Cittadinanza scientifica e educazione al futuro: analisi di una sperimentazione didattica sui cambiamenti climatici in una classe quarta di liceo scientifico

Questo lavoro di tesi nasce per fornire un contributo originale alle ricerche già portate avanti dal gruppo di didattica della fisica volte a rispondere a tre principali esigenze evidenziate dai report europei: rendere la cittadinanza sempre più attiva e sensibile verso azioni di mitigazione e adattamento ai cambiamenti climatici, orientare i giovani verso professioni in settori denominati dall’acronimo STEM (Scienza, Tecnologia, Ingegneria e Matematica), colmare il divario tra le competenze possedute da chi entra nel mondo del lavoro e quelle richieste dalle aziende che operano in campo tecnologico per affrontare le sfide dello sviluppo e dell’innovazione. Per integrare le tre esigenze, il gruppo di ricerca ha avviato nell’ultimo anno una collaborazione con l’Area della Ricerca dell’Università di Bologna (ARIC) al fine di individuare modalità per fare entrare gli strumenti di progettazione noti come Project Cycle Management (PCM) e Goal Oriented Project Planning (GOPP) nelle scuole e sviluppare competenze progettuali a partire dall’analisi di tipo logico dei problemi in situazioni complesse. La collaborazione ha portato alla produzione di nuovi materiali sui cambiamenti climatici finalizzati a guidare gli studenti ad analizzare documenti di sintesi dei report dell’IPCC con tecniche di analisi per problemi e obiettivi tipiche del PCM e del GOPP e, quindi, a progettare azioni di mitigazione o adattamento. Il lavoro di tesi si colloca in questo contesto e si è concretizzato nell’analisi di una sperimentazione realizzata in una classe IV del Liceo Scientifico “A. Einstein” di Rimini tra aprile e maggio, 2015.

Studio di cavità Fabry-Perot per laser ultrastabili

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di studiare il comportamento di un fascio laser interagente con un risonatore ottico, grazie al quale il laser può essere stabilizzato agganciando la sua frequenza di missione ad uno dei modi della cavità. In sintesi la lunghezza d’onda del fascio è vincolata ad assumere valori multipli della lunghezza della cavità, dato che in questo modo si possono decisamente migliorare le caratteristiche spettrali di un laser tipico. La stabilizzazione, e il restringimento di riga del laser, vengono effettuati agganciando la sua frequenza sul modo trasverso fondamentale tramite un sistema di feedback. La cavità è però soggetta a sua volta a fluttuazioni di tipo termico e meccanico. Una variazione in lunghezza del risonatore comporta una variazione in frequenza dei modi. Le derive di frequenza dovute agli effetti termici si possono limitare utilizzando materiali con bassa dilatazione termica posti in ambienti la cui temperatura viene stabilizzata tramite un sistema di feedback. Per le vibrazioni, invece, il lavoro è più complicato: non essendo sufficiente mettere il sistema in ambienti isolati per attenuare le fluttuazioni, è stato recentemente proposto di studiare la posizione migliore dei sostegni affinché le fluttuazioni, e quindi le conseguenti variazioni in lunghezza della cavità, risultino minime. Per analizzare questo problema è stato utilizzato un software open-source per l’analisi agli elementi finiti, Salome-Meca, tramite il quale è stata riprodotta la geometria del un risonatore ottico a nostra disposizione, per simularne il comportamento sotto l’effetto del campo gravitazionale. Da qui si sono ottenuti i dati riguardo lo spostamento degli specchi della cavità in funzione della posizione del sostegno, dai quali si è riuscito a trovare il punto di posizionamento del supporto capace di ridurre lo spostamento di un ordine di grandezza.

Uso di dati di telemetria per studiare la qualità e l'affidabilità di macchine per gelato espresso

L’odierno mercato concorrenziale ha portato le aziende a rinnovare il sistema produttivo, spostandosi da un approccio innovativo convergente, in cui le imprese erano le uniche detentrici del controllo dell’intero processo, fin dalla generazione di nuove idee e proposte di innovazione, ad un approccio aperto, denominato Open Innovation, che fa leva sul concetto di flusso libero e bidirezionale di idee e tecnologie tra l’azienda e l’ambiente esterno. È in questo contesto che è stata progettata in Carpigiani una piattaforma e-maintenance chiamata Teorema che, sfruttando un sistema di telemetria, consente di monitorare in tempo reale le macchine installate presso l’utente finale, acquisendo importanti informazioni sul reale utilizzo e sulle effettive funzionalità impiegate dal cliente. Grazie a tale gestione remota, allo stesso tempo è possibile garantire un’efficace operazione di diagnostica e prognostica atte a prevenire eventuali malfunzionamenti. Il presente elaborato fornisce un concreto metodo di utilizzo di tale piattaforma per il monitoraggio real time di macchine per gelato espresso, al fine di verificarne l’effettivo utilizzo da parte del cliente ed il corretto dimensionamento dell’impianto. Per mezzo della piattaforma Teorema è stato inoltre possibile eseguire un’indagine comparativa sui consumi energetici misurati in macchina, testando l’efficienza di funzionamento. Infine è stata eseguita un’analisi FMEA degli allarmi rilevati sul parco di macchine analizzate, per valutare l’affidabilità della macchina e dei suoi componenti.

