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En este trabajo, motivados por el avance en nanotecnolgía e información cuántica de las últimas décadas, estudiamos sistemas que pueden ser modelados como sistemas cuánticos de pocos cuerpos, aceptando un abordaje común en cuanto a métodos de resolución y algoritmos computacionales. La tesis consta de tres partes principales enfocadas a sistemas con distintas propiedades. En la primera parte nos concentramos en sistemas abiertos, que modelan por ejemplo electrones en puntos cuánticos; los electrones pueden escapar y el sistema tiene por lo tanto un comportamiento crítico en el umbral del continuo. En la segunda, estudiamos la localización electrónica y la posible existencia de intersecciones cónicas, inducidas cuando el sistema es sometido a un campo láser en sistemas compuestos por átomos dentro de cavidades de fullerenos que presentan estados de disociación particulares. Finalmente, la última parte está dedicada a las ocupaciones, orbitales naturales y entropías de sistemas de partículas confinadas que exhiben correlaciones fuertes, y que han sido observados experimentalmente. Estudiamos las moléculas de Wigner, análogo en tamaño finito de los cristales de Wigner; el modelo de Calogero, que ha permitido explicar el efecto hall cuántico fraccionario mediante cuasipartículas llamadas anyones y el modelo de esferas rígidas, base del gas de Tonks–Girardeau.

En este trabajo se modeló un fotorreactor plano, homogéneo y perfectamente mezclado, activado con radiación solar ultravioleta. Luego, se analizó en forma teórica y experimental la degradación de un contaminante orgánico en solución acuosa por medio de la reacción de foto-Fenton asistida con radiación solar. Para modelar el campo de radiación en el interior del fotorreactor fue necesario conocer las componentes directa y difusa de la radiación que llegan a la ventana de entrada del reactor. Para ello, se recurrió a un modelo teórico computacional que predice dichas componentes. Se estudió en forma teórica y experimental la degradación del ácido fórmico en solución acuosa por medio de la reacción de foto-Fenton asistida con radiación solar. La reacción se llevó a cabo en el fotorreactor solar, perfectamente mezclado, con reciclo y operado en forma discontinua e isotérmica a temperatura ambiente. Se desarrolló un modelo teórico para predecir la concentración del contaminante en función del tiempo, teniendo en cuenta: (i) el campo de radiación dentro del reactor, el cual se modeló considerando un medio homogéneo, participativo y reaccionante y (ii) el modelo cinético para esta reacción, para ello se adoptó un mecanismo de reacción aceptado en la bibliografía específica para la degradación de este compuesto por medio de la reacción de foto-Fenton. Se debe notar que se ha obtenido una degradación de hasta un 80% del compuesto orgánico., Luego, se compararon los valores predichos por el modelo desarrollado y los obtenidos experimentalmente, obteniéndose un error máximo del 9 %.

La contaminación de ambientes confinados representa un problema de magnitud para la salud. Una forma de controlarla es empleando la fotocatálisis heterogénea como técnica de destrucción de contaminantes. En esta tesis doctoral se realizó el diseño, montaje y modelado de un reactor fotocatalítico para la degradación de contaminantes del aire, empleando formaldehido como contaminante modelo. El reactor se construyó en acrílico y se emplearon lámparas de luz negra como fuente de radiación. En una primera etapa se estudió la cinética del proceso de degradación en un reactor de placa plana, en el que se empleó dióxido de titanio como catalizador inmovilizado sobre acero inoxidable. Se obtuvo una expresión analítica para la velocidad de reacción y mediante una serie de ensayos experimentales se obtuvieron los parámetros cinéticos. Luego, los datos obtenidos en el reactor de geometría sencilla fueron utilizados para el modelado de un reactor de pared corrugada. El aire conteniendo el formaldehído circula en forma sucesiva por canales triangulares que conforman la placa plegada con las ventanas del reactor. El modelado completo de este reactor incluyó el cálculo del campo de radiación y la resolución del intercambio radiativo entre paredes. Esto fue incorporado a un paquete comercial de fluidodinámica computacional en donde se obtuvo la solución numérica de los campos de velocidades y concentraciones. Se comprobó la factibilidad de la eliminación eficiente de formaldehído gaseoso; el modelo riguroso del reactor mostró ser ajustado y permite la simulación y optimización de reactores fotocatalíticos aplicados a la eliminación de contaminantes del aire.

