Orientador : Prof. D.Sc. Luis Alkimin de Lacerda / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 08/10/2014 / Inclui referências / Área de concentração: Mecânica computacional / Resumo: A presente pesquisa buscou contribuir com a análise de relações de experiência de aprendizagem de professores municipais de Curitiba mediada pelas novas tecnologias da informação e comunicação, ao utilizarem a web como um espaço em que se alocam fontes históricas primárias e secundárias, através de arquivos digitais. De cunho qualitativo (HÉBERT; GOYETTE; BOUTIN, 2005), esta pesquisa compreendeu o universo digital sem fronteiras entre o espaço e o tempo, em que a web permite a entrada de todos. Nesse sentido, algumas questões apresentaram-se para a Educação Histórica, que neste contexto apresentam-se como questões centrais desta pesquisa: Existem fontes históricas na Web? Se existem, é possível que os professores de história aprendam história utilizando documentos históricos alocados na Web? Como os professores de história se relacionam e aprendem História com as fontes históricas que estão na Web? E que tipo de relações de aprendizagem seriam possíveis? Além disso, o trabalho empírico indicou a hipótese de que se é possível para os professores de História estabelecerem novas relações de aprendizagem histórica através da utilização de fontes históricas alocadas na Web, então, se existem novas formas de se aprender História, existem novas maneiras de ensinar História. A fim de elucidar essas questões buscou-se em Jörn Rüsen a referência teórica da aprendizagem histórica. No que se refere ao enquadramento teórico no campo das novas tecnologias e sua relação com a formação de professores. Apresenta-se um panorama das pesquisas realizadas no âmbito das Tecnologias de Informação e Comunicação e o Ensino de História tanto no Brasil quanto em Portugal. A partir da pesquisa, pode-se afirmar que a relação de aprendizagem histórica dos professores modificou-se na medida em que tiveram contato com os pressupostos da Educação Histórica e porque todos os professores que colaboraram com a pesquisa frequentavam a formação continuada, em parceria com a UFPR através do LAPEDUH. E, portanto, tiveram acesso à Educação Histórica e tornaram-se capazes de mudar a forma pela qual se relacionam com os conteúdos substantivos e de segunda ordem a serem trabalhados. Palavras-chave: Aprendizagem histórica. Professores de História. Tecnologias da Informação e Comunicação. Educação Histórica. / Abstract: This research is a contribution to the analysis of learning experience relations from Curitiba Municipal teachers mediated by new information and communication technologies to use the web as a space in which primary and secondary historical sources are allocated through digital files. As a qualitative study (Hébert, Goyette; BOUTIN, 2005), this research is consisted in the digital universe without boundaries between space and time, where the web allows the use of all people. Thus, some questions were presented for History Education, which in this context I present as central issues of my research: Is there historical sources on the web? If there are, can history teachers learn history using historic documents allocated on the web? How history teachers relate and learn history with historical sources on the web? And what kind of learning relationships would be possible? Furthermore, the empirical work indicated the hypothesis that it is possible for history teachers establish new relations of historical learning through the use of historical sources allocated on the web. So, if there are new ways of learning History, there are new ways to teach history. In order to elucidate these questions I seek the theoretical reference of historical learning by Jörn Rüsen. The theoretical framework is in the field of new technologies and their relationship to teacher training. I present an overview of research conducted in the Information Technology and Communication and History Teaching bothin Brazil and in Portugal. From this research, it can be stated that the relationship of historical learning of the teachers has changed in that they had contact with the assumptions of History Education and because all teachers that cooperated with the research attended continuing formation in partnership with UFPR through LAPEDUH. And, therefore, they had access to the Historical Education and became capable to change the way they relate to the substantive and the second order of content to be worked. Keywords: Learning History. History teachers. Information and Communication Technologies. Historical Education .

