Fotometría -Photometria

Photometria es un libro sobre la medición de la luz de Johann Heinrich Lambert publicado en 1760. Estableció un sistema completo de cantidades y principios fotométricos; usándolos para medir las propiedades ópticas de los materiales, cuantificar aspectos de la visión y calcular la iluminación.

Página de título de la fotometría de Lambert

Contenido de fotometría

Escrito en latín, el título del libro es una palabra que Lambert ideó del griego: φῶς, φωτος (phôs transliterado, fotos) = luz y μετρια (metria transliterada) = medida. La palabra de Lambert se ha abierto camino en los idiomas europeos como fotometría, fotometría, fotometría. Photometria fue el primer trabajo para identificar con precisión los conceptos fotométricos más fundamentales, ensamblarlos en un sistema coherente de cantidades fotométricas, definir estas cantidades con una precisión suficiente para enunciados matemáticos y construir a partir de ellos un sistema de principios fotométricos. Estos conceptos, cantidades y principios todavía se utilizan en la actualidad.

Lambert comenzó con dos axiomas simples: la luz viaja en línea recta en un medio uniforme y los rayos que se cruzan no interactúan. Como Kepler antes que él, reconoció que las "leyes" de la fotometría son simplemente consecuencias y se derivan directamente de estos dos supuestos. De esta manera, Photometria demostró (en lugar de asumir) que

  1. La iluminancia varía inversamente al cuadrado de la distancia desde una fuente puntual de luz,
  2. La iluminancia en una superficie varía como el coseno del ángulo de incidencia medido desde la superficie perpendicular, y
  3. La luz decae exponencialmente en un medio absorbente.

Además, Lambert postuló una superficie que emite luz (ya sea como fuente o por reflexión) de tal manera que la densidad de la luz emitida (intensidad luminosa) varía como el coseno del ángulo medido desde la superficie perpendicular. En el caso de una superficie reflectante, se supone que esta forma de emisión es el caso, independientemente de la dirección de incidencia de la luz. Estas superficies se denominan ahora "perfectamente difusas" o "lambertianas". Ver: reflectancia lambertiana , emisor lambertiano

Lambert demostró estos principios de la única manera disponible en ese momento: ideando arreglos ópticos a menudo ingeniosos que podían hacer que dos campos luminosos inmediatamente adyacentes parecieran igualmente brillantes (algo que solo podía determinarse mediante observación visual), cuando dos cantidades físicas que producían los dos los campos eran desiguales en una cantidad específica (cosas que se podían medir directamente, como el ángulo o la distancia). De esta manera, Lambert cuantificó propiedades puramente visuales (como potencia luminosa, iluminación, transparencia, reflectividad) relacionándolas con parámetros físicos (como distancia, ángulo, potencia radiante y color). Hoy en día, esto se conoce como "fotometría visual". Lambert fue uno de los primeros en acompañar las mediciones experimentales con estimaciones de incertidumbres basadas en una teoría de errores y lo que determinó experimentalmente como los límites de la evaluación visual.

Aunque los trabajadores anteriores habían pronunciado leyes fotométricas 1 y 3, Lambert estableció la segunda y agregó el concepto de superficies perfectamente difusas. Pero lo que es más importante, como señaló Anding en su traducción alemana de Photometria , "Lambert tenía ideas incomparablemente más claras sobre la fotometría" y con ellas estableció un sistema completo de cantidades fotométricas. Basado en las tres leyes de la fotometría y la suposición de superficies perfectamente difusas, Photometria desarrolló y demostró lo siguiente:

