Il metodo di Hartree-Fock

Il metodo Hartree-Fock permette di determinare approssimativamente la funzione d'onda e l'energia per atomi a più elettroni in uno stato stazionario. Più in generale, si applica a sistemi quantistici a N-corpi, per studiare, ad esempio, gli elettroni nelle molecole e nei solidi. Il punto di partenza di questo metodo è il modello della particella indipendente; sotto questa ipotesi, ogni elettrone del sistema è descritto dalla propria funzione d'onda. Il contributo di D. R. Hartree allo studio della struttura di atomi complessi consiste nell'aver formulato le equazioni per le funzioni d'onda dei singoli elettroni usando argomentazioni intuitive e nell'avere inoltre proposto, per la loro risoluzione, una procedura iterativa basata sul requisito di autoconsistenza. La generalizzazione del suo metodo, che tiene conto del requisito di antisimmetria imposto dal principio di esclusione di Pauli, fu formulata da V. A. Fock e J. C. Slater. Con tale tecnica si assume che la funzione d'onda totale a N-elettroni sia un determinante di Slater, ovvero un prodotto antisimmetrico di orbitali relativi a singoli elettroni. Il determinante di Slater ottimale si ottiene usando il metodo variazionale per individuare i migliori spin-orbitali.

Sviluppo e validazione sperimentale di modelli per la simulazione di una microrete di generazione e di accumulo

Nel corso degli anni le fonti rinnovabili e in particolare il fotovoltaico hanno assunto un ruolo sempre più importante nel panorama energetico italiano. Si è effettuata un’analisi della tecnologia fotovoltaica illustrandone il funzionamento, le tipologie di pannelli, il calcolo dell’energia elettrica producibile e le curve caratteristiche. Dal momento che la maggior parte delle rinnovabili presenta il problema della non programmabilità dovuta alla produzione intermittente, è necessario adottare dei sistemi di accumulo. Tali sistemi vengono mostrati, con particolare riguardo per le batterie al piombo acido e per l’idrogeno immagazzinato in idruri metallici, spiegando nel dettaglio l’elettrolisi e gli elettrolizzatori PEM. Dopo questa panoramica iniziale, si è illustrato l’impianto oggetto di questa tesi, composto principalmente da due pannelli fotovoltaici, un simulatore solare, due batterie al Piombo, un elettrolizzatore, un carico e un alimentatore. In seguito viene spiegata l’attività sperimentale, svolta sulle prove di laboratorio ai fini di ottenere le curve di funzionamento dei vari componenti, tramite due approcci diversi: per il sistema atto all’elettrolisi e per tutti i suoi componenti si è usato un modello black-box, per i pannelli fotovoltaici si è usato un approccio fisico-matematico partendo dalle equazioni del simulatore solare applicandovi i dati dei pannelli del laboratorio. Una volta ottenute queste curve, si è creato un modello completo del laboratorio per simularne il funzionamento al variare dell’irraggiamento. Si è testato prima il modello su un’utenza da 3 kW, poi, dopo aver confrontato gli andamenti reali con quelli ottenuti, si sono simulate varie configurazioni per trovare quella che permette al sistema di produrre idrogeno alla potenza nominale di 250 W in una giornata senza supplemento della rete elettrica.

Alcuni applicazioni dell'azione di un gruppo su un insieme

la tesi tratta alcuni risultati e applicazioni relative alla teoria delle azioni di gruppi su insiemi finiti, come l'equazione delle classi e il teorema di Cauchy. Infine illustra l'uso di tali risultati nella rappresentazione tramite permutazioni.