O trabalho se concentra no estudo de um sistema de conversão de energia a partir de movimentos oscilatórios. Toma-se como exemplo de aplicação e objetivo norteador do estudo o aproveitamento da oscilação de uma boia marítima, oriunda do movimento ondulatório da água, como fonte de energia mecânica primária oscilatória, para de prover energia elétrica ao sinalizador da referida boia. O movimento da boia é modelado por um movimento com forma de onda sinusoidal, de acordo com as referências bibliográficas. A baixa frequência do acionamento força a escolha da topologia por uma que propicie alta densidade magnética. Após uma revisão sobre os materiais magnéticos e das topologias, optou-se pela topologia radial com duplo rotor, imãs permanentes de NdFeB e enrolamento toroidal. Após a análise numérica através do Método dos Elementos Finitos foi projetado e construído o protótipo do gerador. A maioria das peças componentes do gerador foram fabricadas no próprio Laboratório de Máquinas Elétricas, Acionamentos e Energia, LAMEAE – UFRGS. Paralelamente a construção foi feita a modelagem analítica do gerador. Primeiro, foi feita a modelagem do campo magnético com a correção do efeito da ranhura, pelo Fator de Carter e após, foi modelada a tensão induzida a partir de movimento constante e de um movimento sinusoidal. A modelagem analítica do sistema dinâmico foi baseada no método de Lagrange. E finalmente, são apresentados os resultados e são feitas as validações entre os métodos analítico, numérico e experimental. Os ensaios experimentais foram feitos variando a frequência do acionamento e a amplitude do movimento do acionador. E finalmente, a utilização de um conversor CC-CC na saída do gerador, mostrou-se que pode ser uma solução para a utilização do protótipo em uma boia de sinalização. / This work focuses on the study of a power conversion system driven by an oscillating movement. The example of application taken into account as a guiding target of this study is the utilization of a sea buoy, exposed to the wave motion of the water, as the prime mover, a renewable source of oscillating mechanical energy, in order to supply power to the previously mentioned buoy flag. The movement of the float is modeled by a sine wave, according to the references. The low frequency of the sea waves requires a machine topology that provides high magnetic density. After a review of magnetic materials and topologies, the radial topology with dual rotor, permanent magnets NdFeB and toroidal winding was chosen. With the numerical analysis using the Finite Element Method the generator is designed and built. Most of generator parts were manufactured in the Electrical Machines Laboratory at UFRGS. In addition to the prototype construction, analytical modeling was studied. First, the magnetic field modeling was performed with the correction of the effect of the slotting, with the Carter’s factor and also the induced voltage was modeled for a sinusoidal constant prime mover’s movement. The analytical modeling of the dynamic system was based on the equation of Lagrange. Finally, the results are validated with the investigation on the analytical, numerical and experimental methods. Experimental tests were performed by varying the actuation frequency and amplitude of the prime mover’s oscillation. At the end, the use of a DC-DC converter is proposed as the generator’s power output to feed the signaling buoy.

