Jump Rope Vortex in Liquid Metal Convection

Understanding large scale circulations (LSCs) in turbulent convective systems is important for the study of stars, planets and in many industrial applications. The canonical model of the LSC is quasi-planar with additional horizontal sloshing and torsional modes [Brown E, Ahlers G (2009) J. Fluid Mech. 638:383--400; Funfschilling D, Ahlers G (2004) Phys. Rev. Lett. 92(19):194502; Xi HD et al. (2009) Phys. Rev. Lett. 102(4):044503; Zhou Q et al. (2009) J. Fluid Mech. 630:367--390]. Using liquid gallium as the working fluid, we show via coupled laboratory-numerical experiments that the LSC in a tank with aspect ratios greater than unity takes instead the form of a "jump rope vortex", a strongly three-dimensional mode that periodically orbits around the tank following a motion much like a jump rope on a playground. Further experiments show that this jump rope flow also exists in more viscous fluids such as water, albeit with a far smaller signal. Thus, this new jump rope mode is an essential component of the turbulent convection that underlies our observations of natural systems

Instabile rationale Konjugationsklassen in reduktiven Gruppen

Sei $G$ eine zusammenhängende quasizerfallende reduktive Gruppe über einem perfekten Körper $K$ und sei die Charakteristik von $K$ gut. Steinberg und Kottwitz untersuchen die Frage, ob eine rationale Konjugationsklasse $x$ ein Element aus $G(K)$ enthält. Hierbei studieren sie die Konjugationsklasse in der einfach zusammenhängenden Überlagerung $G_{\operatorname{sc}}$ von $G$. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen weiteren Zugang für quasizerfallende halbeinfache Gruppen anzugeben. Zu allererst beweisen wir, daß eine rationale Konjugationsklasse in einer zusammenhängenden zerfallenden Gruppe $G$ ein Element aus $G(K)$ besitzt. Dieses Resultat führt zu einer Klassifikation aller rationaler Konjugationsklassen in zusammenhängenden, quasizerfallenden, einfachen Gruppen, die kein rationales Element enthalten. Das Cupprodukt beider Zugänge beschreibt dies

Performance diagnostics in ultramarathon - influencing factors, pacing-strategies and analysis of exercise protocols in the context of the Berlin Wall Race

Leistungsdiagnostische Untersuchungen sind wichtig für die Laufzeitprognose im Langstreckenlauf. Allerdings hat sich gezeigt, dass bei Laufdisziplinen, die länger als die Marathondistanz sind, sprich beim Ultramarathon, die Leistungsprognose ungenauer wird, da eine Vielzahl verschiedener Faktoren die Leistung mitbestimmen. Ein entscheidender Faktor ist unter anderem die Pacing-Strategie, also die Einteilung der Energiereserven im Wettkampfverlauf. Ziel dieser Studie ist eine zusammenhängende Beschreibung wesentlicher Prädiktorvariablen für die Laufleistung im Ultramarathon. Auch werden verschiedene Pacing-Muster im Hinblick auf die Ultramarathonleistung analysiert. Zudem wird der Einfluss von drei unterschiedlichen Belastungsprotokollen auf die Abbildung der Laktatschwellen bei der Laktatleistungsdiagnostik untersucht. Insgesamt nahmen an der Studie zur Laktatleistungsdiagnostik 42 Langstreckenläufer teil. Untersucht werden unterschiedliche Belastungsprotokolle, die sich in der Stufenlänge und der Geschwindigkeitserhöhung unterscheiden. Für die Analyse der Pacing-Muster werden zudem Wettkampfzeiten und -zwischenzeiten der Probanden aus den Berliner Mauerwegläufen 2016 und 2017 (100 Meilen) ausgewertet. Die Analysen zeigen, dass die erreichte Maximalgeschwindigkeit im Laufbandtest, die Geschwindigkeit an der Lactate Threshold (LT) und die Geschwindigkeit an der Individuellen Anaeroben Schwelle (IAS) negativ mit der Wettkampfzeit korrelieren. Signifikante Korrelationen mit der Wettkampfzeit weisen ebenfalls leistungsrelevante Parameter, wie der Körperfettgehalt, die geplante Wettkampfzeit, das Jahreskilometerpensum der Vorjahre und Bestzeiten auf kürzeren Distanzen auf. Zwischen zwei Belastungsprotokollen, die sich lediglich in der Steigerung der Laufbandgeschwindigkeit nach jeweils 3 Minuten unterscheiden, ergibt sich kein signifikanter Geschwindigkeitsunterschied an der LT und IAS. Im Gegensatz dazu sind die Geschwindigkeiten an den individuellen Laktatschwellen in diesen beiden Laufbandprotokollen signifikant höher als in einem weiteren Protokoll, in welchem die Geschwindigkeitserhöhung nach einer festgelegten Distanz von 1200 Metern erfolgt. Die Analysen der Pacing-Strategien während des Berliner Mauerweglaufs zeigen ein invers J-förmiges Pacing-Muster. Dabei weisen Leistungsstärkere geringere Geschwindigkeits-veränderungen im Wettkampfverlauf auf als Leistungsschwächere. Ein gleichmäßigeres Pacing scheint dementsprechend mit einer schnelleren Laufzeit im Ultramarathon verbunden zu sein. Darüber hinaus können die Analysen erstmalig zeigen, dass die Geschwindigkeit an den individuellen Laktatschwellen signifikant mit der „normierten“ Laufgeschwindigkeit, sprich dem Pacing im Ultramarathon korreliert. Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass eine ganze Reihe von Parametern geeignet sind um die Ultramarathonleistung vorherzusagen. Dazu gehört die metabolische Ausdauerleistung, aber auch Faktoren wie die Lauferfahrung und das Pacing-Verhalten.Performance diagnostic tests are important for predicting race time in long-distance running. However, it has been shown that in running disciplines longer than the marathon distance, i.e. ultramarathon, prediction of performance becomes less accurate, since a variety of different factors influence the performance. A crucial factor is the pacing strategy, i.e. the distribution of energy reserves during the competition. The aim of this study is to provide a comprehensive description of key predictors for the performance in ultramarathons. Different pacing patterns are also analyzed with respect to ultramarathon performance. In addition, three different protocols used in lactate performance diagnostics that differ in step-duration and -speed increase, were compared as to measurement of lactate thresholds. A total of 42 long-distance runners were included. All participants were finishers of the 2016 and/or 2017 Berlin Wall Races (100 miles). For the analysis of the pacing patterns, race times and split times of the study participants from the two races were analyzed. The results show that maximum speed achieved in the treadmill test, speed at the lactate threshold (LT), and speed at the individual anaerobic threshold (IAS) correlate negatively with the race time. Significant correlations with race time are also shown for performance-related parameters such as body fat, estimated race time, previous years' annual mileage, and best times over shorter distances. When comparing different protocols used for performance diagnostic, there is no evidence of a significant difference in speed at the individual lactate thresholds (LT and IAS) between two exercise protocols that differ only in the increase in treadmill speed after 3 minutes. In contrast, speed at the individual lactate thresholds in these two protocols are significantly higher, respectively, than in another protocol in which the speed increase takes place after a fixed distance of 1200 meters. During the Berlin Wall Race an inverse J-shaped pacing pattern was observed. Stronger performers show less variation in speed over the course than weaker performers, i.e. more even pacing associated with faster running time. Furthermore, the performance at individual lactate thresholds correlates significantly with ‘normalized’ running speeds. In summary, this study identifies a whole range of parameters that are suitable to predict ultramarathon performance. These include metabolic endurance capacity, but also factors like running experience and pacing behavior

