Dynamic problems for metamaterials: Review of existing models and ideas for further research

Metamaterials are materials especially engineered to have a peculiar physical behaviour, to be exploited for some well-specified technological application. In this context we focus on the conception of general micro-structured continua, with particular attention to piezoelectromechanical structures, having a strong coupling between macroscopic motion and some internal degrees of freedom, which may be electric or, more generally, related to some micro-motion. An interesting class of problems in this context regards the design of wave-guides aimed to control wave propagation. The description of the state of the art is followed by some hints addressed to describe some possible research developments and in particular to design optimal design techniques for bone reconstruction or systems which may block wave propagation in some frequency ranges, in both linear and non-linear fields. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved

Computational tools for low energy building design : capabilities and requirements

Integrated building performance simulation (IBPS) is an established technology, with the ability to model the heat, mass, light, electricity and control signal flows within complex building/plant systems. The technology is used in practice to support the design of low energy solutions and, in Europe at least, such use is set to expand with the advent of the Energy Performance of Buildings Directive, which mandates a modelling approach to legislation compliance. This paper summarises IBPS capabilities and identifies developments that aim to further improving integrity vis-à-vis the reality

Southern Ocean warming: Increase in basal melting and grounded ice loss

We apply a global finite element sea ice/ice shelf/ocean model (FESOM) to the Antarctic marginal seas to analyze projections of ice shelf basal melting in a warmer climate. The model is forced with the atmospheric output from two climate models: (1) the Hadley Centre Climate Model (HadCM3) and (2) Max Planck Institute’s ECHAM5/MPI-OM. Results from their 20th-century simulations are used to evaluate the modeled present-day ocean state. Sea-ice coverage is largely realistic in both simulations. Modeled ice shelf basal melt rates compare well with observations in both cases, but are consistently smaller for ECHAM5/MPI-OM. Projections for future ice shelf basal melting are computed using atmospheric output for IPCC scenarios E1 and A1B. While trends in sea ice coverage, ocean heat content, and ice shelf basal melting are small in simulations forced with ECHAM5 data, a substantial shift towards a warmer regime is found in experiments forced with HadCM3 output. A strong sensitivity of basal melting to increased ocean temperatures is found for the ice shelves in the Amundsen Sea. For the cold-water ice shelves in the Ross and Weddell Seas,decreasing convection on the continental shelf in the HadCM3 scenarios leads to an erosion of the continental slope front and to warm water of open ocean origin entering the continental shelf. As this water reaches deep into the Filchner-Ronne Ice Shelf (FRIS) cavity, basal melting increases by a factor of three to six compared to the present value of about 100 Gt/yr. Highest melt rates at the deep FRIS grounding line causes a retreat of > 200km, equivalent to an land ice loss of 110 Gt/yr

Towards safer mining: the role of modelling software to find missing persons after a mine collapse