O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos não lineares que resultam na dinâmica de um dímero rígido e amortecido, provido de rotação deslizando sobre um substrato periódico unidimensional. Simulações numéricas são realizadas para dinâmicas com amortecimento nos graus de liberdade translacional e rotacional, para lançamentos do dímero com velocidades translacionais finitas (estado transiente); com o dímero sujeito a uma força externa aplicada na coordenada do centro de massa e com temperaturas finitas (estado estacionário). As equações de movimento descritas em coordenadas de centro de massa e rotacional são caracterizadas por um acoplamento roto-translacional, este que é ativado em regimes distintos durante o deslizamento do dímero, resultando em transferências de energia entre suas coordenadas. A motivação deste estudo é tentar compreender os efeitos rotacionais emergentes na dinâmica do menor objeto possível que seja capaz de rotar, de forma a possibilitar simples contribuições para o entendimento da origem do atrito em escalas nanométricas. No estado de transiente foi possível obter soluções analíticas para os diferentes regimes da velocidade do centro de massa do dímero, bem como uma compreensão extensiva de sua dinâmica, realizada através de um estudo sobre o comportamento geral de sua inclinação angular e com comparações instrutivas com trabalhos anteriores realizados com um dímero vibrante. No estado estacionário foi possível determinar o comportamento no limiar de deslizamento (atrito estático) através do seu estudo como função da inclinação angular inicial. Três diferentes dinâmicas surgem neste estado, uma relacionada com um adátomo, outra com caráter pendular, e a última em que o dímero é capaz de deslizar realizando rotações completas. Nas três dinâmicas surgem efeitos não lineares, sendo que nas duas últimas acontece devido ao acoplamento rototranslacional, em que a natureza das dinâmicas são qualitativamente compreendidas através de uma análise do potencial efetivo como função da inclinação angular. Argumentos e considerações concisas são desenvolvidas com o âmbito de se formular simples expressões aproximadas que predizem com eficácia alguns dos limites que foram previstos. Também foi estudado o efeito da inclusão de temperaturas finitas no sistema, resultando numa atenuação no efeito não linear. / The aim of this work is to study the effects of rotation of the non linear friction of a damped dimer sliding on a 1D periodic substrate. Numerical simulations are performed with: a damping in the translational and rotational coordinate, throwing the dimer with a finite initial translational velocity (transient state); with the dimer subjected to an external force applied in the center of mass coordinate and with finite temperatures (steady state). The equations of motion in terms of center of mass and rotational coordinate show a rototranslational coupling, whose is activated for distinct regimes while the dimer is sliding, resulting in an energy transfer between the coordinates. The motivation of this work is to understand the rotational effects that emerges from the dynamics of the smallest object that can rotate, in order to achieve simple contributions to the understanding of the friction origin in nanometric scale. The first system was the transient state, and we were able to obtain analytical solutions of the center of mass velocity while the dimer is sliding in the three distinct regimes that arise. As well as an extensive comprehension of this dynamics, performed by studying the whole behavior of the angular inclination and instructive comparisons with the vibrating dimer. In the steady state system, an analysis of the behavior of the dimer at the threshold sliding (static friction) as function of the angular inclination allowed a complete understanding of the threshold effects. Three distinct dynamics arise from this state, one related to the adatom, another with a pendulous nature, and the last with the dimer performing complete rotations while is sliding. Non linear effects arise from the thee dynamics, for the two former cases the effects arise from roto-translational coupling, which are qualitatively understood by analysing the effective potential as function of the angular inclinations. Reasonable and proper arguments are developed aiming to construct simple and approximated expressions that predict with good efficiency some of the limit parameters values, that describes the transitions between different dynamics. Also, numerical simulations performed with finite temperature shows an attenuation in the non linear effects.

