Mese: Gennaio 2022

Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827), dopo essersi laureato all’Ecole Polytecnique di Parigi in ingegneria, venne assunto dal Corps des Ponts nella progettazione di ponti e strade, dedicandosi contemporaneamente agli studi teorici e sperimentali sulla luce.

Dal 1714 l’Accademia delle scienze francese ogni anno offriva un premio alla migliore opera su un tema di natura applicativa scelta da un comitato. Il premio del 1818 venne assegnato a Fresnel su un saggio riguardante la teoria ondulatoria della luce.

Tale risultato diede l’occasione allo scienziato e politico francese François Arago (1786 – 1853) di proporre l’inserimento temporaneo di Fresnel nella Commission des Phares et Balises, istituita nel 1811 da Napoleone sotto la direzione del Corps des Ponts, di cui lo stesso Arago era membro dal 1813. Quando Fresnel entrò nel giugno 1819 il compito della Commissione era quello di esaminare eventuali miglioramenti nell’illuminazione dei fari.
Due mesi dopo fece la sua prima presentazione alla commissione con una memoria sulle lenti a gradini (lentilles à échelons) con cui si potevano sostituire i riflettori allora in uso. Un membro della commissione fece notare che l’idea non era nuova in quanto Georges-Louis Leclerc, conte di Buffon (1707-1788), naturalista e matematico francese, nel 1748 aveva già proposto di molare una lente di vetro in gradini concentrici allo scopo di ridurne al minimo lo spessore.

Venne fatto però notare da altri che la versione di Buffon riguardava le lenti biconvesse mentre la versione di Fresnel si riferiva a una lente piano-convessa. Comunque la Commissione incaricò Fresnel di podurre un prototipo che venne realizzato nel marzo del 1820 dal costruttore francese di strumenti ottici François Soleil. Il prototipo era costituito da un pannello quadrato formato di ben 97 prismi lineari (non ad anello). La Commissione fu talmente ben impressionata che richiese un successivo prototipo costituito stavolta da otto pannelli quadrati di 76 cm di lato. Nell’aprile del 1821, durante uno spettacolo pubblico il prototipo fu confrontato con un riflettore dimostrando la sua superiorità.
Il passo successivo fu quello di progettare e far costruire dalla Saint-Gobain un sistema costituito da 8 pannelli ognuno corredato da un occhio di bue ed archi prismatici, con aggiunta superiormente e inferiormente di specchi allo scopo di raccogliere più luce della sorgente.

Il test ufficiale venne eseguito all’Arco di Trionfo il 20 agosto 1822. La luce fu osservata dalla commissione e da Luigi XVIII a 32 km di distanza. Al termine della dimostrazione l’apparecchio fu messo in deposito a Bordeaux per l’inverno, per poi essere montato in estate al faro di Cordouan sotto la supervisione di Fresnel. Il 25 luglio 1823 fu accesa la prima lente di Fresnel al mondo.

Nel corso degli anni successivi Fresnel perfezionò il sistema sostituendo gli specchi, responsabili di buona parte della perdita di luce, con prismi catadiottrici (capaci non solo di rifrangere ma anche riflettere la luce) nel 1825. Nel 1826 realizzò un ulteriore modello che non ebbe occasione di vedere applicato per la sopraggiunta morte da tubercolosi. Oggi Fresnel è ricordato per la sua lente, ma egli svolse prima di tutto un numero impressionante di studi di ottica che furono stimolo per i successivi scienziati.

Negli anni seguenti le lenti di Fresnel si diffusero nel mondo: Olanda 1833; Inghilterra 1835; Italia, Belgio e Norvegia 1837; Svezia 1840; Stati Uniti 1841; Danimarca 1842; Prussia 1845; Australia 1845; Grecia e Russia 1856.

