The Madden-Julian Oscillation : observation, modeling, and theory

The Madden-Julian Oscillation (MJO) is a pattern of intense rainfall and associated planetary-scale circulations in the tropical atmosphere, with a recurrence interval of 30-90 days. Although the MJO was first discovered 40 years ago, it is still a challenge to simulate the MJO in general circulation models (GCMs), and even with simple models it is difficult to agree on the basic mechanisms. This deficiency is mainly due to our poor understanding of moist convection—deep cumulus clouds and thunderstorms, which occur at scales that are smaller than the resolution elements of the GCMs. Moist convection is the most important mechanism for transporting energy from the ocean to the atmosphere. Success in simulating the MJO will improve our understanding of moist convection and thereby improve weather and climate forecasting.

We address this fundamental subject by analyzing observational datasets, constructing a hierarchy of numerical models, and developing theories. Parameters of the models are taken from observation, and the simulated MJO fits the data without further adjustments. The major findings include: 1) the MJO may be an ensemble of convection events linked together by small-scale high-frequency inertia-gravity waves; 2) the eastward propagation of the MJO is determined by the difference between the eastward and westward phase speeds of the waves; 3) the planetary scale of the MJO is the length over which temperature anomalies can be effectively smoothed by gravity waves; 4) the strength of the MJO increases with the typical strength of convection, which increases in a warming climate; 5) the horizontal scale of the MJO increases with the spatial frequency of convection; and 6) triggered convection, where potential energy accumulates until a threshold is reached, is important in simulating the MJO. Our findings challenge previous paradigms, which consider the MJO as a large-scale mode, and point to ways for improving the climate models.

Suspension mechanics: I. Inertial and non-Newtonian migration of neutrally buoyant rigid spheres in two-dimensional unidirectional flows; II. The effect of viscoelasticity on the creeping motion of a train of neutrally buoyant Newtonian drops through a circular tube

The lateral migration of neutrally buoyant rigid spheres in two-dimensional unidirectional flows was studied theoretically. The cases of both inertia-induced migration in a Newtonian fluid and normal stress-induced migration in a second-order fluid were considered. Analytical results for the lateral velocities were obtained, and the equilibrium positions and trajectories of the spheres compared favorably with the experimental data available in the literature. The effective viscosity was obtained for a dilute suspension of spheres which were simultaneously undergoing inertia-induced migration and translational Brownian motion in a plane Poiseuille flow. The migration of spheres suspended in a second-order fluid inside a screw extruder was also considered.

The creeping motion of neutrally buoyant concentrically located Newtonian drops through a circular tube was studied experimentally for drops which have an undeformed radius comparable to that of the tube. Both a Newtonian and a viscoelastic suspending fluid were used in order to determine the influence of viscoelasticity. The extra pressure drop due to the presence of the suspended drops, the shape and velocity of the drops, and the streamlines of the flow were obtained for various viscosity ratios, total flow rates, and drop sizes. The results were compared with existing theoretical and experimental data.

On the Lyapunov transformation for stable matrices

The matrices studied here are positive stable (or briefly stable). These are matrices, real or complex, whose eigenvalues have positive real parts. A theorem of Lyapunov states that A is stable if and only if there exists H ˃ 0 such that AH + HA* = I. Let A be a stable matrix. Three aspects of the Lyapunov transformation L_A :H → AH + HA* are discussed.

1. Let C₁ (A) = {AH + HA* :H ≥ 0} and C₂ (A) = {H: AH+HA* ≥ 0}. The problems of determining the cones C₁(A) and C₂(A) are still unsolved. Using solvability theory for linear equations over cones it is proved that C₁(A) is the polar of C₂(A*), and it is also shown that C₁ (A) = C₁(A^-1). The inertia assumed by matrices in C₁(A) is characterized.

2. The index of dissipation of A was defined to be the maximum number of equal eigenvalues of H, where H runs through all matrices in the interior of C₂(A). Upper and lower bounds, as well as some properties of this index, are given.

