Numerical invariants for measurable cocycles

The theory of numerical invariants for representations can be generalized to measurable cocycles. This provides a natural notion of maximality for cocycles associated to complex hyperbolic lattices with values in groups of Hermitian type. Among maximal cocycles, the class of Zariski dense ones turns out to have a rigid behavior. An alternative implementation of numerical invariants can be given by using equivariant maps at the level of boundaries and by exploiting the Burger-Monod approach to bounded cohomology. Due to their crucial role in this theory, we prove existence results in two different contexts. Precisely, we construct boundary maps for non-elementary cocycles into the isometry group of CAT(0)-spaces of finite telescopic dimension and for Zariski dense cocycles into simple Lie groups. Then we approach numerical invariants. Our first goal is to study cocycles from complex hyperbolic lattices into the Hermitian group SU(p,q). Following the theory recently developed by Moraschini and Savini, we define the Toledo invariant by using the pullback along cocycles, also by involving boundary maps. For cocycles Γ × X → SU(p,q) with 1

A model for diffusive and displacive phase transitions in steels

Heat treatment of steels is a process of fundamental importance in tailoring the properties of a material to the desired application; developing a model able to describe such process would allow to predict the microstructure obtained from the treatment and the consequent mechanical properties of the material. A steel, during a heat treatment, can undergo two different kinds of phase transitions [p.t.]: diffusive (second order p.t.) and displacive (first order p.t.); in this thesis, an attempt to describe both in a thermodynamically consistent framework is made; a phase field, diffuse interface model accounting for the coupling between thermal, chemical and mechanical effects is developed, and a way to overcome the difficulties arising from the treatment of the non-local effects (gradient terms) is proposed. The governing equations are the balance of linear momentum equation, the Cahn-Hilliard equation and the balance of internal energy equation. The model is completed with a suitable description of the free energy, from which constitutive relations are drawn. The equations are then cast in a variational form and different numerical techniques are used to deal with the principal features of the model: time-dependency, non-linearity and presence of high order spatial derivatives. Simulations are performed using DOLFIN, a C++ library for the automated solution of partial differential equations by means of the finite element method; results are shown for different test-cases. The analysis is reduced to a two dimensional setting, which is simpler than a three dimensional one, but still meaningful.

A Trans-dimensional inversion algorithm to model deformation sources with unconstrained shape in finite element domains

Ground deformation provides valuable insights on subsurface processes with pattens reflecting the characteristics of the source at depth. In active volcanic sites displacements can be observed in unrest phases; therefore, a correct interpretation is essential to assess the hazard potential. Inverse modeling is employed to obtain quantitative estimates of parameters describing the source. However, despite the robustness of the available approaches, a realistic imaging of these reservoirs is still challenging. While analytical models return quick but simplistic results, assuming an isotropic and elastic crust, more sophisticated numerical models, accounting for the effects of topographic loads, crust inelasticity and structural discontinuities, require much higher computational effort and information about the crust rheology may be challenging to infer. All these approaches are based on a-priori source shape constraints, influencing the solution reliability. In this thesis, we present a new approach aimed at overcoming the aforementioned limitations, modeling sources free of a-priori shape constraints with the advantages of FEM simulations, but with a cost-efficient procedure. The source is represented as an assembly of elementary units, consisting in cubic elements of a regular FE mesh loaded with a unitary stress tensors. The surface response due to each of the six stress tensor components is computed and linearly combined to obtain the total displacement field. In this way, the source can assume potentially any shape. Our tests prove the equivalence of the deformation fields due to our assembly and that of corresponding cavities with uniform boundary pressure. Our ability to simulate pressurized cavities in a continuum domain permits to pre-compute surface responses, avoiding remeshing. A Bayesian trans-dimensional inversion algorithm implementing this strategy is developed. 3D Voronoi cells are used to sample the model domain, selecting the elementary units contributing to the source solution and those remaining inactive as part of the crust.