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento solar operando por termossifão. Neste tipo de sistema o fluido no coletor solar é circulado por convecção natural, que acontece devido à diferença de massa específica da água ao longo circuito. Nestes sistemas a vazão mássica varia ao longo do dia e do ano, dependendo, dentre outros fatores, da irradiância solar absorvida, do perfil de temperaturas da água no sistema, da geometria, do volume e do perfil de demanda de água quente. Para uma avaliação detalhada do comportamento térmico de aquecedores solares operando por termossifão foram realizados ensaios experimentais e cálculos teóricos. Os resultados dos experimentos concordaram com aqueles apresentados na literatura e sua análise fundamentou o desenvolvimento do aplicativo TermoSim, um programa de simulação computacional do comportamento térmico de sistemas de aquecimento de água com energia solar. O tratamento matemático adotado no TermoSim compreende a modelagem dos coletores solares de acordo com a teoria de Hottel-Bliss-Whillier. O reservatório térmico é modelado com estratificação térmica, convecção e condução entre as camadas. A vazão mássica é obtida a partir do balanço da quantidade de movimento no circuito. Os modelos matemáticos empregados na construção do aplicativo TermoSim foram validados através do confronto dos resultados simulados com medidas experimentais. Foi demonstrado que a utilização destes modelos é adequada e permite reproduzir com precisão o comportamento térmico dos coletores solares e do reservatório térmico. Além do programa TermoSim, foi também desenvolvido o programa TermoDim, que é uma ferramenta para o dimensionamento de sistemas de aquecimento solar, que requer apenas o conhecimento dos parâmetros geométricos do sistema, dados meteorológicos em média mensal e informação a respeito do volume de demanda. O TermoDim é apropriado para estimar o desempenho de aquecedores solares operando por termossifão com tanques verticais e horizontais. O método de dimensionamento do TermoDim é baseado na correlação para a eficiência média mensal obtida neste trabalho a partir de um grande número de simulações. / This thesis presents an analysis of the thermal behavior of a thermosyphon solar water heating system. In these systems the collector fluid circulates by natural convection, i.e., due to the density difference along the system. The mass flow rate varies along the day and the year, depending on the absorbed solar radiation, the system fluid temperatures, the system geometry, the demand conditions and others factors. Preliminary calculations and measurements were performed on the mass flow rate, fluid and storage tank temperatures. Comparison between experimental and predicted theoretical results is presented. The results analysis was used on the development of TermoSim: a software for computer simulation of solar water heating systems. The mathematical models considered on TermoSim comprises mainly the solar collectors, storage tanks and connecting pipes. The solar collectors are modeled according the classical quasi-steady approximation by Hottel-Bliss-Whillier theory. The storage tank is modeled as stratified liquid tank with multinodal convection and conduction. The collector mass flow rate is evaluated from a balance between the friction pressure drop and the pressure due to density differences along the thermosyphon circuit (thermosyphon head). The models were validated from the comparison between simulated results and experimental data. It was found that the models are adequate to reproduce accurately the thermal behavior for the solar collector and storage tank. Besides the software TermoSim, it was also developed the program TermoDim, which is a design tool that requires only system geometric parameters, monthly averaged meteorological data and information about the load amount. TermoDim is appropriate for estimating the performance of thermosyphon systems with vertical and horizontal storage tanks. The design method was based on the correlation for the system monthly efficiency obtained in this Thesis from a large number of simulations.

Neste trabalho apresenta-se um algoritmo para a simulação de problemas tridimensionais de interação fluido-estrutura utilizando a técnica de elementos finitos. Um esquema de Taylor-Galerkin de dois passos e elementos tetraédricos lineares são empregados para o fluido, que pode ser compressível ou incompressível. É adotada uma formulação lagrangeana-euleriana arbitrária (ALE), compatível com o movimento da interface fluidoestrutura. Um método ftacionado de correção de velocidade é utilizado para os fluidos incompressíveis. A estrutura é analisada usando elementos triangulares com três nós e seis graus de liberdade por nó (três componentes de deslocamentos e três componentes de rotação). Os efeitos da não-linearidade geométrica são incluídos. O método de Newmark é empregado para integrar no tempo as equações dinâmicas de equilíbrio, usando-se uma descrição lagrangeana atualizada. O sistema de equações alge'bricas é solucionado através do método dos gradientes conjugados e o sistema não-linear, resultante de deslocamentos e rotacões finitas da estrutura, é solucionado com um esquema incremental-iterativo. O código é otimizado para aproveitar as vantagens do processamento vetorial.

