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Cosmology without the cosmological principle
(Universidad de Valparaíso, 2025) Contreras Pastén, Erick; Supervisor: Cárdenas, Víctor; Internal reviewer: Candlish, Graeme; External reviewer: Tsagas, Christos
Recent studies strongly suggest that the ΛCDM model may no longer serve as the definitive standard model in cosmology, given the increasing tensions between different cosmological observables. Some researchers have described this situation as a ”crisis in cosmology.” The ΛCDM model relies on two fundamental assumptions: the isotropy of the universe (supported by observational evidence) and the Copernican principle (a philosophical postulate). Together, these assumptions lead to the well-known Cosmological Principle, with the homogeneity of the universe emerging as a direct consequence. In this thesis, I review the cosmological consequences of relaxing some of these assumptions, exploring inhomogeneous and anisotropic universe models, as well as tilted cosmologies, which consider observers in motion relative to the Hubble flow. We examine methods to study these effects using existing cosmological data. First, we explore a variety of models that describe inhomogeneous and anisotropic universes, including different metric theories, perturbative analyses, averaging effects, tilted scenarios, and cosmographic approaches. We then apply this theoretical framework to analyze SNIA data and the local peculiar velocity field, aiming to constrain key parameters. On large scales, baryonic matter in the universe tends to cluster into structures known as the cosmic web, which exhibits fractal behavior. The impact of this inhomogeneous large-scale structure on cosmology is an active area of research, spanning from its description through various metrics derived from Einstein’s field equations to more complex challenges, such as the back-reaction problem related to the aver- aging of general relativity. In this work, we investigate the local fractal structure of the universe using luminosity distance relations derived from fractal-like matter distributions in LTB inhomogeneous models, analyzed against SNIA data. Our find- ings suggest that while a fractal distribution of matter cannot fully account for the cosmic acceleration, it remains a valuable tool for studying the fractality of the local universe, provided the background cosmology is known. It is important to note, however, that this remains a simplified model, and the inclusion of a true fractal distribution of matter in the field equations is an ongoing research challenge involving complex, non-differentiable mathematics. The effects of general relativity on the evolution of the local large-scale structure remain poorly understood. Some studies indicate that the growth of density contrasts and peculiar velocities accelerates over time when using the covariant formalism of general relativity, as compared to the standard Newtonian or semi-Newtonian ap- proaches. Additionally, the back-reaction problem in cosmology addresses the challenge of averaging cosmological quantities such as matter density, a task complicated by the non-linearity and complexity of the governing equations. Tilted cosmologies, which apply the covariant formalism to study the universe from the perspective of observers moving with peculiar velocities relative to the Hubble expansion, offer significant insights. Theoretical analyses suggest that the deceleration parameter measured by such observers could be negative, even if the background universe is not accelerating, provided the observers are located within a contracting bulk flow extending over large scales. In this work, we take a step toward observing these effects by extracting the volume scalar of the local peculiar velocity field via velocity reconstructions, confirming that the local peculiar velocity field is indeed contracting. Recent blind analyses of SNIA data and independent velocity field reconstructions support this conclusion, further highlighting the importance of studying tilted cosmologies and the relativistic effects on large-scale structure evolution. In this context, we use the covariant formulation to develop a connection between the enhanced growth rate of peculiar velocities in relativistic physics and the semi-Newtonian approach. This effect is strongly linked to the neglect of additional gravitational sources, such as the flux of energy, in Newtonian gravity. From an observational standpoint, we adopt a phenomenological approach, performing a statistical analysis on the most recent SNIA compilation, Pantheon+, using the cosmographic luminosity distance. We extract the deceleration parameter for different portions of the universe by dividing the data into redshift bins and hemispheres. Our analysis reveals that the deceleration parameters are not consistent across the binned groups, which contradicts the assumption of a homogeneous universe. Statistical tests indicate a trend of increasing deceleration parameters, a result consistent with recent studies. It is also worth noting that very nearby supernovae (at z ≤ 0.008) appear to be unsuitable for cosmological analysis, as they are contaminated by the velocity dispersion of the local peculiar velocity field, yielding values that do not align with background cosmological parameters. Various corrections using differ- ent models have been attempted to improve this data, but they have not yielded the desired results, while other studies opt to analyze the raw SNIA redshift data directly. In conclusion, the possibility of explaining the apparent accelerated expansion of the universe without invoking dark energy remains a compelling alternative. Models such as tilted cosmologies continue to hold potential, supported by current observa- tional data that challenge the cosmological principle. If dark energy and the acceleration of the universe are indeed real, a deeper understanding of the local structure in cosmological observations is crucial for constraining the physical parameters involved. This highlights the importance of further research into the fractal structure of matter, the physical properties of the bulk flow we inhabit, and the still poorly understood general relativistic effects on the evolution of the large-scale structure. The thesis presents several avenues for future research that could expand our scientific understanding in these areas.
