Monoidal categories for the physics of integrable models

Scopo di questa tesi é di evidenziare le connessioni tra le categorie monoidali, l'equazione di Yang-Baxter e l’integrabilità di alcuni modelli. Oggetto prinacipale del nostro lavoro é stato il monoide di Frobenius e come sia connesso alle C∗-algebre. In questo contesto la totalità delle dimostrazioni sfruttano la strumentazione dell'algebra diagrammatica. Nel corso del lavoro di tesi sono state riprodotte tali dimostrazioni tramite il più familiare linguaggio dell’algebra multilineare allo scopo di rendere più fruibili questi risultati ad un raggio più ampio di potenziali lettori.

Neotettonica della faglia Nord-Anatolica nel Mare di Marmara. Analisi di dati sismici a riflessione e morfobatimetrici ad alta risoluzione

Il 17 agosto 1999 un violento terremoto di Mw 7,4 (terremoto di Izmit) ha interessato l’area del Golfo di Izmit, dove il segmento settentrionale della Faglia Nord-Anatolica (FNA) entra nel Mare di Marmara. Oltre a causare enormi danni e un numero di vittime altissimo (oltre 20000), la dislocazione orizzontale di oltre 5 metri in prossimità dell’epicentro ha caricato tettonicamente il segmento della FNA verso Istanbul. Da qui, l’importanza di un modello geologico-strutturale condiviso dalla comunità scientifica per questo ramo della Faglia Nord Anatolica, per la formulazione dei modelli di stima del rischio sismico in una zona della Turchia molto densamente popolata (oltre 12 milioni di persone). I numerosi studi di geologia e geofisica marina condotti nel Golfo di Izmit e più in generale nel Mare di Marmara, hanno avuto un grosso impulso in concomitanza del terremoto del 1999 e negli anni successivi, quando il Mare di Marmara è stato inserito tra i siti di importanza strategica. Nonostante la grande mole di dati raccolti e le pubblicazioni di lavori importanti che hanno contribuito a portare nuova luce sulla geologia di questo territorio complesso, permangono ancora incertezze e controversie sui rapporti le tra la formazione del bacino di Marmara e la FNA. Questo lavoro di tesi ha lo scopo di esaminare la cinematica della FNA nell’area del Mare di Marmara, in generale, ed in particolare lungo i vari bacini allineati lungo il ramo settentrionale: da Est verso Ovest, il Bacino di Cinarcik, il Bacino di Kumburgaz, il Bacino Centrale ed il Bacino di Tekirdag. Analizzeremo la natura e il grado di attività dei segmenti individuati da zone di trasferimento (bending o overstep) e tenteremo di cartografare la geometria, lo stile strutturale e la lunghezza di ciascun segmento, per effettuare una stima del potenziale sismogenetico di ciascun ramo utilizzando relazioni empiriche.

The effect of diffusion gradient direction number on tractography of corticospinal tract in human brain: an along-tract analysis

