Orientador: Prof. Dr. Germán Lugones / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2015. / Durante sua expansão inicial e consequente resfriamento o Universo passou por diversas transições. Uma delas, conhecida como transição de fase da QCD, prevista pelo modelo cosmológico padrão e pela física de partículas, ocorreu por volta de 10 s após o Big Bang, em temperaturas da ordem de 150-200MeV, atuou em quarks e gluôns inicialmente em estado quasi-livre confinando-os em hádrons. A maneira na qual esse processo se deu, pode ter gerado inúmeras implicações nas fases subsequentes e relíquias a serem observadas atualmente. Com o intuito de entender esse processo, resolvemos numericamente as equações de Euler no contexto da relatividade restrita com um código numérico multidimensional desenvolvido durante o trabalho, baseado no método de diferença finita com esquemas de alta ordem para os casos hidrodinâmicos newtoniano e relativístico. Nele empregamos métodos de reconstrução espacial no espaço característico de até sétima ordem, três diferentes separadores de fluxo e esquemas Runge-Kutta de alta estabilidade de terceira e quarta ordem para evolução temporal. Para implementação do caso multidimensional, utilizamos o método "dimensionally unsplit". Os primeiros trabalhos a respeito dessa época partiam do pressuposto que a transição era de primeira ordem e faziam uma análise semi-analítica da nucleação e colisão entre bolhas hadrônicas. Nesses trabalhos era conjecturado que a turbulência criada por esses mecanismos teria um perfil Komolgorov, ou alguma variação, e a partir disso calculava a radiação gravitacional produzida. Contudo resultados obtidos pelos grandes experimentos de colisão de íons pesados no RHIC e LHC, cuja condições geradas possuem algumas similaridades àquelas esperadas no Universo Primordial e nos cálculos feitos pela colaboração Wuppertal-Budapest com teoria da QCD na rede sugerem que, pelos parâmetros provenientes do modelo padrão, essa transição foi analítica, caracterizada por uma transformação suave entre as fases. Nesse cenário, não há mecanismos intrínsecos da transição que possam transferir energias para as escalas maiores para produzir e manter a turbulência no fluido,formando assim espectro diferente dos analisados trabalhos anteriores e consequentemente uma outra evolução do plasma primordial. Através de análises estatísticas e espectrais, propusemos entender a dinâmica de iii um fluido primordial que passa por um transição analítica, estudando a geração de ondas gravitacionais geradas a partir da evolução de um fluido com estado inicial formado por distribuições randômicas de temperatura e velocidade e comparando-as com a curva de sensibilidade do eLISA/NGO. Procuramos entender também como a presença da instabilidade de Kelvin-Helmholtz bidimensional engatilhada a partir das flutuações provenientes de outras eras pode ter influenciado no crescimento de perturbações e da turbulência e suas consequências para o espectro da radiação gravitacional. / During its initial expansion and cooling, the Universe passed through several transitions. One of them, know as QCD phase transition occurred around 10 s after the Big Bang, at a temperature of the order of 150-200MeV, confining quarks and gluons that were initially in a quasi-free state into hadrons. The study of this transition is important for understanding the evolution of the Universe, because depending of the manner in which this process took place, we can expect several types of consequences for the subsequent phases as well as different observable relics. In order to understand this process, we solved numerically the Euler equations in the frame of special relativity with a multi-dimensional numerical code developed during the work, based on the finite differences method with high order schemes. We used spatial reconstruction methods in the characteristic space up to seventh order, three different flux-split and Runge-Kutta schemes of high stability of third and fourth order for time evolution. To implement the multidimensional case, we use the dimensionally unsplit method. Most of previous studies on this topic were based on the assumption of a first order transition. Several studies focused on a semi-analytical analysis of the nucleation, growth and collision of bubbles and their relation to the generation of gravitational waves. In these works it was conjectured that the turbulence created by such mechanisms would have a Komolgorov slope, or some variation of it, and from it the gravitational radiation was estimated. However results obtained in large heavy ion collision experiments at RHIC and LHC, whose conditions have some similarities to those expected in the Early Universe, and calculations made by the Wuppertal-Budapest collaboration with Lattice QCD suggest that, with parameters from the standard cosmological model, the transition it is a crossover characterized by a smooth transformation between phases. In this scenario, no intrinsic mechanisms of the transition could transfer the energy to larger scales to produce and maintain turbulence in the fluid, thereby generating a different spectrum of previous work and therefore another evolution of the primordial plasma. Using statistical and spectral analysis, we study the dynamics of a primordial fluid passing through an analytic transition. We study the gravitational waves generated from the motion of a fluid with an initial state consisting of random distributions of temperature and velocity and compare the results with the sensitivity curve of the eLISA/NGO. We also investigate how the presence of the Kelvin-Helmholtz instability may have influenced the growth of perturbations and turbulence and analyze its consequences for the spectrum of gravitational radiation.