Dalla geometria con riga e compasso alla geometria con origami

Lo scopo di questo lavoro è mostrare la potenza della teoria di Galois per caratterizzare i numeri complessi costruibili con riga e compasso o con origami e la soluzione di problemi geometrici della Grecia antica, quali la trisezione dell’angolo e la divisione della circonferenza in n parti uguali. Per raggiungere questo obiettivo determiniamo alcune relazioni significative tra l’assiomatica delle costruzioni con riga e compasso e quella delle costruzioni con origami, antica arte giapponese divenuta recentemente oggetto di studi algebrico-geometrici. Mostriamo che tutte le costruzioni possibili con riga e compasso sono realizzabili con il metodo origami, che in più consente di trisecare l’angolo grazie ad una nuova piega, portando ad estensioni algebriche di campi di gradi della forma 2^a3^b. Presentiamo poi i risultati di Gauss sui poligoni costruibili con riga e compasso, legati ai numeri primi di Fermat e una costruzione dell’eptadecagono regolare. Concludiamo combinando la teoria di Galois e il metodo origami per arrivare alla forma generale del numero di lati di un poligono regolare costruibile mediante origami e alla costruzione esplicita dell’ettagono regolare.

Geometria della visione

La visione è il processo cerebrale mediante il quale l'organismo umano riesce a estrarre informazioni dal dato visivo proveniente dalla retina. Tentare di imitare questo comportamento mediante un elaboratore elettronico, il cosiddetto problema della visione, è una delle maggiori sfide del XXI secolo. In questo contesto lo scopo della tesi è dare una descrizione degli strumenti matematici che permettono di modellizzare la visione stereoscopica ed esporre le condizioni sotto le quali sia possibile effettuare una ricostruzione 3D ambientale a partire da due immagini della stessa scena nell'ipotesi di assenza di errore.

Geometria delle ipersuperfici quadriche dello spazio proiettivo

In questo lavoro vengono analizzate due sottovarietà notevoli di P^5 legate allo studio delle ipersuperfici quadriche: la quadrica di Klein e la superficie di Veronese. La quadrica di Klein è una ipersuperficie di grado 2 di P^5 in corrispondenza biunivoca con l'insieme delle rette di P^3. Riguardando P^5 come lo spazio delle coniche di P^2, la superficie di Veronese corrisponde alle coniche di rango 1, cioè alle rette doppie.

Tangram ed edutainment per l'apprendimento della geometria

Partendo dalle analisi condotte sulla relazione esistente tra il divertimento ed un migliore apprendimento, e sui concetti di Edutainment e Gamification, si è realizzata una applicazione per dispositivi mobili che riproduce in formato digitale il gioco cinese del Tangram al fine di utilizzarlo come strumento di edutainment volto all'apprendimento di alcune nozioni di geometria ed all'allenamento delle abilità legate alla logica. Nello sviluppo di tale applicazione si è fatto riferimento alla metodologia di progettazione delle applicazioni ibride, in modo da semplificare la portabilità cross-platform tra i dispositivi, e si è prestata particolare attenzione alla creazione di un sistema che possa essere inserito come modulo all'interno di una applicazione multi-gioco di più ampio respiro. Per la progettazione si è fatto riferimento al paradigma ad oggetti e ad una gestione delle dinamiche di gioco event-driven.

Sviluppo dell'interfaccia per il caricamento della geometria iniziale del propellente solido di un modello balistico

Il presente lavoro di tesi, nell’ambito della simulazione balistica di razzi a propellente solido, è volto alla creazione di un’interfaccia che permetta il caricamento delle geometrie dei motori desiderati, in formato SPP, nel codice di simulazione balistica ROBOOST come richiesto da Avio Spa. In particolare saranno descritte le procedure attraverso le quali tale interfaccia è stata realizzata e verranno analizzati i passaggi mediante i quali è possibile ottenere una mesh 3D del motore a propellente solido partendo dalla sua geometria in formato SPP. Si analizzerà inoltre il processo di chiusura di una mesh estratta da una qualsiasi iterazione della simulazione al fine di potervi effettuare delle simulazioni CFD sempre su richiesta della sopracitata azienda. Infine verranno mostrati e discussi i risultati ottenuti per meglio visualizzare il lavoro svolto.

