Galaxies are natural laboratories for testing fundamental physics on the nature of the dark matter. MOdified Newtonian Dynamics (MOND) has been tested for over 20 years on small and large scales. While there are several versions of how MOND extrapolates to the large scales, and these versions are not yet fully successful, the original Bekenstein-Milgrom version of MOND is fully predictive and works very well on galaxy scales. However, little work has been done to explore this theory beyond fitting the rotation curves and Tully-Fisher relation of isolated disc galaxies. So far little is known of MONDian elliptical galaxies accelerating in any galaxy cluster. A defining feature of MOND is that internal dynamics of the galaxy depends on the overall acceleration of the galaxy. The existence of cuspy triaxial equilibria for elliptical galaxies is the minimal requirement to MOND. With the PhD project here, I constructed and then further studied the evolution and stability of gravitationally bound systems resembling like cuspy elliptical galaxies, both in isolation and when embedded in a uniform external field. I also studied the escape speeds from spiral galaxies, in particular by comparing the potentials of the Milky Way Galaxy in the Cold Dark Matter (CDM) and MOND frameworks.

La gravitation expérimentale a connu des développements spectaculaires ces vingt dernières années en partie grâce aux développements de la physique atomique. A l'aide de techniques de refroidissement sophistiquées, il est possible d'exploiter le comportement ondulatoire de la matière. L'interférométrie atomique est devenue une méthode de fabrication d'horloges et de senseurs inertiels parmi les plus précis et la condensation de Bose-Einstein permet<br />l'observation de phénomènes quantiques macroscopiques. Dans cette thèse, nous explorons quelques applications possibles des ondes de matière pour les expériences de gravitation en champ faible. En première partie, nous développons des outils génériques pour la description théorique des expériences en relativité générale. Nous les appliquons dans la seconde partie: nous calculons la sensibilité des interféromètres à ondes de matière à l'effet Lense-Thirring, puis aux ondes gravitationnelles, et nous les comparons aux interféromètres laser. Enfin nous calculons la probabilité de changement d'état d'une cavité à onde de matière en interaction avec une onde gravitationnelle.

Camera based navigation is getting more and more popular and is the often the cornerstone in Augmented and Virtual Reality. However, navigation systems using camera are less accurate during fast movements and the systems are often resource intensive in terms of CPU and battery consumption. Also, the image processing algorithms introduce latencies in the systems, causing the information of the current position to be delayed. This thesis investigates if a camera and an IMU can be fused in a loosely coupled Extended Kalman Filter to reduce these problems. An IMU introduces unnoticeable latencies and the performance of the IMU is not affected by fast movements. For accurate tracking using an IMU it is important to estimate the bias correctly. Thus, a new method was used in a calibration step to see if it could improve the result. Also, a method to estimate the relative position and orientation between the camera and IMU is evaluated. The filter shows promising results estimating the orientation. The filter can estimate the orientation without latencies and can also offer accurate tracking during fast rotation when the camera is not able to estimate the orientation. However, the position is much harder and no performance gain could be seen. Some methods that are likely to improve the tracking are discussed and suggested as future work.

Abstract A computer program has been written to simulate the conditions of the early uni- verse and to test a new idea in the mechanism of structure formation observed in our universe today. The model utilises Newtonian hydrodynamic equations includ- ing gravitational and electromagnetic forces in two spatial dimensions. It is proposed that augmenting gravitational forces with plasma forces will complement the prob- lematic Big Bang theory of structure formation which relies on gravity alone. Two sets of initial conditions are tested and the products of the simulation are analysed in a statistical way using power spectra and the two-point correlation function. Differ- ences in the initial conditions were not seen to produce significantly different results. The results show that the Hubble expansion term significantly reduces power in the gravity models but plasma forces can retain power better than similar gravitation- only models. Initial velocity perturbations significantly modify the power spectrum gradient in the higher modes. Some power spectra displayed a definite bend in gra- dient at a scale which is verified by galaxy survey observations. Plasma forces also appear to cluster matter on smaller scales more efficiently than gravity alone. Thus, this simulation lays a foundation for a more detailed and realistic model that may be compared with real matter distribution observations.

Språket, vare sig det gäller det vardagliga eller vetenskapliga, är centralt för elevers lärande i naturvetenskap. Den här studien undersöker elevers språkliga rörelse när de i grupp framställer ett kreativt drama med naturvetenskapligt innehåll. Syftet med detta är att vidga förståelsen för drama som pedagogiskt hjälpmedel genom att utreda elevers språkbruk vid dramabaserad undervisning i de naturorienterande ämnena. För att besvara frågeställningen och uppfylla syftet har undervisning videodokumenterats och analyserats utifrån begreppen semantiska vågor, semantisk densitet och semantisk gravitation. Resultatet visar att elevernas språkliga rörelse mellan ett vardagligt och ett vetenskapligt språkbruk har en begränsad räckvidd och framträder i form av olika semantiska vågor. Den begränsade räckvidden går att härleda till en kontextbundenhet kopplad till framställandet av drama. Det visade sig även att elevernas roller i dramat påverkade deras förutsättningar till språklig rörlighet. Till följd av detta blir det därför viktigt för lärare att tydliggöra syftet med dramat så det inte används på den språkliga rörelsens bekostnad.

