A mecanização agrícola é um dos principais componentes tecnológicos responsáveis pelo avanço na produção agrícola brasileira, nos últimos anos, contudo, sua utilização aumenta o risco de impactos ambientais negativos relacionados à degradação dos solos, notadamente à compactação excessiva pelo tráfego de máquinas. A adoção recente de sistemas conservacionistas de manejo do solo, nas culturas anuais, gerou ainda mais preocupação quanto aos efeitos negativos da mecanização. Pesquisas nesse tema visam, em geral, estimar a influência do tráfego sobre as propriedades físicas do solo e identificar classes de compactação restritivas ao desenvolvimento das plantas, com o propósito de fornecer subsídios para evitar a compactação excessiva. O objetivo do trabalho foi propor e avaliar uma metodologia para aplicação da modelagem nebulosa na estimativa e classificação da compactação do solo pelo tráfego, baseada no conhecimento especialista e em dados experimentais. A utilização de modelos simples e confiáveis no planejamento das operações mecanizadas é fundamental para aumentar a sustentabilidade ambiental da atividade. A partir de dados experimentais, foram identificados modelos para estimativa da densidade aparente, porosidade total e resistência à penetração do solo, após o tráfego, e cujas variáveis de entrada são relacionadas às condições iniciais do solo e das máquinas. Tais modelos foram identificados através de um algoritmo neuro-nebuloso e testados com dados independentes. O modelo de classificação relacionou qualitativamente as propriedades físicas do solo com as classes de compactação identificadas pelo método do perfil cultural, sendo as propriedades representadas por conjuntos nebulosos e as relações entre elas e as classes de compactação estabelecidas através de regras lingüísticas. Os dados observados experimentalmente e estimados pelos modelos foram comparados a partir de critérios estatísticos e as estimativas foram analisadas para combinações das variáveis de entrada cujas respostas são conhecidas. O modelo de classificação foi analisado através da porcentagem de acertos segundo as profundidades. O método proposto possibilitou a aquisição de quantidade suficiente de dados para treinamento e teste dos modelos embora ainda sejam necessários novos dados para diferentes faixas de valores e combinações das variáveis de entrada. Os erros porcentuais médios obtidos pelo modelo de estimativa da densidade e da porosidade foram da ordem de 5% e 3%, respectivamente, e a diferença média entre os pares de dados observados e estimados não foi significativamente diferente de zero. Os erros dos modelos de estimativa da resistência à penetração atingiram 18%. O modelo de classificação apresentou desempenho satisfatório, com níveis elevados de acertos, embora ainda sejam necessários ajustes para a camada de 0,10 a 0,20 m. Os resultados demonstram que a metodologia é viável para identificação de modelos de compactação do solo baseada em dados e no conhecimento especialista e que a modelagem nebulosa é uma ferramenta com potencial para aplicação a problemas relacionados ao manejo do solo e, particularmente, para simular o processo de compactação do solo pelo tráfego. / Agricultural mechanization is an important technological issue responsible for Brazilian agricultural advance but its large use increases the risk of environmental impacts due to soil degradation resulting from machine traffic. Conservation agriculture adopted in crop production systems has renewed concerns about soil compaction due to machine traffic. Research on this subject approaches the problem in two ways: estimation or prediction of traffic influence on soil physical properties and classification of soil compaction regarding its effects on plant development. The general target is to develop tools in order to avoid excessive soil compaction. This work presents a method to apply fuzzy modeling techniques to estimate and classify soil compaction due to machine traffic based on expert knowledge and experimental data. Simple and accurate models are useful tools for mechanization planning and for increasing agricultural sustainability. Fuzzy models to estimate soil bulk density, total porosity and penetration resistance after traffic were identified based on data and using initial soil conditions and machine variables as inputs. Fuzzy classification model was derived from expert knowledge and represented the qualitative relations between compaction classes and soil physical properties, the former identified by cultural profile method. Soil properties were represented by fuzzy sets and qualitative relations by linguistic fuzzy rules. Observed and estimated data were compared using statistical criteria and expected responses for known input combinations were analyzed. The rate of classification success for each depth was used to evaluate the performance of the classification model. The proposed method was able to provide sufficient amount of data for model training and testing, however more data are required for different input levels and combinations in order to improve models’ performances. The average percentual errors of the estimation models for soil density and porosity were 5% and 3% respectively, and the average difference between observed and estimated data pairs was not statistically different from zero. For the penetration resistance model, the error was about 18%. The classification model showed good performance with high success rates but with medium accuracy in the 0,10-0,20 m depth. The results show that fuzzy modeling is a valuable tool to approach soil management problems and, in particular, to simulate soil compaction process due to traffic.