Ottimizzazione di un controllo di temperatura per diodi laser

In questo lavoro di tesi si studia un processo sperimentale necessario alla realizza- zione di un esperimento di Fisica Atomica. L’attivit`a svolta consiste nell’ottimizzazione dei paramentri di un algoritmo di con- trollo PI (proporzionale-integrale) atto a stabilizzare la temperatura di un Diodo Laser entro 1mK. Nella branca dell’Ottica Non Lineare (dove la polarizzazione del mezzo ha una rispo- sta non lineare al campo elettrico) si possono presentare casi in cui la birifrangenza del mezzo ha una forte dipendenza dalla temperatura. Questa pu o ` essere control- lata per il raggiungimento delle condizioni di phase matching. Le fluttuazioni di temperatura possono minare tramite la dilatazione termica la precisione di una ca- vit`a Fabry-Perot, utilizzata per controllare e misurare la lunghezza d’onda della luce, dato che nominalmente ∆ν/ν = − ∆L/L. Negli esperimenti di Laser Cooling infi- ne si lavora spesso con transizioni la cui larghezza naturale Γ ∼ 1MHz , mentre la frequenza di un laser pu o ́ dipendere dalla temperatura con coefficienti tipicamente dell’ordine del GHz/K. Questa stabilizzazione risulta dunque fondamentale per una vasta classe di esperi- menti nei quali le derive termiche possono influenzare drammaticamente il processo di misura. La tesi, in particolare, si apre con un capitolo nel quale si tratta brevemente il con- testo matematico di riferimento per i sistemi di controllo a retroazione. Tra questi e ` di particolare interesse la regolazione proporzionale-integrale. Il secondo capitolo si concentra sulla caratterizzazione del sistema in oggetto al fine di trovare la sua funzione di trasferimento ad anello aperto. Nel terzo capitolo infine, si utilizzano gli strumenti matematici descritti precedente- mente per ottimizzare i parametri del regolatore e si discutono i risultati ottenuti e le misure finali.

Relazione tra idrostratigrafia e idrochimica all'interno del Gruppo Acquifero A in Pianura Padana centrale

La realizzazione di cinque sezioni stratigrafiche nel territorio padano, orientate SSW-NNE e con profondità di circa 200 m, ha consentito lo studio della successione sedimentaria tardo-quaternaria della Pianura Padana centrale e dei suoi acquiferi, in particolare quelli più superficiali. La ricostruzione, ottenuta utilizzando le stratigrafie di pozzi per acqua fornite dall’archivio del Servizio Geologico, Sismico e dei Suoli di Regione Emilia-romagna, ha permesso di evidenziare una ciclicità deposizionale del 4° ordine, controllata da fattori glacio-eustatici. Grazie al riconoscimento di cicli trasgressivo-regressivi sono stati individuati cinque subsintemi corrispondenti ad altrettanti complessi acquiferi. La ricostruzione di pattern ciclici all’interno del Bacino Padano ha permesso la ricostruzione geometrica dei corpi sedimentari di channel-belt del Fiume Po, spessi corpi sabbiosi confinati da materiale impermeabile in cui sono contenute le falde acquifere. Alle informazioni stratigrafiche e litologiche si è unito lo studio delle caratteristiche idrochimiche ed isotopiche degli acquiferi, in modo tale da ottenere una chiave di lettura integrata dei depositi padani. Basandosi sulle diverse caratteristiche isotopiche delle acque è possibile risalire alla provenienza delle acque negli acquiferi. In questo modo si ottengono informazioni circa le modalità di ricarica dell'acquifero e la sorgente della ricarica. Un'applicazione secondaria di questo metodo è la verifica della vulnerabilità degli acquiferi padani. Lo studio delle facies idrochimiche è stato sovrapposto a quello dei valori isotopici delle acque, con l'obiettivo di definire una correlazione tra i due fattori chimici all’interno degli acquiferi. L'obiettivo di questa correlazione è quello di identificare la provenienza di un'acqua di ricarica senza la necessità di dati di natura isotopica.