MOND e TeVeS: teorie alternative all'ipotesi di materia oscura

In questa tesi descriviamo due teorie, la MOND e la TeVeS, che si pongono come alternativa all’ipotesi dell’esistenza della materia oscura. Seguendo l’ordine storico degli eventi, nel primo capitolo presentiamo i dati sperimentali e le considerazioni teoriche che hanno convinto gli scienziati del ’900 che la massa osservata nell’Universo sia minore della massa dinamica inferita dalla fisica newtoniana e dalla Relatività Generale. Il primo tentativo di risolvere questo problema è consistito nell’ipotizzare l’esistenza di una materia non ancora osservata, divenuta nota come “materia oscura”. Affrontando le questioni sollevate dalle curve di rotazione delle galassie a spirale, dalla relazione di Tully-Fisher, dalla legge di Freeman e dalle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo, vedremo come questa ipotesi si sia evoluta per tenere conto dei risultati sperimentali, a partire dal modello della sfera isoterma fino al modello ΛCDM, e i problemi che essa non risolve. Nel secondo capitolo descriviamo la MOND, una modifica della dinamica newtoniana nata con l’obiettivo di ridurre la quantità di materia oscura necessaria per descrivere l’Universo. Il problema della massa nascosta può, infatti, essere dovuto a un’incompleta comprensione delle leggi della fisica e, confrontando la MOND con i dati sperimentali presentati nel primo capitolo, vedremo come essa riesca a descrivere la dinamica su scale galattiche ed extragalattiche. Concluderemo il capitolo mostrando una densità di lagrangiana capace di riprodurre la formula fenomenologica della MOND. Per affrontare le questioni cosmologiche è necessario disporre di una teoria relativistica che recuperi la MOND nel limite di campo debole. Nel terzo capitolo trattiamo quindi la TeVeS, riportando le azioni che permettono di derivare le equazioni dei campi di tale teoria. Dopo averne studiato i limiti relativistici e non relativistici, accenneremo a come essa permetta di estendere il paradigma MOND in campo cosmologico.

Realizzazione di un dispositivo elettromeccanico per la simulazione e per la ricerca di una soluzione stabile del sistema dinamico del pendolo inverso

Obiettivo della tesi è la realizzazione di un dispositivo in grado di riprodurre il sistema del pendolo inverso e di trovare soluzioni vicine alla posizione di equilibrio stabile. Verranno ricavate le equazioni del moto che descrivono il sistema attraverso la meccanica Lagrangiana. Una volta integrate numericamente le equazioni, si procederà con la ricerca di una funzione di controllo per mantenere in equilibrio il sistema: l'efficacia della soluzione verrà valutata graficamente, senza approfondire l'approccio proveniente dalla teoria del controllo che ne è alla base. Infine il sistema verrà realizzato praticamente ed utilizzeremo le stesse funzioni studiate in precedenza.

Modelli dinamici di geodinamo

Questa tesi introduce le basi del geomagnetismo partendo da un approccio ai modelli fluidi e alle equazioni MHS, accennando alle numerose difficoltà che portano in materia di simulazioni e calcoli. In seguito si introducono i modelli a disco con uno studio approfondito della dinamica che, pur partendo da equazioni molto più semplici e approssimate della trattazione fluida, trova riscontro con i punti fondamentali del geomagnetismo e con i comportamenti dei modelli fluidi.

Analisi delle prestazioni di elettrolizzatori tipo PEM

Le fonti di energia rinnovabili rappresentano una forma di energia indispensabile al sostentamento dell’attuale sistema produttivo mondiale. L’energia eolica e fotovoltaica ricoprono un ruolo fondamentale nel panorama rinnovabile, e portano con se l’inevitabile svantaggio derivato dall’impossibilita di controllare la fonte primaria di energia. I sistemi di accumulo ed immagazzinamento di energia assumeranno un ruolo strategico nel prossimo scenario energetico, in particolare nell’elaborato viene posta l’attenzione sui sistemi Power-to-Gas. La tecnologia Power-to-Gas consente di produrre gas ad alta potenza specifica (idrogeno o metano sintetico), usando elettricità proveniente da fonti rinnovabili. L’elettrolisi è il metodo più efficiente per convertire energia elettrica in idrogeno. Tra le varie tecnologie, gli elettrolizzatori di tipologia PEM (Proton Exchange Membrane), sono considerati i più adatti all’accoppiamento con fonti di energia rinnovabile, per via della loro risposta alle variazioni di carico e dell’ampio campo di funzionamento. Il lavoro di tesi si concentra sull’analisi delle prestazioni di elettrolizzatori tipo PEM, ed in particolare sull’elettrolizzatore inserito all’interno del “Laboratorio di Microreti di Generazione ed Accumulo” del Tecnopolo di Ravenna. Il laboratorio ha lo scopo di studiare e testare sistemi per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile e per l’accumulo. L’impianto è costituito principalmente da due pannelli fotovoltaici con il compito di produrre energia, due batterie per accumulare l’energia prodotta dai pannelli, un elettrolizzatore e tre bombole a idruri metallici per lo stoccaggio di idrogeno. Dai dati sperimentali ottenuti dalle prove in laboratorio si è ricavato un modello matematico black-box dell’elettrolizzatore. Il modello gestisce le equazioni della curva caratteristica (P;η). In seguito il modello ottenuto è stato confrontato con un caso analogo presente in letteratura.