Submitted by Maria Aparecida (cidazen@gmail.com) on 2017-04-17T13:52:33Z No. of bitstreams: 1 Gleyciane Araujo.pdf: 1343747 bytes, checksum: e6395dbd7922b8c1b320e094320e26df (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-17T13:52:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gleyciane Araujo.pdf: 1343747 bytes, checksum: e6395dbd7922b8c1b320e094320e26df (MD5) Previous issue date: 2017-02-20 / The objective of this work is to spread the discussion on the subject in the academic environment. Thereunto, the work is based on a literature search that is based on a critical eye on the traditional mathematics teaching, with a focus on trigonometry. Thus, the main concepts will be presented on Mathematical Modeling and the historical context and theoretical foundation of Trigonometry, and present two practical proposals for modeling for the classroom. / O objetivo deste trabalho é contribuir no âmbito acadêmico com o tema, para tanto, o trabalho é fundamentado em uma pesquisa bibliográfica que toma por base um olhar crítico acerca do ensino tradicional da Matemática, com enfoque na Trigonometria. Assim, serão apresentadas as principais concepções sobre a Modelagem Matemática, bem como o contexto histórico e fundamentação teórica da Trigonometria, além de apresentadas duas propostas práticas de modelagem para sala de aula, sob perspectiva dessa metodologia de ensino.

Este trabalho aborda a modelagem matemática do processo de extração de óleos essenciais por arraste a vapor e a otimização deste processo em escala industrial. Utilizouse dados experimentais de óleos essenciais de alecrim e citronela obtidos em uma unidade industrial de extração por arraste a vapor. O modelo é constituído de um sistema de equações diferenciais parciais, que representam o balanço de massa unidimensional nas fases vapor e sólido. Para resolver o modelo desenvolvido, utilizouse o método das linhas com o uso da técnica de diferenças finitas para discretizar a coordenada espacial e suas derivadas, resultando em um sistema de equações diferenciais ordinárias implementado no simulador EMSO. Os parâmetros do modelo foram estimados pelo método dos poliedros flexíveis, utilizando dois conjuntos de dados experimentais e um terceiro para sua validação. O modelo ajustou-se bem aos dados experimentais industriais, resultando, para duas condições ambientais e geográficas das plantas aromáticas de alecrim, em coeficiente global de transferência de massa de 8,64 x 10 -4 s -1 e 9,10 x 10 -4 s -1, e a constante de equilíbrio de 2,72 x 10 -4 m3=kg e 1,07 x 10 -2m3/kg. Enquanto que para a citronela obteve-se coeficiente global de transferência de massa de 8,29 x 10 -4s -1 e 1,23 x 10 -3 s -1, e constante de equilíbrio de 1,25 x 10 -2 m3/kg e 1,52 x 10 -3 m3/kg. Foi proposto também um problema de otimização para determinar o tempo ótimo de extração e o número de bateladas por dia. Os resultados da otimização do processo indicam que se pode reduzir o tempo de extração, permitindo que outras extrações sejam realizadas por dia, maximizando o volume de óleo extraído ao fim do dia. / This work has as objective the development of a mathematical model of essential oils extraction by steam distillation and the optimization of this process on an industrial scale. We used experimental data obtained from rosemary and citronella in an industrial steam distillation unit. The model consists a system of partial differential equations, which represent the one-dimensional mass balance in steam and solid phases. To solve the developed model, we used the method of lines with the finite differences technique to discretize the spatial coordinate and its derivatives, resulting in a system of ordinary differential equations implemented in the EMSO simulator. The model parameters were estimated by the method of flexible polyhedra, using two experimental runs and a third experimental run to test the model. The model fitted to the experimental data industry, resulting, for two environmental and geographical conditions of rosemary, in mass transfer coefficients of 8,64 x 10 -4 s -1 and 9,10 x 10 -4 s -1, and the equilibrium constant of 2,72 x 10 -4 m3/kg and 1,07 x 10 -2m3/kg. For citronella, the obtained mass transfer coefficient of 8,29 x 10 -4 s -1 and 1,23 x 10 -3 s -1 and equilibrium constant of 1,25 x 10 -2 m3/kg and 1,52 x 10 -3 m3/kg. It was also proposed an optimization problem to determine the optimum extraction time and number of batches per day. The optimization results indicate that the process can reduce the extraction time, allowing other extractions are performed each day, maximizing the essential oil volume extracted in the day.