Determinazione semplificata delle curve caratteristiche di un compressore centrifugo

Scopo di questa tesi è lo sviluppo di un codice nell'ambiente per il calcolo numerico Matlab atto a simulare il comportamento di un compressore centrifugo. Tale compressore centrifugo è stato studiato per l'utilizzo in un gruppo turbogas per la produzione di energia elettrica. Con l’utilizzo di alcune semplificazioni, è stata tracciata la mappa di tale compressore in intervalli di portata e salti di pressione il più possibile distanti dal funzionamento con condizioni di progetto.

Progetto preliminare ed analisi strutturale di un Cubesat

Lo scopo di questa tesi è progettare e analizzare la struttura più efficiente ed adeguata di un CubeSat 1U, realizzando un modello al calcolatore che sia il più possibile aderente al modello reale. Ciò viene fatto utilizzando un software dedicato alle simulazioni avanzate, Ansys Workbench con il quale è possibile svolgere analisi modali sulla struttura realizzata. Per validare il modello numerico occorre confrontare i risultati ottenuti al calcolatore con quelli conseguiti sperimentalmente nell'ambito della tesi del mio collega Riccardo Fabbri; una volta fatto ciò si manipola il modello numerico finché i risultati non si matchano, entro un certo margine di errore. Un modello numerico del genere è fondamentale per le fasi iniziali di qualsiasi progetto sperimentale volto alla costruzione di una struttura, infatti consente di svolgere tutta una serie di test e simulazioni di carichi e vincoli che nella realtà non si possono eseguire per via di numerosi fattori, come ad esempio la mancanza della strumentazione adeguata.

Esperimenti sul controllo remoto di stazioni per il monitoraggio di processi geofisici per la valutazione di geohazard

In collaborazione con la sezione di Bologna dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) si è dato il via ad un progetto mirato alla costruzione di nuove stazioni monitoranti. Stazioni che dovranno avere un basso impatto in termini di costi e consumi energetici, dando contemporaneamente la possibilità di essere pilotate a distanza. Quest’ultimo è un parametro fondamentale perché permetterebbe di interagire con la stazione anche durante il verificarsi di calamità naturali. Per giungere ad una soluzione si è quindi proceduto analizzando i possibili scenari e le soluzioni attualmente impiegate. Valutandone gli aspetti negativi e positivi. Successivamente, terminata la fase di documentazione, si è passati a vagliare le soluzioni tecnologiche attualmente disponibili sul mercato e ad assemblare un prototipo sperimentale. Non appena in possesso di una macchina sulla quale poter effettuare tutte le prove necessarie si è passati alla fase successiva. L’implementazione di test che potessero rappresentare al meglio una situazione reale. Da qui si è giunti ad una conclusione, tenendo in considerazione diversi fattori: le condizioni imposte dall’ambiente durante le operazioni di test ed i risultati ottenuti.

Presentazione di varietà tridimensionali tramite poliedri

Lo scopo della tesi è dimostrare un teorema che offre una condizione necessaria e sufficiente affinché un poliedro con facce identificate risulti una varietà tridimensionale. Nel primo capitolo si descrive una possibile metodologia di studio e presentazione delle superfici al fine di fare un confronto con le 3-varietà. Nel secondo capitolo, prima di studiare il teorema principale, si descrivono nozioni di topologia algebrica utili nella sua dimostrazione: la coomologia e la dualità di Poincaré. Infine il terzo capitolo è dedicato alla descrizione di due esempi di 3-varietà e ad un controesempio al teorema in dimensione 5.

Progettazione del layout di un nuovo stabilimento produttivo: il caso Fiorini Industries S.r.l.

