για τον λόγο αυτό, θα γίνει μια καταγραφή της σχέσης του φωτός με το περιβάλλον και πως οι τεχνητές εφαρμογές φωτισμού επηρεάζουν το νυχτερινό τοπίο μιας περιοχής. Έννοιες όπως η άσκοπη κατανάλωση ενέργειας, καθώς και η έννοια της φωτορύπανσης θα ορίσουν τα γενικά όρια κάθε καλά σχεδιασμένης φωτιστικής λύσης. Ο φωτισμός λοιπόν είναι ένα αντικείμενο προς σχεδίαση. Για τον λόγο αυτό εξετάζονται διαφορετικές σχεδιαστικές προσεγγίσεις, ενώ αναλύεται παράλληλα η σχέση του φωτός με την αρχιτεκτονική δημιουργία. Για την δημιουργία όμως μιας πλήρους εικόνας σε σχέση με τον φωτισμό, θα πρέπει να εξετάσουμε και τον μηχανισμό αντίληψης ενός φωτιστικού αποτελέσματος. Ο μηχανισμός αυτός δεν είναι άλλος από το ίδιο το μάτι. Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 11 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία Για τον λόγο αυτό θα εξετάσουμε την ανθρώπινη όραση και τους τρόπους με τους οποίους αντιλαμβάνεται τον εμπειρικό κόσμο. Τόσο η φυσιολογία του ματιού, όσο και ο τρόπος αποκωδικοποίησης των ερεθισμάτων που λαμβάνει η ανθρώπινη όραση, μας αποκαλύπτει τρόπους με τους οποίους μπορούμε να το ευχαριστήσουμε ή να το ξεγελάσουμε. Ένα άλλο σημαντικό σημείο στο οποίο θα πρέπει να αναφερθούμε πριν καταλήξουμε στα συμπεράσματά μας είναι η φύση του προϊόντος. Με την έννοια προϊόν περιγράφουμε συνήθως ένα αντικείμενο κατασκευασμένο από συγκεκριμένα απτά υλικά. Στην περίπτωση της σχεδίασης του αρχιτεκτονικού φωτισμού τα πράγματα διαφέρουν λίγο. Το τελικό μας προϊόν δεν είναι ένα απτό αντικείμενο, αλλά ένα φωτιστικό αποτέλεσμα χωρίς φυσική υπόσταση. Η διαφορά μπορεί να φαίνεται ουσιαστική αλλά στην πραγματικότητα δεν διαφέρει σε τίποτα από την σχεδίαση ενός οποιουδήποτε προϊόντος. Κατανοώντας την φύση του φωτός και όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά που το κάνουν ένα μοναδικό υλικό στα χέρια ενός σχεδιαστή, μεταβαίνουμε στην σχεδιαστική διαδικασία. Ένας σχεδιαστής φωτισμού, όπως κάθε σχεδιαστής, καλείται να αναλύει το έργο και να ορίζει τις απαιτούμενες σχεδιαστικές προδιαγραφές, για την προσέγγιση της βέλτιστης λύσης. Παράλληλα όμως με τις προδιαγραφές αυτές που ορίζονται από το ίδιο το έργο και τους συντελεστές του, η φύση του φωτός (οι ιδιότητές του και οι ιδιαιτερότητες του ίδιου του αντικειμένου) απαιτούν τον καθορισμό κάποιων γενικότερων σχεδιαστικών κατευθύνσεων οι οποίες θα είναι καθολικές για κάθε έργο και οι οποίες θα ορίζουν τελικά την ποιότητα της φωτιστικής λύσης. Το ερευνητικό κομμάτι της εργασίας έχει ως αποτέλεσμα την συλλογή ενός μεγάλου όγκου δεδομένων τα οποία θα πρέπει να αξιολογηθούν και να κατηγοριοποιηθούν. Η επαγγελματική μου εμπειρία στον τομέα του φωτισμού και η διεκπεραίωση πολλαπλών έργων φωτισμού μου δίνει την δυνατότητα της δημιουργίας μιας νέας μεθοδολογίας η οποία ακολουθεί τα βασικά στάδια κάθε σχεδιαστικής διαδικασίας, ενώ παράλληλα τα βήματα είναι προσαρμοσμένα επάνω στις απαιτήσεις και στις ιδιαιτερότητες του φωτισμού, ως αντικείμενο μελέτης. Μέσα όμως από την συγκεκριμένη ερευνητική διαδικασία προκύπτει ακόμη ένα εύρημα. Εξετάζοντας τόσο τον τρόπο προσέγγισης των έργων που μου ανατέθηκαν, όσο και ήδη εφαρμοσμένων έργων, σχεδιασμένα από τους μεγαλύτερους σχεδιαστές φωτισμού στον κόσμο, προκύπτει ένα ακόμη συμπέρασμα. Προκύπτουν τρεις διαφορετικές στρατηγικές προσέγγισης του φωτιστικού αποτελέσματος, αυτός την ανάδειξης, αυτός της ανατροπής και ο τρίτος της μετάλλαξης. σελ 12 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Βασιζόμενοι πάντα στις σχεδιαστικές προδιαγραφές του έργου, το φως μπορεί να συνυπάρχει με το αρχιτεκτόνημα με τρεις διαφορετικούς τρόπους: είτε αναδεικνύοντας τόσο το ύφος του χώρου όσο και τα υλικά/χρώματά του, είτε μετατρέποντας διακριτικά τον χαρακτήρα του, προσδίδοντάς του ένα επιπλέον ενδιαφέρον, είτε μεταλλάσσοντας πλήρως τόσο το ύφος όσο και τον χαρακτήρα του έργου. Για την επαλήθευση της προτεινόμενης μεθοδολογίας και των τριών στρατηγικών προσέγγισης μιας σχεδιαστικής λύσης αρχιτεκτονικού φωτισμού, θα πραγματοποιηθεί στο τέλος ένα case study. Η μεθοδολογία προσέγγισης του συγκεκριμένου έργου θα είναι το αποτέλεσμα της ερευνητικής μου