Simulação e modelagem computacionais como recursos auxiliares no ensino de física geral il.

O objetivo deste trabalho foi analisar o processo de ensino-aprendizagem de Física através de abordagens didáticas envolvendo o uso de atividades de simulação e modelagem computacionais em um ambiente de atividade colaborativa presencial. Num primeiro estudo, realizado a partir de uma metodologia quantitativa, avaliou-se o desempenho dos alunos em testes que tinham como tópico a interpretação de gráficos da Cinemática, antes e depois de trabalharem com atividades de simulação e modelagem computacionais em atividades extra-aula. Os resultados deste primeiro estudo mostram que houve melhorias estatisticamente significativas no desempenho dos alunos do grupo experimental, quando comparado aos estudantes do grupo de controle, submetidos apenas ao método tradicional de ensino. Na seqüência, foram realizados outros dois estudos dentro de uma metodologia qualitativa, em que o foco estava no processo de ensino-aprendizagem que ocorre em ambiente de sala de aula. Foi utilizada uma abordagem que envolveu, além das atividades computacionais, um método colaborativo presencial como dinâmica de base para o estabelecimento das relações interpessoais entre o professor e a turma, e os alunos entre si.A fundamentação teórica adotada esteve baseada na teoria de Ausubel sobre aprendizagem significativa e na teoria de Vygotsky sobre interação social. O referencial de Halloun sobre modelagem esquemática também foi utilizado. Os resultados sugerem que as atividades de simulação e modelagem computacionais são potencialmente facilitadoras de aprendizagem significativa em Física. Sugerem, também, que a atividade colaborativa presencial contribui positivamente para esse tipo de aprendizagem.

Arquiteturas multi-tarefas simultâneas : SEMPRE : arquitetura SMT com capacidade de execução e escalonamento de processos

O avanço tecnológico no projeto de microprocessadores, nos recentes anos, tem seguido duas tendências principais. A primeira tenta aumentar a freqüência do relógio dos mesmos usando componentes digitais e técnicas VLSI mais eficientes. A segunda tenta explorar paralelismo no nível de instrução através da reorganização dos seus componentes internos. Dentro desta segunda abordagem estão as arquiteturas multi-tarefas simultâneas, que são capazes de extrair o paralelismo existente entre e dentro de diferentes tarefas das aplicações, executando instruções de vários fluxos simultaneamente e maximizando assim a utilização do hardware. Apesar do alto custo da implementação em hardware, acredita-se no potencial destas arquiteturas para o futuro próximo, pois é previsto que em breve haverá a disponibilidade de bilhões de transistores para o desenvolvimento de circuitos integrados. Assim, a questão principal a ser encarada talvez seja: como prover instruções paralelas para uma arquitetura deste tipo? Sabe-se que a maioria das aplicações é seqüencial pois os problemas nem sempre possuem uma solução paralela e quando a solução existe os programadores nem sempre têm habilidade para ver a solução paralela. Pensando nestas questões a arquitetura SEMPRE foi projetada. Esta arquitetura executa múltiplos processos, ao invés de múltiplas tarefas, aproveitando assim o paralelismo existente entre diferentes aplicações. Este paralelismo é mais expressivo do que aquele que existe entre tarefas dentro de uma mesma aplicação devido a não existência de sincronismo ou comunicação entre elas. Portanto, a arquitetura SEMPRE aproveita a grande quantidade de processos existentes nas estações de trabalho compartilhadas e servidores de rede. Além disso, esta arquitetura provê suporte de hardware para o escalonamento de processos e instruções especiais para o sistema operacional gerenciar processos com mínimo esforço. Assim, os tempos perdidos com o escalonamento de processos e as trocas de contextos são insignificantes nesta arquitetura, provendo ainda maior desempenho durante a execução das aplicações. Outra característica inovadora desta arquitetura é a existência de um mecanismo de prébusca de processos que, trabalhando em cooperação com o escalonamento de processos, permite reduzir faltas na cache de instruções. Também, devido a essa rápida troca de contexto, a arquitetura permite a definição de uma fatia de tempo (fatia de tempo) menor do que aquela praticada pelo sistema operacional, provendo maior dinâmica na execução das aplicações. A arquitetura SEMPRE foi analisada e avaliada usando modelagem analítica e simulação dirigida por execução de programas do SPEC95. A modelagem mostrou que o escalonamento por hardware reduz os efeitos colaterais causados pela presença de processos na cache de instruções e a simulação comprovou que as diferentes características desta arquitetura podem, juntas, prover ganho de desempenho razoável sobre outras arquiteturas multi-tarefas simultâneas equivalentes, com um pequeno acréscimo de hardware, melhor aproveitando as fatias de tempo atribuídas aos processos.

