Immersioni possibili di oggetti impossibili

Fin dall'antichità, arte e geometria sono state spesso accostate, ma mai come nel caso delle opere di Maurits Cornelis Escher. Le celebri litografie del grafico olandese, infatti, traggono quasi sempre ispirazione dal mondo geometrico, in particolare le cosiddette ''stampe impossibili'', in cui compaiono edifici irrealizzabili, costruzioni illusorie e fenomeni che non rispettano le leggi della fisica. Oltre che su illusioni ottiche, esse sono basate su concetti matematici veri e propri, così come vedremo durante l'elaborato. Questa tesi, partendo dal Capitolo 8 del libro Yearning for the impossible di John Stillwell, studia gli spazi in cui immergere le costruzioni impossibili di Escher per renderle realizzabili, basandosi in particolare sul concetto di varietà topologica e di proiezione di rivestimento. Dopo un primo capitolo introduttivo sulla vita di Escher e sulle opere che andremo ad approfondire, la trattazione procede con un capitolo in cui si definiscono alcuni strumenti matematici: essi saranno utilizzati per giustificare la consistenza dei soggetti delle litografie precedentemente mostrate. Nell'ultima sezione ci dedichiamo a mostrare come tali strumenti matematici possano rendere possibili le visioni del grafico olandese, esplicando caso per caso come intervengano nella realizzazione e come conducano a un risultato impossibile nella realtà tridimensionale in cui viviamo ma non nello spazio in cui vengono immerse.

Il modello di argomentazione di Toulmin nell’attivitá matematica degli studenti di scuola secondaria

Lo studio decritto in questo progetto di tesi ha avuto origine dalla volontà di analizzare l’atteggiamento di studenti di scuola superiore di I e II grado rispetto alla richiesta di fornire argomentazioni, di giustificare affermazioni o risultati ottenuti in ambito matematico. L’analisi quantitativa dei dati ottenuti sottoponendo gli studenti ad un questionario costituito da quesiti scelti in ambiti differenti tra le prove Invalsi ha evidenziato che solo una parte (36% per le superiori di I grado, 59% per le superiori di II grado) degli studenti che hanno risposto correttamente ai quesiti, è stata in grado di argomentare la risposta. L’analisi è stata a questo punto approfondita sulla base del modello di Toulmin e delle componenti del processo di argomentazione da lui descritte. Si è valutato per ogni argomentazione in quale o quali delle componenti toulminiane si sia concentrato l’errore. Ogni argomentazione considerata errata può infatti contenere errori differenti che possono riguardare una soltanto, diverse o tutte e quattro le componenti di Backing, Warrant, Data e Conclusion. L’informazione che ne è emersa è che nella maggioranza dei casi il fatto che uno studente di scuola superiore non riesca ad argomentare adeguatamente un’affermazione dipende dal richiamo errato di conoscenze sull'oggetto dell'argomentazione stessa ("Warrant" e "Backing"), conoscenze che dovrebbero supportare i passi di ragionamento. Si è infine condotta un’indagine sul terreno logico e linguistico dei passi di ragionamento degli studenti e della loro concatenazione, in modo particolare attraverso l’analisi dell’uso dei connettivi linguistici che esprimono e permettono le inferenze, e della padronanza logica delle concatenazioni linguistiche. Si è osservato per quanto riguarda le scuole superiori di I grado, che le difficoltà di argomentazione dovute anche a scarsa padronanza del linguaggio sono circa l’8% del totale; per le scuole superiori di II grado questa percentuale scende al 6%.

