Lower bounds on blow up solutions of the three-dimensional Navier-Stokes equations in homogeneous Sobolev spaces

Suppose that u(t) is a solution of the three-dimensional Navier-Stokes equations, either on the whole space or with periodic boundary conditions, that has a singularity at time T. In this paper we show that the norm of u(T - t) in the homogeneous Sobolev space (H)over dot(s) must be bounded below by c(s)t(-(2s-1)/4) for 1/2 < s < 5/2 (s not equal 3/2), where c(s) is an absolute constant depending only on s; and by c(s)parallel to u(0)parallel to((5-2s)/5)(L2)t(-2s/5) for s > 5/2. (The result for 1/2 < s < 3/2 follows from well-known lower bounds on blowup in Lp spaces.) We show in particular that the local existence time in (H)over dot(s)(R-3) depends only on the (H)over dot(s)-norm for 1/2 < s < 5/2, s not equal 3/2. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4762841]

Bethe ansatz solutions for Temperley-Lieb quantum spin chains

We solve the spectrum of quantum spin chains based on representations of the Temperley-Lieb algebra associated with the quantum groups U-q(X-n) for X-n = A(1), B-n, C-n and D-n. The tool is a modified version of the coordinate Bethe ansatz through a suitable choice of the Bethe states which give to all models the same status relative to their diagonalization. All these models have equivalent spectra up to degeneracies and the spectra of the lower-dimensional representations are contained in the higher-dimensional ones. Periodic boundary conditions, free boundary conditions and closed nonlocal boundary conditions are considered. Periodic boundary conditions, unlike free boundary conditions, bleak quantum group invariance. For closed nonlocal cases the models are quantum group invariant as well as periodic in a certain sense.

When the Casimir energy is not a sum of zero-point energies

We compute the leading radiative correction to the Casimir force between two parallel plates in the lambdaPhi(4) theory. Dirichlet and periodic boundary conditions are considered. A heuristic approach, in which the Casimir energy is computed as the sum of one-loop corrected zero-point energies, is shown to yield incorrect results, but we show how to amend it. The technique is then used in the case of periodic boundary conditions to construct a perturbative expansion which is free of infrared singularities in the massless limit. In this case we also compute the next-to-leading order radiative correction, which turns out to be proportional to lambda(3/2).

The Yang-Lee zeros of the 1D Blume-Capel model on connected and non-connected rings

We carry out a numerical and analytic analysis of the Yang-Lee zeros of the ID Blume-Capel model with periodic boundary conditions and its generalization on Feynman diagrams for which we include sums over all connected and nonconnected rings for a given number of spins. In both cases, for a specific range of the parameters, the zeros originally on the unit circle are shown to depart from it as we increase the temperature beyond some limit. The curve of zeros can bifurcate- and become two disjoint arcs as in the 2D case. We also show that in the thermodynamic limit the zeros of both Blume-Capel models on the static (connected ring) and on the dynamical (Feynman diagrams) lattice tend to overlap. In the special case of the 1D Ising model on Feynman diagrams we can prove for arbitrary number of spins that the Yang-Lee zeros must be on the unit circle. The proof is based on a property of the zeros of Legendre polynomials.

Smooth landscape solvent dynamics in electron transfer reactions

Solvent effects play a major role in controlling electron-transfer reactions. The solvent dynamics happens on a very high-dimensional surface, and this complex landscape is populated by a large number of minima. A critical problem is to understand the conditions under which the solvent dynamics can be represented by a single collective reaction coordinate. When this unidimensional representation is valid, one recovers the successful Marcus theory. In this study the approach used in a previous work [V. B. P. Leite and J. N. Onuchic; J. Phys. Chem. 100, 7680 (1996)] is extended to treat a more realistic solvent model, which includes energy correlation. The dynamics takes place in a smooth and well behaved landscape. The single shell of solvent molecules around a cavity is described by a two-dimensional system with periodic boundary conditions with nearest neighbor interaction. It is shown how the polarization-dependent effects can be inferred. The existence of phase transitions depends on a factor y proportional to the contribution from the two parameters of the model. For the present model, γ suggests the existence of weak kinetic phase transitions, which are used in the analysis of solvent effects in charge-transfer reactions. © 1999 American Institute of Physics.

