Análisis de música grabada : baladas y scherzos de Chopin

Análisis de múltiples grabaciones de las cuatro baladas y los cuatro scherzos de Chopin realizadas por diversos intérpretes. El objetivo del proyecto será determinar las diferencias objetivas existentes entre las diferentes ejecuciones y respecto a una partitura de referencia. OBJETIVOS: Analizar las grabaciones realizadas de obras de Chopin atendiendo a criterios objetivos como el tempo y la dinámica. MÉTODO Y FASES DEL TRABAJO: Se realizará un estudio diferencial para determinar las variaciones de parámetros objetivos existentes en las diferentes grabaciones respecto a una, que será tomada como referencia, mediante herramientas informáticas. MEDIOS: Se utilizarán versiones digitalizadas de las grabaciones y la edición crítica de Jan Ekier (National Edition) de las partituras. Para la realización del análisis se recurrirá al software SonicVisualiser desarrollado por el Centre for Digital Music (Queen Mary, University of London) en conjunto con los plugins destinados al análisis temporal y espectral disponibles. Así mismo, serán utilizadas otras herramientas desarrolladas durante el Mazurka's Project realizado por el Research Centre for the History and Analysis of Recorded Music para facilitar la visualización de datos en el presente documento. OBJETIVE: To analyze several records from Chopin’s repertoire, according to objective criteria like tempi and dynamics evolution. METHODOLOGY: A differential analysis is going to be made to determine how this criterion differs from every digitalized record to another one stabilized in advance as model. In order to do so, we’ll use software tools as well as auditions to get the best detail. MEDIA: Digital editions of the recordings and the critical edition by Prof. Jan Ekier music scores have been used. We’ve chosen the software tool SonicVisualiser developed by Centre for Digital Music (Queen Mary, University of London) in conjunction with some of the temporal and spectral plugins available for this platform as our main analysis tool. We’ve also used some other tools developed by the Research Centre for the History and Analysis of Recorded Music to appropriately display some important information in the present document.

Influence of termal fluctuations in radiation damage cascade production and defect dynamics in tungsten

The detailed study of the deterioration suffered by the materials of the components of a nuclear facility, in particular those forming part of the reactor core, is a topic of great interest which importance derives in large technological and economic implications. Since changes in the atomic-structural properties of relevant components pose a risk to the smooth operation with clear consequences for security and life of the plant, controlling these factors is essential in any development of engineering design and implementation. In recent times, tungsten has been proposed as a structural material based on its good resistance to radiation, but still needs to be done an extensive study on the influence of temperature on the behavior of this material under radiation damage. This work aims to contribute in this regard. Molecular Dynamics (MD) simulations were carried out to determine the influence of temperature fluctuations on radiation damage production and evolution in Tungsten. We have particularly focused our study in the dynamics of defect creation, recombination, and diffusion properties. PKA energies were sampled in a range from 5 to 50 KeV. Three different temperature scenarios were analyzed, from very low temperatures (0-200K), up to high temperature conditions (300-500 K). We studied the creation of defects, vacancies and interstitials, recombination rates, diffusion properties, cluster formation, their size and evolution. Simulations were performed using Lammps and the Zhou EAM potential for W

Energy-Entropy-Momentum integration of discrete thermo-visco-elastic dynamics.

A novel time integration scheme is presented for the numerical solution of the dynamics of discrete systems consisting of point masses and thermo-visco-elastic springs. Even considering fully coupled constitutive laws for the elements, the obtained solutions strictly preserve the two laws of thermo dynamics and the symmetries of the continuum evolution equations. Moreover, the unconditional control over the energy and the entropy growth have the effect of stabilizing the numerical solution, allowing the use of larger time steps than those suitable for comparable implicit algorithms. Proofs for these claims are provided in the article as well as numerical examples that illustrate the performance of the method.

A molecular dynamics study of swift heavy ion irradiation of amorphous silica: the role of thermal effects

Irradiation with swift heavy ions (SHI), roughly defined as those having atomic masses larger than 15 and energies exceeding 1 MeV/amu, may lead to significant modification of the irradiated material in a nanometric region around the (straight) ion trajectory (latent tracks). In the case of amorphous silica, SHI irradiation originates nano-tracks of higher density than the virgin material (densification). As a result, the refractive index is increased with respect to that of the surroundings. Moreover, track overlapping leads to continuous amorphous layers that present a significant contrast with respect to the pristine substrate. We have recently demonstrated that SHI irradiation produces a large number of point defects, easily detectable by a number of experimental techniques (work presented in the parallel conference ICDIM). The mechanisms of energy transfer from SHI to the target material have their origin in the high electronic excitation induced in the solid. A number of phenomenological approaches have been employed to describe these mechanisms: coulomb explosion, thermal spike, non-radiative exciton decay, bond weakening. However, a detailed microscopic description is missing due to the difficulty of modeling the time evolution of the electronic excitation. In this work we have employed molecular dynamics (MD) calculations to determine whether the irradiation effects are related to the thermal phenomena described by MD (in the ps domain) or to electronic phenomena (sub-ps domain), e.g., exciton localization. We have carried out simulations of up to 100 ps with large boxes (30x30x8 nm3) using a home-modified version of MDCASK that allows us to define a central hot cylinder (ion track) from which heat flows to the surrounding cold bath (unirradiated sample). We observed that once the cylinder has cooled down, the Si and O coordination numbers are 4 and 2, respectively, as in virgin silica. On the other hand, the density of the (cold) cylinder increases with respect to that of silica and, furthermore, the silica network ring size decreases. Both effects are in agreement with the observed densification. In conclusion, purely thermal effects do not explain the generation of point defects upon irradiation, but they do account for the silica densification.