O objetivo deste trabalho é investigar o desenvolvimento da mecânica racional newtoniana, particularmente acompanhar sua inauguração com os Philosophiae Naturalis Principia Mathematica e a subseqüente recepção do programa pela filosofia continental, no século XVIII, por alguns intelectuais e cientistas. Utiliza-se a metodologia dos programas de pesquisa científica como referencial epistemológico na caracterização e descrição do programa, e também a abordagem historiográfica que ela implica. Epistemologicamente, procura-se escrutinar e precisar o sentido da noção de núcleo duro, em particular sua aplicação ao programa newtoniano de mecânica racional, mediante a análise detida do que Lakatos concebeu como o núcleo duro do mencionado programa, as leis dinâmicas e da gravitação apresentadas nos livros I e III dos Principia. O núcleo do programa da mecânica racional newtoniana é pensado por Newton como axiomas ou leis do movimento (Axiomata sive leges motus). Essa caracterização das hipóteses fundamentais da mecânica newtoniana aponta para sua centralidade, o que aparentemente confirma a idéia fundamental de Lakatos de que um programa de pesquisa é caracterizado pelo seu núcleo duro. A questão que motiva este ensaio pode ser formulada nos seguintes termos: dado que, segundo Lakatos, o núcleo duro é o componente conceitual (caracterizado metodologicamente) que define os contornos da prática científica em determinado campo, primeiro, não seria o núcleo duro estruturado através da correlação com outros componentes da teoria de racionalidade de Lakatos, em particular da heurística positiva? Segundo, as suposições compartilhadas pelos partidários de um programa de pesquisa possuirão alguma característica distintiva (epistemológica) que legitime sua proteção em relação à refutação? Por fim, aplicada à história da ciência, esta noção metodológica resiste a um escrutínio historiográfico? / The aim of this paper was to investigate the development of Newtonian rational mechanics, in special to analyze our rise with the publication of Philosophiae Naturalis Principia Mathematica and the consequent program reception by the continental philosophy. Was used the methodology of scientific research programs like epistemological framework in the programs characterization and description, and too the historiography approach entangled by it. Epistemologically the aim is to scrutiny and to particularize the notion of hard core, specially in your application to Newtonian rational mechanics program, through the analyze of Lakatos conception of referred programs hard core: the dynamics laws of motion and the law of gravitation , presented in books I and III of Principia. To summarize, the question which motive this paper can be formulated in the following way: accepted the supposition that the hard core is the conceptual component which define the demarcation of the scientific practice in a established scope stability, first, the hard core will be not reducible to the others components of Lakatos´ theory of scientific rationality, like a face of positive heuristics? Second, will have the shared suppositions in a scientific program any distinctive characters (epistemological) which legitimate the protection of them face the refutation? At last, applied to the History of Science, this epistemological notion resist against a historic scrutiny?

Este trabalho teve por objetivo investigar alguns aspectos dinâmicos de modelos de gravidade generalizada escalares-tensoriais e f(R), que pretendem resolver de modo mais natural o problema da existência da energia escura, que seria a componente do Universo responsável por sua expansão acelerada. Num espaço-tempo de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker com curvatura espacial nula foi possível escrever as equações de movimento de forma a se obter um sistema dinâmico com um número menor de variáveis e cujo espaço de fase foi estudado genericamente e esboçado para alguns modelos em particular. Em seguida, as regiões dinamicamente proibidas e os pontos fixos do espaço de fase foram analisados. Para os modelos f(R), apresentamos Lagrangianas e Hamiltonianas efetivas e deduzimos uma expressão geral para o parâmetro de equação de estado w. Discutimos ainda a equivalência entre os modelos f(R) e os escalares-tensoriais. Por fim, introduzimos o Princípio de Maupertuis-Jacobi, que permite relacionar a Lagrangiana de um sistema mecânico a uma métrica numa determinada variedade Riemanniana, para determinar singularidades que podem surgir nos modelos f(R), tanto numa métrica isotrópica como numa anisotrópica do tipo mais simples (Bianchi tipo I). Encontramos, de maneira mais direta, as mesmas singularidades já conhecidas através de métodos de análise dinâmica. / This work aims the investigation of some dynamical aspects of generalized gravity models, namely scalar-tensor and f(R) models. These models intend to solve in a more natural way the problem of the existence of the dark energy, which is supposedly the component of the Universe that causes its accelerated expansion. In a null spatial curvature Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker spacetime, it has been possible to write the equations of movement in a fashion that allowed us to obtain a dynamical system with a reduced number of variables, whose phase space has been generically studied and depicted for some particular models. In sequence, the dynamically forbidden regions and the fixed points of the phase space have been analyzed. For f(R) models, we have presented effective Lagrangians and Hamiltonians and derived a general expression for the equation of state parameter w. Furthermore, we have discussed the equivalence between f(R) and scalar-tensor models. Finally, we have introduced the Maupertuis-Jacobi Principle, which allows one to relate the Lagrangian for a mechanical system to a metric in a certain Riemannian manifold, to determine singularities which may appear in f(R) models, in an isotropic metric as well as in an anisotropic one of the simplest kind (Bianchi type I). We have found, in a more direct way, the same singularities that arise by using dynamical analysis methods.

