CORSI 2018

CORSI AVANZATI

MECCANICA DEI FLUIDI NEI PIANETI E STELLE
16 – 20 aprile

Coordinatori:

• Michael Le Bars (CNRS, Marsiglia, Francia)
• Daniel Lecoanet (Università di Princeton, USA)

Comprendere la dinamica degli strati fluidi nei pianeti e nelle stelle è un compito interdisciplinare di grande portata. Tra le numerose domande ancora senza risposta si possono citare:
- Quali sono i meccanismi che consentono il trasporto dell’energia associata alle correnti oceaniche dalla scala più grande (associata alle condizioni climatiche) dove viene generata, alle scale più piccole dove viene dissipata?
- Quali forze e regimi di moto nei nuclei fusi dei pianeti sono responsabili della generazione dei campi magnetici?
- Quali meccanismi fisici sono responsabili della formazione di macrostrutture, come le bande e la Grande Macchia Rossa di Giove?
- Quali sono i meccanismi di generazione delle onde gravitazionali all’interno delle stelle e quali i meccanismi di propagazione nello spazio interstellare?
Oltre alla necessità di utilizzare conoscenze multidisciplinari in settori quali la Meccanica, la Matematica Applicata, l’Astrofisica e le Scienze della Terra e dei Pianeti, l’ostacolo principale alla comprensione di questi problemi sta nelle dimensioni estreme in gioco, ben superiori a quelle di ogni possibile modello di laboratorio. Gli studi devono quindi basarsi su modelli in scala molto ridotta e riportare i dati sperimentali su scale molto più grandi grazie a considerazioni teoriche e simulazioni numeriche ben illustrate nel corso proposto.

FENOMENI DI TRASPORTO NEI FLUIDI COMPLESSSI
7 – 11 maggio

Coordinatori:

• Volfango Bertola (Università di Liverpool, Regno Unito)
• Teodor Burgheleia (CNRS, Nantes, Francia)

Il termine “fluidi complessi” contraddistingue un’ampia classe di liquidi e materiali soffici a microstruttura complessa. Esempi significativi sono i polimeri fusi o in soluzione (utilizzati nella produzione di fibre, film sottili, colle, lacche e vernici), i gel (dispersioni di liquido inglobato in una fase solido come i saponi, le gelatine e i formaggi), le paste colloidali (dispersioni di solido in liquido come i dentifrici), le schiume (dispersioni di gas in liquidi o solidi), le emulsioni (dispersioni di liquido in liquido come il latte e le creme idratanti) e gli impasti (miscele di liquidi con solidi in sospensione come le malte). A seconda della loro microstruttura, il comportamento macroscopico di questi fluidi differisce di molto da quello dei fluidi semplici come l’acqua o l’aria ed, infatti, viene descritto usando un termine tecnico come “non-newtoniano”, ovvero non-lineare.
Negli ultimi decenni l’interesse pratico per i fluidi complessi è aumentato in parallelo con le applicazioni industriali sempre più numerose. Insieme è aumentato anche l’interesse scientifico in quanto ci si è resi conto che alterando la loro composizione (ad esempio mediante l’aggiunta di additivi chimici) è possibile ottimizzare i processi industriali esistenti ottenendo fluidi con proprietà fisiche particolarmente adatte alle diverse applicazioni. Esempi di questo tipo sono gli spray agrochimici modificati per ridurre la dispersione dei pesticidi nell’ambiente e al suolo. In tale contesto, il corso si occupa della comprensione dei processi di trasporto di massa, quantità di moto ed energia nei fluidi complessi, che è il requisito preliminare per giungere a sempre nuove applicazioni pratiche.

IL GRADIENTE DI DEFORMAZIONE NELLA MECCANICA DEI MATERIALI
14 – 18 maggio

Coordinatori:

• Albrecht Bertram (Università di Magdeburgo, Germania)
• Samuel Forest (Mines ParisTech, storicamente “Scuola Nazionale Superiore di Ingegneria Mineraria”, Evry, Francia)

Molti materiali si comportano diversamente su grande o piccola scala quando sono sottoposti a test di durezza, torsione, flessione e deformazione. Questi effetti dimensionali possono essere attribuiti alle diverse scale di lunghezza esistenti nelle microstrutture e possono essere simulati solo tenendo conto del gradiente di deformazione (ovvero di variazione della deformazione da punto a punto). Si può dimostrare, infatti, che l’inclusione di tale gradiente nei modelli di calcolo consente di tener conto degli effetti dimensionali.
In questo modo è possibile, ad esempio, simulare numericamente le singolarità (come le “bande di taglio” che si formano durante le grandi deformazioni di materiali duttili), e consentire l’introduzione di forze lineari e puntiformi nella meccanica dei continui. Dal punto di vista pratico, ciò permette, ad esempio, la formulazione di modelli di calcolo più accurati per i problemi di frattura e danneggiamento e per il comportamento dei materiali a grande eterogeneità.

