Computational Structure of Human Language

The central thesis of this report is that human language is NP-complete. That is, the process of comprehending and producing utterances is bounded above by the class NP, and below by NP-hardness. This constructive complexity thesis has two empirical consequences. The first is to predict that a linguistic theory outside NP is unnaturally powerful. The second is to predict that a linguistic theory easier than NP-hard is descriptively inadequate. To prove the lower bound, I show that the following three subproblems of language comprehension are all NP-hard: decide whether a given sound is possible sound of a given language; disambiguate a sequence of words; and compute the antecedents of pronouns. The proofs are based directly on the empirical facts of the language user's knowledge, under an appropriate idealization. Therefore, they are invariant across linguistic theories. (For this reason, no knowledge of linguistic theory is needed to understand the proofs, only knowledge of English.) To illustrate the usefulness of the upper bound, I show that two widely-accepted analyses of the language user's knowledge (of syntactic ellipsis and phonological dependencies) lead to complexity outside of NP (PSPACE-hard and Undecidable, respectively). Next, guided by the complexity proofs, I construct alternate linguisitic analyses that are strictly superior on descriptive grounds, as well as being less complex computationally (in NP). The report also presents a new framework for linguistic theorizing, that resolves important puzzles in generative linguistics, and guides the mathematical investigation of human language.

Negative Fukui functions: new insights based on electronegativity equalization

The occurrence of negative values for Fukui functions was studied through the electronegativity equalization method. Using algebraic relations between Fukui functions and different other conceptual DFT quantities on the one hand and the hardness matrix on the other hand, expressions were obtained for Fukui functions for several archetypical small molecules. Based on EEM calculations for large molecular sets, no negative Fukui functions were found

Caracterització i revaloració de la fracció plasmàtica de la sang de porc procedent d'escorxadors industrials

