ŚWIATŁO
Kupując sprzęt oświetleniowy, choćby zwykłe żarówki – niezależnie od tego, czy jest to klasyczna żarówka z wolframowym żarnikiem czy też świetlówka albo upakowane w obudowę w kształcie żarówki diody LED – zwykle na opakowaniu znajdziemy informacje na temat parametrów danego źródła światła. Przez lata parametrami prezentowanymi na opakowaniach żarówek były jedynie: wymagane napięcie zasilające (230 V w Polsce), typ gwintu (np. najpopularniejszy gwint Edisona – E27) oraz moc żarówki w watach. I przez wiele lat to wystarczało, bo w oświetleniu domowym stosowano wyłącznie klasyczne żarówki, zatem wiadomo było, jak świeci “sześćdziesiątka” czy “czterdziestka” (żarówka o mocy odpowiednio 60 W i 40 W). Jednak wraz z wprowadzeniem energooszczędnych źródeł światła posługiwanie się mocą jako określeniem jasności – choć nigdy nie było prawidłowe pod względem fizycznym (a przynajmniej nie w fotometrii wizualnej) – straciło jakikolwiek sens. Współcześnie na opakowaniach żarówek znajdziemy dodatkowo obowiązkową etykietę energetyczną (wskazującą klasę energetyczną danego źródła światła), a także takie parametry, jak szacowany czas świecenia, szacowana liczba cykli włączeń/wyłączeń czy temperatura barwowa. Oczywiście moc wciąż jest podawana (dzięki niej wiadomo, ile prądu zużywa dane źródło światła), ale do oceny faktycznej jasności lepiej posługiwać się innym, również obecnie podawanym parametrem: wartością liczbową wyrażoną w lumenach (w skrócie lm). Naturalnie to niejedyna miara stosowana w fotometrii. Poniżej wyjaśniamy, jak definiuje się jednostki fotometryczne, a także przedstawiamy ich rolę w ocenie źródeł światła.
Kandela – jednostka światłości (natężenia) źródła światła. Jest ona podstawową jednostką w układzie SI, definiowaną w następujący sposób: 1 kandela to światłość mierzona w określonym kierunku od źródła emitującego monochromatyczne promieniowanie o długości fali ok. 555 nm (odpowiada to częstości rzędu 540 THz) i natężeniu promieniowania w tym kierunku równemu 1/683 W/sr (wata na steradian). Cóż, definicja jest precyzyjna w sensie fizycznym, ale niewiele mówi zwykłemu konsumentowi. Żeby łatwiej wyobrazić sobie światłość około 1 kandeli, warto zapoznać się z historyczną definicją. Dawniej wzorem światłości była po prostu świeca i światłość 1 kandeli to w przybliżeniu światłość typowej świecy właśnie.
Lumen – jednostka miary strumienia świetlnego w układzie SI definiowana jako strumień świetlny wysyłany przez źródło światła o światłości (natężeniu) 1 kandeli w kąt bryłowy 1 steradiana.
Luks – jednostka natężenia oświetlenia. 1 luks to strumień świetlny o wartości 1 lumena padający na powierzchnię 1 mkw. Luks ma duże znaczenie praktyczne, bo dzięki pomiarom za pomocą światłomierza (luksometru) można łatwo zmierzyć natężenie oświetlenia w danym miejscu i zweryfikować, czy dane źródło światła, np. lampa w studiu fotograficznym, spełnia określone wymagania użytkownika.
WSKAZÓWKA KONSUMENCKA: Jak odnieść powyższe definicje do aktualnych parametrów źródeł światła i skonfrontować je z “zakodowaną” w naszych umysłach mocą w watach? Jeżeli nie jesteśmy inżynierami czy fizykami, jedynym sposobem jest stosowanie pewnych przybliżeń. Poszukując zamiennika typowej żarówki o mocy 40 W, powinniśmy rozglądać się za źródłami światła o strumieniu ok. 380–400 lm. Z kolei ekwiwalentem niedostępnych już dziś (do zastosowań domowych) żarówek 75-watowych będzie energooszczędne źródło światła o strumieniu rzędu 800–810 lm. Jak widać, w dużym uproszczeniu można stosować przelicznik 10 W = 100 lm, ale to kwestia czysto umowna i niemająca nic wspólnego z fizyką (jasność nie rośnie wprost proporcjonalnie do mocy), niemniej dla żarówek używanych w domu można się takim bardzo przybliżonym przelicznikiem posłużyć.