La mayoría de las transformaciones impulsadas por el hombre, a pesar de generar bienestar económico, son acompañadas por el deterioro de los recursos naturales y la pérdida de la biodiversidad. La necesidad de explorar nuevos horizontes productivos, frente a un crecimiento demográfico sostenido, y el aumento en la demanda de alimentos genera una presión creciente sobre los recursos naturales a nivel mundial. Por estos motivos, los desafíos de la agricultura y el desarrollo argentino se relacionan con satisfacer las futuras demandas y reducir el impacto ambiental. Por el contrario, los beneficios obtenidos con la intensificación y expansión de la agricultura en las últimas décadas, estuvieron asociados con importante impacto sobre el ambiente. En este contexto, el agua se reconoce como el elemento esencial que vincula la mayoría de los procesos biológicos, físicos y químicos que ocurren en la biósfera y que impactan directamente en el desarrollo socioeconómico. Una variable que constituye uno de los flujos mas importantes dentro del ciclo hidrológico es la evapotranspiración. Se conoce con este nombre a la combinación de dos procesos separados por los que el agua se pierde de la superficie del suelo. Uno de esos procesos es el de evaporación directa y el otro es la transpiración a través del cultivo. Existen distintos tipos de metodologías utilizadas para estimar la evapotranspiración utilizando imágenes de diferentes satélites. Distintas versiones de algoritmos basados en la ecuación de balance de energía han sido ampliamente utilizado para estimar la evapotranspiración real a distintas escalas espaciales y temporales. Estimaciones precisas de los cambios espaciales y temporales en la evapotranspiración son fundamentales para mejorar la comprensión de las interacciones entre los sistemas atmósfera, hidrosfera y biosfera siendo un importante tema emergente en la investigación sobre el cambio climático. Por otra parte, conocer la distribución temporal de la precipitación es importante para la gestión del agua en actividades de agricultura, generación de energía eléctrica, control de inundaciones y sequía. El sensoramiento remoto, provee información sólida y constante para relacionar con los datos de precipitación medidos por hidrómetros e hidrógrafos. El sensoramiento remoto es, cada vez más, una fuente de datos viable para aplicar a los modelos de hidrología convencional, en especial para zonas poco accesibles. En esta tesis doctoral se propone un modelo que permite obtener datos de balance hídrico a partir de datos satelitales y meteorológicos. El modelo divide el balance hídrico en sus dos componentes más importantes, la evapotranspiración y la precipitación. La evapotranspiración se modela a partir de información de satélites ópticos (Landsat 5 y Landsat 8) e información meteorológica. Para ello, se parte de procedimientos incluidos en los algorítmos SEBAL y METRIC, programados en código MATLAB, con el agregado de ecuaciones actualizadas y metodologías para automatizar los cálculos. Como modelo generador de datos de precipitación satelital se propone utilizar el propuesto por la Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) a través de la plataforma Google Earth Engine. Se probó la performance del modelo de evapotranspiración a partir de 4 aplicaciones a distintos recortes de escenas tomadas por los satélites Landsat. En cada una de las aplicaiones se fue aumentando el área de estudio para abarcar mayor cantidad de coberturas. La primera aplicación corresponde a un pivote de riego y a un suelo desnudo en el sur de la provincia de Buenos Aires y las restantes a distintas coberturas dentro de la cuenca del Arroyo Las Conchas. Además, para este último sitio se generaron datos de precipitación satelital y se validaron los mismos con datos pluviométricos obtenidos en estación metoeorológica. Los resultados de las experiencias generadas han sido satisfactorios tanto para las estimaciones de evapotranspiración como para las de precipitación. A modo de síntesis de esta tesis doctoral, se realizan balances hídricos diarios y mensuales. La validación preliminar de estos balances fueron hechas, como se mencionó anteriormente, a partir de la validación individual de sus componentes. Se espera que con esta metodología se puedan obtener datos de balance hídrico complementarios a otras fuentes de datos. Por ejemplo, se podrá analizar la evolución del balance hídrico superficial y su efecto sobre la humedad del suelo estimada por el nuevo satélite argentino radar en banda L SAOCOM. A su vez, este modelado constituye la base sobre la cual se irán mejorando parámetros utilizando imágenes de drone como ayuda al conocimiento agronómico. Por lo antes mencionado, se espera que esta tesis tenga un amplio impacto en la generación de nuevas líneas de investigación, en las existentes y en la generación de aplicaciones de base científica y tecnológica.