Analisi Pressure Driven di un distretto della rete di distribuzione idrica della città di Rapallo

La metodologia convenzionalmente adottata per l’analisi e progettazione di reti acquedottistiche è la Demand Driven (DD), ovvero un’analisi guidata dalla domanda idrica dell’utenza che viene imposta, dal punto di vista matematico, nelle equazioni del modello idraulico; la struttura di risoluzione matematica di tale approccio è costituita dalle sole equazioni di continuità e del moto, le cui incognite sono i carichi idraulici da garantire per soddisfare la richiesta idrica (dato noto). Purtroppo la DD non è in grado di simulare, in modo ottimale, scenari in cui le pressioni in rete risultano essere inferiori rispetto a quelle richieste per un servizio di erogazione corretto. Dunque, per una completa analisi di una rete di distribuzione idrica, è utile adottare la metodologia Pressure Driven (PD), che si basa sullo stesso modello matematico utilizzato per l’analisi DD al quale viene aggiunta un’equazione che lega la portata erogata alle utenze e la perdita idrica al carico idraulico disponibile in corrispondenza dei nodi. In questo caso un ulteriore dato incognito, oltre al carico idraulico nei nodi ed alla portata nelle condotte della rete, risulta essere la portata effettivamente prelevata ai nodi oppure persa (leakage) dalla rete. Il presente lavoro di tesi ha portato alla calibrazione del modello di un distretto della rete di distribuzione idrica della città di Rapallo. Le simulazioni sono state eseguite attraverso il codice InfoWorks applicando sia la Demand Driven Analysis che risulta funzionale per l’ottenimento del modello calibrato, sia la Pressure Driven Analysis che non agisce sul bilancio complessivo della rete, ma interviene localmente nelle zone in cui le problematiche di funzionamento riscontrate riguardano le pressioni

Meccanica Lagrangiana Relativistica di una Particella Libera

Lo scopo di questa tesi è di trovare una formulazione del formalismo lagrangiano coerente con la teoria della relatività ristretta, parametrizzando anche il tempo, che trattiamo come una coordinata. In primo luogo richiamiamo alcuni concetti chiave della meccanica classica: il principio di Hamilton, le equazioni di Eulero-Lagrange e il sistema di Hamilton. In seguito trattiamo lo spaziotempo di Minkowski, la pseudometrica indotta dall'intervallo temporale e studiamo le trasformazioni di Lorentz, ovvero quelle trasformazioni che mantengono la sopracitata pseudometrica. Dopo questo trattiamo le grandezze fisiche come vettori quadridimensionali che si trasformano seguendo le trasformazioni di Lorentz, detti quadrivettori, e ne analizziamo le proprietà fondamentali. Infine definiamo la linea di universo di una particella, la parametrizziamo e ne ricaviamo una versione dei risultati di meccanica classica detta estesa, che applichiamo allo studio delle equazioni del moto di una particella libera.

Operator preconditioning per sistemi lineari provenienti dall’equazione di Poisson

Le equazioni alle derivate parziali lineari (PDE’s) hanno un ruolo centrale in molte applicazioni di tipo scientifico, ingegneristico, medico, finanziario e sociale. È necessario, per questo motivo, avere metodi robusti che permettano di approssimare soluzioni di classi di PDE’s. Nell’ambito dei problemi lineari ellittici stazionari, una delle procedure comunemente utilizzate consiste nel discretizzare l’equazione differenziale mediante l’approssimazione delle derivate con differenze finite nel dominio considerato, e risolvere il sistema lineare algebrico risultante. Lo scopo dell’elaborato è studiare la dipendenza della convergenza del metodo dei Gradienti Coniugati dal parametro di discretizzazione per problemi ellittici autoaggiunti. Studieremo inoltre accelerazioni del metodo di tipo “Operator preconditioning”, che permettono di rendere l’algoritmo indipendente da tale parametro di discretizzazione in termini di numero di iterazioni.