DŹWIĘK/ GŁOŚNOŚĆ
Także w specyfikacji sprzętu nagłośnieniowego, czyli wszelkiego typu głośników, słuchawek itp., spotkamy się z kilkoma parametrami. Jakie jest ich znaczenie, jakie jednostki są stosowane do pomiaru głośności?
Decybel – najpopularniejszą miarą głośności jakiegoś dźwięku jest decybel (dB). W istocie jest to porównawcza skala logarytmiczna. Teoretycznie za pomocą decybeli można wyrażać zmiany jakiejkolwiek wartości, odnosząc ją do jakiegoś stanu pierwotnego. Przyjęto, że najcichszy dźwięk, jaki może usłyszeć człowiek, to dźwięk o poziomie ciśnienia akustycznego wynoszącym 0,00002 Pa (0 dB).
Herc – inną jednostką często widoczną na pudełku ze sprzętem nagłośnieniowym jest herc, jednostka miary częstotliwości. Definiuje się ją jako liczbę cykli na sekundę. W przypadku dźwięków ich wysokość zależy właśnie od częstotliwości, a ucho ludzkie jest w stanie słyszeć dźwięki z zakresu od ok. 16 Hz do 20 kHz. Na opakowaniach np. słuchawek można znaleźć informację na temat odtwarzanego przez dany model zakresu częstotliwości.
TEMPERATURA
W przypadku jednostek miary temperatury sprawa wydaje się prosta: w zasadzie na całym świecie stosuje się skalę Celsjusza, jedynie w USA, na Wyspach Bahama, w Belize oraz na Kajmanach temperaturę podaje się w skali Fahrenheita. Skal jest jednak więcej – oto różnice pomiędzy nimi.
Skala Celsjusza – powszechnie przyjęta skala termometryczna została zaproponowana w 1742 roku przez szwedzkiego uczonego Andersa Celsiusa, który w tymże roku zbudował swój pierwszy termometr rtęciowy. Jednak w pierwotnym kształcie propozycja Szweda była odmienna od dziś znanej skali, gdyż zaproponował on skalę odwrotną do współczesnej (w miarę ocieplania temperatura malała). Skala bazuje na temperaturze krzepnięcia (0 °C) i wrzenia (100 °C) wody przy ciśnieniu normalnym (1 atmosfery).
Skala Fahrenheita – urodzony w Gdańsku holenderski fizyk i inżynier pochodzenia niemieckiego, będący wynalazcą termometru rtęciowego, swoją skalę termometryczną zbudował w 1724 roku na bazie skali Rømera, mnożąc ją przez 4. Temperatura krzepnięcia wody w tej skali to 32°F, a wrzenia wody: 212°F. 0°F to temperatura zamarzania solanki (mieszaniny wody, lodu i salmiaku w proporcjach 1:1:1). Temperatura normalna ludzkiego ciała w tej skali to 98,6°F.
Skala Rømera – opracowana w 1701 przez duńskiego astronoma i naukowca Ole Rømera. 0°Rø to temperatura zamarzania solanki (tak jak w skali Fahrenheita). Woda zamarza w 7,5°Rø, zaś wrze w 60°Rø.
Skala Réaumura – wprowadzona w 1731 roku przez francuskiego fizyka René Antoine’a Ferchault de Réaumura. W tej skali woda zamarza w 0°, a wrze w 80°. Jest ona liniowo przeliczalna na skalę Celsjusza: 1°C to 0,8° w skali Réaumura. Obecnie nieużywana, ale do początku XX wieku była dość popularna w Europie.