ELABORAZIONE AD ALTE PRESTAZIONI DI GRANDI VOLUMI DI DATI NELLE ANALISI DI TURBOLENZA E COMBUSTIONE
21 – 25 maggio

Coordinatori:

• Sergio Pirozzoli (Università di Roma “La Sapienza”)
• Tapan K. Sengupta (Istituto Indiano di Tecnologia, Kanpur, India)

L’obiettivo principale del corso è familiarizzare i partecipanti con lo stato dell’arte del calcolo scientifico a grande accuratezza, informando anche sulle possibilità future di applicazione a vaste aree della termotecnica e della meccanica dei fluidi. Il punto di partenza sono le strategie di soluzione numerica in quanto si devono minimizzare gli errori dovuti alla discretizzazione spazio-temporale ed ottimizzare la descrizione di geometrie complesse sfruttando le potenzialità offerte dai supercalcolatori. (Per il futuro si prevede che le velocità di calcolo arriveranno a 1 exaflop, ovvero a 10 elevato alla potenza di 18, operazioni elementari di calcolo al secondo). Naturalmente la trattazione riguarderà anche le modalità di realizzazione dei supercomputer che, attualmente si basano su reti di computer collegati in parallelo.
Gli esempi di simulazione riguarderanno, essenzialmente, la transizione alla turbolenza, la turbolenza di parete nei liquidi e nei gas, e l’interazione tra fluidi e corpi in movimento, anche in presenza di scambio termico. D’altra parte il corso si propone anche di superare il semplice livello didattico nell’utilizzo del calcolo scientifico di grande accuratezza. Pertanto saranno affrontati problemi molto complessi quali la combustione turbolenta e le instabilità della combustione nelle turbine a gas, anche in presenza di accoppiamento acustico. In tutti questi casi, la preparazione di reticoli di calcolo e la presentazione dei risultati richiedono sofisticate elaborazioni, dette di pre- e post-processo. In particolare, i risultati di interesse industriali sono ottenuti sotto forma di grandi volumi di dati riferiti ai punti di calcolo e, di conseguenza, il corso si occupa anche della “traduzione” di tali dati in immagini, diagrammi e/o semplici correlazioni di agevole fruizione per gli utilizzatori.

MODELLIZZAZIONE E SIMULATIONE DI PROBLEMI TRIBOLOGICI NELLA TECNOLOGIA
28 maggio - 1 giugno

Coordinatori:

• David Hills (Università di Oxford, Regno Unito)
• Marco Paggi (Scuola IMT Alti Studi, Lucca)

La tribologia si occupa di attrito, eventuale lubrificazione e usura di superfici a contatto in moto relativo tra loro. Questa disciplina trova numerose applicazioni nell’analisi di molti processi industriali quali formatura e saldatura dei metalli e nella progettazione di numerosi componenti usati tradizionalmente nell’ingegneria meccanica, quali sistemi ruota-rotaia, giunti di trasmissione, freni, pneumatici, cuscinetti, guarnizioni di tenuta, organi vari dei motori a combustione interna (pistone-cilindro, biella-albero a gomiti, ingranaggi del cambio..). Le nuove applicazioni della tribologia riguardano invece l’estensione delle metodologie tradizionali alle micro e nano scale, ai problemi multi-fisica (ad esempio: termoelasticità ed elettroelasticità) ed ai materiali suscettibili di grandi deformazioni.
L’obiettivo principale del corso è fornire, senza bisogno di riferimenti esterni, i concetti fondamentali per la classificazione dei tipi di contatto, la formulazione dei relativi modelli matematici e la soluzione numerica delle equazioni risultanti. In aggiunta alle metodologie, verranno presentati esempi di applicazione in settori innovativi quali la microelettronica e la nanomeccanica.

