Este trabalho apresenta a modelagem de um problema representado por um pêndulo elástico com excitação paramétrica vertical do suporte e a análise de estabilidade do sistema pendular que se obtém desconsiderando a elasticidade do pêndulo. A modelagem dos pêndulos e a obtenção das equações do movimento são feitas a partir da equação de Lagrange, utilizando as leis de Newton e para a análise de estabilidade do sistema pendular são apresentados os diagramas de bifurcações, multiplicadores de Floquet, mapas e seções de Poincaré e expoentes de Lyapunov. O comportamento do sistema pendular com excitação paramétrica vertical do suporte é investigado através de simulação computacional e apresentam-se resultados para diferentes faixas de valores da amplitude de excitação externa. / This work presents the modeling of an elastic pendulum with parametric excitation of the support and the analysis of the stability of the pendulum that one obtains disregarding the elasticity of the pendulum. The modeling of the pendulum and the equation of motions are obtained from the Lagrange\'s equations, using Newton\'s law. The concepts of bifurcation, Floquet\'s multipliers, Poincaré maps and sections and Lyapunov exponent are presented for the analysis of stability. The behavior of the pendulum with parametric excitation of the suport is investigated through computational simulation and results for different intervals of values of the external excitation amplitude are presented.

FundaÃÃo de Amparo à Pesquisa do Estado do Cearà / Neste trabalho investigamos algumas aplicaÃÃes do formalismo de escala em mapeamentos discretos. Exploramos os decaimentos assintÃticos ao estado estacionÃrio com foco em trÃs tipos de bifurcaÃÃes em mapeamentos unidimensionais: bifurcaÃÃo transcrÃtica, bifurcaÃÃo supercrÃtica de forquilha e bifurcaÃÃo de duplicaÃÃo de perÃodo. Caracterizamos este comportamento atravÃs de uma funÃÃo homogÃnea generalizada com expoentes crÃticos bem definidos. PrÃximo ao ponto de bifurcaÃÃo o decaimento ao ponto fixo ocorre atravÃs de uma funÃÃo exponencial cujo o tempo de relaxaÃÃo à caracterizado por uma lei de potÃncia que independe da nÃo linearidade do mapa. Os resultados obtidos numericamente harmonizam com os resultados analÃticos. Aplicamos tambÃm o formalismo de escala em mapeamentos bidimensionais conservativos e dissipativos. No caso conservativo, nosso objetivo foi analisar o comportamento de Ãrbitas caÃticas prÃximas à transiÃÃo de fase de integrÃvel para nÃo integrÃvel. PrÃximo à esta transiÃÃo, descrevemos o sistema dinÃmico utilizando uma funÃÃo homogÃnea generalizada para a qual encontramos um lei de escala que descreve o comportamento da aÃÃo quadrÃtica mÃdia prÃximo à transiÃÃo. AtravÃs de uma discussÃo fenomenolÃgica, encontramos expoentes crÃticos que corroboram com a descriÃÃo analÃtica. No caso dissipativo, nosso principal objetivo foi investigar a influÃncia na dinÃmica ao ser introduzido um termo dissipativo, causando a supressÃo da difusÃo ilimitada da variÃvel aÃÃo quadrÃtica mÃdia. Seguimos uma descriÃÃo fenomenolÃgica acompanhada de uma descriÃÃo analÃtica e assim, determinamos os expoentes crÃticos usando uma funÃÃo homogÃnea generalizada. / In this work we are going to investigate the scale formalism in discret mappings. In 1D mappings, we explore the asymptotic decays to the steady state with focus in three types of bifurcation: transcriptical, pitchfork and period-doubling. We identify this behavior through a well defined generalized homogeneous function with critical exponents. Next to the bifurcation point, the decay to the fix point occurs by an exponential function, which is given by a power law that is independent of the non-linearity mapping. The numerical results obtained agree with the analytical results. We also apply the scale formalism in conservatives and dissipatives bidimensional mappings. In the conservative case, our goal was analyze the behavior of the chaotics orbits next to the phase transition from the integrable to the non-integrable. Next to that transition, we describe the dynamical system using a generalized homogeneous function for which we found a power law that describe the behavior of the criticality. Through a phenomenological discussion, we found critical exponents in agree with the analytical description. In the dissipative case, our main goal was to investigate the influence of a dissipative term in the dynamics, causing a phase transition - suppression of unlimited difusion of the action variable. Following a phenomenological approach with an analytical description, we were able to determine the critical exponents using a generalized homogeneous function.