εργασίας. Παράλληλα θα γίνει προσπάθεια προσέγγισης των πιθανών σχεδιαστικών λύσεων με τις τρεις διαφορετικές στρατηγικές που προτείνονται, στο στάδιο του concept design (εφόσον το επιτρέπουν οι σχεδιαστικές προδιαγραφές του έργου). Εικόνα 1. Άποψη φωτισμένου έργου στο Abu Dhabi από τους Speirs & Major Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 13 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία 2. Μέρος Α Το Φως 2.1. Και είπεν ο Άνθρωπος Γενηθήτω Φως 1 Η καταλυτική παρουσία του φωτός αποτέλεσε πηγή μύθων και θαυμασμού στη μακραίωνη διαδρομή του ανθρώπου, ενώ η δημιουργία του τεχνητού φωτός άλλαξε ριζικά τον τρόπο ζωής και την καθημερινότητά του, καταλύοντας το σκοτάδι και τη νύχτα. Η φωτιά συνιστά την πρώτη τεχνητή πηγή φωτός, με την ανακάλυψή της να τοποθετείται στο απώτερο παλαιολιθικό παρελθόν, όμως μόνον ο άνθρωπος της νεολιθικής εποχής φαίνεται να διαθέτει αξιόπιστες τεχνικές για την εκμετάλλευσή της. Από τότε οι χρήσεις της φωτιάς φωτίζουν κυριολεκτικά και μεταφορικά τον δρόμο των κοινωνιών και του πολιτισμού, στηρίζοντας την τεχνολογική πρόοδο. Είναι λοιπόν δίκαιη η υπερηφάνεια και η πίκρα που εκφράζει ο Προμηθέας Δεσμώτης του Αισχύλου στην ομώνυμη τραγωδία, απαριθμώντας τις ευεργεσίες του στους ανθρώπους: Τους έκανα κι ένα άλλο δώρο: τη φωτιά Απ' όπου αμέτρητες τέχνες θα μάθουν. Από παλιά, πάντως, το ξύλο δεν είχε την αποκλειστικότητα στο άναμμα της φωτιάς και των παραγώγων της. Στην κλασική Αρχαιότητα χρησιμοποιούσαν πυρσούς, πάνω στους οποίους έκαιγαν κουρέλια ή πίσσα, ενώ και οι Ρωμαίοι φώτιζαν αργότερα τις πόλεις τους με τον ίδιο τρόπο. Άλλος ένας πολύ παλαιός τρόπος φωτισμού ήταν η καύση ζωικών λιπών ή λαδιού, που οδήγησε αργότερα στην κατασκευή του λυχναριού. Στερεοποιημένο λάδι είναι επίσης το κερί, που έχει μακρά ιστορία και χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα, είτε για λόγους ανάγκης, είτε για λόγους αισθητικής. Το φως των κεριών θα χρησιμοποιηθεί από τον Καβάφη σε έναν σπαρακτικό συμβολισμό του χρόνου που περνά: Πηγή: 1 Η Αυτοβιογραφία του Φωτός,4 η έκδοση, 2006, Γιώργος Γραμματικάκης, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, κεφ. 6 7, σελ.320 σελ 14 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Οι περασμένες μέρες πίσω μένουν μια θλιβερή σειρά κεριά σβησμένα τα πιο κοντά βγάζουν καπνό ακόμα κατάμαυρα κεριά, κυρτά, λιωμένα... Είναι πάντως χαρακτηριστικό ότι κατά τον Μεσαίωνα τα κεριά ήταν τόσο ακριβά, που κατά τις δίκες πλήρωναν στον δικαστή ειδικό φόρο για την χρήση τους. Με τις κατάλληλες τεχνικές, για το άναμμα φωτιάς μπορεί να χρησιμοποιηθεί και η θερμότητα του ηλιακού φωτός. Έτσι, η Ολυμπιακή Φλόγα άναβε με την βοήθεια κατόπτρου, ενώ η μεταφορά της με πυρσούς περιείχε κι έναν βαθύ συμβολισμό. Τη σύγχρονη εκδοχή της τελετουργίας αυτής είχαν άλλωστε την ευκαιρία να ζήσουν οι Έλληνες άλλοτε με υποβλητικό, κι άλλοτε με γραφικό τρόπο στους Ολυμπιακούς Αγώνες της Αθήνας. Ο Αρχιμήδης όμως, ήταν εκείνος που εκμεταλλεύτηκε το ηλιακό φως για έναν εντυπωσιακό, και ταυτόχρονα ανορθόδοξο σκοπό: με μια σειρά επίπεδων κατόπτρων, θα πυρπολήσει τον ρωμαϊκό στόλο που απειλούσε τις Συρακούσες, την πατρίδα του. Ορόσημο για το τεχνητό φως θα αποτελέσει ο Φάρος της Αλεξανδρείας, ο αρχαιότερος που έχει καταγραφεί σε ιστορικές πηγές. Επρόκειτο για μια περίτεχνη μνημειακή κατασκευή, ύψους 140 μέτρων. Το φως του προερχόταν από την καύση ξύλου, ενώ ήταν εξοπλισμένος με όλες τις επιστημονικές καινοτομίες και τα επιτεύγματα της Εικόνα 2. Ο Φάρος της Αλεξάνδρειας εποχής. Ο Ε.Μ.Φόρστερ σημειώνει: «Ποτέ άλλοτε στην ιστορία της αρχιτεκτονικής δεν λατρεύθηκε τόσο, και δεν απέκτησε δική του πνευματική ζωή ένα κτήριο που δεν ήταν συνδυασμένο με την θρησκεία. Δεν οδηγούσε μόνον τα πλοία, σηματοδοτούσε και την φαντασία, κι όταν το φως του είχε πια σβήσει, η μνήμη του εξακολουθούσε, για πολύν καιρό, να λάμπει στις σκέψεις των ανθρώπων» Κατά τον 19ο αιώνα, σε πόλεις και κωμοπόλεις ήταν πολύ διαδεδομένο το φωταέριο, που προέρχεται από την ξηρά απόσταξη λιθάνθρακα. Αρχικά, οι λάμπες γκαζιού παρήγαγαν φως μέσω της καύσης φωταερίου σε ένα απλό μπεκ, με την χρήση όμως ενός πλέγματος αμιάντου που