Purpose. The purpose of the study is to apply science and technology to determine the most likely location of a container in which three miners were trapped after the Lily mine disaster. Following the collapse of the Crown Pillar at Lily Mine in South Africa on the 5th of February 2016, there was a national outcry to find the three miners who were trapped in a surface container lamp room that disappeared in the sinkhole that formed during the surface col-lapse. Methods. At a visit to Lily Mine on the 9th of March, the Witwatersrand Mining Institute suggested a two-way strategy going forward to find the container in which the miners are trapped and buried. The first approach, which is the subject of this paper, is to test temporal 3D modeling software technology to locate the container, and second, to use scientific measurement and testing technologies. The overall methodology used was to first, request academia and research entities within the University to supply the WMI with ideas, which ideas list was compiled as responses came in. These were scrutinized and literature gathered for a conceptual study on which these ideas are likely to work. The software screening and preliminary testing of such software are discussed in this article. Findings. The findings are that software modeling is likely to locate the present position of the container, but accurate data and a combination of different advanced software packages will be required, but at tremendous cost. Originality. This paper presents original work on how software technology can be used to locate missing miners. Practical implications. The two approaches were not likely to recover the miners alive because of the considerable time interval, but will alert the rescue team and mine workers when they come in close proximity to them.Мета. Визначення можливого місця локалізації лампового приміщення контейнера, в якому опинилися три шахтаря після аварії на шахті Лілі (Барбертон, Мпумаланга) методом комп’ютерного моделювання. Після обвалення стельового цілика на шахті Лілі 5 лютого 2016 року почалася національна кампанія з порятунку трьох шахтарів, які залишилися у ламповому приміщенні поверхневого транспортного контейнера, що провалився в утворену після вибуху воронку. Методика. Співробітниками Гірничого Інституту (Уітуотерс) запропонована двостадійна стратегія пошуку контейнера, в якому існує ймовірність знаходження шахтарів. В рамках першого підходу (який розглядається у даній статті) для виявлення контейнера здійснювалось випробування комп’ютерної технології 3D-моделювання в часі. Другий підхід передбачав технологію проведення наукового вимірювання та експерименту. В цілому, методологія включала, насамперед, підключення викладацького та наукового складу університету до вирішення проблеми шляхом комплексної генерації ідей, які були об’єднані в загальний список, вивчені із залученням відповідних літературних джерел, і найбільш реалістичні ідеї були виділені із загального переліку. Дана стаття розглядає результати комп’ютерної експертизи цих ідей та перевірки надійності відповідного програмного забезпечення. Результати. Для зручності моделювання процес обвалення був розділений на три окремі фази: руйнування воронки, руйнування західного схилу та небезпека ковзання на південних схилах. Ідентифіковано програмні технології, які можуть імітувати рух контейнера у перших двох фазах обвалення. В результаті моделювання у програмному забезпеченні ParaView виявлено місце розташування даного контейнера. Виконано аналіз південного схилу за допомогою ArcGIS і складені карти небезпеки схилу для району, а також підземні карти порятунку з маршрутами евакуації. Встановлено, що комп’ютерне моделювання може визначити місцезнаходження контейнера, але для цього потрібні точні вихідні дані й комплекс дорогих високоефективних програмних пакетів. Наукова новизна. Вперше застосовано комплекс комп’ютерних технологій та програмного забезпечення для пошуку зниклих шахтарів після аварійних ситуацій у підземному просторі шахт. Практична значимість. При застосуванні двостадійної стратегії пошуку шахтарів, що опинилися під завалом порід, команда рятувальників отримає сигнал про наближення до їх місцезнаходження.Цель. Определение возможного места локализации лампового помещения контейнера, в котором оказались три шахтера после аварии на шахте Лили (Барбертон, Мпумаланга) методом компьютерного моделирования. После обрушения потолочного целика на шахте Лили 5 февраля 2016 года началась национальная кампания по спасению трех шахтеров, оставшихся в ламповом помещении поверхностного транспортного контейнера, который провалился в воронку, образовавшуюся после взрыва. Методика. Сотрудниками Горного Института (Уитуотерс) предложена двухстадийная стратегия поиска контейнера, в котором существует вероятность нахождения шахтеров. В рамках первого подхода (который рассматривается в данной статье) для обнаружения контейнера производилось испытание компьютерной технологии 3D-моделирования во времени. Второй подход предполагал технологию проведения научного измерения и эксперимента. В целом, методология включала, прежде всего, подключение преподавательского и научного состава университета к решению проблемы путем комплексной генерации идей, которые были объединены в общий список, изучены с привлечением соответствующих литературных источников, и наиболее реалистичные идеи были выделены из общего списка. Настоящая статья рассматривает результаты компьютерной экспертизы данных идей и проверки надежности соответствующего программного обеспечения. Результаты. Для удобства моделирования процесс обрушения был разделен на три отдельные фазы: разрушение воронки, разрушение западного склона и опасность скольжения на южных склонах. Идентифицированы программные технологии, которые могут имитировать движение контейнера в первых двух фазах обрушения. В результате моделирования в программном обеспечении ParaView выявлено местоположение данного контейнера. Выполнен анализа южного склона с помощью ArcGIS и составлены карты опасности склона для района, а также подземные карты спасения с маршрутами эвакуации. Установлено, что компьютерное моделирование может определить местонахождение контейнера, но для этого нужны точные исходные данные и комплекс дорогостоящих высокоэффективных программных пакетов. Научная новизна. Впервые применен комплекс компьютерных технологий и программного обеспечения для поиска пропавших шахтеров после аварийных ситуаций в подземном пространстве шахт. Практическая значимость. При применении двухстадийной стратегии поиска шахтеров, оказавшихся под завалом пород, команда горноспасателей получит сигнал о приближении к их местонахождению.The results of the article were obtained without the support of any of the projects or funding

Shape Space Methods for Quantum Cosmological Triangleland

With toy modelling of conceptual aspects of quantum cosmology and the problem of time in quantum gravity in mind, I study the classical and quantum dynamics of the pure-shape (i.e. scale-free) triangle formed by 3 particles in 2-d. I do so by importing techniques to the triangle model from the corresponding 4 particles in 1-d model, using the fact that both have 2-spheres for shape spaces, though the latter has a trivial realization whilst the former has a more involved Hopf (or Dragt) type realization. I furthermore interpret the ensuing Dragt-type coordinates as shape quantities: a measure of anisoscelesness, the ellipticity of the base and apex's moments of inertia, and a quantity proportional to the area of the triangle. I promote these quantities at the quantum level to operators whose expectation and spread are then useful in understanding the quantum states of the system. Additionally, I tessellate the 2-sphere by its physical interpretation as the shape space of triangles, and then use this as a back-cloth from which to read off the interpretation of dynamical trajectories, potentials and wavefunctions. I include applications to timeless approaches to the problem of time and to the role of uniform states in quantum cosmological modelling.Comment: A shorter version, as per the first stage in the refereeing process, and containing some new reference