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-11-23Bitstream added on 2014-06-13T20:11:13Z : No. of bitstreams: 1 souza_alo_me_ilha.pdf: 3367880 bytes, checksum: b588a2dedc116340aa90ecceaabc577c (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Este trabalho versa sobre ondas de gravidade geradas por impacto de massas sólidas em meio líquido. Vários ensaios com materiais granulares, simulando o deslizamento, foram conduzidos em um canal de ondas provido de rampa a montante, sobre a qual esferas de vidro e seixos rolados, de diâmetros distintos, após deslizarem, vinham impactar o meio líquido gerando ondas de submersão. O canal, localizado no Laboratório de Hidráulica e Hidrometria da UNESP – Ilha Solteira, apresenta as dimensões 0,30 m de largura, 0,50 m de altura e 10,00 m de comprimento. Os ensaios com lâmina d’água variando entre 0,13 m e 0,20 m foram executados no intuito de checar algumas propriedades desse complexo processo físico de geração de ondas, quais sejam: o campo de velocidades do material granular incidente (centro de massa e frente de deslizamento), utilizando recursos de cinematografia e tratamento de imagens; determinação de alturas de ondas através de sondas capacitivas micro-controladas; e, por fim, obtenção de velocidades orbitais na zona de geração, através de sondas ADV (Acoustic Doppler Velocimeter). Com o objetivo de validar modelo numérico desenvolvido por Maciel (1991) e aprimorado por Nascimento (2001), os ensaios experimentais subsidiaram o processo de validação do referido modelo, baseado nas equações de Serre, para o caso de materiais granulares, até então não contemplado por outros trabalhos citados na literatura. Foi também brevemente testado, o que requer aprofundamento em trabalho futuro, um modelo numérico lagrangeano, apresentado no Anexo III. Na seqüência, foi também realizada uma análise da transferência de energia do material granular incidente para o meio líquido, cujo principal objetivo era de avaliar o percentual de energia cinética do deslizamento que fora convertido em energias cinética e potencial da onda gerada... / This work is about gravity waves generated by solid mass impact into liquid. Several essays with granular material, simulating a landslide, were conduced in a wave channel provided with an upstream ramp where glass spheres and pebbles (with two different diameter intervals) slide the ramp generating submersion waves. The wave channel is located at UNESP – Ilha Solteira’s Hydraulics and Hydrometrics Laboratory. Its dimension is 0,30 m (width), 0,50 m (high) and 10,00 m (length). The depth of water was from 0,13 m up to 0,20 m. Some properties of the complex physic process of landslide generated waves were investigated: granular material’s velocity field (trough cinematography method and image treatment); wave height was founded with micro controlled capacitance wave gauges; and orbital velocity was acquired by Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) gauges. The main aim was to validate a numeric model developed by Maciel (1991) further improved by Nascimento (2001) for granular material generated waves. The experimental essays were essential to the validation of the Serre’s equation based model for granular material (do not contemplated by other works in the literature). A lagrangean numeric model was briefly tested (Anexo III). The energy transfer of the granular material to waves was also analyzed with purpose to evaluate the fraction of the solid’s kinematics energy was converted in wave’s kinematics and potential energies. In the engineering context, this work brings a chapter with several analytic, semi-empiric and empiric methods of water wave’s height estimation. They are based on geometric characteristics and slide’s dynamics. Another chapter compares those methods.