La tesi s'ha estructurat en tres apartats que, en conjunt, han de permetre determinar les possibilitats d'aprofitament dins la mateixa indústria alimentària de la fracció plasmàtica de la sang de porc generada per escorxadors que utilitzen sistemes oberts de recollida higiènica. 1. En la primera part s'analitza la composició de la sang higiènica que s'està recollint actualment i s'estudien les característiques tant físico-químiques com microbiològiques que determinen la seva qualitat. La caracterització s'ha realitzat amb sang recollida en diferents escorxadors industrials de les comarques de Girona i s'ha centrat principalment en l'estudi de la contaminació microbiològica i el nivell d'hemòlisi de la sang. S'ha fet un disseny experimental que ha permès alhora valorar l'efecte d'alguns factors sobre la qualitat de la sang: possibles diferències relacionades amb (1) la climatologia del període de l'any en el qual es fa la recollida, (2) particularitats dels escorxadors (grandària, sistemes de dessagnat, tipus, dosi i sistema de dosificació de l'anticoagulant, condicions de processament, maneig i emmagatzematge després de la recollida, etc.). Els resultats obtinguts ens permeten constatar que, en les condicions actuals, la sang que s'està recollint en els escorxadors estudiats no es pot considerar adequada per a una matèria primera de productes destinats a alimentació humana. La major part de la microbiota contaminant s'adquireix en el propi sagnador. S'ha constatat que el sistema de dessagnat en posició horitzontal podria ser una mesura útil per minimitzar la contaminació d'origen fecal o provinent de la pell de l'animal sacrificat i que la separació immediata de les fraccions en el propi escorxador també pot contribuir a reduir la contaminació. Així doncs, en el benentès que l'efectivitat pot obtenir-se del conjunt de mesures preses, més que de l'aplicació d'una sola d'elles, es suggereix la introducció d'una sèrie d'actuacions que potser permetrien reduir els nivells de contaminació que s'obtenen actualment. El tractament mecànic de la sang, el sistema d'addició d'anticoagulant, el volum i concentració de la solució anticoagulant afegida i el període d'emmagatzematge són els factors responsables de l'hemòlisi; mentre que nivells elevats de contaminació microbiològica i el tipus d'anticoagulant utilitzat deterrminen la velocitat d'increment de l'hemòlisi de sang refrigerada. S'ha constatat que quan la sang no pot ser processada immediatament i s'ha d'emmagatzemar en refrigeració és millor utilitzar citrat sòdic enlloc de polifosfat com a anticoagulant ja que l'increment d'hemòlisi es dóna més lentament. 2. El segon apartat s'ha centrat en la fracció plasmàtica de la sang. S'ha utilitzat la deshidratació per atomització com a tecnologia de conservació del plasma i s'ha fet una caracterització del producte en pols resultant des del punt de vista de composició i qualitat. A més de la contaminació microbiològica, que determina la qualitat higiènico-sanitària del producte, s'ha realitzat un estudi de les propietats funcionals que podrien fer del plasma un producte útil en la formulació d'aliments (capacitat escumant, emulsionant, gelificant). S'ha fet especial incidència en (1) determinar l'efecte del procés tecnològic de deshidratació sobre la funcionalitat del producte i (2) estudiar l'estabilitat del plasma deshidratat durant el període d'emmagatzematge. En les condicions de deshidratació per atomització aplicades no es provoca desnaturalització de la fracció proteica i s'obté un producte suficientment deshidratat, amb una aw<0,4 per permetre suposar una bona estabilitat. Algunes mostres de plasma deshidratat analitzades presenten nivells detectables de determinats residus (sulfonamides i corticosteroides). La qualitat microbiològica del producte en pols reflecteix l'elevada contaminació que contenia la matèria primera utilitzada, tot i que la deshidratació per atomització ha comportat la reducció en una unitat logarítmica de la càrrega contaminant. Els recomptes generals de microorganismes són encara preocupants i més tenint en compte que s'ha evidenciat la presència de toxines estafilocòciques en algunes mostres. L'avaluació de les propietats funcionals del producte deshidratat en relació a les que presentava el plasma líquid ens ha permès comprovar que: (1) El procés de deshidratació no ha afectat la solubilitat de les proteïnes. Això, junt amb el fet que no s'obtinguin diferències significatives en l'anàlisi calorimètrica de mostres líquides