FC - DF | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento
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- Análise e controlo robusto de modos de funcionamento caóticos em sistemas aeroespaciaisPublication . Velosa, Carlos Miguel Nóbrega; Bousson, KouamanaO movimento caótico é um tipo de movimento complexo, irregular e imprevisível semelhante ao aleatório que é altamente sensível às condições iniciais e à variação de parâmetros, e que resulta da sobreposição de um número infinito de órbitas periódicas instáveis produzidas por um sistema não-linear determinístico. O caos pode ser desejável ou não dependendo da aplicação. Contudo, um comportamento incerto e desconhecido não é certamente desejado em problemas de engenharia, e nesse sentido, ser capaz de detetar de forma automática transições inesperadas de um movimento regular para caótico torna-se uma tarefa crucial, especialmente em aplicações críticas como em sistemas aeroespaciais e aeronáuticos. Por outro lado, dado que qualquer sistema não-linear pode vir a exibir um comportamento caótico mesmo que tenha sido projetado para operar num regime bem regular (através de uma ligeira variação de parâmetros ou se o sistema estiver sob o efeito de perturbações externas de características específicas), um sistema de controlo adequado para suprimir eventuais movimentos caóticos tem de garantir robustez contra incertezas paramétricas e perturbações. Além disso, em aplicações altamente exigentes como em sistemas aeroespaciais/aeronáuticos, um sistema de controlo tem de lidar não só com restrições de magnitude nas entradas do sistema mas também com restrições nas taxas devido às limitações físicas dos atuadores, caso contrário o sistema controlado pode-se tornar instável levando possivelmente a um cenário catastrófico. A presente tese contribui com duas conquistas principais: primeiramente, com um novo algoritmo de deteção de caos em tempo-real e eficaz mesmo na presença de níveis consideráveis de ruído nas medições; e em segundo lugar, com várias extensões de técnicas de controlo linear modernas para o controlo e sincronização de saída robusta de sistemas caóticos contínuos no tempo (sistemas não-lineares por natureza) sujeitos a restrições nas magnitudes e nas taxas dos atuadores. A ideia-chave por detrás do novo detetor de caos reside no facto de que uma única componente de uma trajetória caótica tende a exibir um número infinito de máximos locais em diferentes intervalos temporais. O facto de que o ruído nas medições não pode ser evitado em sistemas reais torna o problema ainda mais desafiante e este é ultrapassado engenhosamente com recurso a um sistema auxiliar que atua como redutor de ruído. De seguida, recorrendo a um conjunto de operações matemáticas simples é estabelecido um parâmetro que caracteriza o tipo de movimento com base num determinado limiar. A estratégia de resolução do problema de controlo robusto com restrições no controlo consiste, numa primeira fase, em decompor o sistema não-linear numa parte linear estabilizável mais uma parte não-linear restante. Seguidamente, com a ajuda de um sistema auxiliar, os sinais de referência são gerados em simultâneo com estes termos não-lineares e leis de controlo são projetadas para estabilizar um sistema aumentado resultante. O sistema aumentado é estabilizado através da sua parte linear e os sinais de referência são vistos juntamente com os termos não-lineares como uma única perturbação limitada. Numa primeira abordagem, é considerado restrições simétricas nas magnitudes e nas taxas dos atuadores e estas são impostas por um operador diferencial funcional. Numa segunda abordagem, as restrições são impostas de forma diferente para se conseguir restrições assimétricas nas magnitudes. A terceira abordagem lida com restrições simétricas e a lei de controlo é projetada com base na teoria do controlo 𝐻∞ para garantir, de forma concreta, robustez contra incertezas paramétricas. Uma última abordagem é ainda apresentada, permitindo o controlo/sincronização sem o conhecimento do modelo de referência. Nesta em particular, o sistema aumentado é composto de uma maneira diferente, compreendendo o sistema propriamente dito e o integral do erro da saída, e o controlo robusto é alcançado em duas fases: primeiro, com um controlo baseado numa generalização de uma função de Lyapunov; e de seguida com um Regulador Linear Quadrático (LQR) com um grau de estabilidade especificado. Simulações