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho consiste na aplicação de métodos espectrais para obter a evolução de sistemas isolados que possam emitir ondas gravitacionais no regime não-linear pleno da Relatividade Geral. A perspectiva da detecção de ondas gravitacionais nos próximos anos torna premente a construção de padrões temporais e angulares de ondas gravitacionais emitidas por sistemas que são fortes candidatos a fontes intensas de ondas gravitacionais. Estudamos a evolução de esferóides de matéria emitindo ondas gravitacionais e um campo de radiação nula onde o espaço-tempo exterior é descrito pelas equações de Robinson- Trautman. O campo de radiação nula é esperado em um colapso gravitacional realístico e pode representar uma superposição incoerente de ondas eletromagnéticas, neutrinos ou campos escalares sem massa. Analisamos a evolução do espectro de emissão de ondas gravitacionais e a extração de massa do sistema devido à emissão de ambos os tipos de radiação. Apresentamos também o primeiro código numérico utilizando o método de Galerkin para integrar as equações de campo do problema de Bondi. Realizamos vários testes numéricos para verificar a convergência, estabilidade e precisão, obtendo resultados promissores. Esse código abre várias possibilidades de aplicações em cenários mais gerais de espaços-tempos com ondas gravitacionais. / This work consists of applying spectral methods to obtain the evolution of isolated systems that can emit gravitational waves in the full nonlinear regime of General Relativity. The perspective of detection of gravitational waves in the next years means that the construction of angular and temporal patterns of gravitational waves emitted by systems that are strong candidates for intense sources of gravitational waves has become pressing.The evolution of spheroids of matter emitting gravitational waves and a null radiation field is studied in the realm of radiative Robinson-Trautman spacetimes. The null radiation field is expected in realistic gravitational collapse and can be either an incoherent superposition of waves of electromagnetic, neutrino or massless scalar fields. We studied the evolution of the angular pattern of gravitational wave emission and the mass extraction of the bounded configuration through the emission of both types of radiations. We present the first numerical code based on the Galerkin method to integrate the field equations of the Bondi problem. Several numerical tests were performed to verify the issues of convergence, stability and accuracy with promising results. This code opens up several possibilities of applications in more general scenarios for studying the evolution of spacetimes with gravitational waves.

O detector de ondas gravitacionais Mário Schenberg consiste de uma massa ressonante esférica de Cu(94%)Al(6%) com 65cm de diâmetro, pesando aproximadamente 1,15T, com um Q mecânico da ordem de 106 e todos os sistemas que possibilitam o seu funcionamento como detector de ondas gravitacionais. O projeto do detector prevê para este uma sensibilidade da ordem de 10-20 (em deformação). Para isso dependerá da eficiência dos sistemas vibracionais que utiliza. Neste trabalho os casadores mecânicos de impedância, foram simulados com um programa de elementos finitos e otimizados quanto à sua banda e acoplamento vibracional. Foi feita a análise do sistema de isolamento vibracional da nova suspensão, por meio da resposta em frequência do ruído sísmico na superfície da esfera, nos mesmos locais onde estão conectados os transdutores. Foi proposto um projeto novo para atenuar os ruídos provenientes do cabeamento que conduz os sinais de micro-ondas. Foi avaliado o efeito do ruído sísmico introduzido na suspensão e na esfera, também nos locais dos transdutores, utilizando este novo projeto. É apresentado um projeto para a conexão térmica do refrigerador por diluição, que a análise por simulação numérica demonstrou ser eficaz. A modelagem para análise vibracional é a melhor já feita para detectores esféricos, isto se comparada às que foram encontrados na literatura. Os resultados alcançados demonstraram que as atenuação em todos os sistemas analisados são adequadas às metas do projeto do detector Mário Schenberg, ou seja, os ruídos remanescentes estão abaixo do ruído térmico esperado na temperatura de 50mK. / The Gravitational Wave detector Mario Schenberg consist of a spherical resonant-mass made of CuAl(6%) with 65 cm diameter e weighting 1.15 Ton, with a Mechanical quality factor of about 106 and all the systems that allows it to word as a gravitational wave detector. The detector design was made for it to reach a sensitivity of 10-20 (strain sensitivity). To reach this goal it depends on the efficiency of the it vibrational systems. In this work the transducers mechanical impedance matchers were simulated with a finite element program and optimized in its band and vibrational coupling. A analysis of the vibrational isolation of the new suspension was made by the frequency response of the seismic noise on the sphere surface, on the same places where they will be connected to the transducers. A new design for attenuation of the noise due to microwave cabling was proposed. The seismic noise introduced on the suspension and on the sphere was simulated using this new design. A design for the dilution refrigerator thermal connection is presented, and its performance is measured in a analysis in a finite element moddeling, and showed itself efficienty. This vibration model for the detector is the best one ever made for spherical detectors, if compared to the literature. Results obtained showed that the atennuation in all the analysed systems are compatible to the Mário Schenberg detector design goals, it means that, the remaining noises are below the expected thermal noise at the temperature of 50 mK.