ARGOMENTI AVANZATI DI MAGNETOIDRODIMAMICA (MHD - MAGNETOHYDRODYNAMICS)
11 - 15 giugno

Coordinatori:

• Andrew Hillier (Università di Exeter, Regno Unito)
• David MacTaggart (Università di Glascow, Regno Unito)

La magnetoidrodinamica- MHD descrive le interazioni tra campi magnetici e fluidi conduttori elettrici, plasmi inclusi (ovvero gas che per effetto di campi elettrici od alte temperature hanno “liberato” elettroni trasformandosi in un insieme di ioni ed elettroni liberi). Le possibili applicazioni spaziano dall’industria (ad esempio: rimescolamento elettromagnetico dei metalli fusi nei processi di colati continua, taglio dei metalli con archi a plasma, confinamento elettromagnetico dei plasmi nella fusione nucleare controllata...) all’astrofisica. Rientra nell’ambito della MHD, infatti, anche lo studio di fenomeni come la formazione del campo magnetico all’interno di stelle e pianeti, la generazione di “aurore boreali”, la formazione e l’eruzione delle tempeste solari.
Il corso si occupa delle tra aree di maggior interesse attuale nella ricerca in MHD: lateoria della stabilità, la topologia dei campi magnetici (ovvero lo studio delle loro proprietà geometriche) e la riconnessione dei campi stessi (ovvero il processo di modifica topologica del campo magnetico per convertire l’energia magnetica in energia termica e cinetica).

TURBOLENZA DELLE ONDE ED EVENTI ESTREMI
18 - 22 giugno

Coordinatori:

• Sergio Chibbaro (Università della Sorbona, UPMC-Università di Pierre e Marie Curie, Francia)
• Miguel Onorato (Università di Torino)

La teoria della turbolenza delle onde (WT - Wave Turbulence) descrive l’interazione tra varie onde che agiscono nello stesso ambiente ma non sono correlate tra loro. La teoria trova applicazione in settori molto diversi e su una molteplicità di scale (si pensi alle onde di plasma di Alfven su scala cosmica, alle onde oceaniche ed atmosferiche di Rossby su scala planetaria, ed alle onde su scala quantistica nella materia condensata e nell’ottica non-lineare).
Tra gli eventi estremi trattati nel corso, quello di maggior interesse per i “non addetti ai lavori” è certamente il meccanismo di formazione delle onde anomale (da non confondersi con le onde di “tsunami” dovute ai maremoti). Secondo la teoria della turbolenza delle onde, infatti, onde di straordinaria larghezza ed altezza possono venir generate anche per fenomeni di instabilità associati all’interazione casuale di piccole onde normalmente presenti nell’oceano. Citando Miguel Onorato, uno dei due coordinatori: “Facendo un esempio, le onde nel mare non sono delle perfette sinusoidi ma sono il risultato della somma di tante sinusoidi con ampiezza e lunghezza d’onda diverse. Queste componenti interagiscono tra di loro per dare origine a onde con lunghezza ancora diversa. Se il vento inizia a soffiare in mare le prime onde che si formano sono piccole e lunghe qualche centimetro; se il vento soffia per molto tempo le onde diventano più lunghe e più alte fino a raggiungere lunghezze di centinaia di metri. La teoria della turbolenza delle onde spiega, appunto, come avviene questo trasferimento di energia tra le onde corte e quelle lunghe, ed è alla base degli attuali modelli di predizione delle onde del mare”.

MESCOLAMENTO TURBOLENTO IN FLUSSI STRATIFICATI
25 - 29 giugno

Coordinatori:

• Jean-Marc Chomaz (Scuola Politecnica, Parigi, Francia)
• Paul Linden (Università di Cambridge, Regno Unito)

Gli oceani, i laghi e l’atmosfera e gli strati fluidi di molti pianeti e stelle sono “stabilmente stratificati” in quanto la densità aumenta nella direzione della gravità. Sulla Terra ciò significa che la densità aumenta verso il basso (si pensi all’atmosfera) e che gli scambi di calore e di massa tra i diversi strati di fluido in direzione verticale sono ostacolati in quanto, ad esempio, un elemento fluido spostato verso l’alto tende a tornare in basso essendo più denso del nuovo fluido circostante. D’altra parte, gli scambi verticali sono estremamente importanti poiché, ad esempio, negli oceani consentono la dispersione nella massa d’acqua del calore e dell’anidride carbonica assorbiti dagli strati superficiali. A livello planetario, il rimescolamento è, infatti, reso possibile soltanto dalla turbolenza associata a flussi tangenziali ben noti, come quelli orizzontali causati dal vento, e meno noti, come quelli verticali associati alle “onde interne”. (Le onde interne possono essere associate alle maree, ed allora oscillano col periodo della maree stesse, od a variazioni orizzontali di pressione dovute a venti con componente verticale od alle variazioni, da luogo a luogo, della pressione atmosferica).
Nell’ultimo decennio, si sono registrati progressi significativi nella comprensione della turbolenza nei flussi stratificati, e nei relativi meccanismi di transizione dagli ordinati moti laminari ai caotici moti turbolenti. Il corso si occupa di tali progressi, evidenziando come essi siano attribuibili sia alle aumentate capacità di calcolo sia al miglioramento della qualità dei dati raccolti sulla scala dei moti geofisici.

