El efecto del agujero negro en los túneles vehiculares

Durante el día, cuando un automovilista se aproxima a un túnel vehicular, se presenta un fenómeno visual denominado “efecto del agujero negro”, en el que la entrada se presenta como una mancha oscura, en cuyo interior no se puede distinguir nada. Este fenómeno, llamado de inducción, se presenta al momento de estar a una determinada distancia del túnel vehicular, debido a que la luminancia ambiental en el exterior durante el día es mucho mayor que en la entrada del túnel.
A medida que el automovilista se acerca a la entrada, esta va ocupando una mayor posición dentro del campo visual y el ojo humano se va adaptando progresivamente al nivel de luminancia en su interior, lo cual se conoce como fenómeno de adaptación.
Una de las soluciones para la diferencia de niveles de luminancia entre el exterior (3000 a 8000 Cd/m2) y el interior del túnel (15 a 20 Cd/m2) es mantener un valor de luminancia próximo al que existe en el exterior en toda la longitud del túnel, pero resulta impráctico y nada económico.

Ver también: 5 zonas de Iluminación general para túneles vehiculares

Cuando los túneles presentan una densidad de tráfico elevada o cualquier circunstancia que dificulte la visión, se opta por reducir de manera progresiva el nivel de luminancia desde la zona de adaptación hasta la zona interior. Durante el día, se considera que en la salida no existe mayor problema debido a que el cambio de niveles de luminancia es muy rápido para la adaptación de la visión del automovilista.
Por otro lado, cuando el interior del túnel vehicular presenta una luminancia de alto nivel respecto de la baja luminancia exterior de la noche, se debe considerar una uniformidad de luminancia que evite en lo posible afectaciones visuales en la transición.
Durante la noche, con la iluminación direccional de los faros principales de los vehículos, la adaptación de los altos niveles de luminancia en el interior del túnel a los bajos niveles de luminancia de la oscuridad exterior permite una mejor visión al salir.

Los niveles de iluminación artificial más adecuados en las instalaciones eléctricas

Hemos mencionado anteriormente el "método del lumen" para calcular el nivel de iluminación más adecuado en un espacio. Esto es importante ya que no se requiere la misma cantidad de iluminación en todos los espacios; algunos espacios requieren un nivel de iluminación relativamente alto, como por ejemplo la cocina, en donde hacemos trabajos de precisión. Otros espacios como cocheras, pasillos o bodegas no requieren demasiada iluminación.
Para aplicar el método del lumen es necesario conocer primero el nivel de iluminación con el que vamos a trabajar, para ello existen tablas que nos proporcionan el nivel de iluminación de mínima para los espacios, medida en luxes.

Ver también: Iluminación

La siguiente es la tabla publicada en el Reglamento de Construcción del Municipio de Mérida, Yucatán, México:

Artículo 345 La iluminación artificial instalada en interiores y exteriores de edificios y circulaciones, debe ser la suficiente para no comprometer la integridad física de los ocupantes, así como no afectar la salud de la visión, para lo cual debe considerarse el tipo de actividad y las edades de las personas que utilizan el inmueble.
Como mínimo normativo se mencionan los niveles en los siguientes tipos de edificaciones y circulaciones.
Los niveles mínimos de iluminación, en luxes, serán los siguientes:

Recuerda que un lumen es el flujo luminoso que emite una fuente de luz, por ejemplo un foco, mientras que un lux es la cantidad de iluminación que llega a una superficie de un metro cuadrado. Entonces, la diferencia entre el lux y el lumen consiste en que el lux toma en cuenta la superficie sobre la que el flujo luminoso se distribuye. 1000 lúmenes, concentrados sobre un metro cuadrado, iluminan esa superficie con 1000 lux. Los mismos mil lúmenes, distribuidos sobre 10 metros cuadrados, producen una iluminancia de sólo 100 lux. Una iluminancia de 500 lux es posible en una cocina con un simple tubo fluorescente. Pero para iluminar una fábrica al mismo nivel, se pueden requerir decenas de tubos. En otras palabras, iluminar un área mayor al mismo nivel de lux requiere un número mayor de lúmenes.

Introducción al método del lumen para calcular la iluminación de un cuarto

Cuando se quiere calcular el número de luminarias que necesita efectivamente un espacio, se emplea un método de cálculo llamado método del lumen. Este método se utiliza en los casos que queremos conseguir una iluminación general difusa.