La superficie del geoide sobre las Sierras de Tandil, fue analizada y utilizada como indicador de las características corticales de esa estructura geológica. El conocimiento preciso del geoide es uno de los requerimientos básicos de esta metodología. Por ese motivo fue necesario obtener un modelo local de alta precisión a partir de la aplicación del método de las Fuentes Equivalentes. Esta metodología demostró ser apta para la integración de las ondulaciones del geoide en puntos altimétricos GPS y la gravedad en puntos intermedios. El nuevo modelo de geoide para Tandilia (ESS1175) obtenido en este trabajo, representó una sensible mejora con respecto al modelo basado únicamente en las ondulaciones GPS (FCAG98). La Red Geodésica de la Provincia de Buenos Aires (GEOBA98) y su densificación, con puntos altimétricos GPS sobre todo el territorio provincial, representó la información de referencia que permitió generar el nuevo modelo y evaluar su precisión externa. La comparación del geoide observado con un modelo isostáticamente compensado fue posible gracias a dos nuevas y refinadas herramientas: el modelo de elevaciones SRTM90 y el modelo geopotencial EIGEN-CG01C (Reigber et al., 2004). Ambos son mejoras de versiones anteriores. En particular el modelo geopotencial EIGEN-CG01C asegura precisión centimétrica en longitudes de onda mayores a 400 km. De esta manera fue posible filtrar el geoide observado y aislar las señales vinculadas a la estructura estudiada. Este geoide residual fue comparado con el obtenido a partir de un modelo isostáticamente balanceado. El análisis incluyó las Cuencas de Claromecó (Introcaso y Ruiz, 2005) y del Salado (Introcaso et al., 2002), que tienen un efecto neto sobre la ondulación residual de Tandilia. A partir de un conjunto de consideraciones geológicas, geofísicas y geodésicas la corteza normal se caracterizó a través de un espesor de 42 km y densidad 2.84 gr/cm³, sobre un manto de densidad 3.24 gr/cm³. Los desvíos sistemáticos del modelo isostáticamente balanceado fueron atribuidos a la presencia de anomalías de densidad en torno de las Sierras. La estructura anómala propuesta se desarrolla a la manera de una cuña tectónica oceánico-mantélica, paralela al cordón principal de las Sierras en dirección NW-SE y al Este de las mismas. El ancho oscila entre 20 km y 50 km, con una profundidad de 15 km y densidad 2.96 gr/cm³. Esta estructura podría guardar relación con la sutura entre los terrenos de Buenos Aires y Tandilia (1770 Ma) en el marco del modelo colisional de Ramos (1999). Los resultados gravimétricos no permiten confirmar esta asociación aunque no la descartan.