EFFETTI FLUIDODINAMICI SULLA FORMAZIONE DI PARTICELLE NEI PROCESSI DI CRISTALLIZZAZIONE
25 - 29 giugno

Coordinatori:

• Daniele Marchisio (Politecnico di Torino)
• Cristian Marchioli (Università di Udine)

Nell’ambito di questo corso la “cristallizzazione” e l’omologa “precipitazione” sono considerate processi di separazione di un composto da un solvente a partire da una soluzione soprassatura (ovvero con più soluto di quello di equilibrio). Infatti tali processi, molto utilizzati nelle industrie chimiche e farmaceutiche, si basano sulla riduzione, in condizioni opportune, della solubilità del composto. Nella cristallizzazione, che è un particolare processo di solidificazione, si formano cristalli solidi, mentre nella precipitazione (che spesso è favorita da reazioni chimiche che riducono la solubilità) la fase solida si separa sotto forma di particelle amorfe. Sia la cristallizzazione sia la precipitazione sono comunque innescate dalla presenza di nuclei di aggregazione il cui numero, a sua volta, dipende dalle condizioni operative (tipicamente temperatura e pressione). Come si può intuire, con molti nuclei si ottengono molte particelle piccole mentre, con pochi nuclei, si hanno meno particelle ma più grandi.
Il ruolo della fluidodinamica nei processi di cristallizzazione/precipitazione è cruciale in quanto il rimescolamento delle soluzione, favorito anche dalla turbolenza del flusso, influenza la concentrazione locale di soluto e, quindi, la soprassaturazione, la formazione dei nuclei e la redistribuzione dei nuclei che si formano. Attesa l’importanza industriale dell’argomento, è comprensibile l’interesse per la modellizzazione numerica dei processi che è, appunto, l’obiettivo che questo corso si pone.

MECCANICA DEI MATERIALI FIBROSI E APPLICAZIONI: ASPETTI FISICI E MODELLISTICI
9 - 13 luglio

Coordinatori:

• Jean-Françoise Ganghoffer (LEMTA - Laboratorio di Energetica e di Meccanica Teorica ed Applicata, Università della Lorena, Vandoeuvre, Francia)
• Catalin Picu (Istituto Politecnico Rensselaer, Troy, USA)

I materiali fibrosi hanno molte applicazioni grazie alla elevata resistenza meccanica e al baso peso. Le applicazioni includono corde tessili usate come rinforzo dei pneumatici in gomma, strutture reticolari tridimensionali utilizzate nell’ingegneria dei materiali compositi, in particolare nei settori dei trasporti (aerospaziali, aerei, marittimi e terrestri) e della bioingegneria dei tessuti (sostegni per la crescita dei tessuti, legamenti artificiali e protesi endovascolari). Le strutture fibrose utilizzate nell’ingegneria dei compositi sono caratterizzate da architetture regolari, mentre quelle utilizzate per altri scopi, ad esempio nella produzione di carta e materiali isolanti, hanno microstrutture irregolari.
Come ben illustrato nel corso, la complessità dei materiali fibrosi richiede competenze multidisciplinari per raggiungere una serie di obiettivi quali:
- la messa a punto di metodi per caratterizzare le strutture multiscala (attualmente, tali metodi includono anche tecniche avanzate di elaborazione di immagini e di conversione di immagini in modelli);
- l’identificazione di relazioni tra le proprietà delle fibre, l’architettura dei reticoli ed il comportamento meccanico dei sistemi;
- la descrizione e la previsione di danni, rotture e instabilità;
- la descrizione di piccole e grandi deformazioni dipendenti dal tempo;
- lo sviluppo di metodi per giungere a modelli omogenei equivalenti dal punto di vista meccanico;
- la progettazione di metamateriali in grado di interagire con onde luminose e acustiche;
- la messa a punto di metodi di calcolo numerico che tengano conto degli aspetti multiscala dei materiali in esame.

METODI DI DISCRETIZZAZIONE EFFICIENTI NELLA FLUIDODINAMICA COMPUTAZIONALE
16 - 20 luglio

Coordinatori:

• Martin Kronbichler (Università Tecnica di Monaco, Germania)
• Per-Olof Persson (Università della California, Berkeley, USA)

Senza entrare in dettagli troppo tecnici, si può dire che il corso si occupa dei moderni metodi di discretizzatone, di “ordine elevato” (ovvero a maggior accuratezza), utilizzabili nella fluidodinamica computazionale. Tali metodi sono caratterizzati da errori di discretizzazione e da diffusione numerica spuria più bassi rispetto ai metodi normalmente utilizzati nei codici commerciali. Tali caratteristiche rendono possibile le simulazioni di lungo periodo anche dei deflussi a numero di Reynolds alto (ovvero ad alta velocità) e consentono di affrontare tutta una serie di nuove applicazioni di interesse tecnico. Non meno importante infine, è il fatto che i nuovi metodi sono particolarmente adatti ai futuri computer ad altissime prestazioni, capaci di miliardi di miliardi (10 elevato alla 18 per la precisione) di operazioni elementari al secondo.