Active fibre-reinforced composites with embedded shape memory alloys

This dissertation concerns active fibre-reinforced composites with embedded shape memory alloy wires. The structural application of active materials allows to develop adaptive structures which actively respond to changes in the environment, such as morphing structures, self-healing structures and power harvesting devices. In particular, shape memory alloy actuators integrated within a composite actively control the structural shape or stiffness, thus influencing the composite static and dynamic properties. Envisaged applications include, among others, the prevention of thermal buckling of the outer skin of air vehicles, shape changes in panels for improved aerodynamic characteristics and the deployment of large space structures. The study and design of active composites is a complex and multidisciplinary topic, requiring in-depth understanding of both the coupled behaviour of active materials and the interaction between the different composite constituents. Both fibre-reinforced composites and shape memory alloys are extremely active research topics, whose modelling and experimental characterisation still present a number of open problems. Thus, while this dissertation focuses on active composites, some of the research results presented here can be usefully applied to traditional fibre-reinforced composites or other shape memory alloy applications. The dissertation is composed of four chapters. In the first chapter, active fibre-reinforced composites are introduced by giving an overview of the most common choices available for the reinforcement, matrix and production process, together with a brief introduction and classification of active materials. The second chapter presents a number of original contributions regarding the modelling of fibre-reinforced composites. Different two-dimensional laminate theories are derived from a parent three-dimensional theory, introducing a procedure for the a posteriori reconstruction of transverse stresses along the laminate thickness. Accurate through the thickness stresses are crucial for the composite modelling as they are responsible for some common failure mechanisms. A new finite element based on the First-order Shear Deformation Theory and a hybrid stress approach is proposed for the numerical solution of the two-dimensional laminate problem. The element is simple and computationally efficient. The transverse stresses through the laminate thickness are reconstructed starting from a general finite element solution. A two stages procedure is devised, based on Recovery by Compatibility in Patches and three-dimensional equilibrium. Finally, the determination of the elastic parameters of laminated structures via numerical-experimental Bayesian techniques is investigated. Two different estimators are analysed and compared, leading to the definition of an alternative procedure to improve convergence of the estimation process. The third chapter focuses on shape memory alloys, describing their properties and applications. A number of constitutive models proposed in the literature, both one-dimensional and three-dimensional, are critically discussed and compared, underlining their potential and limitations, which are mainly related to the definition of the phase diagram and the choice of internal variables. Some new experimental results on shape memory alloy material characterisation are also presented. These experimental observations display some features of the shape memory alloy behaviour which are generally not included in the current models, thus some ideas are proposed for the development of a new constitutive model. The fourth chapter, finally, focuses on active composite plates with embedded shape memory alloy wires. A number of di®erent approaches can be used to predict the behaviour of such structures, each model presenting different advantages and drawbacks related to complexity and versatility. A simple model able to describe both shape and stiffness control configurations within the same context is proposed and implemented. The model is then validated considering the shape control configuration, which is the most sensitive to model parameters. The experimental work is divided in two parts. In the first part, an active composite is built by gluing prestrained shape memory alloy wires on a carbon fibre laminate strip. This structure is relatively simple to build, however it is useful in order to experimentally demonstrate the feasibility of the concept proposed in the first part of the chapter. In the second part, the making of a fibre-reinforced composite with embedded shape memory alloy wires is investigated, considering different possible choices of materials and manufacturing processes. Although a number of technological issues still need to be faced, the experimental results allow to demonstrate the mechanism of shape control via embedded shape memory alloy wires, while showing a good agreement with the proposed model predictions.

Numerical simulations of magma chamber dynamics at Campi Flegrei, and associated seismicity, deformation and gravity changes