o deshidratades, permet concloure que el procés no provoca desnaturalització proteica. (2) No s'observen efectes negatius del procés tecnològic sobre la capacitat escumant ni en l'activitat emulsionant de les proteïnes plasmàtiques, dues propietats funcionals que possibiliten l'aplicació del plasma amb aquestes finalitats en l'elaboració d'alguns aliments. (3) La deshidratació tampoc perjudica de manera important les característiques dels gels que s'obtenen per escalfament, ja que els gels obtinguts a partir del plasma líquid i del plasma deshidratat presenten la mateixa capacitat de retenció d'aigua i no s'observen diferències en la microestructura de la xarxa proteica d'ambdós tipus de gel. Tanmateix, els que s'obtenen a partir del producte en pols mostren una menor resistència a la penetració. L'estudi d'estabilitat ens ha permès comprovar que la mostra de plasma deshidratat per atomització perd algunes de les seves propietats funcionals (facilitat de rehidratació, capacitat de retenció d'aigua i fermesa dels gels) si s'emmagatzema a temperatura ambient, mentre que aquestes característiques es mantenen un mínim de sis mesos quan el producte en pols es conserva a temperatura de refrigeració. 3. En l'última part, tenint en compte les conclusions derivades dels resultats dels apartats anteriors, s'han assajat tres possibles sistemes de reducció de la contaminació aplicables a la fracció plasmàtica com a pas previ a la deshidratació, per tal de millorar les característiques de qualitat microbiològica i les perspectives d'estabilitat del producte durant l'emmagatzematge. S'ha determinat l'eficàcia, i l'efecte sobre les propietats del plasma deshidratat, que poden tenir tractaments d'higienització basats en la centrifugació, la microfiltració tangencial i l'aplicació d'altes pressions. Els tractaments de bactofugació aplicats permeten reduir entre el 96 i el 98% la contaminació microbiana del plasma. Aquesta reducció s'aconsegueix tant amb un sistema discontinu com amb un sistema continu treballant a una velocitat de 12 L/h, fet que permetria adaptar el tractament de bactofugació a un procés de producció industrial. Un sistema combinat de bactofugació en continu i microfiltració tangencial permet incrementar l'eficàcia fins a un 99,9 % de reducció. Cal tenir present, però, que aquest tractament provoca també una disminució de l'extracte sec que afecta negativament les propietats funcionals del plasma líquid. Malgrat suposar una pèrdua pel que fa al rendiment, aquest efecte negatiu sobre la funcionalitat no suposaria cap inconvenient si s'utilitzés la deshidratació com a tecnologia de conservació del plasma, ja que es podria corregir l'extracte sec durant la reconstitució del producte. Caldria avaluar si la millora en la qualitat higiènico-sanitària del producte compensa o no les pèrdues que suposa aquest sistema d'higienització combinat. Amb relació als tractaments d'alta pressió, de totes les condicions de tractament assajades, les pressions de fins 450 MPa permeten obtenir plasma sense modificacions importants que impedeixin la seva deshidratació per atomització. Així doncs, les condicions de procés que s'han aplicat són pressuritzacions a 450 MPa de 15 minuts de durada. La temperatura de tractament que s'ha mostrat més eficaç en la reducció dels recomptes de microorganismes ha estat de 40ºC. Els tractaments a aquesta temperatura permeten assolir reduccions del 99,97% i disminuir en un 80% la capacitat de creixement dels microorganismes supervivents a la pressurització en relació a la que presentava la població contaminant del plasma abans del tractament. L'estudi de l'efecte d'aquest tractament (450 MPa, 15 min i 40ºC) sobre les propietats funcionals del plasma ha permès observar que la pressurització comporta una disminució en la solubilitat del producte però una millora en les propietats de superfície -estabilitat de l'escuma i activitat emulsionant- i un increment de la capacitat de retenció d'aigua i de la duresa dels gels obtinguts per escalfament. Calen més estudis per confirmar i caracteritzar aquesta millora en la funcionalitat, així com per establir si el tractament de pressurització afecta també l'estabilitat del producte durant l'emmagatzematge. De totes les tecnologies d'higienització assajades, l'alta pressió és la que permet obtenir millors resultats en el sentit de poder garantir un producte de bona qualitat microbiològica i segur, des del punt de vista sanitari i tecnològic, per a la seva utilització com a ingredient alimentari.