DIVISIONE IN SOTTOSTRUTTURE PER LE ANALISI DINAMICHE NELL’INGEGNERIA: TECNICHE NUMERICHE E SPERIMENTALI EMERGENTI
23 - 27 luglio

Coordinatori:

• Matthew Allen (Università del Wisconsin a Madison, USA)
• Daniel Rixen (Università Tecnica di Monaco, Germania)

Un principio fondamentale nell’ingegneria è la suddivisione di una struttura in componenti più semplici al fine di agevolare analisi e sperimentazione. Nel settore del calcolo numerico tale concetto è alla base della discretizzazione agli elementi finiti ed è anche utilizzato nella modellizzazione a zone formate da un insieme di elementi: le sottostrutture. Recentemente, tuttavia, vi è stato un risveglio di interesse per l’utilizzo di misure sperimentali nella caratterizzazione delle sottostrutture, seguito dall’impiego di tecniche numeriche di assemblaggio per simulare il comportamento dinamico dell’intera struttura. D’altra parte, i modelli basati sulle sottostrutture risultano molto flessibili: nel caso di modifica di un componente, infatti, le modifiche si limitano al solo componente interessato.
In armonia con le esigenze sopra descritte, il corso illustra le metodologie che stanno alla base della scomposizione delle strutture in sottostrutture e della caratterizzazione delle sottostrutture così ottenute, sia mediante tecniche analitiche (essenzialmente i metodi agli elementi finiti) sia mediante misure sperimentali.

TRASDUTTORI ELETTROMECCANICI: PRINCIPI E TECNOLOGIE
3 - 7 settembre

Coordinatori:

• Hans Irschik (Università Giovanni Keplero, Linz, Austria)
• Bernhard Jakoby (Università Giovanni Keplero, Linz, Austria)

Gli sviluppi attuali della meccatronica richiedono l’integrazione di sensori ed attuatori nelle strutture meccaniche. (Si pensi, ad esempio, a quelle che sui “mass media” vengono chiamate “smart structures”, o strutture intelligenti, ed alle funzioni incluse nella definizione di “structural health monitoring”, ovvero “controllo dell’integrità strutturale). Le tecnologie associate a tali sviluppi richiedono conoscenze multidisciplinari che vanno oltre la meccanica e comprendono l’ingegneria elettrotecnica, l’ingegneria elettronica, e le microtecnologie.
Il corso offre un’ampia panoramica sui trasduttori e le relative applicazioni illustrando, per citare solo gli argomenti principali:
- modellizzazione numerica agli elementi finiti dei trasduttori più diffusi e caratterizzazione dei materiali utilizzati nella loro realizzazione;
- microtecnologie per la realizzazione di sensori ed attuatori integrati nelle strutture meccaniche;
- fondamenti di microfluidica (che è il campo di ricerca riguardante il comportamento e la manipolazione di fluidi su scala micrometrica, ovvero mettendo in gioco volumi inferiori a un miliardesimo di litro con notevoli risparmi di reagenti e fluido di processo), sensori ed attuatori microfluidici, dispositivi “Lab on Chip”(sistemi che integrano in un unico componente tutte le funzioni necessarie a svolgere in sequenza le numerose tappe di un processo chimico, con l’aumento conseguente del potenziale di utilizzazione, ad esempio nella biologia molecolare);
- monitoraggio di tensioni, deformazioni e controllo dell’integrità nelle strutture meccaniche.

TERMODINAMICA DEI PROCESSI IRREVERSIBILI NEI SISTEMI MATERIALI
10 - 14 settembre

Coordinatore:

• Franz Dieter Fischer (Montanuniversität Leoben, Austria)

La termodinamica è uno strumento efficiente per descrivere lo sviluppo della microstruttura dei sistemi materiali e delle relative imperfezioni. (Nelle applicazioni è, infatti, importante conoscere tipo e posizione delle possibili imperfezioni atteso il ruolo da esse giocato nella determinazione delle proprietà dei materiali). Con le metodologie termodinamiche richiamate in questo corso è possibile derivare formulazioni variazionali (ovvero di tipo integrale e, quindi, valide per l’intero dominio) che consentono di arrivare alle equazioni differenziali che, a loro volta, descrivono la distribuzione locale delle variabili interne. Le formulazioni variazionali, inoltre, ben si prestano alla discretizzazione numerica e, quindi, alla descrizione mediante opportuni codici di calcolo, di microstruttura e imperfezioni nei sistemi materiali.