Ver también:  5 formas de iluminación de interiores.

No vamos a explicar este método a detalle, eso será objeto de siguientes entradas; sin embargo vamos a mencionar que un foco ahorrador de 15 w produce un flujo luminoso de 835 lúmenes, y un foco ahorrador de 25 w produce un flujo luminoso de 1750 lúmenes.

Si necesitamos iluminar una habitación estándar de 4 x 3 m (12 m²), y 2.40 m de altura, tomando en cuenta el método del lumen, necesitaríamos 5 focos ahorradores de 15 w, o 3 focos ahorradores de 25 w.

En conclusión podemos afirmar que para espacios con una altura de 2.40 m, se requiere:

• 1 foco de 15 w por cada 2.5 m² o
• 1 foco de 25 w por cada 4 m²

En el siguiente croquis en planta se puede apreciar una posible distribución de los focos ahorradores de 15 w.

Hace varios años existía la costumbre de iluminar un cuarto con un solo foco de 60 o 100 w. Pero esa costumbre, aunque generalizada, no significa que fuera correcta.

Actualmente deberíamos hacerlos la pregunta: ¿Están nuestros hogares correctamente iluminados?

Podemos apreciar la importancia de una buena iluminación para conseguir unas condiciones visuales adecuadas. Se ha mostrado la posibilidad de conseguir con unos simples cálculos cierta comodidad visual, prevenir posteriores molestias en los ojos, y realizar mejores instalaciones electricas residenciales.

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5 conceptos de iluminación

Para comprender los principios de alumbrado, es necesario revisar las características de la luz.

Para poder ver es necesaria la presencia de luz, que es una forma de energía electromagnética radiante. Como es una onda, depende de tres aspectos principales: la longitud, la amplitud y la frecuencia. La longitud de onda es la distancia que existe entre el punto más alto de la onda y el punto más alto de la siguiente onda. La amplitud es la distancia que hay entre el punto intermedio de la onda y la parte más alta. La frecuencia es la cantidad de ondas completas que pasan en un tiempo determinado.

El espectro electromagnético de la luz visible va desde los 380 a los 770 nanómetros (nm), dependiendo de la longitud de onda será el color de la misma. La luz visible que tiene la longitud de onda más corta produce la sensación de color violeta y las ondas visibles con longitud más larga se aprecian en color rojo, entre estos dos extremos se encuentra el resto de los colores.

No todas las fuentes de luz emiten radiaciones de todo el espectro visible, es decir, algunas no emiten radiaciones en color verde o azul, otras no emiten radiaciones en rojo.

La temperatura del color se refiere a la comparación que se hace de una fuente de luz específica en el espectro luminoso con la luz que emitiría un “cuerpo negro” calentado a cierta temperatura; se mide en grados Kelvin (K) y describe en forma genérica la calidez o frialdad producida por la fuente de luz. Una temperatura de color baja indica una fuente cálida que enfatiza los rojos, los naranjas y los amarillos; una temperatura de color más alta designa una fuente fría que enfatiza los azules y los verdes.

El término de temperatura del color es tan solo una medida del color de la luz y se toma del hecho de que al calentar una barra de fierro dulce, éste va cambiando de color según la temperatura que adquiera. Por ejemplo, al llegar a los 2700 K (grados Kelvin) la barra emite una luz del mismo color que emite un foco común, con un tono amarillento. Si continuamos calentando la barra por arriba de los 3200 K obtendremos un tono de luz como el de una lámpara de cuarzo. Si la temperatura aumenta todavía más, hasta los 5500 K, obtendremos el mismo tono que la luz que emite un flash. Este tono de luz es similar a la luz del mediodía. Dicho de otro modo, una llama de color azul tiene más temperatura que una de color rojizo.

La luz se desplaza por el espacio en línea recta a menos que se redireccione por un medio reflectante, refractante o difusor, y las ondas luminosas de diferentes colores no se alteran a su paso unas a otras, es decir, un rayo de luz roja pasa directamente a través de otro de luz azul sin cambiar de dirección ni de color. Debemos recordar que la luz es invisible a su paso por el espacio, a menos que algún objeto la refleje y la disperse en dirección del ojo como partículas de polvo.

