Distribuzioni di quasi-probabilità: la funzione di Wigner

L'elaborato fornisce una introduzione alla funzione di Wigner, ovvero una funzione di fase che gioca un ruolo chiave in alcuni ambiti della fisica come l'ottica quantistica. Nel primo capitolo viene sviluppato sommariamente l'apparato matematico-fisico della quantizzazione di Weyl e quindi introdotta l'omonima mappa di quantizzazione tra funzioni di fase ed operatori quantistici. Nella seconda parte si delinea la nozione di distribuzione di quasi-probabilit\`a e si danno alcune importanti esemplificazioni della funzione di Wigner per gli autostati dell'oscillatore armonico. Per finire l'ultimo capitolo tratteggia il panorama sperimentale all'interno del quale la funzione di Wigner viene utilizzata.

Il ruolo della matematica nella meccanica quantistica in un approccio interdisciplinare per la scuola secondaria

Questo lavoro di tesi nasce all’interno del nucleo di ricerca in didattica della fisica dell’Università di Bologna, coordinato dalla professoressa Olivia Levrini e che coinvolge docenti di matematica e fisica dei Licei, assegnisti di ricerca e laureandi. Negli ultimi anni il lavoro del gruppo si è concentrato sullo studio di una possibile risposta all'evidente e pressante difficoltà di certi docenti nell'affrontare gli argomenti di meccanica quantistica che sono stati introdotti nelle indicazioni Nazionali per il Liceo Scientifico, dovuta a cause di vario genere, fra cui l'intrinseca complessità degli argomenti e l'inefficacia di molti libri di testo nel presentarli in modo adeguato. In questo contesto, la presente tesi si pone l’obiettivo di affrontare due problemi specifici di formalizzazione matematica in relazione a due temi previsti dalle Indicazioni Nazionali: il tema della radiazione di corpo nero, che ha portato Max Planck alla prima ipotesi di quantizzazione, e l’indeterminazione di Heisenberg, con il cambiamento di paradigma che ha costituito per l’interpretazione del mondo fisico. Attraverso un confronto diretto con le fonti, si cercherà quindi di proporre un percorso in cui il ruolo del protagonista sarà giocato dagli aspetti matematici delle teorie analizzate e dal modo in cui gli strumenti della matematica hanno contribuito alla loro formazione, mantenendo un costante legame con le componenti didattiche. Proprio in quest'ottica, ci si accorgerà della forte connessione fra i lavori di Planck e Heisenberg e due aspetti fondamentali della didattica della matematica: l'interdisciplinarietà con la fisica e il concetto di modellizzazione. Il lavoro finale sarà quindi quello di andare ad analizzare, attraverso un confronto con le Indicazioni Nazionali per il Liceo Scientifico e con alcune esigenze emerse dagli insegnanti, le parti e i modi in cui la tesi risponde a queste richieste.

Formulazione e caratterizzazione di geopolimeri come nuovi materiali refrattari

Il presente lavoro di tesi è finalizzato all'ottimizzazione della formulazione iniziale e delle condizioni di stagionatura per ottenere un materiale utilizzabile come refrattario in applicazioni che richiedono elevate temperature di esposizione. L’interesse della ricerca scientifica verso questa nuova classe di materiali nasce dai vantaggi ambientali ed economici che essi possono fornire. Inoltre, le buone proprietà di resistenza e stabilità termica evidenziate dagli studi condotti negli ultimi anni inducono a sperimentare l’impiego dei materiali geopolimerici in sostituzione dei materiali refrattari o cementiferi attualmente in commercio. A tal fine sono state determinate le caratteristiche fisico-meccaniche, microstrutturali e termiche di matrici geopolimeriche additivate con scarti refrattari. Lo studio svolto, si può suddividere in tre fasi successive. Inizialmente sono state ottimizzazione le formulazioni geopolimeriche. Successivamente i prodotti ottenuti sono stati oggetto di caratterizzazione fisico-meccanica, microstrutturale e termica. Tali caratterizzazioni sono state eseguite attraverso: analisi al microscopio ottico, assorbimento di acqua, determinazione della densità geometrica, prove ultrasoniche per la determinazione dell’omogeneità del materiale, resistenza meccanica a compressione, diffrattometria ai raggi X (XRD), microscopio riscaldante, ciclo termico in muffola e analisi dilatometriche. Nella terza fase sono stati analizzati ed elaborati i risultati ottenuti, evidenziando le soddisfacenti proprietà di stabilità e resistenza termica. È stata inoltre effettuata una analisi economica preliminare evidenziando la competitività nel marcato del sistema geopolimerico studiato. Se a questo si aggiungono i considerevoli benefici ambientali dovuti al fatto che il prodotto è ottenuto con sostanze di recupero, non sarebbe sorprendente che in un futuro prossimo i geopolimeri possano essere largamente prodotti e commercializzati.

