Geodetiche su superfici dello spazio euclideo tridimensionale

In questa tesi si studiano le geodetiche sulle superfici dello spazio euclideo tridimensionale. Tali curve, che godono di proprietà analoghe a quelle delle rette nel piano, vengono definite come quelle particolari curve sulle superfici il cui campo dei vettori tangenti e' parallelo, cioè ha derivata covariante nulla. Sulle superfici di rotazione le geodetiche sono tutti i meridiani, i paralleli aventi vettori tangenti paralleli all'asse di rotazione e tutte le curve soddisfacenti la condizione di Clairaut. Dopo aver studiato le geodetiche su alcune superfici significative si introduce la nozione di mappa esponenziale che permetterà di dimostrare le proprietà di minimo locale delle geodetiche.

Superfici minime

Scopo della tesi è arrivare a definire le condizioni che caratterizzano le superfici dello spazio reale 3-dim ed in particolare quelle superfici che realizzano l'area minima dato un bordo fissato.

Computer aided design and finite element modeling to predict bulk mechanical properties of bone scaffolds using triply periodic minimal surfaces (progettazione assistita al calcolatore ed analisi con il metodo degli elementi finiti per predire il comportamento meccanico di scaffolds ossei creati con l'uso di superfici minime periodiche in tre direzioni)

The aim of Tissue Engineering is to develop biological substitutes that will restore lost morphological and functional features of diseased or damaged portions of organs. Recently computer-aided technology has received considerable attention in the area of tissue engineering and the advance of additive manufacture (AM) techniques has significantly improved control over the pore network architecture of tissue engineering scaffolds. To regenerate tissues more efficiently, an ideal scaffold should have appropriate porosity and pore structure. More sophisticated porous configurations with higher architectures of the pore network and scaffolding structures that mimic the intricate architecture and complexity of native organs and tissues are then required. This study adopts a macro-structural shape design approach to the production of open porous materials (Titanium foams), which utilizes spatial periodicity as a simple way to generate the models. From among various pore architectures which have been studied, this work simulated pore structure by triply-periodic minimal surfaces (TPMS) for the construction of tissue engineering scaffolds. TPMS are shown to be a versatile source of biomorphic scaffold design. A set of tissue scaffolds using the TPMS-based unit cell libraries was designed. TPMS-based Titanium foams were meant to be printed three dimensional with the relative predicted geometry, microstructure and consequently mechanical properties. Trough a finite element analysis (FEA) the mechanical properties of the designed scaffolds were determined in compression and analyzed in terms of their porosity and assemblies of unit cells. The purpose of this work was to investigate the mechanical performance of TPMS models trying to understand the best compromise between mechanical and geometrical requirements of the scaffolds. The intention was to predict the structural modulus in open porous materials via structural design of interconnected three-dimensional lattices, hence optimising geometrical properties. With the aid of FEA results, it is expected that the effective mechanical properties for the TPMS-based scaffold units can be used to design optimized scaffolds for tissue engineering applications. Regardless of the influence of fabrication method, it is desirable to calculate scaffold properties so that the effect of these properties on tissue regeneration may be better understood.

La fortezza di San Leo: restauri storici, indagini sulle superfici architettoniche esterne e linee di metodo per la conservazione