Ver también: Alumbrado: 4 factores que influyen en la visión

La luz no se puede medir por su peso o volumen porque no es materia, y aunque sea una forma de energía y la energía se mida en joules (J) en el sistema internacional, no podemos medirla tampoco así dado que no toda la energía ni toda la luz que emite una fuente llega al ojo produciendo una sensación luminosa. Es por eso que se han definido unidades nuevas para su medición y manejo.

1. Flujo luminoso

Es la cantidad que emite una fuente luminosa por unidad de tiempo. Su símbolo es ɸ y su unidad es el lumen (lm). A la relación entre watts y lúmenes se le llama equivalente luminoso de la energía.

Para darnos una idea podemos considerar una bombilla de 25 W y otra de 60 W. Pareciera que la de 60 W dará una luz más intensa, pero cuando hablamos de 25 ó 60 W nos referimos sólo a la potencia consumida por la bombilla, de ésta sólo una parte se convertirá en luz visible y éste es el flujo luminoso. El lumen es en realidad la medida que toma como referencia la radiación visible.




2. Intensidad luminosa

Es el flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección concreta. Su símbolo es I y su unidad la candela (cd). El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente en todas las direcciones del espacio. Por el contrario, si pensamos en un proyector es fácil ver que sólo ilumina en una dirección.




3. Iluminación

Un buen ejemplo de lo que es la iluminación lo tenemos cuando iluminamos una superficie como la de un muro desde diferentes distancias con una lámpara; cuando la ponemos de cerca observamos un círculo pequeño de luz intensa, de manera contraria, cuando alejamos la lámpara, el círculo crece y la intensidad es débil. Se define a la iluminación (también conocida como iluminancia)como el flujo luminoso recibido por una superficie. Su símbolo es E y su unidad el lux (lx) que es un lm/m2. Existe también otra unidad, la bujía-pie o foot-candle (fc), utilizada en países de habla inglesa cuya relación con el lux es:


1 fc = 10.7 lx 1                    lx = 0.1 fc

4. Luminancia

En el número anterior vimos que la luminancia trataba del la cantidad de luz que llegaba la ojo. La definición es la misma tanto en el caso que veamos un foco luminoso como en el que veamos luz reflejada procedente de un cuerpo. Se llama luminancia a la relación entre la intensidad luminosa y la superficie aparente vista por el ojo en una dirección determinada. Su símbolo es L y su unidad es Stilb (cd/m2) o Lambert (lm/cm2).

5. Eficiencia luminosa

Es el resultado de dividir el flujo luminoso producido por una fuente de luz entre la potencia eléctrica consumida. Mientras mayor sea la eficiencia luminosa se consumirá menos energía por razón de flujo luminoso. Su unidad es el lumen por watt (lm/W)

Es importante considerar que cuando un rayo de luz incide en una superficie, éste es reflejado y esta reflexión puede ser de varios tipos:

El factor de reflexión (o reflectancia) es la relación entre la luz reflejada por una superficie y la luz incidente en ella. Puede variar de acuerdo con la dirección y naturaleza de la luz incidente. La reflexión especular aumenta con el ángulo de incidencia.




En el caso de que la superficie donde incide la luz sea transparente o translúcida, los rayos de luz pasan a través de ella y a este efecto se le llama transmisión. El grado de difusión de los rayos depende del tipo de densidad del material.

3 tipos de iluminación

No toda la energía que consume una lámpara se convierte en luz; del mismo modo, tampoco toda la luz que emite es visible para el ojo humano y produce la sensación de luminosidad. Para establecer la diferencia entre los tipos de lámparas que existen y poder comparar su eficiencia tomaremos como referencia el Flujo Luminoso, que es la cantidad total de luz radiada o emitida por una fuente durante un segundo y que produce sensación luminosa en el ojo humano: su unidad es el lumen (lm).

1. Lámpara incandescente común

Todos sabemos que los primeros resultados exitosos de la iluminación producida con energía eléctrica se lograron con el foco incandescente y, aunque varios científicos de la época habían desarrollado ya algunos modelos, se atribuye a Thomas Alva Edison su invención al producir una bombilla que duró encendida 48 horas el 21 de octubre de 1879.

