Orientador: Amir Ordacgi Caldeira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-22T09:06:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_AndreCidrim_M.pdf: 2425014 bytes, checksum: 811e505ae512a8d17530025bb5c11afb (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Nesse trabalho estudamos o problema quântico dissipativo de um pacote gaussiano aprisionado num potencial harmônico. Seguimos uma abordagem fenomenológica de dissipação, à luz do modelo Caldeira-Leggett, onde o ambiente é caracterizado por um banho osciladores harmônicos. Sendo um dos efeitos do acoplamento com o banho transformar o pacote inicialmente puro em uma mistura estatística num processo de decorrência, estimamos o tempo característico em que isso ocorre em diferentes regimes de temperatura e acoplamento / Abstract: In this work we have studied the quantum dissipative problem of a gaussian packet under the influence of a harmonic potential. A phenomenological approach to dissipation is taken, in the light of the Caldeira-Leggett model, in which the environment is characterized by a bath of harmonic oscillators. As one of the effects of the coupling to the bath being leading the initially pure packet into a statistical mixture, we estimate the characteristic time elapsed for this to occur in different regimes of temperature and coupling / Mestrado / Física / Mestre em Física

This dissertation proposes engineering principles for stress wave dissipation found in woodpeckers. From the experimental study of a woodpecker’s beaks via electron microscopy and mechanical testing, the three main design factors were pointed out. First, a woodpecker’s beak has wavy lines inside of the beak for local shearing. The waviness of wavy lines found in the woodpecker’s beaks was 1 while chicken’s was 0.3, and toucan’s was 0.05. Second, the woodpecker showed elongated the keratin scales to the pecking direction with a dimension ratio of 3.67 (width/height) while chicken’s and toucan’s were 3 and 1, respectively. Third, a woodpecker’s beak bone was less porous for structural strength. The porosity of a woodpecker’s beak bone was about 9.9 % while chicken’s and toucan’s were 42.3 % and 61.5 %, respectively. Also, by using computational simulations, unique geometries including hyoid apparatus and suture interfaces found in woodpeckers were investigated to assess their damping capabilities. Surrounding a woodpecker’s head, the hyoid apparatus composed of core cartilage and muscle encasing a core cartilage. The spiral and thinning geometry of the hyoid apparatus converted the normal waves into shear waves. Then shear waves generated lateral displacement of the hyoid bone, and lateral displacement brought strain energy into surrounding muscle, in which energy loss occurred by viscoelastic behavior of the muscle. Quantitatively, as the stress wave traveled from the anterior to the posterior end of the hyoid apparatus, its pressure decreased 75 % and the impulse decreased 84 %. Suture interfaces, which is another unique feature observed from woodpecker’s beak, was investigated for their geometrical effects on the dynamic impact mitigation. A sinusoidal pattern of suture interfaces induced wave scattering at its boundary causing conversion of longitudinal waves into shear waves. The suture gap also brought pressure decay by storing strain energy in its viscoelastic material. As a result, a bar with a suture interface attenuated stress waves about 37 % more than a bar with a flat interface. Based on the results and ideas presented herein, one can develop bio-inspired material for energy absorbing.

Observational data are analyzed and decomposed to reveal internal ocean waves and their interactions with one another. Particularly, the interaction of small-scale internal waves with a large inertia wave packet is examined. Using the governing internal wave equations, an analysis is made of the energy propagation of a small scale internal wave with a large-scale inertia wave. With that, an assessment is made of the frequency of occurrence of various encounter types. Next, the possibility of energy transfer during an interaction is explored. The relative energy of the small wave before interacting with the large-scale inertia wave is calculated and compared to the relative energy during and after the interaction. Performing this analysis on multiple wave-wave interactions seen within the observational data set provides a look into the behavior of these wave types. Additionally, the dissipation within each of the corresponding time-space regions is calculated, giving an alternative explanation other than energy transfer among waves for the disparity in energy. Dissipation estimates and energy results are extrapolated to create a general energy transfer and dissipation estimate in the ocean resultant from these interaction types. A two dimensional non-linear method presents a comparison between the observational data findings and the expected computed result. From there, conclusions are drawn synthesizing the results from the observational and numerical analyses. It was concluded that for observational small waves propagating in the same direction as the background shear, a loss was seen in the wave's energy. For interactions wherein the small wave propagated in the opposite direction, the observational small wave energy increased through the interaction. Within the numerical findings, the small wave energy in same direction interactions was partially lost while the small wave energy in opposite direction interactions was both lost and gained depending on the encounter type which encounter types could be confirmed in observations. The dissipation analysis showed the greatest dissipation during the interaction between a small wave and background shear so the gains seen occurred when the types of encounters expecting a gain were present.