numéricas são efetuadas em MATLAB® para validar a eficácia e a robustez das técnicas apresentadas. O detetor de caos e as técnicas de controlo são aplicados a um sistema caótico clássico (sistema de Lorenz) e a sistemas aeroespaciais/aeronáuticos de relevância (movimento de atitude de um veículo espacial; movimento de atitude de um veículo espacial numa órbita elítica; dinâmica de um giróstato eletromecânico; posição de um veículo espacial no problema restrito de três corpos; sistema aeroelástico). Por fim, é apresentado um caso de síntese onde o detetor é aplicado acoplado a um dos controladores para atestar a eficácia de ambos em simultâneo, suprimindo eventuais movimentos de atitude caóticos num veículo espacial induzidos por torques perturbadores existentes no espaço. No que diz respeito ao detetor de caos, os resultados mostram que a distinção é bastante clara e que a deteção em tempo-real é eficaz mesmo quando os sinais medidos estão corrompidos com Relações de Sinal-Ruído consideravelmente baixas. O detetor proposto é de fácil implementação e bastante eficiente do ponto de vista computacional, contrariamente a outras ferramentas de deteção de caos. Relativamente ao controlo, os resultados mostram que as abordagens propostas são realmente eficazes. O controlo/sincronização de saída é alcançado com sucesso, garantindo robustez contra incertezas e sem exceder as restrições de entrada. As leis de controlo são estáticas, facilmente implementáveis e não exigem grandes esforços computacionais dado que os parâmetros dos controladores são todos calculados offline. Além do mais, as soluções apresentadas contribuem efetivamente para as mais avançadas técnicas de controlo abertas à comunidade, na medida que têm em consideração restrições nas magnitudes e nas taxas do controlo, opostamente a outras técnicas de controlo que não consideram qualquer tipo de restrições e que são requeridas particularmente em sistemas aeroespaciais.
- Avaliação do Potencial de Exposição ao Radão em Edifícios no Município do LubangoPublication . Bahu, Yoenls Prata Alicerces; Soares, Sandra da Costa HenriquesA cidade de Lubango, situada no planalto da Huíla, em Angola, é, em termos geológicos, caraterizada por apresentar rochas maioritariamente graníticas algumas das quais com alguns vestígios de urânio . Foi, tendo em conta esta realidade e o facto de, tanto quanto se sabe, não haver estudos desenvolvidos nesta temática, que o grande objetivo deste trabalho consistiu, principalmente, em se avaliar, a potencial exposição das habitações do Município do Lubango, no que se refere ao radão, 222Rn, um gás nobre, radioativo, que descende do rádio, 226Ra, que resulta da desintegração do urânio, 238U, presente em algumas dessas rochas graníticas. O gás radão, não é uma ameaça evidente para a saúde, uma vez que a maior parte do radão inalado, volta a ser expulso após algumas expirações. O perigo iminente associado ao radão aquando da inalação, reside no facto de este poder sofrer decaimentos radioativos no interior dos pulmões, dando, desta forma, origem aos seus descendentes por emissão de radiação alfa. Esses descendentes diretos também podem encontrar-se agregados aos aerossóis que circulam no ar envolvente e nos epitélios pulmonares e que são os principais contribuintes pela deposição de energia. Em geral, os níveis de fundo de radão em espaços abertos, outdoor, são bastante baixos, cerca de 0,1 a 10 Bq m-3. No entanto, em ambientes fechados, indoor, como é o caso de hospitais, escolas, residências ou escritórios de instituições públicas, os níveis de radão e dos seus descendentes podem ser mais elevados, podendo constituir um risco para a saúde humana. A entrada do radão e a sua acumulação nos espaços habitacionais, pode ocorrer não apenas devido a fissuras existentes nas fundações, nas paredes e juntas de canalização mal vedadas, mas, também, a partir de alguns materiais de construção utilizados, que constituem um fator adicional para o aumento da concentração de radão no interior dos edifícios. As populações podem ainda ser expostas ao radão e seus descendentes, através da ingestão de água potável obtida a partir de poços ou outras fontes de abastecimento da população. A maioria do radão dissolvido na água é rapidamente libertado e dissipado no ar ambiente, no entanto, se existir em quantidades elevadas, pode contribuir para o aumento da concentração no interior da habitação e deve ser tomado em consideração. [...]