La bombilla eléctrica, foco o bombillo, como se le conoce, está conformada por un filamento (principalmente de wolframio, mejor conocido como tungsteno) que, al conducir la corriente eléctrica, se calienta al rojo vivo y emite luz y calor; para lograrlo, el filamento debe estar en un medio carente de oxígeno, por lo que se coloca dentro de una ampolla de cristal al vacío o conteniendo algún gas inerte que impida que se consuma rápidamente al calentarse.

Entre las lámparas incandescentes podemos distinguir las que se han rellenado con un gas inerte de aquellas en las que se ha hecho el vacío en su interior. La presencia del gas supone un notable incremento de su eficacia luminosa, dificultando la evaporación del material del filamento y permitiendo el aumento de su temperatura de trabajo. Las lámparas incandescentes tienen una duración normalizada de 1000 horas, una potencia entre 25 y 2000 W, y una eficacia entre 7.5 y 11 lúmenes por watt (lm/W), para las lámparas de vacío, y entre 10 y 20 para las rellenas de gas inerte. En la actualidad predomina el uso de las lámparas con gas, el uso de las de vacío se reduce a aplicaciones ocasionales en alumbrado general con potencias de hasta 40 W.

2. Lámpara de halógeno

Una lámpara común al vacío reduce significativamente su flujo luminoso con el paso del tiempo, pues se desgastan por la evaporación del filamento, el cual se condensa sobre la ampolla de vidrio y le causa un aspecto ennegrecido. Este problema se supera agregando dentro algún gas compuesto por halógenos como el cloro, el bromo o el yodo.

Cuando se añade algún compuesto de halógenos se establece el ciclo de regeneración del halógeno, esto es: el filamento se evapora (wolframio), se une con el halógeno que, en el caso de ser bromo, forma bromuro de wolframio (WBr2), pero, al estar el vidrio de la ampolla tan caliente (se estima que a más de 260 °C), no se adhiere a ella y se mantiene en forma de gas; cuando el bromuro de wolframio entra en contacto con el filamento, se descompone en wolframio que se queda en el filamento y en bromo que pasa al gas de relleno.

Las lámparas de halógeno requieren de temperaturas muy altas para que pueda realizarse el ciclo. Por eso son más pequeñas y compactas que las normales y la ampolla se fabrica con un cristal especial de cuarzo que impide manipularla con los dedos para evitar su deterioro.

Tienen una eficacia luminosa de 22 lm/W, con una amplia gama de potencias de trabajo (150 a 2000 W), según el uso al que estén destinadas.

Ver también: Iluminación en las instalaciones eléctricas residenciales

Las lámparas halógenas se utilizan normalmente en alumbrado por proyección y cada vez más en iluminación doméstica.

3. Lámpara fluorescente

Existen también las lámparas fluorescentes, las cuales se han convertido en el medio de iluminación de uso más generalizado en comercios, oficinas, sitios públicos, viviendas, etc. Emiten luz sin generar apenas calor y pueden producir más lúmenes por watt con menor consumo de energía eléctrica comparadas con las incandescentes.

La tecnología más antigua conocida para este tipo es la del encendido por precalentamiento. De éstas aún quedan millones funcionando en todo el mundo a pesar de los avances tecnológicos experimentados en estos últimos años y las nuevas variantes que se han creado. Sin embargo, su principio de funcionamiento no ha variado mucho desde 1938, cuando se introdujeron las primeras en el mercado.

La eficacia de estas lámparas depende de muchos factores: potencia; tipo y presión del gas de relleno; propiedades de la sustancia fluorescente que recubre el tubo; temperatura ambiente. Ésta última es muy importante porque determina la presión del gas y, en último término, el flujo. La eficacia oscila entre los 38 y 91 lm/W, dependiendo de las características de cada una. La duración de estas lámparas se sitúa entre 5000 y 7000 horas. Su vida termina cuando el desgaste sufrido por la sustancia emisora que cubre los electrodos, hecho que incrementa con el uso, impide el encendido pues necesita una tensión de ruptura superior a la suministrada por la red. Además, hemos de considerar la depreciación del flujo provocada por la pérdida de eficacia de los polvos fluorescentes y el ennegrecimiento de las paredes del tubo, donde se deposita la sustancia emisora.

Tubo de descarga.

El cuerpo o tubo de descarga se fabrica de vidrio, con diferentes longitudes y diámetros. La longitud depende, fundamentalmente, de la potencia en watts (W) que desarrolle la lámpara. El diámetro, por su parte, se ha estandarizado a 25,4 mm (equivalente a una pulgada). Los más comunes y de uso más generalizado tienen forma recta, aunque también se pueden encontrar con forma circular.

