Nonlinear Effects in Granular Crystals with Broken Periodicity

When studying physical systems, it is common to make approximations: the contact interaction is linear, the crystal is periodic, the variations occurs slowly, the mass of a particle is constant with velocity, or the position of a particle is exactly known are just a few examples. These approximations help us simplify complex systems to make them more comprehensible while still demonstrating interesting physics. But what happens when these assumptions break down? This question becomes particularly interesting in the materials science community in designing new materials structures with exotic properties In this thesis, we study the mechanical response and dynamics in granular crystals, in which the approximation of linearity and infinite size break down. The system is inherently finite, and contact interaction can be tuned to access different nonlinear regimes. When the assumptions of linearity and perfect periodicity are no longer valid, a host of interesting physical phenomena presents itself. The advantage of using a granular crystal is in its experimental feasibility and its similarity to many other materials systems. This allows us to both leverage past experience in the condensed matter physics and materials science communities while also presenting results with implications beyond the narrower granular physics community. In addition, we bring tools from the nonlinear systems community to study the dynamics in finite lattices, where there are inherently more degrees of freedom. This approach leads to the major contributions of this thesis in broken periodic systems. We demonstrate the first defect mode whose spatial profile can be tuned from highly localized to completely delocalized by simply tuning an external parameter. Using the sensitive dynamics near bifurcation points, we present a completely new approach to modifying the incremental stiffness of a lattice to arbitrary values. We show how using nonlinear defect modes, the incremental stiffness can be tuned to anywhere in the force-displacement relation. Other contributions include demonstrating nonlinear breakdown of mechanical filters as a result of finite size, and the presents of frequency attenuation bands in essentially nonlinear materials. We finish by presenting two new energy harvesting systems based on our experience with instabilities in weakly nonlinear systems.

Relativistic mean field theory: methods and applications

We develop a method for performing one-loop calculations in finite systems that is based on using the WKB approximation for the high energy states. This approximation allows us to absorb all the counterterms analytically and thereby avoids the need for extreme numerical precision that was required by previous methods. In addition, the local approximation makes this method well suited for self-consistent calculations. We then discuss the application of relativistic mean field methods to the atomic nucleus. Self-consistent, one loop calculations in the Walecka model are performed and the role of the vacuum in this model is analyzed. This model predicts that vacuum polarization effects are responsible for up to five percent of the local nucleon density. Within this framework the possible role of strangeness degrees of freedom is studied. We find that strangeness polarization can increase the kaon-nucleus scattering cross section by ten percent. By introducing a cutoff into the model, the dependence of the model on short-distance physics, where its validity is doubtful, is calculated. The model is very sensitive to cutoffs around one GeV.

Análisis cinemático del robot antropomórfico IRB120 de ABB

[ES]En el siguiente Trabajo Fin de Grado se va a exponer el análisis cinemático y desarrollo de un modelo virtual para la implementación de las ecuaciones cinemáticas del robot IRB120 de ABB llevados a cabo durante el curso 2013/2014. Comenzando por un estudio del Estado del Arte de la robótica industrial, se plantean seguidamente las ecuaciones de localización del robot en función de las variables de entrada mediante el método matricial. Estas ecuaciones son implementadas en un modelo de MatLab para usarlas en la resolución del problema de posición directo e inverso, y son también usadas en herramientas de creación de trayectorias. Además, sus derivadas se utilizan en el cálculo de velocidades del elemento terminal. Por último, se muestra la creación del prototipo 3D del robot, así como un interfaz gráfico de control del robot para el usuario, y los trabajos de validación llevados a cabo de los mencionados modelos virtuales sobre el robot real.