Nesse trabalho apresentamos algoritmos adaptativos do M´etodo do Res´ıduo M´ınimo Generalizado (GMRES) [Saad e Schultz, 1986], um m´etodo iterativo para resolver sistemas de equa¸c˜oes lineares com matrizes n˜ao sim´etricas e esparsas, o qual baseia-se nos m´etodos de proje¸c˜ao ortogonal sobre um subespa¸co de Krylov. O GMRES apresenta uma vers˜ao reinicializada, denotada por GMRES(m), tamb´em proposta por [Saad e Schultz, 1986], com o intuito de permitir a utiliza¸c˜ao do m´etodo para resolver grandes sistemas de n equa¸c˜oes, sendo n a dimens˜ao da matriz dos coeficientes do sistema, j´a que a vers˜ao n˜ao-reinicializada (“Full-GMRES”) apresenta um gasto de mem´oria proporcional a n2 e de n´umero de opera¸c˜oes de ponto-flutuante proporcional a n3, no pior caso. No entanto, escolher um valor apropriado para m ´e dif´ıcil, sendo m a dimens˜ao da base do subespa¸co de Krylov, visto que dependendo do valor do m podemos obter a estagna¸c˜ao ou uma r´apida convergˆencia. Dessa forma, nesse trabalho, acrescentamos ao GMRES(m) e algumas de suas variantes um crit´erio que tem por objetivo escolher, adequadamente, a dimens˜ao, m da base do subespa¸co de Krylov para o problema o qual deseja-se resolver, visando assim uma mais r´apida, e poss´ıvel, convergˆencia. Aproximadamente duas centenas de experimentos foram realizados utilizando as matrizes da Cole¸c˜ao Harwell-Boeing [MCSD/ITL/NIST, 2003], que foram utilizados para mostrar o comportamento dos algoritmos adaptativos. Foram obtidos resultados muito bons; isso poder´a ser constatado atrav´es da an´alise das tabelas e tamb´em da observa ¸c˜ao dos gr´aficos expostos ao longo desse trabalho.

O objetivo deste trabalho é apresentar a seqüência de desenvolvimento de um processo de forjamento a quente com uma liga de alumínio AA6351. Métodos experimentais, numéricos e computacionais são utilizados em conjunto buscando a redução do tempo de desenvolvimento do processo de conformação, reduzindo as chances de confecção incorreta de ferramental, conformação insatisfatória, capacidade dos equipamentos inadequada, entre outros. Os programas comerciais de simulação numérica MSC.SuperForge 2005® e MSC.SuperForm 2005®. Este é alimentado com parâmetros obtidos através de métodos experimentais, como curvas de escoamento e fator de atrito, e métodos teóricos como coeficientes de transferência de calor, com o objetivo de melhorar a qualidade dos resultados obtidos através da simulação numérica. As peças produzidas são comparadas com os resultados obtidos via simulação computacional com o intuito de validar os resultados obtidos e apresentar a viabilidade de utilização de métodos numéricos para desenvolvimento de processos de conformação mecânica. O desenvolvimento de geratrizes pré-formadas é realizado através de simulação numérica resultando em uma redução de aproximadamente 59% no volume de material perdido em forma de rebarba. / The purpose of this work is to present the sequence of a hot forging process development from AA6351 aluminum forged part. Experimental, numeric and computational methods are used together so as to reduce the product’s development time, chances of incorrect tools construction, incorrect formation and inadequate equipment capacity, among other things. The MSC.SuperForge 2005® commercial numeric simulation software is used. This software is fed with parameters acquired through experimental methods, like flow-stress curves and friction curves, and numeric methods, like heat transfer coefficients, with the purpose of increase the results quality got through numeric simulation. Produced parts are compared with computational simulation results with the purpose to validate the results got and present the feasibility of the use of numeric methods to development of mechanical formation processes. Pre-formed billets development is realized through numeric simulation resulting in a material volume reduction of approximately 59% in material volume loss like flash.