A existência de ondas gravitacionais foi confirmada indiretamente pela observação astronômica de pulsares binários. Detectores de ondas gravitacionais tem sido desenvolvidos desde o trabalho pioneiro de Weber nos anos 60. Esforços estão sendo realizados no sentido de aumentar a sensibilidade dos detectores e realizar uma detecção direta, que ainda não foi confirmada. O Grupo GRAVITON está aperfeiçoando e melhorando a sensibilidade de um detector de ondas gravitacionais que se encontra no Laboratório de Estado Sólido e Baixas Temperaturas do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (LESBT/IFUSP), na cidade de São Paulo com apoio da FAPESP (processo 2006/56041-3). Esse detector, denominado MARIO SCHENBERG, é composto por uma massa ressonante esférica de CuAl(6%) com 65 cm de diâmetro, com aproximadamente 1150 kg, que deverá atingir a sensibilidade h ~ 10-22 em uma banda passante de 50 Hz, em torno de 3200 Hz, quando estiver operando a temperaturas da ordem de 0,05 K. Atualmente o detector já tem toda a sua infraestrutura criogênica montada e testada para resfriamentos a 4 K e toda a suspensão da esfera bem como todo o sistema de filtragem mecânica construídos e montados. Já foram realizadas as primeiras corridas comissionadas em 2006, 2007 e 2008, quando foram realizados vários diagnósticos sobre o sistema e desde então vem sendo desenvolvidos os transdutores para colocar o detector novamente em operação com melhor sensibilidade. Paralelamente, foram realizadas melhorias no próprio detector em razão dos diagnósticos realizados. O trabalho aqui apresentado está associado ao projeto acima. O autor desenvolveu atividades associadas à construção e desenvolvimentos do detector, que podem ser divididas em três partes principais: na parte mecânica, foi desenvolvido, instalado e testado um novo sistema de isolamento vibracional da suspensão da esfera; na parte criogênica foram feitas novas conexões térmicas, cálculos de gastos de hélio líquido e feitos desenvolvimentos para o funcionamento do refrigerador por diluição; e na parte eletrônica foi feita a instalação da eletrônica responsável pela transdução do sinal, além do desenvolvimento de um novo par de antenas de microfita. / The existence of gravitational waves has been confirmed indirectly by astronomical observation of binary pulsars. Gravitational wave detectors have been developed since the pioneering work of Weber in the 60s. Efforts are being made to increase the sensitivity of the detectors and perform a direct detection, wich has not been confirmed yet. The GRAVITON Group is enhancing and improving the sensitivity of a gravitational wave detector which is at the Laboratório de Estado Sólido e Baixas Temperaturas of the Instituto de Física of the Universidade de São Paulo (LESBT / IFUSP), in São Paulo city and is supported by FAPESP (processo 2006/56041-3). This detector, called MARIO SCHENBERG, consists of a spherical resonant mass of CuAl (6%) with 65 cm in diameter, and approximately 1150 kg, which should reach the sensitivity of h ~ 10-22 in a bandwidth of 50 Hz around 3200 Hz, when operating at temperatures of 0.05 K. Currently the detector already has all its infrastructure assembled and tested for cryogenic cooling down to 4 K and the whole suspension of the sphere as well as all mechanical isolation system constructed and assembled. Commissioning runs have already been done in 2006, 2007 and 2008, when several diagnoses on the system were performed and since then there have been many developments on the transducers to put back the detector into operation with improved sensitivity. At the same time, improvements have been made within the detector itself due to the diagnoses. The work presented here is associated with the above project. The author has developed activities and developments associated with the detector construction, which can be divided into three main parts: the mechanical part, in which a new system of vibration isolation was designed for the sphere suspension, installed and tested; the cryogenic part, in which new connections and thermal calculations of liquid helium boil-off rate were made as well as other developments for the operation of a dilution refrigerator; and the electronic part, in which the installation of the electronic signal responsable for the transduction was made, besides the development of a new pair of micro-strip antenna.