- Campimetria de duplicação de frequência e comparabilidade com campimetria SAP na detecção, análise e seguimento do glaucomaPublication . Pedreiro, Helder Nuno Duarte de Almeida; Monteiro, Pedro Miguel LourençoO glaucoma é uma das principais causas de cegueira no mundo. Quando se estuda a doença, a sua severidade é muitas vezes quantificada pela degradação do campo visual. Na prática clínica a perimetria acromática standard (SAP) é a mais frequentemente utilizada. No entanto tem sido provado que esta técnica só detecta anomalias do campo visual quando 20 a 40% dos axónios das células ganglionares se perderam [1]. É, então, imperativo desenvolver novas técnicas capazes de fazer uma detecção mais precoce. A tecnologia de duplicação de frequência é uma técnica relativamente nova para testar o campo visual, que tem como princípio uma ilusão primeiramente descrita por Kelly em 1966 [2], em que é apresentado um estímulo de baixa frequência espacial posto a piscar a uma alta frequência temporal, sendo percebido com o dobro da frequência. Este fenómeno tem uma localização cortical não sendo um fenómeno retiniano [3,4]. Vários estudos concluíram que esta técnica tem alta especificidade, sensibilidade e também uma boa capacidade predictória da evolução no campo visual.
- Um Clube de Ciências para a Química SustentávelPublication . Vale, Carla Antónia Marques; Santos, Amélia Rute Lima Dias dos; Ciríaco, Maria de Lurdes Franco; Parada, Paulo André de PaivaEste Relatório de Estágio Pedagógico começa por descrever uma componente pedagógica desenvolvida pela autora, enquanto docente da Escola EB Engº Manuel Rafael Amaro da Costa, do Agrupamento de Escolas de São Teotónio, durante o ano letivo 2021/2022. A prática profissional como professora de Física e Química é desempenhada por diversas funções dentro de uma escola que neste relatório estão descritas como: Atividades Curriculares; Atividades de Enriquecimento Curricular e Candidatura ao Clube de Ciência Viva na Escola. A referida candidatura serviu de inspiração à proposta apresentada como estudo de Investigação - Um Clube de Ciências para a Química Sustentável. Para desenvolver este tema começou por ser realizado um profundo trabalho de pesquisa que permitisse estabelecer uma relação direta entre a Carta da Terra, os ODS12 – Produção e Consumo Sustentável e a Hidroponia, aqui aplicada como Hidroponia Didática. Um Clube de Ciências apresenta uma educação não formal com grandes potencialidades para o desenvolvimento dos jovens. Esta forma de educação deve ser cada vez mais reconhecida para uma sociedade que pretende construir um Sistema Educativo moderno, holístico e inclusivo. Assim, tanto a educação formal como não formal proporcionam habilidades, valores e atitudes que são essenciais para a vivência no seculo XXI. A criação de um Sistema Hidropónico numa Horta Escolar promove aprendizagens da Química mais significativas que vão ao encontro das reais necessidades educativas dos jovens. Aqui sugere-se como metodologia a prática STEAM que permite um estudo transdisciplinar para jovens do 3º Ciclo do Ensino Básico, de modo a desenvolvê-los ao nível do seu conhecimento, aptidão e competências.
- Gyrostat dynamics on a circular orbitPublication . Santos, Luís Filipe Ferreira Marques; Silva, André Resende Rodrigues da; Sarychev, Vasili A.The attitude control of a modern satellite is a crucial condition for its operation. In this work, is investigated the dynamics of an asymmetrical inertial distribution gyrostat satellite, subjected to gravitational torque, moving along a circular orbit in a central Newtonian gravitational field. To solve the problem it is proposed a symbolic-numerical method for determining all equilibrium orientations of an asymmetrical gyrostat satellite in the orbital coordinate system with a given gyrostatic torque and given principal central moments of inertia. The conditions of equilibria are obtained depending on four dimensionless parameters of the system. The evolution of the domains in the study of equilibria and stability is carried out in great detail. All bifurcation values of parameters at which there is a change of numbers of equilibrium orientations are determined with great accuracy. For each equilibrium orientation the sufficient conditions of stability are obtained as a result of analysis of the generalized integral of energy used as a Lyapunov’s function. It is shown that the number of equilibria of a gyrostat satellite in the general case must be between 8 and 24, and that the number of stable equilibria changes from 4 to 2.