LIMITI DI STABILITÀ ED ESERCIZIO DELLE STRUTTURE CONTROLLATE
17 - 21 settembre

Coordinatori:

• Sara Casciati (Università di Catania)
• Marian Wiercigroch (Università di Aberdeen, Regno Unito)

L’obiettivo del corso, citato nel titolo, è l’illustrazione dei concetti di base e degli aspetti pratici delle strategie di controllo dei limiti di stabilità ed esercizio di strutture complesse di grandi dimensioni come edifici e ponti. I primi studi in questo settore sono stati motivati dalla necessità di proteggere l’ambiente costruito dai terremoti; pertanto, è probabile che il i materiali nelle strutture non controllate non siano più nella fase elastica ma abbiano già avvicinato, se non raggiunto, una fase plastica. D’altra parte i progressi recenti nella tecnologia dei materiali consentono la progettazione di grandi strutture ad elevata flessibilità per le quali lo stato limite ultimo di stabilità (SLU) e lo stato limite di esercizio (SLE) assumono importanza critica. Pertanto sarebbe auspicabile che per tali strutture fosse previsto l’inserimento di opportuni dispositivi di controllo già in fase di progettazione. Alternativamente, misure e dispositivi di controllo compatibili con l’esistente devono essere previsti successivamente, insieme con i relativi piani di manutenzione.
In ogni caso, la stabilità strutturale è il criterio chiave nella progettazione e nella manutenzione della maggior parte di sistemi e strutture dove la sicurezza è di primaria importanza. Di qui la necessità di valutare attentamente gli effetti dei dispositivi di controllo attualmente disponibili sul comportamento strutturale rispetto ai limiti di stabilità e di esercizio. Per quanto riguarda il limite di esercizio, in particolare, sembrano sempre consigliabili i dispositivi di smorzamento delle vibrazioni. In aggiunta, occorre scegliere attentamente le strategie di controllo (attive, semi-attive e passive) considerando anche le difficoltà di implementazione e manutenzione. Per questo fine vi è la necessità di raccogliere quante più informazioni possibile, incoraggiando studi preliminari in fase di progettazione e prove sperimentali su strutture esistenti di grandi dimensioni.

CISM – AIMETA (Associazione Italiana di Meccanica Teorica e Avanzata) – Scuola avanzata su
MECCANOBIOLOGIA DELLE CELLULE: TEORIA ED ESPERIMENTI SULLA MECCANICA DELLA VITA
24 - 28 settembre

Coordinatori:

• Antonio De Simone (SISSA, Trieste)
• Vikram Deshpande (Università di Cambridge, Regno Unito)

Questo corso integra e aggiorna quanto illustrato nel corso CISM del 2014: A. De Simone e M. Arroyo, “Meccanobiologia delle Cellule: Motilità e Morfogenesi”. I nuovi argomenti includono: migrazione delle cellule sui substrati solidi, adesione e controllo di forma, progettazione dei supporti nell’ingegneria dei tessuti biologici, meccanica della crescita dei reticoli neuronali, entropia e meccanica statistica di singole celle, meccanica del citoschelestro con particolare riguardo al suo ruolo nella localizzazione e nella risposta agli stimoli meccanici, chimici e topologici (come, ad esempio, la tendenza a disporsi secondo forme particolari).
Come già rilevato nel corso precedente, la meccanobiologia si colloca all’interfaccia tra biologia, biofisica e meccanica, in quanto studia l’influenza della azioni meccaniche sui processi biologici. Mentre il ruolo chiave della biochimica nella biologia molecole delle cellule è riconosciuto da tempo, solo di recente si è iniziato ad indagare sui modi in cui forze e stati di tensione possono orientare il comportamento di cellule e tessuti. Le forze, ad esempio, non solo controllano il moto e la forma delle cellule, ma influenzano anche la differenziazione cellulare e le scelte sulle migrazioni (nella durotaxis, ad esempio, le cellule si dirigono verso i tessuti a maggiore rigidità). In questo quadro, la scoperta dei modi in cui le cellule percepiscono gli stimoli meccanici, apre la via alla comprensione di molti processi biologici a livello di cellule prima e, successivamente, di tessuti ed organi. La motilità e la migrazione cellulare, ad esempio, giocano un evidente ruolo chiave nella morfogenesi (cioè nello sviluppo di forma e struttura) di tessuti ed organi. La Meccanica fornisce un quadro concettuale generale per la comprensione delle funzioni che intervengono in questi processi ed, a sua volta, il corso adotta un approccio integrato per illustrare lo stato dell’arte nelle ricerche relative ai processi stessi.