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés des oscillations quasi périodiques au kilo Hertz (kHz QPO) dans les systèmes binaires X de faible masse. Pour détecter les kHz QPO, mesurer leurs paramètres et suivre leur évolution dans le temps, j'ai développé des méthodes d'analyse qui s'appliquent aux données acquises par le satellite Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE). J'ai validé ces méthodes sur des données simulées. L'analyse des données de sept sources observées pendant 15 ans avec l'instrument Proportional Counter Array a mis en évidence la chute de cohérence des oscillations au-delà de 700-850 Hz pour tous les systèmes étudiés. Ce résultat obtenu par les précédentes études sur les sources 4U 1636-536, 4U 1608-52, 4U 1728-34, 4U 1735-444 et 4U 1820-303 est confirmé en utilisant un ensemble de données plus important. Cette chute de cohérence est observée pour la première fois pour les systèmes 4U 0614+09 et Aquila X-1. Dans l'hypothèse où celle-ci est la signature de la dernière orbite stable prédite par la relativité générale, la masse de l'étoile à neutrons est évaluée à 1.9-2.1 M. Cette masse, quoique élevée, est compatible avec certaines équations d'état de la matière super condensée. J'ai étudié la séparation en fréquence entre les kHz QPO jumeaux dans les systèmes 4U 0614+09 et Aquila X-1. Pour le système Aquila X-1, cette séparation en fréquence est mesurée pour la première fois à 280 Hz, proche de la moitié de la fréquence de rotation de l'étoile à neutrons (\mu_spin/2). Pour 4U 0614+09, la séparation est constante à 320 Hz et très différente de la fréquence à 414 Hz de l'oscillation détectée dans un sursaut X observé avec le BAT de SWIFT et assimilée à \mu_spin. Cette séparation est comparable à celle mesurée à partir d'un ensemble de données moins important. Dans le système 4U 0614+09, la séparation en fréquence ne serait pas liée à la fréquence de rotation de l'objet compact. J'ai étudié la distribution des rapports de fréquences des kHz QPO dans les systèmes Sco X-1, 4U 1636-536 et 4U 0614+09. Ces distributions sont piquées autour de 1.5. Je montre pour la première fois que cette distribution piquée est la conséquence directe de la dépendance en fréquence de la significativité statistique des kHz QPO. Du fait de la sensibilité limitée de l'instrument PCA et bien que toujours présents, les kHz QPO jumeaux sont détectés simultanément sur une bande en fréquence étroite, correspondant à des rapports de fréquence autour de 1.5. Ces distributions ne sont donc pas liées à l'existence de fréquences préférées dans le système; une prédiction forte du modèle de résonance.

Les systèmes autogravitants sont constitués de particules interagissant mutuellement par la gravité; ils décrivent la formation de structures dans l'univers. Comme conséquence de l'interaction à longue portée, les systèmes autogravitants ne sont pas homogènes même à l'équilibre thermodynamique. Nous avons étudié les systèmes autogravitants comportant plusieurs sortes de particules et les systèmes autogravitants en présence de la constante cosmologique $\Lambda$. Nous avons développé la mécanique statistique et l'approche du champ moyen décrivant la phase gazeuse. Nous avons explicitement calculé la densité de particules et les grandeurs thermodynamiques. Le stabilité de la phase gazeuse est étendue par la présence de $\Lambda$. Les calculs Monte Carlo reproduisent remarquablement bien les résultats du champ moyen.. La loi d'échelle des systèmes autogravitants comportant plusieurs sortes de particules a été trouvée; au point critique la dimension fractale est indépendante de leur composition et vaut $1.6...$~.

Ce mémoire présente la modélisation théorique de l'expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) actuellement en cours de développement à l'Observatoire de Paris. L'objet de cette expérience est la mesure des interactions à courte portée entre un atome et une surface massive. Les interactions recherchées sont du type électrodynamique quantique (effet Casimir-Polder) et gravitationnelle. Le travail présenté ici a consisté à calculer les états des atomes dans le contexte de l'expérience afin de prévoir les signaux et les performances de l'expérience. Ceci a permis l'optimisation du schéma expérimental pour la mesure à la fois de l'effet Casimir-Polder à une précision non encore atteinte ainsi que pour la recherche de déviations à la loi de Newton prédites par les théories d'unification.