Representing microstates of static granular matter in a stress phase space

A stress phase space is proposed to compare the static packings of a granular system (microstates) that are compatible to a macrostate described by external stresses. The equivalent stress of each particle of a static packing can be obtained from the mechanical interaction forces, and the associated volume is given by the respective Voronoi cell. Therefore, particles can be located at different stress levels and grouped into categories or configurations, which are defined in base of the geometrical features of the local arrangement (in particular, of the number of forces that keep them force-balanced). They can be represented as points in a stress phase space. The nature of this space is analyzed in detail. The integration limits of the stress variables that avoid or limit tensile states and the capability of each configuration to represent specific stress states establish its main features. Furthermore, if some stress variables are used, instead of the usual components of the Cauchy stress tensor, then some symmetries can be found. Results obtained from molecular dynamics simulations are used to check this nature. Finally, some statistical ensembles are written in terms of the coordinates of this phase space. These require some assumptions that are made in base on continuum mechanics principles

Statistical mechanics approaches to granular media: between micromechanics and macromechanics

The mechanical behavior of granular materials has been traditionally approached through two theoretical and computational frameworks: macromechanics and micromechanics. Macromechanics focuses on continuum based models. In consequence it is assumed that the matter in the granular material is homogeneous and continuously distributed over its volume so that the smallest element cut from the body possesses the same physical properties as the body. In particular, it has some equivalent mechanical properties, represented by complex and non-linear constitutive relationships. Engineering problems are usually solved using computational methods such as FEM or FDM. On the other hand, micromechanics is the analysis of heterogeneous materials on the level of their individual constituents. In granular materials, if the properties of particles are known, a micromechanical approach can lead to a predictive response of the whole heterogeneous material. Two classes of numerical techniques can be differentiated: computational micromechanics, which consists on applying continuum mechanics on each of the phases of a representative volume element and then solving numerically the equations, and atomistic methods (DEM), which consist on applying rigid body dynamics together with interaction potentials to the particles. Statistical mechanics approaches arise between micro and macromechanics. It tries to state which the expected macroscopic properties of a granular system are, by starting from a micromechanical analysis of the features of the particles and the interactions. The main objective of this paper is to introduce this approach

Statistical distributions obtained from the compression of monodisperse, soft and frictionless particles

The cyclic compression of several granular systems has been simulated with a molecular dynamics code. All the samples consisted of bidimensional, soft, frictionless and equal-sized particles that were initially arranged according to a squared lattice and were compressed by randomly generated irregular walls. The compression protocols can be described by some control variables (volume or external force acting on the walls) and by some dimensionless factors, that relate stiffness, density, diameter, damping ratio and water surface tension to the external forces, displacements and periods. Each protocol, that is associated to a dynamic process, results in an arrangement with its own macroscopic features: volume (or packing ratio), coordination number, and stress; and the differences between packings can be highly significant. The statistical distribution of the force-moment state of the particles (i.e. the equivalent average stress multiplied by the volume) is analyzed. In spite of the lack of a theoretical framework based on statistical mechanics specific for these protocols, it is shown how the obtained distributions of mean and relative deviatoric force-moment are. Then it is discussed on the nature of these distributions and on their relation to specific protocols

Equations of state in soil compression based on statistical mechanics

The authors have published a very interesting contribution in which they present a new and general relationship between void ratio and overburden pressure in the compression process of soils. The study is based on the law of interparticle energy distribution used in statistical mechanics and, in particular, the compression process of a soil is described according to its initial and final void ratios, and to a parameter /? which is related to the potential energy of a soil element. Such potential energy depends not only on the mass and elevation of soil particles, but also on the interactions between them. To account for such interactions, the authors introduce the concept of "imaginary particles", which allows them to use empirically-calibrated P values in the formulation without the need to consider interparticle interactions explicitly. In fact, the results presented by the authors show that such approach reproduces successfully the compression behaviour of a wide range of situations and soils