Alca e Protocolo de Quioto : uma avaliação integrada utilizando o GTAP-E

O objeto de estudo deste trabalho é uma avaliação dos impactos econômicos e ambientais de um possível acordo comercial da Área de Livre Comércio da Américas (ALCA) concomitantemente com as reduções de emissões de CO2 tratadas pelo Protocolo de Quioto. Acordos globais de redução de CO2 podem distorcer os resultados que seriam obtidos pelos acordos comerciais, e os acordos comerciais tendem a gerar mais emissões de CO2. Os cenários são construídos para a simulação de eliminação dos gravames tarifários entre os membros da ALCA bem como de redução de emissão de CO2 para os signatários do Protocolo, admitindo ainda a possibilidade de execução de um dos mecanismos de flexibilidade do Protocolo de Quioto – o comércio de emissões. O instrumento utilizado para as simulações - GTAP-E - é uma versão modificada do GTAP (Global Trade Analysis Project) desenvolvido pela Universidade de Purdue. O GTAP-E (energia), foi projetado para analisar assuntos relacionados ao uso de energia e impactos de políticas de mudança climática. Ele difere do modelo GTAP padrão principalmente pela descrição mais detalhada das possibilidades de substituição de uso entre as diferentes fontes de energia. Esse modelo utiliza uma base de dados que, além dos dados usualmente utilizados pelo GTAP padrão, inclui elasticidades de substituição para o uso dos commodities energia e quantidades de emissões de CO2 gerados pela queima dos combustíveis fósseis (carvão, petróleo cru e gás natural), e também pelo uso de produtos derivados do petróleo e geração de eletricidade Os resultados obtidos corroboraram a hipótese que a política ambiental de redução de emissões, apesar de contribuir para a diminuição de CO2 na atmosfera, de forma geral, afeta negativamente o bem-estar econômico dos países que abatem emissões, principalmente através do encarecimento das commodities de energia e a conseqüente redução do seu uso. Esse efeito é mais pronunciado em países cuja matriz energética é mais intensiva em carvão e petróleo. Para o Brasil, os resultados mostraram que a melhor estratégia para participar do processo de redução de emissões seria a de o país estar inserido diretamente no mecanismo de comércio de emissões. Essa situação traria ganhos de bemestar econômico, avaliados pela variação equivalente da renda, superiores, em comparação às alternativas em que o mesmo não participa de tal mecanismo.

Extração com CO2 supercrítico de óleos essenciais de Hon-sho e Ho-sho : experimentos e modelagem