Fibrous Aerial Robotics: study of spiderweb strategies for the design of architectural envelopes using swarms of drones and inflatable formworks

La tesi approccia in modo transdisciplinare biologia, architettura e robotica, con la finalità di indagare e applicare principi costruttivi attraverso l’interazione tra sciami di droni che depositano materiale fibroso su strutture gonfiabili di supporto. L’attenzione principale è nello sviluppo (attraverso un workflow computazionale che gestisce sciami di agenti costruttori) di una tettonica che integra struttura, spazio e ornamento all’interno dello stesso processo progettuale, il quale si sviluppa coerentemente dall’ideazione fino alla fabbricazione. Sono stati studiati modelli biologici quali le colonie di ragni sociali, i quali costruiscono artefatti di grandi dimensioni relativamente a quelle del singolo individuo grazie ad un’organizzazione coordinata ed emergente e alle proprietà dei sistemi fibrosi. L’auto-organizzazione e la decentralizzazione, insieme alle caratteristiche del sistema materiale, sono stati elementi indispensabili nell’estrapolazione prima e nella codificazione poi di un insieme di regole adatte allo sviluppo del sistema costruttivo. Parallelamente alla simulazione digitale si è andati a sviluppare anche un processo fisico di fabbricazione che, pur tenendo conto dei vincoli economici e tecnici, potesse dimostrarsi una prova di concetto e fattibilità del sistema costruttivo. Sono state investigate le possibilità che un drone offre nel campo della fabbricazione architettonica mediante il rilascio di fili su elementi gonfiabili in pressione. Il processo può risultare vantaggioso in scenari in cui non è possibile allestire infrastrutture costruttive tradizionali (es. gole alpine, foreste). Tendendo conto dei vincoli e delle caratteristiche del sistema di fabbricazione proposto, sono state esplorate potenzialità e criticità del sistema studiato.

La traduzione del testo satirico “When will Jesus bring the pork chops?” di George Carlin

Il presente elaborato ha come obiettivo l’analisi della traduzione di alcuni estratti del libro di George Carlin "When will Jesus bring the pork chops?" L’opera si presenta come una raccolta di testi satirici, tutti dello stesso autore, che trattano temi ritenuti spesso tabù, quali, tra gli altri, l’handicap fisico e mentale, la morte e l’abuso. L’autore, conosciuto per la sua grande capacità oratoria, il suo humor dark e per l’uso di un linguaggio spesso scurrile e molto vario in tal sen-so, è uno tra i comici americani più conosciuti e stimati in tutto il mondo. La traduzione di un autore come Carlin è un esercizio importante proprio per la complessità del linguaggio che il comico utilizzava e per le tematiche che trattava, ma non solo; può infatti portare a una mag-giore consapevolezza sul ruolo del traduttore e sulle considerazioni, oltre che di tipo tecnico e pratico, teoriche ed etiche che questo lavoro richiede. Nei capitoli iniziali verranno presentate alcune teorie molto utili ed interessanti sia dal punto di vista pratico sia da quello dell’inquadramento teorico. Nel capitolo sul verbally expressed humour si presenteranno alcuni studi sui problemi principali nella traduzione delle opere umoristiche mentre, nel capitolo finale, si tratterà l'analisi della proposta di traduzione di alcuni frammenti dell’opera di Carlin con un commento sulle scelte applicate.