Understanding the complex relationships between quantities measured by volcanic monitoring network and shallow magma processes is a crucial headway for the comprehension of volcanic processes and a more realistic evaluation of the associated hazard. This question is very relevant at Campi Flegrei, a volcanic quiescent caldera immediately north-west of Napoli (Italy). The system activity shows a high fumarole release and periodic ground slow movement (bradyseism) with high seismicity. This activity, with the high people density and the presence of military and industrial buildings, makes Campi Flegrei one of the areas with higher volcanic hazard in the world. In such a context my thesis has been focused on magma dynamics due to the refilling of shallow magma chambers, and on the geophysical signals detectable by seismic, deformative and gravimetric monitoring networks that are associated with this phenomenologies. Indeed, the refilling of magma chambers is a process frequently occurring just before a volcanic eruption; therefore, the faculty of identifying this dynamics by means of recorded signal analysis is important to evaluate the short term volcanic hazard. The space-time evolution of dynamics due to injection of new magma in the magma chamber has been studied performing numerical simulations with, and implementing additional features in, the code GALES (Longo et al., 2006), recently developed and still on the upgrade at the Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia in Pisa (Italy). GALES is a finite element code based on a physico-mathematical two dimensional, transient model able to treat fluids as multiphase homogeneous mixtures, compressible to incompressible. The fundamental equations of mass, momentum and energy balance are discretised both in time and space using the Galerkin Least-Squares and discontinuity-capturing stabilisation technique. The physical properties of the mixture are computed as a function of local conditions of magma composition, pressure and temperature.The model features enable to study a broad range of phenomenologies characterizing pre and sin-eruptive magma dynamics in a wide domain from the volcanic crater to deep magma feeding zones. The study of displacement field associated with the simulated fluid dynamics has been carried out with a numerical code developed by the Geophysical group at the University College Dublin (O’Brien and Bean, 2004b), with whom we started a very profitable collaboration. In this code, the seismic wave propagation in heterogeneous media with free surface (e.g. the Earth’s surface) is simulated using a discrete elastic lattice where particle interactions are controlled by the Hooke’s law. This method allows to consider medium heterogeneities and complex topography. The initial and boundary conditions for the simulations have been defined within a coordinate project (INGV-DPC 2004-06 V3_2 “Research on active volcanoes, precursors, scenarios, hazard and risk - Campi Flegrei”), to which this thesis contributes, and many researchers experienced on Campi Flegrei in volcanological, seismic, petrological, geochemical fields, etc. collaborate. Numerical simulations of magma and rock dynamis have been coupled as described in the thesis. The first part of the thesis consists of a parametric study aimed at understanding the eect of the presence in magma of carbon dioxide in magma in the convection dynamics. Indeed, the presence of this volatile was relevant in many Campi Flegrei eruptions, including some eruptions commonly considered as reference for a future activity of this volcano. A set of simulations considering an elliptical magma chamber, compositionally uniform, refilled from below by a magma with volatile content equal or dierent from that of the resident magma has been performed. To do this, a multicomponent non-ideal magma saturation model (Papale et al., 2006) that considers the simultaneous presence of CO2 and H2O, has been implemented in GALES. Results show that the presence of CO2 in the incoming magma increases its buoyancy force promoting convection ad mixing. The simulated dynamics produce pressure transients with frequency and amplitude in the sensitivity range of modern geophysical monitoring networks such as the one installed at Campi Flegrei . In the second part, simulations more related with the Campi Flegrei volcanic system have been performed. The simulated system has been defined on the basis of conditions consistent with the bulk of knowledge of Campi Flegrei and in particular of the Agnano-Monte Spina eruption (4100 B.P.), commonly considered as reference for a future high intensity eruption in this area. The magmatic system has been modelled as a long dyke refilling a small shallow magma chamber; magmas with trachytic and phonolitic composition and variable volatile content of H2O and CO2 have been considered. The simulations have been carried out changing the condition of magma injection, the system configuration (magma chamber geometry, dyke size) and the resident and refilling magma composition and volatile content, in order to study the influence of these factors on the simulated dynamics. Simulation results allow to follow each step of the gas-rich magma ascent in the denser magma, highlighting the details of magma convection and mixing. In particular, the presence of more CO2 in the deep magma results in more ecient and faster dynamics. Through this simulations the variation of the gravimetric field has been determined. Afterward, the space-time distribution of stress resulting from numerical simulations have been used as boundary conditions for the simulations of the displacement field imposed by the magmatic dynamics on rocks. The properties of the simulated domain (rock density, P and S wave velocities) have been based on data from literature on active and passive tomographic experiments, obtained through a collaboration with A. Zollo at the Dept. of Physics of the Federici II Univeristy in Napoli. The elasto-dynamics simulations allow to determine the variations of the space-time distribution of deformation and the seismic signal associated with the studied magmatic dynamics. In particular, results show that these dynamics induce deformations similar to those measured at Campi Flegrei and seismic signals with energies concentrated on the typical frequency bands observed in volcanic areas. The present work shows that an approach based on the solution of equations describing the physics of processes within a magmatic fluid and the surrounding rock system is able to recognise and describe the relationships between geophysical signals detectable on the surface and deep magma dynamics. Therefore, the results suggest that the combined study of geophysical data and informations from numerical simulations can allow in a near future a more ecient evaluation of the short term volcanic hazard.