- Hidrólise Química e Enzimática da SacarosePublication . Moreira, Pedro Lázaro Lopes; Ismael, Maria Isabel Guerreiro da Costa; Soares, Sandra da Costa HenriquesO Ensino da Física e da Química no século XXI implica a versatilidade na docência e a atualização dos modelos de Ensino-Aprendizagem, centralizados no aluno, à vanguarda da investigação em Didática da Ciências. A planificação das aulas deve ter em consideração o contexto dos alunos e consubstanciar uma alternância de estratégias, bem como a incorporação de instrumentos de Ensino-Aprendizagem atuais e disponíveis, por exemplo, a conjugação sinergética da simulação com as aulas experimentais. A complexidade da realidade obriga a uma abordagem transdisciplinar dos temas. Por exemplo, o estudo da ação dos catalisadores bioquímicos (enzimas) pode ser efetuado de uma forma multifacetada entre a Biologia e a Química do 12.º ano. Neste contexto, foi desenvolvido e testado um procedimento experimental ajustado aos alunos do 12.º ano do Curso Científico-Humanístico de Ciências e Tecnologias. Nesta atividade laboratorial, os alunos poderão mensurar o efeito dos biocatalisadores na velocidade da reação de hidrólise da sacarose e determinar experimentalmente a energia de ativação no processo enzimático e não enzimático. A aplicabilidade dos conhecimentos envolvidos neste trabalho está na ordem do dia e a sua execução prática permite o desenvolvimento de um conjunto de técnicas laboratoriais relevantes e enquadradas no Perfil do Aluno à Saída da Escolaridade Obrigatória.
- HidrostáticaPublication . Lourenço, Margarida Manuel Viegas Rodrigues Pinto; Amoreira, Luís José MaiaQuímica no 3º Ciclo do Ensino Básico e no Ensino Secundário, pretende desenvolver um tema escolhido pelo Professor Estagiário, assim como descrever todas as atividades desenvolvidas durante o Estágio Pedagógico realizado, no ano letivo 2012/2013, na Escola Secundária Frei Heitor Pinto, na Covilhã. Este Relatório é composto por 3 capítulos, conclusões, referências bibliográficas e anexos. O capítulo 1 desenvolve um dos temas lecionados no 9º ano de escolaridade, a Lei de Arquimedes. Este enquadra-se no subcapítulo 2 “Movimentos e Forças”, inserido na Unidade 1 “Em Trânsito” do programa de Ciências Físico-Químicas, do 9º ano. Descreve vários conceitos importantes para o seu estudo como a massa específica, peso específico, peso específico relativo e pressão. Aborda ainda metodologias para o estudo da hidrostática. O Capitulo 2 apresenta quatro planos de aula: uma aula da componente de Física e outra da componente de Química no Ensino Básico (9º ano) e outro tanto para o Ensino Secundário (10º ano). A aula de física preparada para o ensino básico cobre a matéria relativa ao estudo da impulsão e a Lei de Arquimedes; a de química as ligações químicas; para o ensino secundário, são abordados os temas de balanços de energia e Primeira Lei da Termodinâmica (Física) e tabela periódica (Química). O capítulo 3 aborda as Atividades de Enriquecimento e Complemento Curricular desenvolvidas pelo núcleo de estágio da Escola Secundária Frei Heitor Pinto no decorrer do ano letivo 2012/2013. Para terminar é feita uma conclusão de todo o trabalho, seguido das referências bibliográficas e os anexos que descrevem a Escola Frei Heitor Pinto, assim como as turmas do 9º e 10º anos de escolaridade onde foi realizado o estágio.