3. We consider the minimal eigenvalue of the Lyapunov transform AH+HA*, where H varies over the set of all positive semi-definite matrices whose largest eigenvalue is less than or equal to one. Denote it by ψ(A). It is proved that if A is Hermitian and has eigenvalues μ₁ ≥ μ₂…≥ μ_n ˃ 0, then ψ(A) = -(μ₁-μ_n)²/(4(μ₁ + μ_n)). The value of ψ(A) is also determined in case A is a normal, stable matrix. Then ψ(A) can be expressed in terms of at most three of the eigenvalues of A. If A is an arbitrary stable matrix, then upper and lower bounds for ψ(A) are obtained.

Avaliação numérica de estabilidade lateral de vigas casteladas

Restrições de espaço e altura são frequentemente impostas às edificações residenciais, comerciais, industriais, depósitos e galpões com um ou diversos pavimentos em função de aspectos de regulamentos regionais, técnicos, econômicos ou ainda de natureza estética. A fim de proporcionar a passagem de tubulações e dutos de grande diâmetro sob vigas de aço, grandes alturas são normalmente requeridas, demandando por vezes, magnitudes de altura inviáveis entre pavimentos de edificações. Diversas soluções estruturais podem ser utilizadas para equacionar tais obstáculos, onde dentre outras, pode-se citar as vigas com inércia variável, stub-girders, treliças mistas, vigas misuladas e vigas com uma ou múltiplas aberturas na alma com geometrias variadas. No que tange às vigas casteladas, solução estrutural pautada neste estudo, a estabilidade é sempre um motivo de preocupação tipicamente durante a construção quando os contraventamentos laterais ainda não estão instalados. De qualquer forma, o comprimento destravado em geral alcançado pelos vãos destas vigas, são longos o suficiente para que a instabilidade ocorra. Todavia, o acréscimo substancial da resistência à flexão de tais membros devido ao aumento da altura oriundo de seu processo fabril em relação ao perfil matriz, aliada a economia de material e utilidade fim de serviço, garante a atratividade no aproveitamento destas, para grandes vãos junto aos projetistas. Não obstante, este aumento proporcional no comprimento dos vãos faz com que a instabilidade lateral ganhe importância especial. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo desenvolver um modelo numérico que permita a realização de uma avaliação paramétrica a partir da calibração do modelo com resultados experimentais, efetuar a análise do comportamento de vigas casteladas e verificar seus mecanismos de falha, considerando comportamento elasto-plástico, além das não-linearidades geométricas. Também é objetivo deste trabalho, avaliar, quantificar e determinar a influência das diferenças geométricas características das vigas casteladas em relação às vigas maciças com as mesmas dimensões, analisando e descrevendo o comportamento estrutural destas vigas de aço para diversos comprimentos de vãos. A metodologia empregada para tal estudo baseou-se em uma análise paramétrica com o auxílio do método numérico dos elementos finitos.

Ecologia térmica e comportamento de construção de abrigos de Liolaemus lutzae (Lacertilia, Liolaemidae) em três áreas de restinga no estado do Rio de Janeiro, sudeste do Brasil: os efeitos de fatores extrínsecos e intrínsecos