This thesis is divided in two parts. The first part is devoted to the micro-macro modeling of the behavior of concrete under cyclic loading. Correlations between microscopic (frictional sliding of mesocracks) and macroscopic (energy dissipation) properties are investigated. The second part focuses on the description of a series of uniaxial cyclic tests on concrete and concrete-like materials performed in the "Rock Mechanics Laboratory" of Virginia Polytechnic Institute and State University, Virginia, USA. Data deriving from these experiments are analyzed on the basis of the micro-macro identification theory. Interesting predictions of the real mechanical behavior of concrete can be found by means of the aforementioned theory and are presented in the last part of the thesis. / Master of Science

Cette étude présente une analyse thermomécanique du comportement en fatigue oligocyclique du polyamide 6.6 vierge et renforcé de fibres de verre courtes. Des bilans d'énergie sont réalisés en utilisant, de façon combinée, des techniques d'imagerie quantitative visible et infrarouge. Les champs de température sont obtenus par thermographie et les champs de déformation par corrélation d'images. Sur un cycle de chargement, on montre comment il est possible d'estimer séparément les sources de chaleurs moyennes par cycle, sources associées aux mécanismes dissipatifs et induites par les effets de couplage thermomécanique. On montre ensuite, pour différentes fréquences de chargement, l'évolution du bilan de puissance moyen par cycle sur une zone matérielle correspondant à la partie utile de l'éprouvette. Ce bilan prend en compte le taux de l'énergie de déformation, les chaleurs mises en jeu et les variations d'énergie interne. On observe que la forme du bilan de puissance est très fortement dépendante, pour un rapport de charge donné, à la fréquence de sollicitation, à la teneur en eau, à l'orientation des fibres de verre mais aussi aux niveaux de contrainte appliqués. / This study presents a thermomechanical analysis of fatigue behavior of pure and short glass- fiber reinforced polyamide 6.6. The energy balances are drew up using the combined application of visible and infrared quantitative imaging techniques. Temperature fields are obtained by thermography and strain fields by image correlation. Over one complete cycle, we show how it is possible to separately estimate the heat sources averaged over the cycle, associated with dissipative mechanisms and induced by thermomechanical coupling source effets. Then we show, for different loading rates, the time courses of the energy rate balance for a physical area corresponding to the gage part of the specimen. This balance takes into account the deformation energy rate, the heat sources and the internal energy variations. It is observed that the shape of the energy rate balance is highly dependent, for a given load ratio, to the load rate, the water content, the orientation of the glass fibers and the applied stress levels.