Nel presente lavoro di tesi ho sviluppato un metodo di analisi di dati di DW-MRI (Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging)cerebrale, tramite un algoritmo di trattografia, per la ricostruzione del tratto corticospinale, in un campione di 25 volontari sani. Il diffusion tensor imaging (DTI) sfrutta la capacità del tensore di diffusione D di misurare il processo di diffusione dell’acqua, per stimare quantitativamente l’anisotropia dei tessuti. In particolare, nella sostanza bianca cerebrale la diffusione delle molecole di acqua è direzionata preferenzialmente lungo le fibre, mentre è ostacolata perpendicolarmente ad esse. La trattografia utilizza le informazioni ottenute tramite il DW imaging per fornire una misura della connettività strutturale fra diverse regioni del cervello. Nel lavoro si è concentrata l’attenzione sul fascio corticospinale, che è coinvolto nella motricità volontaria, trasmettendo gli impulsi dalla corteccia motoria ai motoneuroni del midollo spinale. Il lavoro si è articolato in 3 fasi. Nella prima ho sviluppato il pre-processing di immagini DW acquisite con un gradiente di diffusione sia 25 che a 64 direzioni in ognuno dei 25 volontari sani. Si è messo a punto un metodo originale ed innovativo, basato su “Regions of Interest” (ROIs), ottenute attraverso la segmentazione automatizzata della sostanza grigia e ROIs definite manualmente su un template comune a tutti i soggetti in esame. Per ricostruire il fascio si è usato un algoritmo di trattografia probabilistica che stima la direzione più probabile delle fibre e, con un numero elevato di direzioni del gradiente, riesce ad individuare, se presente, più di una direzione dominante (seconda fibra). Nella seconda parte del lavoro, ciascun fascio è stato suddiviso in 100 segmenti (percentili). Sono stati stimati anisotropia frazionaria (FA), diffusività media, probabilità di connettività, volume del fascio e della seconda fibra con un’analisi quantitativa “along-tract”, per ottenere un confronto accurato dei rispettivi percentili dei fasci nei diversi soggetti. Nella terza parte dello studio è stato fatto il confronto dei dati ottenuti a 25 e 64 direzioni del gradiente ed il confronto del fascio fra entrambi i lati. Dall’analisi statistica dei dati inter-subject e intra-subject è emersa un’elevata variabilità tra soggetti, dimostrando l’importanza di parametrizzare il tratto. I risultati ottenuti confermano che il metodo di analisi trattografica del fascio cortico-spinale messo a punto è risultato affidabile e riproducibile. Inoltre, è risultato che un’acquisizione con 25 direzioni di DTI, meglio tollerata dal paziente per la minore durata dello scan, assicura risultati attendibili. La principale applicazione clinica riguarda patologie neurodegenerative con sintomi motori sia acquisite, quali sindromi parkinsoniane sia su base genetica o la valutazione di masse endocraniche, per la definizione del grado di contiguità del fascio. Infine, sono state poste le basi per la standardizzazione dell’analisi quantitativa di altri fasci di interesse in ambito clinico o di studi di ricerca fisiopatogenetica.

La risonanza magnetica per la valutazione della funzionalità renale in pazienti affetti da malattia policistica

Scopo. La risonanza magnetica (RM) in diffusione (Diffusion Weighted imaging DWI) permette di ottenere dati quantitativi sul movimento dei protoni liberi in acqua mediante la valutazione di alcuni parametri tra cui il coefficiente di diffusione apparente (Apparent Diffusion Coefficient ADC). Questo parametro potrebbe essere usato per differenziare i diversi tipi di tessuti (cisti di diverso tipo, parenchima sano, parenchima non più funzionante, …) e stabilire il danno renale. Lo scopo del presente lavoro è quello di valutare la correlazione tra il valore di ADC e il tessuto renale al fine di verificare la potenziale capacità di questo parametro di offrire informazioni funzionali e poter predire l’insorgenza di cisti e quindi l’aumento di volume del rene. Materiali e Metodi. 11 pazienti di cui 2 donne e 9 uomini (età compresa tra i 55 e i 75 anni) sono stati sottoposti a esame RM con sistema ad alto campo 1,5T. Tutti i pazienti erano affetti da malattia policistica. Il protocollo prevedeva l’utilizzo di una sequenza SE-EPI pesata in diffusione, le immagini sono state acquisite per diversi valori di b-value (500 s/mm², 700 s/mm², 900 s/mm², e 1500 s/mm²). Risultati. Osservando i valori di ADC (coefficiente di diffusione apparente) ottenuti per diversi valori di b e in due differenti regioni del rene, corrispondenti a cisti e parenchima, si sono riscontrati valori diversi . Indipendentemente dal b-value, le cisti hanno un valore di ADC minore rispetto al valore di ADC delle zone parenchimali. Al crescere del b-value, tali valori diventano più piccoli. Conclusioni. La DWI permette di ottenere valori di ADC in grado di discriminare tessuti.

Tecnologie informatiche per la gestione efficace ed efficiente di librerie digitali

Questa tesi presenta una rassegna delle principali tecnologie informatiche per la gestione efficace ed efficiente delle librerie digitali. Viene posto l'accento sull'analisi comparativa delle tecnologie e dei modelli di rappresentazione del dato bibliografico presenti allo stato dell'arte.