προσαρμόστηκε στο μπεκ, αυξήθηκε πολύ η φωτεινότητά αυτών των τύπων Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 15 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία λάμπας. Ο λόγος είναι ότι ο αμίαντος λευκοπυρώνεται και εκπέμπει ένα λαμπρό, χαρακτηριστικό φως, φωτίζοντας έτσι τα πρόσωπα και τους δρόμους της εποχής. Είναι αυτονόητο το γεγονός ότι, όσο πλήθαιναν οι επιστημονικές γνώσεις για το φως, τόσο ανοίγονταν νέες δυνατότητες στις φωτεινές πηγές και στις χρήσεις τους. Η μεγάλη και ουσιαστική στροφή θα γίνει με την ανακάλυψη του ηλεκτρισμού και την εντυπωσιακή εξάπλωση των εφαρμογών του. Σήμερα, που οι τρόποι του ηλεκτρικού φωτισμού εμφανίζουν μια απέραντη λειτουργική και αισθητική ποικιλία, δύσκολα συνειδητοποιεί κανείς ότι η εφεύρεση του ηλεκτρικού λαμπτήρα έχει ηλικία λίγο μεγαλύτερη από έναν αιώνα. Την ιστορική εκείνη μέρα του 1879 ο ιδιοφυής Thomas Edison επέδειξε, υπό τις επευφημίες ενός κατάπληκτου κοινού, την πρώτη ηλεκτρική λάμπα. Είναι χαρακτηριστική η περιγραφή μιας εφημερίδας της εποχής: «Το εργαστήριο του Έντισον άνοιξε απόψε για το μεγάλο κοινό, που ήθελε να θαυμάσει το ηλεκτρικό φως. Έκτακτα τρένα είχαν δρομολογηθεί από ανατολικά και δυτικά και εκατοντάδες ανθρώπων, αψηφώντας ακόμα και τον θυελλώδη καιρό, μπόρεσαν έτσι να εκμεταλλευθούν αυτό το προνόμιο. Το εργαστήριο φωτιζόταν άπλετα από είκοσι πέντε λαμπτήρες, το γραφείο και ο προθάλαμος από άλλους οκτώ, ενώ μερικοί ακόμα είχαν κατανεμηθεί στον δρόμο που οδηγούσε στον σταθμό του τρένου και στα γειτονικά σπίτια». Το σύστημα που επεξηγούσε ο ίδιος ο Έντισον είχε γρήγορα μεγάλη διάδοση, αλλά για καιρό ακόμα τα ξενοδοχεία της εποχής χρειαζόταν να υπενθυμίζουν στους πελάτες τους ότι η «λάμπα» του δωματίου ανάβει μόνη της, χωρίς σπίρτα. Η εξέλιξη των λαμπτήρων και των άλλων πηγών ηλεκτρικού φωτισμού υπήρξε ταχύτατη. Στην σύγχρονη εποχή, τρεις είναι οι τρόποι με τους οποίους παράγεται το φως από ηλεκτρικές λάμπες. Στον πρώτο τρόπο, τους λαμπτήρες πυρακτώσεως, το ηλεκτρικό ρεύμα θερμαίνει έντονα ένα μεταλλικό νήμα, που ακτινοβολεί φως με μεγάλη χρωματική ποικιλία. Αντίθετα, στον δεύτερο τρόπο, τους λαμπτήρες φθορισμού, δεν υπάρχει τέτοιο νήμα, αλλά αέριο υπό χαμηλή πίεση. Όταν αυτό το αέριο διεγερθεί από ηλεκτρικό ρεύμα, εκπέμπει υπεριώδη ακτινοβολία, που προσπίπτει σε μια επένδυση φωσφόρου και παράγει ορατό φως, λόγω του φθορισμού. Τέλος, ο τρίτος τρόπος δημιουργίας φωτός απαντά στους λαμπτήρες εκκενώσεως. Χρησιμοποιείται και πάλι αέριο υπό χαμηλή πίεση κι όχι νήμα, εδώ όμως η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος από το αέριο παράγει απευθείας ορατό φως, που το χρώμα του καθορίζεται από το είδος του αερίου. σελ 16 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Δεν αφορούν εδώ οι τεχνικές λεπτομέρειες. Το γεγονός είναι ότι η εξάπλωση των ποικίλων τρόπων ηλεκτρικού φωτισμού άλλαξε την ανθρώπινη καθημερινότητα και τις προοπτικές της. Σε κάθε βήμα της ζωής μας συναντάμε το τεχνητό φως με μεγάλη ποικιλία ως προς την ένταση, το χρώμα ή την ευκολία που υπηρετεί τις ανάγκες μας. Οι χώροι εργασίας, και τα καταστήματα έχουν τους δικούς τους φωτισμούς, οι δρόμοι είναι προσπελάσιμοι και τη νύχτα, στους υπόγειους σιδηροδρόμους οι επιβάτες μπορούν ακόμα και να διαβάσουν, η νυχτερινή ψυχαγωγία χρησιμοποιεί προβολείς και δέσμες φωτός. Η αφθονία του τεχνητού φωτός διώχνει την νύχτα από παντού, έχει όμως παράλληλα και σοβαρά παρεπόμενα: αυξάνει ακόμα περισσότερο την απόσταση του ανθρώπου από την φύση και τους ψιθυρισμούς της. Στις σημερινές κατοικίες, το άπλετο φυσικό φως θεωρείται ακριβό πλεονέκτημα, ενώ ακόμα και η θέαση του νυχτερινού ουρανού είναι πια αδύνατη στις μεγάλες πόλεις. Η βασανιστική νοσταλγία του φυσικού φωτός και της μοναδικής ποιότητάς του είτε πρόκειται για το ήπιο φως του δειλινού είτε για το λαμπρό φως μιας καλοκαιρινής ημέρας χαρακτηρίζει την σύγχρονη ζωή. 2.1.1. Ο Άνθρωπος Τιθασεύει το Φως 2 Από νωρίς ο άνθρωπος αισθάνθηκε την ανάγκη να δαμάσει το φως, και να αναζητήσει τρόπους και χρήσεις, που θα βελτίωναν την καθημερινότητα και την κοινωνική του εξέλιξη. Έτσι επινόησε ποικίλα οπτικά όργανα, που εκμεταλλεύονταν τις ιδιότητες του