A análise de sistemas dinâmicos não lineares pode ser baseada em séries obtidas de modelos matemáticos ou de experimentos. Modelos matemáticos para respostas aeroelásticas associadas ao estol dinâmico são muito difíceis de obter. Neste caso, experimentos e ensaios em vôo parecem fornecer uma base mais apropriada para a análise da dinâmica não linear. Técnicas de sistemas dinâmicos baseadas em análise de séries temporais podem ser aplicadas para a aeroelasticidade não linear. Quando tem-se disponível apenas séries experimentais, as técnicas de reconstrução do espaço de estados têm sido extensivamente utilizadas. Além disso, os expoentes de Lyapunov fornecem uma caracterização qualitativa e quantitativa do comportamento caótico de sistemas não lineares, assim, um expoente de Lyapunov positivo é um forte indicativo de caos. Medidas de entropia também fornecem informações importantes da complexidade do sistema não linear, consequentemente sua aplicação às séries temporais aeroelásticas representam uma forma apropriada para identificar movimentos caóticos. Este trabalho apresenta a aplicação de técnicas da análise de séries temporais, tais como, reconstrução do espaço de estados, expoentes de Lyapunov e medidas de entropia para respostas aeroelásticas não lineares para prever o comportamento caótico. Um modelo de asa flexível foi construído e testado em túnel de vento de circuito fechado com velocidade do escoamento variando entre 9,0 e 17,0 m/s. O modelo foi montado sobre uma plataforma giratória que produzia variações no ângulo de incidência. Deformações estruturais foram capturadas por meio de extensômetros que forneciam informações da resposta aeroelástica. O método da defasagem é utilizado para reconstruir o espaço de estados das séries temporais obtidas no experimento. Para obter a defasagem utilizada na reconstrução foi usada a análise da função de autocorrelação. Para determinar a dimensão do atrator é calculada a integral de correlação. A evolução do espectro de frequências e do espaço de estados reconstruído é analisada com as variações da velocidade do escoamento e da frequência de oscilação da plataforma. Os expoentes de Lyapunov e a entropia de Rényi foram obtidos para identificar o comportamento caótico. Os resultados foram analisados com a variação da velocidade do escoamento e da frequência de oscilação da plataforma. As técnicas utilizadas foram eficientes para observar o aparecimento de mudanças no sistema e do comportamento caótico com uma escala de interação fluido-estrutura complexa para movimentos com altos ângulos de incidência. / The analysis of non-linear dynamical systems can be based on data from either a mathematical model or an experiment. Mathematical models for aeroelastic response associated to the dynamic stall behavior are very hard to obtain. In this case, experimental or in flight data seems to provide suitable basis for non-linear dynamical analysis. Dynamic systems techniques based on time series analysis can be adequately applied to non-linear aeroelasticity. When experimental data are available, state space reconstruction methods have been widely considered. Moreover, the Lyapunov exponents provides qualitative and quantitative characterization of nonlinear systems chaotic behavior, since positive Lyapunov exponent is a strong signature of chaos. Entropy measures also provide important information on the complexity of nonlinear system, therefore its application to aeroelastic time series represent a proper way to seek for chaotic motions. This work presents the application techniques from time series analysis, such as, state space reconstruction, Lyapunov exponents and entropy measures to nonlinear aeroelastic responses, in order to predict chaotic behavior. A flexible wing model has been constructed and tested in a closed circuit wind tunnel with freestream between 9,0 and 17,0 m/s. The wing model has been mounted on a turntable that allows variations to the wing incidence angle. Structural deformation is captured by means of strain gages, thereby providing information on the aeroelastic response. The method of delays has been used to identify an embedded attractor in the state space from experimentally acquired aeroelastic response time series. To obtain the time delay value to manipulate the time series during reconstruction, the autocorrelation function analysis has been used. For the attractor embeeding dimension calculation the correlation integral approach has been considered. The evolution of frequency spectra and the reconstrueted state space is analyzed for variations of the freestream and the frequency of oscilIation of the turntable. Lyapunov exponents and Rényi entropy have been achieved in order to seek for chaotic behavior. The results were analyzed with the variation of the freestream and the frequency of oscillation of the turntable. The used techniques had been efficient to observe the occurence of changes and chaotic behavior withim a range of complex fluid-structure interaction at higher angle of incidence motions.