Modeling the evolution of item rating networks using time-domain preferential attachment

The understanding of the structure and dynamics of the intricate network of connections among people that consumes products through Internet appears as an extremely useful asset in order to study emergent properties related to social behavior. This knowledge could be useful, for example, to improve the performance of personal recommendation algorithms. In this contribution, we analyzed five-year records of movie-rating transactions provided by Netflix, a movie rental platform where users rate movies from an online catalog. This dataset can be studied as a bipartite user-item network whose structure evolves in time. Even though several topological properties from subsets of this bipartite network have been reported with a model that combines random and preferential attachment mechanisms [Beguerisse Díaz et al., 2010], there are still many aspects worth to be explored, as they are connected to relevant phenomena underlying the evolution of the network. In this work, we test the hypothesis that bursty human behavior is essential in order to describe how a bipartite user-item network evolves in time. To that end, we propose a novel model that combines, for user nodes, a network growth prescription based on a preferential attachment mechanism acting not only in the topological domain (i.e. based on node degrees) but also in time domain. In the case of items, the model mixes degree preferential attachment and random selection. With these ingredients, the model is not only able to reproduce the asymptotic degree distribution, but also shows an excellent agreement with the Netflix data in several time-dependent topological properties.

Collective Organization of Complex Networks: Emergent Scales, Vulnerability, and Targeting of Desired Dynamics

Cuando una colectividad de sistemas dinámicos acoplados mediante una estructura irregular de interacciones evoluciona, se observan dinámicas de gran complejidad y fenómenos emergentes imposibles de predecir a partir de las propiedades de los sistemas individuales. El objetivo principal de esta tesis es precisamente avanzar en nuestra comprensión de la relación existente entre la topología de interacciones y las dinámicas colectivas que una red compleja es capaz de mantener. Siendo este un tema amplio que se puede abordar desde distintos puntos de vista, en esta tesis se han estudiado tres problemas importantes dentro del mismo que están relacionados entre sí. Por un lado, en numerosos sistemas naturales y artificiales que se pueden describir mediante una red compleja la topología no es estática, sino que depende de la dinámica que se desarrolla en la red: un ejemplo son las redes de neuronas del cerebro. En estas redes adaptativas la propia topología emerge como consecuencia de una autoorganización del sistema. Para conocer mejor cómo pueden emerger espontáneamente las propiedades comúnmente observadas en redes reales, hemos estudiado el comportamiento de sistemas que evolucionan según reglas adaptativas locales con base empírica. Nuestros resultados numéricos y analíticos muestran que la autoorganización del sistema da lugar a dos de las propiedades más universales de las redes complejas: a escala mesoscópica, la aparición de una estructura de comunidades, y, a escala macroscópica, la existencia de una ley de potencias en la distribución de las interacciones en la red. El hecho de que estas propiedades aparecen en dos modelos con leyes de evolución cuantitativamente distintas que siguen unos mismos principios adaptativos sugiere que estamos ante un fenómeno que puede ser muy general, y estar en el origen de estas propiedades en sistemas reales. En segundo lugar, proponemos una medida que permite clasificar los elementos de una red compleja en función de su relevancia para el mantenimiento de dinámicas colectivas. En concreto, estudiamos la vulnerabilidad de los distintos elementos de una red frente a perturbaciones o grandes fluctuaciones, entendida como una medida del impacto que estos acontecimientos externos tienen en la interrupción de una dinámica colectiva. Los resultados que se obtienen indican que la vulnerabilidad dinámica es sobre todo dependiente de propiedades locales, por tanto nuestras conclusiones abarcan diferentes topologías, y muestran la existencia de una dependencia no trivial entre la vulnerabilidad y la conectividad de los elementos de una red. Finalmente, proponemos una estrategia de imposición de una dinámica objetivo genérica en una red dada e investigamos su validez en redes con diversas topologías que mantienen regímenes dinámicos turbulentos. Se obtiene como resultado que las redes heterogéneas (y la amplia mayora de las redes reales estudiadas lo son) son las más adecuadas para nuestra estrategia de targeting de dinámicas deseadas, siendo la estrategia muy efectiva incluso en caso de disponer de un conocimiento muy imperfecto de la topología de la red. Aparte de la relevancia teórica para la comprensión de fenómenos colectivos en sistemas complejos, los métodos y resultados propuestos podrán dar lugar a aplicaciones en sistemas experimentales y tecnológicos, como por ejemplo los sistemas neuronales in vitro, el sistema nervioso central (en el estudio de actividades síncronas de carácter patológico), las redes eléctricas o los sistemas de comunicaciones. ABSTRACT The time evolution of an ensemble of dynamical systems coupled through an irregular interaction scheme gives rise to dynamics of great of complexity and emergent phenomena that cannot be predicted from the properties of the individual systems. The main objective of this thesis is precisely to increase our understanding of the interplay between the interaction topology and the collective dynamics that a complex network can support. This is a very broad subject, so in this thesis we will limit ourselves to the study of three relevant problems that have strong connections among them. First, it is a well-known fact that in many natural and manmade systems that can be represented as complex networks the topology is not static; rather, it depends on the dynamics taking place on the network (as it happens, for instance, in the neuronal networks in the brain). In these adaptive networks the topology itself emerges from the self-organization in the system. To better understand how the properties that are commonly observed in real networks spontaneously emerge, we have studied the behavior of systems that evolve according to local adaptive rules that are empirically motivated. Our numerical and analytical results show that self-organization brings about two of the most universally found properties in complex networks: at the mesoscopic scale, the appearance of a community structure, and, at the macroscopic scale, the existence of a power law in the weight distribution of the network interactions. The fact that these properties show up in two models with quantitatively different mechanisms that follow the same general adaptive principles suggests that our results may be generalized to other systems as well, and they may be behind the origin of these properties in some real systems. We also propose a new measure that provides a ranking of the elements in a network in terms of their relevance for the maintenance of collective dynamics. Specifically, we study the vulnerability of the elements under perturbations or large fluctuations, interpreted as a measure of the impact these external events have on the disruption of collective motion. Our results suggest that the dynamic vulnerability measure depends largely on local properties (our conclusions thus being valid for different topologies) and they show a non-trivial dependence of the vulnerability on the connectivity of the network elements. Finally, we propose a strategy for the imposition of generic goal dynamics on a given network, and we explore its performance in networks with different topologies that support turbulent dynamical regimes. It turns out that heterogeneous networks (and most real networks that have been studied belong in this category) are the most suitable for our strategy for the targeting of desired dynamics, the strategy being very effective even when the knowledge on the network topology is far from accurate. Aside from their theoretical relevance for the understanding of collective phenomena in complex systems, the methods and results here discussed might lead to applications in experimental and technological systems, such as in vitro neuronal systems, the central nervous system (where pathological synchronous activity sometimes occurs), communication systems or power grids.