I Wormholes ed il loro impiego per il viaggio interstellare

Viaggiare da un punto all'altro dell'universo muovendosi in uno spazio-tempo piatto richiede tempi talmente colossali da risultare impossibile per la nostra razza; pertanto, un viaggio interstellare potrebbe essere realizzato solo per mezzo di topologie relativistiche in grado di accorciare la distanza fra i punti dell'universo. Dopo aver dato una serie di motivazioni per cui i buchi neri ed il ponte di Einstein-Rosen non sono adatti ad essere impiegati viene introdotta una particolare classe di soluzioni, presentata per la prima volta da Michael S. Morris e Kip S. Thorne, delle equazioni di Einstein: essa descrive wormholes i quali, almeno in linea di principio, risultano attraversabili dagli esseri umani in quanto non presentano un orizzonte degli eventi sulla gola. Quest'ultima proprietà, insieme alle equazioni di campo di Einstein, pone dei vincoli piuttosto estremi sul tipo di materiale in grado di dar luogo alla curvatura spazio-temporale del wormhole: nella gola del wormhole la materia deve possedere una tensione radiale di enorme intensità, dell'ordine di quella presente nel centro delle stelle di neutroni più massive per gole con un raggio di appena qualche kilometro. Inoltre, questa tensione dev'essere maggiore della densità di energia del materiale: ad oggi non si conosce alcun materiale con quest'ultima proprietà, la quale viola entrambe le "condizioni sull'energia" alla base di teoremi molto importanti e verificati della relatività generale. L'esistenza di questa materia non può essere esclusa a priori, visto che non esiste prova sperimentale o matematica della sua irrealisticità fisica, ma non essendo mai stata osservata è importante assicurarsi di impiegarne il meno possibile nel wormhole: questo ci porterà a mostrare che i wormholes in cui il materiale esotico presenta una densità di energia negativa per gli osservatori statici sono i più adatti al viaggio interstellare.

Analisi del sistema di controllo di una bobina per la generazione di campi magnetici in un esperimento di fisica atomica

Questa tesi, svolta nell’ambito dell’esperimento BEC3 presso il LENS di Firenze, si propone di studiare i problemi connessi alla variazione improvvisa di corrente in elementi induttivi, come sono le bobine utilizzate per generare campi magnetici. Nell’esperimento BEC3, come in molti esperimenti di atomi freddi, vi è spesso la necessità di compiere operazioni di questo genere anche in tempi brevi. Verrà analizzato il sistema di controllo incaricato di invertire la corrente in una bobina, azione che va effettuata in tempi dell’ordine di qualche millisecondo ed evitando i danni dovuti alle alte tensioni che si sviluppano ai capi della bobina. Per questa analisi sono state effettuate simulazioni del circuito e misure sperimentali, allo scopo di determinare il comportamento e stimare la durata dell’operazione.

Sospesi nel linguaggio Scrivere e parlare matematica in V Liceo

Questo lavoro nasce dal desiderio di approfondire i fondamenti del linguaggio della matematica, osservandone gli usi ed analizzandone gli scopi dal punto di vista didattico e non solo. Il linguaggio è il mezzo su cui si costruiscono i pensieri o semplicemente lo strumento coi quali si comunica il sapere? Il linguaggio è uno strumento della pratica matematica o è la matematica ad essere un linguaggio? Se lo è, che caratteristiche ha? Queste sono le domande che hanno accompagnato la stesura dei primi capitoli di questa tesi, in cui si approfondisce il tema del linguaggio della matematica da un punto di vista epistemologico, tecnico e didattico, a partire dai riferimenti teorici e dalle ricerche sul campo curate da Bruno D’Amore e Pier Luigi Ferrari. Nella seconda parte si presentano i risultati e le osservazioni della sperimentazione condotta nella classe 5a As del Liceo Scientifico “A. Righi” di Cesena. L’indagine di tipo qualitativo sui protocolli degli studenti ha permesso di definire le modalità d’uso del linguaggio da parte degli stessi al termine del percorso scolastico, di mostrare alcuni possibili legami tra le competenze linguistiche e quelle matematiche e di delineare una classificazione di tre profili di allievi relativamente al loro modo di scrivere e parlare di matematica. La tesi ha favorito uno sguardo trasversale verso la matematica in cui il linguaggio offre una fruttuosa possibilità di incontro tra prospettive opposte nel guardare la scienza e l’uomo. Questo apre alla possibilità di costruire una didattica che non sia la mera somma di conoscenze o la divisione di settori disciplinari, ma il prodotto di elementi che armoniosamente costruiscono il pensiero dell’uomo.

La matematica dei frattali

Questa tesi ha lo scopo di descrivere le proprietà matematiche degli insiemi frattali. Nell'introduzione è spiegato brevemente cosa sono i frattali e vengono fatti alcuni esempi di frattali in natura, per poi passare agli aspetti più matematici nei capitoli. Nel capitolo uno si parla della misura e della dimensione di Hausdorff e viene calcolata, seguendo la definizione, per l'insieme di Cantor. Poi nel secondo capitolo viene descrittà l'autosimilarità e viene enunciato un importante teorema che lega l'autosimilarità e la dimensione di Hausdorff. Nel terzo capitolo vengono descritti degli insiemi frattali molto importanti: quelli di Mandelbrot e di Julia.