Orientador: Patricio A. Letelier Sotomayor / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-08-13T05:26:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Steklain_AndreFabiano_D.pdf: 11096709 bytes, checksum: 482e5ffb56f964f7786da54ec1791864 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Neste trabalho a dinâmica do problema de Hill é analisada utilizando-se duas metodologias diferentes. Na primeira metodologia, ainda no contexto da mecânica newtoniana, utilizamos potenciais que reproduzem efeitos da relatividade geral. Foram utilizados os potenciais de Paczynski-Wiita e um dos potenciais de Artemova, Bjornsson e Novikov (ABN). Estes potenciais reproduzem os efeitos que surgem no contexto da métrica de Schwarzschild (horizonte de eventos) e da métrica de Kerr (efeito Lense-Thirring), respectivamente. Na segunda metodologia as equações de movimento são obtidas a partir da relatividade geral, utilizando a métrica aproximada de um sistema binário obtida a partir de uma expansão pós-newtoniana de primeira ordem (1PN). A análise da dinâmica envolveu o estudo da estabilidade das órbitas fechadas, utilizando ferramentas clássicas como seções de Poincaré e expoentes de Lyapunov. Foram estudadas também trajetórias não limitadas utilizando escape fractal. Dentre os resultados obtidos destacam-se dois fatos. No caso do potencial ABN, existe uma influência da rotação na estabilidade das órbitas. No caso relativístico existe um limite para o qual o sistema, em geral caótico, se torna estável, diferentemente do que se poderia esperar de acordo com os potenciais pseudo-Newtonianos, em particular considerando o potencial de Paczynski-Wiita. / Abstract: In this work the Hill problem dynamics is analyzed using two different approaches. In the first approach, still in the realm of Newtonian mechanics, we use potentials that reproduce General Relativity effects. We use the Paczynski-Wiita and one of the Artemova, Bj¨ornsson e Novikov (ABN) potentials. These potentials reproduce effects that arise in the context of the Schwarzschild metric (event horizon) and of the Kerr metric (Lense-Thirring effect), respectively. On the second approach the equations of motion are obtained using general relativity, from the approximate metric of a binary system obtained from post-Newtonian expansions up to first order (1PN). In the analysis of the dynamics we study the stability of bounded orbits using classical tools, like Poincare sections and Lyapunov exponents. We also study open trajectories using Fractal Escape analysis. From our results we remark that two features. For the ABN potential there is an influence of the rotations on the stability of the orbits. In general relativity there is a limit where the system, in general chaotic, become stable, in disagreement with the pseudo-Newtonian potentials, in particular the Paczy'nski-Wiita potential. / Doutorado / Doutor em Matemática Aplicada

Orientadores: José Raimundo de Oliveira, Ignacio Bravo Muñoz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-21T12:37:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fazanaro_FilipeIeda_D.pdf: 53323687 bytes, checksum: 76694b226ed99a337ecee1769ed9c4e0 (MD5) Previous issue date: 2012 / Résumén: Esta tesis tiene como objetivo la caracterización de sistemas dinámicos no lineales y abruptos. Se propone una nueva metodología para la estimación del espectro de Lyapunov capaz de superar las dificultades relacionadas en los sistemas basados en funciones lineales por partes sobre la aplicación de los métodos clásicos de cálculo (cuando se utiliza linealización local o análisis de series de las series temporales experimentales). Este enfoque, denominado como Dinámica de los Clones, realiza la estimación del espectro de Lyapunov y también mejora el estudio de las características topológicas relacionadas con los procesos de mezcla que dan lugar al comportamiento caótico. Este estudio se lleva a cabo utilizando las Estructuras Coherentes de Lagrange que pueden obtenerse a través de la construcción de un campo de Exponentes de Lyapunov de Tiempo Finito donde se puede identificar a las crestas (o las separatrices) que dan la posibilidad de identificar las distintas regiones de convergencia y divergencia del espacio de estados. Debido al