Die Untersuchung kausaler Zusammenhänge in komplexen dynamischen Systemen spielt in der Wissenschaft eine immer wichtigere Rolle. Ziel dieses aktuellen, interdisziplinären Forschungsbereiches ist ein grundlegendes, tiefes Verständnis der vorherrschenden Prozesse und deren Wechselwirkungen in solchen Systemen. Die Untersuchung von Zeitreihen mithilfe moderner Kopplungsanalysemethoden liefert dabei Möglichkeiten zur Modellierung der betreffenden Systeme und somit bessere Vorhersagemethoden und fortgeschrittene Interpretationsmöglichkeiten der Ergebnisse. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst einige existierende Kopplungsmaße mit ihren jeweiligen Anwendungsgebieten vorgestellt. Eine Gemeinsamkeit dieser Maße liegt in der Voraussetzung stationärer Zeitreihen, um die Anwendbarkeit zu gewährleisten. Daher wird im Verlauf der Dissertation eine Möglichkeit zur Erweiterung solcher Maße vorgestellt, die eine Kopplungsanalyse mit einer sehr hohen Zeitauflösung und somit auch die Untersuchung nichtstationärer, transienter Ereignisse ermöglicht. Die Erweiterung basiert auf der Verwendung von Ensembles von Messreihen und der Schätzung der jeweiligen Maße über das Ensemble anstatt über die Zeit. Dies ermöglicht eine Zeitauflösung bei der Analyse in der Größenordnung der Abtastrate des ursprünglichen Signals, die nur von der Art der verwendeten Kopplungsmaße abhängt. Der Ensemble-Ansatz wird auf verschiedene Kopplungsmaße angewandt. Zunächst werden die Methoden ausführlich an verschiedenen theoretischen Modellen und unter verschiedenen Bedingungen getestet. Anschließend erfolgt eine zeitaufgelöste Kopplungsanalyse kardiovaskulärer Zeitreihen, die während transienter Ereignisse aufgenommen wurden. Die Ergebnisse dieser Analyse bestätigen zum einen aktuelle Studienresultate, liefern aber auch neue Erkenntnisse, die es in Zukunft ermöglichen können, Modelle des Herz-Kreislauf-Systems zu erweitern und zu verbessern. / The analysis of causal relationships in complex dynamic systems plays a more and more important role in various scientific fields. The aim of this current, interdisciplinary field of research is a fundamental, deep understanding of predominant processes and their interactions in such systems. The study of time series using modern coupling analysis tools allows the modelling of the respective systems and thus better prediction methods and advanced interpretation possibilities for the results. In this work, initially some existing coupling measures and their fields of application are introduced. One trait these measures have in common is the requirement of stationary time series to ensure their applicability. Therefore, in the course of this thesis a possibility to extend these measures is presented, which allows a coupling analysis with a high temporal resolution and thus also the analysis of transient, nonstationary events. The extension is based on the use of ensembles of time series and the calculation of the respective measures across these ensembles instead of across time. This allows for a temporal resolution of the same order of magnitude as the sampling rate in the original signal. The resolution only depends on the kind of coupling analysis method employed. The ensemble extension is applied to different coupling measures. To begin with, the regarded tools are tested on various theoretical models and under different conditions. This is followed by a coupling analysis of cardiovascular time series recorded during transient events. The results on the one hand confirm topical study outcomes and on the other hand deliver new insights, which will allow to extend and improve cardiovascular system models in the future.

Die komplizierte Struktur der Energielandschaft wurde am Beispiel des +/- J Spinglas-Modells untersucht. Sie ist in glasartigen Systemen der Schlüssel zum Verständnis einer verlangsamten Dynamik. Es wurde ein enger Zusammenhang zwischen der Dynamik und der Energielandschaft nachgewiesen. Die Energielandschaft wird in +/- J Spinglas Modellsystemen durch Cluster charakterisiert, die infolge ihrer Konnektivität größere Objekte (z.B. Täler) bilden. Einzelne Cluster, aber auch ganze Täler, sind miteinander durch sogenannten Sattelcluster verknüpft. Die physikalischen Eigenschaften werden durch die Strukturen der Verknüpfungen und durch die innere Struktur der Cluster geprägt. Zur Beschreibung der Energielandschaften wurde die genaue Kenntnis der Zustände benutzt. Auf der Grundlage des "branch-and-bound" Verfahrens war es möglich, für kleine Systeme alle Zustände bis zu der dritten Anregung zu bestimmen. Danach wurden die Konfigurationen so sortiert, dass die Beziehungen zwischen ihnen, wie z.B. Nachbarschaften und Clusterzugehörigkeiten, einfach zu finden waren. Es gelang, die exakte Landschaft für Systeme bis L=6 aufzubauen. Für größere Systeme ist es zur Zeit unmöglich, alle niederenergetischen Zustände zu finden. Eine alternative Möglichkeit, die Struktur zu beschreiben, erhält man durch Untersuchung der Verteilung der Overlap. An der Gestalt der Verteilung erkennt man, ob die niederenergetische Struktur kompliziert oder einfach ist. Bei genaueren Untersuchungen ist es sogar möglich, die Anzahl der existierenden Täler abzuschätzen. Die Untersuchungen der Overlap bei 8555 3D Systemen (L=4) weisen darauf hin, dass bei kleineren Grundzustandsenergien die Struktur durch zwei spiegelsymmetrische Täler geprägt ist. Mit wachsender Grundzustandsenergie wird die Struktur der Systeme immer komplizierter. Eine weitere wichtige Komponente der Energielandschaft ist die innere Struktur der Sattelcluster. Ein Sattelcluster besteht aus wenigstens drei Gruppen von Konfigurationen. Zwei Gruppen enthalten Konfigurationen, die mit den Grundzustandsclustern verbunden sind, und die dritte Gruppe verbindet die beiden. Es passiert oft, dass die Konfigurationsgruppen, die verschiedene Grundzustandscluster verbinden, weit voneinander entfernt liegen. Dies wurde als ein wichtiger Aspekt erkannt, der zu einer Verlangsamung dynamischer Prozesse führt. Der andere Aspekt der Energielandschaft ist ihr Zusammenhang mit dem Realraumbild. Das Realraumbild ist als die Lage der Spins auf dem Gitter zu verstehen. Spins kann man zu verschiedenen Spindomänen zusammenfassen, die dann auf natürliche Weise die Struktur der Energielandschaft generieren. Für die Größe der einzelnen Cluster sind die freien Spins verantwortlich. Es wurde bestätigt, dass die Existenz einzelner Täler durch Spindomänen erklärt werden kann. Dabei wird durch das kollektive Umdrehen aller Spins in einer solcher Domäne ein anderer Cluster in einem anderen Tal erzeugt. Neben dem Zusammenhang von Spindomänen und Energielandschaft konnte der Einfluss von bestimmten zusammenhängenden Strukturen freier Spins genauer aufgeklärt werden. Hier ergeben sich Ansatzpunkte für weitergehende Untersuchungen.