- Inflation candidates: from string theory to particles physicsPublication . Korumilli, Sravan Kumar; Moniz, Paulo Rodrigues Lima VargasCosmic inflation is the cornerstone of modern cosmology. In particular, following the Planck mission reports presented in 2015 regarding cosmic microwave background (CMB), there is an increasing interest in searching for inflaton candidates within fundamental theories and to ultimately test them with future CMB data. This thesis presents inflationary models using a methodology that can be described as venturing top-down or bottom-up along energy scales. In the top-down motivation, we study inflationary scenarios in string theory and supergravity (SUGRA), namely with (multiple) 3-forms, Dirac-Born-Infeld Galileon model, a string field theory setup and N = 1 SUGRA attractor models. In the bottom-up motivation, we construct a grand unified theory based inflationary model with an additional conformal symmetry and study not only inflation but also provide predictions related to particle physics. Our research work includes various classes of inflation driven by scalar fields under a canonical, non-canonical and induced gravity frameworks. All these models are consistent with Planck data, supported by key primordial cosmological parameters such as the scalar spectral index ns, the tensor to scalar ratio r, together with the primordial non-Gaussianities. Future probes aiming to detect primordial gravitational waves and CMB non-Gaussianities can further help to distinguish between them.
- Metodologias de Ensino da Química Orgânica no Ensino SecundárioPublication . Dias, Ana Isabel Matos; Ismael, Maria Isabel Guerreiro da CostaO presente relatório foi elaborado no âmbito do cumprimento da Unidade Curricular (UC) Estágio em Física e Química. O Estágio é composto pela Prática de Ensino Supervisionada (PES) e pelo Projeto de Investigação Educacional (PIE). O relatório irá descrever as principais atividades desenvolvidas ao longo da prática pedagógica, essencial para a conclusão do Mestrado em ensino da Física e da Química. A PES foi realizada na Escola Secundária da Quinta das Palmeiras, no ano letivo 2013/2014, sob orientação científica e pedagógica da Professora Doutora Isabel Ismael e da Professora Doutora Sandra Soares e orientação de estágio na escola da Professora Sandra Costa. Ao longo do ano letivo, a Professora Estagiária acompanhou as atividades letivas de Física e Química de uma turma de 7º ano, as aulas práticas da componente de Física de uma turma de 11.º ano, na disciplina de Física e Química A e as atividades letivas de uma turma de 12º ano de Química. Relativamente às atividades de sala de aula foi sempre participativa, em especial na turma que iniciou a disciplina, ou seja, na turma do 7º ano. Propôs e acompanhou diversas atividades não letivas de divulgação da ciência, organizadas pelo grupo disciplinar, nomeadamente algumas das propostas pelo Núcleo de estagiários da UBI. Participou ainda em Conselhos de turma, reuniões de Grupo, de Departamento, para os anos de escolaridade em acompanhamento. Relativamente às funções da Direção de Turma, assistiu aos procedimentos desenvolvidos pela Professora Orientadora, Diretora de Turma do 7º E. Este relatório é complementado por um estudo de investigação (PIE), relativo à importância das metodologias de estudo da Química Orgânica, nos currículos do Ensino Secundário. A investigação proposta pretende interligar as novas metodologias de ensino dos compostos orgânicos, com as metodologias propostas, levando ao constante aperfeiçoamento das práticas pedagógicas. Propõe-se um conjunto de propostas didáticas para utilização na prática docente, aquando da lecionação dos conceitos dos compostos orgânicos. Depois da sua aplicação, no contexto escolar, verifica-se e valida-se a sua utilização e utilidade em complemento com as práticas já aplicadas.