hecho que esta tesis se desarrolla fundamentalmente bajo un ordenador, los aspectos prácticos involucrados en los experimentos numéricos necesarios, emplean algunos conceptos y herramientas de computación en paralelo. Esto último permitió la optimización de los algoritmos implementados. Por lo tanto, los experimentos se realizaron para verificar la eficacia del enfoque de las Dinámicas Clonadas para la caracterización del circuito de Chua, y también para obtener las Estructuras Coherentes de Lagrange que tienen relación con los modelos dinámicos capaces de generar atractores caóticos multiscroll / Resumo: Essa tese objetiva caracterizar sistemas dinâmicos não lineares não suaves. Para tal, é proposta uma nova abordagem de estimação do espectro de Lyapunov capaz de contornar as dificuldades intrínsecas aos sistemas estruturados por funções lineares por partes quando da aplicação de metodologias clássicas (baseadas em linearizações locais ou em análises de séries temporais). Essa abordagem possibilita a estimação do espectro de Lyapunov e, além disso, auxilia no estudo das características topológicas relacionadas aos processos de mistura que dão origem ao comportamento caótico. Essa linha de estudo é realizada através das Estruturas Lagrangianas Coerentes, as quais são obtidas pela construção de um campo de Expoentes de Lyapunov de Tempo Finito, onde é possível identificar cristas (ou separatrizes) que dividem regiões de convergência e de divergência no espaço de estados. Por se tratar de um trabalho basicamente computacional, essa tese contempla os aspectos práticos envolvidos para a realização dos experimentos numéricos através da utilização de alguns conceitos e ferramentas de computação paralela, o que possibilitou a otimização dos algoritmos implementados. Nesse sentido, os experimentos foram realizados de modo a verificar a eficácia da metodologia proposta para a caracterização do circuito de Chua e, ainda, foram obtidas as Estruturas Lagrangianas Coerentes para os modelos dinâmicos capazes de gerar atratores caóticos multiscroll / Abstract: This thesis aims to characterize non-smooth nonlinear dynamical systems. To accomplish this purpose, we propose a new approach for estimating the Lyapunov spectrum which is capable to overcome the intrinsic difficulties of classical methods (based on local linearization or time series analysis) when dealing with systems based on piecewise linear functions. This approach, called Cloned Dynamics, allows the estimation of the Lyapunov spectrum and also improves the study of the topological features related to the mixing processes that give rise to the chaotic behavior. This study is performed using the Lagrangian Coherent Structures which are obtained by the construction of a Finite Time Lyapunov Exponents field where it is possible to identify the ridges (or the separatrices) which divide the convergence and divergence regions of the state space. Due to the fact that this thesis is basically developed under a computer environment, the practical features involved in the numerical experiments employing some parallel computing concepts and tools are discussed, which allowed the optimization of the algorithms implemented. In this sense, experiments were performed to verify the effectiveness of the Cloned Dynamics approach for the characterization of the Chua's circuit, and also to obtain the Lagrangian Coherent Structures related to the dynamical models capable of generating multiscroll chaotic attractors / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Luiz Antonio Barrera San Martin / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-08-21T17:52:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferraiol_ThiagoFanelli_D.pdf: 1248936 bytes, checksum: b0a3aefba1736bb7ff7be29e982d7aa0 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Nesta tese apresentamos resultados que fornecem a regularidade dos expoentes de Lyapunov com uma abordagem via teoria de Lie. A generalização dos expoentes de Lyapunov para fluxos em fibrados flag associados a um fibrado principal é utilizada para obter a diferenciabilidade de certas combinações lineares do espectro de Lyapunov. Essas combinações que são diferenciáveis são determinadas a partir da caracterização da decomposição