Вопросы профессору Аквилонову

Вопрос о зависимости показателя UGR от яркости источника и фона

Досточтимый профессор, закон Вирхова звучит как отчаянная попытка организма найти выход из тупика, но физику, как говорится, не обманешь, и давление в замкнутом пространстве берет свое. Особенно страшно про воздействие на зрительные нервы — получается, механическая проблема черепа бьет по самому тонкому инструменту восприятия.

Раз уж мы заговорили о нагрузке на зрение и факторах, которые могут ему навредить, я задумалась о том, как на нас влияет искусственный свет, который нас окружает. Я тут читала про методики оценки зрительного дискомфорта и наткнулась на такой параметр, как UGR (Unified Glare Rating). Там довольно сложная формула, но мне интересно понять физический смысл: что вносит больший вклад в снижение этого показателя дискомфорта — уменьшение яркости самого источника или всё-таки повышение яркости фона (стен и потолка)? То есть, если мы просто сделаем комнату светлее, перестанет ли яркая лампа так сильно «давить» на глаза согласно этому индексу, или там нелинейная зависимость?

О зависимости UGR от яркости источника и фона

Ульяна, Ваша аналогия между механическим давлением на зрительный нерв и световым «давлением» на сетчатку, безусловно, весьма поэтична и физиологически оправдана, ибо дискомфортная блескость — это своего рода сенсорная перегрузка, с которой мозг пытается справиться, но безуспешно.
Что же касается математической сути индекса UGR (Unified Glare Rating), то ответ на Ваш вопрос кроется в структуре формулы, предложенной Международной комиссией по освещению (CIE), где яркость источника и яркость фона входят с существенно разными весами.
В формуле UGR яркость блеского источника ($L$) возводится в квадрат, тогда как яркость фона ($L_b$) находится в знаменателе в первой степени.
Это означает наличие фундаментальной нелинейности, которая диктует следующие выводы:
Снижение яркости источника является доминирующим фактором. Поскольку яркость лампы ($L$) стоит в числителе в квадрате, даже небольшое её уменьшение приводит к резкому падению значения под логарифмом и, соответственно, существенному снижению итогового показателя UGR. Например, уменьшение яркости источника в два раза снизит вклад в формулу в четыре раза.
Повышение яркости фона работает, но слабее. Увеличение яркости стен и потолка ($L_b$), безусловно, снижает дискомфорт, так как уменьшает контраст между источником и окружением (глаз адаптируется к более высокому среднему уровню освещенности). Однако, поскольку этот параметр входит в формулу линейно и находится в знаменателе, для компенсации очень яркого источника потребовалось бы увеличить яркость фона до значений, которые сами по себе могут стать некомфортными или энергетически нецелесообразными.
Таким образом, хотя «осветление» комнаты действительно помогает смягчить эффект (яркая лампа в белой комнате слепит меньше, чем в черной пещере), математика неумолимо свидетельствует: борьба с дискомфортом должна начинаться с экранирования или рассеивания самого источника света, а не с попыток «залить» светом всё остальное пространство.

Вопрос о системах управления динамическими фасадами

Нестор Тихомирович, это просто удивительно, как математика ставит точку в споре: бороться надо с причиной (источником), а не пытаться «перекричать» её фоном. Получается, самое эффективное — это вовремя закрыться от слишком яркого луча.

И вот эта идея «экранирования источника» напомнила мне о зданиях, которые пытаются делать это буквально в реальном времени. Я видела проекты сооружений с динамическими фасадами, которые покрыты тысячами подвижных элементов — диафрагм или пластин, открывающихся и закрывающихся, словно живая чешуя, в зависимости от освещения. Мне стало очень интересно: в таких сложных системах управления движением обычно используют центральный «мозг», который рассчитывает положение солнца по астрономическим формулам и командует всем фасадом сразу, или же каждый отдельный элемент может работать автономно, реагируя только на свой локальный датчик света, подобно тому, как сужается зрачок глаза?

О методах управления динамическими фасадами

Ульяна, в проектировании динамических фасадов инженеры действительно стоят перед выбором между централизованным управлением и децентрализованной, автономной реакцией, причем на практике применяются различные парадигмы, а зачастую — их весьма элегантный симбиоз.

Существуют следующие подходы к управлению подобными кинетическими конструкциями:

• Централизованное управление, базирующееся на предиктивном алгоритме. В подавляющем большинстве масштабных проектов, таких как башни Аль-Бахар, используется единый вычислительный центр, который опирается на строгие астрономические формулы, непрерывно вычисляя зенитное и азимутальное положение Солнца для конкретных географических координат и времени. Система превентивно подает команды сервоприводов, смыкая элементы фасада целыми секторами. Данный метод страхует фасад от хаотичного «моргания» в ответ на пролетающую птицу или кратковременную тень от соседнего здания.
• Децентрализованное управление, или реактивный подход. При такой архитектуре каждый модуль или их малая группа оснащаются собственными фотодатчиками, работая по принципу прямой обратной связи и реагируя исключительно на локальную освещенность. Стопроцентная автономность каждого элемента, хотя и кажется привлекательной биологической метафорой, в чистом виде применяется нечасто из-за риска рассинхронизации, когда из-за неравномерного загрязнения линз датчиков фасад приобретает откровенно неряшливый и асимметричный вид.
• Гибридные системы. Центральный вычислительный узел задает базовый паттерн движения на основе астрономических данных, однако локальные датчики освещенности, внутренней температуры и силы ветра (анемометры) вносят коррективы в реальном времени. Если на здание находит плотное облако, система может локально приоткрыть диафрагмы для максимального использования естественного света внутри помещений, экономя электроэнергию.
• Пассивные автономные системы, лишенные электроники. В таких фасадах применяются так называемые «умные» материалы, в частности термобиметаллы или сплавы с памятью формы. Подвижные элементы деформируются, изгибаясь и перекрывая доступ свету, исключительно под прямым физическим воздействием тепловой энергии лучей, что делает каждый такой «лепесток» абсолютно независимым без единого микроконтроллера.

Вопрос о поиске седловой точки при моделировании молекул

Глубокочтимый профессор, пассивные системы из умных материалов, которые сами реагируют на тепло без всяких проводов, моторчиков и датчиков — это просто настоящая магия. Получается, их макроскопическое движение изначально заложено в самой геометрии их атомов и связей.

И вот эта мысль о том, что изменение формы целого фасада начинается на глубоком микроуровне, заставила меня задуматься о том, как ученые вообще проектируют поведение новых веществ еще до того, как синтезируют их в пробирке. Я тут читала, что с помощью мощных суперкомпьютеров химики могут смоделировать все возможные геометрические состояния молекулы, построив так называемую многомерную поверхность потенциальной энергии.

И вот у меня возник довольно специфический вопрос: когда молекула переходит из одной своей стабильной пространственной формы в другую (например, при нагреве того же сплава с памятью формы), как именно современные вычислительные алгоритмы находят на этой невероятно сложной многомерной «карте» ту самую седловую точку, которая соответствует переходному состоянию реакции? Ведь если учитывать координаты всех атомов, измерений в этой математической модели должно быть просто огромное количество, и перебрать их все вручную, чтобы найти путь с наименьшей затратой энергии, кажется совершенно невозможным!