Matematica e musica grafi, tonnetz e teorie neo-riemanniane

Il primo capitolo verte su argomenti di musica e, dopo una breve premessa generale, ed alcuni cenni biografici di J. S. Bach, si passa ad una analisi strutturale di tipo aritmetico e geometrico su alcune sue famose composizioni, sottolineando in particolare la passione del grande compositore per la numerologia, esaminando l’importanza che il fattore numerologico sempre assume nelle sue opere. Il secondo capitolo verte su argomenti di matematica e tratta alcuni importanti aspetti della teoria dei grafi, del toro e dell’immersione di grafi in superfici. Il terzo capitolo, nel quale si fa riferimento agli argomenti dei primi due capitoli, è diviso in tre parti: la prima esamina alcuni principali fondamenti matematico-musicali, la seconda propone un excursus storico dalla scala pitagorica al temperamento equabile, la terza approfondisce il ciclo delle quinte, il Tonnetz e le teorie neo-riemanniane.

Modello stocastico per la plasticità sinaptica

Nel sistema nervoso centrale i neuroni comunicano l'uno con l'altro attraverso le connessioni sinaptiche e sono soggetti a centinaia di stimoli, ma hanno la capacità di distinguerli l'uno dall'altro. L'abilità delle sinapsi di interpretare questi cambiamenti morfologici e biochimici è detta \textit{plasticità sinaptica} e l'obiettivo di questa tesi è proprio studiare un modello per le dinamiche di questo affascinante processo, da un punto di vista prima deterministico e poi stocastico. Infatti le reazioni che inducono la plasticità sinaptica sono ben approssimate da equazioni differenziali non lineari, ma nel caso di poche molecole bisogna tener conto delle fluttuazioni e quindi sono necessari dei metodi di analisi stocastici. Nel primo capitolo, dopo aver introdotto gli aspetti fondamentali del sistema biochimico coinvolto e dopo aver accennato ai diversi studi che hanno approcciato l'argomento, viene illustrato il modello basato sull'aggregazione delle proteine (PADP) volto a spiegare la plasticità sinaptica. Con il secondo capitolo si introducono i concetti matematici che stanno alla base dei processi stocastici, strumenti utili per studiare e descrivere la dinamica dei sistemi biochimici. Il terzo capitolo introduce una giustificazione matematica riguardo la modellizzazione in campo medio e vede una prima trattazione del modello, con relativa applicazione, sui moscerini. Successivamente si applica il modello di cui sopra ai mammiferi e se ne studia nel dettaglio la dinamica del sistema e la dipendenza dai parametri di soglia che portano alle varie transizioni di fase che coinvolgono le proteine. Infine si è voluto osservare questo sistema da un punto di vista stocastico inserendo il rumore di Wiener per poi confrontare i risultati con quelli ottenuti dall'approccio deterministico.

Storia e sviluppo della comunicazione della matematica: un'esperienza editoriale

"Cosa ci fa un matematico in una casa editrice?" è la comprensibile domanda che mi è stata fatta quasi ogni volta che ho raccontato la mia esperienza di tirocinio presso la Edizioni Dedalo. L'oggetto del presente elaborato è rispondere a questa domanda, un pretesto per poter presentare la comunicazione della matematica a tutto tondo. Oltre a descrivere in cosa è consistito il tirocinio, viene presentato un breve excursus sulla nascita della comunicazione scientifica, al fine di capirne l'importanza da una parte per la democratizzazione del sapere, dall'altra per lo sviluppo della scienza stessa, due aspetti fortemente interdipendenti, esaminando esempi storici da cui si evince tanto il peso della presenza quanto quello dell'assenza di una buona comunicazione. Viene analizzata la teoria per cui il salto qualitativo per la produzione scientifica avviene non a caso all'indomani dell'invenzione della stampa a caratteri mobili. Vengono forniti elementi di teoria della comunicazione, sottolineandone le differenze e i punti di contatto con la didattica, con l'aiuto di interviste a protagonisti della divulgazione e della comunicazione scientifica come Anna Cerasoli, Roberta Fulci, Eleonora Pellegrini e Paolo Zellini.