Metodi numerici per la funzione segno di matrice

Per funzioni di matrice intendiamo generalizzazioni di funzioni scalari che permettono di valutare tali funzioni anche per matrici. Esistono numerosi esempi notevoli di funzioni di matrice: tra queste la funzione esponenziale, la radice quadrata e il segno. Quest'ultima è particolarmente utile per la risoluzione di particolari equazioni matriciali come ad esempio le equazioni di Sylvester e le equazioni di Riccati. In questo elaborato introdurremo il concetto di funzione di matrice per poi soffermarci proprio sulla funzione segno. Oltre che a fornire tutte le definizioni necessarie e analizzare le proprietà che ci aiuteranno a comprendere meglio questa funzione, ci interesseremo all'implementazione di algoritmi che possano calcolare o approssimare la funzione segno di matrice. Un primo metodo sfrutterà la decomposizione di Schur: supponendo di conoscere la decomposizione della matrice, e di trovarci in algebra esatta, questo metodo non fornirà un'approssimazione del segno della suddetta matrice ma l'esatto segno della stessa. Il secondo metodo che studieremo si può definire più come una famiglia di metodi. Vedremo infatti tre algoritmi diversi che però sfruttano tutti l'iterazione di Newton, opportunamente adattata al caso matriciale: il metodo di base, convergente globalmente, in cui applicheremo semplicemente questa iterazione, ed altri due che mireranno a risolvere problemi distinti del metodo di base, ovvero il numero di iterazioni necessarie per giungere alla convergenza (introducendo il concetto di riscaling) e l'alto costo computazionale (sacrificando però la convergenza globale). Grazie all'aiuto di Matlab analizzeremo più nello specifico l'efficienza dei vari algoritmi descritti, ed infine vedremo più nello specifico come utilizzare la funzione segno di matrice per risolvere le equazioni algebriche di Sylvester e di Riccati.

Alcune proprietà di regolarità per le funzioni p-armoniche

Le funzioni p-armoniche sono definite come soluzioni dell'equazione differenziale alle derivate parziali $\Delta_p u = 0$, dove $\Delta_p$ è l'operatore p-laplaciano. La classe delle funzioni p-armoniche si può estendere includendo funzioni derivabili in senso debole. Si dimostra che ogni funzione p-armonica è localmente hoelderiana, così come il suo gradiente. Infine, si caratterizzano le funzioni p-armoniche in termini della loro media integrale, mediante formule di media asintotiche.

Caratterizzazione di un sistema di veto per un rilvelatore di neutroni nell'ambito dell'esperimento FOOT

L’adroterapia è un tipo di terapia oncologica in cui il tumore è irraggiato con particelle cariche (adroni) quali protoni e ioni carbonio. Il vantaggio principale rispetto alla radioterapia convenzionale a raggi X consiste nel fatto che l’irraggiamento con adroni non coinvolge i tessuti sani circostanti quelli malati. Tuttavia, si conosce ancora poco sui processi di frammentazione nucleare che avvengono tra gli adroni del fascio usato nel trattamento e i nuclei presenti nel corpo umano. Così, nel 2017 nasce l’esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) con lo scopo di misurare le sezioni d’urto differenziali dei frammenti nucleari prodotti nell’interazione a energie di 200-400 MeV/u (tipicamente impiegate in adroterapia). Attualmente l’apparato sperimentale di FOOT è in grado di compiere misure accurate solo per frammenti carichi, ma nell’ultimo anno si è cominciata ad esplorare la possibilità di rivelare anche i neutroni. Per questa operazione è necessario servirsi di scintillatori liquidi affiancati ad un sistema di veto costituito da scintillatori plastici sottili accoppiati a sensori che segnalano il passaggio di eventuali frammenti carichi. In una precedente campagna di misure con la collaborazione FOOT, si sono utilizzati come sensori dei tubi fotomoltiplicatori (PMT). Per migliorare le prestazioni del sistema di veto si è reso necessario l’utilizzo di scintillatori plastici veloci, letti da sensori fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). In questa tesi mi sono occupato della risoluzione temporale dei segnali acquisiti con scintillatori plastici EJ-204 di 3 mm di spessore, letti da SiPM SenseL®.