Psychological safety is a key factor for successful teamwork. Psychological safety signifies that individuals who work together share the belief that their team is safe for interpersonal risk taking. Since the 1970s, researchers have emphasized the importance of psychological safety for work teams in order to deal with changes and related feelings of uncertainty due to a competition-oriented and fast-paced labor market. Numerous studies demonstrated the relevance of psychological safety for learning from failures and for the improvement of performance levels in all kinds of work contexts. Most notably, psychological safety was found to be related to patient safety in clinical contexts. Thus, psychological safety is particularly relevant in team settings where customers or patients depend on the team’s performance, as is the case in hospital teams, care teams, flight crews, and other interdisciplinary team settings. Changes are inherent in the nature of psychological safety. Yet, researchers have just begun to investigate how psychological safety forms and develops over time. First findings on the development are inconsistent and previous research lacks an overall theoretical framework on the effects of time and other group-bounded factors that affect the development of psychological safety. This dissertation contributs to previous research by focusing on dynamics of psychological safety and embedding the hypotheses into a more holistic theoretical framework on team development over time. More precisely, this work builds on the model of group faultlines that considers group diversity, and more specifically subgroup emergence, as one important origin of psychological safety dynamic across teams. Accordingly, team faultlines, defined as hypothetical lines that split a team into subgroups based on multiple attributes, have a negative impact on the formation of psychological safety. Furthermore, this work refers to a theoretical approach, which emphasizes the inclusion of time in team research thereby encouraging researchers to take a more dynamic perspective on team processes by studying the changes and subsequent effects on team outcomes. As teams are sensitive to signals of psychological safety from the very beginning of teamwork, this work focused on the relation between trajectories of team psychological safety change and team performance. In Study 1, I referred to the Leader-Member-Exchange theory and examined differences in team members’ perceptions caused by subgroup dynamics. Accordingly, members who belong to the in-group of the leader benefit from more exchange of resources compared to members of an out-group. I tested the relation of subgroup belonging and psychological safety in the presence of high or low task conflict, as conflicts are critical events that impact psychological safety. I found that team members who were close to the leader in terms of demographic similarity were less affected by high task conflict compared to members who were demographically different from the leader. This study thus identified a boundary condition of psychological safety, namely subgroup belonging, as being similar to the leader buffered the negative effects of task conflict on perceptions of interpersonal risk-taking. Regarding the development of team perceptions of psychological safety, first studies indicated that psychological safety either remains relatively stable, or slightly decreases over time. In Study 2, I therefore focused on the development of psychological safety and antecedents of both the formation and changes over time. I tested for the effects of three well-studied deep level diversity attributes, namely values, team ability, and team personality, and for effects of group faultlines on psychological safety. The results showed that psychological safety decreased over time. Furthermore, teams who had a strong attitude toward teamwork and were characterized by a weak faultline started into the project with high initial levels of psychological safety (as compared to teams with low attitude toward teamwork and strong faultlines). Yet, in teams with high task-specific skills, psychological safety decreased (as compared to teams with low skills), whereas in teams with high team conscientiousness, psychological safety increased over time (as compared to teams with low team conscientiousness). This study demonstrated the relevance of considering temporal dynamics of psychological safety in team research. Further studies should investigate which factors, other than time, predict the negative development. Does it reflect a natural phenomenon in teams, or are there other mechanisms that explain this finding more accurately such as cross-subgroup communication? Furthermore, important conditions for the formation and development of psychological safety were identified that could provide starting points for the design of interventions regarding how and when the development of psychological safety should be supported from leaders or team coaches. As a consequence of the previous results, the focus of the third study was put on team trajectories of psychological safety, more precisely, whether changes of psychological safety affected team variables such as team performance. According to team development theories, the first half of a project is decisive as team members lay the foundation for important changes around midpoint. A constructive discussion and evaluation at midpoint again separated high- from low-performing teams. Thus, besides absolute levels, relative changes should affect team performance. The results support this proposition as changes of psychological safety predicted team effectiveness above and beyond absolute levels. Taken together, this work highlights the effects of subgroup dynamics and time for research on psychological safety. This dissertation is a pioneer work as all three studies provide crucial insights on dynamics of psychological safety opening up implications for practitioners and new avenues for future research. / Psychologische Sicherheit ist ein Schlüsselfaktor für erfolgreiche Teamarbeit. Psychologische Sicherheit bedeutet, dass Personen, die zusammenarbeiten, den Glauben teilen, dass das Team sicher ist, um interpersonelle Risiken einzugehen. Seit Mitte der 70er Jahre betonen Forscher die Bedeutung von psychologischer Sicherheit für Arbeitsteams und deren Umgang mit den Veränderungen und der damit verbundenen Unsicherheit verursacht durch einen