Dal concetto di azione a distanza al concetto di campo: percorso storico e applicazione alla didattica

Il passaggio dalla concezione delle forze come azioni a distanza a quella che le vede come azioni che avvengono per contatto, attraverso un mezzo descrivibile con una teoria di campo, costituisce un punto di svolta importante nell'evoluzione della fisica. Da un'analisi storica e filosofica, emerge una molteplicità di aspetti che hanno contribuito a questo cambiamento. Rivestono un ruolo importante le concezioni filosofiche che caratterizzano un periodo storico, gli strumenti matematici, i modelli e le analogie. Questa molteplicità rende il passaggio da un paradigma newtoniano a uno maxwelliano un tema significativo per la didattica. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di costruire un percorso didattico indirizzato agli studenti del quarto anno di Liceo Scientifico attraverso i concetti principali dell'elettrostatica, vista come punto di congiunzione tra diversi paradigmi concettuali e tra differenti metodi di rappresentazione matematica. Le ricerche sull'uso della storia della fisica come mezzo per la didattica mettono in luce il parallelismo tra i profili concettuali degli studenti di diverse età con i profili newtoniano e maxwelliano, e attribuiscono le difficoltà nel passaggio da un profilo a un altro a una didattica che non evidenzia la necessità di questo cambiamento. Attraverso un'analisi storica dello sviluppo dell'elettrostatica ho dunque identificato alcuni punti significativi per favorire il cambiamento concettuale, dai quali sono partita per costruire un percorso che si compone di 3 unità in cui sono rese esplicite le motivazioni che portano da un'azione a distanza al concetto di campo e di azione tramite un mezzo. I concetti dell'elettrostatica vengono così trattati attraverso una molteplicità di rappresentazioni e facendo uso di analogie tratte dalla storia della fisica, in maniera coerente con le indicazioni Nazionali per i Licei Scientifici e con le ricerche sulla didattica della fisica che riguardano i diversi aspetti toccati.

Cartografie Rinascimentali: dai problemi pratici alla matematica soggiacente

La struttura di questo progetto di tesi vuole ripercorrere le tappe della storia della cartografia del Rinascimento: prima, vestendo i panni del cartografo rinascimentale, usufruendo delle sue conoscenze legate alla praticità, e, successivamente, attraverso la lente del matematico dell’Ottocento. Questo testo tratterà solamente le cartografie che rappresentano il globo intero. In particolare, si analizzerà la mappa di Mercatore e la mappa di Waldseemüller, di cui si approfondirà anche la costruzione tramite riga e compasso.

La probabilità e il gioco d'azzardo: progetto interdisciplinare tra matematica ed educazione civica

“Probabilità e gioco d’azzardo” è un progetto didattico interdisciplinare tra Matematica ed Educazione Civica elaborato per le classi seconde del Liceo Scientifico. Si introduce il concetto di probabilità per indagare le criticità legate al gioco d’azzardo e per capire come alcuni preconcetti e intuizioni relativi alla probabilità possano influenzarne l’analisi e la comprensione. Nel lavoro di tesi la dimensione teorica non è solo utile alla comprensione dell’aspetto pratico, ma ha un ruolo a sé stante e multidisciplinare: si ripercorre la storia dell’evoluzione della probabilità dalle origini alle moderne interpretazioni. L’analisi del concetto di equità nel SuperEnalotto e nella Roulette caratterizza la dimensione pratica dell’attività. L’apprendimento concettuale non ha un ruolo centrale: l’obiettivo del progetto è fornire agli studenti strumenti per imparare a ragionare, riflettere, mettere in discussione, argomentare e controbattere.

Simulazione event-driven di folle con micro-interazione fisica ed elementi cognitivi

La simulazione computerizzata è uno strumento per prevedere il comportamento di un sistema quando il sistema non è indagabile. Molti sono gli ambiti in cui viene utilizzata. Uno fra questi è l'evacuazione di folle. Le numerose tragedie, conseguenti a situazioni o eventi in presenza di folle, che hanno luogo in ogni parte del mondo a causa dell'incapacità di reagire in maniera coordinata a situazioni di emergenza, rendono necessario un innalzamento della comprensione delle dinamiche che emergono durante l'evacuazione. Molti studi hanno analizzato quelli che sono gli aspetti psicologici dell'essere umano che entrano in gioco in situazioni di panico. Ma è anche necessario considerare che cosa accade a un livello fisico. Questo contributo ha come obiettivo l'introduzione, all'interno del simulatore Alchemist, di elementi di micro-interazione fisica che possano fare da ponte a ciò che accade a livello cognitivo, così che sia possibile far emergere caratteristiche osservabili, come spinte e cadute, nell'ottica di aumentare il realismo nelle simulazioni di evacuazione di folle.