Studio sulla bontà dell'approssimazione perturbativa per l'oscillatore anarmonico

Nell'ambito della meccanica quantistica è stato sviluppato uno strumento di calcolo al fine di studiare sistemi per i quali è troppo difficile risolvere il problema di Schrödinger. Esso si basa sull'idea di considerare un sistema semplice, totalmente risolvibile, e perturbarlo fino ad ottenere un'Hamiltoniana simile a quella che si vuole studiare. In questo modo le soluzioni del sistema più complicato sono le soluzioni note del problema semplice corrette da sviluppi in serie della perturbazione. Nonostante il grande successo della Teoria perturbativa, essendo una tecnica di approssimazione, presenta delle limitazioni e non può essere usata in ogni circostanza. In questo lavoro di tesi è stata valutata l'efficacia della Teoria perturbativa ricercando la compatibilità tra le soluzioni trovate col metodo analitico e quelle esatte ottenute numericamente. A tale scopo è stato usato il sistema fisico dell'oscillatore anarmonico, ovvero un oscillatore armonico standard sottoposto ad una perturbazione quartica. Per l'analisi numerica invece è stato utilizzato il programma Wolfram Mathematica. La trattazione seguita ha dimostrato che la Teoria perturbativa funziona molto bene in condizioni di bassa energia e di piccole perturbazioni. Nel momento in cui il livello energetico aumenta e l'intensità della perturbazione diventa significativa, i risultati analitici cominciano a divergere da quelli ottenuti numericamente.

Studio ed Analisi di un refrigeratore magnetico

Nella tesi si affronta l'argomento della refrigerazione magnetica. La tematica è affrontata a partire dal principio fisico che c'è alla base fino ad arrivare ai prototipi relaizzati nel corso degli anni. Si conclude con lo stato attuale della refrigerazione magnetica, facendo un' ipotesi progettuale di un potenziale refrigeratore magnetico.

Effetto di batteri lattici probiotici microincapsulati sulle proprietà chimico-fisiche e microbiologiche di Squacquerone funzionale

In questo studio sono state prodotte 5 diverse tipologie di Squacquerone inoculate con St. thermophilus e con batteri lattici funzionali in forma planctonica o microincapsulata al fine di garantire la loro sopravvivenza, in ambienti caratterizzati da condizioni chimico-fisiche proibitive. Sono stati utilizzati Lb. crispatus BC4 e Lb. paracasei A13 caratterizzati da comprovata attività anti-Candida e battericida o probiotica, rispettivamente. I campioni sono stati caratterizzati a livello microbiologico, chimico-fisico, reologico, proteolitico ed organolettico durante la maturazione/conservazione a 4°C. I dati hanno dimostrato che l’incapsulazione non ha inciso sulla sopravvivenza dei ceppi funzionali in quanto la loro concentrazione è sempre stata costante. La proteolisi ha dimostrato un’evidente relazione tra il ceppo e le modalità della sua immissione nel prodotto: in presenza dei co-starter non incapsulati i processi litici sono accelerati rispetto al campione di controllo, mentre la cinetica di proteolisi viene influenzata negativamente dalle microcapsule. I campioni funzionali, dopo 4 giorni, sono risultati nettamente più apprezzati a livello sensoriale, indipendentemente dal tipo di inclusione dei microrganismi. A fine shelf-life i 5 Squacqueroni sono invece molto più simili tra loro. Di conseguenza, la microincapsulazione può essere vista come uno strumento per modulare le cinetiche di maturazione dello Squacquerone e il momento di immissione di questo sul mercato, per estendere la sua shelf-life ed allargare i mercati. In conclusione sia l’addizione dei co-starter in forma planctonica, che in forma microincapsulata con St. thermophilus, hanno permesso di produrre quattro diversi Squacqueroni identificabili come alimenti funzionali caratterizzati da specifici patterns proteolitici e organolettici. La microincapsulazione e la selezione dei ceppi sono da considerarsi strumenti utili alla innovazione e alla differenziazione dei prodotti lattiero-caseari.