A colisão de buracos negros é uma das fontes mais importantes de ondas gravitacionais e, em geral, a emissão anisotrópica da radiação causa um recuo do objeto final. Este cenário já é conhecido há décadas, mas foi somente com o recente avanço na relatividade numérica que as velocidades finais dos objetos radiantes foram computadas com precisão. Os valores encontrados podem ser altos o suficiente para exercerem um importante papel no crescimento de buracos negros super massivos via coleção de galáxias e na abundância de núcleos galáticos ativos contendo buracos negros. Este é um autêntico efeito da não linearidade de Relatividade Geral e esta tese fornece uma nova metodologia estudar alguns aspectos da dinâmica da colisão de buracos negros. Consideramos o horizonte como uma tela canônica que codifica as informações da evolução temporal do espaço-tempo. Com esta hipótese, fenômenos como o anti-kick, isto é, uma súbita desaceleração do sistema antes de atingir a velocidade final, são explicado em termos da dissipação das deformações do horizonte. Estudamos primeiramente o Espaço-tempo de Robinson-Trautman. Uma das solução mais simples das equações de Einstein, esta métrica nos fornece um poderoso modelo para investigar tanto a perda de massa quanto o recuo do objeto final. Mostramos que, quando as configurações iniciais tem simetria especular, a massa do buraco negro remanescente e a energia irradiada são completamente determinadas pela condição inicial. Com isso, obtemos as expressões analíticas dos resultados numéricos obtidos anteriormente na literatura. Além disto, com o auxilio do método espectral de Galerkin, analisamos o regime não linear das equações envolvidas e verificamos que se pode estimar a velocidade de recuo final com boa precisão a partir de medidas da assimetria da condição inicial. Introduzimos na seqüência a curvatura efetiva como uma medida das deformações intrínsecas ao horizonte. Além de considerar as deformações gerais, ela também inclui as diferenças entre os hemisférios norte e sul. No espaço-tempo de Robinson-Trautman, essa quantidade se correlaciona de uma forma injetora com a velocidade final. Para superar algumas limitações dessa solução, aplicamos o mesmo procedimento nos resultados da simulação numérica de uma colisão head-on. Neste caso, a curvatura efetiva, está na realidade, correlacionada com a aceleração do sistema. Refinamentos e generalizações desta técnica são também discutidos e propostos para trabalhos futuros. / Colliding black holes are one of the most important sources of gravitational waves and the anisotropic emission of the radiation generally causes the recoil of the final hole. This scenario has been known for decades, but it is only thanks to the recent progress in numerical relativity that the final velocity have been accurately computed. The values found can be large enough to play an important role in the growth of supermassive black holes via mergers of galaxies and on the number of galaxies containing them. This is a genuine nonlinear effect of general relativity and this thesis provides a new methodology to study some features on the dynamics of the collision. We propose that the horizon is a canonical screen, which encodes he information of its surroundings. With this assumption, phenomena such as the anti-kick, namely the sudden deceleration before reaching the final velocity, are explained in terms of the dissipation of the horizons deformation. We first study the Robinson-Trautman spacetime. One of the simplest solutions of Einsteins equations, it provides us with a powerful toymodel to investigate both the mass loss of the system and the recoil of the final object. We show that, for the case of reflectionsymmetric initial configurations, the mass of the remnant black-hole and the total energy radiated away are completely determined by the initial data, allowing us to obtain analytical expressions for some numerical results that had appeared in the literature. Moreover, by using the Galerkin spectral method to analyze the non-linear regime of the equations involved, we found that the recoil velocity can be estimated with good accuracy from some symmetry measures of the initial data. Then we introduce the effective urvature as a measure of intrinsic deformations on the horizon. Not only does it account for overall deformation, but also for the differences on the north and south hemispheres. In the Robinson-Trautman spacetime, this quantity correlates in an injective way with the final velocity. To overcome some caveats of this solutions, we apply the same procedure to the results given by numerical simulations of a head-on collision. In the case, the effective curvature is actually correlated with the acceleration of the system. Further improvement and generalizations of this technic is also discussed and proposed for future work.