O objetivo deste trabalho é apresentar uma proposta para o ensino de Estatística na 8ªsérie/9º ano do Ensino Fundamental, verificando como se desenvolve o ensino desta ciência neste nível de escolaridade e qual a contribuição da Estatística para a aprendizagem de Matemática e para a formação crítica dos estudantes. Para isto, elaboramos e aplicamos uma sequência didática, que envolveu a realização de pesquisas, pelos alunos de uma 8ª série, com temas de seus interesses. A turma, na qual desenvolvemos este trabalho, faz parte de uma escola de Ensino Fundamental da rede Municipal de Osório. A metodologia de pesquisa utilizada foi o Estudo de Caso e o referencial teórico baseia-se na Modelagem Matemática de Barbosa e na proposta de Cenários para Investigação de Skovsmose. O desempenho dos alunos durante as aulas, como o interesse e a participação nas atividades, mostrou que a proposta é válida e adequada para o ensino de Estatística no Ensino Fundamental. Verificou-se que os Ambientes de Aprendizagem, que foram construídos durante as atividades, contribuíram para uma melhor compreensão dos conceitos trabalhados, inclusive oportunizando a revisão de outros conceitos da Matemática. Além disso, as atividades também oportunizaram a discussão de temas transversais. O trabalho apresenta como produto final o material elaborado e aplicado neste estudo e que poderá ser utilizado por professores na realização de atividades semelhantes para o Ensino de Estatística. / This work aims to show a proposal for teaching Statistics at 8th and 9th grades of Elementary School, finding-out how it develops the teaching this science at school level and that the contribution of Statistics for learning of Mathematics and contribute to the critical formation of students. For this, we developed and applied an instructional sequence, which involved conduct of research by students, with subjects of their interests. The class, in which we developed this work, is part of the Elementary school of Osório city. The research methodology used was the Case Study and the theoretical reference is based on Mathematical Modeling of Barbosa and the purpose of “Investigative Scenarios” of Skovsmose. The students’ performance during class, like the interest and participation in activities, demonstrated that the proposal is valid and adequate for the teaching of Statistics in the Elementary School. It was verified that the Learning Environment, that were built during the activities, contributed to a better understanding of the concepts worked, in order providing opportunities to review other concepts of Mathematics. In addiction, the activities also contribute for the discussion of transversal subjects-matters. The work presents the material as a final product that was applied in this study and may be used by teachers in carrying out similar activities for teaching Statistics.

