Intensidad luminosa – Potencia luminosa por ángulo sólido – Fotometría

La intensidad luminosa, más precisamente llamada intensidad luminosa, está en el centro de la fotometría: la ciencia de medir la luz visible tal como la percibe el ojo humano. Describe cuánta potencia de luz visible emite una fuente en una dirección dada por unidad de ángulo sólido. Comprender la intensidad luminosa y sus magnitudes relacionadas es crucial en campos como la aviación, la ingeniería de iluminación, la tecnología de pantallas, la señalización de seguridad y la calibración fotométrica.

¿Qué es la intensidad luminosa?

La intensidad luminosa se mide en candelas (cd), una de las siete unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades (SI). La candela se define por la potencia emitida por una fuente de luz a una longitud de onda particular (555 nm—el máximo de sensibilidad del ojo humano en condiciones fotópicas) y la percepción de esa potencia por el ojo humano.

Definición matemática: $$ I_v = \frac{d\Phi_v}{d\Omega} $$

• $I_v$ = intensidad luminosa (cd)
• $d\Phi_v$ = flujo luminoso (lm)
• $d\Omega$ = ángulo sólido (sr)

La intensidad luminosa es direccional; cuantifica la salida de luz en una dirección específica. Esto es esencial para aplicaciones como la iluminación aeronáutica, donde las luces de pista, aproximación y balizas deben entregar niveles precisos de luz dentro de haces controlados para garantizar visibilidad y seguridad.

Propiedades clave:

• La intensidad (cd) es independiente de la distancia (si el medio entre la fuente y el observador es claro).
• La iluminancia (lux), la luz recibida por unidad de área, disminuye con el cuadrado de la distancia (ley del inverso del cuadrado).

Ejemplos de intensidades luminosas

Las normas del Anexo 14 de la OACI y la FAA especifican intensidades luminosas mínimas y máximas para las luces aeronáuticas a fin de garantizar la seguridad operativa en todas las condiciones meteorológicas y de visibilidad.

El espectro electromagnético y la luz visible

La radiación electromagnética abarca un amplio espectro, desde ondas de radio hasta rayos gamma. La luz visible es la banda estrecha (aproximadamente 380–780 nm) a la que son sensibles los ojos humanos. La luz en este rango produce la visión en color: violeta (~380 nm), azul (~450 nm), verde (~550 nm), amarillo (~580 nm), naranja (~600 nm) y rojo (~700 nm).

La fotometría solo considera este espectro visible, ponderando cada longitud de onda según la curva de sensibilidad del ojo humano, llamada función de luminosidad fotópica ($V(\lambda)$), que alcanza su máximo en 555 nm. Esto es fundamentalmente diferente de la radiometría, que mide toda la radiación electromagnética sin importar la percepción humana.

Radiometría vs. Fotometría

• Radiometría: mide toda la energía electromagnética, sin importar la longitud de onda o visibilidad.
• Fotometría: mide solo la luz visible, ponderada según la visión humana.

La conversión entre unidades radiométricas y fotométricas requiere el espectro de la fuente y la función $V(\lambda)$. A 555 nm, 1 vatio de flujo radiante equivale a 683 lúmenes.

Flujo luminoso (Φv)

El flujo luminoso es la potencia percibida de la luz visible emitida por una fuente en todas las direcciones, ponderada por la sensibilidad del ojo.

• Unidad: lumen (lm)
• Fórmula: $$ \Phi_v = 683,\mathrm{lm/W} \cdot \int_{380,\mathrm{nm}}^{780,\mathrm{nm}} \Phi_e(\lambda),V(\lambda),d\lambda $$ ($\Phi_e(\lambda)$: flujo radiante espectral en W/nm, $V(\lambda)$: sensibilidad ocular)

Valores típicos:

Las normas OACI establecen requisitos mínimos de flujo luminoso para iluminación de aeródromos para garantizar la visibilidad.

Intensidad luminosa (Iv) en profundidad

La intensidad luminosa mide cuán concentrado está el flujo luminoso en una dirección particular.

• Para una fuente puntual isotrópica (emite igual en todas las direcciones): $I_v = \frac{\Phi_v}{4\pi}$
• Para fuentes direccionales (ej. reflectores): la intensidad es mayor dentro del haz.