Uma das tecnologias que mais avançou nas últimas décadas, como uma alternativa para as tradicionais técnicas de extração de produtos naturais, é a técnica de Extração com Fluidos Supercríticos. A extração com fluidos supercríticos destacase entre os processos industriais de extração pela qualidade dos produtos obtidos e por não causar danos ambientais quando usa dióxido de carbono (CO2) no estado supercrítico como solvente. Este trabalho teve como objetivo a realização de experimentos de extração de óleos essenciais com dióxido de carbono no estado supercrítico de folhas de duas variedades da árvore Canforeira (Cinnamomum camphor Ness & Eberm.) conhecidas como Hon-sho e Ho-sho, a fim de determinar as melhores condições operacionais de processo. Os óleos essenciais obtidos destas plantas têm importância econômica devido aos seus principais componentes: linalol e cânfora. Os melhores parâmetros de extração obtidos, quando se consideram os rendimentos de óleo essencial, foram os seguintes: vazão de CO2 = 2 mL/min, temperatura = 50°C, pressão = 90 bar e diâmetro de partícula = 0,1 mm. Outro objetivo foi a obtenção das curvas de extração: Rendimento de óleo essencial versus Tempo de extração, adequando, a partir dos dados experimentais, alguns modelos matemáticos encontrados na literatura para descrever o comportamento destas extrações. Dos modelos estudados o que melhor se adequou à extração de óleos essenciais de folhas foi o modelo proposto por Reverchon (1996), o qual proporcionou uma boa reprodutibilidade dos dados experimentais, mostrandose eficiente na representação de extração com fluidos supercríticos de óleos essenciais de Hon-sho e Ho-sho a partir de suas folhas.

Modelagem física e matemática dos processos de extração de óleo de soja em fluxos contracorrente cruzados

Este trabalho visa desenvolver um modelo físico e matemático geral para os processos de extração sólido-líquido em fluxos contracorrente cruzados (CCC) que são utilizados na indústria de alimentos. Levam-se em consideração os processos principais (o transporte de massa entre as fases, difusão e convecção) envolvidos por todo o campo de extração, com uma abordagem bidimensional evolutiva, incluindo as zonas de carregamento, drenagem e as bandejas acumuladoras. O modelo matemático é formado por equações diferenciais parciais que determinam a alteração das concentrações nas fases poro e “bulk” em todo o campo de extração e equações diferenciais ordinárias (que refletem as evoluções das concentrações médias nas bandejas). As condições de contorno estabelecem as ligações entre os fluxos CCC da micela e matéria-prima e consideram, também, a influência das zonas de drenagem e carregamento. O algoritmo de resolução utiliza o método de linhas que transforma as equações diferenciais parciais em equações diferenciais ordinárias, que são resolvidas pelo método de Runge-Kutta. Na etapa de validação do modelo foram estabelecidos os parâmetros da malha e o passo de integração, a verificação do código com a lei de conservação da espécie e um único estado estacionário. Também foram realizadas a comparação com os dados experimentais coletados no extrator real e com o método de estágios ideais, a análise da influência de propriedades da matéria-prima nas características principais do modelo, e estabelecidos os dados iniciais do regime básico (regime de operação) Foram realizadas pesquisas numéricas para determinar: os regimes estacionário e transiente, a variação da constante de equilíbrio entre as fases, a variação do número de seções, a alteração da vazão de matéria-prima nas características de um extrator industrial e, também foram realizadas as simulações comparativas para diferentes tipos de matéria-prima (flocos laminados e flocos expandidos) usados amplamente na indústria. Além dessas pesquisas, o modelo também permite simular diferentes tipos de solventes. O estudo da capacidade de produção do extrator revelou que é necessário ter cuidado com o aumento da vazão da matéria-prima, pois um pequeno aumento desta pode causar grandes perdas de óleo tornando alto o custo da produção. Mesmo que ainda seja necessário abastecer o modelo com mais dados experimentais, principalmente da matéria-prima, os resultados obtidos estão em concordância com os fenômenos físico-químicos envolvidos no processo, com a lei de conservação de espécies químicas e com os resultados experimentais.

Modelo de metadados para armazenamento e recuperação de imagens estáticas no formato DICOM