Relation of Lagragian structures and drifter dynamics in the Gulf of Mexico

We use a Lagrangian descriptor (the so called function M) which measures the length of particle trajectories on the ocean surface over a given interval of time. With this tool we identify the Lagrangian skeleton of the flow and compare it on three datasets over the Gulf of Mexico during the year 2010. The satellite altimetry data used come from AVISO and simulations from HYCOM GOMl0.04 experiments 30.1 and 31.0. We contrast the Lagrangian structure and transport using the evolution of several surface drifters. We show that the agreement in relevant cases between Lagrangian structures and dynamics of drifters depends on the quality of the data on the studied area.

One-dimensional self-similar solution of the dynamics of axisymmetric slender liquid bridges

In this paper the dynamics of axisymmetric, slender, viscous liquid bridges having volume close to the cylindrical one, and subjected to a small gravitational field parallel to the axis of the liquid bridge, is considered within the context of one-dimensional theories. Although the dynamics of liquid bridges has been treated through a numerical analysis in the inviscid case, numerical methods become inappropriate to study configurations close to the static stability limit because the evolution time, and thence the computing time, increases excessively. To avoid this difficulty, the problem of the evolution of these liquid bridges has been attacked through a nonlinear analysis based on the singular perturbation method and, whenever possible, the results obtained are compared with the numerical ones.

A Special Perturbation Method in Orbital Dynamics

Bead models are used in dynamical simulation of tethers. These models discretize a cable using beads distributed along its length. The time evolution is obtained nu- merically. Typically the number of particles ranges between 5 and 50, depending on the required accuracy. Sometimes the simulation is extended over long periods (several years). The complex interactions between the cable and its spatial environment require to optimize the propagators —both in runtime and precisión that constitute the central core of the process. The special perturbation method treated on this article conjugates simpleness of computer implementation, speediness and precision, and is capable to propagate the orbit of whichever material particle. The paper describes the evolution of some orbital elements, which are constants in a non-perturbed problem, but which evolve in the time scale imposed by the perturbation. It can be used with any kind of orbit and it is free of sin- gularities related to small inclination and/or small eccentricity. The use of Euler parameters makes it robust.

Estudio de las dinámicas de pérdida de peso corporal en los programas de ejercicio físico y nutrición = Study of the dynamics of body weight loss in exercise and nutritional programs