Studio del comportamento di poli-alfa-olefine come modificatori di viscosità negli oli lubrificanti

Il buon funzionamento di una qualsiasi tipologia di motore prevede l’utilizzo di un componente che abbia il compito di lubrificare le parti meccaniche in movimento, come, ad esempio, l’olio motore per l’automobile. Un fattore determinante nella scelta dell’olio è la variazione della sua viscosità in relazione alla variazione di temperatura, poiché la temperatura di esercizio di un macchinario è solitamente diversa dalla temperatura di avviamento. Tale valore viene identificato in maniera assoluta dal Viscosity Index (VI). L’olio motore è una formulazione complessa in cui sono presenti l’olio base ed una serie di additivi, tra cui molto importante è il modificatore di viscosità (Viscosity Index Improver, VII), che migliora il VI e permette di utilizzare lo stesso olio a basse ed alte temperature (olio multigrade). Come VII possono essere utilizzate diverse tipologie di polimeri solubili in olio, che variano per caratteristiche e target di mercato. La famiglia presa in esame in questa tesi è quella delle poli-alfa-olefine, utilizzate prevalentemente con oli base minerali, e più precisamente copolimeri etilene/propilene. Sono state analizzate le proprietà che questa famiglia ben nota di OCP (Olefin CoPolymer) ingenera nel sistema base-polimero. In particolare si è cercato di correlare le proprietà molecolari del polimero (composizione, peso molecolare e paracristallinità) con le proprietà “tecnologico-applicative” di ispessimento, stabilità meccanica al taglio, punto di non scorrimento, avviamento a freddo, pompabilità a freddo. L’attività è proseguita con la progettazione di un modello fisico, con l’obiettivo di predire il comportamento tecnologico del sistema olio-polimero in funzione delle proprietà molecolari di polimeri appartenenti alla classe delle poli-alfa-olefine lineari, esaminando anche le proprietà tecnologiche di un omopolimero sperimentale.

Sviluppo e caratterizzazione di scaffolds polimerici a base di gelatina e nanocellulosa per la rigenerazione dei tessuti

L’ingegneria tissutale rappresenta oggi una delle tematiche più importanti di ricerca in ambito medico-ingegneristico. Questa disciplina si pone come obiettivo di far fronte alla mancanza, sostituzione o riparazione di tessuto attraverso lo sviluppo di scaffolds opportunamente ottimizzati. I polimeri naturali rappresentano una classe di materiali particolarmente indicata per soddisfare i requisiti richiesti soprattutto per la biocompatibilità che spesso li caratterizza. La gelatina è uno dei materiali che si presta alla realizzazione di scaffolds innovativi ad altissima biocompatibilità nonostante le scarse proprietà meccaniche e la facilità di degradazione. Proprio per questo è possibile migliorarne le prestazioni attraverso l’ottimizzazione di processi di blending con altri polimeri, in questo caso le nanofibre di cellulosa e l’impiego di agenti reticolanti. Lo scopo di questo lavoro di tesi, svolto presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (ISTEC-CNR) di Faenza, è la progettazione, lo sviluppo e la caratterizzazione di scaffolds polimerici porosi a base di gelatina e nanocellulosa opportunamente reticolati per un ampio range di applicazioni nell’ambito dell’ingegneria tissutale. A questo scopo, sono stati sviluppati cinque dispositivi 3D porosi, ottenuti tramite liofilizzazione, che differiscono per il tipo di processo reticolante applicato. Il progetto ha previsto una prima fase di ricerca bibliografica che ha permesso di conoscere lo stato dell’arte sull’argomento trattato. Si è potuto così procedere alla realizzazione degli scaffolds e a una prima caratterizzazione di carattere chimico-fisico e morfologico. A questo punto, sulla base dei dati ottenuti, sono stati scelti i campioni su cui effettuare ulteriori caratterizzazioni meccaniche. In ultimo, sono stati analizzati e rielaborati tutti i risultati.