Control de un sistema de accionamientos de traslación basado en correa para un manipulador de cinemática paralela

[ES]Este Trabajo de Fin de Grado “Control de un sistema de accionamientos de traslación basado en correa para un manipulador de cinemática paralela” tiene como objetivo principal la implementación de un sistema de control que nos permita manejar un manipulador de cinemática paralela de dos grados de libertad accionado mediante dos motores eléctricos de corriente continua. Como componente central de este sistema de control, se dispondrá de un ordenador portátil cuyo procesador será el encargado de ejecutar las acciones necesarias para que pueda llevarse a cabo esta actividad de control. De esta forma, la tarea más importante y laboriosa a llevar cabo en este proyecto será el desarrollo de un aplicación de control que, corriendo en el citado ordenador, permitirá al usuario manejar el manipulador de cinemática paralela en cuestión. Para ello, esta aplicación deberá ser capaz de interpretar las ordenes de movimiento dadas por el usuario y transmitirlas al procesador del mencionado ordenador. Además de todo lo anterior, para completar el desarrollo del sistema de control, será necesaria la implementación de diversos sensores que se encargarán de detectar y transmitir las señales necesarias para evitar situaciones de emergencia en el que el manipulador estuviese a punto de chocar con algún objeto o persona. En conclusión, mediante el cumplimiento de los objetivos de este Trabajo de Fin de Grado, se va a disponer de un sistema de control sencillo, intuitivo y fácilmente operable, que va a permitir a cualquier futuro usuario del mismo el manejo de un robot de cinemática paralela.

Relativistic quark models and the current algebra

In this thesis we are concerned with finding representations of the algebra of SU(3) vector and axial-vector charge densities at infinite momentum (the "current algebra") to describe the mesons, idealizing the real continua of multiparticle states as a series of discrete resonances of zero width. Such representations would describe the masses and quantum numbers of the mesons, the shapes of their Regge trajectories, their electromagnetic and weak form factors, and (approximately, through the PCAC hypothesis) pion emission or absorption amplitudes.

We assume that the mesons have internal degrees of freedom equivalent to being made of two quarks (one an antiquark) and look for models in which the mass is SU(3)-independent and the current is a sum of contributions from the individual quarks. Requiring that the current algebra, as well as conditions of relativistic invariance, be satisfied turns out to be very restrictive, and, in fact, no model has been found which satisfies all requirements and gives a reasonable mass spectrum. We show that using more general mass and current operators but keeping the same internal degrees of freedom will not make the problem any more solvable. In particular, in order for any two-quark solution to exist it must be possible to solve the "factorized SU(2) problem," in which the currents are isospin currents and are carried by only one of the component quarks (as in the K meson and its excited states).

In the free-quark model the currents at infinite momentum are found using a manifestly covariant formalism and are shown to satisfy the current algebra, but the mass spectrum is unrealistic. We then consider a pair of quarks bound by a potential, finding the current as a power series in 1/m where m is the quark mass. Here it is found impossible to satisfy the algebra and relativistic invariance with the type of potential tried, because the current contributions from the two quarks do not commute with each other to order 1/m³. However, it may be possible to solve the factorized SU(2) problem with this model.

The factorized problem can be solved exactly in the case where all mesons have the same mass, using a covariant formulation in terms of an internal Lorentz group. For a more realistic, nondegenerate mass there is difficulty in covariantly solving even the factorized problem; one model is described which almost works but appears to require particles of spacelike 4-momentum, which seem unphysical.

Although the search for a completely satisfactory model has been unsuccessful, the techniques used here might eventually reveal a working model. There is also a possibility of satisfying a weaker form of the current algebra with existing models.

Spin-helical Dirac states in graphene induced by polar-substrate surfaces with giant spin-orbit interaction: a new platform for spintronics

Spintronics, or spin electronics, is aimed at efficient control and manipulation of spin degrees of freedom in electron systems. To comply with demands of nowaday spintronics, the studies of electron systems hosting giant spin-orbit-split electron states have become one of the most important problems providing us with a basis for desirable spintronics devices. In construction of such devices, it is also tempting to involve graphene, which has attracted great attention because of its unique and remarkable electronic properties and was recognized as a viable replacement for silicon in electronics. In this case, a challenging goal is to lift spin degeneracy of graphene Dirac states. Here, we propose a novel pathway to achieve this goal by means of coupling of graphene and polar-substrate surface states with giant Rashba-type spin-splitting. We theoretically demonstrate it by constructing the graphene@BiTeCl system, which appears to possess spin-helical graphene Dirac states caused by the strong interaction of Dirac and Rashba electrons. We anticipate that our findings will stimulate rapid growth in theoretical and experimental investigations of graphene Dirac states with real spin-momentum locking, which can revolutionize the graphene spintronics and become a reliable base for prospective spintronics applications.

