Inter-limb coordination and energy cost in swimming.

OBJECTIVES: This study investigated the relationship between inter-arm coordination and the energy cost of locomotion in front crawl and breaststroke and explored swimmers' flexibility in adapting their motor organization away from their preferred movement pattern. DESIGN: Nine front-crawlers performed three 300-m in front crawl and 8 breaststrokers performed three 200-m in breaststroke at constant submaximal intensity and with 5-min rests. Each trial was performed randomly in a different coordination pattern: freely chosen, 'maximal glide' and 'minimal glide'. Two underwater cameras videotaped frontal and side views to analyze speed, stroke rate, stroke length and inter-limb coordination. METHODS: In front crawl, inter-arm coordination was quantified by the index of coordination (IdC) and the leg beat kicks were counted. In breaststroke, four time gaps quantified the arm to leg coordination (i.e., time between leg and arm propulsions; time between beginning, 90° flexion and end of arm and leg recoveries). The energy cost of locomotion was calculated from gas exchanges and blood lactate concentration. RESULTS: In both front crawl and breaststroke, the freely chosen coordination corresponded to glide pattern and showed the lowest energy cost (12.8 and 17.1Jkg(-1)m(-1), respectively). Both front-crawlers and breaststrokers were able to reach 'maximal glide' condition (respectively, +35% and +28%) but not 'minimal glide' condition for front crawl. CONCLUSIONS: The freely chosen pattern appeared more economic because more trained. When coordination was constrained, the swimmers had higher coordination flexibility in breaststroke than in front crawl, suggesting that breaststroke coordination was easier to regulate by changing glide time.

Machine vision measurement system for paper printability assessments

This work had two primary objectives: 1) to produce a working prototype for automated printability assessment and 2) to perform a study of available machine vision and other necessary hardware solutions. The three printability testing methods, IGT Picking,He¬liotest, and mottling, considered in this work have several different requirements and the task was to produce a single automated testing system suitable for all methods. A system was designed and built and its performance was tested using the Heliotest. Working proto¬types are important tools for implementing theoretical methods into practical systems and testing and demonstrating the methodsin real life conditions. The system was found to be sufficient for the Heliotest method. Further testing and possible modifications related to other two test methods were left for future works. A short study of available systems and solutions concerning image acquisition of machine vision was performed. The theoretical part of this study includes lighting systems, optical systems and image acquisition tools, mainly cameras and the underlying physical aspects for each portion.