La tesi si pone l’obiettivo di approfondire i restauri operati nel corso del tempo sulla fortezza di San Leo a seguito del sisma del 1786 ed affronta il delicato e complesso tema delle finiture delle superfici architettoniche esterne. La ricerca si è sviluppata a partire dall’analisi storico-critica delle vicende relative alla fortezza e alla città di San Leo, approfondendo le caratteristiche dell’architettura militare di transizione di Francesco di Giorgio Martini dal momento della sua fondazione nel Montefeltro, al fine di ricostruire la possibile sequenza delle fasi costruttive, anche attraverso la comparazione con altri esempi di fortificazioni sul territorio. L’analisi comparata delle fonti dirette e indirette, delle tracce murarie attraverso un accurato rilievo geometrico del complesso monumentale ottenuto con l’ausilio di molteplici tecniche di misura (topografiche, dirette, fotogrammetriche) opportunamente integrate in un unico sistema di riferimento, e il rilievo critico con tavole tematiche sulle superfici architettoniche, ha permesso di osservare sotto una nuova luce il singolare progetto di restauro elaborato da Giuseppe Valadier per la fortezza di San Leo. Esso rappresenta un’anticipazione della disciplina, maturata nell’ambiente colto romano dell’epoca, e fondata sulla presa di coscienza dei valori del manufatto architettonico. Si è provveduto a catalogare e descrivere più di 150 fonti documentarie, in gran parte inedite, collocate in un arco temporale che va dal Cinquecento, al periodo Moderno e Contemporaneo con le perizie del Genio Civile e della Soprintendenza. Sono state inoltre ordinate cronologicamente e descritte almeno 50 rappresentazioni iconografiche e cartografiche storiche. L’approccio analitico multidisciplinare, e la raccolta di informazioni storico-documentali, è stato completato da un’ultima fase di analisi, utile a determinare la stratificazione e la cronologia degli interventi. Sono state condotte indagini fisiche e chimiche su campioni, prelevati in loco durante il mese di novembre del 2008 sotto l’egida della Soprintendenza, al fine di determinare la formulazione e la microstuttura dei materiali, con particolare attenzione ai materiali lapidei, agli intonaci e alle coloriture, limitando le indagini a quelle strettamente necessarie. Le indagini strumentali sono state effettuate presso il Laboratorio di Scienza e Tecnologia dei Materiali (LASTM) del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum Università di Bologna, Scuola di Ingegneria e Architettura, seguendo procedure sviluppate dai gruppi di lavoro presso la struttura. Al fine di determinare la composizione chimica dei materiali sono state eseguite calcimetrie e diffrattometrie a raggi x, mentre per quanto riguarda la struttura e la microstruttura sono state eseguite delle analisi granulometriche. L’interpretazione dei dati, ottenuti dalla lettura organica delle fonti, ha permesso di inquadrare i differenti trattamenti superficiali esterni in relazione all’epoca di realizzazione.

Programmazione funzionale in spazio logaritmico: una libreria di funzione aritmetiche

In questa Tesi forniamo una libreria di funzioni aritmetiche che operano in spazio logaritmico rispetto all'input. Partiamo con un'analisi dei campi in cui è necessario o conveniente porre dei limiti, in termini di spazio utilizzato, alla computazione di un determinato software. Vista la larga diffusione del Web, si ha a che fare con collezioni di dati enormi e che magari risiedono su server remoti: c'è quindi la necessità di scrivere programmi che operino su questi dati, pur non potendo questi dati entrare tutti insieme nella memoria di lavoro del programma stesso. In seguito studiamo le nozioni teoriche di Complessità, in particolare quelle legate allo spazio di calcolo, utilizzando un modello alternativo di Macchina di Turing: la Offline Turing Machine. Presentiamo quindi un nuovo “modello” di programmazione: la computazione bidirezionale, che riteniamo essere un buon modo di strutturare la computazione limitata in spazio. Forniamo poi una “guida al programmatore” per un linguaggio di recente introduzione, IntML, che permettere la realizzazione di programmi logspace mantenendo però il tradizionale stile di programmazione funzionale. Infine, per mostrare come IntML permetta concretamente di scrivere programmi limitati in spazio, realizziamo una libreria di funzioni aritmetiche che operano in spazio logaritmico. In particolare, mostriamo funzioni per calcolare divisione intera e resto sui naturali, e funzioni per confrontare, sommare e moltiplicare numeri espressi come parole binarie.