Influencia del proceso de reciclado sobre las propiedades de los materiales compuestos obtenidos por inyección de poliestireno reforzado con fibras lignocelulósicas

The objective of this research is to study the influence of several recycling cycles on the mechanical properties of four different materials made by the injection of polystyrene. The four materials studied have different characteristics. The first one is polystyrene (PS), the second one is polystyrene reinforced with hemp fibers (PSf), the third one is polystyrene reinforced with hemp fibers modified with AKD (PSft) and the last one is polystyrene reinforced with fiberglass (PSfv). With all these materials tensile strength, bending, hardness and impact is measured. After the measurement of these physical properties, materials are recycled to obtain new injection samples, and its physical properties are measured again. This process is repeated during 24 cycles. After each recycling cycle material physical properties are related with polystyrene molecular weight, melt flow, FTIR spectra and DSC. From reinforced materials, fibers are recovered and through microscopy and image analysis they are characterized to study the influence that recycling has on its structure.

Desenvolupament, implementació i aplicació de noves metodologies per a l'estudi de la reactivitat química i de les propietats òptiques no lineals

El coneixement de la superfície d'energia potencial (PES) ha estat essencial en el món de la química teòrica per tal de discutir tant la reactivitat química com l'estructura i l'espectroscòpia molecular. En el camp de la reactivitat química es hem proposat continuar amb el desenvolupament de nova metodologia dins el marc de la teoria del funcional de la densitat conceptual. En particular aquesta tesis es centrarà en els següents punts: a) El nombre i la naturalesa dels seus punts estacionaris del PES poden sofrir canvis radicals modificant el nivell de càlcul utilitzats, de tal manera que per estar segurs de la seva naturalesa cal anar a nivells de càlcul molt elevats. La duresa és una mesura de la resistència d'un sistema químic a canviar la seva configuració electrònica, i segons el principi de màxima duresa on hi hagi un mínim o un màxim d'energia trobarem un màxim o un mínim de duresa, respectivament. A l'escollir tot un conjunt de reaccions problemàtiques des del punt de vista de presència de punts estacionaris erronis, hem observat que els perfils de duresa són més independents de la base i del mètode utilitzats, a més a més sempre presenten el perfil correcte. b) Hem desenvolupat noves expressions basades en les integracions dels kernels de duresa per tal de determinar la duresa global d'una molècula de manera més precisa que la utilitzada habitualment que està basada en el càlcul numèric de la derivada segona de l'energia respecte al número d'electrons. c) Hem estudiat la validesa del principis de màxima duresa i de mínima polaritzabiliat en les vibracions asimètriques en sistemes aromàtics. Hem trobat que per aquests sistemes alguns modes vibracionals incompleixen aquests principis i hem analitzat la relació d'aquest l'incompliment amb l'efecte de l'acoblament pseudo-Jahn-Teller. A més a més, hem postulat tot un conjunt de regles molt senzilles que ens permetien deduir si una molècula compliria o no aquests principis sense la realització de cap càlcul previ. Tota aquesta informació ha estat essencial per poder determinar exactament quines són les causes del compliment o l'incompliment del MHP i MPP. d) Finalment, hem realitzat una expansió de l'energia funcional en termes del nombre d'electrons i de les coordenades normals dintre del conjunt canònic. En la comparació d'aquesta expansió amb l'expansió de l'energia del nombre d'electrons i del potencial extern hem pogut recuperar d'una altra forma diferent tot un conjunt de relacions ja conegudes entre alguns coneguts descriptors de reactivitat del funcional de la densitat i en poden establir tot un conjunt de noves relacions i de nous descriptors. Dins del marc de les propietats moleculars es proposa generalitzar i millorar la metodologia pel càlcul de la contribució vibracional (Pvib) a les propietats òptiques no lineals (NLO). Tot i que la Pvib no s'ha tingut en compte en la majoria dels estudis teòrics publicats de les propietats NLO, recentment s'ha comprovat que la Pvib de diversos polímers orgànics amb altes propietats òptiques no lineals és fins i tot més gran que la contribució electrònica. Per tant, tenir en compte la Pvib és essencial en el disseny dels nous materials òptics no lineals utilitzats en el camp de la informàtica, les telecomunicacions i la tecnologia làser. Les principals línies d'aquesta tesis sobre aquest tema són: a) Hem calculat per primera vegada els termes d'alt ordre de Pvib de diversos polímers orgànics amb l'objectiu d'avaluar la seva importància i la convergència de les sèries de Taylor que defineixen aquestes contribucions vibracionals. b) Hem avaluat les contribucions electròniques i vibracionals per una sèrie de molècules orgàniques representatives utilitzant diferents metodologies, per tal de poder de determinar quina és la manera més senzilla per poder calcular les propietats NLO amb una precisió semiquantitativa.

Improvement of heat-induced gel properties of porcine plasma

L'objectiu és millorar els gels de plasma porcí induïts per calor a pH àcid utilitzant transglutaminasa microbiana (MTGasa). El tractament millora textura i CRA dels gels a pH 5,5, però les millores no són suficients per recuperar les pèrdues degut a l'acidificació. L'estructura globular de les proteïnes dificulta l'atac enzimàtic. La reactivitat de l'enzim no millora amb l'addició de cisteïna a plasma amb MTGasa. El tractament del plasma amb MTGasa sota alta pressió (HP) millora la duresa dels gels. No obstant, la CRA només millora lleugerament. La duresa es pot incrementar mantenint les solucions de plasma pressuritzat sota refrigeració, encara que no millora la CRA. Es pot concloure que les pèrdues en la textura dels gels de plasma induïts per calor a pH àcid es poden recuperar parcialment tractant amb MTGasa, especialment afegint cisteïna o sota HP. Encara que la CRA només es veu lleugerament millorada en el segon cas.

