Magíster en Ciencias, mención Física / En esta tesis se diseñó e implementó una metodología experimental a escala microfluídica, enfocada al estudio de la difusión en redes cuasi-bidimensionales aleatorias de microcanales. Para ello, se adaptó la técnica de la recuperación de la fluorescencia después del fotoblanqueo (FRAP) con el objetivo de determinar el coeficiente de difusión efectivo adimensional $D/D_0$ de la fluoresceína en una solución acuosa dentro de estas redes; donde $D_0$ es el coeficiente de difusión molecular de esta especie. Se estudió el comportamiento de $D/D_0$ en función de dos parámetros adimensionales que describen las cualidades geométricas de estas redes: la homogeneidad $\gamma=R/\langle L \rangle$ y el aspecto reticular $\eta=\langle L \rangle/w$, donde $\langle L \rangle$ y $w$ son la longitud media y el ancho de los canales, y $R$ es el radio de la zona en que la difusión es medida. El parámetro $\gamma$ describe los efectos de los detalles geométricos sobre la difusión y $\eta$ cuantifica el volumen accesible al fluido. Adicionalmente, en estas geometrías estudiamos la respuesta de $D/D_0$ frente la acción de un flujo periódico de amplitud $x$ y promedio nulo. Determinamos un parámetro crítico $\gamma_c\sim2.7$ a partir del cual la red puede ser descrita como un medio efectivo. En esta escala, encontramos que $D/D_0\sim 0.7$ para un valor fijo de $\eta=3.64$. Además, medimos el efecto del aspecto reticular $\eta$ sobre la difusión; en este caso $D/D_0$ disminuye cuando $\eta$ aumenta, llegando rápidamente a un nivel de saturación $D/D_0\sim0.4-0.5$ para $\eta>2.5$. Por otro lado, para $\gamma=0.6$, lo que llamamos la micro-escala, se encontró que existe una dependencia del número de conexiones existentes en un nodo de la red sobre $D/D_0$. En el caso de la acción del flujo externo, observamos un importante incremento de $D/D^*$ en términos de la amplitud adimensional de oscilación de este flujo $x/\langle L \rangle$, siendo $D^*$ el coeficiente efectivo de difusión en ausencia de flujo. En la primera parte de esta tesis establecemos la base teórica correspondiente del proceso de difusión, incluyendo una descripción para medios no homogéneos. También discutimos los aspectos relevantes del FRAP, que es la metodología experimental que usamos en este trabajo. Más adelante, describimos los métodos experimentales desarrollados, donde reseñamos, entre otros detalles, la forma de obtener geometrías reticulares desordenadas mediante los mosaicos de Voronoi y el procedimiento de construcción de los microcanales que reproducen estas geometrías. Luego, mostramos en detalle los resultados experimentales, entre ellos, los ya mencionados. Finalmente incluimos las conclusiones del presente trabajo, presentando además las sugerencias para futuras investigaciones en este tema.

Several examples of nearly optimal transport networks can be found in nature. These networks effectively distribute and drain fluids throughout a medium. Evidence suggests that blood vessels of the circulatory system, airways in the lungs and veins of leaf venations are examples of networks that have evolved to become effective in their tasks while simultaneously being energy efficient. Hence, it does not come as a surprise that recent performance improvements of modern power generating devices occur due to the use of nature-inspired channel architectures. Guided by this observations, in this work, we investigate the application of visually realistic computer-generated leaf venation patterns to a type of photovoltaic device. We solve the flow through the device problem using Computational Fluid Dynamics (CFD) tools. Moreover, we attempt to develop experimentals models. Ultimately, we seek to single out the network properties that affect their performance. / Diversos exemplos de redes de transporte quase ótimas podem ser encontradas na natureza. Essas redes distribuem e coletam fluidos através de um meio. Evidências sugerem que os vasos sanguíneos do sistema circulatório, as vias respiratórias nos pulmões e as veias das venações em folhas são exemplares de redes que evoluiram para se tornarem efetivas em suas tarefas sendo, ao mesmo tempo, eficientes energeticamente. Dessa forma, não chega a ser surpreendente que recentes melhorias de performance em dispositivos de geração de energia modernos ocorrem devido ao uso de arquiteturas de canais inspiradas na natureza. Guiados por estas observações, nesse trabalho, investigamos a aplicação de padrões de venações verossímeis geradas por computador em um tipo de dispositivo fotovoltaico. Resolvemos o problema de escoamento através do dispositivo usando ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD). Além disso, procuramos desenvolver modelos experimentais. Em última instância, estamos em busca das propriedades da rede que afetam sua performance.