Oscillatory thermal-inertial flows in liquid metal rotating convection

We present the first detailed thermal and velocity field characterization of convection in a rotating cylindrical tank of liquid gallium, which has thermophysical properties similar to those of planetary core fluids. Our laboratory experiments, and a closely associated direct numerical simulation, are all carried out in the regime prior to the onset of steady convective modes. This allows us to study the oscillatory convective modes, sidewall modes and broadband turbulent flow that develop in liquid metals before the advent of steady columnar modes. Our thermo-velocimetric measurements show that strongly inertial, thermal wind flows develop, with velocities reaching those of comparable non-rotating cases. Oscillatory bulk convection and wall modes coexist across a wide range of our experiments, along with strong zonal flows that peak in the Stewartson layer, but that extend deep into the fluid bulk in the higher supercriticality cases. The flows contain significant time-mean helicity that is anti-symmetric across the midplane, demonstrating that oscillatory liquid metal convection contains the kinematic components to sustain system-scale dynamo generation.Comment: 29 pages, 12 figure

Improving the Cathodic Biofilm Growth Capabilities of Kyrpidia spormannii EA-1 by Undirected Mutagenesis

The biotechnological usage of carbon dioxide has become a relevant aim for future processes. Microbial electrosynthesis is a rather new technique to energize biological CO$_{2}$ fixation with the advantage to establish a continuous process based on a cathodic biofilm that is supplied with renewable electrical energy as electron and energy source. In this study, the recently characterized cathodic biofilm forming microorganism Kyrpidia spormannii strain EA-1 was used in an adaptive laboratory evolution experiment to enhance its cathodic biofilm growth capabilities. At the end of the experiment, the adapted cathodic population exhibited an up to fourfold higher biofilm accumulation rate, as well as faster substratum coverage and a more uniform biofilm morphology compared to the progenitor strain. Genomic variant analysis revealed a genomically heterogeneous population with genetic variations occurring to various extends throughout the community. Via the conducted analysis we identified possible targets for future genetic engineering with the aim to further optimize cathodic growth. Moreover, the results assist in elucidating the underlying processes that enable cathodic biofilm formation

Ensemble averaged entanglement of two-particle states in Fock space

Recent results, extending the Schmidt decomposition theorem to wavefunctions of identical particles, are reviewed. They are used to give a definition of reduced density operators in the case of two identical particles. Next, a method is discussed to calculate time averaged entanglement. It is applied to a pair of identical electrons in an otherwise empty band of the Hubbard model, and to a pair of bosons in the the Bose-Hubbard model with infinite range hopping. The effect of degeneracy of the spectrum of the Hamiltonian on the average entanglement is emphasised.Comment: 19 pages Latex, changed title, references added in the conclusion