Introducción. La obesidad puede definirse como una enfermedad metabólica crónica de origen multifactorial, lo que provoca trastornos o problemas físicos y psicológicos a la persona, con patologías asociadas que limitan la esperanza de vida y deterioran la calidad de la misma, siendo determinante para sus áreas sociales y laborales. Este trastorno metabólico crónico se caracteriza por una acumulación excesiva de energía en el cuerpo en forma de grasa, lo que lleva a un aumento de peso con respecto al valor esperado por sexo, edad y altura. La gestión y el tratamiento de la obesidad tienen objetivos más amplios que la pérdida de peso e incluyen la reducción del riesgo y la mejora de la salud. Estos pueden ser alcanzados por la pérdida modesta de peso (es decir, 10.5% del peso corporal inicial), la mejora del contenido nutricional de la dieta y un modesto incremento en la actividad física y condición física. La dieta es uno de los métodos más populares para perder peso corporal. El ejercicio es otra alternativa para perder peso corporal. El aumento de ejercicio provoca un desequilibrio cuando se mantiene la ingesta calórica. También tiene ventajas, como la mejora del tono muscular, la capacidad cardiovascular, fuerza y flexibilidad, aumenta el metabolismo basal y mejora el sistema inmunológico. Objetivos. El objetivo de esta tesis es contribuir en un estudio de intervención para aclarar la evolución del peso corporal durante una intervención de dieta y ejercicio. Para ello, se evaluaron los efectos de la edad, sexo, índice de masa corporal inicial y el tipo de tratamiento en las tendencias de pérdida de peso. Otro objetivo de la tesis era crear un modelo de regresión lineal múltiple capaz de predecir la pérdida de peso corporal después del periodo de intervención. Y, por último, determinar el efecto sobre la composición corporal (peso corporal, índice de masa corporal, la masa grasa, y la masa libre de grasa) de las diferentes intervenciones basadas en ejercicios (fuerza, resistencia, resistencia combinada con fuerza, y las recomendaciones de actividad física (grupo control)) en combinación con dieta de adultos con sobrepeso y obesidad, después de la intervención, así como los cambios de la composición corporal 3 años más tarde. Diseño de la investigación. Los datos empleados en el análisis de esta tesis son parte del proyecto “Programas de Nutrición y Actividad Física para el tratamiento de la obesidad” (PRONAF). El proyecto PRONAF es un estudio clínico sobre programas de nutrición y actividad física para el sobrepeso y la obesidad, desarrollado en España durante varios años de intervención. Fue diseñado, en parte, para comparar diferentes tipos de intervención, con el objetivo de evaluar su impacto en las dinámicas de pérdida de peso, en personas con sobrepeso y obesidad. Como diseño experimental, el estudio se basó en una restricción calórica, a la que, en algunos casos, se le añadió un protocolo de entrenamiento (fuerza, resistencia, o combinado, en igualdad de volumen e intensidad). Las principales variables para la investigación que comprende esta tesis fueron: el peso corporal y la composición corporal (masa grasa y masa libre de grasa). Conclusiones. En esta tesis, para los programas de pérdida de peso en personas con sobrepeso y obesidad con un 25-30% de la restricción calórica, el peso corporal se redujo significativamente en ambos sexos, sin tener en cuenta la edad y el tipo de tratamiento seguido. Según los resultados del estudio, la pérdida de peso realizada por un individuo (hombre o mujer) durante los seis meses puede ser representada por cualquiera de las cinco funciones (lineal, potencial, exponencial, logarítmica y cuadrática) en ambos sexos, siendo la cuadrática la que tiende a representarlo mejor. Además, se puede concluir que la pérdida de peso corporal se ve afectada por el índice de masa corporal inicial y el sexo, siendo mayor para las personas obesas que para las de sobrepeso, que muestran diferencias entre sexos sólo en la condición de sobrepeso. Además, es posible calcular el peso corporal final de cualquier participante involucrado en una intervención utilizando la metodología del proyecto PRONAF sólo conociendo sus variables iniciales de composición corporal. Además, los cuatro tipos de tratamientos tuvieron resultados similares en cambios en la composición corporal al final del período de intervención, con la única excepción de la masa libre de grasa, siendo los grupos de entrenamiento los que la mantuvieron durante la restricción calórica. Por otro lado, sólo el grupo combinado logra mantener la reducción de la masa grasa (%) 3 años después del final de la intervención. ABSTRACT Introduction. Obesity can be defined as a chronic metabolic disease from a multifactorial origin, which leads to physical and psychological impacts to the person, with associated pathologies that limit the life expectancy and deteriorate the quality of it, being determinant for the social and labor areas of the person. This chronic metabolic disorder is characterized by an excessive accumulation of energy in the body as fat, leading to increased weight relative to the value expected by sex, age and height. The management and treatment of obesity have wider objectives than weight loss alone and include risk reduction and health improvement. These may be achieved by modest weight loss (i.e. 5–10% of initial body weight), improved nutritional content of the diet and modest increases in physical activity and fitness. Weight loss through diet is one of the most popular approaches to lose body weight. Exercise is another alternative to lose body weight. The increase of exercise causes an imbalance when the caloric intake is maintained. It also has advantages such as improved muscle tone, cardiovascular fitness, strength and flexibility, increases the basal metabolism and improves immune system. Objectives. The aim of this thesis is to contribute with an interventional study to clarify the evolution of the body weight during a diet and exercise intervention. For this, the effects of age, sex, initial body mass index and type of treatment on weight loss tendencies were evaluated. Another objective of the thesis was to create a multiple linear regression model able to predict the body weight loss after the intervention period. And, finally, to determine the effect upon body composition (body weight, body mass index, fat mass, and fat-free mass of different exercise-based interventions (strength, endurance, combined endurance and strength, and physical activity recommendations group (control group)) combined with diet in overweight and obese adults, after intervention as well as body composition changes 3 years later. Research Design. The data used in the analysis of this thesis are part of the project "Programs of Nutrition and Physical Activity for the treatment of obesity" (PRONAF). The PRONAF project is a clinical trial program about nutrition and physical activity for overweight and obesity, developed in Spain for several years of intervention. It was designed, in part, to compare different types of intervention, in order to assess their impact on the dynamics of weight loss in overweight and obese people. As experimental design, the study was based on caloric restriction, which, in some cases, added a training protocol (strength, endurance, or combined in equal volume and intensity). The main research variables comprising this thesis were: body weight and body composition outcomes (fat mass and fat-free mass). Conclusions. In this thesis, for weight loss programs in overweight and obese people with 25-30% of caloric restriction, the body weight was significantly decreased in both sexes, regardless the age and type of followed treatment. According to the results of the study, the weight loss performed by an individual (male or female) during six months can be represented by any of the five functions (linear, power law, exponential, logarithmic and quadratic) in both sexes, being the quadratic one which tends to represent it better. In addition, it can be concluded that the body weight loss is affected by the initial body mass index and sex condition, being greater for the obese people than for the overweight one, showing differences between sexes only in the overweight condition. Moreover, it is possible to calculate the final body weight of any participant engaged in an intervention using the PRONAF Project methodology only knowing their initial body composition variables. Furthermore, the four types of treatments had similar results on body composition changes at the end of the intervention period, with the only exception of fat-free mass, being the training groups the ones that maintained it during the caloric restriction. On the other hand, only the combined group achieved to maintain the fat mass (%) reduced 3 years after the end of the intervention.