Heat Transfer Analysis of the EPR Core Catcher Test Facility Volley

Uusi EPR-reaktorikonsepti on suunniteltu selviytymään tapauksista, joissa reaktorinsydän sulaa ja sula puhkaisee paineastian. Suojarakennuksen sisälle on suunniteltu alue, jolle sula passiivisesti kerätään, pidätetään ja jäähdytetään. Alueelle laaditaan valurautaelementeistä ns.sydänsieppari, joka tulvitetaan vedellä. Sydänsulan tuottama jälkilämpö siirtyyveteen, mistä se poistetaan suojarakennuksen jälkilämmönpoistojärjestelmän kautta. Suuri osa lämmöstä poistuu sydänsulasta sen yläpuolella olevaan veteen, mutta lämmönsiirron tehostamiseksi myös sydänsiepparin alapuolelle on sijoitettu vedellä täytettävät jäähdytyskanavat. Jotta sydänsiepparin toiminta voitaisiin todentaa, on Lappeenrannan Teknillisellä Yliopistolla rakennettu Volley-koelaitteisto tätä tarkoitusta varten. Koelaitteisto koostuu kahdesta täysimittaisesta valuraudasta tehdystä jäähdytyskanavasta. Sydänsulan tuottamaa jälkilämpöä simuloidaan koelaitteistossa sähkövastuksilla. Tässä työssä kuvataan simulaatioiden suorittaminen ja vertaillaan saatuja arvoja mittaustuloksiin. Työ keskittyy sydänsiepparista jäähdytyskanaviin tapahtuvan lämmönsiirron teoriaan jamekanismeihin. Työssä esitetään kolme erilaista korrelaatiota lämmönsiirtokertoimille allaskiehumisen tapauksessa. Nämä korrelaatiot soveltuvat erityisesti tapauksiin, joissa vain muutamia mittausparametreja on tiedossa. Työn toinen osa onVolley 04 -kokeiden simulointi. Ensin käytettyä simulointitapaa on kelpoistettuvertaamalla tuloksia Volley 04 ja 05 -kokeisiin, joissa koetta voitiin jatkaa tasapainotilaan ja joissa jäähdytteen käyttäytyminen jäähdytyskanavassa on tallennettu myös videokameralla. Näiden simulaatioiden tulokset ovat hyvin samanlaisiakuin mittaustulokset. Korkeammilla lämmitystehoilla kokeissa esiintyi vesi-iskuja, jotka rikkoivat videoinnin mahdollistavia ikkunoita. Tämän johdosta osassa Volley 04 -kokeita ikkunat peitettiin metallilevyillä. Joitakin kokeita jouduttiin keskeyttämään laitteiston suurten lämpöjännitysten johdosta. Tällaisten testien simulaatiot eivät ole yksinkertaisia suorittaa. Veden pinnan korkeudesta ei ole visuaalista havaintoa. Myöskään jäähdytteen tasapainotilanlämpötiloista ei ole tarkkaa tietoa, mutta joitakin oletuksia voidaan tehdä samoilla parametreilla tehtyjen Volley 05 -kokeiden perusteella. Mittaustulokset Volley 04 ja 05 -kokeista, jotka on videoitu ja voitu ajaa tasapainotilaan saakka, antoivat simulaatioiden kanssa hyvin samankaltaisia lämpötilojen arvoja. Keskeytettyjen kokeiden ekstrapolointi tasapainotilaan ei onnistunut kovin hyvin. Kokeet jouduttiin keskeyttämään niin paljon ennen termohydraulista tasapainoa, ettei tasapainotilan reunaehtoja voitu ennustaa. Videonauhoituksen puuttuessa ei veden pinnan korkeudesta saatu lisätietoa. Tuloksista voidaan lähinnä esittää arvioita siitä, mitä suuruusluokkaa mittapisteiden lämpötilat tulevat olemaan. Nämä lämpötilat ovat kuitenkin selvästi alle sydänsiepparissa käytettävän valuraudan sulamislämpötilan. Joten simulaatioiden perusteella voidaan sanoa, etteivät jäähdytyskanavien rakenteet sula, mikäli niissä on pienikin jäähdytevirtaus, eikä useampia kuin muutama vierekkäinen kanava ole täysin kuivana.

Coordination pattern adaptability: energy cost of degenerate behaviors.

This study investigated behavioral adaptability, which could be defined as a blend between stability and flexibility of the limbs movement and their inter-limb coordination, when individuals received informational constraints. Seven expert breaststroke swimmers performed three 200-m in breaststroke at constant submaximal intensity. Each trial was performed randomly in a different coordination pattern: 'freely-chosen', 'maximal glide' and 'minimal glide'. Two underwater and four aerial cameras enabled 3D movement analysis in order to assess elbow and knee angles, elbow-knee pair coordination, intra-cyclic velocity variations of the center of mass, stroke rate and stroke length and inter-limb coordination. The energy cost of locomotion was calculated from gas exchanges and blood lactate concentration. The results showed significantly higher glide, intra-cyclic velocity variations and energy cost under 'maximal glide' compared to 'freely-chosen' instructional conditions, as well as higher reorganization of limb movement and inter-limb coordination (p<0.05). In the 'minimal glide' condition, the swimmers did not show significantly shorter glide and lower energy cost, but they exhibited significantly lower deceleration of the center of mass, as well as modified limb movement and inter-limb coordination (p<0.05). These results highlight that a variety of structural adaptations can functionally satisfy the task-goal.