de Morse mais fina do fluxo nos fibrados flag. A diferenciabilidade é tomada com repeito à perturbação do fluxo por elementos do grupo de calibre do fibrado principal / Abstract: In this thesis we present results about regularity of Lyapunov Exponents via a Lie Theory approach. The generalization of Lyapunov Exponents for flows in flag bundles is used to obtain the differenciability of certain linear combinations of the Lyapunov spectra. This specific combinations that are differentiable are determined by the caracterization of the finest Morse decomposition of the flows on flag bundles. The differenciability is taken with respect to the perturbation of the flow by elements in the gauge group of the principal bundle / Doutorado / Matematica / Doutor em Matemática

Orientador: Sérgio Leandro Nascimento Neves / Resumo: Neste trabalho, consideramos uma classe de problemas elípticos supercríticos não lineares. Apresentamos um método para determinar solução do problema de Coron no caso supercrítico para uma sequência de expoentes ressonantes. Tal método é uma adaptação do método de perturbação no caso onde não se conhece toda a variedade de soluções do problema não perturbado. / Abstract: In this work, we consider a class of nonlinear supercritical problems. We present a method to determine the solution of Coron’s problems in the supercritical case for a sequence of resonant exponents. Such a method is an adaptation of the perturbation method in the case where the whole solutions manifold to the non perturbed problem is not known. / Doutor

[pt] Uma medida de probabilidade com suporte compacto em um grupo de matrizes determina uma sequência de matrizes aleatórias i.i.d. Considere o processo multiplicativo correspondente e suas médias geométricas. O teorema de Furstenberg-Kesten, análogo da lei dos grandes números neste cenário, garante que as médias geométricas desse processo multiplicativo convergem quase certamente para uma constante, chamada de expoente de Lyapunov maximal da medida dada. Este conceito pode ser reformulado no contexto mais geral da teoria ergódica usando cociclos lineares aleatórios sobre o shift de Bernoulli. Uma questão natural diz respeito às propriedades de regularidade do expoente de Lyapunov como uma função dos seus dados. Sob uma condição de irredutibilidade e em um cenário específico (que foi posteriormente generalizado por vários autores) Le Page estabeleceu a continuidade de Holder do expoente de Lyapunov. Recentemente, Baraviera e Duarte obtiveram uma prova direta e elegante deste tipo de resultado. Seu argumento usa a fórmula de Furstenberg e as propriedades de regularidade da medida estacionária. Seguindo sua abordagem, neste trabalho obtemos um novo resultado mostrando que, sob a mesma hipótese de irredutibilidade, o expoente de Lyapunov depende Hölder continuamente da medida, relativamente à métrica de Wasserstein, generalizando assim o resultado de Baraviera e Duarte. / [en] A compactly supported probability measure on a group of matrices determines a sequence of i.i.d. random matrices. Consider the corresponding multiplicative process and its geometric averages. Furstenberg-Kesten s theorem, the analogue of the law of large numbers in this setting, ensures that the geometric averages of this multiplicative process converge almost surely to a constant, called the maximal Lyapunov exponent of the given measure. This concept can be reformulated in the more general context of ergodic theory using random linear cocycles over the Bernoulli shift. A natural question concerns the regularity properties of the Lyapunov exponent as a function of the data. Under an irreducibility condition and in a specific setting (which was later generalized by various authors) Le Page established the Holder continuity of the Lyapunov exponent. Recently, Baraviera and Duarte obtained a direct and elegant proof of this type of result. Their argument uses Furstenberg s formula and the regularity properties of the stationary measure. Following their approach, in this work we obtain a new result showing that under the same irreducibility hypothesis, the Lyapunov exponent depends Holder continuously on the measure, relative to the Wasserstein metric, thus generalizing the result of Baraviera and Duarte.