La costruzione condivisa dello spazio pubblico. Architettura e programmi sociali per Zingonia.

L’innovazione non è solamente l’applicazione e l’uso di nuovi device tecnologici ma, anche, un nuovo approccio capace di gestire le sfide sociali delle nostre città. In esse gli spazi pubblici sono i luoghi che per primi possono essere portatori di nuovi valori, nuovi modi di vivere e di agire sulle città. Sono spazi di sperimentazione dove possiamo imparare ad interagire con (e rispettando) i diversi attori. L’intervento architettonico in questi ambiti diventa il mezzo per favorire l’evoluzione positiva dell’attuale stato fisico e sociale. La progettazione si sta, però, evolvendo trasformandosi sempre più in una strategia in grado di apprendere dagli eventi e dalle contingenze. Gli interventi proposti nella mia tesi di laurea, seguendo questo approccio, vogliono portare una riqualificazione degli spazi urbani pubblici di Zingonia, una realtà estremamente complessa e stimolante. Zingonia è nata come New town nel 1964 ed oggi appare come un quartiere metropolitano degradato e pericoloso senza Comune, una periferia senza centro, uno dei più sorprendenti e complessi laboratori d’immigrazione in Italia. L’insieme di piccoli interventi proposti sono azioni che vogliono incrementare la percezione di un luogo “sicuro”, tentando di abbassare alcune barriere mentali e fisiche. I risultati concreti di questi interventi sono altrettanto importanti quanto i risultati sociali e psicologici percepiti dai partecipanti. La strategia adottata prevede il coinvolgimento degli user in tutto il processo, promuovendo interventi di autocostruzione “DIY-Do it yourself”. Questo approccio è rilevante perchè l’azione di creazione genera un legame molto importante con lo spazio e attiva il dialogo con gli altri partecipanti che è alla base dello sviluppo di una comunità. Le persone vengono così coinvolte in un educazione pratica dell’estetica del paesaggio diventando consapevoli del proprio potere nel cambiare ciò che le circonda.

PEDOT:PSS: un polimero conduttivo organico per lo studio dell'integrità del tessuto cellulare

Questa tesi si inserisce nel campo della Bioelettronica Organica con lo scopo di utilizzare dei transistor elettrochimici (OECT) organici basati sul polimero conduttivo PEDOT:PSS per rilevare l’integrità di un tessuto cellulare e come biosensori di analiti in soluzione. Nella prima parte dell’elaborato, si spiegano le proprietà ed il trasporto di carica dei polimeri coniugati concentrandosi sulle caratteristiche fisico chimiche del PEDOT:PSS, seguito da una trattazione analitica del principio di funzionamento di un OECT. La seconda parte, si concentra sul lavoro sperimentale partendo da una descrizione dei processi di fabbricazione degli OECT, dei metodi di caratterizzazione utilizzati e della progettazione del set-up sperimentale per permettere le misure elettriche nell’incubatore cellulare. In seguito, viene dimostrato l’uso di un OECT completamente a base di PEDOT:PSS come sensore di un neurotrasmettitore (dopamina). In parallelo, il lavoro si è concentrato sull’ottimizzazione dei transistor in termini di formulazione di PEDOT:PSS e di geometria del dispositivo per ottenere tempi di spegnimento veloci compatibili con le risposte cellulari (<300ms). In fase di preparazione alle misure con le cellule si è valutato la funzionalità dell’OECT nelle condizioni di coltura cellulare dimostrando una buona stabilità dei dispositivi. Inoltre, sono stati progettati degli studi di simulazione tramite una membrana porosa per prevedere le risposte dei transistor in presenza di un tessuto cellulare. Partendo dall’esito positivo dei test preliminari, il lavoro si è concluso con il primo esperimento con le cellule tumorali HeLa, in cui si è monitorata la crescita cellulare con immagini ottiche correlate alle misure elettriche. I primi risultati confermano la biocompatibilità dei dispositivi e una risposta elettrica degli OECTs alla presenza delle cellule, aprendo la possibilità di utilizzare questi dispositivi per futuri esperimenti anche con diversi tipi di cellule.