φωτός και σχημάτιζαν είδωλα των αντικειμένων ανάλογα με τις ανάγκες ή και την φιλαρέσκειά του. Μακρά ιστορία έχουν οι καθρέπτες. Ήταν στην πρώτη τους μορφή μπρούντζινοι, ενώ άρχισαν να κατασκευάζονται από καθαρό γυαλί τον 14ο αιώνα. Έφεραν όπως και οι σημερινοί στην πίσω επιφάνεια μια μεταλλική επίστρωση που ανακλούσε το φως, ενώ γρήγορα εμφανίστηκαν και κάτοπτρα με κοίλες ή κυρτές επιφάνειες. Την απανταχού παρούσα διάθλαση του φωτός εκμεταλλεύονται άλλωστε και οι φακοί. Αποκλίνοντες ή συγκλίνοντες, εστιάζουν τη φωτεινή δέσμη και μεγεθύνουν τα αντικείμενα ή μειώνουν την απόστασή τους από το μάτι. Το πεδίο εφαρμογής των φακών είναι ευρύτατο και ποικίλα είδη τους απαντούν σε ματογυάλια και φακούς επαφής, σε κιάλια ή φωτογραφικές μηχανές. Η κατασκευή των φακών δεν υπήρξε ποτέ εύκολη υπόθεση, αφού η σωστή εστίαση είναι πάντοτε αναγκαία και οι φωτεινές ακτίνες υποχρεώνονται συχνά σε Πηγή: 2 Η Αυτοβιογραφία του Φωτός,4 η έκδοση, 2006, Γιώργος Γραμματικάκης, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, κεφ. 6 8, σελ.323 Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 17 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία αναπάντεχες διαδρομές. Με την εξέλιξη όμως των υπολογιστών, έγιναν εφικτοί δύσκολοι υπολογισμοί και δυσχερείς προσεγγίσεις, δίνοντας έτσι νέα ώθηση στον σχεδιασμό των φακών ή των συνδυασμών τους. Ανάμεσα στα οπτικά όργανα, δύο είναι αυτά που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την επιστήμη, το τηλεσκόπιο και το μικροσκόπιο. Αποτελούνται συνήθως από έναν ή περισσότερους φακούς ή κάτοπτρα, που υποχρεώνουν τις φωτεινές ακτίνες να αλλάξουν διαδρομή, και να σχηματίσουν ένα είδωλο του εμπειρικού κόσμου ανάλογα με τις ανάγκες. Τα τηλεσκόπια μας δίνουν την δυνατότητα ανακάλυψης, παλαιότερα και πλέον παρατήρησης του διαστήματος, μακριά από τις εικόνες που κατακλύζουν καθημερινά τα μάτια μας, ενώ τα μικροσκόπια στρέφουν την όρασή μας προς τα μέσα, στις απειροελάχιστων διαστάσεων πτυχές ενός «εσωτερικού διαστήματος». Την τελευταία πάντως δεκαετία, η αξιοποίηση και ο έλεγχος του φωτός έκαναν εντυπωσιακά άλματα. Μερικοί μάλιστα επιστήμονες προβλέπουν τολμηρά, ότι ένας νέος κλάδος εφαρμογών, η «φωτονική», θα εκθρονίσει την ηλεκτρονική από την ηγεσία της τεχνολογικής μας εποχής. Ένα πρόσφατο μάλιστα επίτευγμα της φωτονικής έχει γεμίσει αισιοδοξία τους ερευνητές: κατασκευάστηκε ο «τέλειος καθρέφτης», που ανακλά δηλαδή ολοκληρωτικά το φως. Το επαναστατικό αυτό εργαλείο χειρισμού του φωτός ονομάζεται «διηλεκτρικός καθρέφτης» ή «φωτονικός κρύσταλλος» και αποτελείται από ένα πολύπλοκο μίγμα ψευδαργύρου, αρσενικού, πυριτίου και φωσφόρου. Είναι πράγματι γεγονός ότι, ενώ ο συνηθισμένος καθρέφτης υπηρετεί τον άνθρωπο εδώ και 3.000 χρόνια, έχει το σημαντικό μειονέκτημα ότι συγκρατεί στα μόρια της μεταλλικής του επίστρωσης μερικά από τα φωτόνια που δέχεται, με συνέπεια την μειωμένη φωτεινότητα του ειδώλου. Και αυτό, βέβαια, μπορεί να μην έχει καμιά Εικόνα 3. Διατομή μιας οπτικής ίνας σοβαρή επίπτωση στον καλλωπισμό μιας κυρίας για παράδειγμα, αποτελεί όμως σοβαρό εμπόδιο για την αξιοποίηση του φωτός στις τηλεπικοινωνίες ή για την κατασκευή «φωτονικών υπολογιστών». Ο τέλειος λοιπόν καθρέφτης, που κατασκευάστηκε από μια ομάδα ερευνητών στο περίφημο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, όχι μόνον ανακλά πλήρως το φως, αλλά μπορεί επίσης να το παγιδεύσει και να το διοχετεύσει αλώβητο, σύμφωνα με τις επιθυμίες ή τις εκάστοτε ανάγκες. Όπως γράφηκε χαρακτηριστικά, «το φως είναι πια ικανό, να στρίβει, να φρενάρει και να παρκάρει». σελ 18 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Εικόνα 4. Πολλαπλές πληροφορίες ταξιδεύουν μαζί μέσα σε κάθε οπτική ίνα Οι προσπάθειες των ερευνητών βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο, όμως οι τηλεπικοινωνίες αποτελούν ευοίωνη περιοχή εφαρμογής των φωτονικών κρυστάλλων. Στις σημερινές οπτικές ίνες (κενοί γυάλινοι σωλήνες με κατοπτρικό περίβλημα), που αντικατέστησαν σε μεγάλο βαθμό τα καλώδια χαλκού, τα δεδομένα τρέχουν όχι ως ηλεκτρόνια, αλλά ως φωτόνια. Υπολογίζεται ότι η εξέλιξη των οπτικών ινών σε καλώδια φωτονικών κρυστάλλων θα οδηγήσει