Desde hace ya varios años se ha hecho hincapié en la determinación del geoide. Uno de los primeros en brindar una definición del mismo fue C. F. Gauss, abribuyéndole a éste ser coincidente con la superficie media de los océanos. Desde la fecha a la actualidad, esta definición ha cambiado debido a los fenómenos que hoy pueden advertirse y detectarse, los cuales necesariamente promueven un cambio de definición. De todas formas, este es un concepto no sólo vigente, sino que ha cobrado cada vez más importancia, al punto que no sólo se están comenzando a estudiar las variaciones temporales del geoide, sino que se está comenzando a implementarlo como origen de las redes verticales. Esto se logra mediante la definición del valor W0, el cual es el potencial que da origen a la superficie equipotencial llamada geoide. La disponibilidad de alturas normales o sólo de alturas elipsóidicas con GPS (Global Positioning System) , en lugar de las alturas ortométricas, ha provocado que en muchas circunstancias, no se trabaje directamente con el geoide, sino con el cuasigeoide. Estos conceptos se abordarán en el capítulo 2. En la provincia de Tierra del Fuego, desde el año 1998, se ha comenzado con el trabajo en pos de obtener un modelo de geoide local. La topografía accidentada, el clima riguroso y las dificultades de acceso a determinadas regiones de la isla, hacen muy compleja la posibilidad de contar con nivelación precisa. La combinación “modelo de geoide + posicionamiento GPS”, posibilitará la realización de cualquier tarea que requiera nivelación precisa en cualquier parte de la isla. De allí que, además del interés científico en realizar esta tarea de investigación en una región con pocos estudios previos, este estudio aportará un recurso básico para su aplicación práctica en la región. La mayor parte de estos esfuerzos encarados por grupos de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de La Plata (FCAGLP) con ayuda del IGN (ex IGM), han consistido en la extensión de la nivelación, desde el continente hacia el interior de la isla, mediciones gravimétricas, y mediciones GPS con boyas sobre el Lago Fagnano. Esta ultima ha sido llevada a cabo en conjunto con el Institut für Planetare Geodäsie de la Universidad Técnica de Dresden. En todas estas actividades ha intervenido también la Estación Astronómica de Río Grande (EARG) con personal y apoyo logístico. Los trabajos mencionados arriba, han dado lugar a la elaboración de modelos de geoide mayormente geométricos. Esto es, mediante la contrucción de la diferencia entre la altura elipsóidica h y la ortométrica H, sobre todos los puntos de nivelación. Entre estos trabajos pueden citarse los de Del Cogliano et al. (2006), Perdomo y Hormaechea (1999), entre otros. Otra información valiosa, es la consistente en mediciones de desviación de la vertical. En relación a esto, en Tierra del Fuego, no existen líneas o gran cantidad de puntos con este dato. Sólo se cuenta con las observaciones efectuadas en la EARG, con el Astrolabio de Danjon entre los años 1979 y 1988. En este sentido se han realizado varios trabajos entre los que cabe mencionarse los de Arias (1982) y Mondinalli et al. (1980 y 1985). En esta tesis se expondrán los mecanismos desarrollados con el fin de obtener un nuevo modelo de geoide de precisión centimétrica, como producto de la combinación de información de GPS, nivelación y gravimetría. Para ello, se trabajó primeramente, sobre las coordenadas geodésicas de los puntos de nivelación porque son ´estas las empleadas ya sea para el control de la precisión del nuevo modelo, o para su propia construcción. Por lo tanto, es de vital importancia contar con un marco único y preciso para el establecimiento de un modelo de geoide que cumpla con la precisión buscada. Estas son las cuestiones abordadas en el capítulo 3. El potencial de gravedad, como se sabe, admite un desarrollo en armónicos esféricos cuyos coeficientes son cantidades observables del campo de gravedad terrestre. Cada grado del desarrollo puede relacionarse con la contribución en distintas longitudes de onda, o frecuencia. Estas contribuciones, deben tenerse cuidadosamente en cuenta al reducir los datos. Por ejemplo, la gravedad medida es una representación del campo de gravedad en longitudes altas, medias y bajas, mientras que los modelos geopotenciales, hacen su aporte en las altas y medias longitudes de onda. Si un modelo geopotencial global (GGM) no posee buena información del campo sobre la región en consideración, al removerse éste, se estará contaminando la información medida por datos espúreos provenientes del modelo. A la inversa, si el modelo geopotencial es de alta calidad, al remover los efectos de terreno, conjuntamente con un GGM a grado y orden altos, se podría estar removiendo la alta frecuencia, dos veces. Sobre estas dos contribuciones, terreno y GGMs, se discutirá en los capítulos 4, 5 y 6. Con el objeto de combinar la información, se ha trabajado sobre el método de la fuente equivalente. Los principios teóricos, como las aplicaciones de esta técnica, se presentarán en los capítulos 7 y 8. Este método es bastante conocido, pero no muy aplicado. Hemos decidido, seguir el planteo presentado por Cordell (1992) y Guspí et al. (2004). Por último, se muestran en el capítulo 9, las reducciones necesarias que deben aplicarse sobre cantidades astronómicas, con el fin de obtener un valor de la desviación de la vertical, en la estación de Río Grande. El procedimiento que allí se describe, es el mismo que debería ser aplicado para cuanto valor de la desviación de la vertical se deseara obtener en la isla. Entre los fenómenos a tener en cuenta, estarán los propios de una reducción estelar ligada a observaciones con un astrolabio, y aquellos debidos al movimiento del polo. El valor estimado de la desviación de la vertical, servirá como una evaluación externa, de la orientación de la superficie obtenida, en una determinada región.

