Ab initio quantum mechanical investigation of structural and chemical-physical properties of selected minerals for minero-petrological, structural ceramic and biomaterial applications

The purpose of this thesis is the atomic-scale simulation of the crystal-chemical and physical (phonon, energetic) properties of some strategically important minerals for structural ceramics, biomedical and petrological applications. These properties affect the thermodynamic stability and rule the mineral-environment interface phenomena, with important economical, (bio)technological, petrological and environmental implications. The minerals of interest belong to the family of phyllosilicates (talc, pyrophyllite and muscovite) and apatite (OHAp), chosen for their importance in industrial and biomedical applications (structural ceramics) and petrophysics. In this thesis work we have applicated quantum mechanics methods, formulas and knowledge to the resolution of mineralogical problems ("Quantum Mineralogy”). The chosen theoretical approach is the Density Functional Theory (DFT), along with periodic boundary conditions to limit the portion of the mineral in analysis to the crystallographic cell and the hybrid functional B3LYP. The crystalline orbitals were simulated by linear combination of Gaussian functions (GTO). The dispersive forces, which are important for the structural determination of phyllosilicates and not properly con-sidered in pure DFT method, have been included by means of a semi-empirical correction. The phonon and the mechanical properties were also calculated. The equation of state, both in athermal conditions and in a wide temperature range, has been obtained by means of variations in the volume of the cell and quasi-harmonic approximation. Some thermo-chemical properties of the minerals (isochoric and isobaric thermal capacity) were calculated, because of their considerable applicative importance. For the first time three-dimensional charts related to these properties at different pressures and temperatures were provided. The hydroxylapatite has been studied from the standpoint of structural and phonon properties for its biotechnological role. In fact, biological apatite represents the inorganic phase of vertebrate hard tissues. Numerous carbonated (hydroxyl)apatite structures were modelled by QM to cover the broadest spectrum of possible biological structural variations to fulfil bioceramics applications.

Sulla energia dissipata in alcuni organi di macchina

Questa tesi riguarda l'analisi delle trasmissioni ad ingranaggi e delle ruote dentate in generale, nell'ottica della minimizzazione delle perdite di energia. È stato messo a punto un modello per il calcolo della energia e del calore dissipati in un riduttore, sia ad assi paralleli sia epicicloidale. Tale modello consente di stimare la temperatura di equilibrio dell'olio al variare delle condizioni di funzionamento. Il calcolo termico è ancora poco diffuso nel progetto di riduttori, ma si è visto essere importante soprattutto per riduttori compatti, come i riduttori epicicloidali, per i quali la massima potenza trasmissibile è solitamente determinata proprio da considerazioni termiche. Il modello è stato implementato in un sistema di calcolo automatizzato, che può essere adattato a varie tipologie di riduttore. Tale sistema di calcolo consente, inoltre, di stimare l'energia dissipata in varie condizioni di lubrificazione ed è stato utilizzato per valutare le differenze tra lubrificazione tradizionale in bagno d'olio e lubrificazione a “carter secco” o a “carter umido”. Il modello è stato applicato al caso particolare di un riduttore ad ingranaggi a due stadi: il primo ad assi paralleli ed il secondo epicicloidale. Nell'ambito di un contratto di ricerca tra il DIEM e la Brevini S.p.A. di Reggio Emilia, sono state condotte prove sperimentali su un prototipo di tale riduttore, prove che hanno consentito di tarare il modello proposto [1]. Un ulteriore campo di indagine è stato lo studio dell’energia dissipata per ingranamento tra due ruote dentate utilizzando modelli che prevedano il calcolo di un coefficiente d'attrito variabile lungo il segmento di contatto. I modelli più comuni, al contrario, si basano su un coefficiente di attrito medio, mentre si può constatare che esso varia sensibilmente durante l’ingranamento. In particolare, non trovando in letteratura come varia il rendimento nel caso di ruote corrette, ci si è concentrati sul valore dell'energia dissipata negli ingranaggi al variare dello spostamento del profilo. Questo studio è riportato in [2]. È stata condotta una ricerca sul funzionamento di attuatori lineari vite-madrevite. Si sono studiati i meccanismi che determinano le condizioni di usura dell'accoppiamento vite-madrevite in attuatori lineari, con particolare riferimento agli aspetti termici del fenomeno. Si è visto, infatti, che la temperatura di contatto tra vite e chiocciola è il parametro più critico nel funzionamento di questi attuatori. Mediante una prova sperimentale, è stata trovata una legge che, data pressione, velocità e fattore di servizio, stima la temperatura di esercizio. Di tale legge sperimentale è stata data un'interpretazione sulla base dei modelli teorici noti. Questo studio è stato condotto nell'ambito di un contratto di ricerca tra il DIEM e la Ognibene Meccanica S.r.l. di Bologna ed è pubblicato in [3].