Several examples of nearly optimal transport networks can be found in nature. These networks effectively distribute and drain fluids throughout a medium. Evidence suggests that blood vessels of the circulatory system, airways in the lungs and veins of leaf venations are examples of networks that have evolved to become effective in their tasks while simultaneously being energy efficient. Hence, it does not come as a surprise that recent performance improvements of modern power generating devices occur due to the use of nature-inspired channel architectures. Guided by this observations, in this work, we investigate the application of visually realistic computer-generated leaf venation patterns to a type of photovoltaic device. We solve the flow through the device problem using Computational Fluid Dynamics (CFD) tools. Moreover, we attempt to develop experimentals models. Ultimately, we seek to single out the network properties that affect their performance. / Diversos exemplos de redes de transporte quase ótimas podem ser encontradas na natureza. Essas redes distribuem e coletam fluidos através de um meio. Evidências sugerem que os vasos sanguíneos do sistema circulatório, as vias respiratórias nos pulmões e as veias das venações em folhas são exemplares de redes que evoluiram para se tornarem efetivas em suas tarefas sendo, ao mesmo tempo, eficientes energeticamente. Dessa forma, não chega a ser surpreendente que recentes melhorias de performance em dispositivos de geração de energia modernos ocorrem devido ao uso de arquiteturas de canais inspiradas na natureza. Guiados por estas observações, nesse trabalho, investigamos a aplicação de padrões de venações verossímeis geradas por computador em um tipo de dispositivo fotovoltaico. Resolvemos o problema de escoamento através do dispositivo usando ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD). Além disso, procuramos desenvolver modelos experimentais. Em última instância, estamos em busca das propriedades da rede que afetam sua performance.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2017-06-13T15:57:01Z No. of bitstreams: 1 Jonathan Machado_.pdf: 1018280 bytes, checksum: ac428b5c72c1ef24649cb96a3a778512 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-13T15:57:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jonathan Machado_.pdf: 1018280 bytes, checksum: ac428b5c72c1ef24649cb96a3a778512 (MD5) Previous issue date: 2017-03-30 / Nenhuma / Os acidentes de trânsito de veículos são uma das maiores causas de mortes na população jovem mundial, e existe uma tendência ao crescimento no número de casos dos mesmos nos próximos anos. A ocorrência dos acidentes é influenciada por diversos fatores, tais como condições das vias, condições climáticas, fiscalização de leis por órgãos governamentais, dentre outros. Seria interessante conhecer de maneira mais detalhada quais destes fatores detém maior influência. Na internet, existe uma quantidade imensa de dados gerados pelos mais diversos órgãos e empresas, porém grande parte desta informação não é analisada por ninguém, seja por falta de acesso, ou porque os dados não estão estruturados de uma maneira que permita seu entendimento. A disponibilização de dados vem aumentando, seja por conta de políticas de dados abertos implantadas pelo governo ou através de ferramentas colaborativas da web, que possibilitam o registro de informações por parte da população, e que posteriormente disponibilizam seus dados. Este trabalho propõe um método de agrupamento de dados georreferenciados oriundos de diversas fontes, para realização de uma análise estatística utilizando a técnica de Análise de Componentes Principais, que poderá identificar de forma georreferenciada quais características influenciam mais na ocorrência de acidentes de trânsito de veículos. Após a análise, é explorada uma nova metodologia de visualização dos resultados, plotados sobre mapas, que podem servir de auxílio para órgãos do governo e tomadores de decisão que realizam ações para diminuir os acidentes de trânsito. / Traffic accidents of vehicles are one of the biggest causes of deaths in the world's young population, and there is a tendency to increase this number in the next