Skala Kelwina – skala opracowana w 1848 (z późniejszymi modyfikacjami) przez Williama Thomsona, lorda Kelvin. W przypadku tych jednostek miary temperatury nie używa się określenia “stopnie”. Jest to skala absolutna: temperatura 0 K (0 kelwinów) to najniższa teoretycznie możliwa temperatura (tzw. temperatura zera bezwzględnego, w skali Celsjusza wynosi ona -273,15°C). Kelwiny łatwo przeliczyć na stopnie Celsjusza – wystarczy od liczby kelwinów odjąć 273,15 i mamy wartość w °C. Uwaga, skala Kelwina jest również stosowana w fotometrii – do określania temperatury barwowej źródła światła. Przykładowo temperatura barwowa światła dziennego wynosi 6500 K, tzw. ciepłe barwy np. wschodu i zachodu słońca to ok. 3000 K.
Skala Rankine’a – skala opracowana w 1859 roku przez Williama Rankine’a, szkockiego inżyniera. Jest to również skala absolutna, stanowi odpowiednik skali Kelwina dla stopni Fahrenheita.
Skala Newtona – genialny fizyk Isaac Newton, powszechnie uznawany za ojca współczesnej fizyki klasycznej, zaproponował swoją skalę w 1700 lub 1701 roku. Fizyk wykorzystał jako “termometr” olej lniany, punktem odniesienia była zmiana objętości cieczy przy temperaturach właściwych dla konkretnych zjawisk. Według skali Newtona woda zamarza w temperaturze 0°N, a wrze w temperaturze 33°N. Właśnie na skali Newtona bazował Anders Celsius, tworząc własną, powszechnie dziś stosowaną skalę.
CIŚNIENIE I WODOODPORNOŚĆ
Coraz więcej elektronicznych gadżetów jest promowanych jako np. pyłoszczelne, wodoszczelne, wodoodporne itp. Tyle że może istnieć spora różnica pomiędzy różnymi wodoodpornymi urządzeniami elektronicznymi.
Stopień ochrony IP – oznaczenie, np. IP56, wskazujące, w jakim zakresie dane urządzenie jest odporne na pył i zalanie. Pierwsza z dwóch cyfr po “IP” to stopień ochrony przed pyłem (skala od 0 – brak ochrony, do 6 – całkowicie pyłoszczelna obudowa). Druga cyfra określa stopień ochrony przed wodą. To skala ośmiostopniowa: od 0 oznaczającego brak ochrony, do 8, czyli ochrony przed ciągłym zanurzeniem w wodzie, ale przy warunkach zdefiniowanych przez producenta najczęściej określonych przez maksymalne ciśnienie, kiedy sprzęt zachowuje swoje ochronne wodoszczelne właściwości.
Atmosfera – właściwie atmosfera techniczna – powszechnie stosowana miara ciśnienia, 1 atmosfera (1 at) to ciśnienie spowodowane przez nacisk o sile kilograma-siły rozłożony na jednym cm2. Definiuje się ją także jako nacisk 10-metrowego słupa wody. Jest to pozaukładowa miara (nie należy do układu SI). 1 at = 98066,5 Pa = 0,980665 b (bara). Uwaga, jednostki tej nie należy mylić z atmosferą fizyczną, miarą opartą na średnim ciśnieniu atmosferycznym na poziomie morza, wynoszącą: 1 atm = 101325 Pa = 1,01325 b.
Paskal – jednostka ciśnienia w układzie SI; w meteorologii ma zastosowanie jednostka zwielokrotniona – hektopaskal (1 hPa = 100 Pa). Ciśnienie na poziomie morza wynosi ok. 1013,25 hPa.
Bar – stosunkowo często spotykana jednostka ciśnienia (w coraz rzadziej używanym układzie CGS). 1 bar = 100000 Pa = 1,0197 at. Czasem można usłyszeć, jak niektórzy używają zamiennie barów i atmosfer (fizycznych), np. podczas dyskusji nad prawidłowym ciśnieniem w oponach samochodowych. Formalnie nie jest to prawidłowe, ale przy niewielkich wartościach można stosować takie przybliżenie.
Głębokość/zanurzenie – niektórzy producenci wodoodporność definiują jako dopuszczalną głębokość zanurzenia przedmiotu. Jest to mało precyzyjne, bo dotyczy ciśnienia statycznego. Np. zegarek “do 50 m” raczej nie wytrzyma na deklarowanej głębokości.