Geometria e topologia delle superfici

Definizioni e enunciati riguardo al gruppo fondamentale, alle azioni di gruppo, ai rivestimenti, alle varietà topologiche, differenziabili e riemanniane, alle isometrie e ai gruppi discreti di isometrie. Approfondimento riguardo alle superfici connesse, compatte e orientabili con classificazione topologica, definizione di curvatura gaussiana con classificazione delle superfici in base al valore della curvatura, teorema di Killing-Hopf, teorema di uniformizzazione, enunciato del teorema che verrà dimostrato: la sfera è l'unica superficie connessa, compatta e orientabile ellittica, il toro è l'unica piatta, le somme connesse di g tori (g>1) sono iperboliche. Descrizione del piano euclideo con relativa metrica, descrizione delle sue isometrie, teorema di Chasles con dimostrazione, dimostrazione del toro come unica superficie connessa, compatta e orientabile piatta. Descrizione della sfera con relativa metrica, descrizione delle sue isometrie, dimostrazione della semplicità di SO(3), dimostrazione della sfera come unica superficie connessa, compatta e orientabile ellittica. Descrizione di due modelli del piano iperbolico, descrizione delle sue isometrie, dimostrazione del fatto che le somme connesse di g tori (g>1) sono iperboliche. Definizione di gruppo Fuchsiano e di spazio di Teichmuller.

La penna 3D e l'insegnamento della geometria: un'esperienza sul campo

In questa tesi si presenta l’attività didattica "Fascinating World of Geometric Forms", la relativa sperimentazione fatta su un campione di 175 studenti al quarto anno di scuola secondaria di secondo grado e i risultati ottenuti. In questo progetto, grazie alla penna 3D, è stato possibile fare matematica costruttiva in classe. Gli studenti hanno potuto disegnare e costruire nello spazio 3D, senza più essere costretti a disegnare in prospettiva sul foglio. La ricerca principalmente tenta di sviluppare l'intuito geometrico, pertanto è facilmente adattabile a studenti di varie età. Si propongono una serie di attività volte a rispondere alla domanda "Come uscire dal piano?" e, a tal proposito, si suggeriscono vari metodi: aggiungere la profondità agli elementi del piano; comporre sviluppi piani di poliedri; ruotare figure geometriche piane limitate attorno a un asse contenuto nel piano della figura; comporre nello spazio sezioni piane di quadriche. Questo progetto di ricerca, sviluppato sotto la supervisione del professor Alberto Parmeggiani del Dipartimento di Matematica di Bologna e in collaborazione con il professor Gianni Brighetti del Dipartimento di Psicologia di Bologna, si pone come obiettivo quello di avvicinare gli studenti allo studio della geometria dello spazio e, soprattutto, di sviluppare in loro la capacità di creare immagini mentali e concetti figurali.

Geometria frattale: analisi della lacunarita cerebrale in MRI

La geometria frattale descrive la complessità strutturale di oggetti che presentano, entro certi limiti, invarianza a fattori di scala. Obiettivo di questa tesi è l’analisi di indici frattali della morfologia cerebrale e cerebellare da immagini di risonanza magnetica (MRI) pesate T1 e della loro correlazione con l’età. A tale scopo sono state analizzate la dimensione frattale (D0) e la lacunarità (λs), indice di eterogeneità strutturale, della sostanza grigia (GM) e bianca (WM), calcolate mediante algoritmi di box counting e di differential gliding box, implementati in linguaggio C++, e regressione lineare con scelta automatica delle scale spaziali. Gli algoritmi sono stati validati su fantocci 3D ed è stato proposto un metodo per compensare la dipendenza di λs dalle dimensioni dell’immagine e dalla frazione di immagine occupata. L’analisi frattale è stata applicata ad immagini T1 a 3T del dataset ICBM (International Consortium for Brain Mapping) composto da 86 soggetti (età 19-85 anni). D0 e λs sono state rispettivamente 2.35±0.02 (media±deviazione standard) e 0.41±0.05 per la GM corticale, 2.34±0.03 e 0.35±0.05 per la WM cerebrale, 2.19±0.05 e 0.17±0.02 per la GM cerebellare, 1.95±0.06 e 0.30±0.04 per la WM cerebellare. Il coefficiente di correlazione lineare tra età e D0 della GM corticale è r=−0.38 (p=0.003); tra età e λs, r=0.72 (p<0.001) (mostrando che l’eterogeneità strutturale aumenta con l’invecchiamento) e tra età e λs compensata rispetto al volume della GM cerebrale (GMV), r=0.51 (p<0.001), superiore in valore assoluto a quello tra età e GMV (r=−0.45, p<0.001). In un modello di regressione lineare multipla, dove l’età è stata modellata da D0, λ e GMV della GM corticale, λs è risultato l’unico predittore significativo (r parziale=0.62, p<0.001). La lacunarità λs è un indice sensibile alle variazioni strutturali dovute all’invecchiamento cerebrale e si candida come biomarcatore nella valutazione della complessità cerebrale nelle malattie neurodegenerative.

