Comparação de desempenho entre a formulação direta do Método dos Elementos de Contorno com Funções Radiais e o Método dos Elementos Finitos em problemas de Poisson e Helmholtz

O presente trabalho objetiva avaliar o desempenho do MECID (Método dos Elementos de Contorno com Interpolação Direta) para resolver o termo integral referente à inércia na Equação de Helmholtz e, deste modo, permitir a modelagem do Problema de Autovalor assim como calcular as frequências naturais, comparando-o com os resultados obtidos pelo MEF (Método dos Elementos Finitos), gerado pela Formulação Clássica de Galerkin. Em primeira instância, serão abordados alguns problemas governados pela equação de Poisson, possibilitando iniciar a comparação de desempenho entre os métodos numéricos aqui abordados. Os problemas resolvidos se aplicam em diferentes e importantes áreas da engenharia, como na transmissão de calor, no eletromagnetismo e em problemas elásticos particulares. Em termos numéricos, sabe-se das dificuldades existentes na aproximação precisa de distribuições mais complexas de cargas, fontes ou sorvedouros no interior do domínio para qualquer técnica de contorno. No entanto, este trabalho mostra que, apesar de tais dificuldades, o desempenho do Método dos Elementos de Contorno é superior, tanto no cálculo da variável básica, quanto na sua derivada. Para tanto, são resolvidos problemas bidimensionais referentes a membranas elásticas, esforços em barras devido ao peso próprio e problemas de determinação de frequências naturais em problemas acústicos em domínios fechados, dentre outros apresentados, utilizando malhas com diferentes graus de refinamento, além de elementos lineares com funções de bases radiais para o MECID e funções base de interpolação polinomial de grau (um) para o MEF. São geradas curvas de desempenho através do cálculo do erro médio percentual para cada malha, demonstrando a convergência e a precisão de cada método. Os resultados também são comparados com as soluções analíticas, quando disponíveis, para cada exemplo resolvido neste trabalho.

Modelização de um dispositivo de travagem automático de via, através do método dos elementos finitos

Apresenta-se a modelização, através do Método dos Elementos Finitos, de um sistema de proteção automática de comboios, denominado DTAV – Dispositivo de Travagem Automático de Via. A modelização é realizada com o auxílio do software Ansys 13.0. Descreve-se a evolução histórica dos sistemas de proteção automática de comboios, desde a época vitoriana até à atualidade. São categorizados os vários tipos de sistemas de proteção existentes, consoante as suas funcionalidades e os seus princípios físicos de funcionamento. É apresentada uma breve descrição da normalização em vigor, aplicada aos sistemas de proteção automáticos de comboios. Descreve-se em pormenor o sistema DTAV, nomeadamente a sua funcionalidade, o seu princípio físico de funcionamento e o conjunto de equipamentos de que é constituído. Apresenta-se uma breve introdução sobre o método dos elementos finitos, enquadrando o modelo criado com os princípios físicos em que se fundamenta, nomeadamente através da descrição das equações de eletromagnetismo. Desenvolve-se modelo do sistema DTAV, evidenciado as etapas da construção e os resultados obtidos, validados por um conjunto de especificações e ensaios prévios realizados em laboratório.

Tópicos da teoria da relatividade

Dissertação de Mestrado, Matemática para Professores, 25 de Outubro 2013, Universidade dos Açores.

Proposta de Reconversão de linhas Ferroviárias para Linhas de Levitação Magnética Caso de Estudo Brasil

Trabalho realizado para a disciplina de Dissertação, Projeto ou Estágio do Instituto Superior Técnico de Engenharia do Porto, no ano letivo de 2014/2015, com a proposta de Dissertação no âmbito da transição das convencionais vias de ferrovia para as vias de levitação magnética, como parte dos requisitos à obtenção dos ECTS necessários à classificação final. Propõe-se nesta dissertação a aplicação de um sistema de levitação magnética que resulta da evolução dos sistemas existentes. A proposta exposta é uma melhoria que consiste numa possibilidade teórica de o trilho conseguir através do magnetismo, aplicar uma rotação ao veículo necessária em curva e ajustar essa rotação à velocidade a que se desloca. Para que este sistema funcione sugere-se a introdução de mais um campo magnético no trilho, que tem como função rodar o veículo em curva e substituir a sobrelevação ou escala do convencional trilho. Sugere-se que este sistema seja aplicado no território brasileiro em três fases distintas. Ligando numa primeira fase as três maiores cidades, seguido do litoral e por fim o interior do Brasil. A aplicação deste sistema no Brasil pode apresentar ser a solução ideal, em termos de velocidade e conforto, contudo é um sistema que necessita de estudos mais aprofundados.