- O potencial da concentração radão na água do município da BibalaPublication . Kessongo, Joaquim Pedro; Soares, Sandra da Costa HenriquesOs objetivos deste trabalho consistiram na medição da concentração de radão presente na água de consumo público do município da Bibala, localizado no interior da província do Namibe, no extremo Sudoeste de Angola; calcular a dose efetiva anual a que adultos e crianças estão expostos e a realização de um estudo dosimétrico populacional no município da Bibala. Foi, também, objetivo desta tese a realização do estudo de viabilidade de um protótipo baseado num foto díodo de silício para a monitorização do radão, em tempo real, no meio ambiente. O radão que pode ser encontrado na água, no solo e nas rochas, é um descendente direto do rádio, 226Ra, um produto do decaimento do urânio, 238U, presente em alguns tipos de rochas, especialmente nos granitos. Este gás radioativo presente na crusta terrestre é, continuamente, difundido através da água presente nas porosidades das rochas. A concentração do radão em águas subterrâneas é bastante elevada não apenas devido à sua grande solubilidade mas por esta aumentar com o aumento da temperatura. A presença de nuclídeos radioativos de origem natural na água é causada pela erosão e dissolução das rochas e, quanto maior for a presença de urânio na estrutura geológica, maior será o potencial para produzir o gás radão. Em geral, este gás é o maior contribuinte para a poluição radioativa em águas subterrâneas, por isso, a concentração de radão na água representa um risco para a saúde pública, principalmente, devido ao facto de o gás poder escapar-se facilmente para o ar, aumentando a sua concentração total no interior de espaços fechados. Por outro lado, a ingestão de água com concentração de radão elevada, representa um risco potencial para o desenvolvimento de cancro do estômago, embora existam ainda poucos estudos sobre as evidências científicas que confirmem este risco. Neste trabalho, foram analisadas 81 amostras de água, utilizada para consumo humano, recolhida em 27 furos de diferentes profundidades. Em cada furo recolheram-se 3 amostras representadas pelos códigos S1 a S27. A concentração de radão nestas amostras de água foi medida utilizando o acessório RAD H2O, do equipamento RAD7 da Durridge, cuja técnica utiliza protocolos específicos que providenciam uma leitura direta da concentração de radão na amostra de água. Dos resultados obtidos, verificou-se que, em todas amostras, os valores eram inferiores a 100 Bq L−1, recomendado pela Organização Mundial de Saúde (OMS) e, em 17 amostras, os valores obtidos estavam acima do limite máximo de contaminação de 11.1 Bq L−1, estabelecido pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (US-EPA). Estes valores, da concentração de radão na água de consumo público do município da Bibala, foram apresentados num mapa de distribuição geográfica, que constitui um ponto de partida para, no futuro, ser elaborado um mapa de risco da província do Namibe. Independentemente dos resultados obtidos, este trabalho pode ser considerado pioneiro em Angola pois, tanto quanto se sabe, não existem estudos de avaliação da concentração de radão na água consumida pela população. Os valores da concentração de radão obtidos permitiram calcular a dose efetiva anual por faixas etárias devido à ingestão de radão contido na água de consumo público no município da Bibala. Uma das grandes motivações deste estudo é também poder desenvolver o interesse pela área das radiações ionizantes, principalmente no que se refere à sensibilização e informação da população sobre os seus efeitos biológicos. Embora Angola tenha aderido à Agência Internacional de Energia Atómica (AIEA) em 1999, o principal foco de utilização das radiações ionizantes tem sido o setor da saúde e o armazenamento de resíduos NORM (material radioativo de ocorrência natural) provenientes de atividades da indústria de petróleo e do gás contudo, não tem ainda disponíveis equipamentos para a monitorização do radão. Com o intuito de resolver, de forma simples e a baixo custo, a falta de equipamentos para medir a concentração de radão, foi reproduzido o protótipo de um detetor, já desenvolvido no nosso grupo de trabalho, baseado num fotodíodo de silício, capaz de fornecer, em tempo real, o número de contagens produzidas pela interação dos descendentes sólidos do radão (218Po e 214Po) no fotodíodo. Este protótipo foi construído com componentes eletrónicos e outros materiais que podem ser facilmente adquiridos a baixo custo, o que permitirá a sua reprodução em Angola. A maior vantagem deste protótipo deverá ser a possibilidade da sua utilização, não apenas para a avaliação primária de áreas com potenciais teores de radão, mas também para ensinar os alunos do curso de licenciatura em Ensino da Física, do Instituto Superior de Ciências da Educação da Huíla (ISCED/Huíla), sobre o funcionamento de detetores de radiação baseados em semicondutores de estado sólido.