La struttura della double bubble di area minima

In questa tesi viene presentata una scelta dei passaggi fondamentali per arrivare alla dimostrazione della congettura della double bubble, dovuta ad Hutchings, Morgan, Ritoré e Ros. Questa dimostrazione assicura l'esistenza e l'unicità della superficie minima che permette di racchiudere due volumi nello spazio reale tridimensionale; si tratta quindi di un caso particolare del problema delle bolle di sapone, che ha richiesto la messa a punto di strumenti sofisticati di teoria geometrica della misura, calcolo delle variazioni ed equazioni differenziali non lineari.

Lo spazio dodecaedrico di Poincaré

Si descrive lo spazio di Poincaré tramite la sua descrizione come dodecaedro con identificazioni sul bordo. A tal proposito sono analizzate le proprietà di gruppo su S^3 (quaternioni) e le proprietà dei politopi regolari in 4 dimensioni. Infine sono calcolati gruppo fondamentale e omologia dello spazio, si dimostra che è una sfera d'omologia e vengono descritte le sue principali proprietà ponendo l'accento sull'importanza storica e matematica di questo spazio.

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.

Struttura Kahler degli spazi di Teichmuller

Gli spazi di Teichmuller nacquero come risposta ad un problema posto diversi anni prima da Bernhard Riemann, che si domandò in che modo poter parametrizzare le strutture complesse supportate da una superficie fissata; in questo lavoro di tesi ci proponiamo di studiarli in maniera approfondita. Una superficie connessa, orientata e dotata di struttura complessa, prende il nome di superficie di Riemann e costituisce l’oggetto principe su cui si basa l’intero studio affrontato nelle pagine a seguire. Il teorema di uniformizzazione per le superfici di Riemann permette di fare prima distinzione netta tra esse, classificandole in superfici ellittiche, piatte o iperboliche. Due superfici di Riemann R ed S si dicono equivalenti se esiste un biolomorfismo f da R in S, e si dice che hanno la stessa struttura complessa. Certamente se le due superfici hanno genere diverso non possono essere equivalenti. Tuttavia, se R ed S sono superfci con lo stesso genere g ma non equivalenti, è comunque possibile dotare R di una struttura complessa, diversa dalla precedente, che la renda equivalente ad S. Questo permette di osservare che R è in grado di supportare diverse strutture complesse non equivalenti tra loro. Lo spazio di Teichmuller Tg di R è definito come lo spazio che parametrizza tutte le strutture complesse su R a meno di biolomorfismo. D’altra parte ogni superficie connessa, compatta e orientata di genere maggiore o uguale a 2 è in grado di supportare una struttura iperbolica. Il collegamento tra il mondo delle superfici di Riemann con quello delle superfici iperboliche è stato dato da Gauss, il quale provò che per ogni fissata superficie R le metriche iperboliche sono in corrispondenza biunivoca con le strutture complesse supportate da R stessa. Questo teorema permette di fornire una versione della definizione di Tg per superfici iperboliche; precisamente due metriche h1, h2 su R sono equivalenti se e soltanto se esiste un’isometria φ : (R, h1 ) −→ (R, h2 ) isotopa all’identità. Pertanto, grazie al risultato di Gauss, gli spazi di Teichmuller possono essere studiati sia dal punto di vista complesso, che da quello iperbolico.

Ricostruzione di convessi e robotica

Questa tesi si è focalizzata sulla topologia robotica. In particolare, in questo elaborato si è voluto sottolineare l’importanza della topografia dei pezzi nella visione robotica. Siamo partiti dalle definizioni di politopo e di mappa gaussiana estesa, per poi passare ad alcuni punti chiave della robotica, quali la definizione di posa di un oggetto, di “peg in the hole”e di forma da X. Questi punti ci hanno permesso di enunciare i teoremi di Minkowski ed Alexandrov che sono stati poi utilizzati nella costruzione del metodo EGI. Questo metodo è stato quindi utilizzato per determinare l’assetto di un oggetto nello spazio e permettere quindi al braccio del robot di afferrarlo.