Progettazione del nuovo layout per un nuovo stabilimento produttivo, in cui il gruppo Fiorini Industries S.r.l., in un'ottica di espansione e miglioramento dei parametri tecnici e dei flussi aziendali, si insedia lasciando la sua storica sede produttiva. Questo bisogno nasce dall'impossibilità di espansione dello stabilimento odierno e dalla necessità di ridurre i costi di movimentazione dei materiali durante il ciclo di produzione. La tesi si colloca in questo contesto di necessità di verificare le prestazioni del lay-out attuale, valutandone le problematiche e le criticità al fine di potere identificare delle valide soluzioni di layout per la nuova sede produttiva dal punto di vista tecnico-economico e ambientale. Il CAPITOLO1 è volto ad inquadrare il problema affrontato nella situazione odierna; mettendo in evidenza la rilevanza del lay-out. Viene poi spiegato in maniera approfondita l'approccio di progettazione seguito. Al CAPITOLO 2 spetta la presentazione dell'azienda, della sua storia, della sua gamma di prodotti e dei suoi reparti di lavorazione. L'inquadramento aziendale è necessario al fine di capire le esigenze aziendali di cui si dovrà tenere conto durante lo svolgimento del lavoro. Nel CAPITOLO 3 si procede con l'analisi della situazione attuale, recuperando i dati di input necessari alla determinazione del mix produttivo offerto al mercato, quindi con l'analisi dei cicli produttivi, dei flussi e delle risorse impiegate per le movimentazioni. Il CAPITOLO 4 illustra il nuovo polo industriale del gruppo e presenta le alternative di lay-out individuate, che vengono analizzate dal punto di vista economico per individuare il possibile saving economico annuo rispetto alla situazione attuale. Per completezza di informazione vengono presentate anche aree che non vengono progettate tramite l'analisi tecnico economica (Blocco 2 e Uffici). Il capitolo termina con la scelta del nuovo layout per la nuova sede, dove vengono studiati i saving annui in base ai mezzi di movimentazioni attuali e quelli implementabili. L'ultima parte dell'elaborato valuta le emissioni di anidride carbonica dovute alle movimentazioni interne e valuta la possibile riduzione di emissioni di CO2 con il nuovo layout.

Milano: Progetto di riassetto urbano dell'ex comprensorio delle Caserme Magenta, XXIV Maggio, Carroccio. Quartiere dell'arte e nuova accademia di Brera

Il lavoro compiuto porta in evidenza un tema di grande attualità per il progetto urbano e promuove la ricerca tipologica e figurativa volta a interpretare il luogo tramite l’analisi dei caratteri, tessuti, giaciture per capirne le criticità e da queste partire, non con la pretesa di una capacità risolutiva assoluta dell’intera gamma dei problemi che lo sviluppo del territorio pone, ma come occasione per dare un assetto ordinato a una parte di città e con l’intento di mettersi a disposizione e al servizio della città stessa, costruita e attuata come accumulo indifferenziato di manufatti privo di un qualsiasi disegno generale che lo regoli. L’idea guida del progetto è stata la scelta di rivalutare, anche dal punto di vista espositivo, il carattere di museo-laboratorio proprio dell’Accademia, così da ridefinire il suo ruolo didattico. Tra la necessità di salvaguardare il carattere di Brera come Istituzione e il bisogno di trovare una collocazione più adatta alla didattica attraverso il trasferimento degli spazi dell’Accademia nel Comprensorio delle ex caserme XXIV Maggio, Carroccio, Magenta.

Studio della formazione e della composizione di aggregati solidi indesiderati in creme di nocciole e cacao destinate alla gelateria e conservate a basse temperature

Lo scopo di questa tesi, legato ad una collaborazione di ricerca industriale, è stato quello di stabilire la natura di aggregati solidi indesiderati che si formano in creme di nocciole e cacao, quando conservate, talora accidentalmente, a basse temperature, in particolare inferiori agli 0°C. L’obiettivo è stato quello di cercare di individuare le ragioni e gli ingredienti responsabili, con più probabilità, del fenomeno per poter dare indicazioni in merito alla formulazione o alla conservazione del prodotto prima e durante la commercializzazione. Sono state campionate due partite di creme di due differenti marche presenti in commercio. Una volta verificato per quali di queste creme e in che misura avesse origine la formazione degli aggregati solidi, si è proceduto ad un loro isolamento, mediante tecniche di estrazione solido-liquido, e successiva analisi gascromatografica degli acidi grassi. Anche per gli ingredienti delle creme di nocciole e cacao si è proceduto ad un’estrazione della componente lipidica ed ad una analisi gascromatografica degli acidi grassi. I risultati ottenuti sono stati elaborati, al fine di individuare gli ingredienti o le condizioni responsabili dell'insorgenza degli aggregati solidi indesiderati. La polvere di cacao è risultata, con più probabilità, l’ingrediente della crema di nocciola e cacao responsabile della formazione degli aggregati indesiderati, e questo ha suggerito la necessità di una verifica della qualità, anche in termini di cristallizzazione, di questo ingrediente, con particolare attenzione, ovviamente, alla frazione grassa (burro di cacao). E’ stato segnalato che un processo tecnologico di produzione non adeguato (tempera), in termini di temperature raggiunte e di mescolamento della crema, così come di conservazione del prodotto finale possono avere una importanza fondamentale nelle eventuali separazioni per condensazione di alcuni componenti della fase lipidica (agglomerati sferici).