σε μεγάλη μείωση του κόστους, και σε πολλαπλασιασμό της ταχύτητας και της χωρητικότητας των τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Οι ευφάνταστοι ερευνητές αν και σε πολλές περιπτώσεις η επιστημονική φαντασία έγινε πραγματικότητα προβλέπουν όμως και άλλες χρήσεις των υλικών από φωτονικούς κρυστάλλους, όπως λαμπτήρες μεγάλης απόδοσης, γυαλιά οράσεως χωρίς εστιακή διαμόρφωση φακών και φωτονικούς υπολογιστές με τεράστιες ταχύτητες. Ο φωτονικός κρύσταλλος αποτελεί έναν ακόμα σταθμό στην επίμονη προσπάθεια του ανθρώπου να τιθασεύσει το φως, με την ιδέα μάλιστα της χρήσης του φωτός για τις ανάγκες της επικοινωνίας να έχει τις ρίζες της στο μακρινό παρελθόν. Πράγματι, οι αρχαίοι λαοί άναβαν φωτιές σε ψηλά σημεία για να ανταλλάξουν άμεσα πληροφορίες. Αυτή την απίστευτη ταχύτητα του φωτός, που υπερβαίνει κάθε άλλη, εκμεταλλεύονται σήμερα οι οπτικές ίνες, και αύριο ίσως και οι φωτονικοί κρύσταλλοι. Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 19 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία 2.2. Τι είναι το Φως; Φως: Η πιο οικεία ίσως φυσική οντότητα στον άνθρωπο, όμως ταυτόχρονα και ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης επιστήμης, ικανό να προκαλέσει αρκετούς πονοκεφάλους στην προσπάθειά μας να το κατανοήσουμε. Το φως αποτέλεσε για αιώνες ένα μυστήριο για τον άνθρωπο. Από πολύ παλιά, στους αρχαιότατους χρόνους, φιλόσοφοι και φυσιοδίφες προσπαθούσαν να κατανοήσουν και να ερμηνεύσουν την φύση του φωτός. Για πολλά χρόνια ήταν αντικείμενο μακρόπνοων συζητήσεων, διαφωνιών, επιχειρημάτων και αντεπιχειρημάτων. Ακόμα και σήμερα φαίνεται πολλές φορές να "παίζει" μαζί μας κι αυτό είναι ένα στοιχείο που κάνει την ενασχόληση μαζί του μια γοητευτική διαδικασία. Το φως ήταν και είναι μια βασική αιτία της ύπαρξης ζωής στον πλανήτη μας από φυσικής αλλά και από κοινωνικής πλευράς. Ας μην ξεχνάμε ότι τα φυτά, με την φωτοσύνθεση, μετατρέπουν την ενέργεια που παρέχει το φως του Ήλιου σε χημική ενέργεια, την οποία χρησιμοποιούν στην συνέχεια για την ανάπτυξη τους. Το φως είναι αυτό που κάνει ορατά τα αντικείμενα που βρίσκονται στον πλανήτη μας, τη Γη, και στο Σύμπαν. Με την βοήθεια του φωτός «επικοινωνούμε» με τα άστρα και τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος αντλώντας χιλιάδες πληροφορίες για την σύστασή τους. Εξετάζοντας το φως από διαφορετικές οπτικές, αντλούμε διαφορετικές απόψεις για το «τι είναι τελικά το φως». Για να μπορέσουμε να αποκτήσουμε μια εικόνα και να δώσουμε μια απάντηση στην παραπάνω ερώτηση θα πρέπει να εξετάσουμε το φως από δυο διαφορετικές οπτικές γωνίες. Εικόνα 5. Το φως προερχόμενο από τον ήλιο 2.2.1. Το Φως ως Επιστημονική Οντότητα 3 Η φύση του φωτός αποτελούσε από αρχαιοτάτων χρόνων σημείο τριβής για τους επιστήμονες προκαλώντας σύγχυση, και χωρίζοντας τους σε δυο ισχυρές πλευρές. Έτσι, για τη μια μερίδα της επιστημονικής κοινότητας το φως ήταν σωματίδιο, ενώ για την άλλη, το φως ήταν κύμα. 3 Πηγή: http://light.physics.auth.gr/light_gr.html, Γ. Κωνσταντακόπουλος στα πλαίσια της Διδακτορικής του διατριβής υπό την επίβλεψη του Αν. Καθηγητή Χ. Πολάτογλου στο Τμήμα Φυσικής (Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης) στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης σελ 20 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 2.2.1.1. Το Φως ως Σωματίδιο Το φως ως σωματίδιο είναι μια έκφραση της ενέργειας, που φέρει κάποιες ιδιότητες στο χώρο και στο χρόνο. Ερευνώντας για το χρώμα, ο Newton κατάφερε να μιλήσει για το φως γενικά, και τελικά να δώσει τη δική του εξήγηση για την φύση του φωτός, που δεν ήταν άλλη από την σωματιδιακή. Είναι γεγονός ότι το χρώμα των πραγμάτων απασχολούσε την επιστημονική σκέψη για αιώνες, τις περισσότερες φορές μέσα σε ένα αδιόρατο πλαίσιο, με την έννοια ότι οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να κάνουν συγκεκριμένες αναζητήσεις, ώστε να εξηγήσουν τα χρώματα. Ισχύει όμως το εξής: Το φως του ηλίου είναι «λευκό». Αφού περάσει μέσα από ένα πρίσμα, προκύπτουν μέσω της ανάλυσης όλα τα χρώματα. Αυτή η ανάλυση συμβαίνει και στη φύση μετά τη βροχή, κατά τη δημιουργία του ουράνιου τόξου και των χρωμάτων του. Ο