La pared interior se encuentra recubierta con una capa de sustancia fosforescente o fluorescente, cuya misión es convertir los rayos de luz ultravioleta (que se generan dentro y que no son visibles para el ojo humano), en radiaciones de luz visible. Para que eso ocurra, su interior se encuentra relleno con un gas inerte, generalmente argón (Ar) y una pequeña cantidad de mercurio (Hg) líquido. El gas argón se encarga de facilitar el surgimiento del arco eléctrico que posibilita el encendido de la lámpara, así como de controlar también la intensidad del flujo de electrones que atraviesa el tubo.

Casquillo.

La mayoría poseen en cada uno de sus extremos un casquillo con dos patillas o pines de contactos eléctricos externos, conectadas interiormente con los filamentos de caldeo o de precalentamiento. Estos filamentos están fabricados con metal de tungsteno recubiertos de calcio (Ca) y magnesio (Mg), y su función principal es calentar previamente el gas argón que para que puedan encender.

El recubrimiento que poseen facilita la aparición del flujo de electrones necesario.

Arrancador

El arrancador, como se le conoce comúnmente, se utiliza durante el proceso inicial de encendido en las lámparas que funcionan por precalentamiento. Este dispositivo se compone de una lámina bimetálica encerrada en una cápsula de cristal rellena de gas neón (Ne). Esta lámina tiene la propiedad de curvarse al recibir el calor del gas neón cuando se encuentra encendido con el objetivo de cerrar un contacto que permite el paso de la corriente eléctrica a través del circuito en derivación donde se encuentra conectado.

Conectado en paralelo a la lámina bimetálica, se encuentra un capacitor encargado de evitar que durante el proceso de encendido se produzcan interferencias en un receptor de radio o ruidos visibles en la pantalla de algún televisor que se encuentre funcionando próximo a la lámpara.




En las de encendido rápido, que son otra variante de lámparas fluorescentes, no se requiere cebador, pues los electrodos situados en los extremos del tubo se mantienen siempre calientes.

Otras poseen encendido instantáneo y tampoco utilizan arrancador; este tipo carece de filamentos y encienden cuando se aplica directamente a los electrodos una tensión o voltaje mucho más elevado que el empleado para el resto de las lámparas fluorescentes. Por otra parte, la mayoría de las lámparas fluorescentes de tecnología más moderna sustituyen el antiguo cebador por un dispositivo de encendido rápido, mucho más eficiente que todos los demás sistemas desarrollados anteriormente, conocido como balastro electrónico.

Balastro

El balastro (o balasto en España) electromagnético fue el primer tipo de inductancia que se utilizó en las lámparas fluorescentes y sirve para que mantengan un flujo de corriente estable. Consta de un transformador de corriente o reactancia inductiva, compuesto por un enrollado único de alambre de cobre. Los balastros de este tipo constan de las siguientes partes:


• Núcleo: es la parte fundamental. Lo compone un conjunto de placas de hierro dulce que forman el cuerpo o parte principal del transformador, donde va enrollado alambre de cobre para formar una bobina.
  
  
• Carcasa: es una envoltura metálica protectora. Del devanado de los balastros magnéticos comunes salen dos o tres cables de cobre que se conectan al circuito externo, mientras que de los balastros electrónicos salen cuatro.
  
  
• Sellador: es un compuesto de poliéster que se deposita entre la carcasa y el núcleo. Su función es actuar como aislante entre el devanado, las placas del núcleo y la carcasa.
  
  
• Capacitor o filtro: se utiliza para mejorar el factor de potencia de la lámpara, facilita que pueda funcionar más eficientemente.
  
  

Desde el punto de vista de la operación de la lámpara fluorescente, su función es generar el arco eléctrico que requiere el tubo durante el proceso de encendido y mantenerlo posteriormente, limitando también la intensidad de corriente que fluye por el circuito del tubo.

Según la forma de encendido será el tipo de balastro que ocupe. Las formas de encendido ocupadas en los tubos de lámparas fluorescentes más comunes son los siguientes:

• por precalentamiento (el sistema más antiguo)
• rápido
• instantáneo
• electrónico(el sistema más moderno)