One-dimensional superfluid Bose-Fermi mixture: Mixing, demixing, and bright solitons

We study an ultracold and dilute superfluid Bose-Fermi mixture confined in a strictly one-dimensional (1D) atomic waveguide by using a set of coupled nonlinear mean-field equations obtained from the Lieb-Liniger energy density for bosons and the Gaudin-Yang energy density for fermions. We consider a finite Bose-Fermi interatomic strength gbf and both periodic and open boundary conditions. We find that with periodic boundary conditions-i.e., in a quasi-1D ring-a uniform Bose-Fermi mixture is stable only with a large fermionic density. We predict that at small fermionic densities the ground state of the system displays demixing if gbf >0 and may become a localized Bose-Fermi bright soliton for gbf <0. Finally, we show, using variational and numerical solutions of the mean-field equations, that with open boundary conditions-i.e., in a quasi-1D cylinder-the Bose-Fermi bright soliton is the unique ground state of the system with a finite number of particles, which could exhibit a partial mixing-demixing transition. In this case the bright solitons are demonstrated to be dynamically stable. The experimental realization of these Bose-Fermi bright solitons seems possible with present setups. © 2007 The American Physical Society.

Local attractors, degeneracy and analyticity: Symmetry effects on the locally coupled Kuramoto model

In this work we study the local coupled Kuramoto model with periodic boundary conditions. Our main objective is to show how analytical solutions may be obtained from symmetry assumptions, and while we proceed on our endeavor we show apart from the existence of local attractors, some unexpected features resulting from the symmetry properties, such as intermittent and chaotic period phase slips, degeneracy of stable solutions and double bifurcation composition. As a result of our analysis, we show that stable fixed points in the synchronized region may be obtained with just a small amount of the existent solutions, and for a class of natural frequencies configuration we show analytical expressions for the critical synchronization coupling as a function of the number of oscillators, both exact and asymptotic. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Posição e densidade dos zeros de Yang-Lee do modelo de Blume-Emery-Griffiths unidimensional sobre anéis conexos e desconexos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Um estudo sobre sincronização no modelo de Kuramoto

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Weakly bound states of two- and three-boson systems in the crossover from two to three dimensions

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Molecular model for hydrated biological tissues

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Spectroscopic signatures from first principles calculations: from surface adsorbates to liquids and polymers

In dieser Arbeit werden drei wasserstoffverbrückte Systeme in der kondensierten Phase mit Hilfe von first-principles-Elektronenstruktur-Rechnungen untersucht, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter periodischen Randbedingungen basieren. Ihre lokalen Konformationen und Wasserstoffbrückenbindungen werden mittels ab-initio Molekulardynamiksimulationen berechnet und weiterhin durch die Bestimmung ihrer spektroskopischen Parameter charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lokalen Strukturen und auf schnellen Fluktuationen der Wasserstoffbrückenbindungen, welche von zentraler Bedeutung für die physikalischen und chemischen Eigenschaften der betrachteten Systeme sind. Die für die lokalen, instantanen Konformationen berechneten Spektren werden verwendet, um die physikalischen Prozesse, die hinter den untersuchten Phänomenen stehen, zu erklären: die Wasseradsorption auf metallischen Oberflächen, die Ionensolvatisierung in wässrigen Lösungen und der Protonentransport in protonleitenden Polymeren, welche Prototypen von Membranen für Brennstoffzellen sind. Die Möglichkeit der Vorhersage spektroskopischer Parameter eröffnet vielfältige Möglichkeiten des Dialogs zwischen Experimenten und numerischen Simulationen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Zuverlässigkeit dieser theoretischen Berechnungen inzwischen für viele experimentell relevante Systeme ein quantitatives Niveau erreicht hat.