Em linhas gerais, este trabalho aborda os temas de armazenamento de grandes volumes de imagens no formato DICOM, e a recuperação das mesmas com base em informações associadas a estas imagens (metadados independentes do conteúdo), informações obtidas na fase da interpretação das imagens (metadados descritivos de conteúdo), ou usando informações visuais que foram anotadas nas imagens ou extraídas das mesmas, por médicos especialistas em imagens médicas (metadados dependentes do conteúdo). Este trabalho foi desenvolvido com o propósito de elaborar uma modelagem conceitual que permita a descrição dos dados relevantes de imagens no formato DICOM, de maneira a facilitar a recuperação das mesmas posteriormente. As classes pertencentes ao modelo conceitual, decorrentes dessa modelagem, viabilizam a documentação de imagens médicas estáticas no formato DICOM. Visando o armazenamento de um grande volume de imagens médicas por um longo período de tempo, e considerando o desenvolvimento de uma solução economicamente viável para as instituições que provêm diagnóstico médico por imagens, o modelo propõe o armazenamento das imagens em um ambiente separado do banco de dados. Portanto, este trabalho apresenta uma solução que gerencia a localização das imagens em mídias on-line, near-line e off-line. Este gerenciamento mantém o banco de dados atualizado quanto à localização atual das imagens, mantém as imagens armazenadas e distribuídas em mídias conforme a disponibilidade dos recursos físicos de armazenamento, e auxilia na recuperação das imagens. Este modelo serviu como base para a implementação de um sistema protótipo que possibilita a descrição e a recuperação de imagens DICOM. Os resultados obtidos através da implementação do sistema protótipo, em termos de armazenamento, recuperação e gerenciamento da localização das imagens nos diferentes ambientes (online, near-line e off-line), são apresentados e discutidos.

Análise interativa de situações de reforço e recuperação de peças de concreto armado, empregando o método dos elementos finitos

O objetivo deste trabalho é desenvolver um programa computacional, baseado no método dos elementos finitos, para simular situações de reforço e recuperação de peças de concreto armado. A linguagem Matlab é a ferramenta utilizada para a elaboração do programa. É uma linguagem de alta performance para computação técnica. Integra computação, visualização e programação em um fácil ambiente para uso, onde problemas e soluções são expressos em familiar notação matemática. A característica principal deste programa é de permitir alterações na modelagem numérica durante a análise do problema, podendo-se retirar ou acrescentar elementos da estrutura, aumentar ou diminuir rigidezes, alterar materiais, etc, viabilizando-se, assim, uma avaliação das diversas etapas ou hipóteses dos procedimentos de recuperação ou reforço de estruturas. O programa permite a mudança de vinculações do elemento estrutural, durante a análise. Além disto, é permitido não só incrementos de forças como incrementos de deslocamentos impostos à estrutura. O programa computacional utiliza duas etapas distintas, baseadas em um modelo elasto-viscoplástico. Na primeira etapa, faz-se a determinação da resposta da estrutura ao longo do tempo. Considera-se, nesta etapa, que o material possui comportamento viscoelástico. Na segunda, busca-se determinar a resposta da estrutura para um carregamento instantâneo, considerando-se o material com comportamento elastoplástico Para melhor representar o comportamento do concreto, quando submetido a carregamento de longa duração, utilizou-se um modelo de camadas superpostas. A armadura é introduzida no modelo como uma linha de material mais rígido dentro do elemento de concreto. Considera-se aderência perfeita entre o concreto e o aço. Assim, os deslocamentos ao longo das barras de aço são determinados a partir dos deslocamentos nodais dos elementos de concreto. Para verificar a precisão do programa computacional desenvolvido, comparam-se os resultados numéricos com resultados experimentais, cujos ensaios foram realizados no Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, e no Laboratório de Estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos- USP. Nessas comparações, obtiveram-se ótimas aproximações entre os resultados numéricos e experimentais.