L'objectif de cette thèse est de clarifier le rôle de la composante rotationnelle de la force de Lorentz dans sa capacité à imposer la topologie, et la dynamique des écoulements turbulents MHD à bas Rm, confinés par des parois rigides et électriquement isolantes. Le travail présenté ici se scinde en deux parties : D'une part une étude théorique effectuée dans un cadre faiblement inertiel, d'autre part une étude expérimentale d’écoulements turbulents pleinement développés. L’étude théorique porte sur un vortex isolé, stationnaire et axisymétrique, confiné entre deux parois rigides et électriquement isolantes, perpendiculaires à un champ magnétique uniforme. Grâce à un développement asymptotique des équations de Navier-Stokes, valable quel que soit le nombre de Hartmann, nous montrons que la dimensionnalité topologique de l’écoulement de base ne dépend que d'un seul paramètre. Ce paramètre en question compare en fait la distance sur laquelle la partie rotationnelle de la force de Lorentz est capable d'agir dans la direction du champ magnétique, avant d’être contrée par les effets visqueux. Cette étude met en lumière deux mécanismes inertiels capables d'engendrer une composante de la vitesse dans la direction du champ magnétique au premier ordre, en introduisant des recirculations dans le plan méridional : du pompage d'Ekman direct ou inverse. Un dispositif expérimental à également été construit durant ce projet, afin d’étudier la dynamique d’écoulements turbulents de métaux liquides soumis à des champs magnétiques intenses. La turbulence stationnaire engendrée par ce dispositif était forcée électriquement en imposant un courant continu à travers une matrice carrée et periodique d’électrodes d'injection. Grâce à ce dispositif, nous avons montré que les statistiques des fluctuations turbulentes étaient raisonnablement homogènes et axisymétriques, malgré un forçage inhomogène et anisotrope. Nous confirmons également, en comparant les densités d’énergie cinétique turbulentes mesurées le long des parois perpendiculaires au champ magnétique, que les processus physiques en jeu dans le domaine inertiel 3D de la turbulence MHD confinée à bas Rm sont bien la composante rotationnelle de la force de Lorentz d'une part, et les transferts inertiels d'autre part. Grâce à une étude statistique dans l'espace des échelles, nous montrons que la cinématique de la turbulence forcée dans notre expérience suit en fait une loi universelle qui ne dépend que de deux longueurs caractéristiques. Premièrement, l’échelle d'injection, dans la direction perpendiculaire au champ magnétique. Deuxièmement, le rayon d'action de la force de Lorentz avant d’être contrée par les effets inertiels, dans la direction parallèle au champ. Nous prouvons que le rapport entre cette dernière longueur caractéristique et la hauteur de l'enceinte expérimentale permet de différencier les structures turbulentes cinématiquement quasi-2D de celles qui sont cinématiquement 3D. En calculant directement le flux d’énergie cinétique turbulente perpendiculaire à travers les échelles horizontales, nous montrons que ce dernier est toujours dirigé vers les grandes échelles. Ce quel que soit la dimensionnalité des échelles en question. Autrement dit, une cascade inverse d’énergie perpendiculaire peut exister sans pour autant que les structures turbulentes associées soient quasi-2D. / This thesis aims at clarifying the role of the solenoidal component of the Lorentz force in fixing the topological dimensionality, and the ensuing dynamics of low-Rm MHD turbulent flows confined between electrically insulating and no-slip Hartmann walls. The work presented here breaks down into two main parts: An analytical investigation carried out in the weakly inertial limit on the one hand, and an experimental study of fully developed turbulence on the other hand. The analytical investigation was performed on a single steady and axisymmetric electrically driven vortex confined between no-slip and electrically insulating walls perpendicular to a uniform magnetic field. Thanks to an asymptotic expansion valid for any Hartmann number, we showed that the topological dimensionality of the leading order is fully imposed by a single parameter, which compares the distance over which the Lorentz force is able to act in the direction of the magnetic field, before it is balanced out by viscous friction. This study highlights two inertial mechanisms capable of introducing a third velocity component in the direction of the field, by means of recirculations in the meridional plane: direct and/or inverse Ekman pumping. An experimental platform was designed and built from the ground up during this project, to investigate the dynamics of liquid metal turbulence subject to extreme magnetic fields. The turbulence sustained in our experiment was forced electrically by imposing a DC current through a square periodic array of electrodes. Thanks to this setup, we showed that the statistics of the turbulent fluctuations were homogeneous and axisymmetric to a satisfactory level, despite the forcing mechanism being inhomogeneous and anisotropic. By comparing the energy densities measured along the walls perpendicular to the magnetic field, we confirm that the physical processes at stake in the 3D inertial range of wall-bounded MHD turbulence at low-Rm are the solenoidal component of the Lorentz force on the one hand, and inertia on the other hand. Thanks to a statistical analysis in scale space, we show that their exists a universal law imposing the kinematics of turbulent structures in our experiment, which turns out to be fully described by only two lenghtscales. First, the forcing scale in the direction perpendicular to the magnetic field. Second, the range of action of the Lorentz force before it is balanced out by inertial transfers, in the direction parallel to the field. We prove that the ratio of this latter scale over the height of the channel in fact segregates kinematically quasi-2D from kinematically 3D turbulent structures. By computing the actual flux of perpendicular turbulent kinetic energy along perpendicular scales, we show that it always flows towards larger turbulent scales regardless of their topology. In other words, we show that the existence of an inverse cascade of perpendicular kinetic energy does not necessarily require perpendicular turbulent scales to be topologically quasi-2D in the inertial range.