As redes poliméricas são materiais amplamente estudados, pois suas propriedades especiais permitem que sejam aplicadas em áreas como indústria de fertilizantes, medicina, bioquímica, análises químicas dentre outras. A microestrutura de uma rede polimérica, em geral, exerce grande influência sobre as propriedades macroscópicas desses materiais e o interesse da influência dessa microestrutura nas propriedades finais são de interesse estratégico. As reações de ciclização influenciam no controle da microestrutura das redes poliméricas, é sabido que um aumento na diluição do sistema aumenta a incidência deste tipo de reações. A modelagem matemática da copolimerização do estireno-divinilbenzeno é um assunto amplamente estudado, porém poucos estudos foram realizados considerando as reações de ciclização com uma cinética definida e não um problema tipo caixa-preta. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo da copolimerização de estireno-divinilbenzeno em solução e sua modelagem matemática com a inclusão das reações de ciclização intramoleculares. Sendo assim, reações de copolimerização de estireno-divinilbenzeno em soluções com baixas concentrações de monômeros foram realizadas em batelada em um reator de vidro, inicialmente foram utilizados dois modelos matemáticos para estudar o comportamento do sistema nestas condições, denominados: Modelo A e Modelo B. O Modelo A foi desenvolvido através do balanço de massa de todas as espécies no meio reacional e inclusão das reações de ciclização. O tamanho máximo dos polímeros mortos considerados neste modelo foi de 300 unidades monoméricas, pois devido à diluição acreditava-se que este tamanho máximo abrangesse todos os tamanhos de polímeros mortos, porém sua comparação com dados experimentais mostrou o contrário. O Modelo B foi baseado no modelo desenvolvido por Aguiar (2013) e utiliza o balanço de massa para as espécies não poliméricas e método dos momentos para as espécies poliméricas (radicais poliméricos e polímeros mortos). Este modelo utiliza também o Fracionamento Numérico para determinação das massas moleculares e ponto de gel, as reações de ciclização foram incluídas através do Método dos Caminhos. Quando comparados aos dados experimentais, o Modelo B mostrou-se mais realista com menores tempos de simulação e com menores problemas numéricos que o Modelo A, portanto este foi utilizado para o estudo do sistema em questão. Os resultados apresentados através do Modelo B indicam que o parâmetro atribuído à cinética das ligações cruzadas (Cp) foi de 0,05 e o valor do parâmetro de ciclização do menor segmento ciclizável (3 unidades monoméricas) foi de 130 s-1 para a temperatura de 90ºC, os valores para os demais tamanhos foram calculados através da equação de Rolfes e Stepto. Este trabalho é uma continuação ao trabalho de Aguiar (2013) e seus resultados mostraram que as simulações das variáveis: concentração de duplas ligações pendentes, Massa Molecular Mássica Média (Mw) e polidispersidade aproximaram-se mais dos dados experimentais quando as ciclizações são incluídas no modelo quando comparadas à abordagem sem a inclusão das reações de ciclização. / Polymer networks are widely studied materials; their especial properties allow them to be applied in areas such as the fertilizer industry, medicine, biochemistry, chemical analysis among others. In general, the polymer network microstructure has influence in macroscopic properties of materials, hence the interest of such microstructure in final properties are of strategic interest. The cyclization reactions influence in the microstructure control of polymer networks. It is known that an increase in systems dilution can increase the cyclization reactions incidence. Mathematical modeling of copolymerization of styrene-divinylbenzene is a widely studied subject, but few studies have been conducted considering the cyclization reactions with a defined kinetic and not a problem black-box type. This work aimed to study the styrene-divinylbenzene copolymerization solutions and their mathematical modeling with the inclusion of intramolecular cyclization reactions. Thus, solution copolymerization of styrene and divinylbenzene was carried out at low concentration of monomers in batch reactor. Two mathematical models were initially used to analize the behavior of the system, which were called: Model A and Model B. The Model A was developed by molar balance of species in the reaction medium and includes cyclization reactions, which were considered to happen in polymer chains with 300 or less monomer units. Due the dilution was believed that this number of units covering all sizes of dead polymers, but comparison between Model A an experimental data proved otherwise. The Model B was based in model of Aguiar (2013), and uses the mass balance for non-polimerics species and moments methods for polimerics species. Model B also uses numerical fractionation for average molecular weight and gel point determination, and the method of paths to approach cyclization reactions. When compared to experimental data, Model B proved more realistic, presenting shorter simulation times and less numerical problems than Model A. Therefore Model B was chosen to represent the system. The results presented by Model B indicate that the parameter assigned to the kinetics os crosslink (Cp) was fitted at 0,05 and cyclization rate constant for paths with 3 monomer units was fitted 130 s-1 at temperature of 90°C. The cyclization rate constants for longer paths were calculated trough Rolfes and Steptos equation. This work is a follow up to Aguiars work (2013) and the results showed that the simulation of variables: concentration of pendant double bonds, average molecular weight and polidispersity better predicted when the cyclization rate constants are greater than zero.