wettbewerbsorientierten und schnelllebigen Arbeitsmarkt. Zahlreiche Studien zeigen die Relevanz von psychologischer Sicherheit für das Lernen aus Misserfolgen und die Verbesserung der Teamleistung in verschiedenen Arbeitskontexten auf. Ein Befund zeigt, dass psychologische Sicherheit mit der physiologischen Sicherheit von Patienten assoziiert ist. Folglich ist psychologische Sicherheit insbesondere dann von Bedeutung, wenn Patienten oder Klienten von der Leistung eines Teams abhängig sind, wie das bspw. in OP-Teams, Pflegeteams, Flugbesatzung, oder anderen interdisziplinären Settings der Fall ist. Obgleich psychologische Sicherheit auf Gruppenebene konzeptualisiert ist und Veränderungen in der Natur dieses Konstruktes liegen, haben Forscher erst vor Kurzem begonnen zu untersuchen, wie psychologische Sicherheit entsteht und sich im Verlauf der Zusammenarbeit verändert. Jedoch sind die Befunde inkonsistent und der Forschung fehlt ein konzeptuelles Rahmenmodell darüber, wie die Zeit und andere durch die Gruppe bedingte Faktoren die Entwicklung von psychologischer Sicherheit beeinflussen. Diese Dissertation trägt zur vorherigen Forschung bei, indem sie den Fokus auf die Dynamiken psychologischer Sicherheit legt und die Forschungsthesen in ein ganzheitliches theoretisches Rahmenmodell zur Entwicklung von Teams einbettet. Im Einzelnen stützt sich die Arbeit auf das Modell der Gruppenbruchlinien, das Gruppendiversität als eine wichtige Ursache für dynamische Prozesse in Teams aufgrund von Subgruppenbildung ansieht. Demnach haben Gruppenbruchlinien (Faultlines), sogenannte hypothetische Linien, die Teams in homogene Subgruppen anhand multipler Attribute teilen, negative Folgen auf die Entstehung von psychologischer Sicherheit. Weiterhin bezieht sich die Arbeit auf einen theoretischen Ansatz, der den Einbezug der Zeit in den Vordergrund rückt und Forscher ermutigen soll eine dynamischere Perspektive auf Teamprozesse einzunehmen und Veränderungen sowie deren Folgen für Teamarbeit zu studieren. Da Teams von Beginn an und in den frühen Phasen der Zusammenarbeit für Signale psychologischer Sicherheit empfänglich sind, lag der Fokus auf Veränderungen in der psychologischen Sicherheit und dem Zusammenhang zwischen Veränderungen und Teamleistung. In Studie 1 bezog ich mich auf die Leader-Member-Exchange Theorie und untersuchte Unterschiede in der Wahrnehmung von psychologischer Sicherheit von Teammitgliedern aufgrund von Subgruppendynamik. Demnach profitieren In-Group Mitglieder der Führungskraft von einem höheren Austausch von Ressourcen im Vergleich zu Mitgliedern der Out-Group. Ich testete die Beziehung von Subgruppenzugehörigkeit und psychologischer Sicherheit in der Präsenz von hohem vs. niedrigem Aufgabenkonflikt, da Konflikte kritische Ereignisse sind, die sich negativ auf die psychologische Sicherheit auswirken können. Ich fand heraus, dass Teammitglieder, die mit ihrer Führungskraft demographisch ähnlich waren, von den negativen Auswirkungen von Aufgabenkonflikt weniger betroffen waren als Teammitglieder, die sich von der Führungskraft diesbezüglich unterschieden. Diese Studie identifiziert eine Grenzbedingung für psychologische Sicherheit, nämlich die Subgruppenzugehörigkeit, da die demographische Nähe zur Führungskraft den negativen Effekt von Aufgabenkonflikt für die Wahrnehmung von psychologischer Sicherheit pufferte. Hinsichtlich der Entwicklung von psychologischer Sicherheit, legen erste Studien nahe, dass sie sich nicht verändert, bzw. Über die Zeit leicht abnimmt. In Studie 2 untersuchte ich daher die Entwicklung von psychologischer Sicherheit und Antezedenzien für die Entstehung und Veränderungen im Verlauf der Zeit. Ich testete für Effekte von drei gut erforschten tieferliegenden Diversitätsattributen, nämlich Werte, Teamfähigkeit und Teampersönlichkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass psychologischer Sicherheit über die Zeit abnahm. Darüber hinaus starteten Teams, die eine positive Einstellung zu Teamarbeit hatten und deren Gruppe von schwachen Faultlines gekennzeichnet war, mit einem hohen Anfangsniveau an psychologischer Sicherheit in die Projektarbeit (im Vergleich zu Teams mit negativer Einstellung zur Teamarbeit und starker Faultline). Allerdings nahm die psychologische Sicherheit in Teams mit hohen aufgabenspezifischen Fähigkeiten (im Vergleich zu niedrigen aufgabenspezifischen Fähigkeiten) über die Zeit ab, wohingegen sie in Gruppen mit hoher Gewissenhaftigkeit (im Vergleich zu niedriger Gewissenhaftigkeit) zunahm. Die Studie zeigt die Relevanz der Berücksichtigung von zeitlichen Dynamiken der psychologischen Sicherheit in der Team Forschung. So kann weiterführend dazu geforscht werden, welche anderen Faktoren als Zeit die negative Entwicklung vorhersagen. Handelt es sich hierbei um eine natürliche Entwicklung in Teams, oder erklären andere Mechanismen wie bspw. Kommunikation über Subgruppen hinweg diesen Befund? Darüber hinaus wurden wichtige Konditionen für die Entstehung und Entwicklung von psychologischer Sicherheit identifiziert, die zur Planung von Inhalten und dem Timing von Teaminterventionen zur Förderung der psychologischen Sicherheit durch Führungskräfte oder Team Coaches genutzt werden können. Als Konsequenz der vorherigen Ergebnisse, lag der Fokus der dritten Studie auf den Teamverläufen von psychologischer Sicherheit, präziser noch, auf den Effekten von Veränderungen psychologischer Sicherheit und deren Auswirkungen auf andere Teamvariablen wie bspw. Teamleistung. Laut Team Entwicklungstheorien ist die erste Hälfte der Projektarbeit entscheidend da Teammitglieder die Fundamente für bedeutende Veränderungen zur Mitte legen. Eine konstruktive Diskussion und Bewertung zur Mitte des Projektes wiederum trennt Hochleistungsteams von Teams mit schwacher Leistung. Daher sollte neben der absoluten Einschätzung von psychologischer Sicherheit auch die relative Veränderung Auswirkungen auf die Teamleistung haben. Die Ergebnisse unterstützen diese Annahme. Wir fanden dass Veränderungen in der psychologischen Sicherheit die Teameffektivität über die Baseline hinaus vorhersagten. Insgesamt hebt diese Arbeit die Effekte von Subgruppendynamiken und Zeit für die Forschung von psychologischer Sicherheit hervor. Diese Dissertation leistete Pionierarbeit indem alle drei Studien entscheidende Einsichten in die Dynamiken von psychologischer Sicherheit bieten und Implikationen für Praktiker beinhalten sowie neue Bereiche für zukünftige Forschung eröffnen.