Ricerca ed applicazione di nuovi metodi di progettazione meccanica e di industrial design

The present dissertation relates to methodologies and technics about industrial and mechanical design. The author intends to give a complete idea about the world of design, showing the theories of Quality Function Deployment and TRIZ, of other methods just like planning, budgeting, Value Analysis and Engineering, Concurrent Engineering, Design for Assembly and Manufactoring, etc., and their applications to five concrete cases. In these cases there are also illustrated design technics as CAD, CAS, CAM; Rendering, which are ways to transform an idea into reality. The most important object of the work is, however, the birth of a new methodology, coming up from a comparison between QFD and TRIZ and their integration through other methodologies, just like Time and Cost Analysis, learned and skilled during an important experience in a very famous Italian automotive factory.

Indagine sulle cause del ritardo nello sviluppo della distribuzione assicurativa in Italia in ottica comparata

L’attività assicurativa svolge un ruolo cruciale nell’economia moderna: riduce le inefficienze di mercato, rendendo possibile per la c.d. economia reale il trasferimento di rischi il cui impatto potrebbe essere devastante qualora l’evento assicurato si verificasse. Questa funzione può naturalmente essere svolta anche in assenza di un canale distributivo indipendente, ma con un significativo aumento dei costi di transazione dovuti, in particolare, a un alto impatto dell’asimmetria informativa per i c.d. rischi non standardizzabili (c.d. commercial lines o business insurance). Tale funzione è tanto più importante nei c.d. cicli di hard market, in cui l’appetito per il rischio delle imprese assicuratrici diminuisce, il prezzo delle coperture aumenta e per le imprese diventa arduo trovare eque coperture sul mercato d’offerta. Lo studio evidenzia che gli intermediari indipendenti italiani non differiscono molto da quelli di altri Paesi per composizione di portafoglio, propensione all’intermediazione di rischi afferenti al segmento Aziende e capacità di selezionare con attenzione i rischi. Nel loro complesso, intermediari indipendenti e in esclusiva sembrano ancorati a modelli e logiche di sviluppo poco orientate al futuro, quali ad esempio poco significative politiche di costruzione di reti secondarie al loro interno. Questo orientamento impedisce a molti di loro di crescere. Le cause ostative alla diffusione del plurimandato sono i costi di transazione e i timori di ritorsione della mandante principale. Dato che l’acquisizione di ulteriori mandati dipende dal numero di clienti in portafoglio in termini di policy sarebbe opportuno, da un lato, riconoscere agli intermediari l’importanza degli investimenti in reti secondarie e, dall’altro, rimuovere tutte gli ostacoli (prevalentemente di natura regolamentare) che impediscono un’ulteriore riduzione dei costi di transazione.

La risonanza olistica. Arte, pedagogia e scienza della voce nelle culture dello spettacolo