Studio di un'imbarcazione a motore dotato di foiling a geometria variabile

Il presente elaborato tratta la progettazione preliminare di un’imbarcazione dotata di foils a geometria variabile. In particolare, il progetto riguarda un’imbarcazione da turismo che, sfruttando l’utilizzo di appendici al di sotto dello scafo, emerga completamente dall’acqua permettendo l’abbattimento della resistenza e consentendo il raggiungimento di velocità elevate anche mediante una motorizzazione modesta. A questo scopo sono state esaminate alcune componenti al fine di raggiungere gli obbiettivi proposti. In primo luogo, è stata fatta un’analisi dei concorrenti per avere un confronto con altre realtà già presenti sul mercato. In seguito, è stata eseguita una stima fondamentale per ogni parte del progetto successiva. La riduzione del peso dell’imbarcazione consente alla stessa di raggiungere velocità più elevate. Per tale ragione sono state discussi due possibili modelli dell’imbarcazione ovvero una con lo scafo costituito completamente da carbonio, l’altro costituito da un sandwich di carbonio e termanto. In seguito si è analizzata l’analisi statica dell’imbarcazione per cercare di comprendere se i pesi stimati in precedenza consentissero al natante di avere un assetto corretto. Alla luce delle predette risultanze, si sono affrontate le tematiche più complesse: l’analisi della resistenza all’avanzamento e lo studio delle appendici che permettano il foiling. Per quanto attiene l’analisi della resistenza si sono dovuti considerare sia il caso di avanzamento in dislocamento e planata sia il caso di avanzamento in foiling. Per il raggiungimento del foiling è stato necessario dimensionare le ali da applicare all’imbarcazione. Innanzitutto è stata eseguita un’analisi idrodinamica e in seguito un’analisi dell’equilibrio dell’imbarcazione, considerando tutte le sollecitazioni applicate. Infine, sono stati generati dei layout possibili per i foils in modo che tutte le caratteristiche determinate precedentemente sulla base degli studi fossero rispettate.

Stress Concentration Factor and Fatigue Life Evaluation in offshore tubular KT-Joints

In the last few decades, offshore field has grown fast especially after the notable development of technologies, explorations of oil and gas in deep water and the high concern of offshore companies in renewable energy mainly Wind Energy. Fatigue damage was noticed as one of the main problems causing failure of offshore structures. The purpose of this research is to focus on the evaluation of Stress Concentration Factor and its influence on Fatigue Life for 2 tubular KT-Joints in offshore Jacket structure using different calculation methods. The work is done by using analytical calculations, mainly Efthymiou’s formulations, and numerical solutions, FEM analysis, using ABAQUS software. As for the analytical formulations, the calculations were done according to the geometrical parameters of each method using excel sheets. As for the numerical model, 2 different types of tubular KT-Joints are present where for each model 5 shell element type, 3 solid element type and 3 solid-with-weld element type models were built on ABAQUS. Meshing was assigned according to International Institute of Welding (IIW) recommendations, 5 types of mesh element, to evaluate the Hot-spot stresses. 23 different types of unitary loading conditions were assigned, 9 axial, 7 in-plane bending moment and 7 out-plane bending moment loads. The extraction of Hot-spot stresses and the evaluation of the Stress Concentration Factor were done using PYTHON scripting and MATLAB. Then, the fatigue damage evaluation for a critical KT tubular joint based on Simplified Fatigue Damage Rule and Local Approaches (Strain Damage Parameter and Stress Damage Parameter) methods were calculated according to the maximum Stress Concentration Factor conducted from DNV and FEA methods. In conclusion, this research helped us to compare different results of Stress Concentration Factor and Fatigue Life using different methods and provided us with a general overview about what to study next in the future.