Die komplizierte Struktur der Energielandschaft wurde am Beispiel des +/- J Spinglas-Modells untersucht. Sie ist in glasartigen Systemen der Schlüssel zum Verständnis einer verlangsamten Dynamik. Es wurde ein enger Zusammenhang zwischen der Dynamik und der Energielandschaft nachgewiesen. Die Energielandschaft wird in +/- J Spinglas Modellsystemen durch Cluster charakterisiert, die infolge ihrer Konnektivität größere Objekte (z.B. Täler) bilden. Einzelne Cluster, aber auch ganze Täler, sind miteinander durch sogenannten Sattelcluster verknüpft. Die physikalischen Eigenschaften werden durch die Strukturen der Verknüpfungen und durch die innere Struktur der Cluster geprägt. Zur Beschreibung der Energielandschaften wurde die genaue Kenntnis der Zustände benutzt. Auf der Grundlage des "branch-and-bound" Verfahrens war es möglich, für kleine Systeme alle Zustände bis zu der dritten Anregung zu bestimmen. Danach wurden die Konfigurationen so sortiert, dass die Beziehungen zwischen ihnen, wie z.B. Nachbarschaften und Clusterzugehörigkeiten, einfach zu finden waren. Es gelang, die exakte Landschaft für Systeme bis L=6 aufzubauen. Für größere Systeme ist es zur Zeit unmöglich, alle niederenergetischen Zustände zu finden. Eine alternative Möglichkeit, die Struktur zu beschreiben, erhält man durch Untersuchung der Verteilung der Overlap. An der Gestalt der Verteilung erkennt man, ob die niederenergetische Struktur kompliziert oder einfach ist. Bei genaueren Untersuchungen ist es sogar möglich, die Anzahl der existierenden Täler abzuschätzen. Die Untersuchungen der Overlap bei 8555 3D Systemen (L=4) weisen darauf hin, dass bei kleineren Grundzustandsenergien die Struktur durch zwei spiegelsymmetrische Täler geprägt ist. Mit wachsender Grundzustandsenergie wird die Struktur der Systeme immer komplizierter. Eine weitere wichtige Komponente der Energielandschaft ist die innere Struktur der Sattelcluster. Ein Sattelcluster besteht aus wenigstens drei Gruppen von Konfigurationen. Zwei Gruppen enthalten Konfigurationen, die mit den Grundzustandsclustern verbunden sind, und die dritte Gruppe verbindet die beiden. Es passiert oft, dass die Konfigurationsgruppen, die verschiedene Grundzustandscluster verbinden, weit voneinander entfernt liegen. Dies wurde als ein wichtiger Aspekt erkannt, der zu einer Verlangsamung dynamischer Prozesse führt. Der andere Aspekt der Energielandschaft ist ihr Zusammenhang mit dem Realraumbild. Das Realraumbild ist als die Lage der Spins auf dem Gitter zu verstehen. Spins kann man zu verschiedenen Spindomänen zusammenfassen, die dann auf natürliche Weise die Struktur der Energielandschaft generieren. Für die Größe der einzelnen Cluster sind die freien Spins verantwortlich. Es wurde bestätigt, dass die Existenz einzelner Täler durch Spindomänen erklärt werden kann. Dabei wird durch das kollektive Umdrehen aller Spins in einer solcher Domäne ein anderer Cluster in einem anderen Tal erzeugt. Neben dem Zusammenhang von Spindomänen und Energielandschaft konnte der Einfluss von bestimmten zusammenhängenden Strukturen freier Spins genauer aufgeklärt werden. Hier ergeben sich Ansatzpunkte für weitergehende Untersuchungen.

Modeling complex gene interacting systems as Boolean networks lead to a significant simplification of computational investigation. This can be achieved by discretization of the expression level to ON or OFF states and classifying the interactions to inhibitory and activating. In this respect, Boolean functions are responsible for the evolution of the binary elements of the Boolean networks. In this thesis, we investigate the mostly used Boolean functions in modeling gene regulatory networks. Moreover, we introduce a new type of function with strong inhibitory namely the veto function. Our computational and analytic studies on the verity of the networks capable of constructing the same State Transition Graph lead to define a new concept namely the “degeneracy” of Boolean functions. We further derive analytically the sensitivity of the Boolean functions to perturbations. It turns out that the veto function forms the most robust dynamics. Furthermore, we verify the applicability of veto function to model the yeast cell cycle networks. In particular, we show that in an intracellular signal transduction network [Helikar et al, PNAS (2008)], the functions with veto are over-represented by a factor exceeding the over-representation of threshold functions and canalyzing functions in the same system. The statistics of the connections of the functional networks are studied in detail. Finally, we look at a different scale of biological phenomena using a binary model. We propose a simple correlation-based model to describe the pattern formation of Fly eye. Specifically, we model two different procedures of Fly eye formation, and provide a generic approach for Fly eye simulation.