years. The occurrence of accidents is influenced by several factors, such as road conditions, climatic conditions, law enforcement by government agencies, among others. It would be interesting to know in more detail which of these factors has the greatest influence. On the internet, there is an immense amount of data generated by diverse agencies and companies, but much of this information is not analyzed, either because of lack of access, or because the data is not structured in a way that allows its understanding. The availability of data is increasing, either through open data policies implemented by the government, or through collaborative web tools, which make it possible record information by population, and subsequently make their data available. This work proposes a method of grouping georeferenced data from several sources, to perform a statistical analysis using the technique of Principal Components Analysis, which can identify in a georeferenced way which characteristics influence more in the occurrence of traffic acidentes of vehicles. After the analysis, a new methodology for visualizing results, plotted on maps, is explored, which can serve as an aid to government agencies and decision makers who take actions to reduce traffic accidents.

[pt] A análise de complexidade clássica para problemas NP-difíceis é geralmente orientada para cenários de pior caso, considerando apenas o comportamento assintótico. No entanto, existem algoritmos práticos com execução em um tempo razoável para muitos problemas clássicos. Além disso, há evidências que apontam para algoritmos polinomiais no modelo de árvore de decisão linear para resolver esses problemas, embora não muito explorados. Neste trabalho, exploramos esses resultados teóricos anteriores. Mostramos que a solução ótima para problemas combinatórios 0-1 pode ser encontrada reduzindo esses problemas para uma Busca por Vizinho Mais Próximo sobre o conjunto de vértices de Voronoi correspondentes. Utilizamos os hiperplanos que delimitam essas regiões para gerar sistematicamente uma árvore de decisão que repetidamente divide o espaço até que possa separar todas as soluções, garantindo uma resposta ótima. Fazemos experimentos para testar os limites de tamanho para os quais podemos construir essas árvores para os casos do 0-1 knapsack, weighted minimum cut e symmetric traveling salesman. Conseguimos encontrar as árvores desses problemas com tamanhos até 10, 5 e 6, respectivamente. Obtemos também as relações de adjacência completas para os esqueletos dos politopos do knapsack e do traveling salesman até os tamanhos 10 e 7. Nossa abordagem supera consistentemente o método de enumeração e os métodos baseline para o weighted minimum cut e symmetric traveling salesman, fornecendo soluções ótimas em microssegundos. / [en] Classical complexity analysis for NP-hard problems is usually oriented to worst-case scenarios, considering only the asymptotic behavior. However, there are practical algorithms running in a reasonable time for many classic problems. Furthermore, there is evidence pointing towards polynomial algorithms in the linear decision tree model to solve these problems, although not explored much. In this work, we explore previous theoretical results. We show that the optimal solution for 0-1 combinatorial problems can be found by reducing these problems into a Nearest Neighbor Search over the set of corresponding Voronoi vertices. We use the hyperplanes delimiting these regions to systematically generate a decision tree that repeatedly splits the space until it can separate all solutions, guaranteeing an optimal answer. We run experiments to test the size limits for which we can build these trees for the cases of the 0-1 knapsack, weighted minimum cut, and symmetric traveling salesman. We manage to find the trees of these problems with sizes up to 10, 5, and 6, respectively. We also obtain the complete adjacency relations for the skeletons of the knapsack and traveling salesman polytopes up to size 10 and 7. Our approach consistently outperforms the enumeration method and the baseline methods for the weighted minimum cut and symmetric traveling salesman, providing optimal solutions within microseconds.