Medição de deslocamento através de sensores magnetoresistivos aplicada ao movimento mandibular

Neste trabalho é apresentado um método para medição de deslocamentos sem contato, utilizando sensores magnetoresistivos, os quais são sensibilizados pela variação do campo magnético produzido por um imã permanente em deslocamento no espaço. Os sensores magnetoresistivos possuem, internamente, uma ponte de Wheathestone, onde a resistência varia conforme varia o campo magnético, de modo que o circuito mais indicado para este caso é um amplificador e um filtro para cada sensor. O principal objetivo do trabalho é a obtenção de uma técnica para medir deslocamentos sem contato, e estender os resultados para medida de movimentos mandibulares. A montagem consiste de duas placas de celeron, distantes 30mm uma da outra e unidas por parafusos de polietileno. Em cada uma destas placas foram dispostos quatro sensores, num total de oito, sendo que para cada um deles existe um circuito de amplificação e filtragem do sinal de saída. Sob uma chapa de alumínio foi fixado este equipamento e uma mesa de calibração em 3D, a qual, após a obtenção da matriz de calibração, foi substituída por um emulador de movimento mandibular. Os parâmetros do modelo foram estimados através do método dos mínimos quadrados com auxílio do software Matlab, Release 12. Este software também foi utilizado para o sistema de aquisição de dados durante a realização dos experimentos. A imprecisão dos resultados obtidos na determinação dos deslocamentos, está na ordem de décimos de milímetros. O trabalho apresenta, também, o mapeamento do campo magnético do magneto utilizado nos experimentos através do software FEM2000 – Método de elementos finitos aplicado ao eletromagnetismo.

Modelo matemático de um agitador eletromagnético

O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos eletromagnéticos e fluido-dinâmicos induzidos no aço, decorrentes do uso de um agitador eletromagnético. Para tal, foi proposta a construção de um modelo numérico que resolva, de forma acoplada, os problemas de eletromagnetismo e fluido-dinâmica. O modelo numérico do problema eletromagnético, em elementos finitos, foi construído utilizando-se o software Opera-3d/Elektra da Vector Fields. O mesmo foi validado com medidas experimentais de densidade de fluxo magnético feitas na usina. O escoamento decorrente da agitação eletromagnética foi resolvido fazendo-se o acoplamento das forças de Lorentz com as equações de Navier-Stokes. Essas últimas foram resolvidas pelo método de volumes finitos, usando-se o software CFX-4 da AEA Technology. O modelo eletromagnético mostrou que existe um torque máximo dependente da freqüência do campo magnético. Também foi observado que a força magnética aumenta em quatro vezes seu valor, quando a corrente é duplicada. O perfil de escoamento produzido no molde, sob agitação eletromagnética, indica, que as situações de lingotamento testadas, não propiciam o arraste da escória. A velocidade crítica de arraste, determinada via modelo físico, não foi atingida para nenhum caso testado. O modelo fluido-dinâmico e térmico apresentou um aumento do fluxo de calor cedido pelo fluido para a casca solidificada com o uso do agitador eletromagnético. Como conseqüência, observou-se uma queda na temperatura do banho. Também foi observado, que o uso do agitador propicia a remoção de inclusões das camadas mais externas do tarugo. Ao mesmo tempo, notou-se que o uso do agitador aumenta o índice de remoção de inclusões para as duas seções de molde analisadas.