Se estudió el proceso de secado de maíz a bajas temperaturas para proponer un método más ecológico y que conduzca a granos de mayor calidad y valor. Se abordó el modelado matemático de la transferencia de calor y materia y su implementación numérica. Los balances de masa y de energía se propusieron tanto para el aire intergranular como para los granos. Se consideraron variantes de modelización: equilibrio térmico y másico y no equilibrio; inclusión de términos de acumulación en el aire (no estacionario) y modelo sin términos de acumulación en el aire (pseudoestacionario). Además, se estudiaron tres métodos numéricos para la resolución: diferencias finitas explícito, diferencias finitas implícito y método de las líneas. Las comparaciones entre modelos se basó en la respuesta característica del sistema (condiciones constantes del aire) y en la influencia de las condiciones meteorológicas en parámetros de desempeño como tiempo de secado, consumo específico de energía y pérdida de materia seca. Siempre se consideraron los efectos del caudal volumétrico específico de aire, temperatura del aire, humedad relativa del aire, humedad inicial de los granos y espesor del lecho. Para la comparación de los métodos numéricos se tuvo en cuenta el tiempo de cómputo y la influencia de los intervalos de tiempo y espacio en el tiempo de secado, consumo de energía y humedad final promedio en el lecho. Aplicando el simulador obtenido, se evaluó la influencia del calentamiento del aire al pasar por el ventilador. Se concluye que el modelo no estacionario de no equilibrio representa mejor el proceso, siendo el método de las líneas el esquema numérico mas apropiado para su resolución. El uso de ventilador por soplado precalienta y baja la humedad relativa del aire, conduciendo a menores tiempos de secado y reducciones en el consumo de energía.