La ricerca impostata considera campi disciplinari specifici e distinti, verso la loro integrazione, mirando a produrre un avanzamento relativo alla scienza della voce attraverso la pratica e lo studio della sua applicazione in campo artistico. A partire dall’analisi delle teorie novecentesche relative alla fonazione nel mondo della scena (Antonin Artaud, Stanislavskij e altri) per giungere alle acquisizioni prodotte dalle terapie corporee e vocali (Tomatis, Lowen, Wilfart in particolare), Marco Galignano ha sviluppato un percorso originale che è passato inoltre attraverso lo studio della pratica di una serie di artisti contemporanei (tra cui Baliani, Belli, Bergonzoni, Jodorowski, Hera, Lucenti e Manfredini) e di pedagoghi e terapeuti (da Serge Wilfart al maestro Paolo Zedda). Galignano ha inoltre riferito, nel suo lavoro, gli esiti della sua personale esperienza di formatore, sviluppata a Bologna all’interno di diversi Dipartimenti dell’Università Alma Mater, del Conservatorio di Musica G.B. Martini, dell’Accademia di Belle Arti e del Teatro Duse in particolare. L’obiettivo della tesi è dunque quello di fondare le basi teoriche per una rinnovata pedagogia vocale, a partire dalla possibile riscoperta del suono naturale fino a giungere alle potenzialità terapeutiche ed artistiche del linguaggio. Gli obiettivi di questo lavoro contemplano l’istituzione di una nuova modalità pedagogica, la sua diffusione attraverso una presentazione opportunamente composta e la sua inscrizione in diverse occorrenze artistiche e professionali. Molte le personalità di spicco del panorama internazionale della scienza e dell’arte della voce che hanno contribuito, negli anni, alla presente ricerca: Francesca Della Monica, insegnante di canto e performer, Tiziana Fuschini, logopedista, Franco Fussi, foniatra, Silvia Magnani, foniatra ed esperta di teatro, Gianpaolo Mignardi, logopedista, Dimitri Pasquali, pedagogo, Livio Presutti, medico chirurgo otorinolaringoiatra, Simonetta Selva, medico dello sport, Serge Wilfart, terapeuta della voce, Paolo Zedda, professore di canto in diverse realtà e Maestro di dizione al Conservatorio Nazionale di Parigi, e molti altri, oltre agli artisti citati in fondo, con le loro ricerche hanno contribuito direttamente alla redazione dell’elaborato finale, che mira a fondare le basi di una rinnovata pedagogia vocale per il teatro in Italia. La ricerca vuole infatti colmare in parte la penuria di apporti scientifici specificamente rivolti alla formazione vocale dell’attore teatrale. II lavoro vorrebbe inoltre raccogliere l’eredita di quei teorici, maestri e registi-pedagoghi che nel Novecento hanno posto le basi per la formazione dell’attore, e al tempo stesso prolungare la linea genealogica che da Stanislavskji trascorre in Grotowski, senza escludere esperienze fondate su presupposti alternativi alla formazione del repertorio vocale del performer: psicofisicità, terapie olistiche, fisica quantistica. Come accennato, una parte della ricerca è stata condotta in collaborazione col Prof. Franco Fussi, correlatore, e grazie al lavoro di redazione nel gruppo della rivista Culture Teatrali, diretto da Marco De Marinis, relatore. II percorso ha inteso infatti sviluppare alcune delle linee di ricerca aperte da Fussi virandole verso lo specifico dell’attività e del training vocale dell’attore, e ha avuto una tappa di verifica rilevante nel Convegno Internazionale di Foniatria e Logopedia “La Voce Artistica” di cui Fussi è direttore, a cui Galignano ha partecipato in veste di relatore. 1. II concetto guida del lavoro di Galignano risiede nell’idea di vibrazione e nel rapporto che questa intrattiene col suono. Il suono, per l’essere umano, costituisce la base materiale della fonazione, del linguaggio codificato comunitariamente così come dei particolari idioletti in continua evoluzione, basi della comunicazione verbale e paraverbale. Il linguaggio umano è costituito principalmente da sonorità vocale e da articolazione consonantica (rumori), e cioè composto di suoni armonici e di rumori prodotti da apparati articolari del corpo che risultano efficaci solo se integrati nel corpo da cui originano. A partire da un tentativo di definizione di salute corporea e di equilibrio psicofisico, attraverso l’analisi della rigenerazione cellulare e delle dinamiche comportamentali, Galignano definisce scientificamente la lingua parlata come emersione di codici comunicativi che originano da una schematizzazione del mondo intimo-personale del soggetto e si fondano su memorie molecolari, sull’attitudine comportamentale abituale, tra spontaneità, automatismi e capacità episodica di attenzione psicofisica. Ciò costituisce, per Galignano, la “risonanza olistica” alla base dell’efficacia comunicativa in sede pedagogica. L’argomento, che verrà sviluppato per la presentazione editoriale dell’elaborato e di cui la tesi di dottorato è solo una prima tappa in fieri, è stato sviscerato anche sulla base di nozioni di fisica classica e di fisica quantistica. Ciò senza dimenticare gli studi approfonditi sulla vocalità in ambito filosofico, da Bologna a Cavarero, da Napolitano a Zumthor. La tesi è composta attraverso una progressione che, a partire da una dichiarazione di poetica, trascorre poi verso l’analisi della fisiologia e della psicologia della voce, per approdare a una zona di approfondimento scientifico, teorico ed empirico, di una serie di metodi d’avanguardia di abilitazione e riabilitazione. In ultimo, come appendice, vengono riferiti i risultati del percorso laboratoriale condotto nel corso degli anni del dottorato di ricerca. Le esperienze sul campo maturate nell’ambito dell’attività pedagogica e laboratoriale si sono inoltre sviluppate a partire da un Progetto Strategico d’Ateneo dell’Università di Bologna intitolato “La Voce nel Corpo. La Recitazione e il Movimento Coreografico”, di cui Marco Galignano è responsabile scientifico. Un tempo specifico della tesi di dottorato è dunque composto a partire dai risultati maturati attraverso le varie azioni, laboratoriali e artistiche, che fin qui il progetto “La Voce nel Corpo” ha prodotto. In definitiva, attraverso il tessuto composto da esperienze pedagogiche, pratica artistica e ricerca scientifica, la tesi di dottorato di Galignano, work in progress, mira a comporre un sistema integrato, teorico-pratico, per l’insegnamento e la trasmissione di una specifica tecnica vocale calata nella pratica attoriale, ma utile a fini ulteriori, da quello riabilitativo fino alle tecniche di cura del sé su cui s’e appuntata la riflessione filosofica erede della teoresi artaudiana. La parte conclusiva della ricerca riguarda i suoi possibili futuri sviluppi, specifici, impostati attraverso la collaborazione, attuale, passata o in divenire, con artisti quali Marco Baliani, Matteo Belli, Alessandro Bergonzoni, Albert Hera, Michela Lucenti, Danio Manfredini e altri a cui Marco Galignano è particolarmente riconoscente.