Composition and cure temperature: The influence on properties of final flexible PU cold cure foam parts

Foams are cellular structures, produced by gas bubbles formed during the polyurethane polymerization mixture. Flexible PU foams meet the following two criteria: have a limited resistance to an applied load, being both permeable to air and reversibly deformable. There are two main types of flexible foams, hot and cold cure foams differing in composition and processing temperatures. The hot cure foams are widely applied and represent the main composition of actual foams, while cold cure foams present several processing and property advantages, e.g, faster demoulding time, better humid aging properties and more versatility, as hardness variation with index changes are greater than with hot cure foams. The processing of cold cure foams also is attractive due to the low energy consumption (mould temperature from 30 degrees to 65 degrees C) comparatively to hot cure foams (mould temperature from 30 degrees to 250 degrees C). Another advantage is the high variety of soft materials for low temperature processing moulds. Cold cure foams are diphenylmethane diisocyanate (MDI) based while hot cure foams are toluene diisocyanate (TDI) based. This study is concerned with Viscoelastic flexible foams MDI based for medical applications. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was used to characterize the cure kinetics and Dynamical Mechanical Analisys to collect mechanical data. The data obtained from these two experimental procedures were analyzed and associated to establish processing/properties/operation conditions relationships. These maps for the selection of optimized processing/properties/operation conditions are important to achieve better final part properties at lower costs and lead times.

Quality of medicines stored together in multi-compartment compliance aids

Background and Objective: Dispensing medicines into compliance aids is a common practice in pharmacy contrary to manufacturers’ advice and studies have shown the appearance of light-sensitive tablets is compromised by such storage; we previously found evidence of reduced bioavailability at elevated temperature and humidity. Our objective was to examine the physicochemical stability of two generic atenolol tablets in different compliance aids and with aspirin co-storage at room temperature and at 40 °C/75% relative humidity. Methods: The physicochemical stability of atenolol tablets was evaluated after 28 days of storage and compared with controls by examining visual appearance, weight, disintegration, dissolution, friability and hardness to accepted standards and using a previously validated HPLC method for chemical assay. Results and Discussion: The response to storage was brand-dependent and not straightforward. With one make of atenolol (Alpharma), storage in compliance aids even at room temperature impacted on physical stability, reducing tablet hardness, with storage in Dosett® exerting a greater impact than storage in Medidos® (t-test P < 0·001). Co-storage at elevated temperature and humidity also impacted on the appearance of non-coated aspirin tablets (Angette™). The chemical stability of atenolol was not affected and we did not find evidence of changes to bioavailability with either make. Certainly data for one atenolol make (CP Pharmaceuticals) co-stored with aspirin (Angette™ and Nu-Seals) in both compliance aids at room temperature provided evidence of short-term stability. But medicines are dispensed into compliance aids in multi-factorial ways so our study highlights not only the lack of evidence but also a realization that evidence to support real practice may not be accomplished through research. Conclusion: Reassuring practitioners of the continued stability of medicines in compliance aids under the countless condition in which they are dispensed in practice may requires a different approach involving medical device regulators and more definitive professional guidance.

Puroindoline-b mutations control the lipid binding interactions in mixed puroindoline-a: puroindoline-b systems

The interactions have been investigated of puroindoline-a (Pin-a) and mixed protein systems of Pin-a and wild-type puroindoline-b (Pin-b+) or puroindoline-b mutants (G46S mutation (Pin bH) or W44R mutation (Pin-bS)) with condensed phase monolayers of an anionic phospholipid (L-α-dipalmitoylphosphatidyl-dl-glycerol (DPPG)) at the air/water interface. The interactions of the mixed systems were studied at three different concentration ratios of Pin-a:Pin-b, namely 3:1, 1:1 and 1:3 in order to establish any synergism in relation to lipid binding properties. Surface pressure measurements revealed that Pin-a interaction with DPPG monolayers led to an equilibrium surface pressure increase of 8.7 ± 0.6 mN m-1. This was less than was measured for Pin-a:Pin-b+ (9.6 to 13.4 mN m-1), but was significantly more than was measured for Pin-a:Pin-bH (4.0 to 6.2 mN m-1) or Pin-a:Pin-bS (3.8 to 6.3 mN m-1) over the complete range of concentration ratio. Consequently, surface pressure increases were shown to correlate to endosperm hardness phenotype, with puroindolines present in hard-textured wheat varieties yielding lower equilibrium surface pressure changes. Integrated amide I peak areas from corresponding external reflectance Fourier-transform infrared (ER-FTIR) spectra, used to indicate levels of protein adsorption to the lipid monolayers, showed that differences in adsorbed amount were less significant. The data therefore suggest that Pin-b mutants having single residue substitutions within their tryptophan-rich loop that are expressed in some hard-textured wheat varieties influence the degree of penetration of Pin-a and Pin-b into anionic phospholipid films. These findings highlight the key role of the tryptophan-rich loop in puroindoline-lipid interactions.