L’objectif de ces travaux de thèse visait une meilleure compréhension et représentation de lapropagation de la houle à travers les milieux poreux afin de proposer une nouvelle caractérisation desouvrages de défense du littoral. L’influence du paramètre de surface spécifique des milieux poreux (surfacede contact fluide-solide), à porosité constante, est mise en évidence sur des écoulements permanents etoscillants forcés par la houle à l’aide de séries d’expériences réalisées en canal et bassin d’essai. Les donnéesexpérimentales obtenues sont comparées à des modèles théoriques basés sur la théorie potentielle des ondeset résolus à travers des méthodes intégrales de raccordement des potentiels aux frontières entre domaines.Les processus de réflexion, transmission et dissipation sont étudiés dans le cas bidimensionnel, les processusde réflexion, réfraction-diffraction et dissipation de la houle sont étudiés dans le cas tridimensionnel. Desphénomènes d’interférence des ondes sont mis en évidence en observant le caractère oscillant du coefficient deréflexion en fonction de la fréquence de la houle dans le cas 2D. A ce processus d’interférences dans la directionde propagation de la houle dans le cas 2D s’ajoute, dans le cas 3D, un phénomène d’interférences dans ladirection transversale à la direction de propagation de la houle. Un comportement linéaire ou quadratique dutaux de dissipation de l’onde à l’intérieur du milieu poreux est observé. Le rôle de la surface spécifique dans ladissipation de l’énergie de l’onde à travers le milieu poreux est mis en évidence. Les régimes d’écoulement etles effets d’échelle sont également discutés. / The purpose of this Ph-D work aims to enhance knowledge and better describe wave propagationthrough porous media in order to propose a new characterization of coastal defense structures. The influenceof the specific surface parameter (fluid-solid contact surface) of porous media is then highlighted at givenporosity for steady and oscillatory wave induced flows with experiment series carried out in either wave tankor basin. Experimental data are compared with theoretical models based on wave potential theory numericalsolved by use of integral matching method at the domains’ boundaries.Wave scattering in the presence of porous structure is studied in both 2D and 3D cases. Interference processwithin the porous media are observed in the 2D case, leading to an oscillatory behavior of the reflection versusfrequency. Additional interference processes are observed in the transverse direction in the 3D case, leadingto a wave behavior strongly dependent on wave dynamics at both sides of the porous structure for resonantcases. Either linear or quadratic behavior of the dissipation is observed within the porous media. The role ofthe specific surface in the dissipation process is demonstrated. Both flow regimes and scale effects are alsodiscussed.

Cette étude présente une analyse mécanique et énergétique de la fatigue des matériaux métalliques à grand et très grand nombre de cycles. Des bilans d'énergie en fatigue sont réalisés à partir de techniques d'imagerie quantitatives. Les sources de chaleur sont déterminées à partir des champs de température mesurés par caméra infrarouge. Les champs cinématiques sont obtenus en utilisant une technique de corrélation d'image numérique et permettent d'estimer l'énergie de déformation mise en jeu. Un premier objectif est d'analyser la pertinence énergétique des concepts de limite de fatigue et d'état cyclique stabilisé. Un deuxième objectif est de comparer les champs de dissipation à l'échelle mésoscopique aux distributions de bandes de glissement. Enfin, la comparaison d'essais de fatigue conventionnelle (30-50 Hz) et ultrasonique (20 kHz) permet d'analyser les effets de la fréquence sur le comportement dissipatif du matériau. / This work presents a mechanical and energy analysis of metallic materials during high and very high cycle fatigue tests. Energy balances are derived from quantitative imaging techniques. Heat sources are estimated from temperature fields measured by an infrared camera. Kinematic fields are obtained by using digital image correlation techniques and used to compute the deformation energy. A first aim is to analyse the energy relevance of the concepts of fatigue limit and stabilzed cyclic behavior. A second aim is to compare dissipation fields at mesoscale with the microstrural distribution of slip bands. Finally, conventional (30-50 Hz) and ultrasonic (20kHz) fatigue tests are used to analyse the frequency effect on the dissipative behavior of the material.

Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet APSTRAM (Allègement et Performance des STRuctures Acier Marine) de l’IRT Jules Verne, s’intéresse à l’endommagement en fatigue à grand nombre de cycles d’un acier ferritique à haute limite d’élasticité HC360LA. La première partie de ce travail est dédiée à la réalisation d’essais de fatigue à contrainte imposée avec différents rapports de charge et différentes conditions initiales (fixées à partir d’un éventuel pré-écrouissage). Ces essais montrent que le pré-écrouissage, obtenu par traction uniaxiale, permet d’augmenter significativement la résistance à la fatigue. Aussi, un effort expérimental est fait pour estimer à partir des mesures de force, d’élongation et de température comment l’énergie de déformation est soit dissipée en chaleur, soit stockée dans le matériau par écrouissage. Les résultats ainsi obtenus montrent qu’il existe à l’échelle macroscopique une corrélation entre l’énergie dissipée et le nombre de cycles à rupture indépendamment des conditions initiales et des conditions de chargement. Cela souligne donc l’importance de la plasticité dans le processus d’endommagement en fatigue de l’acier HC360LA. Un modèle polycristallin de comportement et d’endommagement en fatigue est ensuite proposé. Il repose sur la formulation d’une loi de comportement à l’échelle cristalline qui utilise les ingrédients de la mécanique de l’endommagement pour décrire la dégradation progressive des propriétés mécaniques. La loi de comportement est établie de sorte à considérer le couplage de l’endommagement avec la plasticité, le caractère anisotrope de l’endommagement et l’influence de l’anisotropie des propriétés élastiques. Elle est ensuite implémentée dans un modèle d’homogénéisation afin de prendre en compte le caractère polycristallin de l’acier HC360LA. Le modèle proposé est finalement utilisé pour étudier le comportement en fatigue à l’échelle microscopique. Il permet d’abord de montrer que l’endommagement de fatigue est un processus extrêmement localisé qui ne concerne que quelques cristaux d’orientation particulière. De ce fait, si une diminution de la rigidité est localement observée, les propriétés élastiques macroscopiques sont peu influencées par l’endommagement. Aussi, le modèle permet de souligner que la contribution de l’endommagement à la dissipation de chaleur est négligeable devant celle de la plasticité. La corrélation entre le nombre de cycles à rupture et l’énergie dissipée n’existe donc que parce que l’endommagement de fatigue est le résultat de l’accumulation de déformation plastique. / The present work, which is integrated in the IRT Jules Verne APSTRAM project, focuses on the high cycle fatigue behavior of a ferritic high-strength low-alloy steel (HC360LA). First, different stress-controlled cyclic tests are carried out to study the influence of loading conditions and pre-straining on the fatigue behavior. According to the experimental results, a uniaxial tension pre-straining allows for a significant increase of the fatigue strength. Using the experimental dataset (force, elongation and temperature), an important effort is made to estimate the fraction of strain energy that is either dissipated into heat or stored within the material during cyclic tests. The strong correlation between the number of cycles to failure and heat dissipated energy emphasizes the importance of plasticity in the process driving to fatigue failure. Second, a polycrystalline model is proposed to describe the fatigue behavior of metallic materials in the high cycle fatigue regime. To consider the anisotropy of plastic properties, the constitutive model is developed at the grain scale within a crystal plasticity framework. It uses continuum damage mechanics to describe the progressive degradation of mechanical properties within an anisotropic context. The constitutive model is then integrated within a self-consistent formulation to consider the polycrystalline nature of metallic materials. Finally, the proposed model allows for investigating the fatigue behavior of the HC360LA steel at a microscopic scale. Damage is found to be highly localized in some specific grains. As a result, while fatigue damage results in a progressive decrease of elastic stiffness at the crystal scale, the elastic properties are not significantly affected at the macroscopic scale. Also, the contribution of damage to heat dissipation is negligible. The correlation between energy dissipation and fatigue failure is therefore a consequence of the strong coupling between plasticity and damage.

Un nanofil de carbure de silicium encastré à une de ses extrémités permet d'obtenir un résonateur mécanique réalisant un système modèle de poutre vibrante dans des régimes d'oscillation linéaire et non-linéaire. Les faibles masses et raideurs mécaniques des nanofils utilisés donnent lieu à une description des résonateurs où les forces électriques capacitives sont significatives. Si l'accordage en fréquence des résonateurs micro et nanométriques est une propriété usuelle liée aux forces électriques statiques, il sera montré que l'effet du couplage électromécanique dynamique introduit une dissipation associée aux courants électriques résultants de la vibration mécanique. Le rôle central du couplage électromécanique est mis en avant pour l'obtention d'un régime d'auto-oscillation. Lorsque le résonateur est parcouru par un courant d'émission de champ, une mise en vibration spontanée du résonateur autour de sa position d'équilibre est observée. L'introduction d'une excitation électrique alternative permet l'étude d'un régime de synchronisation externe où la dynamique de la phase de l'auto-oscillateur forcé présente un comportement remarquablement riche / When one end of a silicon carbide nanowire is clamped on a support, a mechanical resonator is obtained to achieve a model system of vibrating beam. The low weight and stiffness associated with mechanical dimensions of the micro and nanoscale wires lead to a regime where the capacitive electrical forces are significant for the dynamics of such resonators. If the frequency tuning of micro and nanoscale resonators is a usual property related to the static electrical forces, the effect of electromechanical dynamical coupling will also be considered to introduce a mechanical dissipation associated with electric currents driven by the vibration. The central role of the electromechanical coupling is put forward to obtain a self-oscillation regime. When the resonator is flowed by a field emission current, a spontaneous oscillation of the resonator around its equilibrium position is observed. The introduction of an electrical excitation allows the study of an external synchronization regime where the phase dynamics has a remarkable rich behavior