Desde el punto de vista biológico el proceso del habla puede separarse en dos etapas moduladas entre sí: la producción y la percepción. En este trabajo nos ocupamos de ambas, concentrándonos especialmente en la primera. El sistema vocal humano está formado por dos grandes bloques: las cuerdas vocales y el tracto vocal. Las cuerdas vocales constituyen la fuente acústica, determinando la entonación del discurso, mientras que el contenido fonético (los sonidos propios de la lengua) es definido por la dinámica del tracto vocal. En esta tesis presentamos un modelo completo de producción vocal, incluyendo el estudio dinámico de un modelo detallado de cuerdas vocales y su adaptación a un modelo de baja dimensión del tracto vocal. Para evaluar la calidad de la voz sintetizada con el modelo, utilizamos una combinación de test perceptuales y de resonancia magnética funcional, cuyos resultados muestran que la voz sintética es indistinguible de segmentos de voz real. Los sintetizadores basados en la física de la producción de voz permiten además el estudio de la percepción de voz controlando parámetros biológicos. En particular, en este trabajo mostramos que la identidad de la voz está codificada en términos de las dimensiones relativas entre las cuerdas vocales y el tracto vocal. Usamos este modelo de voz verificado experimentalmente para responder preguntas de la biolingüística y la biomimética. En primer lugar, investigamos el rol de la física del aparato vocal en la formación de las onomatopeyas. A pesar de considerarse palabras vinculadas directamente con la imitación, es difícil establecer qué se preserva acústicamente entre los sonidos y sus onomatopeyas. Utilizamos el modelo vocal para mostrar que las configuraciones del tracto vocal que producen los sonidos más parecidos a los originales corresponden a consonantes co-articuladas. Estos pares vocal-consonante se corresponden, además, con las sílabas más estables de las onomatopeyas en distintos idiomas, sugiriendo un mecanismo por el cual la imitación vocal permite asociar sonidos simples a estructuras de habla más complejas. Por otra parte, nos preguntamos cuál es la dimensionalidad del espacio motor que gobierna la producción de habla. Para abordar este problema diseñamos un dispositivo experimental que permite monitorear tres puntos de la cavidad oral durante el discurso. Con esta herramienta, logramos una descripción discreta para las coordenadas motoras de las vocales y consonantes oclusivas del español, mostrando además la viabilidad de controlar el modelo de producción vocal con variables anatómicas para la síntesis de voz en tiempo real a partir de los gestos anatómicos producidos durante el habla.

The voice and related biomedical signals carry information characterizing the phonation. The accurate extraction of this information becomes beneficial in medicine and other fields. In this Thesis, new methods for modeling the voice production and related biomedical signals, combining the stochastic modeling and digital signal processing, are proposed and evaluated. First, period and amplitude series extracted from sustained vowels are investigated applying the fundamental concepts of voice perturbations and fluctuations, and then a new sustained vowel synthesis method is proposed considering perturbations controlled with two acoustical parameters relevant in voice therapy. Next, state space structural models for studying period and amplitude series are developed. The aim of these models is to represent a signal assuming that it is composed of simple elements with a straightforward interpretation, under the hypothesis that these phenomena behave as non-stationary stochastic processes. Combining the structural models and state space methods, the structural analysis method is successfully implemented. Finally, new state space based methods for phonation modeling and voice inverse filtering are proposed. For that, a stochastic non-stationary difference equation of glottal function is developed, taking into account the perturbations and aperiodicities in this signal. According to this, a phonation model suitable for accurate and flexible vocal sounds representation is formulated. Using this model, a state space based inverse filtering method is proposed allowing the join optimal estimation of the glottal function and the vocal tract filter.

La presente tesis tiene como objetivo la comprensión detallada de los fenómenos que tienen lugar dentro de una pila de combustible de membrana de electrolito de polímero de baja temperatura (PEMFC) a través del modelado fenomenológico. Mediante un enfoque analítico, se obtienen soluciones analíticas simplificadas para el flujo de gas y líquido y la composición del gas en la capa de difusión de gas (GDL) en el lado del cátodo. En adición, se desarrolla un modelo fenomenológico discretizado 1-D para el transporte de masa dentro del lado del cátodo del GDL mediante el uso de ecuaciones integrales sobre volúmenes finitos. El modelo es implementado en el Sistema de Modelado Algebraico General (GAMS). Además, se desarrolla e implementa un modelo de caracterización de la estructura porosa del GDL como una red de tubos cónicos (CTN), con todos los parámetros del modelo determinados mediante datos experimentales de Porosimetría de Intrusión de Mercurio (MIP). Luego, se desarrolla e implementa un modelo simplificado de flujo de gas y líquido para la dinámica de fluidos dentro del CTN. En adición, se desarrolla un modelo de la PEMFC completa, considerando los modelos previos del presente trabajo. Para esto, se desarrolla e integra con los modelos del ánodo y cátodo, un modelo 1-D discretizado de la membrana, considerando simultáneamente flujo de líquido por arrastre electro-osmótico y difusión. Por último, se evalúa la optimización de las variables operativas y de diseño de la PEMFC completa con el objetivo de maximizar la Energía suministrada por mol de combustible alimentado.