Single amino acid substitutions in puroindoline-b mutants influence lipid binding properties

External reflectance Fourier transform infrared (ER-FTIR) spectroscopy and surface pressure measurements have been used to characterize the interaction of wild-type puroindoline-b (Pin-b) and two mutant forms featuring single residue substitutions-namely, Gly-46 to Ser-46 (Pin-bH) and Trp-44 to Arg-44 (Pin-bS)-with condensed-phase monolayers of zwitterionic (L-alpha-dipalmitoylphosphatidylcholine, DPPC) and anionic (L-alpha-dipalmitoylphosphatidyl-dl-glycerol, DPPG) phospholipids. The interaction with anionic DPPG monolayers, monitored by surface pressure isotherms, was influenced significantly by mutations in Pin-b (p < 0.05); wild-type Pin-b showed the highest surface pressure change of 10.6 +/- 1.0 mN m(-1), followed by Pin-bH (7.9 +/- 1.6 mN m(-1)) and Pin-bS (6.3 +/- 1.0 mN m(-1)), and the surface pressure isotherm kinetics were also different in each case. Integrated Amide I peak areas from corresponding ER-FTIR spectra confirmed the differences in adsorption kinetics, but also showed that differences in adsorbed amount were less significant, suggesting that mutations influence the degree of penetration into DPPG films. All Pin-b types showed evidence of interaction with DPPC films, detected as changes in surface pressure (5.6 +/- 1.1 mN m(-1)); however, no protein peaks were detected in the ER-FTIR spectra, which indicated that the interaction was via penetration with limited adsorption at the lipid/water interface. The expression of Pin-b mutants is linked to wheat endosperm hardness; therefore, the data presented here suggest that the lipid binding properties may be pivotal within the mechanism for this quality trait. In addition, the data suggest antimicrobial activities of Pin-b mutants would be lower than those of the wild-type Pin-b, because of decreased selectivity toward anionic phospholipids.

Effect of combined heat and high-pressure treatments on the texture of chicken breast muscle (Pectoralis fundus)

Commercially supplied chicken breast muscle was subjected to simultaneous heat and pressure treatments. Treatment conditions ranged from ambient temperature to 70 °C and from 0.1 to 800 MPa, respectively, in various combinations. Texture profile analysis (TPA) of the treated samples was performed to determine changes in muscle hardness. At treatment temperatures up to and including 50 °C, heat and pressure acted synergistically to increase muscle hardness. However, at 60 and 70 °C, hardness decreased following treatments in excess of 200 MPa. TPA was performed on extracted myofibrillar protein gels that after treatment under similar conditions revealed similar effects of heat and pressure. Differential scanning calorimetry analysis of whole muscle samples revealed that at ambient pressure the unfolding of myosin was completed at 60 °C, unlike actin, which completely denatured only above 70 °C. With simultaneous pressure treatment at >200 MPa, myosin and actin unfolded at 20 °C. Unfolding of myosin and actin could be induced in extracted myofibrillar protein with simultaneous treatment at 200 MPa and 40 °C. Electrophoretic analysis indicated high pressure/temperature regimens induced disulfide bonding between myosin chains.

Toxicity testing of groundwater quality

Groundwater is an important resource in the UK, with 45% of public water supplies in the Thames Water region derived from subterranean sources. In urban areas, groundwater has been affected by onthropogenic activities over 0 long period of time and from a multitude of sources, At present, groundwater quality is assessed using a range of chemical species to determine the extent of contamination. However, analysing a complex mixture of chemicals is time-consuming and expensive, whereas the use of an ecotoxicity test provides information on (a) the degree of pollution present in the groundwater and (b) the potential effect of that pollution. Microtox (TM), Eclox (TM) and Daphnia magna microtests were used in conjunction with standard chemical protocols to assess the contamination of groundwaters from sites throughout the London Borough of Hounslow and nearby Heathrow Airport. Because of their precision, range of responses and ease of use, Daphnia magna and Microfox (TM) tests are the bioassays that appear to be most effective for assessing groundwater toxicity However, neither test is ideal because it is also essential to monitor water hardness. Eclox (TM) does not appear to be suitable for use in groundwater-quality assessment in this area, because it is adversely affected by high total dissolved solids and electrical conductivity.