Description of the ITER Tokamak Cooling Water System

In questa tesi ho inizialmente esposto cenni teorici sulle reazioni di fusione nucleare e le motivazioni che hanno spinto la comunità scientifica verso la ricerca di questa nuova fonte energetica. Ho descritto il progetto ITER nei suoi obiettivi e nei principi di funzionamento di un reattore di tipo Tokamak e di tutti i componenti principali dell'intero impianto. In primo piano, mi sono focalizzato sul sistema di raffreddamento primario ad acqua del Tokamak (TCWS), con una prima panoramica sui suoi sottosistemi descrivendo i loro obiettivi, quali asportazione di calore e sicurezza dell'impianto. Successivamente ho analizzato nello specifico i particolari tecnici dei principali sottosistemi quali i vari circuiti di asportazione primaria del calore (PHTS Loops) dei diversi componenti del Tokamak, il Vacuum Vessel, il First Wall Blanket, il Divertor e il Neutral Beam Injector; ho esaminato i processi di controllo della qualità e del volume del fluido refrigerante nei circuiti (CVCS); ed infine le funzioni e le caratteristiche dei sistemi di drenaggio e di riempimento dei circuiti con i propri serbatoi ordinari e di sicurezza, e del sistema di asciugatura del fluido refrigerante con le sue diverse modalità operative.

Giochi d'azzardo e criterio di Kelly

Nella prima parte, dopo aver definito un sistema di scommesse e aver formalizzato in termini matematici l’andamento del capitale di un giocatore d’azzardo, si dimostrano risultati riguardanti giochi non favorevoli. Nella seconda parte, dove si considerano giochi favorevoli, si definisce il criterio di Kelly e se ne dimostrano alcune proprietà notevoli.

Split Up. Smart feature per contenitori asettici per liquidi basata sulla progettazione strutturale e grafica di finestre trasparenti

Il lavoro di tesi concerne la progettazione di un contenitore asettico per liquidi. In particolare, consiste nella creazione di aree/finestre trasparenti, ricavate sulla superficie del contenitore, con la funzione di indicatore di livello del liquido. Gli step che hanno delineato il lavoro consistono in un'analisi brevettuale, studio dei materiali di produzione, verifica tecnica e strutturale, progettazione grafica e test di validazione dell'idea.

Analisi dei percorsi ciclabili registrati tramite smartphone sulla rete stradale di Bologna nell'ultimo triennio

La diffusione di smartphone con GPS si è rilevata utile per lo studio di modelli di scelta del percorso da parte di utenti che si muovono in bicicletta. Nel 2012 è stata ideata la ‘European Cyclinq Challenge’ (ECC), che consiste in una “gara” europea tra città: vince quella nella quale i rispettivi abitanti registrano il maggior numero di chilometri effettuati in bicicletta. In questo modo è possibile conoscere in forma anonima i percorsi realmente seguiti dai partecipanti alla gara: nel caso in esame, sono state fornite le tracce GPS registrate a Bologna sotto forma di punti catalogati ogni 10-15 secondi, a cui sono associate informazioni di coordinate, codice identificativo e istante di registrazione. Una fase di map-matching associa tali punti alla rete stradale di Bologna, descritta nel caso in esame dalla rete di Open Street Maps (OSM). Un elemento che garantisce al meglio la comprensione relativa alle scelte dei ciclisti, è quello di confrontarle con l’alternativa più breve, per capire quanto un utente sia disposto a discostarsi da essa per privilegiare ad esempio la sicurezza personale, il fatto di evitare pendenze elevate o incroci pericolosi. A partire dai punti GPS, che rappresentano l’origine e la destinazione di ogni viaggio, è possibile individuare sulla rete il percorso più corto che li congiunge, eseguendo sulla stessa rete tramite l’algoritmo di Dijkstra, considerando come unico attributo di costo la lunghezza. È stato possibile, mediante questi dati, effettuare un confronto nei tre anni di studio, relativamente alla distribuzione statistica delle lunghezze dei viaggi percorsi dagli utenti, a quanto questi si discostino dal percorso più breve ed infine come varia la percentuale dei viaggi effettuati nelle diverse tipologie stradali. Un’ultima analisi evidenzia la possibile tendenza degli utenti che si spostano in bicicletta nella città di Bologna, a utilizzare percorsi caratterizzati dalla presenza di numerosi incroci semaforizzati.