Per valutare l’intensità luminosa di una sorgente di luce (si tratta di un’energia emessa ogni secondo in una data direzione e secondo un cono di ben preciso angolo di apertura), si ricorre al confronto con una sorgente di riferimento (campione): in Francia si impiegava il becco Carcel (1800), la sorgente di una lampada ad olio azionata da un motore a orologeria inventata dall’orologiaio Bertrand Guillaume Carcel all’inizio del XIX secolo allo scopo di mantenere costante l’alimentazione dello stoppino (era una lampada costosa che solo pochi si potevano permettere); in Inghilerra era in uso la candela inglese; in Germania la candela Hefner (1884). Anche le unità di misura erano diverse: bougie fr; candle ing.; Kerze ted., tutte nel significato della nostra candela (dal lat. candēla, da candēre – splendere). Per la determinazione pratica ci si avvaleva di strumenti detti fotometri tra cui quello di Bunsen del 1840, uno dei primi, ideato dal chimico tedesco Robert Bunsen (1811-1899). Il principio di funzionamento si basava sulla impossibilità dell’occhio umano di stabilire, tra due sorgenti luminose, quella con la maggiore intensità di luce, mentre è capace di riconoscere la differenza delle loro proiezioni luminose su due superfici simili e dello stesso colore.

Per cercare di uniformare le misure dei vari Stati, alla Conferenza Internazionale di Parigi del 1883 venne adottato il Campione Voille (proposto nel 1881 e che sarà impiegato per circa un secolo fino al 1984), ben definito e non legato alla composizione della fiamma, dipendendo esclusivamente dalla luce emessa dal platino fuso in precise condizioni. Tuttavia, non essendo tale campione di facile realizzazione, si impiegava abitualmente il campione Vernon-Harcourt, detto anche candela decimale in quanto pari a un decimo del campione Carcel e alla ventesima parte del Campione Voille.

Nel 1909 la Commissione Internazionale di Fotometria (CIP), dopo aver definito il campione luminoso di una lampada elettrica a incandescenza, costruita e fatta funzionare secondo norme precise, decise che tutte le misure esistenti si sarebbero uniformate,ma il cambiamento sperato non avvenne. Nel 1921, la Commissione Internazionale dell’Illuminazione (CIE) decise di chiamare questa nuova unità candela internazionale. Non tutti i paesi aderirono così nel 1948 la Nona Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM) definì la candela o nuova candela, l’unità di misura dell’intensità luminosa nel sistema internazionale delle unità di misura (SI) . Al decimo CGPM del 1954 venne introdotta la candela quale sesta unità fondamentale, dopo il metro, il kilogrammo, il secondo, l’ampere per l’intensità di corrente elettrica e il kelvin per la temperatura.

Nel 1967, il tredicesimo CGPM abrogò il termine nuova candela per consentire solo la parola candela (simbolo cd).

Per i fari marittimi hanno importanza le portate, ovvero le distanze alle quali i fari possono essere avvistati:
Portata luminosa (luminous range), la massima distanza alla quale la luce del segnalamento è visibile e che dipende dalla intensità luminosa (cd) della sorgente, dalle condizioni di visibilità dell’atmosfera e, naturalmente, dalla soglia di visibilità dell’osservatore. Non si tiene conto dell’altezza della sorgente in quanto essa può subire cambiamenti proprio legati alla sua posizione rispetto all’orizzonte: un faro basso sull’orizzonte potrebbe avere una portata luminosa maggiore in presenza di particelle di vapore acqueo a quote basse che disperdono il fascio luminoso rendendone visibile la struttura a maggiore distanza, oltre l’orizzonte. Un fenomeno noto in ingl. come loom of the light (loom è telaio) e nel nostro linguaggio marinaro come scopa.
Secondo le raccomandazioni IALA, la portata luminosa è determinabile con la formula di Allard (Allard’s law) proposta nella prima metà del ‘900 dall’omonimo ingegnere francese M. Allard. Si tratta di una formula che lega l’illuminamento prodotto su una superficie normale ad una data distanza da una sorgente puntiforme di luce, l’intensità luminosa e il grado di trasparenza dell’atmosfera

Portata nominale (nominal range), secondo standard internazionale è la massima distanza dalla quale può essere avvistata una luce, quando la visibilità meteorologica (o trasparenza atmosferica) è di 10 miglia nautiche (corrispondente ad una trasmissione del 74%) e con un illuminamento minimo percepito da un osservatore di 2 x 10^-7 lux di notte e 1 x 10^-3 di giorno. Apposite tabelle permettono di correggere il valore di portata in relazione alla visibilità del momento

Portata geografica (geographic range): è la massima distanza alla quale può essere avvistata una luce, limitata solo dalla curvatura della terra e dalla rifrazione nell’atmosfera e dalle altezze dell’osservatore e della luce.