Project for Active and Robot Vision Course

Tässä työssä raportoidaan harjoitustyön kehittäminen ja toteuttaminen Aktiivisen- ja robottinäön kurssille. Harjoitustyössä suunnitellaan ja toteutetaan järjestelmä joka liikuttaa kappaleita robottikäsivarrella kolmiuloitteisessa avaruudessa. Kappaleidenpaikkojen määrittämiseen järjestelmä käyttää digitaalisia kuvia. Tässä työssä esiteltävässä harjoitustyötoteutuksessa käytettiin raja-arvoistusta HSV-väriavaruudessa kappaleiden segmentointiin kuvasta niiden värien perusteella. Segmentoinnin tuloksena saatavaa binäärikuvaa suodatettiin mediaanisuotimella kuvan häiriöiden poistamiseksi. Kappaleen paikkabinäärikuvassa määritettiin nimeämällä yhtenäisiä pikseliryhmiä yhtenäisen alueen nimeämismenetelmällä. Kappaleen paikaksi määritettiin suurimman nimetyn pikseliryhmän paikka. Kappaleiden paikat kuvassa yhdistettiin kolmiuloitteisiin koordinaatteihin kalibroidun kameran avulla. Järjestelmä liikutti kappaleita niiden arvioitujen kolmiuloitteisten paikkojen perusteella.

Impacts of upland open drains upon runoff generation: a numerical assessment of catchment-scale impacts

Shallow upland drains, grips, have been hypothesized as responsible for increased downstream flow magnitudes. Observations provide counterfactual evidence, often relating to the difficulty of inferring conclusions from statistical correlation and paired catchment comparisons, and the complexity of designing field experiments to test grip impacts at the catchment scale. Drainage should provide drier antecedent moisture conditions, providing more storage at the start of an event; however, grips have higher flow velocities than overland flow, thus potentially delivering flow more rapidly to the drainage network. We develop and apply a model for assessing the impacts of grips on flow hydrographs. The model was calibrated on the gripped case, and then the gripped case was compared with the intact case by removing all grips. This comparison showed that even given parameter uncertainty, the intact case had significantly higher flood peaks and lower baseflows, mirroring field observations of the hydrological response of intact peat. The simulations suggest that this is because delivery effects may not translate into catchment-scale impacts for three reasons. First, in our case, the proportions of flow path lengths that were hillslope were not changed significantly by gripping. Second, the structure of the grip network as compared with the structure of the drainage basin mitigated against grip-related increases in the concentration of runoff in the drainage network, although it did marginally reduce the mean timing of that concentration at the catchment outlet. Third, the effect of the latter upon downstream flow magnitudes can only be assessed by reference to the peak timing of other tributary basins, emphasizing that drain effects are both relative and scale dependent. However, given the importance of hillslope flow paths, we show that if upland drainage causes significant changes in surface roughness on hillslopes, then critical and important feedbacks may impact upon the speed of hydrological response. Copyright (c) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Flow resistance equations for mountain rivers

Three models of flow resistance (a Keulegan-type logarithmic law and two models developed for large-scale roughness conditions: the full logarithmic law and a model based on an inflectional velocity profile) were calibrated, validated and compared using an extensive database (N = 1,533) from rivers and flumes, representative of a wide hydraulic and geomorphologic range in the field of gravel-bed and mountain channels. It is preferable to apply the model based on an inflectional velocity profile in the relative submergence (y/d90) interval between 0.5 and 15, while the full logarithmic law is preferable for values below 0.5. For high relative submergence, above 15, either the logarithmic law or the full logarithmic law can be applied. The models fitted to the coarser percentiles are preferable to those fitted to the median diameter, owing to the higher explanatory power achieved by setting a model, the smaller difference in the goodness-of-fit between the different models and the lower influence of the origin of the data (river or flume).