Fatores extrínsecos afetam a ecologia térmica e o comportamento de lagartos no habitat, com as características ambientais locais podendo ocasionar alterações na temperatura corpórea (Tc) e no comportamento destes animais. Entretanto, fatores intrínsecos também representam uma importante influência para sua biologia, assim como fatores filogenéticos (históricos). Liolaemus lutzae (Liolaemidae) é uma espécie de lagarto com ocorrência restrita a restingas do estado do Rio de Janeiro (entre a Restinga da Marambaia no município do Rio de Janeiro e a restinga da Praia do Peró no município de Cabo Frio), vivendo exclusivamente na zona de vegetação halófila-psamófila-reptante a chamada área-de-praia da restinga (sujeita a altas temperaturas ambientais e ventos intensos constantes). Nessa área, onde vivem restritos a uma faixa de poucos metros de restinga, os indivíduos se abrigam escavando abrigos no substrato arenoso. Avaliei a importância de fontes ambientais de calor, da intensidade dos ventos, do sexo, da ontogenia, do comprimento rostro-cloacal (CRC) e da massa corpórea para a Tc e a taxa de atividade de lagartos L. lutzae (observando a ocorrência de variações sazonais), em estudos conduzidos no município de Arraial do Cabo, estado do Rio de Janeiro, sudeste do Brasil. Além disso, eu analisei se o comportamento de L. lutzae, direcionando as aberturas de seus abrigos foi afetado por fatores ambientais nas restingas da Reserva Ecológica Estadual de Jacarepiá e do Parque Natural Municipal de Grumari, ambas no estado do Rio de Janeiro. A atividade dos lagartos se estendeu durante o dia (0600h às 1800h), com máximo entre 1100h e 1300h (com variações sazonais). A Tc dos indivíduos foi 31,7  3,4 C, e variou ao longo do dia e sazonalmente. Em ambas as estações a Tc dos lagartos relacionaram-se às temperaturas do microhabitat (substrato e ar). A intensidade do vento influenciou a Tc dos lagartos (causando seu decréscimo), e a intensidade média do vento afetou o número de lagartos ativos (causando redução da atividade). Houve diferenças intersexuais no CRC, com os machos maiores do que as fêmeas, embora as fêmeas tenham tido maior massa corpórea relativa ao CRC correspondente, comparado aos machos. A Tc também diferiu inter-sexualmente (com machos mais quentes do que fêmeas) e ontogeneticamente (com jovens mais quentes do que adultos depois de removido o efeito do tamanho corpóreo). Houve relações entre a Tc e o CRC e entre a Tc e a massa corpórea, com lagartos maiores tendo Tc mais elevada (causada pela inércia térmica dos corpos). A variabilidade na Tc dos lagartos parece refletir a interação entre características ambientais locais, fatores intrínsecos e a filogenia da espécie. As aberturas dos abrigos foram localizadas principalmente próximas à linha de praia (possivelmente devido ao substrato menos compacto), predominantemente em terrenos inclinados e tiveram uma tendência de orientação influenciada pela inclinação do terreno. O comportamento de L. lutzae de orientar a entrada de seus abrigos para a direção descendente das inclinações pode ser vantajoso para torná-los menos vulneráveis a potenciais ameaças e distúrbios vindos da superfície.

Educação infantil e direito: práticas de controle como campo de análise

O presente estudo objetiva colocar em análise a Edu cação Infantil como um direito incorporado às políticas públicas para a infância, a partir de 1988, no contexto da nova Constituição Federal. A universalização do acesso à escola desde o nascimento é celebrada como uma conquista, em nome do direito, mas, como isto se dá na prática, para além da legislação? A partir de análises de implicação, conforme propõe René Lourau, colocamos em questão o que nos une ao campo da Educação Infantil enquanto direito da primeira infâ ncia, problematizando a própria condição dos especialismos que atravessam e são atr avessados no cotidiano dos estabelecimentos de atendimento. A construção da Educação Infantil como direito, no contexto da sociedade de controle, obriga pensar em relações de direito, responsabilidade, acesso e coerção, apontadas como fundamentais à boa formação. Tendo como norte o caminho genealógico proposto por Foucault, interessa pensar os sentidos que produzem este ou aquele caminho. Por certo, não é a formulação de um instrumento, de um dispositivo, uma lei, por si só, que nos leva a algo, mas as suas formas de aplicação. Trazemos para a discussão , então, as produções de verdades, as relações de saber-poder e, consequentemente, as subjetividades que vão se constituindo em nome da garantia do direito. Nesta perspectiva, o uso de alguns conceitos como cidadania e direitos, como paradigmas, pode acabar nos engessando em conceitos modelares e no enquadramento como discurso de oportunidades iguais para todos. Consideramos, assim, a possibilidade de se estabelecer na Educação Infantil um espaço redimensionado enquanto fluxo de resistências na sociedade de controle (PASSETTI), n ão no sentido de institucionalizar as crianças, para enquadrá-las em comportamentos idealizados, mas para trabalhar firmando constantemente a importância de um olhar sensível para o entorno, os devires na perspectiva de Deleuze os sorrisos, os gestos, as diferenças

Trabalho técnico-administrativo em uma instituição federal de ensino superior: análise do trabalho e das condições de saúde