Sviluppo di una libreria di geometria computazionale per comparare metodi di presa misura in pazienti amputati di arto inferiore

Il progetto descritto in questo elaborato di tesi è stato svolto presso Il Centro Protesi INAIL (Vigorso di Budrio, BO). Il lavoro è stato realizzato a supporto di un progetto di ricerca, finanziato dal Dipartimento della Difesa USA, in collaborazione con la Northwestern University di Chicago e il Minneapolis Veteran Affairs Health Care Sytem. La ricerca ha lo scopo di determinare l’efficacia comparativa di metodi alternativi per realizzare il calco del moncone dell’amputato di arto inferiore e la successiva invasatura su misura. Il progetto di tesi nasce dall’assenza di un software commerciale in grado di analizzare come evolve la forma del moncone, dal calco all'invasatura finita, basandosi sulla digitalizzazione tridimensionale delle superfici. La libreria sviluppata è implementata in Python e utilizza algoritmi e strumenti di geometria computazionale al fine di supportare i processi di elaborazione dati. Il flusso di lavoro si sviluppa nelle seguenti fasi: • Acquisizione e pre-processing del dato; • Identificazione digitale dei punti di repere; • Allineamento dei modelli per orientarli in un sistema di riferimento globale secondo una logica comune; • Registrazione di due modelli per allinearli l’uno all’altro; • Generazione di outcome e parametri dimensionali, derivanti da mappe distanza, sezioni, cammini geodetici e regioni di interesse; • Estrazione di indicatori statistici riassuntivi delle differenze, correlate ad un insieme di scansioni tramite la PCA. Le funzionalità sono state validate tramite appositi test su dati clinici rilevati dallo studio o dati sintetici con caratteristiche note a priori. La libreria fornisce un insieme di interfacce che permette l’accesso anche a utenti non esperti ed è caratterizzata da modularità, semplicità di installazione ed estensibilità delle funzionalità. Tra gli sviluppi futuri si prevede l’identificazione di possibili ottimizzazioni individuate da un utilizzo degli strumenti esteso a più casi d’uso.

Dinamica di deformazione e geometria di colate di terra in Argille a Palombini e Argille Varicolori, Appennino Bolognese

Le colate di terra sono dissesti diffusi nelle formazioni argillose presenti nell’Appennino Bolognese e il loro studio è utile per fini di pianificazione territoriale, potendo valutare i fattori di rischio sito-specifici. In questo lavoro si studiano 15 corpi di frana su diverse scale spaziali e temporali tramite l’osservazione di foto aeree, l’analisi di serie temporali inclinometriche e le descrizioni stratigrafiche dei rispettivi log, corredati da valori di penetrometro tascabile. Grazie a tali strumenti si sono perseguiti diversi obiettivi, valutando analogie e differenze tra le Argille a Palombini e le Argille Varicolori: (i) osservare le modifiche morfologiche dei versanti, integrando l’Archivio storico regionale con nuovi eventi; (ii) comprendere il tipo di deformazione e i relativi tassi, guardando anche alla loro distribuzione spaziale nei corpi di frana; (iii) calcolare le velocità di deformazione nel periodo post parossistico; (iv) indagare diverse relazioni geometriche (area-lunghezza, area-larghezza locale e area-profondità di rottura), notando che sono legate da relazioni di potenza diretta. I risultati raggiunti mostrano la presenza della superficie di rottura nella zona assiale dei corpi di frana, con velocità maggiori rispetto a quelle nelle zone laterali o di deposito, caratterizzate invece da profili con deformazione continua sulla verticale. L’andamento post parossistico delle velocità è decrescente, con qualche eccezione nelle zone di distacco e, in generale, con valori a testa tubo maggiori nelle Argille a Palombini. Si nota, infine, come la rottura avvenga al passaggio tra materiale inalterato e alterato nelle Argille a Palombini, mentre nelle Argille Varicolori si ha scorrimento anche all’interno di materiale inalterato. In entrambe le formazioni si osserva un netto aumento dei valori di penetrometro tascabile in prossimità della rottura, facendo della variazione di resistenza del materiale una possibile via preferenziale per lo scorrimento.