MODELLIZZAZIONE INGEGNERISTICA DI SOLIDI E FLUIDI CON METODI NUMERICI INNOVATIVI
15 - 19 ottobre

Coordinatori:

• Laura De Lorenzis (Università Tecnica di Braunschweig, Germania)
• Alexander Düster (Università Tecnica di Amburgo, Germania)

Lo sviluppo di metodi di discretizzazione affidabili ed efficienti per solidi e fluidi facilita i processi di modellizzazione nell’ingegneria e favorisce la comprensione dei fenomeni fisici complessi. Inoltre, grazie a questi metodi, la progettazione e l’ottimizzazione di prodotti e processi può essere accelerata nella maggior parte dei settori dell’ingegneria, in quanto le simulazioni numeriche consentono di ridurre in modo significativo il numero delle prove sperimentali (che, in genere, oltre ad essere lunghe, sono anche costose). In questo modo, infine, le scelte ingegneristiche possono essere confortate da una base di dati oggettivi ottenuti numericamente risultati anche in quelle situazioni nelle quali potrebbe essere molto difficile, se non impossibile, procedere con sperimentazioni.
Tuttavia, il miglioramento previsto per la capacità di calcolo dei computer potrebbe non bastare da solo a soddisfare la crescente richiesta per la simulazione di problemi complessi nella meccanica di fluidi e solidi. Pertanto appare pienamente giustificata la ricerca nel settore dei metodi numerici innovativi. A questo fine, in Germania è stato varato un “Programma Prioritario” dal titolo “Tecniche di simulazione affidabili per la meccanica dei solidi. Sviluppo di metodi di discretizzazione innovativi e di metodi matematici per l’analisi di problemi meccanici”. Traendo ispirazione da tale programma, questo corso è focalizzato sui metodi numerici innovativi per la meccanica, non solo dei solidi ma anche dei liquidi, con l’obiettivo di presentare a ricercatori e ingegneri le procedure di simulazione emergenti.

CORSI APT (ADDESTRAMENTO PROFESSIONALE AVANZATO) INTERNAZIONALI

TECNOLOGIE AVANZATE DI POST-TRATTAMENTO NELLE APPLICAZIONI AUTOMOBILISTICHE
4 - 8 giugno

Coordinatori:

• Samir Bensald (Politecnico di Torino)
• Michiel Makkee (Università Tecnologica di Delft, Olanda)

Il corso si occupa dell’inquinamento dell’aria legato alle autovetture e delle tecnologie di post-trattamento dei gas di scarico prodotti dai motori. I contenuti sono suddivisi in sette moduli affidati a relatori diversi:
- Nel primo modulo vengono descritti i meccanismi di generazione degli inquinanti, gli accorgimenti motoristici per ridurli e gli sviluppi tecnologici imposti dalla legislazione.
- Nel secondo modulo vengono descritti i convertitori catalitici usati attualmente, che sono per i motori a benzina TWC (Three Way Catalytic Converter - Convertitore Catalitico Trivalente); e per i motori a gasolio, usati in alternativa o in combinazione: DOC (Diesel Oxidation Converter - Catalizzatore Ossidante), FAP (Filtro Antiparticolato), NSR (NOx Storage Reduction - Accumulare Riduttore di Ossidi di Azoto), SCR (Selective Catalytic Reduction - Riduzione Catalitica Selettiva per gli NOx), ASC (Ammonia Slip Catalyst - Catalizzatore aggiunto per eliminare i residui di ammoniaca, letteralmente “ammoniaca scivolata”).
- Nel terzo modulo viene illustrata la modellizzazione dei filtri antiparticolato.
- Nel quarto modulo ci si occupa delle interazioni tra i filtri antiparticolato e gli altri catalizzatori.
- Nel quinto e sesto modulo ci si occupa delle differenze di prestazione dei diversi catalizzatori al banco e su strada.
- Nel settimo modulo, infine, viene presentato il punto di vista di un produttore di convertitori catalitici e motori diesel su pregi e limiti delle diverse tecnologie.