Sovrastrutture non pavimentate rinforzate: verifica con metodi numerici.

Nella presente tesi si studia lo stato di deformazione di una strada non pavimentata, rinforzata con geotessile, indotto dal passaggio di carrelli semoventi SMPT. L’obiettivo è verificare che le deformazioni siano compatibili con i risultati provenienti dai metodi di calcolo analitici. Durante lo sviluppo ci si avvale di modelli 3-dimensionali del terreno creati ex-novo e di simulazioni alle differenze finite per quanto riguarda l’interazione tra carichi e sovrastruttura. Tale simulazione è stata condotta con il software FLAC3D. Si è simulato dapprima il comportamento della sovrastruttura non rinforzata sollecitata da: singolo asse e carrello a 4 assi. In secondo luogo, si è analizzato il modello del terreno rinforzato, nel quale si introduce una geogriglia a diverse profondità per valutare quella ottimale. Sono stati creati così tre modelli distinti nei quali il rinforzo è posizionato ad 1/3 dell’altezza di aggregato, a 2/3 ed all’interfaccia tra aggregato e primo strato del terreno naturale. Il risultato mostra che il posizionamento ottimale della geogriglia non è all’interfaccia come espresso dalle teorie in merito, ma a 2/3 dell’altezza dello strato di aggregato, dove viene permessa una maggiore deformazione ma un minor stato di sollecitazione del materiale di rinforzo. Infine si valuta in maniera marginale il caso del terreno rinforzato, dove l’altezza dello strato di aggregato viene calcolato con i metodi analitici di Giroud e Noiray (1980) e Giroud e Han (2004), dei quali viene in principio fornita una rigorosa esposizione teorica. In questi ultimi casi, i risultati non sono soddisfacenti. Infatti si è trovato che il raggiungimento del carico di rottura della geogriglia limita fortemente le deformazioni, rendendole così insufficienti per mobilitare le pressioni di contatto richieste. Concludendo si gettano le basi per futuri elaborati, consigliando alcune modifiche da apportare per perfezionare la modellistica dei casi rinforzati.

Manipolazione robotica mobile per il settore agroalimentare - Pianificazione di traiettorie per la Sloshing Suppression

Movimentazione, da parte di un braccio robotico, di un recipiente riempito con un liquido nello spazio tridimensionale. Sistema di trasferimento liquidi basato sul KUKA youBot, piattaforma open source per la ricerca scientifica. Braccio robotico a 5 gradi di libertà con struttura ortho-parallel e cinematica risolvibile in forma chiusa tramite l’applicazione di Pieper. Studio dei modi di vibrare dei liquidi e modellizzazione dei fenomeni ondosi tramite modello equivalente di tipo pendolo. Analisi delle metodologie di controllo di tipo feed-forward volte a sopprimere la risposta oscillatoria di un tipico sistema vibratorio. Filtraggio delle traiettorie di riferimento da imporre allo youBot, in modo tale da sopprimere le vibrazioni in uscita della massa d’acqua movimentata. Analisi e comparazione delle metodologie di input shaping e filtro esponenziale. Validazione sperimentale delle metodologie proposte implementandole sul manipolatore youBot. Misura dell’entità del moto ondoso basata su dati acquisiti tramite camera RGBD ASUS Xtion PRO LIVE. Algoritmo di visione per l’elaborazione offline dei dati acquisiti, con output l’andamento dell’angolo di oscillazione del piano interpolante la superficie del liquido movimentato.

Validazione di modelli numerici per lo studio del cambiamento di fase solido/liquido in leghe metalliche in regime di convezione naturale

Il lavoro svolto ha come scopo l’implementazione e la validazione di un modello di cambiamento di fase mediante l’utilizzo del codice commerciale Comsol Multiphysics, che permette la modellazione e la risoluzione di equazioni matematiche che governano ambienti multifisici. La validazione dei modelli sviluppati è stata effettuata mediante confronto sia con soluzioni analitiche di riferimento, sia con soluzioni numeriche ottenute utilizzando il codice commerciale ProCAST, sviluppato appositamente per simulazioni di processi fusori I problemi analizzati hanno riguardato lo scambio termico sia in regime di sola conduzione, sia in presenza di convezione naturale all’interno di un materiale in cambiamento di fase solido-liquido. È stato considerato sia il caso di sostanze pure, quindi con un’unica temperatura di cambiamento di fase, sia il caso di leghe metalliche, la cui transizione di fase avviene in un intervallo di temperatura.  