Un’idea della visibilità notturna dei fari del ‘700 si può ricavare dal diario compilato dall’ingegnere britannico John Smeaton (1724 – 1792) durante la costruzione dell’omonimo faro (Smeaton’s Tower) nel 1759, in cui si legge che quando di notte si trovava a bordo del Neptune Buss, la nave con cui percorreva la distanza di 11 miglia da Plymouth a Eddystone (l’originaria posizione della Torre fino al 1870 e dove fu poi realizzato nel 1882 il faro di Eddystone, ancora oggi attivo), dalla costa di Plymouth poteva vedere la luce del suo faro con una intensità luminosa paragonabile a una stella di magnitudine 3 o 4 (le stelle più deboli visibili nei centri urbani). A ciò dobbiamo aggiungere che all’epoca le luci erano fisse perciò meno distinguibili.

Diverse sono le grandezze fisiche utilizzate in fotometria, quella parte della fisica che si occupa di misurare le caratteristiche di un fascio luminoso e dei suoi effetti sull’occhio umano.

flusso luminoso, (luminous flux) l’energia luminosa E emessa tutt’intorno da una sorgente luminosa primaria o secondaria (che riflette la luce proveniente da una sorgente primaria) nell’unità di tempo, la cui grandezza fisica è il lumen (simbolo lm). Come un flusso idrico in una condotta, anche il flusso luminoso è sempre lo stesso, ad 1 cm, ad 1m ad 1 km, come è sempre la stessa la portata d’acqua in una tubazione a qualunque distanza dalla pompa, a meno di perdite.
Una lampada a incandescenza quando è accesa assorbe una potenza elettrica espressa in watt che in piccola parte si trasforma in flusso luminoso, cioè in potenza visibile, mentre buona parte si converte in potenza nell’infrarosso che è invece una potenza non visibile, termica. Il rapporto lumen/watt rappresenta quindi l’efficienza della lampada, il suo rendimento luminoso, cioè quanto della potenza assorbita elettrica si trasforma in potenza luminosa. Raffronti: lampada a incandescenza tra 10 e 14lm/W; lampade ad alogeni tra 20 e 25 lm/W; lampade a LED tra 200 e 210lm/W. I valori sono orientativi dipendendo dalla potenza e dalla tecnologia costruttiva.

illuminamento, (illuminance) quantitativo di flusso luminoso per ogni metro quadrato di superficie esposta, indicativo dell’effetto, percepito dalla nostra vista, prodotto da una sorgente di luce sulla superficie degli oggetti che ci circondano. La grandezza fisica corrispondente è il lux (simbolo lx) lux = lumen/m². Così un ufficio luminoso ha un illuminamento di 400 lx; la luna piena produce un illuminamento di 0,5 lx; per le vie di uscita è norma un illuminamento minimo di 5 lx.
L’illuminamento è funzione inversa del quadrato della distanza, quindi una stessa fonte luminosa produce lux diversi su superfici a diverse distanze ed anche a distanze uguali da come il flusso si distribuisce nello spazio.

intensità luminosa, (luminous intensity) la quantità di energia emessa da una sorgente luminosa (flusso luminoso) nell’unità di tempo e in una data direzione e in un ben definito angolo solido Ω, misurato in steradianti (simbolo sr). La grandezza utilizzata è la candela (simbolo cd) che in origine corrispondeva all’intensità luminosa proprio di una candela: cd = lm/sr.
In generale una sorgente luminosa non irradia lo stesso flusso luminoso in tutte le direzioni: una lampadina a incandescenza o una fluorescente sono sorgenti che diffondono la luce in maniera più uniforme tutt’intorno (a meno di zone d’ombra dovute a schermi o altro). Per esse si impiega il lumen, ad esempio nel confrontare due lampadine diverse. Per un corpo illuminante, dalla lampada da scrivania a una piantana, da una lampada a incasso a un faro, le valutazioni luminose vengono fatte attraverso le curve fotometriche, rappresentative della distribuzione spaziale della luce emessa, che riportano le intensità luminose (espresse in candele) per ciascun angolo direttivo.