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

Low-dimensional carbon allotropes: an electron microscopy investigation

The research reported in this manuscript concerns the structural characterization of graphene membranes and single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). The experimental investigation was performed using a wide range of transmission electron microscopy (TEM) techniques, from conventional imaging and diffraction, to advanced interferometric methods, like electron holography and Geometric Phase Analysis (GPA), using a low-voltage optical set-up, to reduce radiation damage in the samples. Electron holography was used to successfully measure the mean electrostatic potential of an isolated SWCNT and that of a mono-atomically thin graphene crystal. The high accuracy achieved in the phase determination, made it possible to measure, for the first time, the valence-charge redistribution induced by the lattice curvature in an individual SWCNT. A novel methodology for the 3D reconstruction of the waviness of a 2D crystal membrane has been developed. Unlike other available TEM reconstruction techniques, like tomography, this new one requires processing of just a single HREM micrograph. The modulations of the inter-planar distances in the HREM image are measured using Geometric Phase Analysis, and used to recover the waviness of the crystal. The method was applied to the case of a folded FGC, and a height variation of 0.8 nm of the surface was successfully determined with nanometric lateral resolution. The adhesion of SWCNTs to the surface of graphene was studied, mixing shortened SWCNTs of different chiralities and FGC membranes. The spontaneous atomic match of the two lattices was directly imaged using HREM, and we found that graphene membranes act as tangential nano-sieves, preferentially grafting achiral tubes to their surface.

Estimating persistent Betti numbers for discrete shape analysis

Persistent Topology is an innovative way of matching topology and geometry, and it proves to be an effective mathematical tool in shape analysis. In order to express its full potential for applications, it has to interface with the typical environment of Computer Science: It must be possible to deal with a finite sampling of the object of interest, and with combinatorial representations of it. Following that idea, the main result claims that it is possible to construct a relation between the persistent Betti numbers (PBNs; also called rank invariant) of a compact, Riemannian submanifold X of R^m and the ones of an approximation U of X itself, where U is generated by a ball covering centered in the points of the sampling. Moreover we can state a further result in which, this time, we relate X with a finite simplicial complex S generated, thanks to a particular construction, by the sampling points. To be more precise, strict inequalities hold only in "blind strips'', i.e narrow areas around the discontinuity sets of the PBNs of U (or S). Out of the blind strips, the values of the PBNs of the original object, of the ball covering of it, and of the simplicial complex coincide, respectively.

Analysis of optimal control problems for the incompressible MHD equations and implementation in a finite element multiphysics code

This thesis deals with the study of optimal control problems for the incompressible Magnetohydrodynamics (MHD) equations. Particular attention to these problems arises from several applications in science and engineering, such as fission nuclear reactors with liquid metal coolant and aluminum casting in metallurgy. In such applications it is of great interest to achieve the control on the fluid state variables through the action of the magnetic Lorentz force. In this thesis we investigate a class of boundary optimal control problems, in which the flow is controlled through the boundary conditions of the magnetic field. Due to their complexity, these problems present various challenges in the definition of an adequate solution approach, both from a theoretical and from a computational point of view. In this thesis we propose a new boundary control approach, based on lifting functions of the boundary conditions, which yields both theoretical and numerical advantages. With the introduction of lifting functions, boundary control problems can be formulated as extended distributed problems. We consider a systematic mathematical formulation of these problems in terms of the minimization of a cost functional constrained by the MHD equations. The existence of a solution to the flow equations and to the optimal control problem are shown. The Lagrange multiplier technique is used to derive an optimality system from which candidate solutions for the control problem can be obtained. In order to achieve the numerical solution of this system, a finite element approximation is considered for the discretization together with an appropriate gradient-type algorithm. A finite element object-oriented library has been developed to obtain a parallel and multigrid computational implementation of the optimality system based on a multiphysics approach. Numerical results of two- and three-dimensional computations show that a possible minimum for the control problem can be computed in a robust and accurate manner.

Weighted Inequalities and Lipschitz Spaces

In this thesis I have characterized the trace measures for particular potential spaces of functions defined on R^n, but "mollified" so that the potentials are de facto defined on the upper half-space of R^n. The potential functions are kind Riesz-Bessel. The characterization of trace measures for these spaces is a test condition on elementary sets of the upper half-space. To prove the test condition as sufficient condition for trace measures, I had give an extension to the case of upper half-space of the Muckenhoupt-Wheeden and Wolff inequalities. Finally I characterized the Carleson-trace measures for Besov spaces of discrete martingales. This is a simplified discrete model for harmonic extensions of Lipschitz-Besov spaces.