Este trabalho, realizado com o auxílio da termodinâmica computacional, dá continuação a um estudo sistemático, que trata dos fundamentos dos tratamentos termoquímicos metalúrgicos relacionados à nitretação e à nitrocarburação. O estudo concentrou-se nas ligas da família ABNT 10XX, do aço ABNT 4140 e do aço ferramenta AISI M2. A composição das ligas utilizadas na simulação, contudo, não correspondem exatamente à comercial. Uma simplificação foi necessária para que a simulação do processo fosse facilitada. O uso da termodinâmica computacional como ferramenta para determinação das fases presentes (ou que podem vir a se formar) em um sistema a certa temperatura e pressão simulando o processo de nitretação mostrou-se uma valiosa ferramenta de análise.Apesar de, na prática, estes prognósticos ainda dependerem de uma cinética micro ou macroscópica favorável para ser verdadeiros, a comparação dos resultados obtidos com a literatura mostrou uma boa concordância nos resultados, validando, assim, o emprego desta técnica de análise. Assim, além deste estudo ser um avanço na compreensão das fases que participam das microestruturas (nitretos e carbonitretos) que se formam nas ligas estudadas, também pode ser utilizado como um balizador na definição de parâmetros que permitam a seleção destas fases finais desejadas, economizando tempo e recursos na realização de ensaios experimentais. / This work, accomplished with the help of computational thermodynamics, provides the development of a systematic study concerning the basis of the thermochemical treatments related to nitriding and nitrocarburising. This study focused on the alloys of the ABNT 10XX family, on the ABNT 4140 steel and on the AISI M2 tool steel. However, the compositions used in the simulation do not correspond exactly to the commercial composition of the alloy, for they had their composition simplified in order to facilitate the simulation process. The use of computational thermodynamics as a tool to determine the phase present (or that can be formed) in a system under a specific temperature and pressure, simulating the nitriding process, proved to be a valuable analysis tool. Nevertheless, in practice, these prognostics still depend on a micro or macro kinetics in order to be true; the comparison of the results obtained with those found in the literature showed good agreement of results, validating, thus, the use of this analysis technique. So, besides this study being an advance when it comes to understanding phases (nitrides and carbonitrides) that are formed in the studied alloys, it can also be used as a mark in defining parameters that allow the selection of final desired structures, saving time and resources.

Una serie de dispositivos experimentales fueron desarrollados para comprender cómo se originan y evolucionan los estilos estructurales 3D en sistemas de fallas de rumbo. En particular se analizó la deformación que se produce en la cubierta sedimentaria frágil al modificar la geometría del basamento y la dirección del esfuerzo principal. Adicionalmente se estudió la factibilidad de restaurar numéricamente la deformación en sistemas transpresivos. 2 placas de zinc, una de ellas móvil, representan al basamento. Cortes en ángulos determinados a lo largo de estas placas (30°, 45° y 60°) simulan curvaturas que representan discontinuidades al interior del basamento. Ésto permite el desarrollo de zonas en extensión y compresión dentro de un mismo sistema de fallas de rumbo dextral. La cobertura sedimentaria frágil se representó usando una torta de arena de 5 cm de espesor. El ángulo entre la dirección de esfuerzo principal y el sistema de fallas de rumbo se fijó en 0º , 30º y 45º. Lo anterior, combinado con los ángulos de los cortes en las láminas de zinc dio como resultado una matriz de 9 experimentos. En general se observa que en las zonas en transpresión se desarrollan flores positivas mientras que en las zonas en transtensión flores negativas. Sin embargo, la forma de estas estructuras está controlada por los parámetros testeados. La geometría 3D de la flor, ya sea en el caso positivo como negativo, es progresivamente mayor cuando el ángulo entre el esfuerzo aplicado y la discontinuidad en el basamento se acerca a 90º. Junto con las fallas que forman las geometrías tipo flor, se producen fallas de rumbo, que disectan a las anteriores, estas coinciden con la dirección del esfuerzo principal. Un punto interesante de destacar es que en las zonas en transtensión pareciera haber inversión tectónica. Estas geometrías se producen cuando la dirección del esfuerzo principal es menor que el ángulo de la discontinuidad. Finalmente, la restauración realizada para el caso compresivo entrega resultados comparables con el estado no deformado, sin embargo más estudios son necesarios para determinar la cantidad de datos requeridos en sistemas transpresivos naturales.

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