O presente estudo tem por tema central a análise do trabalho dos técnico-administrativos em educação, ocupantes do cargo de assistente em administração na Universidade Federal do Maranhão (UFMA), bem como os impactos dessa atividade na saúde e nos modos de ser desses profissionais. O referencial teórico-metodológico para o desenvolvimento desse estudo assenta-se nos princípios do materialismo histórico-dialético, implicando o entendimento do sujeito como ser social e histórico, que intervém na realidade na qual está inserido e sofre as determinações dessa mesma realidade. Esse paradigma busca ultrapassar a aparência do fenômeno, entendendo as mediações que o determinam. Conceitos da abordagem da psicodinâmica do trabalho também são priorizados e articulados na fundamentação teórica. No contexto organizacional em questão, a partir da análise de cinquenta questionários e de vinte e uma entrevistas semiestruturadas identificou-se um número significativo de técnicos com potenciais subutilizados, normalmente colocados à margem dos processos de decisão, funcionando como mero apoio às atividades acadêmicas, vivenciando, por conseguinte, sentimentos de invisibilidade e desprestígio. O modelo de organização burocrático a que estão submetidos gera frustração ao impor a execução de atividades predominantemente rotineiras, prescritas, atreladas a normas, que quase sempre os impedem de lançar mão de alternativas para a realização de um atendimento ao público mais ágil e eficaz. Observa que esse cenário cria um terreno fértil para o surgimento de estratégias defensivas, de sofrimento patogênico e, possivelmente, de menor engajamento e mobilização. Questiona as análises superficiais que não identificam a complexidade desse emaranhado de sentimentos e comportamentos suscitados, provavelmente, pelas dificuldades que permeiam o cotidiano laboral do assistente em administração. Aponta a necessidade de se desconstruir a ideia de que toda acomodação é fruto de malandragem e má fé dos servidores, inferindo que o imobilismo e a apatia podem ser sinais de sofrimento psíquico ou até mesmo de um processo de adoecimento, fruto de uma dinâmica organizacional que reserva um lugar de anonimato ao profissional. Alerta sobre a importância da criação de espaços laborais para os assistentes em administração que favoreçam: valorização, participação e negociação, viabilizando-se, então, uma oportunidade para a atividade laboral ser um fim em si mesma, constituindo-se em uma atividade significativa para o sujeito, para a universidade e para a sociedade. Conclui que o trabalho, assim considerado, pode assumir sentidos de crescimento, utilidade, coerência e realização, emprestando, talvez, significado para todo o sofrimento experimentado diante do enfrentamento das adversidades tão presentes no mundo do trabalho.

Modelagem do comportamento estrutural de sistemas treliçados espaciais para escoramentos de estruturas de aço, concreto e mistas (aço-concreto).

A utilização de treliças para o escoramento de elementos estruturais de concreto armado e aço é considerada uma solução eficaz para o atual sistema de construção de engenharia civil. Uma mudança de atitude no processo de construção, associado com a redução dos custos causou um aumento considerável na utilização de treliças tridimensionais em aço com maior capacidade de carga. Infelizmente, o desenho destes sistemas estruturais baseia-se em cálculos muito simplificados relacionadas com vigas de uma dimensão, com propriedades de inércia constantes. Tal modelagem, muito simplificada, não pode representar adequadamente a resposta real dos modelos estruturais e pode levar a inviabilidade econômica ou mesmo inseguro desenho estrutural. Por outro lado, estas estruturas treliçadas estão relacionadas com modelos de geometria complexa e são desenhados para suportar níveis de cargas muito elevadas. Portanto, este trabalho de investigação propôs modelos de elementos finitos que representam o caráter tridimensional real do sistema de escoramento, avaliando o comportamento estático e dinâmico estrutural com mais confiabilidade e segurança. O modelo computacional proposto, desenvolvido para o sistema estrutural não linear de análise estática e dinâmica, aprovou as habituais técnicas de refinamento de malha presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no programa ANSYS [1]. O presente estudo analisou os resultados de análises linear-elástica e não linear geométrica para ações de serviço, físicos e geométricos para as ações finais. Os resultados do presente estudo foram obtidas, com base na análise linear-elástica e não linearidade geométrica e física, e comparados com os fornecidos pela metodologia simplificada tradicional de cálculo e com os limites recomendadas por normas de concepção.

O que há de metafísica na mecânica do século XVIII?