Predicción de la resistencia al flujo en ríos de montaña

Se han calibrado, validado y comparado tres modelos de resistencia al flujo de contorno granular: un modelo potencial y otros dos modelos desarrollados para condiciones de alta rugosidad relativa (uno basado en una modificación de la ley logarítmica de Prandtl-von Karman y otro fundamentado en un perfil de velocidad configurado en dos zonas: una uniforme en las proximidades de los elementos de rugosidad y otra superior que sigue una distribución logarítmica). Se ha empleado para ello un numeroso conjunto de 1.533 datos tomados en ríos y en canales de laboratorio, representativo de un amplio intervalo hidráulico y geomorfológico en el ámbito de ríos de grava y de montaña. Han resultado preferibles las ecuaciones ajustadas con los percentiles granulométricos mayores (d90 o d84) que las ajustadas con el diámetro mediano (d50), debido a la mayor capacidad explicativa alcanzada dado un modelo, la menor diferencia en la bondad de ajuste entre los diferentes modelos y la menor influencia del origen de los datos (río o canal de laboratorio). Las ecuaciones ajustadas de acuerdo con los modelos en donde se contemplan condiciones de alta rugosidad relativa presentan predicciones similares, exceptuando el intervalo macrorrugoso (y/d90 < 1), en el que es preferible la correspondiente al modelo fundamentado en el perfil de velocidad configurado en dos zonas. Se recomienda restringir la aplicación de la ecuación ajustada con arreglo a la ley potencial al intervalo de y/d90 comprendido entre uno y veinte, puesto que fuera de dicho intervalo tiende a infraestimar notablemente la resistencia al flujo.

Kuumalanka-anemometri virtausmittauksissa

Tässä työssä selostetaan kuumalanka-anemometrin käyttö virtausmittauksissa. Kuumalanka-anemometrilla saadaan mitattua virtausnopeuden ja -suunnan lisäksi nopeusheilahteluja. Mittaustaajuus on tyypillisesti useita kymmeniä tuhansia mittauksia sekunnissa ja signaali on jatkuva. Nykytekniikalla pystytään helposti tallentamaan mittauslaitteistolta saatu viesti tietokoneelle ja muuntamaan se nopeudeksi. Hetkellisten nopeuksien avulla voidaan laskea turbulenttisen virtauksen ominaisuuksia, kuten turbulenssin intensiteetti ja spektri. Kuumalanka-anemometrissa lämmitetään sähköisesti ohutta lankaa, joka on mitattavassa virtauksessa. Langan sähköteho on suunnilleen yhtäsuuri kuin langasta konvektiolla siirtyvä lämpöteho. Tällöin on teoreettisesti mahdollista laskea virtausnopeus lämpötehosta lämmönsiirtokorrelaatioilla. Käytännössä laitteisto joudutaan kuitenkin erikseen kalibroimaan, mutta sähkötehon teoreettista riippuvuutta konvektiosta käytetään hyväksi. Kuumalangan lämmitettävä osuus on tyypillisesti halkaisijaltaan 5 µm ja pituudeltaan noin 1 mm. Sitä käytetään pääasiassa kaasuvirtausten mittaamiseen ja valtaosassa mittauksissa virtausaineena on ilma. Kuumalanka voi olla toteutettu kuumakalvotekniikalla, jossa halkaisijaltaan noin 50 - 70 µm paksuinen kuitu on päällystetty ohuella sähköä johtavalla kalvolla. Kuumakalvoanturin ei tarvitse olla muodoltaan sylinterimäinen, se voi olla mm. kartiomainen tai kiilamainen. Erikoispäällystetyllä kuumakalvoanturilla on mahdollista mitata myös nestevirtauksia. Mitattaessa kaasuvirtauksia kuumakalvon etuna on selvästi parempi kestävyys verrattuna kuumalankaan. Nimitystä kuumalanka-anemometri käytetään yleisesti molemmista anturityypeistä Tämän työn alussa käsitellään sylinterin yli tapahtuvaan virtaukseen liittyvää virtausmekaniikkaa ja lämmönsiirtoa. Anemometrin sähköinen osa, laitteisto ja sen kalibrointi käydään läpi. Langan suuntariippuvuuden laskentaan esitetään tarvittavat yhtälöt. Työssä esitellään kolme laitteistolla tehtyä perusmittausta: anturin kohtauskulman muuttaminen, pyörähdyssymmerisen suihkun nopeuskenttä ja tuulitunnelin rajakerros. Lisäksi esitellään yksi käytännöllinen ja vaativampi mittaus, jossa on mitattu nopeusprofiili radiaalikompressorin diffuusorin loppuosassa.