The relation between geometry and matter in classical and quantum gravity and cosmology

The present thesis is divided into two main research areas: Classical Cosmology and (Loop) Quantum Gravity. The first part concerns cosmological models with one phantom and one scalar field, that provide the `super-accelerated' scenario not excluded by observations, thus exploring alternatives to the standard LambdaCDM scenario. The second part concerns the spinfoam approach to (Loop) Quantum Gravity, which is an attempt to provide a `sum-over-histories' formulation of gravitational quantum transition amplitudes. The research here presented focuses on the face amplitude of a generic spinfoam model for Quantum Gravity.

Caratterizzazione meccanica multiscala di materiali rocciosi strutturalmente complessi

The research work was aimed at studying, with a deterministic approach, the relationships between the rock’s texture and its mechanical properties determined at the laboratory scale. The experimentation was performed on a monomineralic crystalline rock, varying in texture, i.e. grains shape. Multi-scale analysis has been adopted to determine the elasto-mechanical properties of the crystals composing the rock and its strength and deformability at the macro-scale. This let us to understand how the structural variability of the investigated rock affects its macromechanical behaviour. Investigations have been performed on three different scales: nano-scale (order of nm), micro-scale (tens of m) and macro-scale (cm). Innovative techniques for rock mechanics, i.e. Depth Sensing Indentation (DSI), have been applied, in order to determine the elasto-mechanical properties of the calcite grains. These techniques have also allowed to study the influence of grain boundaries on the mechanical response of calcite grains by varying the indents’ sizes and to quantify the effect of the applied load on the hardness and elastic modulus of the grain (indentation size effect, ISE). The secondary effects of static indentation Berkovich, Vickers and Knoop were analyzed by SEM, and some considerations on the rock’s brittle behaviour and the effect of microcracks can be made.

Vendemmia meccanica: aspettative, problematiche e risposte sperimentali

Lo vendemmia meccanica incontra ancora resistenze legate al timore di peggiorare la qualità del prodotto e di avere elevate perdite di raccolta. In questo contesto sono state effettuate quattro prove sperimentali, finalizzate a definire le interazioni macchina, pianta e prodotto raccolto e a valutare nuove possibilità di regolazione delle vendemmiatrici e di gestione del prodotto raccolto. Le prime due sono state realizzate con vendemmiatrici a scuotimento orizzontale e verticale. L’obiettivo è stato quello di individuare l’influenza della frequenza del battitore sull’efficienza di raccolta e sulla qualità del prodotto e di verificare il maltrattamento provocato dagli organi di intercettazione e trasporto della vendemmiatrice. I risultati hanno dimostrato l’importanza della corretta regolazione del battitore delle vendemmiatrici a scuotimento orizzontale che operano direttamente sulla fascia produttiva del vigneto. Questa regolazione risulta più semplice sulle macchine a scuotimento verticale che agiscono indirettamente sui fili di sostegno delle doppie cortine. La misura delle sollecitazioni all’interno della macchina ha evidenziato valori anche elevati, pericolosi per l’integrità del prodotto raccolto, legati alla differente costruzione degli organi d’intercettazione e trasporto. La terza prova ha valutato l’efficacia di due nuovi accessori per le vendemmiatrici: la regolazione dell’ampiezza del battitore e un sensore per misurare in continuo il grado di ammostamento provocato. I risultati hanno dimostrato la loro validità per migliorare le prestazioni operative delle vendemmiatrici e per fornire agli operatori uno strumento di controllo in tempo reale sulla qualità della raccolta. Infine, considerando che le vendemmiatrici producono sempre un ammostamento dell’uva, abbiamo verificato un sistema innovativo che permette di anticipare la protezione del mosto libero già durante il trasporto dal campo. Il sistema si è dimostrato semplice, efficace ed economico. Queste esperienze hanno dimostrano che la vendemmia meccanica, se correttamente gestita, permette di ottenere ottimi risultati sotto il profilo qualitativo, tecnologico ed economico.