High Fidelity Models for Near-Earth Object Dynamics

Motivado por los últimos hallazgos realizados gracias a los recientes avances tecnológicos y misiones espaciales, el estudio de los asteroides ha despertado el interés de la comunidad científica. Tal es así que las misiones a asteroides han proliferado en los últimos años (Hayabusa, Dawn, OSIRIX-REx, ARM, AIMS-DART, ...) incentivadas por su enorme interés científico. Los asteroides son constituyentes fundamentales en la evolución del Sistema Solar, son además grandes concentraciones de valiosos recursos naturales, y también pueden considerarse como objectivos estratégicos para la futura exploración espacial. Desde hace tiempo se viene especulando con la posibilidad de capturar objetos próximos a la Tierra (NEOs en su acrónimo anglosajón) y acercarlos a nuestro planeta, permitiendo así un acceso asequible a los mismos para estudiarlos in-situ, explotar sus recursos u otras finalidades. Por otro lado, las asteroides se consideran con frecuencia como posibles peligros de magnitud planetaria, ya que impactos de estos objetos con la Tierra suceden constantemente, y un asteroide suficientemente grande podría desencadenar eventos catastróficos. Pese a la gravedad de tales acontecimientos, lo cierto es que son ciertamente difíciles de predecir. De hecho, los ricos aspectos dinámicos de los asteroides, su modelado complejo y las incertidumbres observaciones hacen que predecir su posición futura con la precisión necesaria sea todo un reto. Este hecho se hace más relevante cuando los asteroides sufren encuentros próximos con la Tierra, y más aún cuando estos son recurrentes. En tales situaciones en las cuales fuera necesario tomar medidas para mitigar este tipo de riesgos, saber estimar con precisión sus trayectorias y probabilidades de colisión es de una importancia vital. Por ello, se necesitan herramientas avanzadas para modelar su dinámica y predecir sus órbitas con precisión, y son también necesarios nuevos conceptos tecnológicos para manipular sus órbitas llegado el caso. El objetivo de esta Tesis es proporcionar nuevos métodos, técnicas y soluciones para abordar estos retos. Las contribuciones de esta Tesis se engloban en dos áreas: una dedicada a la propagación numérica de asteroides, y otra a conceptos de deflexión y captura de asteroides. Por lo tanto, la primera parte de este documento presenta novedosos avances de apliación a la propagación dinámica de alta precisión de NEOs empleando métodos de regularización y perturbaciones, con especial énfasis en el método DROMO, mientras que la segunda parte expone ideas innovadoras para la captura de asteroides y comenta el uso del “ion beam shepherd” (IBS) como tecnología para deflectarlos. Abstract Driven by the latest discoveries enabled by recent technological advances and space missions, the study of asteroids has awakened the interest of the scientific community. In fact, asteroid missions have become very popular in the recent years (Hayabusa, Dawn, OSIRIX-REx, ARM, AIMS-DART, ...) motivated by their outstanding scientific interest. Asteroids are fundamental constituents in the evolution of the Solar System, can be seen as vast concentrations of valuable natural resources, and are also considered as strategic targets for the future of space exploration. For long it has been hypothesized with the possibility of capturing small near-Earth asteroids and delivering them to the vicinity of the Earth in order to allow an affordable access to them for in-situ science, resource utilization and other purposes. On the other side of the balance, asteroids are often seen as potential planetary hazards, since impacts with the Earth happen all the time, and eventually an asteroid large enough could trigger catastrophic events. In spite of the severity of such occurrences, they are also utterly hard to predict. In fact, the rich dynamical aspects of asteroids, their complex modeling and observational uncertainties make exceptionally challenging to predict their future position accurately enough. This becomes particularly relevant when asteroids exhibit close encounters with the Earth, and more so when these happen recurrently. In such situations, where mitigation measures may need to be taken, it is of paramount importance to be able to accurately estimate their trajectories and collision probabilities. As a consequence, advanced tools are needed to model their dynamics and accurately predict their orbits, as well as new technological concepts to manipulate their orbits if necessary. The goal of this Thesis is to provide new methods, techniques and solutions to address these challenges. The contributions of this Thesis fall into two areas: one devoted to the numerical propagation of asteroids, and another to asteroid deflection and capture concepts. Hence, the first part of the dissertation presents novel advances applicable to the high accuracy dynamical propagation of near-Earth asteroids using regularization and perturbations techniques, with a special emphasis in the DROMO method, whereas the second part exposes pioneering ideas for asteroid retrieval missions and discusses the use of an “ion beam shepherd” (IBS) for asteroid deflection purposes.