DNA barcoding of Corsican mayflies (Ephemeroptera) with implications on biogeography, systematics and biodiversity

Mayflies (Ephemeroptera) are known to generally present a high degree of insular endemism: half of the 28 species known from Corsica and Sardinia are considered as endemic. We sequenced the DNA barcode (a fragment of the mitochondrial COI gene) of 349 specimens from 50 localities in Corsica, Sardinia, continental Europe and North Africa. We reconstructed gene trees of eight genera or species groups representing the main mayfly families. Alternative topologies were built to test if our reconstructions suggested a single or multiple Corsican/Sardinian colonization event(s) in each genus or species group. A molecular clock calibrated with different evolution rates was used to try to link speciation processes with geological events. Our results confirm the high degree of endemism of Corsican and Sardinian mayflies and the close relationship between these two faunas. Moreover, we have evidence that the mayfly diversity of the two islands is highly underestimated as at least six new putative species occur on the two islands. We demonstrated that the Corsican and Sardinian mayfly fauna reveals a complex history mainly related to geological events. The Messinian Salinity Crisis, which is thought to have reduced marine barriers, thus facilitating gene flow between insular and continental populations, was detected as the most important event in the speciation of most lineages. Vicariance processes related to the split and rotation of the Corso-Sardinian microplate had a minor impact as they involved only two genera with limited dispersal and ecological range. Colonization events posterior to the Messinian Salinity Crisis had only marginal effects as we had indication of recent gene flow only in two clades. With very limited recent gene flow and a high degree of endemism, mayflies from Corsica and Sardinia present all the criteria for conservation prioritization.

What is the potential of spread in invasive bryophytes?

Although the number of invasive bryophytes is much lower than that of higher plants, they threaten habitats that are often species rich and of high conservation relevance. Their potential of spread has, however, never been determined. Here, we assess whether the three most invasive bryophyte species shifted their niche during the invasion process and whether the extent of the study area defined to calibrate the model (geographic background, GB) affects model transferability. We then determine whether ecological niche models (ENMs) developed in their native range can be projected in other areas to assess their invasive potential. The macroclimatic niches of Campylopus introflexus, Orthodontium lineare and Lophocolea semiteres were compared in their native range (Southern Hemisphere) and in their invasion range (Northern Hemisphere) using ordination techniques. ENMs from an ensemble model were calibrated in the native range and projected onto the Northern Hemisphere using different GBs. No evidence for niche expansion in the invaded range was found and the species occur in the invaded range under climate conditions that are similar to those in the native range. The performance of the models to predict occurrences in the invaded range increased with the extent of the GB. The potential range of all species included entire regions on continents where they are still absent. The expansion of the investigated species appears to be constrained by climate conditions that are similar to those currently prevailing in their native range, which is consistent with our failure to demonstrate macroclimatic niche shift in the invaded range. The use of large GBs is recommended in such vagile organisms with large, disjunct distributions. The models indicated that invasive bryophyte species might become a threat in central and eastern Europe, North America and eastern Asia if accidentally introduced or naturally dispersed.

Incompressibility of neutron-rich matter

The saturation properties of neutron-rich matter are investigated in a relativistic mean-field formalism using two accurately calibrated models: NL3 and FSUGold. The saturation properties density, binding energy per nucleon, and incompressibility coefficient are calculated as a function of the neutron-proton asymmetry α≡(N-Z)/A to all orders in α. Good agreement (at the 10% level or better) is found between these numerical calculations and analytic expansions that are given in terms of a handful of bulk parameters determined at saturation density. Using insights developed from the analytic approach and a general expression for the incompressibility coefficient of infinite neutron-rich matter, i.e., K0(α)=K0+Kτα2+ , we construct a hybrid model with values for K0 and Kτ as suggested by recent experimental findings. Whereas the hybrid model provides a better description of the measured distribution of isoscalar monopole strength in the Sn isotopes relative to both NL3 and FSUGold, it significantly underestimates the distribution of strength in 208Pb. Thus, we conclude that the incompressibility coefficient of neutron-rich matter remains an important open problem.