The present-day interest in gravitational waves, justified by the recent direct detections made by LIGO, is opening the exciting possibility to answer many questions regarding General Relativity in extreme situations. One of these questions is whether black hole are – indeed – described totally by their mass, charge and angular momentum or whether they can have additional long-range hair. This project is concerned with this question. We aim at studying the influence of additional structure on the black hole horizon in the form of long-range hair by studying linearized Einstein equation the solutions when perturbed. More precisely, we will study the Schwarzschild solution, pierced by an infinitely long and thin cosmic string such that the space-time possesses a global deficit angle. Quasi-normal modes are believed to dominate the gravitational wave emission during the ring down phase of an excited black hole that would e.g. be the result of a merger of two ultra-compact objects, therefore linearized perturbations can be considered. With the advent of gravitational wave astronomy the proposed study will be very important when reconstructing the source of the detected gravitational wave signals. / O atual interesse em ondas gravitacionais, justificado pelas detecções diretas feitas pela colaboração LIGO recentemente, está abrindo a excitante possibilidade de responder várias questões a respeito da Relatividade Geral em condições estremas. Uma dessas questões é se buracos negros são – realmente – totalmente discritos apenas por sua massa, carga e momento angular ou se eles podem ter os chamados cabelos de longo alcance adicionais. Nosso projeto se preocupa em responder esta pergunta. Nosso objetivo está em estudar a influência de uma estrutura adicional no horizonte de eventos de um buraco negro através do comportamento da equação linearizada de Einstein quando a solução é perturbada. Mais precisamente, nós estudaremos a solução de Schwarzschild atravessada por uma corda cósmica infinitamente fina, tal corda faz com que o espaço-tempo tenha um hiato angular em seu plano equatorial. Acredita-se que modos quasi-normais dominem a emissão de ondas gravitacionais durante a fase de ringing down de buracos negros excitados que podem, por exemplo, se originar da colisão de objetos ultra compactos, portanto perturbações lineares podem ser consideradas. Com o advento da astronomia através de ondas gravitacionais o estudo proposto será importante para que se possa reconstruir a origem de sinais detectados.