<p>Saab Aerosystems has a long tradition and a lot of competence in the field of flight simulation. Their ambition to broaden the market horizon has led to a discussion about also selling vehicle simulation solutions, both for military and civilian use.</p><p>The aim of this thesis is to investigate the driver’s experiences of the accelerations he or she is exposed to whilst driving in rough terrain. The results may be used as a basis for future decisions and can act as a platform for the construction of an effective simulation model.</p><p>To investigate the driver’s exposure of acceleration, some kind of dynamic simulation is needed. A terrain track with both small and large obstacles where constructed. A model of a military vehicle and a civil truck where also constructed with consideration given to the original vehicles’ features. The simulation of the ride along the track was then initiated, which resulted in plots for several parameters, such as acceleration and angular acceleration for the driver relative to the track. The work was focused on the vital properties of the vehicle, such as vehicle length, position of mass centre and wheel size.</p><p>The simulations led to some conclusions concerning vehicle properties. Boogie type suspension and lever arm type suspension, vertical distance to mass centre, driver’s position, vehicle length, spring and damper for the cab and number of wheels all turned out to be vital constituents to the driver’s experience. On the other hand, properties such as coefficient of restitution and wheel size turned out to have no significant impact.</p><p>One more conclusion of the work is that CAD software works well for dynamic simulations such as the ones described in this report. It was also apparent that a quite realistic simulation could be achieved with a fairly simple vehicle model. Furthermore, it is essential to get certain parameters such as the vehicle’s length and other major construction differences realistic, otherwise all fine tuning of the vehicle model will be pointless.</p> / <p>Saab Aerosystems har en lång tradition och stor kompetens inom flygsimulering. Strävan efter ett större marknadsområde har gjort att Saab även börjat undersöka möjligheterna att sälja tjänster inom fordonssimulering för både civilt och militärt bruk.</p><p>Examensarbetet syftar till att undersöka en fordonsförares upplevelser av de accelerationer som förekommer under körning i terräng. Resultatet är tänkt att användas som beslutsunderlag och grund för att bygga upp en effektiv simuleringsmodell för bl.a. terränggående fordon.</p><p>För att undersöka accelerationerna som föraren utsätts för krävs någon form av dynamiksimulering. För ändamålet har CAD-programvaran Pro Engineer Wildfire valts. En terrängbana i form av små och stora hinder samt två fordonstyper, ett stridsfordon och en lastbil konstruerades, med verkliga förebilder som utgångspunkt. Simuleringar av fordonets färd längs terrängbanan genomfördes. Varje försök genererade grafer för en mängd olika mätvärden, såsom accelerationer och vinkelaccelerationer för föraren relativt banan. Fokus har legat på att undersöka centrala egenskaper hos fordonet såsom längd, masscentrums läge, däckstorlek m.m. och hur dessa påverkar förarens upplevelse.</p><p>Efter utförda simuleringar stod det klart att de egenskaper hos fordonet som är vitala för förarens upplevelser är boogie- och länkarmsupphängning av hjul, masscentrums läge, förarens position, fordonets axelavstånd, hyttens dämpning och fjädring samt hjulantal. Mindre relevanta för förarens upplevelse är egenskaper såsom stöttal mellan däck och mark samt däckdiameter.</p><p>Av arbetet framgick även att ett CAD-verktyg med dynamikmodul fungerar mycket väl för dynamiksimuleringar av den karaktär som behandlas i examensarbetet. Det går även att konstatera att relativt verklighetsnära fordonsbeteende går att åstadkomma utan speciellt detaljerad modell av fordonet. Det framgick också att det är av stor vikt att se till att övergripande parametrar såsom fordonets längd och principiella konstruktion överensstämmer med verkligheten. Stämmer inte detta blir alla finjusteringar av fordonsmodellen överflödiga.</p>

Our Solar system contains a large amount of dust, containing valuable information about our close cosmic environment. If created in a planet's system, the particles stay predominantly in its vicinity and can form extended dust envelopes, tori or rings around them. A fascinating example of these complexes are Saturnian rings containing a wide range of particles sizes from house-size objects in the main rings up to micron-sized grains constituting the E ring. Other example are ring systems in general, containing a large fraction of dust or also the putative dust-tori surrounding the planet Mars. The dynamical life'' of such circumplanetary dust populations is the main subject of our study. In this thesis a general model of creation, dynamics and death'' of circumplanetary dust is developed. Endogenic and exogenic processes creating dust at atmosphereless bodies are presented. Then, we describe the main forces influencing the particle dynamics and study dynamical responses induced by stochastic fluctuations. In order to estimate the properties of steady-state population of considered dust complex, the grain mean lifetime as a result of a balance of dust creation, life'' and loss mechanisms is determined. The latter strongly depends on the surrounding environment, the particle properties and its dynamical history. The presented model can be readily applied to study any circumplanetary dust complex. As an example we study dynamics of two dust populations in the Solar system. First we explore the dynamics of particles, ejected from Martian moon Deimos by impacts of micrometeoroids, which should form a putative tori along the orbit of the moon. The long-term influence of indirect component of radiation pressure, the Poynting-Robertson drag gives rise in significant change of torus geometry. Furthermore, the action of radiation pressure on rotating non-spherical dust particles results in stochastic dispersion of initially confined ensemble of particles, which causes