Ao contrário do período precedente de criação da chamada ciência moderna, o século XVIII parece não desempenhar um papel fundamental no desenvolvimento da física. Na visão de muitos autores, o século das luzes é considerado como uma fase de organização da mecânica que teve seu coroamento com as obras de Lagrange, imediatamente precedidas por Euler e dAlembert. Muitos autores afirmam que na formulação da mecânica racional houve uma eliminação gradual da metafísica e também da teologia e que o surgimento da física moderna veio acompanhado por uma rejeição da metafísica aristotélica da substância e qualidade, forma e matéria, potência e ato. O ponto central da tese é mostrar que, no século XVIII, houve uma preocupação e um grande esforço de alguns filósofos naturais que participaram da formação da mecânica, em determinar como seria possível descrever fenômenos através da matemática. De uma forma geral, a filosofia mecanicista exigia que as mudanças observadas no mundo natural fossem explicadas apenas em termos de movimento e de rearranjos das partículas da matéria, uma vez que os predecessores dos filósofos iluministas conseguiram, em parte, eliminar da filosofia natural o conceito de causas finais e a maior parte dos conceitos aristotélicos de forma e substância, por exemplo. Porém, os filósofos mecanicistas divergiam sobre as causas do movimento. O que faria um corpo se mover? Uma força externa? Uma força interna? Força nenhuma? Todas essas posições tinham seus adeptos e todas sugeriam reflexões filosóficas que ultrapassavam os limites das ciências da natureza. Mais ainda: conceitos como espaço, tempo, força, massa e inércia, por exemplo, são conceitos imprescindíveis da mecânica que representam uma realidade. Mas como a manifestação dessa realidade se torna possível? Como foram definidos esses conceitos? Embora não percebamos explicitamente uma discussão filosófica em muitos livros que versam sobre a mecânica, atitudes implícitas dessa natureza são evidentes no tratamento das questões tais como a ambição à universalidade e a aplicação da matemática. Galileu teve suas motivações e suas razões para afirmar que o livro da natureza está escrito em liguagem matemática. No entanto, embora a matemática tenha se tornado a linguagem da física, mostramos com esta tese que a segunda não se reduz à primeira. Podemos, à luz desta pesquisa, falarmos de uma mecânica racional no sentido de ser ela proposta pela razão para organizar e melhor estruturar dados observáveis obtidos através da experimentação. Porém, mostramos que essa ciência não foi, como os filósofos naturais pretendiam que assim fosse, obtidas sem hipóteses e convenções subjetivas. Por detrás de uma representação explicativa e descritiva dos fenômenos da natureza e de uma consistência interna de seus próprios conteúdos confirmados através da matemática, verificamos a presença da metafísica.

An extended computational model of the circulatory system for designing ventricular assist devices.

An extended computational model of the circulatory system has been developed to predict blood flow in the presence of ventricular assist devices (VADs). A novel VAD, placed in the descending aorta, intended to offload the left ventricle (LV) and augment renal perfusion is being studied. For this application, a better understanding of the global hemodynamic response of the VAD, in essence an electrically driven pump, and the cardiovascular system is necessary. To meet this need, a model has been established as a nonlinear, lumped-parameter electrical analog, and simulated results under different states [healthy, congestive heart failure (CHF), and postinsertion of VAD] are presented. The systemic circulation is separated into five compartments and the descending aorta is composed of three components to accurately yield the system response of each section before and after the insertion of the VAD. Delays in valve closing time and blood inertia in the aorta were introduced to deliver a more realistic model. Pump governing equations and optimization are based on fundamental theories of turbomachines and can serve as a practical initial design point for rotary blood pumps. The model's results closely mimic established parameters for the circulatory system and confirm the feasibility of the intra-aortic VAD concept. This computational model can be linked with models of the pump motor to provide a valuable tool for innovative VAD design.