Modellistica di accensione per candele ad arco elettrico in motori a combustione interna alternativi

Nel panorama mondiale di contenimento delle emissioni inquinanti in atmosfera é divenuto sempre più importante limitare la parte derivante dai motori a combustione interna: l'utilizzo di motori GDI a carica stratificata e di ricircolo dei gas di scarico (EGR) sono esempi di tecnologie pensate proprio in tale ottica. Sia la presenza di un ambiente magro che di EGR nel cilindro, come anche l'aumento della pressione nel cilindro per l'incremento della pressione di sovralimentazione o del rapporto di compressione, hanno lo svantaggio di limitare la velocità di combustione e rendere più sfavorevoli le condizioni di accensione della miscela; in questo scenario diviene di fondamentale importanza il miglioramento dei sistemi di accensione, la creazione di modelli volti a simularli e la comprensione dei fenomeni che ne stanno alla base. Il seguente lavoro di tesi si inserisce proprio in questo contesto, indagando le varie fasi di cui si compone il fenomeno dell'accensione e le relazioni che legano le variabili di interesse fisico, verificate sulla base di evidenze sperimentali. Successivamente vengono analizzati i principali modelli d'accensione che sono stati proposti e implementati in codici computazionali fluidodinamici; l'analisi mette in luce le differenze, i punti di forza e le semplificazioni introdotte in ognuno di essi, in modo da poterli valutare criticamente. La suddetta analisi é anche utile per introdurre il modello frutto del lavoro del gruppo di ricerca dell'Università di Bologna; ci si concentra particolarmente su quest'ultimo poiché un obiettivo di questo lavoro di tesi é stato proprio l'implementazione e l'utilizzo del modello in un codice fluidodinamico tridimensionale quale CONVERGE CFD. L'implementazione é stata poi validata attraverso simulazioni su una geometria reale di un motore a combustione interna ad elevate prestazioni, confrontando i risultati ottenuti con il nuovo modello rispetto ai dati sperimentali sulla combustione.

Implementazione e validazione di un modello di accensione per motori a combustione interna

Nell'ambito dei motori ad accensione comandata, la comprensione del processo di accensione e delle prime fasi di sviluppo del kernel è di primaria importanza per lo studio dell'intero processo di combustione, dal momento che questi determinano lo sviluppo successivo del fronte di fiamma. Dal punto di vista fisico, l'accensione coinvolge un vasto numero di fenomeni di natura molto complessa, come processi di ionizzazione e passaggio di corrente nei gas: molti di questi avvengono con tempi caratteristici che ne impediscono la simulazione tramite le attuali tecniche CFD. Si rende pertanto necessario sviluppare modelli semplificati che possano descrivere correttamente il fenomeno, a fronte di tempi di calcolo brevi. In quest'ottica, il presente lavoro di tesi punta a fornire una descrizione accurata degli aspetti fisici dell'accensione, cercando di metterne in evidenza gli aspetti principali e le criticità. A questa prima parte di carattere prettamente teorico, segue la presentazione del modello di accensione sviluppato presso il DIN dell'Università di Bologna dal Prof. Bianche e dall'Ing. Falfari e la relativa implementazione tramite il nuovo codice CONVERGE CFD: la validazione è infine condotta riproducendo un caso test ben noto il letteratura, che mostrerà un buon accordo tra valori numerici e sperimentali a conferma della validità del modello.