La classificazione dalla geometria alla didattica

Diversi studi in didattica della matematica sostengono che la performance sia influenzata non solo da fattori cognitivi ma anche da fattori affettivi. È ormai assodato che ogni individuo si approccia ai saperi da acquisire e da insegnare in modi dipendenti da aspetti come le emozioni che ha provato e che prova nei confronti della disciplina, le competenze che crede di possedere, le convinzioni sui contenuti disciplinari da apprendere o da spiegare. La matematica che si studia nella scuola secondaria di secondo grado è lontana dalla matematica contemporanea e dalla ricerca attuale. Questo, unito al fatto che quasi mai si sottolinea il percorso storico che ha portato allo sviluppo di certi strumenti matematici, fa sì che l’idea che uno studente si fa di questa disciplina sia irrealistica: una materia arida, immobile, con risultati indiscutibili e stabiliti nell’antichità più remota. Alla luce di ciò si può pensare di proporre agli studenti di scuola secondaria attività che li stimolino e li motivino, nell’ottica di modificare l'insieme delle loro convinzioni sulla matematica. In questo lavoro mi sono occupata della classificazione delle varietà bidimensionali per poi affrontare il passaggio alle 3-varietà. Si tratta di un problema che presenta diversi motivi di interesse: classico ma risolto in tempi moderni, frutto di un processo di pensiero collettivo e che mostra come la matematica sia una materia in costante evoluzione, nella quale l’approccio interdisciplinare può essere vincente rispetto a quello settoriale. Una prima parte del lavoro è stata dedicata allo studio dei temi topologici e geometrici con riferimento non solo alla genesi e, quando possibile, alla strategia dimostrativa, ma anche alla loro valenza didattica. Una seconda parte è stata dedicata alla selezione e all’analisi di come alcuni di questi contenuti si possano declinare in modo fruibile e fertile per gli studenti di scuola secondaria e alla progettazione di un possibile percorso didattico.

Configurazioni geometriche e funzionali dei dispositivi elettronici di confinamento del plasma nei reattori a fusione a geometria tokamak

Il continuo aumento del consumo energetico e l’aggravarsi delle condizioni climatiche hanno incrementato la necessità di una produzione più intensa e meno inquinante. Tra le numerose alternative energetiche che si possono annoverare, quella di particolare interesse `e la fusione nucleare. Nello specifico si analizzerà una ben determinata tipologia di prototipi di reattori, la configurazione Tokamak a confinamento elettromagnetico del plasma.

Le onde gravitazionali: dalla geometria differenziale al LIGO

Le onde gravitazionali, la cui prima osservazione diretta risale al 2015, sono una delle predizioni più importanti della Relatività Generale di Einstein. In questo lavoro di tesi triennale si vuole fornire uno studio approfondito di tale fenomeno. A tale scopo la trattazione è stata suddivisa in tre capitoli: Nel primo capitolo si getteranno le basi della geometria differenziale, fondamentale per la formulazione della Relatività Generale, introducendo tutte le nozioni ed i teoremi fondamentali per questa teoria. Nel secondo introdurremo i principi alla base della formulazione della teoria della Relatività Generale. Successivamente scriveremo le equazioni di campo di Einstein e ne ricaveremo una prima soluzione esatta (la soluzione di Schwarzschild). Grazie alle conoscenze che verranno introdotte nei primi due capitoli, nell'ultimo potremo studiare in dettaglio il fenomeno delle onde gravitazionali: come si ricavano a partire dalle equazioni di Einsten, come si propagano, come interagiscono con la materia, come si possono rilevare, ...