1. Solo diferencias notables
En la primera sección de Fotometría , Lambert estableció y demostró las leyes de la fotometría. Hizo esto con fotometría visual y para establecer las incertidumbres involucradas, describió sus límites aproximados determinando qué tan pequeña era la diferencia de brillo que podía determinar el sistema visual.
Un ejemplo de fotometría visual de Photometria . La pantalla vertical produce el campo EFDC iluminado por una sola vela y el campo adyacente GFDB iluminado por dos velas. Las distancias de las velas se cambian hasta que el brillo a ambos lados de FD sea el mismo. La potencia de iluminación relativa se puede determinar entonces a partir de las distancias de las velas.
2. Reflectancia y transmitancia del vidrio y otros materiales comunes
Utilizando fotometría visual, Lambert presentó los resultados de muchas determinaciones experimentales de reflectancia difusa y especular, así como la transmitancia de cristales y lentes. Uno de los experimentos más ingeniosos que realizó fue el de determinar la reflectancia de la superficie interior de un panel de vidrio.
3. Transferencia radiativa luminosa entre superficies
Suponiendo superficies difusas y las tres leyes de la fotometría, Lambert usó Cálculo para encontrar la transferencia de luz entre superficies de varios tamaños, formas y orientaciones. Él originó el concepto de transferencia por unidad de flujo entre superficies y en Photometria mostró la forma cerrada de muchas integrales dobles, triples y cuádruples que dieron las ecuaciones para muchas disposiciones geométricas diferentes de superficies. Hoy en día, estas cantidades fundamentales se denominan Factores de Vista , Factores de Forma o Factores de Configuración y se utilizan en la transferencia de calor por radiación y en gráficos por computadora .
4. Brillo y tamaño de la pupila
Lambert midió el diámetro de su propia pupila mirándolo en un espejo. Midió el cambio de diámetro al ver una parte más grande o más pequeña de la llama de una vela. Este es el primer intento conocido de cuantificar el reflejo pupilar a la luz .
5. Refracción y absorción atmosféricas
Utilizando las leyes de la fotometría y una gran cantidad de geometría, Lambert calculó los tiempos y profundidades del crepúsculo.
6. Fotometría astronómica
Suponiendo que los planetas tenían superficies reflectantes de manera difusa, Lambert intentó determinar la cantidad de reflectancia, dado su brillo relativo y la distancia conocida del sol. Un siglo más tarde, Zöllner estudió Fotometría y retomó donde Lambert lo dejó, e inició el campo de la astrofísica.
7. Demostración de colorimetría y mezcla de colores aditivos
Lambert fue el primero en registrar los resultados de la mezcla de colores aditivos . Mediante transmisión y reflexión simultáneas desde un panel de vidrio, superpuso las imágenes de dos parches de papel de diferentes colores y observó el color aditivo resultante.
8. Cálculos de iluminación natural
Suponiendo que el cielo era una cúpula luminosa, Lambert calculó la iluminación por tragaluz a través de una ventana, y la luz ocluida e interreflejada por paredes y tabiques.

Naturaleza de la fotometría

El libro de Lambert es fundamentalmente experimental. Los cuarenta experimentos descritos en Photometria fueron realizados por Lambert entre 1755 y 1760, después de que decidió escribir un tratado sobre medición de la luz. Su interés en adquirir datos experimentales abarcó varios campos: óptica, termometría, pirometría, hidrometría y magnetismo. Este interés por los datos experimentales y su análisis, tan evidente en Photometria , también está presente en otros artículos y libros producidos por Lambert. Para su trabajo de óptica le bastaba un equipamiento sumamente limitado: unos cristales, lentes convexos y cóncavos, espejos, prismas, papel y cartón, pigmentos, velas y medios para medir distancias y ángulos.

El libro de Lambert también es matemático. Aunque sabía que se desconocía la naturaleza física de la luz (pasarían 150 años antes de que se estableciera la dualidad onda-partícula), estaba seguro de que la interacción de la luz con los materiales y su efecto sobre la visión podían cuantificarse. La matemática era para Lambert no solo indispensable para esta cuantificación, sino también signo indiscutible de rigor. Usó el álgebra lineal y el cálculo extensivamente con una confianza práctica que era poco común en las obras ópticas de la época. Sobre esta base, Fotometria es ciertamente poco característica de las obras de mediados del siglo XVIII.

Redacción y publicación de Photometria

Lambert comenzó a realizar experimentos fotométricos en 1755 y en agosto de 1757 tenía suficiente material para comenzar a escribir. De las referencias en Photometria y del catálogo de su biblioteca subastado después de su muerte, se desprende que Lambert consultó las obras ópticas de Newton, Bouguer, Euler, Huygens, Smith y Kästner. Terminó Photometria en Augsburg en febrero de 1760 y el impresor tenía el libro disponible en junio de 1760.

Maria Jakobina Klett (1709-1795) fue propietaria de Eberhard Klett Verlag, uno de los "publicadores protestantes" más importantes de Augsburgo. Publicó muchos libros técnicos, incluida Photometria de Lambert y diez de sus otras obras. Klett utilizó a Christoph Peter Detleffsen (1731-1774) para imprimir Photometria . Su primera y única impresión fue evidentemente pequeña, y en 10 años fue difícil obtener copias. En el estudio de la óptica de Joseph Priestley de 1772, “Lambert's Photometrie” aparece en la lista de libros aún no adquiridos. Priestley hace una referencia específica a Photometria ; que era un libro importante pero imposible de adquirir.

Una traducción al alemán abreviada de Photometria apareció en 1892, una traducción al francés en 1997 y una traducción al inglés en 2000.