Dynamik orographischer Bannerwolken

Der Begriff "Bannerwolke" bezeichnet ein eindrucksvolles Phänomen aus dem Bereich der Gebirgsmeteorologie. Bannerwolken können gelegentlich im Hochgebirge im Bereich steiler Bergspitzen oder langgezogener Bergrücken, wie z.B. dem Matterhorn in den Schweizer Alpen oder dem Zugspitzgrat in den Bayrischen Alpen beobachtet werden. Der Begriff bezeichnet eine Banner- oder Fahnen-ähnliche Wolkenstruktur, welche an der windabgewandten Seite des Berges befestigt zu sein scheint, während die windzugewandte Seite vollkommen wolkenfrei ist. Bannerwolken fanden bislang, trotz ihres relativ häufigen Auftretens in der wissenschaftlichen Literatur kaum Beachtung. Entsprechend wenig ist über ihren Entstehungsmechanismus und insbesondere die relative Bedeutung dynamischer gegenüber thermodynamischer Prozesse bekannt. In der wissenschaftlichen Literatur wurden bislang 3 unterschiedliche Mechanismen postuliert, um die Entstehung von Bannerwolken zu erklären. Demnach entstehen Bannerwolken durch (a) den Bernoulli-Effekt, insbesondere durch die lokale adiabatische Kühlung hervorgerufen durch eine Druckabnahme entlang quasi-horizontal verlaufender, auf der windzugewandten Seite startender Trajektorien, (b) durch isobare Mischung bodennaher kälterer Luft mit wärmerer Luft aus höheren Schichten, oder (c) durch erzwungene Hebung im aufsteigenden Ast eines Leerotors. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres physikalisches Verständnis für das Phänomen der Bannerwolke zu entwickeln. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem dominierenden Entstehungsmechanismus, der relativen Bedeutung dynamischer und thermodynamischer Prozesse, sowie der Frage nach geeigneten meteorologischen Bedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein neues Grobstruktursimulations (LES)-Modell entwickelt, welches geeignet ist turbulente, feuchte Strömungen in komplexem Terrain zu untersuchen. Das Modell baut auf einem bereits existierenden mesoskaligen (RANS) Modell auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das neue Modell ausführlich gegen numerische Referenzlösungen und Windkanal-Daten verglichen. Die wesentlichen Ergebnisse werden diskutiert, um die Anwendbarkeit des Modells auf die vorliegende wissenschaftliche Fragestellung zu überprüfen und zu verdeutlichen. Die Strömung über eine idealisierte pyramidenförmige Bergspitze wurde für Froude-Zahlen Fr >> 1 sowohl auf Labor- als auch atmosphärischer Skala mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik untersucht. Die Simulationen zeigen, dass Bannerwolken ein primär dynamisches Phänomen darstellen. Sie entstehen im Lee steiler Bergspitzen durch dynamisch erzwungene Hebung. Die Simulationen bestätigen somit die Leerotor-Theorie. Aufgrund des stark asymmetrischen, Hindernis-induzierten Strömungsfeldes können Bannerwolken sogar im Falle horizontal homogener Anfangsbedingungen hinsichtlich Feuchte und Temperatur entstehen. Dies führte zu der neuen Erkenntnis, dass zusätzliche leeseitige Feuchtequellen, unterschiedliche Luftmassen in Luv und Lee, oder Strahlungseffekte keine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer Bannerwolke darstellen. Die Wahrscheinlichkeit der Bannerwolkenbildung steigt mit zunehmender Höhe und Steilheit des pyramidenförmigen Hindernisses und ist in erster Näherung unabhängig von dessen Orientierung zur Anströmung. Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik machen deutlich, dass thermodynamische Prozesse (insbes. die Umsetzung latenter Wärme) für die Dynamik prototypischer (nicht-konvektiver) Bannerwolken zweitrangig ist. Die Verstärkung des aufsteigenden Astes im Lee und die resultierende Wolkenbildung, hervorgerufen durch die Freisetzung latenter Wärme, sind nahezu vernachlässigbar. Die Feuchtephysik induziert jedoch eine Dipol-ähnliche Struktur im Vertikalprofil der Brunt-Väisälä Frequenz, was zu einem moderaten Anstieg der leeseitigen Turbulenz führt. Es wird gezeigt, dass Gebirgswellen kein entscheidendes Ingredienz darstellen, um die Dynamik von Bannerwolken zu verstehen. Durch eine Verstärkung der Absinkbewegung im Lee, haben Gebirgswellen lediglich die Tendenz die horizontale Ausdehnung von Bannerwolken zu reduzieren. Bezüglich geeigneter meteorologischer Bedingungen zeigen die Simulationen, dass unter horizontal homogenen Anfangsbedingungen die äquivalentpotentielle Temperatur in der Anströmung mit der Höhe abnehmen muss. Es werden 3 notwendige und hinreichende Kriterien, basierend auf dynamischen und thermodynamischen Variablen vorgestellt, welche einen weiteren Einblick in geeignete meteorologische Bedingungen geben.