[pt] O teorema de Benedicks e Carleson afirma que para a família quadrática existe um conjunto de parâmetros, com medida positiva, para os quais o expoente de Lyapunov é positivo no ponto crítico. Nesta dissertação apresentamos uma demonstração rigorosa e detalhada desse célebre resultado. Uma parte importante da demonstração é o estudo do comportamento quase periódico de um conjunto de órbitas. Além disso, um argumento de grandes desvios é utilizado para mostrar que os parâmetros que não satisfazem a propriedade desejada formam um conjunto pequeno. Tais técnicas apresentam um interesse intrínseco, já que têm se mostrado muito proveitosas para o estudo de outros problemas em sistemas dinâmicos. Combinando o teorema de Benedicks e Carleson ao teorema de Singer, conclui-se que para um conjunto de parâmetros com medida positiva, a função quadrática correspondente não admite atratores periódicos, indicando um comportamento caótico. Neste trabalho, também são estudados critérios para a positividade do expoente de Lyapunov de cociclos quase periódicos de Schrodinger, como o teorema de Herman. O estudo de cociclos de Schrodinger representa um importante tópico na área de física matemática. Mais ainda, algumas das generalizações de tais critérios utilizam as técnicas de Benedicks-Carleson. / [en] The Benedicks and Carleson theorem states that for the quadratic family there exists a set of parameters, with positive measure, for which the Lyapunov exponent is positive at the critical point. In this dissertation we present a rigorous and detailed proof of this famous result. An important part of the proof is the study of the quasi periodic behavior of a set of orbits. In addition, a large deviation argument is used to show that parameters which do not satisfy the desired property form a small set. Such techniques have an intrinsic interest, as they have proven fruitful in the study of other problems in dynamical systems. Combining Benedicks-Carlesons theorem with Singers theorem, we conclude that for a set of parameters with positive measure, the corresponding quadratic function does not admit periodic attractors, indicating its chaotic behavior. In this work we also study criteria for the positivity of the Lyapunov exponent of quasi-periodic Schrodinger cocycles, such as Hermans theorem. The study of the Schrodinger cocycles represents an important topic in mathematical physics. Moreover, some of the generalizations of such criteria use the techniques of Benedicks-Carleson.

[pt] Os expoentes de Lyapunov são uma ferramenta bastante utilizada quando busca-se entender o comportamento de sistemas dinâmicos, em particular de cociclos lineares. De fato, concentramo-nos no expoente maximal, pois este determina o comportamento geral do sistema, de modo que sua positividade pode ser um indicativo de que estamos lidando com um sistema caótico. Nesse sentido estudamos um teorema provado por Michael Herman, que fornece uma cota inferior para o expoente de Lyapunov maximal de uma classe de cociclos lineares definidos por rotações no círculo. A prova deste resultado utiliza um processo de complexificação do cociclo e um argumento de subharmonicidade. Surpreendentemente, essa cota inferior é na verdade uma identidade, o que foi provado posteriormente por Avila e Bochi. Como será mostrado nesta dissertação, o argumento para obter a identidade depende crucialmente da harmonicidade, e não da mera subharmonicidade de certas funções associadas às iterações do cociclo. / [en] Lyapunov exponents are a widely used tool when trying to understand the behavior of dynamical systems in general, and in particular that of linear cocycles. We focus on the maximal exponent, as it determines the general behavior of the system, in that its positivity can be an indication that we are dealing with a chaotic system. In this sense, we study a theorem obtained by Michael Herman, providing a lower bound on the maximal Lyapunov exponent of a class of linear cocycles defined by circle rotations. The proof of this result employs the complexification of the cocycle and an argument based on subharmonicity. Surprisingly, this lower bound is in fact an identity, which was proven later by Avila and Bochi. As it will be shown in this dissertation, the argument for obtaining this identity depends crucially on the harmonicity, as opposed to the mere subharmonicity of certain functions associated with the iterates of the cocycle.