Insights into mechanism kinematics for protein motion simulation

Background: The high demanding computational requirements necessary to carry out protein motion simulations make it difficult to obtain information related to protein motion. On the one hand, molecular dynamics simulation requires huge computational resources to achieve satisfactory motion simulations. On the other hand, less accurate procedures such as interpolation methods, do not generate realistic morphs from the kinematic point of view. Analyzing a protein's movement is very similar to serial robots; thus, it is possible to treat the protein chain as a serial mechanism composed of rotational degrees of freedom. Recently, based on this hypothesis, new methodologies have arisen, based on mechanism and robot kinematics, to simulate protein motion. Probabilistic roadmap method, which discretizes the protein configurational space against a scoring function, or the kinetostatic compliance method that minimizes the torques that appear in bonds, aim to simulate protein motion with a reduced computational cost. Results: In this paper a new viewpoint for protein motion simulation, based on mechanism kinematics is presented. The paper describes a set of methodologies, combining different techniques such as structure normalization normalization processes, simulation algorithms and secondary structure detection procedures. The combination of all these procedures allows to obtain kinematic morphs of proteins achieving a very good computational cost-error rate, while maintaining the biological meaning of the obtained structures and the kinematic viability of the obtained motion. Conclusions: The procedure presented in this paper, implements different modules to perform the simulation of the conformational change suffered by a protein when exerting its function. The combination of a main simulation procedure assisted by a secondary structure process, and a side chain orientation strategy, allows to obtain a fast and reliable simulations of protein motion.

Um estudo sobre a teoria de campos no espaço-tempo não comutativo

Os aspectos quânticos de teorias de campo formuladas no espaço-tempo não comutativo têm sido amplamente estudados ao longo dos anos. Um dos principais aspectos é o que na literatura ficou conhecido como mixing IR/UV. Trata-se de uma mistura das divergências, que foi vista pela primeira vez no trabalho de Minwalla et al [28], onde num estudo do campo escalar não comutativo com interação quártica vemos já a 1 loop que o tadpole tem uma divergência UV associada a sua parte planar e, junto com ela, temos uma divergência IR associada com um gráfico não planar. Essa mistura torna a teoria não renormalizável. Dado tal problema, houve então uma busca por mecanismos que separassem essas divergências a fim de termos teorias renormalizáveis. Um mecanismo proposto foi a adição de um termo não local na ação U*(1) para que esta seja estável.Neste trabalho, estudamos através da renormalização algébrica a estabilidade deste modelo. Para tal, precisamos localizar o operador não local através de campos auxiliares e seus respectivos ghosts (metodo de Zwanziger) na intenção de retirar os graus de liberdade indesejados que surgem. Usamos o approachda quebra soft de BRST para analisar o termo que quebra BRST, que consiste em reescrevermos tal termo com o auxílio de fontes externas que num determinado limite físico voltam ao termo original.Como resultado, vimos que a teoria com a adição deste termo na ação só é renormalizável se tivermos que introduzir novos termos, sendo alguns deles quárticos. Porém, estes termos mudam a forma do propagador, que não desacopla as divergências. Um outro aspecto que podemos salientar é que, dependendo da escolha de alguns parâmetros, o propagador dá indícios de termos um fótonconfinante, seguindo o critério de Wilson e o critério da perda da positividade do propagador.