Ab initio quantum mechanical investigation of structural and chemical-physical properties of selected minerals for minero-petrological, structural ceramic and biomaterial applications

The purpose of this thesis is the atomic-scale simulation of the crystal-chemical and physical (phonon, energetic) properties of some strategically important minerals for structural ceramics, biomedical and petrological applications. These properties affect the thermodynamic stability and rule the mineral-environment interface phenomena, with important economical, (bio)technological, petrological and environmental implications. The minerals of interest belong to the family of phyllosilicates (talc, pyrophyllite and muscovite) and apatite (OHAp), chosen for their importance in industrial and biomedical applications (structural ceramics) and petrophysics. In this thesis work we have applicated quantum mechanics methods, formulas and knowledge to the resolution of mineralogical problems ("Quantum Mineralogy”). The chosen theoretical approach is the Density Functional Theory (DFT), along with periodic boundary conditions to limit the portion of the mineral in analysis to the crystallographic cell and the hybrid functional B3LYP. The crystalline orbitals were simulated by linear combination of Gaussian functions (GTO). The dispersive forces, which are important for the structural determination of phyllosilicates and not properly con-sidered in pure DFT method, have been included by means of a semi-empirical correction. The phonon and the mechanical properties were also calculated. The equation of state, both in athermal conditions and in a wide temperature range, has been obtained by means of variations in the volume of the cell and quasi-harmonic approximation. Some thermo-chemical properties of the minerals (isochoric and isobaric thermal capacity) were calculated, because of their considerable applicative importance. For the first time three-dimensional charts related to these properties at different pressures and temperatures were provided. The hydroxylapatite has been studied from the standpoint of structural and phonon properties for its biotechnological role. In fact, biological apatite represents the inorganic phase of vertebrate hard tissues. Numerous carbonated (hydroxyl)apatite structures were modelled by QM to cover the broadest spectrum of possible biological structural variations to fulfil bioceramics applications.

A panel method free-wake code for aeroelastic rotor predictions

A panel method free-wake model to analyse the rotor flapping is presented. The aerodynamic model consists of a panel method, which takes into account the three-dimensional rotor geometry, and a free-wake model, to determine the wake shape. The main features of the model are the wake division into a near-wake sheet and a far wake represented by a single tip vortex, and the modification of the panel method formulation to take into account this particular wake description. The blades are considered rigid with a flap degree of freedom. The problem solution is approached using a relaxation method, which enforces periodic boundary conditions. Finally, several code validations against helicopter and wind turbine experimental data are performed, showing good agreement