Type 1 Diabetes (T1D) is an autoimmune disease where the pancreas produces little to no insulin, which is a hormone that regulates blood glucose levels. This happens because the immune system attacks (and kills) the beta cells of the pancreas, which are responsible for insulin production. Higher levels of glucose in the blood could have very negative, long term effects such as organ damage and blindness. To date, T1D does not have a defined cause nor cure, and research for this disease is slow and difficult due to the invasive nature of T1D experimentation. Mathematical modeling provides an alternative approach for treatment development and can greatly advance T1D research. This thesis describes both a single-compartment and multi-compartment model for Type 1 Diabetes.

In this thesis we develop new mathematical models, using dynamical systems, to represent localized gene delivery of bone morphogenetic protein 2 into bone marrow-derived mesenchymal stem cells and rat calvarial defects. We examine two approaches, using pDNA or cmRNA treatments, respectively, towards the production of calcium deposition and bone regeneration in in vitro and in vivo experiments. We first review the relevant scientific literature and survey existing mathematical representations for similar treatment approaches. We then motivate and develop our new models and determine model parameters from literature, heuristic approaches, and estimation using sparse data. We next conduct a qualitative analysis using dynamical systems theory. Due to the nature of the parameter estimation, it was important that we obtain local and global sensitivity analyses of model outputs to changes in model inputs. Finally we compared results from different treatment protocols. Our model suggests that cmRNA treatments may perform better than pDNA treatments towards bone fracture healing. This work is intended to be a foundation for predictive models of non-viral local gene delivery systems.

Orientador: Samuel Conceição de Oliveira / Resumo: A determinação da estratégia de controle adequada para bioprocessos batelada e batelada alimentada é uma questão prática importante devido ao alto valor agregado de alguns bioprodutos. Desde que é altamente desejável otimizar a produção de bioprodutos, vários métodos têm sido propostos para esse objetivo. Uma vez dispondo de um modelo matemático adequado para o bioprocesso, o problema de otimização pode ser formulado no âmbito do princípio do máximo de Pontryagin e da teoria de controle ótimo para determinar a melhor trajetória de controle para certas variáveis manipuladas, como temperatura, pH e taxa de alimentação do substrato. Neste estudo, duas aplicações dessas técnicas baseadas em modelos matemáticos para otimizar e controlar bioprocessos de produção de antibióticos são revisadas e novos aspectos são enfatizados. Os casos analisados incluem a otimização da taxa de alimentação de substrato em um reator batelada alimentada e da temperatura em um reator batelada durante fermentações penicilínicas. Os principais resultados obtidos neste estudo foram: (i) a constatação de que métodos numéricos simples (Runge-Kutta, Newton-Raphson) podem ser aplicados para resolver satisfatoriamente os problemas de valor no contorno propostos; (ii) a demonstração de que a operação não isotérmica é mais produtiva em antibiótico do que a operação sob temperatura constante; (iii) a necessidade de adoção de um modelo matemático apropriado para o bioprocesso visando à resolução do problema de cont... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

Orientador: Helenice de Oliveira Florentino Silva / Banca: Sonia Cristina Poltroniere Silva / Banca: Maura Seiko Tsutsui Esperancini / Resumo: A cana-de-açúcar é considerada uma das mais importantes culturas dentro do agronegócio brasileiro, sua utilização é destinada principalmente para produção de açúcar, etanol e bioeletricidade, além de outros importantes produtos. Sob uma ótica econômica, a cultura da cana-de-açúcar, tem relevância na geração de empregos de renda e de divisas para o país produtor. Devido à importância desta cultura, houve uma grande expansão deste setor, tornando o planejamento de processos sucroenergéticos muito complexo. Neste contexto, gestores e pesquisadores dos setores privado e público estão juntando esforços para obter estratégias que facilitem a gestão destas empresas, respeitando os fatores políticos, ambientais, sociais e econômicos. Muitas das vezes, estas estratégias exigem o emprego de técnicas matemáticas