decrease of particle number densities and corresponding optical depth of the torus. Second, we investigate the dust dynamics in the vicinity of Saturnian moon Enceladus. During three flybys of the Cassini spacecraft with Enceladus, the on-board dust detector registered a micron-sized dust population around the moon. Surprisingly, the peak of the measured impact rate occurred 1 minute before the closest approach of the spacecraft to the moon. This asymmetry of the measured rate can be associated with locally enhanced dust production near Enceladus south pole. Other Cassini instruments also detected evidence of geophysical activity in the south polar region of the moon: high surface temperature and extended plumes of gas and dust leaving the surface. Comparison of our results with this in situ measurements reveals that the south polar ejecta may provide the dominant source of particles sustaining the Saturn's E ring. / In unserem Sonnensystem befindet sich eine große Menge an Staub, der viele Informationen über unseren Kosmos enthält. Wird der Staub im System um den Planeten gebildet, bleibt er vorwiegend in dessen Nähe und bildet Staubhüllen, -tori oder -ringe um ihn. Ein faszinierendes Beispiel eines solchen Komplexes sind die Saturnringe, in denen von mikrometergroßen Partikeln bis zu hausgroßen Körpern alle Partikelgrößen vertreten sind. Weitere Beispiele sind Ringsysteme im Allgemeinen, sowie der vermutete Staubring um Mars. Das dynamische Verhalten einer solchen Staubpopulation ist Hauptthema dieser Dissertation. In dieser Arbeit wurde ein allgemeines Modell zur Erzeugung, Dynamik und Vernichtung von planetarem Staub entwickelt. Endogene und exogene Mechanismen zur Produktion von Staub an atmosphärenlosen Körpern werden vorgestellt. Desweiteren werden die wichtigsten Kräfte welche die Teilchendynamik beeinflussen, sowie die Auswirkung von stochastischen Fluktuationen untersucht. Die Lebenszeiten der Staubkörner als Bilanz zwischen Staubproduktion und -vernichtung werden bestimmt, um den stationären Zustand der Staubkonfiguration abzuschätzen. Die Lebenszeit des Staubes hängt stark von den Eigenschaften der Umgebung und der Teilchen sowie von deren dynamischer Vergangenheit ab. Das vorgestellte Modell kann auf alle planetaren Systeme angewandt werden. Als Beispiel wurden zwei Staubpopulationen in unserem Sonnensystem studiert. Zuerst wurde die Dynamik des Staubes untersucht, welcher durch Mikrometeorideneinschläge auf dem Marsmond Deimos produziert wird und die vermuteten Marstori erzeugt. Der Poynting-Robertson-Effekt, als indirekter Einfluss des Strahlungsdruckes, bewirkt eine signifikante Langzeitänderung der Torusgeometrie. Desweiteren verursacht der Strahlungsdruck eine stochastische Dispersion des nichtsphärischen Staubteilchenensembles, was eine Verringerung der Teilchenzahldichten beziehungsweise der entsprechenden optischen Tiefen im Torus bewirkt. Weiterhin wurde die Staubdynamik in der Umgebung des Saturnmondes Enceladus untersucht. Während des Vorbeifluges der Raumsonde Cassini registrierte der Staubdetektor eine Staubpopulation von mikrometergroßen Teilchen um den Mond. Überraschenderweise wurde die maximal registrierte Staubrate eine Minute vor der größten Annäherung an den Mond gemessen. Diese Asymmetrie der Messung kann, wie in dieser Arbeit demonstriert, mit einer lokalen Staubquelle am Südpol des Mondes erklärt werden. Andere Instrumente der Cassini - Sonde belegen die geophysikalische Aktivität der Südpolregion des Mondes in Form einer erhöhten Oberflächentemperatur und Fontänen von Gas und Staub an der Südpolumgebung. Der Vergleich der numerischen Simulationen mit den in - situ - Messungen zeigt, dass die Südpolquelle die voraussichtlich wichtigste Quelle von E-Ringteilchen ist.

Recently, several faint ringlets in the Saturnian ring system were found to maintain a peculiar orientation relative to Sun. The Encke gap ringlets as well as the ringlet in the outer rift of the Cassini division were found to have distinct spatial displacements of several tens of kilometers away from Saturn towards Sun, referred to as heliotropicity (Hedman et al., 2007). This is quite exceptional, since dynamically one would expect eccentric features in the Saturnian rings to precess around Saturn over periods of months. In our study we address this exceptional behavior by investigating the dynamics of circumplanetary dust particles with sizes in the range of 1-100 µm. These small particles are perturbed by non-gravitational forces, in particular, solar radiation pres- sure, Lorentz force, and planetary oblateness, on time-scales of the order of days. The combined influences of these forces cause periodical evolutions of grains’ orbital ec- centricities as well as precession of their pericenters, which can be shown by secular perturbation theory. We show that this interaction results in a stationary eccentric ringlet, oriented with its apocenter towards the Sun, which is consistent with obser- vational findings. By applying this heliotropic dynamics to the central Encke gap ringlet, we can give a limit for the expected smallest grain size in the ringlet of about 8.7 microns, and constrain the minimal lifetime to lie in the order of months. Furthermore, our model matches fairly well the observed ringlet eccentricity in the Encke gap, which supports recent estimates on the size distribution of the ringlet material (Hedman et al., 2007). The ringlet-width however, that results from our modeling based on heliotropic dynamics, slightly overestimates the observed confined ringlet-width by a factor of 3 to 10, depending on the width-measure being used. This is indicative for mechanisms, not included in the heliotropic model, which potentially confine the ringlet to its observed width, including shepherding and scattering by embedded moonlets in the ringlet region. Based on these results, early investigations (Cuzzi et al., 1984, Spahn and Wiebicke, 1989, Spahn and Sponholz, 1989), and recent work that has been published on the F ring (Murray et al., 2008) - to which the Encke gap ringlets are found to share similar morphological structures - we model the maintenance of the central ringlet by