Newton έδωσε την εξήγησή του και σε αυτό το φαινόμενο: «Κάθε ένα από τα χρώματα που βλέπουμε περιέχονται από το λευκό φως. Όλα μαζί διασχίζουν το διαπλανητικό χώρο και στη συνέχεια τη γήινη ατμόσφαιρα, αφού ξεκινήσουν απ τον ήλιο και φτάνουν στα μάτια μας. Χαρακτηριστικά αναφέρει ο Newton: «Στα 1666 προμηθεύτηκα ένα γυάλινο τριγωνικό πρίσμα. Αφού συσκότισα το δωμάτιο κι έκανα μια μικρή τρύπα στο παραθυρόφυλλο, για να αφήνω να περνά μια κατάλληλη ποσότητα από ηλιακό φως, τοποθέτησα το πρίσμα μου έτσι ώστε το φως που διαθλάται να χτυπά στον απέναντι τοίχο. Ήταν μια πολύ ευχάριστη διασκέδαση, να παρατηρείς τα ζωηρά κι έντονα χρώματα που παράγονται με αυτόν τον τρόπο.» Τελικά το φως αποτελείται από διαφορετικά σωματίδια, καθένα απ τα οποία ανήκει σε ένα συγκεκριμένο χρώμα. Με το παραπάνω πείραμα με το πρίσμα, δεν συμβαίνει τίποτα άλλο απ το να διαχωρίζονται τα σωματίδια αυτά ανάλογα με το χρώμα στο οποίο ανήκουν, σύμφωνα με το φαινόμενο της διάθλασης. Εικόνα 6. Η ανάλυση του φωτός μέσα από ένα πρίσμα Η διάθλαση εδώ δεν είναι παρά κάποια δύναμη, η οποία μπορεί να ωθήσει τα σωματίδια των διαφόρων χρωμάτων να ακολουθήσουν διαφορετική τροχιά, ώστε τελικά να δούμε το κάθε χρώμα ξεχωριστά. Στην περίπτωση τώρα του ουράνιου τόξου, τον ρόλο του πρίσματος παίζουν τα σταγονίδια της βροχής. Έτσι, προέκυψε η έννοια του ηλιακού φάσματος, ή ακόμη πιο σωστά του ορατού Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 21 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία φάσματος. Επιπλέον, η ανάλυση του λευκού φωτός στις συνιστώσες του, δηλαδή στα διάφορα χρώματα λεγόταν σκεδασμός. 2.2.1.2. Το Φως ως Κύμα Τον 19ο αιώνα ο T.Young και άλλοι επιστήμονες απέδειξαν για πρώτη φορά ότι κάπως αλλιώς έπρεπε να έχει η κατάσταση. Μίλησαν λοιπόν για μια άλλη φύση του φωτός, την κυματική. Πρόκειται για κύματα όπως αυτά που σχηματίζονται στην επιφάνεια της θάλασσας, που δεν ήταν άλλα από το φως, και μάλιστα διαδίδονταν σε ένα μέσο αόρατο, αλλά απολύτως απαραίτητο για τη Εικόνα 7. Το φως ως κύμα διάδοσή αυτή, τον «αιθέρα». Οι ίδιοι επιστήμονες μιλούσαν μάλιστα και για μείωση της ταχύτητας των κυμάτων αυτών, όταν διαδίδονταν σε οπτικά πυκνότερα μέσα. Βέβαια την εποχή εκείνη δεν υπήρχε κάποιος τρόπος μέτρησης αυτής της ταχύτητας του φωτός κι έτσι η διαφορετικότητα των δύο συλλήψεων της φύσης του δεν μπόρεσε να απαλειφθεί. Ένα ισχυρό σημείο της κυματικής θεωρίας ήταν επίσης το εξής: Όταν το φως συναντά μια οξεία γωνία, δημιουργεί μια ανάλογα οξεία σκιά. Αν όμως το φως είναι μια ευθύγραμμη διαδοχή σωματιδίων, αποκλείεται να συμβεί αυτό. Παρ όλα αυτά το 18ο αιώνα ελάχιστοι έπαιρναν την κυματική θεωρία στα σοβαρά, κι ακόμα λιγότεροι υποστήριζαν ανοιχτά αυτό το ενδεχόμενο. Η φήμη και η προσφορά του Newton ήταν τέτοια, που όσα είχε ανακαλύψει ήταν το ευαγγέλιο της εποχής. Κατά τον Huygens (σύγχρονος του Newton ο οποίος είχε μιλήσει πρώτη φορά για τα κύματα) το φώς ήταν κύμα, αποτελούσε δηλαδή μεταφορά ενέργειας, κι όχι ουσίας/ύλης. Όμως η σωματιδιακή θεώρηση του φωτός ήταν σε θέση να εξηγήσει πολλά από τα φαινόμενα, που παρατηρούνταν, κι αυτό ήταν ένα από τα δυνατά σημεία της. Παραπάνω επεξηγήθηκαν οι μηχανισμοί της δημιουργίας και της διάθλασης των χρωμάτων, δυο σημεία της κυματικής θεωρίας του φωτός για τα οποία θα ήταν χρήσιμο να γίνει περαιτέρω λόγος. Ας ξεκινήσουμε με ένα παράδειγμα που δεν έχει σχέση με την οπτική. Υποθέτοντας ότι δυο άνθρωποι κρατάνε τις άκρες από ένα κομμάτι ξύλου, τότε αυτοί απέχουν σταθερή απόσταση μεταξύ τους, που δε θα μειωθεί όσο αυτοί προχωρούν ταυτόχρονα. Υποθέτοντας επίσης ότι περπατούν ευθεία, χωρίς να στρίβουν και με την ίδια ταχύτητα, τότε όσο κρατούν οι δύο άνθρωποι την ίδια ταχύτητα, το κομμάτι ξύλου μετακινείται παράλληλα με τον εαυτό του, δηλαδή δε στρέφεται, δεν αλλάζει διεύθυνση, και όλες οι διαδοχικές του σελ 22 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 θέσεις θα είναι παράλληλες μεταξύ τους. Αν, έστω και για μια ασήμαντα μικρή στιγμή, ο ένας απ τους δύο ανθρώπους αυξήσει ή μειώσει, γενικά μεταβάλλει την ταχύτητά του, τότε το κομμάτι ξύλου θα στραφεί, κι όταν η ταχύτητα των δυο ανθρώπων ξαναγίνει ίδια, τότε η διεύθυνση της κίνησης του θα είναι σίγουρα διαφορετική από την προηγούμενη. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι η αλλαγή της διεύθυνσης έγινε όταν οι δυο άνθρωποι είχαν διαφορετικές ταχύτητες. Με βάση το παραπάνω παράδειγμα μπορεί να γίνει κατανοητή και η διάθλαση ενός κύματος του φωτός. Όπως φαίνεται και στην φωτογραφία, ένα κύμα το οποίο καθώς κινείται μέσα στον αέρα, στο δρόμο του συναντά ένα άλλο μέσο, ας πούμε το νερό. Ακριβολογώντας, αυτό που συναντά το νερό είναι το μέτωπο ενός κύματος, πρόκειται δηλαδή για ένα επίπεδο. Η ταχύτητα με την οποία διαδίδεται το κύμα Εικόνα 8. Η διάθλαση του φωτός ή το μέτωπο του κύματος από τον αέρα στο νερό αλλάζει σταδιακά. Κατά τη (μικρή) χρονική διάρκεια που το μέτωπο κύματος διεισδύει στο νερό, τα διάφορα μέρη του έχουν διαφορετικές ταχύτητες. Το τμήμα του μετώπου που βρίσκεται στο νερό έχει διαφορετική ταχύτητα από το κομμάτι του μετώπου που ακόμα βρίσκεται στον αέρα ( ή έχει ξεπεράσει το νερό κι έχει ξαναβρεθεί στον αέρα). Συνεπώς και η διεύθυνση του κύματος θα έχει μεταβληθεί κατά τη διάρκεια της εισόδου της στο νερό, εξαιτίας της διαφοράς της ταχύτητας των διαφόρων τμημάτων του κύματος. Άρα, και κυματικά πια, δίνεται μια εξήγηση για τη διάθλαση του φωτός. Με δεδομένο ότι τα κύματα χαρακτηρίζονται από δυο παραμέτρους, την ταχύτητα και το μήκος κύματος τους, η κυματική θεωρία μπορεί να εξηγήσει και το ζήτημα του χρώματος με απλό τρόπο. Υποστηρίζει λοιπόν, ότι στα διάφορα χρώματα αντιστοιχούν μήκη κύματος. Το μήκος κύματος π.χ. του κίτρινου φωτός διαφέρει από αυτό του κόκκινου κ.ο.κ. Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 23 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία 2.2.1.3. Σύγκριση των Δυο Θεωριών Μετά απ όλα αυτά θα μπορούσαμε να κατασκευάσουμε ένα πίνακα, ο οποίος να δείχνει τις διαφορές των δυο θεωριών όσον αφορά το σκεδασμό του φωτός: Σωματιδιακή Γλώσσα Τα σωματίδια, που ανήκουν στα διάφορα χρώματα έχουν την ίδια ταχύτητα στο κενό, αλλά διαφορετική σε κάποιο μέσο, π.χ. στο γυαλί. Το λευκό φως είναι σύνθεση σωματιδίων, τα οποία ανήκουν σε διαφορετικά χρώματα και που διαχωρίζονται στο φάσμα. Κυματική Γλώσσα Οι ακτίνες με μήκη κύματος, που ανήκουν σε διαφορετικά χρώματα έχουν την ίδια ταχύτητα στον αιθέρα, αλλά διαφορετική σε ένα άλλο μέσο, π.χ. στο γυαλί. Το λευκό φως είναι σύνθεση κυμάτων όλων των μηκών κύματος, που διαχωρίζονται στο φάσμα. Τον 19ο αιώνα ο T. T.Young χρησιμοποιεί την κοινή γνώση που αφορά την κίνηση των κυμάτων προσπαθώντας να περιγράψει την κίνηση του φωτός. Έτσι, είναι προτιμότερο όταν αναφέρεται κανείς στην κίνηση των κυμάτων να έχει την εικόνα όχι ενός τεράστιου κύματος, αλλά τον ρυτιδισμό του νερού, ώστε να αποκτήσει μια πιο εποπτική εικόνα. Το κύμα λοιπόν, αρχικά ανυψώνει στο πέρασμά του την επιφάνεια του νερού, και μετά την υποβιβάζει. Υποθέτουμε ότι τα αντίστοιχα ισχύουν και για το φως. Μία φωτεινή πηγή εκπέμπει φως, το οποίο προς μία κατεύθυνση συναντά ένα φράγμα, έναν τοίχο για παράδειγμα, ο οποίος έχει μια στενή οπή. Η οπή επιτρέπει τη διέλευση του φωτός, κι επειδή είναι αρκετά μικρή, δρα ως μια νέα πηγή κυκλικών κυμάτων, κάτι που σαν εικόνα θυμίζει βότσαλα να πέφτουν στην επιφάνεια της θάλασσας. Στη συνέχεια τα κυκλικά Εικόνα 9. Η συμβολή των κυμάτων (ή καλύτερα τα ημικυκλικά) κύματα έστω ότι συναντούν έναν παρόμοιο τοίχο, με δύο στενές οπές αυτή τη φορά. Οι δύο οπές δρουν ξανά ως πηγές νέων κυμάτων, και μάλιστα κυμάτων που κινούνται συγχρονισμένα, ή αλλιώς κυμάτων που «βρίσκονται σε φάση». Λίγο πιο πέρα υπάρχει ένας ανιχνευτής, ή πιο σελ 24 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011