Luminanza, (luminance) o radianza luminosa di una sorgente, corrisponde alla sensazione di luminosità che si riceve da una sorgente luminosa primaria o, per riflessione, da una sorgente secondaria. L’unità di misura è la candela/metro quadro (cd/m²)

Note:
– L’angolo solido rappresenta la porzione di spazio tridimensionale tra il vertice di un solido (un cono o più in generale una piramide), in cui è posta la sorgente luminosa puntiforme, ed una superficie A distante r dal vertice. Si misura in steradianti (sr) e vale Ω = A/r²
Una sfera completa ha un valore di angolo solido = 4πr²/r² = 4π = 12,5664 sr (dove 4πr² è la superficie di una sfera)
1 sr è un cono di area = r^{2 .}. Più in generale un cono con un angolo al vertice α ha un valore di steradianti di 2π[1-cos (α /2)]. Lo steradiante è analogo al radiante che quantifica gli angoli planari.

– la candela è definita (dal 1979) come l’intensità luminosa in una data direzione di una sorgente che emette radiazione monocromatica alla frequenza di 540×10¹² Hz (lunghezza d’onda 555 nanometri) con intensità radiante in quella direzione di valore pari a 1/683 watt in un angolo solido di 1 steradiante, ovvero 0,001464 W/sr.
Tale definizione fa riferimento ad una precisa frequenza in quanto l’occhio umano ha una diversa risposta alla luce: la luce verde/gialla (intorno ai 550 nanometri) stimola maggiormente l’occhio rispetto alla luce blu o rossa di pari potenza.
la potenza radiante in watt (si tratta di energia al secondo, quindi flusso luminoso) è indicativa del rendimento di una lampadina a incandescenza (standard) che assorbe 1 w elettrico per fornire una modesta potenza luminosa di 1/683 watt. Il rimanente è calore. Un tempo, fino ai primi anni ’70 del ‘900, era uso nel parlato comune utilizzare la candela come equivalente del watt per le lampadine ad incandescenza. Capitava di sentir dire: il lampadario ha lampadine da 12 candele, equivalente (improprio) di lampadine da 12 watt.

Il faro di Créac’h (pron. creach – parola che in bretone significa promontorio), situato sull’isola di Ouessant (dall’antico celtico Ouxisama, “la più alta”) appartenente a quella regione più occidentale della Bretagna nota come Finistère (dal latino Finis terrae, cioè fine della terra), bagnata a nord dal Canale della Manica e a sud ed a ovest dall’Oceano Atlantico, è di ausilio alle navi in quel pericoloso e trafficato tratto di Atlantico che si immette nel Canale della Manica. Per tale motivo la sua luce ha una elevata portata luminosa, la maggiore d’Europa, di ben 32 miglia (per averne un’idea basta osservare la cartina: tra le longitudini 4° e 4° 30′ intercorrono, a 48° di lat., 23 miglia).
Ha un’altezza di 54,80 metri dal suolo e 74,60 metri sopra il livello del mare. Posizione geografica: 48º 27 ’35 “N – 005º 09′ 10” W Caratteristica della luce: Fl (2) W 10s

Le prinipali tappe sono state: 1859 inizio costruzione; 1863 entrata in funzione; 1888 elettrificazione; 1901 venne dotato di luce lampeggiante; 1971 equipaggiato con lampade allo xeno; 1987 fornito alla sommità di un sistema di schermi per tenere lontani gli uccelli migratori; 1988 costituzione del Musée des Phares et des Balises (Museo dei Fari e dei Fanali) .

Altre caratteristiche di rilievo sono la disposizione delle sue quattro lenti su due livelli e il controllo da remoto di ben 6 fari: Nividic, La Jument, Kéreon, Stiff, Pierres Noires e e Île Vierge, il faro in pietra più alto d’Europa.