embedded moonlets. These moonlets, believed to have sizes of hundreds of meters across, release material into space, which is eroded by micrometeoroid bombardment (Divine, 1993). We further argue that Pan - one of Saturn’s moons, which shares its orbit with the central ringlet of the Encke gap - is a rather weak source of ringlet material that efficiently confines the ringlet sources (moonlets) to move on horseshoe-like orbits. Moreover, we suppose that most of the narrow heliotropic ringlets are fed by a moonlet population, which is held together by the largest member to move on horseshoe-like orbits. Modeling the equilibrium between particle source and sinks with a primitive balance equation based on photometric observations (Porco et al., 2005), we find the minimal effective source mass of the order of 3 · 10-2MPan, which is needed to keep the central ringlet from disappearing. / Im Sommer 2004 erreichte die Raumsonde Cassini Saturn, den zweitgrößten Planeten in unserem Sonnensystem. Seitdem wurden fantastische Entdeckungen von einer über 250 Wissenschaftler umfassenden internationalen Gemeinschaft gemacht, deren physikalische Erklärungen unser Verständnis der Welt enorm erweitert haben. Die Saturnringe, welche aus losem, zumeist eisigem Staubmaterial bestehen, bieten außergewöhnlich viele Strukturen, welche räumlich und zeitlich mehr oder weniger stark variieren. Diese Eigenschaft resultiert aus einer Unzahl an zusätzlichen Kräften, welche die allgemein bekannte Kepler-Bewegung beeinflussen. So befinden sich mehrere Lücken, oder auch Teilungen, in den Ringen, welche schon in Voyager 1/2 Daten Anfang der achtziger Jahre gesehen wurden. Diese werden teilweise durch Resonanzen der Saturn Monde (z.B. innere Ringkante der Cassini Teilung und Mimas), aber auch durch Monde an sich (z.B. Keeler Teilung und Daphnis, Encke Teilung und Pan) über gravitative Wechselwirkungen erzeugt. In diesen Ringteilungen befindet sich - mit Ausnahme von dem ein oder anderen feinen Staub-Ringlein - kein Material. Hedman et al. (2007) haben eine interessante Entdeckung gemacht. Einige dieser feinen Staub-Ringlein sind exzentrisch und halten eine besondere Orientierung zur Sonne aufrecht. Genauer, ihr Apozentrum ist in Richtung Sonne gerichtet, weshalb sie heliotropische Ringlein getauft wurden. Für exzentrische Strukturen im Saturnsystem ist diese eingefrorene Orientierung ungewöhnlich. Normalerweise würde eine Präzession von exzentrischen Strukturen um Saturn auf einer Zeitskala von Monaten, deren Rate im Wesentlichen durch die Abplattung von Saturn bestimmt ist, erwartet werden. In dieser Diplomarbeit untersuchen und erklären wir das außergewöhnlich heliotropische Verhalten qualitativ, sowie quantitativ mit Hilfe von Orbit gemittelten Störungsgleichungen. Dabei demonstrieren wir, dass ein Zusammenspiel von drei Störungskräften (Strahlungsdruck der Sonne, Abplattung der Pole vom Saturn, Lorentzkraft) periodisch gekoppelte Variationen von Orbitexzentrizität und Position des Perizentrums erzeugen, und im Ensembel einen exzentrischen Ring hervorbringen, dessen Apozentrum in Richtung Sonne zeigt. Mit diesem Modell können wir gemessene Ringleinexzentrizitäten und -breiten in der Encke Teilung (Ferrari and Brahic, 1997, Hedman et al., 2007), unter Annahme gängiger Größenverteilungen (Divine, 1993, Krivov et al., 2003), sehr gut bzw. befriedigend reproduzieren. Die Ringleinbreiten werden um den Faktor 3 bis 10 überschätzt, was auf zusätzliche, nicht berücksichtigte Wechselwirkungen schließen läßt. Hier seien Teilchenstreunung an möglichen Moonlets (kleinere Monde) im Ringlein und Wechselwirkungen zwischen den Staubteilchen als zwei mögliche Ursachen genannt. Aufbauend auf dieser heliotropischen Dynamik können wir eine untere Grenze der Staubgrößenverteilung in der Encke Teilung ableiten, welche in eine Mindestlebenszeit für heliotropisches Ringleinmaterial übersetzt werden kann. Motiviert durch die leicht überschätzen Ringleinbreiten, azimuthal unregelmäßigen Helligkeitsschwankungen (z.B. Ferrari and Brahic, 1997), früheren (Cuzzi et al., 1984, Spahn and Wiebicke, 1989, Spahn and Sponholz, 1989) und aktuellen Arbeiten (Murray et al., 2008), sowie der evidenten knickrigen Struktur des zentralen Encke Ringleins (siehe Titelbild, linke Seite), wenden wir zur Materialgenerierung das sog. Impact-Eject Szenario (Divine, 1993, Krüger et al., 1999) auf Moonlets an, welche an mit Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit in dem Ringlein eingebettet sind. Damit können wir ein einfaches kinetisches Modell basierend auf gemessenen Daten von Cassini (optische Tiefen, Porco et al., 2005) entwerfen. Jenes liefert, bei gegebener effektiver Lebenszeit der Teilchen im Ringlein in der Encke Teilung, eine dazu mindest nötige Quellmasse. Dabei räsonieren wir, dass Pan, welcher seine Bahn mit dem zentralen Ringlein der Encke Teilung teilt, eine untergeordnete Rolle als Materiallieferant spielt, und bestätigen somit die bisherigen Vermutungen von eingebetteten Moonlets im zentralen Ringlein der Encke Teilung. Jedoch zwingt Pan die als Materialquellen fungierenden Moonlets auf “Hufeisenbahnen”, was so das Ringlein radial begrenzt. Des Weiteren vermuten wir, dass ein Großteil der Staubringlein auf diese Weise in einer stationären Balance zwischen Mikrometeoriten Erosion als Quelle und dynamischen Verlusten gehalten werden, welche erst durch die Existenz einer Moonlet-Population ermöglicht wird. Die Abschätzung der minimal nötigen Quellmasse liefert einen weiteren wichtigen Schritt in Richtung Antwort zu der Frage, in welcher Beziehung kleinere Monde wie Pan zu den sie umgebenden Ringlein stehen.