Time-resolved evolution of coherent structures in turbulent channels

El objetivo de esta tesis es estudiar la dinámica de la capa logarítmica de flujos turbulentos de pared. En concreto, proponemos un nuevo modelo estructural utilizando diferentes tipos de estructuras coherentes: sweeps, eyecciones, grupos de vorticidad y streaks. La herramienta utilizada es la simulación numérica directa de canales turbulentos. Desde los primeros trabajos de Theodorsen (1952), las estructuras coherentes han jugado un papel fundamental para entender la organización y dinámica de los flujos turbulentos. A día de hoy, datos procedentes de simulaciones numéricas directas obtenidas en instantes no contiguos permiten estudiar las propiedades fundamentales de las estructuras coherentes tridimensionales desde un punto de vista estadístico. Sin embargo, la dinámica no puede ser entendida en detalle utilizando sólo instantes aislados en el tiempo, sino que es necesario seguir de forma continua las estructuras. Aunque existen algunos estudios sobre la evolución temporal de las estructuras más pequeñas a números de Reynolds moderados, por ejemplo Robinson (1991), todavía no se ha realizado un estudio completo a altos números de Reynolds y para todas las escalas presentes de la capa logarítmica. El objetivo de esta tesis es llevar a cabo dicho análisis. Los problemas más interesantes los encontramos en la región logarítmica, donde residen las cascadas de vorticidad, energía y momento. Existen varios modelos que intentan explicar la organización de los flujos turbulentos en dicha región. Uno de los más extendidos fue propuesto por Adrian et al. (2000) a través de observaciones experimentales y considerando como elemento fundamental paquetes de vórtices con forma de horquilla que actúan de forma cooperativa para generar rampas de bajo momento. Un modelo alternativo fué ideado por del Álamo & Jiménez (2006) utilizando datos numéricos. Basado también en grupos de vorticidad, planteaba un escenario mucho más desorganizado y con estructuras sin forma de horquilla. Aunque los dos modelos son cinemáticamente similares, no lo son desde el punto de vista dinámico, en concreto en lo que se refiere a la importancia que juega la pared en la creación y vida de las estructuras. Otro punto importante aún sin resolver se refiere al modelo de cascada turbulenta propuesto por Kolmogorov (1941b), y su relación con estructuras coherentes medibles en el flujo. Para dar respuesta a las preguntas anteriores, hemos desarrollado un nuevo método que permite seguir estructuras coherentes en el tiempo y lo hemos aplicado a simulaciones numéricas de canales turbulentos con números de Reynolds lo suficientemente altos como para tener un rango de escalas no trivial y con dominios computacionales lo suficientemente grandes como para representar de forma correcta la dinámica de la capa logarítmica. Nuestros esfuerzos se han desarrollado en cuatro pasos. En primer lugar, hemos realizado una campaña de simulaciones numéricas directas a diferentes números de Reynolds y tamaños de cajas para evaluar el efecto del dominio computacional en las estadísticas de primer orden y el espectro. A partir de los resultados obtenidos, hemos concluido que simulaciones con cajas de longitud 2vr y ancho vr veces la semi-altura del canal son lo suficientemente grandes para reproducir correctamente las interacciones entre estructuras coherentes de la capa logarítmica y el resto de escalas. Estas simulaciones son utilizadas como punto de partida en los siguientes análisis. En segundo lugar, las estructuras coherentes correspondientes a regiones con esfuerzos de Reynolds tangenciales intensos (Qs) en un canal turbulento han sido estudiadas extendiendo a tres dimensiones el análisis de cuadrantes, con especial énfasis en la capa logarítmica y la región exterior. Las estructuras coherentes han sido identificadas como regiones contiguas del espacio donde los esfuerzos de Reynolds tangenciales son más intensos que un cierto nivel. Los resultados muestran que los Qs separados de la pared están orientados de forma isótropa y su contribución neta al esfuerzo de Reynolds medio es nula. La mayor contribución la realiza una familia de estructuras de mayor tamaño y autosemejantes cuya parte inferior está muy cerca de la pared (ligada a la pared), con una geometría compleja y dimensión fractal « 2. Estas estructuras tienen una forma similar a una ‘esponja de placas’, en comparación con los grupos de vorticidad que tienen forma de ‘esponja de cuerdas’. Aunque el número de objetos decae al alejarnos de la pared, la fracción de esfuerzos de Reynolds que contienen es independiente de su altura, y gran parte reside en unas pocas estructuras que se extienden más allá del centro del canal, como en las grandes estructuras propuestas por otros autores. Las estructuras dominantes en la capa logarítmica son parejas de sweeps y eyecciones uno al lado del otro y con grupos de vorticidad asociados que comparten las dimensiones y esfuerzos con los remolinos ligados a la pared propuestos por Townsend. En tercer lugar, hemos estudiado la evolución temporal de Qs y grupos de vorticidad usando las simulaciones numéricas directas presentadas anteriormente hasta números de Reynolds ReT = 4200 (Reynolds de fricción). Las estructuras fueron identificadas siguiendo el proceso descrito en el párrafo anterior y después seguidas en el tiempo. A través de la interseción geométrica de estructuras pertenecientes a instantes de tiempo contiguos, hemos creado gratos de conexiones temporales entre todos los objetos y, a partir de ahí, definido ramas primarias y secundarias, de tal forma que cada rama representa la evolución temporal de una estructura coherente. Una vez que las evoluciones están adecuadamente organizadas, proporcionan toda la información necesaria para caracterizar la historia de las estructuras desde su nacimiento hasta su muerte. Los resultados muestran que las estructuras nacen a todas las distancias de la pared, pero con mayor probabilidad cerca de ella, donde la cortadura es más intensa. La mayoría mantienen tamaños pequeños y no viven mucho tiempo, sin embargo, existe una familia de estructuras que crecen lo suficiente como para ligarse a la pared y extenderse a lo largo de la capa logarítmica convirtiéndose en las estructuras observas anteriormente y descritas por Townsend. Estas estructuras son geométricamente autosemejantes con tiempos de vida proporcionales a su tamaño. La mayoría alcanzan tamaños por encima de la escala de Corrsin, y por ello, su dinámica está controlada por la cortadura media. Los resultados también muestran que las eyecciones se alejan de la pared con velocidad media uT (velocidad de fricción) y su base se liga a la pared muy rápidamente al inicio de sus vidas. Por el contrario, los sweeps se mueven hacia la pared con velocidad -uT y se ligan a ella más tarde. En ambos casos, los objetos permanecen ligados a la pared durante 2/3 de sus vidas. En la dirección de la corriente, las estructuras se desplazan a velocidades cercanas a la convección media del flujo y son deformadas por la cortadura. Finalmente, hemos interpretado la cascada turbulenta, no sólo como una forma conceptual de organizar el flujo, sino como un proceso físico en el cual las estructuras coherentes se unen y se rompen. El volumen de una estructura cambia de forma suave, cuando no se une ni rompe, o lo hace de forma repentina en caso contrario. Los procesos de unión y rotura pueden entenderse como una cascada directa (roturas) o inversa (uniones), siguiendo el concepto de cascada de remolinos ideado por Richardson (1920) y Obukhov (1941). El análisis de los datos muestra que las estructuras con tamaños menores a 30η (unidades de Kolmogorov) nunca se unen ni rompen, es decir, no experimentan el proceso de cascada. Por el contrario, aquellas mayores a 100η siempre se rompen o unen al menos una vez en su vida. En estos casos, el volumen total ganado y perdido es una fracción importante del volumen medio de la estructura implicada, con una tendencia ligeramente mayor a romperse (cascada directa) que a