Reverse Engineering tools: development and experimentation of innovative methods for physical and geometrical data integration and post-processing

In recent years, the use of Reverse Engineering systems has got a considerable interest for a wide number of applications. Therefore, many research activities are focused on accuracy and precision of the acquired data and post processing phase improvements. In this context, this PhD Thesis deals with the definition of two novel methods for data post processing and data fusion between physical and geometrical information. In particular a technique has been defined for error definition in 3D points’ coordinates acquired by an optical triangulation laser scanner, with the aim to identify adequate correction arrays to apply under different acquisition parameters and operative conditions. Systematic error in data acquired is thus compensated, in order to increase accuracy value. Moreover, the definition of a 3D thermogram is examined. Object geometrical information and its thermal properties, coming from a thermographic inspection, are combined in order to have a temperature value for each recognizable point. Data acquired by an optical triangulation laser scanner are also used to normalize temperature values and make thermal data independent from thermal-camera point of view.

La matematica fuzzy nell'ingegneria dei materiali. Applicazioni alla durevolezza e alla conservazione dei materiali in opera nei siti archeologici

La ricerca presentata è un’ampia esplorazione delle possibili applicazioni di concetti, metodi e procedure della Fuzzy Logic all’Ingegneria dei Materiali. Tale nuovo approccio è giustificato dalla inadeguatezza dei risultati conseguiti con i soli metodi tradizionali riguardo alla reologia ed alla durabilità, all’utilizzo di dati di laboratorio nella progettazione e alla necessità di usare un linguaggio (informatizzabile) che consenta una valutazione congiunta degli aspetti tecnici, culturali, economici, paesaggistici della progettazione. – In particolare, la Fuzzy Logic permette di affrontare in modo razionale l’aleatorietà delle variabili e dei dati che, nel settore specifico dei materiali in opera nel costruito dei Beni Culturali, non possono essere trattati con i metodi statistici ordinari. – La scelta di concentrare l’attenzione su materiali e strutture in opera in siti archeologici discende non solo dall’interesse culturale ed economico connesso ai sempre più numerosi interventi in questo nuovo settore di pertinenza dell’Ingegneria dei Materiali, ma anche dal fatto che, in tali contesti, i termini della rappresentatività dei campionamenti, della complessità delle interazioni tra le variabili (fisiche e non), del tempo e quindi della durabilità sono evidenti ed esasperati. – Nell’ambito di questa ricerca si è anche condotto un ampio lavoro sperimentale di laboratorio per l’acquisizione dei dati utilizzati nelle procedure di modellazione fuzzy (fuzzy modeling). In tali situazioni si è operato secondo protocolli sperimentali standard: acquisizione della composizione mineralogica tramite diffrazione di raggi X (XRD), definizione della tessitura microstrutturale con osservazioni microscopiche (OM, SEM) e porosimetria tramite intrusione forzata di mercurio (MIP), determinazioni fisiche quali la velocità di propagazione degli ultrasuoni e rotoviscosimetria, misure tecnologiche di resistenza meccanica a compressione uniassiale, lavorabilità, ecc. – Nell’elaborazione dei dati e nella modellazione in termini fuzzy, la ricerca è articolata su tre livelli: a. quello dei singoli fenomeni chimico-fisici, di natura complessa, che non hanno trovato, a tutt’oggi, una trattazione soddisfacente e di generale consenso; le applicazioni riguardano la reologia delle dispersioni ad alto tenore di solido in acqua (calci, cementi, malte, calcestruzzi SCC), la correlazione della resistenza a compressione, la gelività dei materiali porosi ed alcuni aspetti della durabilità del calcestruzzo armato; b. quello della modellazione della durabilità dei materiali alla scala del sito archeologico; le applicazioni presentate riguardano i centri di cultura nuragica di Su Monte-Sorradile, GennaMaria-Villanovaforru e Is Paras-Isili; c. quello della scelta strategica costituita dalla selezione del miglior progetto di conservazione considerando gli aspetti connessi all’Ingegneria dei Materiali congiuntamente a quelli culturali, paesaggistici ed economici; le applicazioni hanno riguardato due importanti monumenti (Anfiteatro e Terme a Mare) del sito Romano di Nora-Pula.