Διπλωματική Εργασία Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 απλά ένα λευκό πανί, πάνω στο οποίο μπορούμε να δούμε τα αποτελέσματα του συνδυασμού που συνέβη, ή αλλιώς της συμβολής των δύο νέων κυμάτων. Μια βασική παρατήρηση είναι ότι κάποιες περιοχές είναι φωτεινές, και κάποιες άλλες σκοτεινές. Φωτεινές είναι εκείνες οι περιοχές όπου τα δύο κύματα προστίθενται το ένα στο άλλο, ή αλλιώς εκεί που συμβάλλουν θετικά. Σκοτεινές είναι οι περιοχές όπου τα κύματα αλληλοαφαιρούνται, ή αλλιώς εκεί που συμβάλλουν αρνητικά. Όταν ο φημισμένος πλέον απ' το φυσικό εκκρεμές που φέρει το όνομά του, γάλλος φυσικός του 19 ου αιώνα L. Fοucault απέδειξε σε αντίθεση με την υπόθεση της σωματιδιακής φύσης του φωτός ότι η ταχύτητα του, μέσα στο νερό, ήταν μικρότερη από αυτή στον αέρα, δεν έκανε τίποτε άλλο απ' το να φέρει στην επιφάνεια αυτό που ο κάθε ευυπόληπτος επιστήμονας ανέμενε. Από τότε έγινε κοινό κτήμα ότι το φως είναι μια μορφή κύμανσης, που διαδιδόταν μέσω του αιθέρα, ότι κι αν ήταν αυτός. Βέβαια, θα μας ήταν ευεργετική η γνώση του πως γίνεται μια φωτεινή ακτίνα να είναι και κύμα. Στις δεκαετίες του 1860 1870 ο σκοτσέζος φυσικός J. C. Maxwell απέδειξε ότι η ύπαρξη αυτών των κυμάτων έχει ως αποτέλεσμα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Ο Maxwell είπε επίσης ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που είχε προβλέψει, θα έπρεπε να ακολουθείται από ασθενή ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, με τον ίδιο τρόπο που τα υδάτινα κύματα ανυψώνουν και υποβιβάζουν την επιφάνεια του νερού. Επιπλέον, το 1887, ο H. Hertz είχε πετύχει να εκπέμψει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με τη μορφή ραδιοκυμάτων. Τελικά, η κυματική θεωρία είχε ολοκληρωθεί λίγο πριν τη μεγαλύτερη επανάσταση στην επιστημονική σκέψη απ' την εποχή του Newton το 1665. Στο τέλος του δέκατου ένατου αιώνα, μόνο ένας ηλίθιος ή μια αυθεντία θα μπορούσε να προτείνει ότι το φως είναι σωματιδιακό απ' τη φύση του. Αυτή η αυθεντία δεν ήταν άλλη απ' τον Α. Einstein. Συνοπτικά αναφέρουμε δυο λόγια ακόμα για το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, το οποίο είναι μια συνεχής περιοχή ακτινοβολίας, που εκτείνεται απ' τα ραδιοκύματα έως τις ακτίνες γ. Τα περιγραφικά ονόματα των διαφόρων περιοχών του αποτελούν μόνο μια ιστορική ταξινόμηση, αφού σε όλες τις περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος τα κύματα έχουν την ίδια Εικόνα 10. Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και το ορατό πεδίο φύση, διαδίδονται με την ίδια ταχύτητα (την ταχύτητα του φωτός), και διαφέρουν μόνο στη Ερμούπολη, 22/09/2011 σελ 25 από 216
Κωνσταντίνος Χριστοδούλου 511/2002064 Διπλωματική Εργασία συχνότητα και το μήκος κύματος. Η συχνότητα, με την οποία πάλλεται στο χώρο ένα κύμα είναι η συχνότητα του δονούμενου ηλεκτρικού φορτίου που το δημιούργησε. Κι επειδή η ταχύτητα διάδοσης ενός κύματος είναι 300.000 km/s, ένα κύμα π.χ. που έχει συχνότητα 1s, θα έχει μήκος 300.000 km. Ισχύει δηλαδή η σχέση: λ=c/ν Ενδεικτικά αναφέρω ότι το μήκος των ραδιοφωνικών κυμάτων ΑΜ είναι από 190 έως 560 m, των FM είναι από 2,7 έως 3,7 m, ενώ το μήκος κύματος του ορατού φωτός ποικίλει από 350 έως 700 περίπου εκατομμυριοστά του εκατοστού. Επίσης, πριν την ορατή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (που είναι εξαιρετικά μικρή σε σχέση με ολόκληρο το φάσμα) βρίσκονται τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα, το υπέρυθρο, ενώ μετά την ορατή περιοχή, οι υπεριώδεις, οι ακτίνες χ και οι ακτίνες γ, περιοχές ταξινομημένες έτσι για καθαρά ιστορικούς λόγους. Τα νέα δεδομένα που εισήγαγε ο Newton κάνανε τη μέχρι τότε θεωρία της φύσης του φωτός ακόμα πιο περίπλοκη στα μάτια των επιστημόνων, γιατί τώρα πια το φως αποτελούνταν από περισσότερες ουσίες, η κάθε μία από τις οποίες θα έπρεπε να ανήκει σε διαφορετικό χρώμα. Η «κατοχύρωση» βέβαια αυτής της θεωρίας θα μπορούσε να έρθει μόνο μέσα κι απ' την πειραματική επιβεβαίωση, και το ισχυρότερο στήριγμα της θεωρίας του Newton ήταν η ακριβώς αντίστροφη διαδικασία, το να ξαναπάρει κάποιος δηλαδή το αρχικό λευκό φως συνθέτοντας τις συνιστώσες του. Πράγματι, ο Newton θεωρώντας πια αυτή τη δυνατότητα σχεδόν κοινότυπη, έλεγε: Εικόνα 11. Αναλυτικά το φάσμα των ακτινοβολιών και ειδικότερα το Φάσμα του Ορατού Φωτός «...Τα χρώματα δε δημιουργούνται, απλώς γίνονται ορατά με το διαχωρισμό τους. Αν ξανά ανακατευθούν, θα συνθέσουν πάλι το χρώμα που είχαν πριν το διαχωρισμό τους. Γι' αυτόν το λόγο οι μεταβολές που παράγονται από τη σύνθεση διαφόρων χρωμάτων δεν είναι πραγματικές. Όταν θα ξαναχωριστούν οι διάφορες ακτίνες, θα εκδηλώσουν τα ίδια χρώματα που είχαν σελ 26 από 216 Ερμούπολη, 22/09/2011