unirse (cascade inversa). La mayor parte de interacciones entre ramas se debe a roturas o uniones de fragmentos muy pequeños en la escala de Kolmogorov con estructuras más grandes, aunque el efecto de fragmentos de mayor tamaño no es despreciable. También hemos encontrado que las roturas tienen a ocurrir al final de la vida de la estructura y las uniones al principio. Aunque los resultados para la cascada directa e inversa no son idénticos, son muy simétricos, lo que sugiere un alto grado de reversibilidad en el proceso de cascada. ABSTRACT The purpose of the present thesis is to study the dynamics of the logarithmic layer of wall-bounded turbulent flows. Specifically, to propose a new structural model based on four different coherent structures: sweeps, ejections, clusters of vortices and velocity streaks. The tool used is the direct numerical simulation of time-resolved turbulent channels. Since the first work by Theodorsen (1952), coherent structures have played an important role in the understanding of turbulence organization and its dynamics. Nowadays, data from individual snapshots of direct numerical simulations allow to study the threedimensional statistical properties of those objects, but their dynamics can only be fully understood by tracking them in time. Although the temporal evolution has already been studied for small structures at moderate Reynolds numbers, e.g., Robinson (1991), a temporal analysis of three-dimensional structures spanning from the smallest to the largest scales across the logarithmic layer has yet to be performed and is the goal of the present thesis. The most interesting problems lie in the logarithmic region, which is the seat of cascades of vorticity, energy, and momentum. Different models involving coherent structures have been proposed to represent the organization of wall-bounded turbulent flows in the logarithmic layer. One of the most extended ones was conceived by Adrian et al. (2000) and built on packets of hairpins that grow from the wall and work cooperatively to gen- ´ erate low-momentum ramps. A different view was presented by del Alamo & Jim´enez (2006), who extracted coherent vortical structures from DNSs and proposed a less organized scenario. Although the two models are kinematically fairly similar, they have important dynamical differences, mostly regarding the relevance of the wall. Another open question is whether such a model can be used to explain the cascade process proposed by Kolmogorov (1941b) in terms of coherent structures. The challenge would be to identify coherent structures undergoing a turbulent cascade that can be quantified. To gain a better insight into the previous questions, we have developed a novel method to track coherent structures in time, and used it to characterize the temporal evolutions of eddies in turbulent channels with Reynolds numbers high enough to include a non-trivial range of length scales, and computational domains sufficiently long and wide to reproduce correctly the dynamics of the logarithmic layer. Our efforts have followed four steps. First, we have conducted a campaign of direct numerical simulations of turbulent channels at different Reynolds numbers and box sizes, and assessed the effect of the computational domain in the one-point statistics and spectra. From the results, we have concluded that computational domains with streamwise and spanwise sizes 2vr and vr times the half-height of the channel, respectively, are large enough to accurately capture the dynamical interactions between structures in the logarithmic layer and the rest of the scales. These simulations are used in the subsequent chapters. Second, the three-dimensional structures of intense tangential Reynolds stress in plane turbulent channels (Qs) have been studied by extending the classical quadrant analysis to three dimensions, with emphasis on the logarithmic and outer layers. The eddies are identified as connected regions of intense tangential Reynolds stress. Qs are then classified according to their streamwise and wall-normal fluctuating velocities as inward interactions, outward interactions, sweeps and ejections. It is found that wall-detached Qs are isotropically oriented background stress fluctuations, common to most turbulent flows, and do not contribute to the mean stress. Most of the stress is carried by a selfsimilar family of larger wall-attached Qs, increasingly complex away from the wall, with fractal dimensions « 2. They have shapes similar to ‘sponges of flakes’, while vortex clusters resemble ‘sponges of strings’. Although their number decays away from the wall, the fraction of the stress that they carry is independent of their heights, and a substantial part resides in a few objects extending beyond the centerline, reminiscent of the very large scale motions of several authors. The predominant logarithmic-layer structures are sideby- side pairs of sweeps and ejections, with an associated vortex cluster, and dimensions and stresses similar to Townsend’s conjectured wall-attached eddies. Third, the temporal evolution of Qs and vortex clusters are studied using time-resolved DNS data up to ReT = 4200 (friction Reynolds number). The eddies are identified following the procedure presented above, and then tracked in time. From the geometric intersection of structures in consecutive fields, we have built temporal connection graphs of all the objects, and defined main and secondary branches in a way that each branch represents the temporal evolution of one coherent structure. Once these evolutions are properly organized, they provide the necessary information to characterize eddies from birth to death. The results show that the eddies are born at all distances from the wall, although with higher probability near it, where the shear is strongest. Most of them stay small and do not last for long times. However, there is a family of eddies that become large enough to attach to the wall while they reach into the logarithmic layer, and become the wall-attached structures previously observed in instantaneous flow fields. They are geometrically self-similar, with sizes and lifetimes proportional to their distance from the wall. Most of them achieve lengths well above the Corrsin’ scale, and hence, their dynamics are controlled by the mean shear. Eddies associated with ejections move away from the wall with an average velocity uT (friction velocity), and their base attaches very fast at the beginning of their lives. Conversely, sweeps move towards the wall at -uT, and attach later. In both cases, they remain attached for 2/3 of their lives. In the streamwise direction, eddies are advected and deformed by the local mean velocity. Finally, we interpret the turbulent cascade not only as a way to conceptualize the flow, but as an actual physical process in which coherent structures merge and split. The volume of an eddy can change either smoothly, when they are not merging or splitting, or through sudden changes. The processes of merging and splitting can be thought of as a direct (when splitting) or an inverse (when merging) cascade, following the ideas envisioned by Richardson (1920) and Obukhov (1941). It is observed that there is a minimum length of 30η (Kolmogorov units) above which mergers and splits begin to be important. Moreover, all eddies above 100η split and merge at least once in their lives. In those cases, the total volume gained and lost is a substantial fraction of the average volume of the structure involved, with slightly more splits (direct cascade) than mergers. Most branch interactions are found to be the shedding or absorption of Kolmogorov-scale fragments by larger structures, but more balanced splits or mergers spanning a wide range of scales are also found to be important. The results show that splits are more probable at the end of the life of the eddy, while mergers take place at the beginning of the life. Although the results for the direct and the inverse cascades are not identical, they are found to be very symmetric, which suggests a high degree of reversibility of the cascade process.