e computacionais para subsidiar tomadas de decisão mais assertivas. Assim, o objetivo desse trabalho é propor uma metodologia envolvendo técnicas matemáticas que auxiliem na minimização do tempo de duração da colheita, considerando a otimização do tempo de manobras dos veículos de transbordo na cabeceira do talhão, visto que esta é a operação que mais demanda tempo durante o processo de corte da cana. A metodologia proposta considera duas etapas, em que na primeira é aplicado um modelo matemático para minimização do número de manobras a serem realizadas pelo veículo na área de colheita e na segunda etapa é sugerido um procedimento para realização da manobra, o qual permite que e... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Sugarcane is considered one of the major crops in Brazilian agribusiness as it is utilized mainly for the production of sugar, ethanol and bioelectricity besides other important products. Under an economic perspective, sugarcane cultivation has been relevant to creation of jobs, income, and foreign exchange for the producing country. Due to the importance of this crop, there has been a great expansion of this sector which has resulted in very complex planning of sugar-energy processes. Therefore, managers and researchers from the public and private sectors have been working together in order to develop strategies that make the management of these companies easier while respecting political, environmental, social and economic factors. Mostly, these strategies demand the use of mathematical and computational models to subsidize more assertive decision making. Thus, this study aimed to propose a methodology involving mathematical models that help minimize the harvest time, considering time optimization of transshipment maneuvers at the plot since this is the longest operation in the sugarcane cutting process. The proposed methodology presents two phases: first, a mathematical model is applied to minimize the number of maneuvers to be done by the truck in the harvesting area, and then a maneuver procedure to shorten the average maneuvering time is presented. By minimizing the maneuvering time of agricultural machinery, this study will consequently contribute to the reduction of t... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Renata Zotin Gomes de Oliveira / Resumo: Neste trabalho apresentamos um estudo introdutório à Teoria de Conjuntos Fuzzy e Lógica Fuzzy, mostrando o seu potencial de aplicação através do aperfeiçoamento do cálculo da estimativa do tempo de vida de um transformador de energia elétrica, informação de grande importância para a equipe de qualidade de uma empresa conseguir prever o melhor momento de manutenção. Foi desenvolvido um sistema computacional que consulta uma base de dados já existente e aplica o cálculo do tempo de vida utilizando três métodos diferentes, permitindo ao usuário comparar e selecionar o resultado mais próximo ao real, com base em fatores externos. Como energia elétrica é um tema amplo que aparece em diversos componentes curriculares, facilitando a construção de projetos interdisciplinares, apresentamos uma proposta de projeto onde será criada uma maquete de uma turbina hidrelétrica utilizando conceitos da construção geométrica e a modelagem matemática da tensão gerada por esta turbina, em função da altura. A proposta de projeto foi aplicada no 8◦ ano do Ensino Fundamental e os resultados estão presentes no trabalho. / Abstract: In this work we present an introductory study of Fuzzy Sets Theory and Fuzzy Logic, showing its potential for application through the improvement of the calculation of the life span estimation of an electrical power transformer, information of great importance for the company's quality team to predict the best moment of maintenance. It was developed a computational system that consults the existing database and applies the calculation of the life span using three di erent methods, allowing the user to compare and select the result closest to the actual based on external factors. Since electric energy is a broad theme that appears in several curricular components, facilitating the construction of interdisciplinary projects, we present a project proposal where a model of a hydroelectric turbine will be created using concepts of geometric construction and the mathematical modelling of the tension generated by this turbine, as a function of height. The project proposal was applied in the 8◦ year of elementary school and the results are present at work. / Mestre