Giant monopole energies from a constrained relativistic mean-field approach

Background:Average energies of nuclear collective modes may be efficiently and accurately computed using a nonrelativistic constrained approach without reliance on a random phase approximation (RPA). Purpose: To extend the constrained approach to the relativistic domain and to establish its impact on the calibration of energy density functionals. Methods: Relativistic RPA calculations of the giant monopole resonance (GMR) are compared against the predictions of the corresponding constrained approach using two accurately calibrated energy density functionals. Results: We find excellent agreement at the 2% level or better between the predictions of the relativistic RPA and the corresponding constrained approach for magic (or semimagic) nuclei ranging from 16 O to 208 Pb. Conclusions: An efficient and accurate method is proposed for incorporating nuclear collective excitations into the calibration of future energy density functionals.

Effect of radar rainfall time resolution on the predictive capability of a distributed hydrologic model

The performance of a hydrologic model depends on the rainfall input data, both spatially and temporally. As the spatial distribution of rainfall exerts a great influence on both runoff volumes and peak flows, the use of a distributed hydrologic model can improve the results in the case of convective rainfall in a basin where the storm area is smaller than the basin area. The aim of this study was to perform a sensitivity analysis of the rainfall time resolution on the results of a distributed hydrologic model in a flash-flood prone basin. Within such a catchment, floods are produced by heavy rainfall events with a large convective component. A second objective of the current paper is the proposal of a methodology that improves the radar rainfall estimation at a higher spatial and temporal resolution. Composite radar data from a network of three C-band radars with 6-min temporal and 2 × 2 km2 spatial resolution were used to feed the RIBS distributed hydrological model. A modification of the Window Probability Matching Method (gauge-adjustment method) was applied to four cases of heavy rainfall to improve the observed rainfall sub-estimation by computing new Z/R relationships for both convective and stratiform reflectivities. An advection correction technique based on the cross-correlation between two consecutive images was introduced to obtain several time resolutions from 1 min to 30 min. The RIBS hydrologic model was calibrated using a probabilistic approach based on a multiobjective methodology for each time resolution. A sensitivity analysis of rainfall time resolution was conducted to find the resolution that best represents the hydrological basin behaviour.

Piirilevyn emissiivisyyden vakiointi lämpökamerasovelluksiin

Lämpökameroiden kehitys on mahdollistanut lämpökameroiden käytön myös erittäin pienien kohteiden tarkastelussa. Luotettava absoluuttisten lämpötilojen selvittäminen lämpökameralla vaatii, että tarkasteltavan kohteen emissiivisyys on kauttaaltaan vakio ja tunnettu. Käytännössä erilaisten materiaalipintojen emissiivisyyksissä on merkittäviä eroja, mikä aiheuttaa virheitä mittaustuloksiin. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää halpa ja käytännöllinen keino piirilevyn emissiivisyyden vakiointiin. Työssä kartoitettiin erilaisia pinnoitteita, joille tehtiin resistanssi-, impedanssi- sekä lämpökameramittaukset. Mittauksilla selvitettiin pinnoitteen soveltuvuus emissiivisyyden vakiointiin. Lisäksi tutustuttiin pintapuolisesti pinnoiteaineiden kemialliseen rakenteeseen, jotta saatiin peruskäsitys siitä, onko aineiden kemiallisella rakenteella merkitystä pinnoiteaineen emissiivisyyden vakiointikykyyn. Tutkimustulosten perusteella tutkituista pinnoitteista parhaaksi todettiin talkkijauhe. Talkkipinnoitteella saatiin luotettavia mittaustuloksia. Tällä hetkellä pinnoitemenetelmää voidaan käyttää yksittäisten piirilevyjen testauksessa laboratorio-olosuhteissa. Tulevaisuudessa menetelmää voitaisiin soveltaa myös piirilevyjen tuotantolinjalle.