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung universeller Skalengesetze, die in gekoppelten chaotischen Systemen beobachtet werden. Ergebnisse werden erzielt durch das Ersetzen der chaotischen Fluktuationen in der Störungsdynamik durch stochastische Prozesse. <br /> <br /> Zunächst wird ein zeitkontinuierliches stochastisches Modell fürschwach gekoppelte chaotische Systeme eingeführt, um die Skalierung der Lyapunov-Exponenten mit der Kopplungsstärke (coupling sensitivity of chaos) zu untersuchen. Mit Hilfe der Fokker-Planck-Gleichung werden Skalengesetze hergeleitet, die von Ergebnissen numerischer Simulationen bestätigt werden. <br /> <br /> Anschließend wird der neuartige Effekt der vermiedenen Kreuzung von Lyapunov-Exponenten schwach gekoppelter ungeordneter chaotischer Systeme beschrieben, der qualitativ der Abstoßung zwischen Energieniveaus in Quantensystemen ähnelt. Unter Benutzung der für die coupling sensitivity of chaos gewonnenen Skalengesetze wird ein asymptotischer Ausdruck für die Verteilungsfunktion kleiner Abstände zwischen Lyapunov-Exponenten hergeleitet und mit Ergebnissen numerischer Simulationen verglichen.<br /> <br /> Schließlich wird gezeigt, dass der Synchronisationsübergang in starkgekoppelten räumlich ausgedehnten chaotischen Systemen einem kontinuierlichen Phasenübergang entspricht, mit der Kopplungsstärke und dem Synchronisationsfehler als Kontroll- beziehungsweise Ordnungsparameter. Unter Benutzung von Ergebnissen numerischer Simulationen sowie theoretischen Überlegungen anhand einer partiellen Differentialgleichung mit multiplikativem Rauschen werden die Universalitätsklassen der zwei beobachteten Übergangsarten bestimmt (Kardar-Parisi-Zhang-Gleichung mit Sättigungsterm, gerichtete Perkolation). / Subject of this work is the investigation of universal scaling laws which are observed in coupled chaotic systems. Progress is made by replacing the chaotic fluctuations in the perturbation dynamics by stochastic processes. <br /> <br /> First, a continuous-time stochastic model for weakly coupled chaotic systems is introduced to study the scaling of the Lyapunov exponents with the coupling strength (coupling sensitivity of chaos). By means of the the Fokker-Planck equation scaling relations are derived, which are confirmed by results of numerical simulations. <br /> <br /> Next, the new effect of avoided crossing of Lyapunov exponents of weakly coupled disordered chaotic systems is described, which is qualitatively similar to the energy level repulsion in quantum systems. Using the scaling relations obtained for the coupling sensitivity of chaos, an asymptotic expression for the distribution function of small spacings between Lyapunov exponents is derived and compared with results of numerical simulations. <br /> <br /> Finally, the synchronization transition in strongly coupled spatially extended chaotic systems is shown to resemble a continuous phase transition, with the coupling strength and the synchronization error as control and order parameter, respectively. Using results of numerical simulations and theoretical considerations in terms of a multiplicative noise partial differential equation, the universality classes of the observed two types of transition are determined (Kardar-Parisi-Zhang equation with saturating term, directed percolation).

Ziel dieser Arbeit ist die Überwindung einer Differenz, die zwischen der Theorie der Phase bzw. der Phasendynamik und ihrer Anwendung in der Zeitreihenanalyse besteht: Während die theoretische Phase eindeutig bestimmt und invariant unter Koordinatentransformationen bzw. gegenüber der jeweils gewählten Observable ist, führen die Standardmethoden zur Abschätzung der Phase aus gegebenen Zeitreihen zu Resultaten, die einerseits von den gewählten Observablen abhängen und so andererseits das jeweilige System keineswegs in eindeutiger und invarianter Weise beschreiben. Um diese Differenz deutlich zu machen, wird die terminologische Unterscheidung von Phase und Protophase eingeführt: Der Terminus Phase wird nur für Variablen verwendet, die dem theoretischen Konzept der Phase entsprechen und daher das jeweilige System in invarianter Weise charakterisieren, während die observablen-abhängigen Abschätzungen der Phase aus Zeitreihen als Protophasen bezeichnet werden. Der zentrale Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer deterministischen Transformation, die von jeder Protophase eines selbsterhaltenden Oszillators zur eindeutig bestimmten Phase führt. Dies ermöglicht dann die invariante Beschreibung gekoppelter Oszillatoren und ihrer Wechselwirkung. Die Anwendung der Transformation bzw. ihr Effekt wird sowohl an numerischen Beispielen demonstriert - insbesondere wird die Phasentransformation in einem Beispiel auf den Fall von drei gekoppelten Oszillatoren erweitert - als auch an multivariaten Messungen des EKGs, des Pulses und der Atmung, aus denen Phasenmodelle der kardiorespiratorischen Wechselwirkung rekonstruiert werden. Abschließend wird die Phasentransformation für autonome Oszillatoren auf den Fall einer nicht vernachlässigbaren Amplitudenabhängigkeit der Protophase erweitert, was beispielsweise die numerischen Bestimmung der Isochronen des chaotischen Rössler Systems ermöglicht. / The aim of this work is to bridge the gap between the theoretical description of the phase dynamics of coupled oscillators and the application of the theory to model reconstruction from time series analysis. In the theory, the phase of a self-sustained oscillator is defined in an unambiguous way, whereas the standard techniques used to estimate phases from given time series provide observabledependent results, so that generally these estimates deviate from the true phase. To stress this crucial issue, we term the observable-dependent phase-like variables as protophases. The main goal of this work is to develop a deterministic transformation from arbitrary protophases to the true, unique phase of the selfsustained oscillator. This approach allows us to obtain an invariant description of coupled oscillators and of their interaction. The application of the transformation and its efficiency are illustrated by means of numerical examples, as well as by the reconstruction of phase models of the cardiorespiratory interaction from multivariate time series of ECG, pulse and respiration. Next, the transformation from protophases to phases is extended for the case of three coupled oscillators. Finally, we go beyond the phase approximation and extend the phase transformation for autonomous oscillators to the case when the amplitude dynamics cannot be neglected. This technique for example allows us to compute numerically the isochrones of the chaotic Roessler system.