O uso da astronomia como instrumento para a introdução ao estudo das radiações eletromagnéticas no ensino médio

Este trabalho relata a utilização de tópicos ligados à Astronomia, como motivação educacional, a fim de inserir o estudo das radiações eletromagnéticas com abordagem na Física Moderna e Contemporânea. Em geral, a bibliografia atual disponível trata deste assunto (sob o título “ondas eletromagnéticas”) no capítulo relacionado a “ondas”, dentro da Física Clássica, não abordando assim, conceitos da Física Moderna: dualidade onda partícula, quantização da energia, efeito fotoelétrico, Lei de Planck, etc. O tema foi abordado utilizando atividades práticas: observação do Sol, observação do céu com telescópio, simulação computacional através de applets disponíveis na Internet, atividades de laboratório, sempre partindo de aspectos relacionados à Astronomia. A proposta foi aplicada em uma turma de terceira série de Ensino Médio, do Instituto Estadual de Educação de Sapiranga, cidade do Vale do Rio dos Sinos. Este trabalho foi embasado pela Teoria de Aprendizagem Significativa de Ausubel e de Novak, e pela Teoria de mediação de Vygotsky. A partir dos dados colhidos através de testes comparativos, entrevistas e depoimentos dos alunos, foi possível detectar que eles estiveram motivados para a aprendizagem, sendo que alguns inclusive passaram a interessar-se mais pela disciplina de Física. Ao finalizar a aplicação desta proposta de trabalho, foi criado um CD com textos, simulações e sugestões para aplicações em sala de aula.

Espectroscopia resolvida no tempo : caracterização de pulsos curtos, dinâmica molecular em líquidos, modelamento de luz incoerente

Nesta tese realizamos três trabalhos que envolvem diferentes aspectos da espectroscopia resolvida no tempo. No primeiro discutimos brevemente a teoria e as principais técnicas para a caracterização de pulsos curtos. Analisamos detalhamente uma destas técnicas e propusemos modi cações que possibilitaram o barateamento dos custos da montagem e, além disso, introduziram novas características que sanaram alguns problemas que a montagem original apresentava e que também possibilitaram uma melhor caracterização da própria técnica. Descrevemos cuidadosamente as condições que devem ser satisfeitas pela geometria dos feixes e pelos componentes da montagem para obter uma caracterização correta dos pulsos curtos. Também apresentamos o procedimento de calibração do sistema. Pulsos com diferentes tempos e funções de fase foram caracterizados e os resultados foram validados por testes de con abilidade da informação recuperada. O trabalho seguinte foi o estudo da dinâmica molecular em líquidos puros e em misturas através da técnica efeito Kerr óptico resolvido no tempo, que é uma técnica do tipo bombeio e prova não ressonante, usando um sistema laser Ti:Sa ra com pulsos de 170 fs, centrados em 800 nm. As moléculas estudadas foram o dissulfeto de carbono (CS2), benzeno (C6H6), alilbenzeno (C9H10) e o poliestireno (PS). A teoria necessária para descrever os resultados medidos foi desenvolvida no regime temporal. O modelo de Debye para a relaxação difusiva da anisotropia orientacional descreve a componente de tempos longa, acima de um picosegundo. Partindo do Hamiltoniano de interação, desenvolvemos a teoria da função resposta linear, chegando a uma expressão para a relaxação da polarizabilidade anisotrópica, necessária para descrever os tempos curtos (subpicosegundos). Além disso, a passagem para o regime espectral utilizando somente dados experimentais, ou seja, sem a necessidade de levar em conta modelos especí cos, também foi discutida. Os resultados mostram que os tempos difusivos tanto nos líquidos puros quanto nas misturas seguem a equação de Debye-Stokes-Einstein que prevê um aumento deste tempo para viscosidades maiores. Os tempos curtos são analisados em termos da componente não difusiva da resposta espectral associada à dinâmica molecular. As alterações do espectro foram quanti cadas e a explicação para as mudanças observadas foi dada em termos das con gurações estruturais de interação que levam a uma alteração do potencial intermolecular dentro do qual as moléculas executam movimentos libracionais. Por último, investigamos a questão do modelamento de pulsos de luz incoerente. Para isto trabalhamos com um laser de corante banda larga sem elemento de seleção espectral intracavidade. A técnica utilizada foi o espalhamento forçado de luz ao qual foi acoplado um modelador composto por uma grade, uma lente e uma máscara que alterava a função de fase espectral relativa entre os feixes formadores da grade transiente na amostra de interesse. Realizamos uma análise detalhada desta montagem e obtivemos expressões para ajustar os dados medidos. Os resultados mostram que a função de correlação pode ser alterada de forma especí ca através da escolha de determinadas funções de fase espectrais.