Multiscale analysis of factors that affect the distribution of sharks throughout the northern Gulf of Mexico

Identification of the spatial scale at which marine communities are organized is critical to proper management, yet this is particularly difficult to determine for highly migratory species like sharks. We used shark catch data collected during 2006–09 from fishery-independent bottom-longline surveys, as well as biotic and abiotic explanatory data to identify the factors that affect the distribution of coastal sharks at 2 spatial scales in the northern Gulf of Mexico. Centered principal component analyses (PCAs) were used to visualize the patterns that characterize shark distributions at small (Alabama and Mississippi coast) and large (northern Gulf of Mexico) spatial scales. Environmental data on temperature, salinity, dissolved oxygen (DO), depth, fish and crustacean biomass, and chlorophyll-a (chl-a) concentration were analyzed with normed PCAs at both spatial scales. The relationships between values of shark catch per unit of effort (CPUE) and environmental factors were then analyzed at each scale with co-inertia analysis (COIA). Results from COIA indicated that the degree of agreement between the structure of the environmental and shark data sets was relatively higher at the small spatial scale than at the large one. CPUE of Blacktip Shark (Carcharhinus limbatus) was related positively with crustacean biomass at both spatial scales. Similarly, CPUE of Atlantic Sharpnose Shark (Rhizoprionodon terraenovae) was related positively with chl-a concentration and negatively with DO at both spatial scales. Conversely, distribution of Blacknose Shark (C. acronotus) displayed a contrasting relationship with depth at the 2 scales considered. Our results indicate that the factors influencing the distribution of sharks in the northern Gulf of Mexico are species specific but generally transcend the spatial boundaries used in our analyses.

ANALYSIS OF PLANAR MECHANISMS BY COMPUTER SUBROUTINE.

A suite of computer subroutines is described which allows rapid analysis of most types of planar mechanism by the writing of a simple computer programme. The analytical techniques of these subroutines are explained, and a worked example is presented to illustrate the use of the package, and to demonstrate its advantages in the calculation of inertia forces within a mechanism.

Towards identification of a general model of damping

Characterization of damping forces in a vibrating structure has long been an active area of research in structural dynamics. In spite of a large amount of research, understanding of damping mechanisms is not well developed. A major reason for this is that unlike inertia and stiffness forces it is not in general clear what are the state variables that govern the damping forces. The most common approach is to use `viscous damping' where the instantaneous generalized velocities are the only relevant state variables. However, viscous damping by no means the only damping model within the scope of linear analysis. Any model which makes the energy dissipation functional non-negative is a possible candidate for a valid damping model. This paper is devoted to develop methodologies for identification of such general damping models responsible for energy dissipation in a vibrating structure. The method uses experimentally identified complex modes and complex natural frequencies and does not a-priori assume any fixed damping model (eg., viscous damping) but seeks to determine parameters of a general damping model described by the so called `relaxation function'. The proposed method and several related issues are discussed by considering a numerical example of a linear array of damped spring-mass oscillators.

Control of motorcycle steering instabilities

Modern high performance motorcycles often employ a steering damper producing a moment that opposes the angular velocity of the steering assembly relative to the main frame. When modeling the motorcycle in a conventional manner, the steering damper is included as an integral part of the machine. The reduction in the wobble-mode frequency is caused by the effective increase in the steering system's moment of inertia. The compensators show the potential to significantly improve the damping of both wobble and weave modes simultaneously. The dynamic characteristics of high-performance motorcycles can be improved by replacing the conventional steering damper with a passive mechanical steering compensator. The design methodology adopted uses Nyquist frequency response ideas, root-locus analysis and loop-shaping design to obtain a preliminary choice of parameters.

Movement of deposited water on turbomachinery rotor blade surfaces

A theoretical approach for calculating the movement of liquid water following deposition onto a turbomachine rotor blade is described. Such a situation can occur during operation of an aero-engine in rain. The equation of motion of the deposited water is developed on an arbitrarily oriented plane triangular surface facet. By dividing the blade surface into a large number of facets and calculating the water trajectory over each one crossed in turn, the overall trajectory can be constructed. Apart from the centrifugal and Coriolis inertia effects, the forces acting on the water arise from the blade surface friction, and the aerodynamic shear and pressure gradient. Non- dimensionalisation of the equations of motion provides considerable insight and a detailed study of water flow on a flat rotating plate set at different stagger angles demonstrates the paramount importance of blade surface friction. The extreme cases of low and high blade friction are examined and it is concluded that the latter (which allows considerable mathematical generalisation) is the most likely in practice. It is also shown that the aerodynamic shear force, but not the pressure force, may influence the water motion. Calculations of water movement on a low-speed compressor blade and the fan blade of a high bypass ratio aero-engine suggest that in low rotational speed situations most of the deposited water is centrifuged rapidly to the blade tip region. Copyright © 2006 by ASME.