Aplicación de la física estadística a los medios granulares

Esta tesis se centra en el estudio de medios granulares blandos y atascados mediante la aplicación de la física estadística. Esta aproximación se sitúa entre los tradicionales enfoques macro y micromecánicos: trata de establecer cuáles son las propiedades macroscópicas esperables de un sistema granular en base a un análisis de las propiedades de las partículas y las interacciones que se producen entre ellas y a una consideración de las restricciones macroscópicas del sistema. Para ello se utiliza la teoría estadística junto con algunos principios, conceptos y definiciones de la teoría de los medios continuos (campo de tensiones y deformaciones, energía potencial elástica, etc) y algunas técnicas de homogeneización. La interacción entre las partículas es analizada mediante las aportaciones de la teoría del contacto y de las fuerzas capilares (producidas por eventuales meniscos de líquido cuando el medio está húmedo). La idea básica de la mecánica estadística es que entre todas soluciones de un problema físico (como puede ser el ensamblaje en equilibrio estático de partículas de un medio granular) existe un conjunto que es compatible con el conocimiento macroscópico que tenemos del sistema (por ejemplo, su volumen, la tensión a la que está sometido, la energía potencial elástica que almacena, etc.). Este conjunto todavía contiene un número enorme de soluciones. Pues bien, si no hay ninguna información adicional es razonable pensar que no existe ningún motivo para que alguna de estas soluciones sea más probable que las demás. Entonces parece natural asignarles a todas ellas el mismo peso estadístico y construir una función matemática compatible. Actuando de este modo se obtiene cuál es la función de distribución más probable de algunas cantidades asociadas a las soluciones, para lo cual es muy importante asegurarse de que todas ellas son igualmente accesibles por el procedimiento de ensamblaje o protocolo. Este enfoque se desarrolló en sus orígenes para el estudio de los gases ideales pero se puede extender para sistemas no térmicos como los analizados en esta tesis. En este sentido el primer intento se produjo hace poco más de veinte años y es la colectividad de volumen. Desde entonces esta ha sido empleada y mejorada por muchos investigadores en todo el mundo, mientras que han surgido otras, como la de la energía o la del fuerza-momento (tensión multiplicada por volumen). Cada colectividad describe, en definitiva, conjuntos de soluciones caracterizados por diferentes restricciones macroscópicas, pero de todos ellos resultan distribuciones estadísticas de tipo Maxwell-Boltzmann y controladas por dichas restricciones. En base a estos trabajos previos, en esta tesis se ha adaptado el enfoque clásico de la física estadística para el caso de medios granulares blandos. Se ha propuesto un marco general para estudiar estas colectividades que se basa en la comparación de todas las posibles soluciones en un espacio matemático definido por las componentes del fuerza-momento y en unas funciones de densidad de estados. Este desarrollo teórico se complementa con resultados obtenidos mediante simulación de la compresión cíclica de sistemas granulares bidimensionales. Se utilizó para ello un método de dinámica molecular, MD (o DEM). Las simulaciones consideran una interacción mecánica elástica, lineal y amortiguada a la que se ha añadido, en algunos casos, la fuerza cohesiva producida por meniscos de agua. Se realizaron cálculos en serie y en paralelo. Los resultados no solo prueban que las funciones de distribución de las componentes de fuerza-momento del sistema sometido a un protocolo específico parecen ser universales, sino que también revelan que existen muchos aspectos computacionales que pueden determinar cuáles son las soluciones accesibles. This thesis focuses on the application of statistical mechanics for the study of static and jammed packings of soft granular media. Such approach lies between micro and macromechanics: it tries to establish what the expected macroscopic properties of a granular system are, by starting from a micromechanical analysis of the features of the particles, and the interactions between them, and by considering the macroscopic constraints of the system. To do that, statistics together with some principles, concepts and definitions of continuum mechanics (e.g. stress and strain fields, elastic potential energy, etc.) as well as some homogenization techniques are used. The interaction between the particles of a granular system is examined too and theories on contact and capillary forces (when the media are wet) are revisited. The basic idea of statistical mechanics is that among the solutions of a physical problem (e.g. the static arrangement of particles in mechanical equilibrium) there is a class that is compatible with our macroscopic knowledge of the system (volume, stress, elastic potential energy,...). This class still contains an enormous number of solutions. In the absence of further information there is not any a priori reason for favoring one of these more than any other. Hence we shall naturally construct the equilibrium function by assigning equal statistical weights to all the functions compatible with our requirements. This procedure leads to the most probable statistical distribution of some quantities, but it is necessary to guarantee that all the solutions are likely accessed. This approach was originally set up for the study of ideal gases, but it can be extended to non-thermal systems too. In this connection, the first attempt for granular systems was the volume ensemble, developed about 20 years ago. Since then, this model has been followed and improved upon by many researchers around the world, while other two approaches have also been set up: energy and force-moment (i.e. stress multiplied by volume) ensembles. Each ensemble is described by different macroscopic constraints but all of them result on a Maxwell-Boltzmann statistical distribution, which is precisely controlled by the respective constraints. According to this previous work, in this thesis the classical statistical mechanics approach is introduced and adapted to the case of soft granular media. A general framework, which includes these three ensembles and uses a force-moment phase space and a density of states function, is proposed. This theoretical development is complemented by molecular dynamics (or DEM) simulations of the cyclic compression of 2D granular systems. Simulations were carried out by considering spring-dashpot mechanical interactions and attractive capillary forces in some cases. They were run on single and parallel processors. Results not only prove that the statistical distributions of the force-moment components obtained with a specific protocol seem to be universal, but also that there are many computational issues that can determine what the attained packings or solutions are

Abastecimiento de agua a Vumari (Tanzania)

Primer Proyecto Fin de Carrera en Cooperación al desarrollo de la ETSI de Caminos,Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid, en colaboración con la ONG Ingeniería Sin Fronteras - Asociación para el Desarrollo. Vumari Village se encuentra en una zona rural árida de la región de Kilimanjaro, en Tanzania, que carece de servicios básicos en general y de un sistema actual de abastecimiento de agua en particular. El PFC trata de dar una solución técnica, desde el compromiso con el Acceso Universal a los Servicios Básicos y los Objetivos de Desarrollo del Milenio