Valutazione del rischio di contaminazione di corsi d'acqua da rilasci accidentali di idrocarburi.

Nella definizione di incidente rilevante presente nelle Direttive Seveso, come pure nel loro recepimento nella legislazione italiana, rientrano eventi incidentali che abbiano conseguenze gravi per il bersaglio “ambiente”, sia in concomitanza sia in assenza di effetti dannosi per l’uomo. Tuttavia, a fronte di questa attenzione al bersaglio “ambiente” citata dalle norme, si constata la mancanza di indici quantitativi per la stima del rischio di contaminazione per i diversi comparti ambientali e, conseguentemente, anche di metodologie per il loro calcolo. Misure di rischio quantitative consolidate e modelli condivisi per la loro stima riguardano esclusivamente l’uomo, con la conseguenza che la valutazione di rischio per il bersaglio “ambiente” rimane ad un livello qualitativo o, al più, semi-quantitativo. Questa lacuna metodologica non consente di dare una piena attuazione al controllo ed alla riduzione del rischio di incidente rilevante, secondo l’obiettivo che le norme stesse mirano a raggiungere. E d‘altra parte il verificarsi periodico di incidenti con significativi effetti dannosi per l’ambiente, quali, ad esempio lo sversamento di gasolio nel fiume Lambro avvenuto nel febbraio 2010, conferma come attuale e urgente il problema del controllo del rischio di contaminazione ambientale. La ricerca presentata in questo lavoro vuole rappresentare un contributo per colmare questa lacuna. L’attenzione è rivolta al comparto delle acque superficiali ed agli sversamenti di liquidi oleosi, ovvero di idrocarburi insolubili in acqua e più leggeri dell’acqua stessa. Nel caso in cui il rilascio accidentale di un liquido oleoso raggiunga un corso d’acqua superficiale, l’olio tenderà a formare una chiazza galleggiante in espansione trasportata dalla corrente e soggetta ad un complesso insieme di trasformazioni fisiche e chimiche, denominate fenomeni di “oil weathering”. Tra queste rientrano l’evaporazione della frazione più volatile dell’olio e la dispersione naturale dell’olio in acqua, ovvero la formazione di una emulsione olio-in-acqua nella colonna d’acqua al di sotto della chiazza di olio. Poiché la chiazza si muove solidale alla corrente, si può ragionevolmente ritenere che l’evaporato in atmosfera venga facilmente diluito e che quindi la concentrazione in aria dei composti evaporati non raggiunga concentrazioni pericolose esternamente alla chiazza stessa. L’effetto fisico dannoso associato allo sversamento accidentale può pertanto essere espresso in doversi modi: in termini di estensione superficiale della chiazza, di volume di olio che emulsifica nella colonna d’acqua, di volume della colonna che si presenta come emulsione olio-in-acqua, di lunghezza di costa contaminata. In funzione di questi effetti fisici è possibile definire degli indici di rischio ambientale analoghi alle curve di rischio sociale per l’uomo. Come una curva di rischio sociale per l’uomo esprime la frequenza cumulata in funzione del numero di morti, così le curve di rischio sociale ambientale riportano la frequenza cumulata in funzione dell’estensione superficiale della chiazza, ovvero la frequenza cumulata in funzione del volume di olio che emulsifica in acqua ovvero la frequenza cumulata in funzione del volume di colonna d’acqua contaminato ovvero la frequenza cumulata in funzione della lunghezza di costa contaminata. Il calcolo degli indici di rischio così definiti può essere effettuato secondo una procedura analoga al calcolo del rischio per l’uomo, ovvero secondo i seguenti passi: 1) descrizione della sorgente di rischio; 2) descrizione del corso d’acqua che può essere contaminato in caso di rilascio dalla sorgente di rischio; 3) identificazione, degli eventi di rilascio e stima della loro frequenza di accadimento; 4) stima, per ogni rilascio, degli effetti fisici in termini di area della chiazza, di volume di olio emulsificato in acqua, di volume dell’emulsione olio-in-acqua, lunghezza di costa contaminata; 5) ricomposizione, per tutti i rilasci, degli effetti fisici e delle corrispondenti frequenze di accadimento al fine di stimare gli indici di rischio sopra definiti. Al fine di validare la metodologia sopra descritta, ne è stata effettuata l’applicazione agli stabilimenti a rischio di incidente rilevante presenti nei bacini secondari che fanno parte del bacino primario del Po. E’ stato possibile calcolare gli indici di rischio per ogni stabilimento, sia in riferimento al corso d’acqua del bacino secondario a cui appartengono, sia in riferimento al Po, come pure ottenere degli indici di rischio complessivi per ogni affluente del Po e per il Po stesso. I risultati ottenuti hanno pienamente confermato la validità degli indici di rischio proposti al fine di ottenere una stima previsionale del rischio di contaminazione dei corsi d’acqua superficiali, i cui risultati possano essere utilizzati per verificare l’efficacia di diverse misure di riduzione del rischio e per effettuare una pianificazione d’emergenza che consenta, in caso di incidente, di contenere, recuperare e favorire la dispersione dell’olio sversato.