Orientador: Geraldo de Freitas Maciel / Banca: João Batista Campos Silva / Banca: Márcio Benedito Baptista / Resumo: Este trabalho versa sobre ondas de gravidade geradas por impacto de massas sólidas em meio líquido. Vários ensaios com materiais granulares, simulando o deslizamento, foram conduzidos em um canal de ondas provido de rampa a montante, sobre a qual esferas de vidro e seixos rolados, de diâmetros distintos, após deslizarem, vinham impactar o meio líquido gerando ondas de submersão. O canal, localizado no Laboratório de Hidráulica e Hidrometria da UNESP - Ilha Solteira, apresenta as dimensões 0,30 m de largura, 0,50 m de altura e 10,00 m de comprimento. Os ensaios com lâmina d'água variando entre 0,13 m e 0,20 m foram executados no intuito de checar algumas propriedades desse complexo processo físico de geração de ondas, quais sejam: o campo de velocidades do material granular incidente (centro de massa e frente de deslizamento), utilizando recursos de cinematografia e tratamento de imagens; determinação de alturas de ondas através de sondas capacitivas micro-controladas; e, por fim, obtenção de velocidades orbitais na zona de geração, através de sondas ADV (Acoustic Doppler Velocimeter). Com o objetivo de validar modelo numérico desenvolvido por Maciel (1991) e aprimorado por Nascimento (2001), os ensaios experimentais subsidiaram o processo de validação do referido modelo, baseado nas equações de Serre, para o caso de materiais granulares, até então não contemplado por outros trabalhos citados na literatura. Foi também brevemente testado, o que requer aprofundamento em trabalho futuro, um modelo numérico lagrangeano, apresentado no Anexo III. Na seqüência, foi também realizada uma análise da transferência de energia do material granular incidente para o meio líquido, cujo principal objetivo era de avaliar o percentual de energia cinética do deslizamento que fora convertido em energias cinética e potencial da onda gerada... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work is about gravity waves generated by solid mass impact into liquid. Several essays with granular material, simulating a landslide, were conduced in a wave channel provided with an upstream ramp where glass spheres and pebbles (with two different diameter intervals) slide the ramp generating submersion waves. The wave channel is located at UNESP - Ilha Solteira's Hydraulics and Hydrometrics Laboratory. Its dimension is 0,30 m (width), 0,50 m (high) and 10,00 m (length). The depth of water was from 0,13 m up to 0,20 m. Some properties of the complex physic process of landslide generated waves were investigated: granular material's velocity field (trough cinematography method and image treatment); wave height was founded with micro controlled capacitance wave gauges; and orbital velocity was acquired by Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) gauges. The main aim was to validate a numeric model developed by Maciel (1991) further improved by Nascimento (2001) for granular material generated waves. The experimental essays were essential to the validation of the Serre's equation based model for granular material (do not contemplated by other works in the literature). A lagrangean numeric model was briefly tested (Anexo III). The energy transfer of the granular material to waves was also analyzed with purpose to evaluate the fraction of the solid's kinematics energy was converted in wave's kinematics and potential energies. In the engineering context, this work brings a chapter with several analytic, semi-empiric and empiric methods of water wave's height estimation. They are based on geometric characteristics and slide's dynamics. Another chapter compares those methods. / Mestre

Mapas simpléticos são bem conhecidos por preservarem o volume do espaço de fase em dinâmica Hamiltoniana e são particularmente apropriados para problemas que requerem longos tempos de integração. Nesta tese nós desenvolvemos abordagens baseadas em mapas simpléticos para o acoplamento de multi sub-sistemas/domínios astrofísicos/códigos de simulação, para integração eficiente de sistemas de N-corpos auto-gravitantes com grandes variações nas escalas de tempo características. Nós estabelecemos uma família de 48 novos mapas simpléticos baseados numa separação Hamiltoniana recursiva, que permite que o acoplamento ocorra de uma maneira hierárquica, contemplando assim todas as escalas de tempo das interações envolvidas. Nossa formulação é geral o suficiente para permitir que tal método seja utilizado como receita para combinar diferentes fenômenos físicos, que podem ser modelados independentemente por códigos especializados. Nós introduzimos também uma separação Hamiltoniana baseada em Hamiltonianos de Kepler, para resolver o problema gravitacional geral de N-corpos como uma composição de N2 problemas de 2-corpos. O método resultante é exato para cada problema de 2-corpos individual e produz resultados rápidos e precisos para sistemas de N-corpos quase- Keplerianos, como sistemas planetários ou um aglomerado de estrelas que