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Estudio de la factibilidad teórica de incorporación de oxígeno a partir de microalgas en la producción de celulosa microbiana, a través de modelación matemática
(Universidad de Valparaíso, 2019-07) Campaña, Varinia; Cerqueira Pinto, Joao Ricardo
La celulosa es la sustancia orgánica más abundante en el mundo, la cual es utilizada en múltiples áreas comerciales, siendo la celulosa vegetal la que lidera el mercado en la actualidad. Sin embargo, existen otros organismos que la sintetizan como las bacterias, especialmente la Gluconacetobacter xylium. Esta bacteria tiene la capacidad de producir celulosa con características únicas, donde la producción en un medio estático presenta mayores ventajas, sintetizando una biopelícula en la superficie del cultivo, sin embargo, posee problemas con la disponibilidad de oxígeno disuelto al sintetizar la biopelícula, ya que la transferencia del oxígeno desde el medio gaseoso al liquido se ve limitada por ésta. Esta investigación tiene como objetivo establecer un modelo de la síntesis de celulosa en estado estático, con la incorporación de una fuente de oxígeno natural, como las microalgas. Lo anterior, para verificar si la incorporación de oxígeno por este método tiene significancia en la producción de celulosa. A partir de la modelación del proceso propuesto, se obtuvieron 4 cm de grosor de película de celulosa en la sección a y 0.026 cm en la sección c, siendo esta última no significativa con respecto a lo que se genera con incorporación de oxígeno desde el aire. Bajo las condiciones y parámetros planteados para el proceso se concluye que, no es viable la oxigenación del cultivo de celulosa desde su parte inferior a partir de un cultivo de microalgas a través de una membrana permeable a gases, obteniéndose en la sección c una mínima producción de celulosa debido a la falta de oxígeno provocada por la dificultad del oxígeno para atravesar la sección d.
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Efectos que provoca la contaminación atmosférica en revestimientos tipo pintura de exterior
(Universidad de Valparaíso, 2010-03) Alister Morales, Fabiola; Mota Arredondo, Alberto
El aire es una mezcla de gases, que en condiciones libres de contaminantes, posee un 78,05% de Nitrógeno (permite atenuar la acción del oxígeno en las combustiones), 20,95% de Oxígeno (sin él no se pueden producir las combustiones), 0,03% de Dióxido de Carbono (compuesto necesario en el proceso de las fotosíntesis de las plantas), Vapor de Agua (en porcentaje variable) y 0,97% de otros gases. Sin embargo, esta proporción de mezclas no se encuentra en la atmósfera por lo que la contaminación se ha convertido en uno de los problemas ambientales más importantes a tratar. La contaminación se define como cualquier condición atmosférica en la que ciertas sustancias alcanzan concentraciones sobre su nivel normal como para producir un efecto en el hombre, animales, vegetación o materiales. (CONAMA, 2009) Las principales causas de contaminación del aire son: la actividad industrial que necesita energía derivada de la combustión de combustibles como carbón y petróleo, la quema de hojas y basura, y el uso de vehículos de combustión interna. Entre los distintos agentes contaminantes, se pueden encontrar contaminantes carbonados, contaminantes sulfurados, contaminantes nitrogenados, materiales particulados, entre otros. (WIKIPEDIA, 2009) Investigar el efecto que tienen estos contaminantes sobre los materiales que se emplean en la construcción, permitiría establecer relaciones tendientes a determinar las variaciones de las propiedades de diseño o fabricación de los materiales al entrar en contacto con estos agentes. Mediante esta tesis se busca determinar los efectos que provoca la acción simultánea de los principales gases contaminantes atmosféricos, de manera de representar o simular la forma en que se encuentran éstos en el aire dentro de un determinado recipiente. Para continuar con la línea investigativa comenzada en 2008, la cual consistió en analizar el contacto que tuvieron los principales gases contaminantes en las pinturas pero en forma individual, se ensayarán los mismos tipos de pinturas y ensayos, con el fin de realizar una comparación del comportamiento de estos revestimientos actuando en forma individual y en conjunto.