Fluid-structure interaction by a coupled lattice Boltzmann-finite element approach

In this thesis, a strategy to model the behavior of fluids and their interaction with deformable bodies is proposed. The fluid domain is modeled by using the lattice Boltzmann method, thus analyzing the fluid dynamics by a mesoscopic point of view. It has been proved that the solution provided by this method is equivalent to solve the Navier-Stokes equations for an incompressible flow with a second-order accuracy. Slender elastic structures idealized through beam finite elements are used. Large displacements are accounted for by using the corotational formulation. Structural dynamics is computed by using the Time Discontinuous Galerkin method. Therefore, two different solution procedures are used, one for the fluid domain and the other for the structural part, respectively. These two solvers need to communicate and to transfer each other several information, i.e. stresses, velocities, displacements. In order to guarantee a continuous, effective, and mutual exchange of information, a coupling strategy, consisting of three different algorithms, has been developed and numerically tested. In particular, the effectiveness of the three algorithms is shown in terms of interface energy artificially produced by the approximate fulfilling of compatibility and equilibrium conditions at the fluid-structure interface. The proposed coupled approach is used in order to solve different fluid-structure interaction problems, i.e. cantilever beams immersed in a viscous fluid, the impact of the hull of the ship on the marine free-surface, blood flow in a deformable vessels, and even flapping wings simulating the take-off of a butterfly. The good results achieved in each application highlight the effectiveness of the proposed methodology and of the C++ developed software to successfully approach several two-dimensional fluid-structure interaction problems.

Knots and links in lens spaces

The aim of this dissertation is to improve the knowledge of knots and links in lens spaces. If the lens space L(p,q) is defined as a 3-ball with suitable boundary identifications, then a link in L(p,q) can be represented by a disk diagram, i.e. a regular projection of the link on a disk. In this contest, we obtain a complete finite set of Reidemeister-type moves establishing equivalence, up to ambient isotopy. Moreover, the connections of this new diagram with both grid and band diagrams for links in lens spaces are shown. A Wirtinger-type presentation for the group of the link and a diagrammatic method giving the first homology group are described. A class of twisted Alexander polynomials for links in lens spaces is computed, showing its correlation with Reidemeister torsion. One of the most important geometric invariants of links in lens spaces is the lift in 3-sphere of a link L in L(p,q), that is the counterimage of L under the universal covering of L(p,q). Starting from the disk diagram of the link, we obtain a diagram of the lift in the 3-sphere. Using this construction it is possible to find different knots and links in L(p,q) having equivalent lifts, hence we cannot distinguish different links in lens spaces only from their lift. The two final chapters investigate whether several existing invariants for links in lens spaces are essential, i.e. whether they may assume different values on links with equivalent lift. Namely, we consider the fundamental quandle, the group of the link, the twisted Alexander polynomials, the Kauffman Bracket Skein Module and an HOMFLY-PT-type invariant.

A new 3D modelling paradigm for discrete model

Until few years ago, 3D modelling was a topic confined into a professional environment. Nowadays technological innovations, the 3D printer among all, have attracted novice users to this application field. This sudden breakthrough was not supported by adequate software solutions. The 3D editing tools currently available do not assist the non-expert user during the various stages of generation, interaction and manipulation of 3D virtual models. This is mainly due to the current paradigm that is largely supported by two-dimensional input/output devices and strongly affected by obvious geometrical constraints. We have identified three main phases that characterize the creation and management of 3D virtual models. We investigated these directions evaluating and simplifying the classic editing techniques in order to propose more natural and intuitive tools in a pure 3D modelling environment. In particular, we focused on freehand sketch-based modelling to create 3D virtual models, interaction and navigation in a 3D modelling environment and advanced editing tools for free-form deformation and objects composition. To pursuing these goals we wondered how new gesture-based interaction technologies can be successfully employed in a 3D modelling environments, how we could improve the depth perception and the interaction in 3D environments and which operations could be developed to simplify the classical virtual models editing paradigm. Our main aims were to propose a set of solutions with which a common user can realize an idea in a 3D virtual model, drawing in the air just as he would on paper. Moreover, we tried to use gestures and mid-air movements to explore and interact in 3D virtual environment, and we studied simple and effective 3D form transformations. The work was carried out adopting the discrete representation of the models, thanks to its intuitiveness, but especially because it is full of open challenges.