Influencia posterior

La fotometría presentó avances significativos y fue, quizás, por eso mismo que su aparición fue recibida con indiferencia generalizada. La pregunta óptica central a mediados del siglo XVIII era: ¿cuál es la naturaleza de la luz? El trabajo de Lambert no estaba relacionado en absoluto con este tema, por lo que Photometria no recibió una evaluación sistemática inmediata y no se incorporó a la corriente principal de la ciencia óptica. La primera evaluación de Photometria apareció en 1776 en la traducción al alemán de Georg Klügel del estudio de óptica de 1772 de Priestley. En 1777 aparecieron una reelaboración y una anotación elaboradas. La fotometría no se evaluó y utilizó seriamente hasta casi un siglo después de su publicación, cuando la ciencia de la astronomía y el comercio de la iluminación de gas tenían necesidad de fotometría. Cincuenta años después de eso, Illuminating Engineering tomó los resultados de Lambert como base para los cálculos de iluminación que acompañaron la gran expansión de la iluminación a principios del siglo XX. Cincuenta años después de eso, los gráficos por computadora tomaron los resultados de Lambert como base para los cálculos de radiosidad necesarios para producir representaciones arquitectónicas. La fotometría tuvo una influencia significativa, aunque tardía, en la tecnología y el comercio una vez que la revolución industrial estaba en marcha, y es la razón por la que fue uno de los libros incluidos en La imprenta y la mente del hombre .

Ver también

Referencias

  1. ^ Lambert, Johann Heinrich, Photometria, sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae , Augsburg: Eberhard Klett, 1760.
  2. ^ Mach, E., Los principios de la óptica física: un tratamiento histórico y filosófico , trad. JS Anderson y AFA Young, Dutton, Nueva York, 1926.
  3. ^ Sheynin, OB, "El trabajo de JH Lambert sobre la probabilidad", Archivo de Historia de las Ciencias Exactas, vol. 7, 1971, págs. 244-256.
  4. ^ Gal, O. y Chen-Morris, R., "La arqueología de la ley del cuadrado inverso", History Science , Vol 43, diciembre de 2005 págs. 391–414.
  5. ^ Ariotti, PE y Marcolongo, FJ, "La ley de la iluminación antes de Bouguer (1720)", Annals of Science , vol. 33, No 4, págs. 331–340.
  6. a b Anding, E., Lambert's Photometrie , No. 31, 32, 33 de Ostwald's Klassiker der Exakten Wissenschaften , Engelmann, Leipzig, 1892.
  7. ^ Zöllner, JCF, Photometrische Untersuchungen mit Besonderer Rücksicht auf die Physische Beschaffenheit der Himmelskörper, Leipzig, 1865.
  8. ^ Rood ON, Cromática moderna , Appleton, Nueva York, 1879, págs. 109-139.
  9. Lambert, JH, Pyrometrie oder vom Maaße des Feuers und der Wärme , Berlín, 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. Band 6. Munich, 1916.
  12. Verzeichniß der Bücher und Instrumente, weich der verstorbene Köinig. Ober Baurath und Professor Herr Heinrich Lambert hinterlassen hat, und die den Weistbiethenden sollen verkauft werden. Berlín, 1778.
  13. ^ Sacerdotal, J., La historia y el estado actual de los descubrimientos relacionados con la visión, la luz y los colores , Londres, 1772
  14. ^ Boye, J., J. Couty y M. Saillard, Photométrie ou de la Mesure et de la Gradation de la lumière, des couleurs et de l'Ombre , L'Harmattan, París, 1997.
  15. ^ DiLaura, DL , Fotometría o, Sobre la medida y gradaciones de la luz, los colores y la sombra , Traducido del latín por David L. DiLaura. Nueva York, Illuminating Engineering Society, 2001.
  16. Klügel, GS, Geschichte und gegenwärtiger zustand der Optik nach der Englischen Priestelys bearbeitet , Leipsig, 1776, págs. 312–327.
  17. Karsten, WJG, Lehrbegrif der gesamten Mathematic; Der Achte Theil, Die Photometrie, Greifswald, 1777.
  18. ^ DiLaura, DL, "Medida de la luz: una historia de la fotometría industrial hasta 1909", LEUKOS , enero de 2005, Vol 1, No. 3, págs. 75-149.
  19. ^ Yamauti, Z., "Estudio adicional del cálculo geométrico de la iluminación debida a la luz de fuentes de superficie luminosa de forma simple", Investigaciones del Laboratorio Electrotécnico , núm. 194, Tokio, 1927, n. 1, pág. 3.

enlaces externos