Modelli diffusivi ed effetti di ritardo nella conduzione del calore e nella dinamica delle popolazioni.

In questi tesi viene studiata la teoria classica di diffusione del calore come modello parabolico per cui viene calcolata una soluzione attraverso il metodo di separazione delle variabili e il metodo delle onde dispersive. Viene poi affrontata la teoria alternativa proposta da Cattaneo del modello iperbolico del calore, allo scopo di superare il paradosso di velocità di propagazione infinita. Si conclude con alcuni esempi in cui lo stesso ragionamento viene applicato in diverse teorie diffusive e di reazione-diffusione in ambiti bio-matematici, come ad esempio la dinamica delle popolazioni.

Studio del metodo "systolic volume balance" per la stima non invasiva della portata media cardiaca

La portata media cardiaca, (cardiac output “CO”) è un parametro essenziale per una buona gestione dei pazienti o per il monitoraggio degli stessi durante la loro permanenza nell’unità di terapia intensiva. La stesura di questo elaborato prende spunto sull’articolo di Theodore G. Papaioannou, Orestis Vardoulis, and Nikos Stergiopulos dal titolo “ The “systolic volume balance” method for the non invasive estimation of cardiac output based on pressure wave analysis” pubblicato sulla rivista American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology nel Marzo 2012. Nel sopracitato articolo si propone un metodo per il monitoraggio potenzialmente non invasivo della portata media cardiaca, basato su principi fisici ed emodinamici, che usa l’analisi della forma d’onda di pressione e un metodo non invasivo di calibrazione e trova la sua espressione ultima nell’equazione Qsvb=(C*PPao)/(T-(Psm,aorta*ts)/Pm). Questa formula è stata validata dagli autori, con buoni risultati, solo su un modello distribuito della circolazione sistemica e non è ancora stato validato in vivo. Questo elaborato si pone come obiettivo quello di un’analisi critica di questa formula per la stima della portata media cardiaca Qsvb. La formula proposta nell'articolo verrà verificata nel caso in cui la circolazione sistemica sia approssimata con modelli di tipo windkessel. Dallo studio svolto emerge il fatto che la formula porta risultati con errori trascurabili solo se si approssima la circolazione sistemica con il modello windkessel classico a due elementi (WK2) e la portata aortica con un’onda rettangolare. Approssimando la circolazione sistemica con il modello windkessel a tre elementi (WK3), o descrivendo la portata aortica con un’onda triangolare si ottengono risultati con errori non più trascurabili che variano dal 7%-9% nel caso del WK2 con portata aortica approssimata con onda triangolare ad errori più ampi del 20% nei i casi del WK3 per entrambe le approssimazioni della portata aortica.