Meccanismi di trasporto dell'energia in astrofisica

L’energia viene prodotta in ogni parte dell’universo attraverso numerosi processi, tra cui le reazioni termonucleari, e può essere trasportata attraverso tre meccanismi possibili: la conduzione, il trasporto radiativo e la convezione. La conduzione si basa sul trasporto di energia tramite elettroni, e diventa rilevante dal punto di vista astrofisico nel caso di materia degenere. Il trasporto radiativo, invece, utilizza come agente di trasporto il fotone ed è il meccanismo di trasporto principale nell’universo. La convezione, infine, si basa sul trasporto di energia e materia tramite celle di gas. In particolare, è possibile descrivere conduzione, convezione e trasporto radiativo analizzando la struttura stellare, in quanto negli interni stellari l’energia può essere trasportata con ognuno dei tre meccanismi, a seconda delle condizioni della stella. L’energia viene prodotta all’interno del nucleo tramite reazioni termonucleari e viene trasportata verso i gusci esterni più freddi. Il flusso di radiazione, quindi, dipende principalmente dal gradiente termico, senza il quale non si avrebbe trasporto di energia, ma sono rilevanti anche altri fattori, come l’opacità k. Nella seguente tesi verranno trattati i tre meccanismi di trasporto dell’energia in astrofisica , descrivendone le principali caratteristiche. Innanzitutto, per quanto riguarda la conduzione, si analizzerà la causa per cui questo meccanismo è trascurabile negli interni stellari e la condizione nella quale, invece, diventa rilevante. Si descriverà, poi, il trasporto radiativo, sia negli interni stellari sia nelle atmosfere stellari, tramite le equazioni del trasporto, con particolare attenzione all’opacità del mezzo. Infine, per la convezione, si affronterà l’espressione del flusso convettivo e il criterio di Schwarzschild, che definisce la condizione per cui una regione è o meno stabile alla convezione.

Ottimizzazione dell’ubicazione di hub logistici distributivi ed analisi sulla sostenibilità ambientale: il caso FAAC Technologies

Il presente lavoro di tesi si occupa di identificare le possibili ubicazioni di hub logistici distributivi del gruppo aziendale FAAC Technologies e di valutare le alternative da un duplice punto di vista: economico e sostenibile. Per raggiungere il suddetto risultato è stata dapprima studiata l’attuale configurazione logistica nel centro Europa. Unendo le caratteristiche dell’azienda con le ricerche presenti in letteratura scientifica riguardo la risoluzione di Hub Location Problem, è stato implementato un modello matematico che ottimizzi economicamente il posizionamento degli stabilimenti secondo diversi scenari organizzativi. Una seconda versione del modello valuta il rispetto dei tempi di transito da parte delle soluzioni ottenute. Infine, gli stessi scenari sono stati comparati tra loro in base all’impatto ambientale in termini di CO2 emessa nell’atmosfera per via del trasporto. Sono state studiate strategie riguardanti la logistica distributiva sostenibile e sono state proposte soluzioni in grado di mitigare gli effetti dovuti all’immissione di anidride carbonica. Gli strumenti digitali utilizzati nella presente ricerca sono stati: Excel per visualizzare ed elaborare i dati aziendali; Flourish per visualizzare i dati in mappe geografiche; MATLAB per trasformare le tariffe di trasporto in equazioni matematiche; Gurobi Optimizer per ottenere le soluzioni date dall’ottimizzazione del modello matematico, programmando attraverso il linguaggio AMPL. I risultati più significativi dimostrano la possibilità di raggiungere un risparmio economico del 16,7% dei costi logistici nel caso di ubicazione di un solo hub e del 9,8% nel caso di due hub. Dal punto di vista ambientale le medesime soluzioni comportano un aumento delle emissioni di CO2 rispettivamente del 45% e 8%. L’azzeramento di queste emissioni aggiuntive è possibile e a tal fine sarebbe necessario sostenere extra costi, i quali farebbero convergere entrambe gli scenari ad un risparmio comune pari all’8,2%.