Statistiche di conteggio di fotoni: aspetti teorici e sperimentali

Il seguente elaborato si prefigge l’obiettivo di fornire una panoramica completa ed esau- stiva sullo studio delle statistiche di fotoconteggio, ricavando i fondamentali risultati di natura teorica e al contempo illustrando le procedure di determinazione sperimentale. Il principale risultato conseguibile in tale ambito è l’inequivocabile dimostrazione della natura quantizzata della luce, rendendo definitivamente superato l’alternativo model- lo semiclassico, in cui l’ipotesi di quantizzazione è limitata all’interazione radiazione- rilevatore, mentre la luce viene considerata interamente trattabile come onda. Se infatti entrambi gli approcci forniscono previsioni in accordo con le osservazioni sperimentali per quanto riguarda sorgenti coerenti e termiche, che producono rispettivamente distri- buzioni Poissoniane o Super-Poissoniane, il secondo modello non è in grado di motivare in alcun modo l’esistenza delle distribuzioni Sub-Poissoniane, caratterizzate matemati- camente da una varianza inferiore al valor medio di conteggi ̄n. Il primo capitolo è dedicato a ricavare la forma delle statistiche di fotoconteggio basan- dosi sul modello a fotoni, riportando le più rilevanti dimostrazioni matematiche; il secondo capitolo ha invece l’obiettivo di analizzare i risultati forniti dal modello semi- classico, rivelando la perfetta compatibilità con quelli ottenuti nel capitolo precedente per quanto riguarda sorgenti di tipo classico; nel terzo capitolo si illustra una serie di esperimenti svolti presso il ”Laboratorio di Ottica Quantistica dell’Istituto Nazionale di Ottica-CNR”, nel polo scientifico di Sesto Fiorentino, realizzati con l’obiettivo di confermare la validità delle conclusioni di natura teorica esposte nei primi due capitoli; infine il quarto capitolo si prefigge lo scopo di dare un breve accenno alle distribuzioni di tipo Sub-Poissiano, attraverso una breve trattazione matematica e illustrando alcune modalità di osservazione sperimentale.

Fisica dell'accrescimento

L’accrescimento è un fenomeno di assoluta rilevanza in astrofisica per il fatto di essere uno dei meccanismi di produzione energetica più efficienti conosciuti. Inoltre esso riveste un ruolo fondamentale sia nella caratterizzazione di oggetti astronomici noti come AGN, che per la descrizione di sistemi binari in cui una stella è nella condizione di trasferire parte della propria massa alla compagna. Nell’Introduzione è messa in risalto l’elevata efficienza del processo di accrescimento, soprattutto se confrontata con una delle reazioni termonucleari più celebri come la catena protone-protone. Sono poi mostrati alcuni aspetti qualitativi riguardanti gli AGN e il modo in cui alcune loro particolarità possono essere giustificate proprio grazie ai fenomeni di accrescimento. Il Capitolo 2 è dedicato alla determinazione della luminosità di Eddington, ovvero quel valore limite di luminosità che un corpo in accrescimento può raggiungere e che, se superato, determinata l’innescarsi di processi che portano l’accrescimento a rallentare. All’interno del Capitolo 3 è analizzato il modello di Bondi per l’accrescimento di un oggetto compatto immerso in una distribuzione infinita di gas. Il modello preso in considerazione rappresenta la versione più semplice del modello di Bondi, che fornisce una soluzione idrodinamica e che, tuttavia, presenta ipotesi molto stringenti. Per tale motivo a fine capitolo è stato aggiunto un primo sguardo al problema di Bondi in presenza di electron scattering, andando a vedere il modo in cui questo influenza i risultati classici precedentemente ottenuti. Infine, nel Capitolo 4 è introdotto il problema dell’accrescimento all’interno di sistemi binari in modo da mettere in luce i principali meccanismi che possono dare vita all’accrescimento e le ipotesi sotto le quali questi possono avvenire.