Bergson e a criação artística

O pensamento de Bergson situa a estética no seio de uma filosofia da natureza, cujo princípio metafísico está longe de qualquer determinismo e do arbítrio do acaso, remetendo-se à irreversibilidade do tempo. Ao invés de disciplina intelectual que busca a natureza da beleza, trata-se, antes, de conduta vital, processo de diferenciação virtual rumo à posição de novidades radicais, podendo ou não desembocar na atividade artística. A arte não é, portanto, um conjunto de atributos atualmente dados ou a prática de habilidades específicas e, sim, um modo de ação que entrelaça os regimes do virtual e do atual sem permitir que a existência se sobreponha à consistência, realizando-se, inclusive, na sua própria abertura. Se o impulso da vida é o que comunica espírito e matéria, inserindo liberdade na necessidade, segue-se que a atividade artística é uma das vias em que desemboca o elã, ao lado dos seres vivos e da expressão mística. A individuação de uma obra implica certos graus de liberdade e níveis de consciência que não se explicam nem pela espécie, nem pelo indivíduo, já que sua contração intuitiva submete a duração do artista a tonalidades não psicológicas e a-subjetivas. Tocado por uma emoção criadora, vai-se realmente do Todo Aberto à colocação de novos mundos. O veículo de ação confunde-se com a própria ação, criatura com criador, de modo que o corpo artístico instaurado é puro transbordamento de vitalidade, consciência de si do tempo.

Modelagem da Dinâmica do Sistema de Controle de Lastro de uma Plataforma Semisubmersível.

É descrita a modelagem, para controle, da dinâmica de uma plataforma semisubmersível com seis graus de liberdade. O modelo inclui os efeitos dos tanques de lastro como forças e momentos, assim como a dinâmica da plataforma. Os parâmetros do sistema foram obtidos das características da plataforma e de resultados experimentais obtidos com uma plataforma semisubmersível de dimensões reduzidas. O desenvolvimento de uma metodologia e de um software capazes de determinar o volume submerso e o centro de empuxo de uma estrutura com geometria complexa foram pontos determinantes nessa Dissertação, tendo em vista a complexidade do processo e as importâncias desses parâmetros para o desenvolvimento do modelo. A linearização do modelo permitiu a elaboração de uma estratégia de controle capaz de estabilizar a plataforma mesmo em condições iniciais distantes do equilíbrio. As equações que descrevem o movimento da plataforma nos graus de liberdade vertical, jogo e arfagem foram desenvolvidas. A realocação dos polos e um observador de estado foram utilizados com o objetivo de melhorar o controle do sistema.

Influência da Velocidade, do Espaçamento e do Número de Veículos sobre a Resposta Dinâmica de Pontes Rodoviárias de Concreto Armado.

Nesta dissertação são avaliados os efeitos dinâmicos provenientes da travessia de comboios de veículos sobre o tabuleiro irregular de obras de arte rodoviárias de concreto armado. O modelo matemático empregado para simular o comportamento do sistema veículo-ponte considera a participação da massa e da rigidez das viaturas na definição das freqüências do sistema e, conseqüentemente, a força de interação entre os veículos e a ponte é afetada pela flexibilidade desta. A ponte é modelada a partir do emprego de elementos finitos de barra unidimensionais e discretizado com massas concentradas e flexibilidade distribuída. O modelo de veículo empregado baseia-se no veículo TB-12 preconizado pela norma brasileira NBR 7188. Este veículo é simulado por sistemas de massas, molas e amortecedores sendo descrito por graus de liberdade à translação e rotação no plano. As irregularidades da pista são definidas por um modelo não-determinístico com base na densidade espectral do pavimento. O carregamento sobre a ponte é constituído por sucessões de veículos deslocando-se com velocidade constante sobre a obra. Devido à própria natureza das irregularidades da pista e do comboio de veículos, atenção especial é concentrada na fase permanente da resposta do sistema. São estudadas as respostas de dois modelos estruturais existentes, com base em tabuleiros isostáticos, em concreto armado, com e sem balanços, em seção do tipo T e duplo T, respectivamente, em termos de deslocamentos e esforços nas seções onde ocorrem os efeitos máximos. As conclusões do trabalho versam sobre a influência da velocidade, espaçamento e do número de veículos, referentes a situações distintas de carregamento, no que tange a resposta dinâmica das pontes rodoviárias de concreto armado. A magnitude dos efeitos dinâmicos associados à interação dos veículos com o pavimento irregular também é investigada.