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Incorporación de Arenas de cuarzo como recubrimiento en barras de fibra de vidrio polimerizada para mejorar su adherencia en hormigones armados
(Universidad de Valparaíso, 2020-04) Vargas Márquez, Cristian Esteban; González Moya, Mauricio
Desde mediados del siglo XIX se comenzaron a realizar elementos parciales de hormigón armado, al principio eran terrazas y macetas, pero cerca del 1900 Hennebique edificó el primer edificio construido completamente con hormigón armado. A partir de entonces se suceden los proyectos de puentes, chimeneas, depósitos y edificios. (Asuncion López peral, 2010). A pesar de que en el siglo XX se masificaron las obras que se construían con hormigón armado se identificaron uno de los mayores problemas en este (corrosión), en diferentes tipos de estructuras, esto principalmente al utilizar sales para el derretimiento de la nieve de las carreteras, se detectó que el uso de éstas acelera la aparición de este fenómeno (Mailen Sagarna Aramburu, 1976). La corrosión de las armaduras de acero representa un problema de gran importancia para las estructuras de hormigón armado porque la misma va asociada con una pérdida considerable de su sección transversal y la generación de tensiones de tracción en el hormigón, provocando fisuración o desprendimiento además de la perdida de la unión estructural entre el refuerzo y el hormigón. Además, la alta conductividad eléctrica, térmica y magnética del acero complementa su debilidad (Miguel Bermúdez Odrizola,2007). A fines de 1986, distintas empresas se dedicaron a investigar y desarrollar un método que supliera el deterioro acelerado de las barras de acero llegando a su remplazo donde comienzan las primeras investigaciones sobre compuestos a base de polímeros y fibras (Enrique Rocha Rangel,2011), llegando a 1997 donde se inauguró la primera obra civil que utiliza un compuesto de polímero reforzado con fibra de vidrio (PRFV) en Alemania, siendo pionera en esta nueva tecnología la que más tarde se sumaría en Europa junto con América del norte y Japón. Recientes avances en el campo de los materiales compuestos como los polímeros reforzados con fibras (PRF) dieron como resultado a materiales con excelentes potenciales para el refuerzo de elementos de hormigón armado en áreas donde el acero tiende a fallar como son los ambientes salinos y corrosivos. Estos remplazos vienen dados por polímeros reforzados con fibras de carbono (PRFC), Aramida (PRFA) y Fibra de vidrio (PRFV) (Ombres, Alkhrdaji, 2000). En este ámbito las PRFV vienen siendo las con mejores resultados para el remplazo de la armadura de acero en estructuras de hormigón armado siendo esta un área con potencial crecimiento en donde se ha desarrollado diferentes estudios para conocer el comportamiento de elementos de hormigón armado con PRFV. Estos estudios determinan que las barras de PRFV tienen un peso específico de 1,9 Kg/dm3 y resultan por tanto cuatro veces más livianas que el acero que tiene un peso específico de 7,9 kg/dm Esta propiedad es una de las mayores ventajas que posee este tipo de barras, ya que, disminuye de manera significativa el peso de la estructura además de, disminuir los costos de transporte, almacenamiento e instalación de las barras. (Tavarez y Giongo, 2009) estudiaron las armaduras de PRFV centrándose en su comportamiento cuando son sometidas a tensiones normales determinando los diagramas carga-deformación y de la capacidad resistente. En el análisis de los resultados consideraron que el factor limitante de las barras PRFV es el reducido módulo de elasticidad, por lo cual se obtienen mayores desplazamientos con ello concluyen que el diseño de estos elementos se debe utilizar la totalidad de la capacidad resistente del hormigón y el máximo de la capacidad resistente de las barras PRFV. Una de las propiedades más importantes a estudiar es la adherencia entre el hormigón y el PRFV para el empleo de este material ya que el comportamiento resistente de estructuras de hormigón armado se fundamenta en una adecuada transferencia de tensiones entre el hormigón y el acero. Algunos aspectos del comportamiento de anclaje del PRFV se encuentran comprobados pero la investigación experimental ha demostrado que, en comparación del acero convencional de refuerzo, el PRFV no puede desarrollar el mismo nivel de tenciones de adherencia, esta reducción en la fuerza se ha observado entre un 33% y 50% (Katz et al. 2011) Es por lo anteriormente expuesto es que este estudio pretende evaluar y contrastar el uso de arenas de cuarzo como recubrimiento de barras de PRFV con el fin de mejorar la adherencia entre la barra y el hormigón y así posicionar a este elemento como un competidor directo del acero de refuerzo en hormigones armados.
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Implementación de receptáculos soterrados como depósito de residuos sólidos en el plan de la ciudad de Valparaíso
(Universidad de Valparaíso, 2020-10) Vargas Gallardo, Mackarena el Pilar; Padilla Carreño, Uriel
Actualmente el manejo de residuos enfrenta desafíos, tanto en logística como en costos, dado el aumento en los volúmenes de residuos generados, producto del crecimiento poblacional en centros urbanos. La necesidad de controlar tanto daños a la población como al medio ambiente transforma el problema de recolección en un problema de públicos y de privados. Dentro de su ámbito, la gestión de residuos sólidos incluye todas las funciones administrativas, financieras legales, de planificación y de ingeniería involucradas en las soluciones de todos los problemas de los residuos sólidos. La utilización del espacio subterráneo es hoy en día una opción clave para lograr un desarrollo respetuoso con el medio ambiente y sostenible, especialmente en las zonas urbanas. Las actividades o infraestructuras pueden ser reubicadas bajo tierra liberando valioso espacio superficial para otros usos y mejorando las condiciones de vida urbana. El desarrollo de infraestructuras subterráneas, como los sistemas de contenedores soterrados, para la gestión y recolección eficientes de los flujos de residuos urbanos ofrece grandes ventajas y soluciones para abordar los problemas relacionados con estas actividades. Sin embargo, para que tal alternativa pueda ser aceptada y ser más utilizada, además de sus ventajas en la efectividad y en la amistad con el medio ambiente, debe demostrar su eficiencia en términos de rendimiento técnico, financiero y legal. Con la presente investigación se analizaron técnicas modernas disponibles de sistemas de contenedores soterrados y presentó la evaluación técnica, económica y ambiental de un sistema propuesto en sustitución del sistema existente de almacenamiento provisorio de residuos en la ciudad de Valparaíso.