Plasma dynamics studies by mass spectrometry techniques

We present temporal information obtained by mass spectrometry techniques about the evolution of plasmas generated by laser filamentation in air. The experimental setup used in this work allowed us to study not only the dynamics of the filament core but also of the energy reservoir that surrounds it. Furthermore, valuable insights about the chemistry of such systems like the photofragmentation and/or formation of molecules were obtained. The interpretation of the experimental results are supported by PIC simulations.

Nonlinear analysis of a simple model of temperature evolution in a satellite

We analyze a simple model of the heat transfer to and from a small satellite orbiting round a solar system planet. Our approach considers the satellite isothermal, with external heat input from the environment and from internal energy dissipation, and output to the environment as black-body radiation. The resulting nonlinear ordinary differential equation for the satellite’s temperature is analyzed by qualitative, perturbation and numerical methods, which prove that the temperature approaches a periodic pattern (attracting limit cycle). This approach can occur in two ways, according to the values of the parameters: (i) a slow decay towards the limit cycle over a time longer than the period, or (ii) a fast decay towards the limit cycle over a time shorter than the period. In the first case, an exactly soluble average equation is valid. We discuss the consequences of our model for the thermal stability of satellites.

Computational and Experimental Modelling of Mooring Lines Dynamics for Offshore Floating Wind Turbines

El cálculo de cargas de aerogeneradores flotantes requiere herramientas de simulación en el dominio del tiempo que consideren todos los fenómenos que afectan al sistema, como la aerodinámica, la dinámica estructural, la hidrodinámica, las estrategias de control y la dinámica de las líneas de fondeo. Todos estos efectos están acoplados entre sí y se influyen mutuamente. Las herramientas integradas se utilizan para calcular las cargas extremas y de fatiga que son empleadas para dimensionar estructuralmente los diferentes componentes del aerogenerador. Por esta razón, un cálculo preciso de las cargas influye de manera importante en la optimización de los componentes y en el coste final del aerogenerador flotante. En particular, el sistema de fondeo tiene gran impacto en la dinámica global del sistema. Muchos códigos integrados para la simulación de aerogeneradores flotantes utilizan modelos simplificados que no consideran los efectos dinámicos de las líneas de fondeo. Una simulación precisa de las líneas de fondeo dentro de los modelos integrados puede resultar fundamental para obtener resultados fiables de la dinámica del sistema y de los niveles de cargas en los diferentes componentes. Sin embargo, el impacto que incluir la dinámica de los fondeos tiene en la simulación integrada y en las cargas todavía no ha sido cuantificada rigurosamente. El objetivo principal de esta investigación es el desarrollo de un modelo dinámico para la simulación de líneas de fondeo con precisión, validarlo con medidas en un tanque de ensayos e integrarlo en un código de simulación para aerogeneradores flotantes. Finalmente, esta herramienta, experimentalmente validada, es utilizada para cuantificar el impacto que un modelos dinámicos de líneas de fondeo tienen en la computación de las cargas de fatiga y extremas de aerogeneradores flotantes en comparación con un modelo cuasi-estático. Esta es una información muy útil para los futuros diseñadores a la hora de decidir qué modelo de líneas de fondeo es el adecuado, dependiendo del tipo de plataforma y de los resultados esperados. El código dinámico de líneas de fondeo desarrollado en esta investigación se basa en el método de los Elementos Finitos, utilizando en concreto un modelo ”Lumped Mass” para aumentar su eficiencia de computación. Los experimentos realizados para la validación del código se realizaron en el tanque del École Céntrale de Nantes (ECN), en Francia, y consistieron en sumergir una cadena con uno de sus extremos anclados en el fondo del tanque y excitar el extremo suspendido con movimientos armónicos de diferentes periodos. El código demostró su capacidad para predecir la tensión y los movimientos en diferentes posiciones a lo largo de la longitud de la línea con gran precisión. Los resultados indicaron la importancia de capturar la dinámica de las líneas de fondeo para la predicción de la tensión especialmente en movimientos de alta frecuencia. Finalmente, el código se utilizó en una exhaustiva evaluación del efecto que la dinámica de las líneas de fondeo tiene sobre las cargas extremas y de fatiga de diferentes conceptos de aerogeneradores flotantes. Las cargas se calcularon para tres tipologías de aerogenerador flotante (semisumergible, ”spar-buoy” y ”tension leg platform”) y se compararon con las cargas obtenidas utilizando un modelo cuasi-estático de líneas de fondeo. Se lanzaron y postprocesaron más de 20.000 casos de carga definidos por la norma IEC 61400-3 siguiendo todos los requerimientos que una entidad certificadora requeriría a un diseñador industrial de aerogeneradores flotantes. Los resultados mostraron que el impacto de la dinámica de las líneas de fondeo, tanto en las cargas de fatiga como en las extremas, se incrementa conforme se consideran elementos situados más cerca de la plataforma: las cargas en la pala y en el eje sólo son ligeramente modificadas por la dinámica de las líneas, las cargas en la base de la torre pueden cambiar significativamente dependiendo del tipo de plataforma y, finalmente, la tensión en las líneas de fondeo depende fuertemente de la dinámica de las líneas, tanto en fatiga como en extremas, en todos los conceptos de plataforma que se han evaluado. ABSTRACT The load calculation of floating offshore wind turbine requires time-domain simulation tools taking into account all the phenomena that affect the system such as aerodynamics, structural dynamics, hydrodynamics, control actions and the mooring lines dynamics. These effects present couplings and are mutually influenced. The results provided by integrated simulation tools are used to compute the fatigue and ultimate loads needed for the structural design of the different components of the wind turbine. For this reason, their accuracy has an important influence on the optimization of the components and the final cost of the floating wind turbine. In particular, the mooring system greatly affects the global dynamics of the floater. Many integrated codes for the simulation of floating wind turbines use simplified approaches that do not consider the mooring line dynamics. An accurate simulation of the mooring system within the integrated codes can be fundamental to obtain reliable results of the system dynamics and the loads. The impact of taking into account the mooring line dynamics in the integrated simulation still has not been thoroughly quantified. The main objective of this research consists on the development of an accurate dynamic model for the simulation of mooring lines, validate it against wave tank tests and then integrate it in a simulation code for floating wind turbines. This experimentally validated tool is finally used to quantify the impact that dynamic mooring models have on the computation of fatigue and ultimate loads of floating wind turbines in comparison with quasi-static tools. This information will be very useful for future designers to decide which mooring model is adequate depending on the platform type and the expected results. The dynamic mooring lines code developed in this research is based in the Finite Element Method and is oriented to the achievement of a computationally efficient code, selecting a Lumped Mass approach. The experimental tests performed for the validation of the code were carried out at the `Ecole Centrale de Nantes (ECN) wave tank in France, consisting of a chain submerged into a water basin, anchored at the bottom of the basin, where the suspension point of the chain was excited with harmonic motions of different periods. The code showed its ability to predict the tension and the motions at several positions along the length of the line with high accuracy. The results demonstrated the importance of capturing the evolution of the mooring dynamics for the prediction of the line tension, especially for the high frequency motions. Finally, the code was used for an extensive assessment of the effect of mooring dynamics on the computation of fatigue and ultimate loads for different floating wind turbines. The loads were computed for three platforms topologies (semisubmersible, spar-buoy and tension leg platform) and compared with the loads provided using a quasi-static mooring model. More than 20,000 load cases were launched and postprocessed following the IEC 61400-3 guideline and fulfilling the conditions that a certification entity would require to an offshore wind turbine designer. The results showed that the impact of mooring dynamics in both fatigue and ultimate loads increases as elements located closer to the platform are evaluated; the blade and the shaft loads are only slightly modified by the mooring dynamics in all the platform designs, the tower base loads can be significantly affected depending on the platform concept and the mooring lines tension strongly depends on the lines dynamics both in fatigue and extreme loads in all the platform concepts evaluated.