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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/58682
Tipo: | Dissertação |
Título: | Efeitos inerciais no Movimento Browniano de partículas imersas em meios viscoelásticos de Maxwell e Kelvin-Voigt |
Autor(es): | Pontes, João Henrique Marinho |
Orientador: | Oliveira, Cláudio Lucas Nunes de |
Palavras-chave: | Movimento Browniano;Materiais Viscoelásticos;Modelos Reológicos;Equação de Langevin Generalizada |
Data do documento: | 2021 |
Citação: | PONTES, J. H. M. Efeitos inerciais no Movimento Browniano de partículas imersas em meios viscoelásticos de Maxwell e Kelvin-Voigt. 67 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021. |
Resumo: | Comportamentos reológicos são observados em todos os materiais, do mais frágil ao mais resistente, do mais flexível ao mais rígido, em sistemas vivos e inertes, e estão relacionados a outros comportamentos físicos e químicos da matéria. A relação entre propriedades físicas e atividades químicas em células, por exemplo, têm ganhado interesse na literatura por fornecer uma nova abordagem no estudo de doenças. A forma como células respondem a estímulos mecânicos externos influencia uma série de funções biológicas, como motilidade e divisão celular, podendo ser usada para distinguir entre as células saudáveis e aquelas que apresentam algum tipo de desordem. A medição experimental e o entendimento teórico dessas propriedades mecânicas, entretanto, não são triviais nesses sistemas microscópicos devido à complexidade das componentes que o formam. Uma das técnicas experimentais mais utilizadas nesses estudos é o Particle-tracking Microrheology, onde pequenas beads fluorescentes são inseridas no material para realizar um movimento browniano. A forma como essas beads se espalham pelo meio nos permite obter as propriedades mecânicas de seu interior, o que contrasta com outras técnicas onde as medidas mecânicas são feitas na superfície do material, como por exemplo, a Microscopia de Força Atômica. Uma vez que grande parte dos materiais biológicos (assim como outros materiais moles) apresentam viscoelasticidade, nosso trabalho tem como objetivo descrever a difusão de partículas brownianas imersas em meios viscoelásticos em sistemas em equilíbrio termodinâmico em que a contribuição da inércia sobre o movimento da partícula torna-se relevante, de modo que os resultados obtidos possam ser utilizados em estudos experimentais. Nós, então, utilizamos o formalismo da Equação de Langevin Generalizada, que modela o movimento browniano em meios com memória de fricção, juntamente com modelos reológicos conhecidos no estudo de materiais viscoelásticos, como por exemplo, Kelvin-Voigt e Maxwell. Propriedades do sistema, como a função de correlação da velocidade, a constante de difusão dependente do tempo e o deslocamento quadrático médio, são, então, obtidas analiticamente para esses tipos de meio viscoelástico, onde estudamos os seus diferentes regimes de amortecimento, nomeadamente, superamortecimento (quando as forças viscosas dominam o movimento), subamortecimento (quando as forças elásticas dominam), e o regime criticamente amortecido (quando as forças elásticas e viscosas são da mesma intensidade), e discutimos os comportamentos limites em cada caso. |
Abstract: | Rheological behaviors are found in all materials, from brittle to ductile ones, from flexible to rigid ones, in living and inert systems, and are related to other physical and chemical behaviors of matter. The relationship between physical properties and chemical activities in cells, for instance, has gained interest in the literature for providing a new approach in the study of diseases. The way cells respond to external mechanical stimuli influences a number of biological functions, such as motility and division, and can be used to distinguish between healthy and abnormal cells. Experimental measurement and theoretical understanding of such mechanical properties, however, are not trivial in these microscopic systems due to the complexity of the components they are made of. One of the most used experimental techniques in these studies is the so-called Particle-tracking Microrheology, where small fluorescent beads are inserted into the material to perform Brownian motion. The way these beads spread out through the medium allow us to obtain those mechanical properties in the interior, in contrast with other techniques where mechanical measurements are performed on the surface of the material, such as the Atomic Force Microscopy. Since most biological materials (and other soft materials) hold viscoelasticity, our work aims to describe the diffusion of Brownian particles immersed in viscoelastic media when the system is in thermodynamic equilibrium and when the inertial contribution to the movement becomes relevant, so that the results obtained can be used in experimental studies. We then use the Generalized Langevin Equation, which describes Brownian motion in friction memory media, along with known rheological models, such as Kelvin-Voigt and Maxwell. The velocity correlation function, the time-dependent diffusion coefficient and the mean squared displacement are then obtained analytically for these types of viscoelastic medium, where we studied different damping regimes, namely, overdamping (when viscous forces dominate the motion), underdamping (when elastic forces dominate), and the critical damped regime (when the elastic and viscous forces are of the same intensity), and we discuss the limit behaviors in each case. |
URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/58682 |
Aparece nas coleções: | DFI - Dissertações defendidas na UFC |
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