Proporcionamento de argamassas para reboco de recuperação

Dentre as diversas manifestações patológicas que são encontradas nas edificações em alvenaria, tem-se a umidade e os sais solúveis como os principais agentes de deterioração dos materiais de construção. No Brasil, os estudos sobre novos materiais e tecnologias construtivas referentes à recuperação de alvenarias que apresentem estas manifestações patológicas ainda são insuficientes. Isto resulta no uso de técnicas e produtos inadequados que podem acarretar maiores danos às edificações. Dentre as diversas técnicas e materiais utilizados para o saneamento das edificações, tem-se a aplicação de revestimentos de argamassas de recuperação como uma solução de fácil aplicação e custo reduzido. Estes revestimentos foram desenvolvidos originalmente na Alemanha e têm sido utilizados há mais de 20 anos na Europa apresentando resultados satisfatórios. Devido à sua elevada porosidade, estas argamassas especiais permitem a cristalização dos sais no interior dos seus poros, sem provocar danos ao revestimento e, por serem impermeáveis à água e permeáveis ao vapor, impedem a entrada da água da chuva permitindo a secagem eficiente do substrato. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma argamassa de reboco de recuperação, utilizando materiais disponíveis no mercado nacional, para ser aplicada em alvenarias contaminadas por umidade e sais de maneira a prolongar a vida útil do revestimento. Como no Brasil não existem recomendações específicas para as propriedades que estas argamassas especiais devem apresentar, este estudo baseou-se nas prescrições do Caderno de Recomendações Alemão WTA 2-2-91 Assim, foram analisadas propriedades no estado fresco (índice de consistência, trabalhabilidade, teor de ar incorporado, massa específica e retenção de água) e endurecido (resistência à compressão, resistência à tração na flexão, absorção de água por capilaridade, altura de penetração de água, massa específica, absorção por imersão, porosidade, resistência aos sais e coeficiente de resistência à difusão de vapor) em 26 diferentes proporções de materiais em argamassas mistas, variando a relação cal/cimento e os teores de aditivo incorporador de ar, hidrofugante e retentor de água, mantendo fixa a relação aglomerante/agregado. Os resultados obtidos neste estudo indicam que uma argamassa 1:0,60: 5,60 (cimento Portland pozolânico: cal hidratada: agregado miúdo), sendo o agregado miúdo composto por 94% de areia quartzosa e 6% de agregado leve, e teores de aditivo incorporador de ar de 1,0% , teor de hidrofugante de 1,0 % e 0,8% de retentor de água, pode ser utilizada como reboco de recuperação para o saneamento de edificações contaminadas por umidade e sais solúveis.

Avaliação de critérios de outorga associados a políticas de operação de reservatório na bacia do rio Moxotó, semi-árido brasileiro

Os critérios de outorga adotados nas legislações dos estados inseridos no semi-árido - a fim de regulamentar a vazão de referência a partir de açudes - tem se baseado simplesmente em volumes (vazões) associados a níveis de confiabilidade de atendimento à demanda, não estabelecendo políticas operacionais que tornem seus usos menos vulneráveis às falhas prolongadas e concentradas que são comuns à região. Este trabalho tem o objetivo de avaliar as vazões de referência segundo as políticas de operação (PO) padrão e volumes de alerta. A primeira é uma operação menos arrojada se comparada com a segunda. Isto decorre do fato que na primeira não há maiores preocupações com a vulnerabilidade nos períodos de falha. Já a política de operação baseada em volumes de alerta assegura que na pior situação um suprimento mínimo será realizado. Foi elaborado um modelo de simulação com sub-tarefas de operação de reservatório, operação de projetos hidroagrícolas, operação de atendimento às demandas, avaliação econômica dos déficits e fornecimento de indicadores para subsidiar as avaliações. Dentre os indicadores fornecidos pelo modelo destacam-se: confiabilidade mensal da demanda primária, confiabilidade mensal da demanda secundária, confiabilidade anual do sucesso da atividade agrícola, anuidade equivalente dos custos de falha na demanda primária, anuidade equivalente dos benefícios líquidos da agricultura, anuidade líquida equivalente e total evaporado. Diante da análise de tais indicadores chegou-se à conclusão de que a PO volumes de alerta apresentou resultados superiores à operação padrão. O fato de assegurar o suprimento durante os longos e concentrados períodos de falha gera uma economia que não é superada pelo incremento de água oferecido pela PO padrão.Constatou-se também que a PO padrão coloca todas as categorias de demanda sob o mesmo patamar de vulnerabilidade, enquanto que na PO volumes de alerta as cotas são oferecidas com garantias diferenciadas, sendo mais atraentes do ponto de vista do gerenciamento.