L'atomo di idrogeno: righe, serie e sua importanza in astrofisica

L'atomo di idrogeno è il più leggero ed abbondante dell'universo. Esiste sotto forma di molecola H2, ionizzato e neutro: di seguito si analizzeranno le principali caratteristiche di queste tre fasi e si sottolineeranno i criteri ambientali che determinano la presenza di idrogeno in una o nell'altra fase e in particolare a quali processi radiattivi corrispondono. Si accenna inoltre al ruolo fondamentale che esso svolge in alcuni ambiti della ricerca astrofisica come la determinazione della curva di rotazione delle galassie a spirale o l'osservazione di regioni di formazione stellare. L'elaborato si apre con una panoramica sulla trattazione quantistica dell'atomo di idrogeno. Si parlerà delle sue autofunzioni e dei livelli energetici relativi, delle regole di selezione tra gli stati e in particolare degli effetti di struttura iperfine che portano alla formazione della riga a 21 cm, potentissimo mezzo di indagine in nostro possesso. Si aggiunge infine una breve trattazione su come l'idrogeno funga da carburante per la vita delle stelle.

Vincoli cosmologici dalle distorsioni geometriche della funzione di correlazione

L'accurata determinazione dei parametri che costituiscono un modello cosmologico è fondamentale per caratterizzare correttamente l'evoluzione globale dell'universo e per spiegare le sue caratteristiche locali. Per quanto riguarda questo lavoro di Tesi abbiamo studiato l'efficienza di un particolare metodo per la stima del parametro di densità della materia detto test di Alcock-Paczynski. Con tale metodo si studiando le distorsioni geometriche che un’errata assunzione dei parametri cosmologici introduce nella funzione di correlazione a due punti bidimensionale. Abbiamo applicato il test a diversi cataloghi prodotti dalla simulazione Magneticum. In particolare abbiamo studiato come l'efficienza del metodo nel riconoscere il corretto valore del parametro di densità dipenda dal tipo di tracciante considerato, dal redshift d'osservazione e dai metodi di modelizzazione delle distorsioni dovute alla dinamica degli oggetti osservati. Si è potuto osservare come l’efficienza del metodo dipenda dalla densità d’oggetti contenuti nel catalogo (rendendo le galassie il tracciante migliore su cui applicare il test) e dall’ampiezza dell’effetto di distorsione geometrica, massimo per redshift vicini a 1. Abbiamo verificato che considerare come indipendenti le misure effettuate sui cataloghi a diversi redshift migliora l’identificazione del corretto valore del parametro di densità. Nella combinazione delle diverse misure, inoltre, si nota che i contributi meno significativi vengono dai redshift estremi dell’intervallo considerato, ma i singoli risultati, per quanto incerti, non intaccano il risultato finale. Infine si è osservato come ridurre il numero di parametri liberi attraverso i quali si introducono nei modelli le distorsioni dinamiche, in particolar modo gli effetti di distorsione a piccole scale, migliora sensibilmente l’efficacia del metodo.

Valutazione delle condizioni di estrazione nella determinazione di composti fenolici nelle patate

Il presente elaborato di tesi valuta l’effetto delle condizioni di estrazione dei composti fenolici in un sottoprodotto della lavorazione industriale delle patate, la buccia, con l’obiettivo di poter valorizzare tale residuo di processo per utilizzi futuri. Al fine di ottimizzare le condizioni di estrazione, si è deciso di utilizzare il disegno sperimentale Box-Behnken (DBB) mediante la variazione di tre fattori (tempo, tipologia di solvente, rapporto campione/solvente) e per un totale di 15 determinazioni. I dati risultanti dalla determinazione dei composti fenolici totali e dell’attività antiossidante hanno messo in evidenza come la buccia di patate, sottoprodotto del processo di lavorazione industriale, sia un prodotto interessante per il proprio contenuto in composti fenolici ad elevata attività antiossidante. Tuttavia, la scelta delle condizioni ottimali di estrazione è fondamentale al fine di evitare la sottostima del contenuto in composti bioattivi, che deriverebbe da una incompleta estrazione degli stessi dalla matrice alimentare. Il disegno Box-Behnken ha permesso di stabilire le condizioni ottimali di estrazione dei composti fenolici e per questo sará utilizzato in futuro per lo screening di diversi campioni procedenti dalla produzione industriale. L’estrazione ottimale dei composti di interesse ha comunque evidenziato come la buccia di patata sia una fonte di composti fenolici ad attivitá antiossidante che potrá essere utilizzata sia come ingrediente alimentare che in campo nutraceutico.