orbita um buraco-negro supermassivo. O método é também apropriado para integração de sistemas de N-corpos com hierarquias intrínsecas, como um aglomerados de estrelas com binárias compactas. Nós apresentamos a implementação dos algoritmos mencionados e descrevemos o nosso código tupan, que está publicamente disponível na seguinte url: https://github.com/ggf84/tupan. / Symplectic maps are well know for preserving the phase space volume in Hamiltonian dynamics and are particularly suited for problems that require long integration times. In this thesis we develop approaches based on symplectic maps for the coupling of multi sub-systems/astrophysics domains/simulation codes for efficient integration of self-gravitating N-body systems with large variation in characteristic time-scales. We establish a family of 48 new symplectic maps based on a recursive Hamiltonian splitting, which allow the coupling to occur in a hierarchical manner, thus contemplating all time-scales of the involved interactions. Our formulation is general enough to allow that such method be used as a recipe to combine different physical phenomena which can be modeled independently by specialized simulation codes. We also introduce a Keplerian-based Hamiltonian splitting for solving the general gravitational Nbody problem as a composition of N2 2-body problems. The resulting method is precise for each individual 2-body solution and produces quick and accurate results for near-Keplerian N-body systems, like planetary systems or a cluster of stars that orbit a supermassive black-hole. The method is also suitable for integration of N-body systems with intrinsic hierarchies, like a star cluster with compact binaries. We present the implementation of the mentioned algorithms and describe our code tupan, which is publicly available on the following url: https://github.com/ggf84/tupan.

Mapas simpléticos são bem conhecidos por preservarem o volume do espaço de fase em dinâmica Hamiltoniana e são particularmente apropriados para problemas que requerem longos tempos de integração. Nesta tese nós desenvolvemos abordagens baseadas em mapas simpléticos para o acoplamento de multi sub-sistemas/domínios astrofísicos/códigos de simulação, para integração eficiente de sistemas de N-corpos auto-gravitantes com grandes variações nas escalas de tempo características. Nós estabelecemos uma família de 48 novos mapas simpléticos baseados numa separação Hamiltoniana recursiva, que permite que o acoplamento ocorra de uma maneira hierárquica, contemplando assim todas as escalas de tempo das interações envolvidas. Nossa formulação é geral o suficiente para permitir que tal método seja utilizado como receita para combinar diferentes fenômenos físicos, que podem ser modelados independentemente por códigos especializados. Nós introduzimos também uma separação Hamiltoniana baseada em Hamiltonianos de Kepler, para resolver o problema gravitacional geral de N-corpos como uma composição de N2 problemas de 2-corpos. O método resultante é exato para cada problema de 2-corpos individual e produz resultados rápidos e precisos para sistemas de N-corpos quase- Keplerianos, como sistemas planetários ou um aglomerado de estrelas que orbita um buraco-negro supermassivo. O método é também apropriado para integração de sistemas de N-corpos com hierarquias intrínsecas, como um aglomerados de estrelas com binárias compactas. Nós apresentamos a implementação dos algoritmos mencionados e descrevemos o nosso código tupan, que está publicamente disponível na seguinte url: https://github.com/ggf84/tupan. / Symplectic maps are well know for preserving the phase space volume in Hamiltonian dynamics and are particularly suited for problems that require long integration times. In this thesis we develop approaches based on symplectic maps for the coupling of multi sub-systems/astrophysics domains/simulation codes for efficient integration of self-gravitating N-body systems with large variation in characteristic time-scales. We establish a family of 48 new symplectic maps based on a recursive Hamiltonian splitting, which allow the coupling to occur in a hierarchical manner, thus contemplating all time-scales of the involved interactions. Our formulation is general enough to allow that such method be used as a recipe to combine different physical phenomena which can be modeled independently by specialized simulation codes. We also introduce a Keplerian-based Hamiltonian splitting for solving the general gravitational Nbody problem as a composition of N2 2-body problems. The resulting method is precise for each individual 2-body solution and produces quick and accurate results for near-Keplerian N-body systems, like planetary systems or a cluster of stars that orbit a supermassive black-hole. The method is also suitable for integration of N-body systems with intrinsic hierarchies, like a star cluster with compact binaries. We present the implementation of the mentioned algorithms and describe our code tupan, which is publicly available on the following url: https://github.com/ggf84/tupan.