SCUOLE AVANZATE IN COLLABORAZIONE

Scuola Avanzata CISM - Marie Curie ITN (International Training Network) su:
SISTEMI INTELLIGENTI PER IL CONTROLLO DELLE VIBRAZIONI, IL RECUPERO DELL’ENERGIA DI VIBRAZIONE, IL FEEDBACK TATTILE, LE MISURE E IL CONTROLLO
29 gennaio - 1 febbraio

Coordinatori:

• Maryam Ghandcghi (Università di Southampton, Regno Unito)
• Paolo Gardonio (Università di Udine)

Il corso riunisce esperti provenienti sia dall’Accademia sia dall’Industria, ed è suddiviso in quattro parti:
- Nella prima vengono considerati i sistemi intelligenti per il controllo attivo delle vibrazioni. Tale tipo di controllo è utilizzato per attenuare i disturbi indesiderati attraverso sorgenti secondarie che generano vibrazioni in grado di interferire in maniera distruttiva con i disturbi.
- Nella seconda parte ci si occupa di sistemi intelligenti per il recupero dell’energia di vibrazione. Questi sistemi generano potenze variabili da un millesimo di watt per dispositivi di massa inferiore al chilogrammo, a 1 watt per i dispositivi di dimensioni maggiori. In questo modo si evita l’alimentazione con fonti di energia esterne e si rendono indipendenti i dispositivi di controllo.
- Nella terza parte vengono trattati i sistemi intelligenti per il feedback tattile. Oltre agli esemp forniti da mouse e tastiera del computer, ma appare molto promettente l’estensione ad altre applicazioni come, ad esempio, il riconoscimento di superfici virtuali in tessuto, cuoio, legno e plastica, e la realizzazione di sensori per l’impiego in campo medico, nell’industria automobilistica ed a supporto degli ipovedenti.
- Nella quarta parte si presenta lo stato dell’arte nella realizzazione di sistemi intelligenti per la misura delle vibrazioni ed il controllo di grandezze quali la potenza, la forza, i flussi di energia che per gli operatori sono difficili da valutare senza ausili esterni.

Scuola Avanzata CISM - Marie Curie ITN (International Training Network) su:
DANNO E COLLASSO DEI MATERIALI IN CONDIZIONI ESTREME
29 gennaio - 1 febbraio

Coordinatori:

• Sébastien Mercier (Università della Lorena, Metz, Francia)
• José A. Rodriguez-Martinez (Università Carlo III, Madrid, Spagna)

L’obiettivo della scuola è l’illustrazione dei risultati sperimentali, numerici e analitici utilizzati nella previsione del collasso negli elementi strutturali utilizzati nelle industrie aerospaziali e della difesa.
Da un punto di vista meccanico, l’integrità degli elementi naturali è determinata dall’insorgenza e dall’evoluzione del danno che riduce la resistenza del materiale e porta al collasso. Il processo non dipende solo dalla natura estrema dei carichi ma anche dal comportamento dei materiali. Nei materiali, sia duttili sia fragili, il danno è causato dalla insorgenza di micro vuoti e micro fessure. Il collasso, al contrario, dipende dal comportamento dei materiali: nei materiali duttili il collasso è dovuto alla crescita dimensionale dei micro vuoti che portano al raggiungimento della fase di scorrimento plastico. Nei materiali fragili, al contrario, il collasso è causato essenzialmente dalla crescita dimensionale delle fessure e dalla loro interazione.

MEETING ED EVENTI

Simposio IUTAM (Unione Internazionale di Meccanica Teorica ed Applicata) su:
MOTILITÀ DELLE CELLULE IN AMBIENTI COMPLESSI
14 - 18 maggio

Coordinatore:

• Cristian Marchioli (Università di Udine)

Il Simposio riunirà fisici, matematici applicati, chimici, biologi, scienze della vita ed ingegneria per discutere gli approcci multidisciplinari, teorici, numerici e sperimentali al tema in oggetto. La motilità cellulare in ambienti complessi, infatti, è argomento di grande interesse per un gran numero di discipline che vanno dalla medicina, alle biotecnologie ed alle scienza ambientali. Esempi tipici sono:
- la motilità bioconvettiva delle cellule del fitoplancton (ovvero dell’insieme di microrganismi in grado di sintetizzare sostanza organica a partire dalle sostanze inorganiche disciolte nell’acqua, utilizzando la radiazione solare come fonte di energia e liberando ossigeno nel processo); - la migrazione delle sospensioni di batteri in grado di nuotare che, in condizioni avverse, possono formare biofilms (o biopellicole), lasciare l’ambiente liquido e colonizzare le superfici solide.
La modellizzazione di questi processi, tuttavia, non è agevole in quanto gli ambienti liquidi in cui si muovono le cellule possono sede di moti sia laminari che turbolenti e ciò comporta un vasto spettro di dinamiche spaziali e temporali che si sovrappongono alla difficoltà di tener conto del comportamento indipendente dei microrganismi.