Desenvolvimento de antenas de microfita e antenas DRA Broadband

The search for ever smaller device and without loss of performance has been increasingly investigated by researchers involving applied electromagnetics. Antennas using ceramics materials with a high dielectric constant, whether acting as a substract element of patch radiating or as the radiant element are in evidence in current research, that due to the numerous advantages offered, such as: low profile, ability to reduce the its dimensions when compared to other devices, high efficiency of ratiation, suitability the microwave range and/or millimeter wave, low temperature coefficient and low cost. The reason for this high efficiency is that the dielectric losses of ceramics are very low when compared to commercially materials sold used in printed circuit boards, such as fiberglass and phenolite. These characteristics make ceramic devices suitable for operation in the microwave band. Combining the design of patch antennas and/or dielectric resonator antenna (DRA) to certain materials and the method of synthesis of these powders in the manufacture of devices, it s possible choose a material with a dielectric constant appropriate for the design of an antenna with the desired size. The main aim of this work is the design of patch antennas and DRA antennas on synthesis of ceramic powders (synthesis by combustion and polymeric precursors - Pe- chini method) nanostructured with applications in the microwave band. The conventional method of mix oxides was also used to obtain nanometric powders for the preparation of tablets and dielectric resonators. The devices manufactured and studied on high dielectric constant materials make them good candidates to have their small size compared to other devices operating at the same frequency band. The structures analyzed are excited by three different techniques: i) microstrip line, ii) aperture coupling and iii) inductive coupling. The efficiency of these techniques have been investigated experimentally and compared with simulations by Ansoft HFSS, used in the accurate analysis of the electromagnetic behavior of antennas over the finite element method (FEM). In this thesis a literature study on the theory of microstrip antennas and DRA antenna is performed. The same study is performed about the materials and methods of synthesis of ceramic powders, which are used in the manufacture of tablets and dielectric cylinders that make up the devices investigated. The dielectric media which were used to support the analysis of the DRA and/or patch antennas are analyzed using accurate simulations using the finite difference time domain (FDTD) based on the relative electrical permittivity (er) and loss tangent of these means (tand). This work also presents a study on artificial neural networks, showing the network architecture used and their characteristics, as well as the training algorithms that were used in training and modeling some parameters associated with the devices investigated

Análise espectral de reflectarrays com substratos de duas camadas dielétricas anisotrópicas uniaxiais

Recently, an amazing development has been observed in telecommunication systems. Two good examples of this development are observed in mobile communication and aerospace systems. This impressive development is related to the increasing need for receiving and transmitting communication signals. Particularly, this development has required the study of new antennas and filters. This work presents a fullwave analysis of reflectarrays. The considered structures are composed by arrays of rectangular conducting patches printed on multilayer dieletric substrates, that are mounted on a ground plane. The analysis is developed in the spectral domain, using an equivalent transmission line method in combination with Galerkin method. Results for the reflection coefficient of these structures are presented and compared to those available in the literature. A good agreement was observed. Particularly, the developed analysis uses the transmission lines theory in combination with the incident potentials and the field continuity equations, at the structures interfaces, for obtaining the scattered field components expressions as function of the patch surface currents and of the incident field. Galerkin method is used to determine the unknown coefficients in the boundary value problem. Curves for the reflection coefficient of several reflectarray geometries are presented as function of frequency and of the structural parameters

Análise espectral de reflectarrays com substrato de duas camadas dielétricas anisotrópicas uniaxiais

Recently, an amazing development has been observed in telecommunication systems. Two good examples of this development are observed in mobile communication and aerospace systems. This impressive development is related to the increasing need for receiving and transmitting communication signals. Particularly, this development has required the study of new antennas and filters. This work presents a fullwave analysis of reflectarrays. The considered structures are composed by arrays of rectangular conducting patches printed on multilayer dieletric substrates, that are mounted on a ground plane. The analysis is developed in the spectral domain, using an equivalent transmission line method in combination with Galerkin method. Results for the reflection coefficient of these structures are presented and compared to those available in the literature. A good agreement was observed. Particularly, the developed analysis uses the transmission lines theory in combination with the incident potentials and the field continuity equations, at the structures interfaces, for obtaining the scattered field components expressions as function of the patch surface currents and of the incident field. Galerkin method is used to determine the unknown coefficients in the boundary value problem. Curves for the reflection coefficient of several reflectarray geometries are presented as function of frequency and of the structural parameters