Modelling metal cutting using modern ductile fracture mechanics: Quantitative explanations for some longstanding problems

The assumption that negligible work is involved in the formation of new surfaces in the machining of ductile metals, is re-examined in the light of both current Finite Element Method (FEM) simulations of cutting and modern ductile fracture mechanics. The work associated with separation criteria in FEM models is shown to be in the kJ/m2 range rather than the few J/m2 of the surface energy (surface tension) employed by Shaw in his pioneering study of 1954 following which consideration of surface work has been omitted from analyses of metal cutting. The much greater values of surface specific work are not surprising in terms of ductile fracture mechanics where kJ/m2 values of fracture toughness are typical of the ductile metals involved in machining studies. This paper shows that when even the simple Ernst–Merchant analysis is generalised to include significant surface work, many of the experimental observations for which traditional ‘plasticity and friction only’ analyses seem to have no quantitative explanation, are now given meaning. In particular, the primary shear plane angle φ becomes material-dependent. The experimental increase of φ up to a saturated level, as the uncut chip thickness is increased, is predicted. The positive intercepts found in plots of cutting force vs. depth of cut, and in plots of force resolved along the primary shear plane vs. area of shear plane, are shown to be measures of the specific surface work. It is demonstrated that neglect of these intercepts in cutting analyses is the reason why anomalously high values of shear yield stress are derived at those very small uncut chip thicknesses at which the so-called size effect becomes evident. The material toughness/strength ratio, combined with the depth of cut to form a non-dimensional parameter, is shown to control ductile cutting mechanics. The toughness/strength ratio of a given material will change with rate, temperature, and thermomechanical treatment and the influence of such changes, together with changes in depth of cut, on the character of machining is discussed. Strength or hardness alone is insufficient to describe machining. The failure of the Ernst–Merchant theory seems less to do with problems of uniqueness and the validity of minimum work, and more to do with the problem not being properly posed. The new analysis compares favourably and consistently with the wide body of experimental results available in the literature. Why considerable progress in the understanding of metal cutting has been achieved without reference to significant surface work is also discussed.

Recent advances in biomimetic sensing technologies

The importance of biological materials has long been recognized from the molecular level to higher levels of organization. Whereas, in traditional engineering, hardness and stiffness are considered desirable properties in a material, biology makes considerable and advantageous use of softer, more pliable resources. The development, structure and mechanics of these materials are well documented and will not be covered here. The purpose of this paper is, however, to demonstrate the importance of such materials and, in particular, the functional structures they form. Using only a few simple building blocks, nature is able to develop a plethora of diverse materials, each with a very different set of mechanical properties and from which a seemingly impossibly large number of assorted structures are formed. There is little doubt that this is made possible by the fact that the majority of biological ‘materials’ or ‘structures’ are based on fibres and that these fibres provide opportunities for functional hierarchies. We show how these structures have inspired a new generation of innovative technologies in the science and engineering community. Particular attention is given to the use of insects as models for biomimetically inspired innovations.

Stress relaxation behaviour of frozen sucrose solutions

The stress relaxation behaviour of two frozen sucrose solutions (7% and 19%) during indentation in the temperature range of -20C to -40C were investigated. The stress relaxation is similar to that of pure polycrystalline ice, which is controlled by steady-state creep. The steady state creep rate exponent, m, of 7% and 19% sucrose solutions lies between 2.3 and 3.6. The steady state creep rate constant, B, of 19% sucrose solution is greater than that of 7% sucrose solution. It is suggested that the steady-state creep rate exponent m depends on contributions from the proportions of favourably oriented grains, unfavourably oriented grains and grain boundaries to creep and that these components depend on the value of internal stress which is related to the hardness of samples at the different testing temperatures. The steady-state creep rate constant B depends on the mobility of dislocations in sucrose solutions which, in turn, depends on the temperature and the concentration of sucrose.