O amor no spinozismo e a política do comum

No plano de imanência de Spinoza, o amor é afeto expressivo de uma diferença que marca o trânsito a estados de maior perfeição ou realidade. A partir da compreensão do princípio de univocidade, a imanência se expressa na produção de diferenças. O amor de Deus serve como guia para a vida política conduzida pela razão. Não um Deus personalizado, mas como nome da potência (potentia). Se a multidão compreende adequadamente sua própria essência como direito ou potência natural de resistir à dominação e de se auto-organizar em liberdade, o amor surge como força vital de constituição do comum e leva à invenção de formas cada vez mais aperfeiçoadas de vida. A democracia emerge, por sua vez, como o mais natural dos regimes políticos, porque é o que mais convém com a natureza dos homens guiados pela razão. Assim, nas redes e nas ruas a multidão exercita a liberdade quando promove encontros alegres entre as singularidades que a compõem. Ao lado de um conhecimento adequado para a produção de graus maiores de liberdade, surge uma espécie de amor da multidão por sua própria essência ou potência, ou seja, a afirmação em si mesma da diferença, da abertura e da multiplicidade. Aqui, os afetos passivos que são promovidos pelas relações de dominação, como o medo, o ódio e a esperança, devem ceder lugar aos afetos ativos do amor à liberdade necessária para diferir-se. A alegria da multidão, enfim, deriva de sua potência ativa de criar formas de vida comum a partir da composição de singularidades múltiplas. No seio da produção biopolítica contemporânea, surgem novos horizontes para o combate de resistência e criação conjunta contra as formas de vida submetidas à servidão. Seguindo principalmente a linhagem spinozista de Antonio Negri e Gilles Deleuze, explora-se aqui as condições da experiência real que determinam a possibilidade de uma ética política do amor na contemporaneidade.

HEAVY VEHICLE VIBRATION - A CASE STUDY.

A method is presented for the digital simulation of multiple degrees-of-freedom lumped parameter vibrating systems with arbitrary constitutive elements in an inertial frame of reference. The geometry of the system is treated independently of the constitutive elements and as a result nonlinear (time domain) or linearised (frequency domain) calculations may be performed using a single input description. The method is used to simulate a 3-axle rigid heavy commercial vehicle for harsh vibrating conditions. Some of the assumptions to which the calculations are sensitive are examined. Agreement between the response of a 3-dimensional whole vehicle model and measurements on the test vehicle is satisfactory.

Energy stable and momentum conserving hybrid finite element method for the incompressible Navier-Stokes equations

A hybrid method for the incompressible Navier-Stokes equations is presented. The method inherits the attractive stabilizing mechanism of upwinded discontinuous Galerkin methods when momentum advection becomes significant, equal-order interpolations can be used for the velocity and pressure fields, and mass can be conserved locally. Using continuous Lagrange multiplier spaces to enforce flux continuity across cell facets, the number of global degrees of freedom is the same as for a continuous Galerkin method on the same mesh. Different from our earlier investigations on the approach for the Navier-Stokes equations, the pressure field in this work is discontinuous across cell boundaries. It is shown that this leads to very good local mass conservation and, for an appropriate choice of finite element spaces, momentum conservation. Also, a new form of the momentum transport terms for the method is constructed such that global energy stability is guaranteed, even in the absence of a pointwise solenoidal velocity field. Mass conservation, momentum conservation, and global energy stability are proved for the time-continuous case and for a fully discrete scheme. The presented analysis results are supported by a range of numerical simulations. © 2012 Society for Industrial and Applied Mathematics.

Integrated high pressure microhydraulic actuation and control for surgical instruments

To reduce the surgical trauma to the patient, minimally invasive surgery is gaining considerable importance since the eighties. More recently, robot assisted minimally invasive surgery was introduced to enhance the surgeon's performance in these procedures. This resulted in an intensive research on the design, fabrication and control of surgical robots over the last decades. A new development in the field of surgical tool manipulators is presented in this article: a flexible manipulator with distributed degrees of freedom powered by microhydraulic actuators. The tool consists of successive flexible segments, each with two bending degrees of freedom. To actuate these compliant segments, dedicated fluidic actuators are incorporated, together with compact hydraulic valves which control the actuator motion. Especially the development of microvalves for this application was challenging, and are the main focus of this paper. The valves distribute the hydraulic power from one common high pressure supply to a series of artificial muscle actuators. Tests show that the angular stroke of the each segment of this medical instrument is 90°. © 2012 Springer Science+Business Media, LLC.