Montagem e construção de um magnetômetro a efeito Kerr magneto-óptico

n this master s dissertation a Kerr Magneto Optic s magnetometer effect was set up to do characterization of samples type films fine and ultra thin, these samples will be grown after the implementation of the sputtering technique at the magnetism laboratory of of this department. In this work a cooled electromagnet was also built the water and that it reaches close values to 10kOe with a gap of 22 mm including an area of uniform field of 25mm of diameter. The first chapter treats of the construction of this electromagnet from its dimensioning to the operation tests that involve measures of reached maximum field and temperature of the reels when operated during one hour. The second chapter is dedicated to the revision of the magnetism and the magnetization processes as well as it presents a theoretical base regarding the magnetic energies found in films and magnetic multilayer. In the sequence, the third chapter, is especially dedicated the description of the effects magneto opticians the effect kerr in the longitudinal, traverse and polar configurations, using for so much only the classic approach of the electromagnetism and the coefficients of Fresnel. Distinguished the two areas of observation of the effect regarding thickness of the film. The constructive aspects of the experimental apparatus as well as the details of its operation are explained at the room surrender, also presenting the preliminary results of the measures made in one serializes of permalloy films and concluding with the results of the characterization of the first films of iron and permalloy grown here at the theoretical and experimental physics department at UFRN

Sobre as experiências relativas à imantação do ferro e do aço pela ação da corrente voltaica: uma tradução comentada do artigo escrito por François Arago

O objetivo deste trabalho é divulgar, por meio de uma tradução comentada, um dos principais trabalhos escritos por Dominique François Jean Arago (1786-1853) relativo ao eletromagnetismo. Trata-se de uma descrição das experiências feitas por ele, relativas à magnetização do ferro e do aço pela ação da corrente voltaica.

Gravitomagnetismo e o teste da sonda gravidade B

The so-called gravitomagnetic field arised as an old conjecture that currents of matter (no charges) would produce gravitational effects similar to those produced by electric currents in electromagnetism. Hans Thirring in 1918, using the weak field approximation to the Einsteins field equations, deduced that a slowly rotating massive shell drags the inertial frames in the direction of its rotation. In the same year, Joseph Lense applied to astronomy the calculations of Thirring. Later, that effect came to be known as the Lense- Thirring effect. Along with the de Sitter effect, those phenomena were recently tested by a gyroscope in orbit around the Earth, as proposed by George E. Pugh in 1959 and Leonard I. Schiff in 1960. In this dissertation, we study the gravitational effects associated with the rotation of massive bodies in the light of the Einsteins General Theory of Relativity. With that finality, we develop the weak field approximation to General Relativity and obtain the various associated gravitational effects: gravitomagnetic time-delay, de Sitter effect (geodesic precession) and the Lense-Thirring effect (drag of inertial frames). We discus the measures of the Lense-Thirring effect done by LAGEOS Satellite (Laser Geodynamics Satellite) and the Gravity Probe B - GPB - mission. The GPB satellite was launched into orbit around the Earth at an altitude of 642 km by NASA in 2004. Results presented in May 2011 clearly show the existence of the Lense-Thirring effect- a drag of inertial frames of 37:2 7:2 mas/year (mas = milliarcsec)- and de Sitter effect - a geodesic precession of 6; 601:8 18:3 mas/year- measured with an accuracy of 19 % and of 0.28 % respectively (1 mas = 4:84810��9 radian). These results are in a good agreement with the General Relativity predictions of 41 mas/year for the Lense-Thirring effect and 6,606.1 mas/year for the de Sitter effect.

Michael Faraday: o caminho da livraria à descoberta da indução eletromagnética

Estudando o trabalho experimental sobre eletromagnetismo realizado por Michael Faraday no início do século XIX, encontramos vários elementos que poderiam ser utilizados no Ensino de Ciências. Um conhecimento histórico sobre o trabalho experimental desenvolvido por Faraday e que o levou à descoberta da indução eletromagnética pode transmitir aos estudantes uma concepção mais adequada do processo de desenvolvimento da Ciência. No entanto, isso só pode ser feito utilizando-se um estudo detalhado e bem fundamentado do processo histórico ocorrido, deixando de lado as simplificações e os mitos que costumam ser apresentados.