Medición: Coloque un fotómetro a una distancia conocida y mida la iluminancia; use la ley del inverso del cuadrado ($I_v = E_v \cdot r^2$).

Uso OACI: Las normas aeronáuticas especifican patrones de distribución de intensidad—por ejemplo, las luces de aproximación deben proporcionar alta intensidad a lo largo del eje de pista y menor intensidad a los lados.

Ángulo sólido (Ω)

Un ángulo sólido mide cuán “ancho” es un haz en tres dimensiones, análogo al ángulo plano en dos dimensiones.

• Unidad: estereorradián (sr)
• Fórmula: $\Omega = \frac{A}{r^2}$ (A = área en la esfera, r = radio)
• Esfera completa: $4\pi$ sr, hemisferio: $2\pi$ sr

Uso en iluminación: Determina cuánta parte del flujo luminoso se concentra en una dirección particular (ángulo sólido).

Iluminancia (Ev)

La iluminancia cuantifica cuánta luz visible incide sobre una superficie.

• Unidad: lux (lx), 1 lx = 1 lm/m²
• Fórmula: $E_v = \frac{d\Phi_v}{dA}$

Ejemplos de iluminancias:

Medición: Con un luxómetro (calibrado para la visión humana).

Relación con la intensidad: $E_v = \frac{I_v}{r^2}$ (ley del inverso del cuadrado).

Luminancia (Lv)

La luminancia describe cuán brillante parece una superficie al ojo desde una dirección específica.

• Unidad: candela por metro cuadrado (cd/m², “nit”)
• Fórmula: $L_v = \frac{d^2\Phi_v}{dA,d\Omega,\cos\theta}$

Ejemplos de luminancias:

Uso OACI: Establece límites para señales y pantallas iluminadas en aeropuertos para garantizar legibilidad y evitar deslumbramiento.

Relaciones fotométricas y radiométricas

• $1$ cd $= 1$ lm/sr
• $1$ lux $= 1$ lm/m²
• $1$ nit $= 1$ cd/m²

La conversión a unidades fotométricas depende del espectro de la luz y la sensibilidad del ojo.

Técnicas de medición fotométrica

Instrumentos clave

• Fotómetros: Miden intensidad luminosa o iluminancia, calibrados para coincidir con la respuesta espectral del ojo.
• Esferas integradoras: Capturan el flujo luminoso total de una fuente.
• Medidores de luminancia: Evalúan el brillo de superficies para cumplimiento normativo.
• Goniofotómetros: Miden la distribución de intensidad sobre ángulos sólidos para fuentes direccionales.

Calibración

La calibración fotométrica garantiza la trazabilidad a los estándares nacionales y la candela. Se utilizan lámparas de calibración con intensidades luminosas conocidas para comprobar la precisión de las mediciones.

Normas OACI e industriales

El Anexo 14 de la OACI y documentos de la CIE (Comisión Internacional de Iluminación) especifican:

• Requisitos fotométricos para iluminación de aeródromos (pista, rodaje, aproximación, obstáculos)
• Requisitos de color (límites espectrales)
• Procedimientos y ángulos de medición
• Intensidades y luminancias mínimas y máximas

Aplicaciones en aviación y seguridad

• Iluminación de pista y rodaje: Debe cumplir requisitos estrictos de intensidad y distribución para garantizar el movimiento seguro de aeronaves en cualquier clima.
• Luces de obstáculos y balizas: Requieren alta intensidad en direcciones definidas para ser visibles a largas distancias.
• Iluminación de cabina y cabina de mando: Diseñada para una iluminancia y luminancia óptimas que aporten confort al piloto y pasajeros.
• Tecnología de pantallas: Los estándares de luminancia y color garantizan la legibilidad bajo diferentes condiciones de luz.

Resumen

La intensidad luminosa y sus magnitudes fotométricas relacionadas (flujo, iluminancia, luminancia) son el núcleo de la ciencia de la iluminación, la ingeniería de seguridad y la ergonomía visual. La candela, el lumen, el lux y el nit son los pilares para diseñar y regular sistemas de iluminación efectivos, eficientes y seguros en aviación, transporte, pantallas y arquitectura.

Las normas OACI, FAA y CIE incorporan estas magnitudes en las regulaciones de seguridad globales, asegurando que los sistemas de iluminación cumplan su función—guiar, advertir e informar—en todas las condiciones.

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