Materiales yesíferos y su eventual utilización como relleno enterraplenes

La utilización de materiales yesíferos en la construcción de terraplenes suele ser rechazada, debido a las incertidumbres existentes respecto a su comportamiento inapropiado originado por las deformaciones a largo plazo, causadas por las características físicas y químicas del material, por su solubilidad y por las posiblesexpansiones o colapsos de la estructura del suelo. En este artículo se incluye un resumen de las principales propiedades químicas de los materiales yesíferos, los resultados de un estudio experimental y algunas recomendaciones para su eventual utilización en la construcción de terraplenes. La etapa experimental se realizó con arcilla yesífera, yeso arcilloso y glauberita; con cada una de las muestras se realizaron pruebas de compactación Proctor Normal y Proctor Modificado con probetas cuyas condiciones de humedad y densidad seca se ubicaban sobre cada una de las curvas de compactación; se estudió el comportamiento esfuerzo-deformación tiempo, el potencial expansivo, el colapso de la estructura y la rotura de partículas

Método de extracción y detección de antígenos de Anisakis en alimentos destinados al consumo humano o animal

Método de extracción y detección de antígenos de Anisakis en alimentos destinados al consumo humano o animal. La presente invención se refiere a un método de extracción y detección de alérgenos de parásitos de pescado en muestras alimentarias para el consumo humano o animal. La extracción se basa en aplicar soluciones con baja fuerza iónica, homogeneización, sonicación y diferentes pH a diversos tipos de pescado ya sean frescos o tratados. La detección se basa en métodos inmunoquímicos mediante el uso de anticuerpos policlonales que permiten detectar proteínas antigénicas del parásito así como anticuerpos policlonales que permiten detectar el alérgeno Ani s 4, que por sus características físico-químicas resiste el tratamiento térmico del alimento. El método es sensible, ya que se puede detectar Ani s 4 en cantidades inferiores a 1ppm con tasas de recuperación mayores a un 65%. El método descrito es específico ya que no muestra reactividad cruzada con componentes de las distintas matrices ensayadas.Peer reviewedConsejo Superior de Investigaciones Científicas (España), Fundación para la Investigación Biomédica del Hospital Carlos IIIB1 Patente sin examen previ

Método de extracción y detección de antígenos de Anisakis en alimentos destinados al consumo humano o animal

Método de extracción y detección de antígenos de Anisakis en alimentos destinados al consumo humano o animal. La presente invención se refiere a un método de extracción y detección de alérgenos de parásitos de pescado en muestras alimentarias para el consumo humano o animal. La extracción se basa en aplicar soluciones con baja fuerza iónica, homogeneización, sonicación y diferentes pH a diversos tipos de pescado ya sean frescos o tratados. La detección se basa en métodos inmunoquímicos mediante el uso de anticuerpos policlonales que permiten detectar proteínas antigénicas del parásito así como anticuerpos policlonales que permiten detectar el alérgeno Ani s 4, que por sus características físico-químicas resiste el tratamiento térmico del alimento. El método es sensible, ya que se puede detectar Ani s 4 en cantidades inferiores a 1ppm con tasas de recuperación mayores a un 65%. El método descrito es específico ya que no muestra reactividad cruzada con componentes de las distintas matrices ensayadas.Consejo Superior de Investigaciones Científicas (España), Fundación para la Investigación Biomédica del Hospital Carlos IIIA1 Solicitud de patente con informe sobre el estado de la técnic

Genetic dissection of agronomic and quality traits based on association mapping and genomic selection approaches in durum wheat grown in Southern Spain

Climatic conditions affect the growth, development and final crop production. As wheat is of paramount importance as a staple crop in the human diet, there is a growing need to study its abiotic stress adaptation through the performance of key breeding traits. New and complementary approaches, such as genome-wide association studies (GWAS) and genomic selection (GS), are used for the dissection of different agronomic traits. The present study focused on the dissection of agronomic and quality traits of interest (initial agronomic score, yield, gluten index, sedimentation index, specific weight, whole grain protein and yellow colour) assessed in a panel of 179 durum wheat lines (Triticum durum Desf.), grown under rainfed conditions in different Mediterranean environments in Southern Spain (Andalusia). The findings show a total of 37 marker-trait associations (MTAs) which affect phenotype expression for three quality traits (specific weight, gluten and sedimentation indexes). MTAs could be mapped on the A and B durum wheat subgenomes (on chromosomes 1A, 1B, 2A, 2B and 3A) through the recently available bread wheat reference assembly (IWGSC RefSeqv1). Two of the MTAs found for quality traits (gluten index and SDS) corresponded to the known Glu-B1 and Glu-A1 loci, for which candidate genes corresponding to high molecular weight glutenin subunits could be located. The GS prediction ability values obtained from the breeding materials analyzed showed promising results for traits as grain protein content, sedimentation and gluten indexes, which can be used in plant breeding programs.Junta de Andalucía (Andalusian Regional Government) P12- AGR-0482FEDER P12- AGR-0482MINECO (Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness) AGL2016-77149-C2-1-