Fisica dei sistemi complessi
L'attività consolidata del gruppo riguarda i sistemi dinamici classici anche in presenza di perturbazioni stocastiche e va dallo sviluppo di metodi analitici, numerici e di simulazione alla formulazione ed analisi di modelli per la fisica dei fluidi, dei fasci di particelle cariche e della frattura. Più recentemente si è iniziato lo studio di sistemi complessi, come quelli biologici, i cui costituenti hanno un elevato contenuto informativo e capacità di replicarsi. L'emergere a livello collettivo di nuove proprietà l'adattabilità e l'evoluzione di tipo Darwiniano sono proprietà che li contraddistiguono. L'obiettivo che si persegue `e quello di costruire un modello di atomi complessi, intesi come automi di Von Neumann, di simularlo e studiarne il comportamento medio avendo come riferimenti applicativi la mobilità urbana ed il sistema immunitario.
L'attività di ricerca del gruppo si articola nei settori seguenti:
1) Mobilità urbana
2) Biosistemi
3) Dinamica dei fasci
4) Sistemi dinamici
Le ricerche si svolgono in collaborazione con laboratori italiani ed europei. Quelle sui biosistemi sono condotte nell'ambito del CIG (centro interdipartipartimentale L. Galvani per la biofisica, bioinformatica e biocomplessità della Università di Bologna).
Ulteriori informazioni sono reperibili sul sito Web: http://www.physycom.unibo.it
L'attività di ricerca del gruppo si articola nei settori seguenti:
1) Mobilità urbana
2) Biosistemi
3) Dinamica dei fasci
4) Sistemi dinamici
Le ricerche si svolgono in collaborazione con laboratori italiani ed europei. Quelle sui biosistemi sono condotte nell'ambito del CIG (centro interdipartipartimentale L. Galvani per la biofisica, bioinformatica e biocomplessità della Università di Bologna).
Ulteriori informazioni sono reperibili sul sito Web: http://www.physycom.unibo.it
1) Pianta di Rimini con strade con linee di trasporto, cronotopi e la traiettoria di un pedone.
2) Veicoli in un incrocio di strade a più corsie.
3) Catena di corpi rigidi come modello di proteina.
4) Distribuzione di carica in un fascio di particelle "rilassato".
2) Veicoli in un incrocio di strade a più corsie.
3) Catena di corpi rigidi come modello di proteina.
4) Distribuzione di carica in un fascio di particelle "rilassato".
10.1 Mobilità urbana.
Personale universitario: A. Bazzani, B. Giorgini, S. Rambaldi, G, Servizi, G. Turchetti
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: L. Bernacchioni, M. Capriotti, G. Melchiorre
La costruzione di modelli matematici a forte contenuto fisico per descrivere la dinamica e la mobilità in una città è stata sviluppata negli ultimi decenni. La dinamica non lineare è stata utilizzata per sviluppare modelli deterministici di flussi veicolari, mentre modelli basati su automi cellulari hanno spiegato la formazione di code di veicoli come transizioni di fase. L'attività ha riguardato lo sviluppo di modelli di mobilità integrata che tengono conto della componente pedonale o ciclistica zigzagante, di quella deterministica dei mezzi pubblici e della componente ibrida dei mezzi veicolari privati. E' stato sviluppato un modello microscopico (MOBILIS) in cui l'agente primario della mobilità è il singolo cittadino, inteso come un automa intelligente dotato di sensori, che si muove nel tessuto urbano con vari mezzi, che si guarda intorno ed è capace di operare scelte e di modificare le sue strategie. L'altra componente caratteristica di MOBILIS è costituita dai cronotopi che costituiscono i punti di attrazione presenti nel tessuto urbano. Lo sviluppo di teorie di campo medio consente un controllo teorico sui risultati delle simulazioni. La validazione in casi realistici, iniziata con lo studio del centro storico di Rimini, prosegue con altri centri della fascia costiera adriatica.
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: L. Bernacchioni, M. Capriotti, G. Melchiorre
La costruzione di modelli matematici a forte contenuto fisico per descrivere la dinamica e la mobilità in una città è stata sviluppata negli ultimi decenni. La dinamica non lineare è stata utilizzata per sviluppare modelli deterministici di flussi veicolari, mentre modelli basati su automi cellulari hanno spiegato la formazione di code di veicoli come transizioni di fase. L'attività ha riguardato lo sviluppo di modelli di mobilità integrata che tengono conto della componente pedonale o ciclistica zigzagante, di quella deterministica dei mezzi pubblici e della componente ibrida dei mezzi veicolari privati. E' stato sviluppato un modello microscopico (MOBILIS) in cui l'agente primario della mobilità è il singolo cittadino, inteso come un automa intelligente dotato di sensori, che si muove nel tessuto urbano con vari mezzi, che si guarda intorno ed è capace di operare scelte e di modificare le sue strategie. L'altra componente caratteristica di MOBILIS è costituita dai cronotopi che costituiscono i punti di attrazione presenti nel tessuto urbano. Lo sviluppo di teorie di campo medio consente un controllo teorico sui risultati delle simulazioni. La validazione in casi realistici, iniziata con lo studio del centro storico di Rimini, prosegue con altri centri della fascia costiera adriatica.
10.2 Biosistemi
Personale universitario: A. Bazzani, S. Rambaldi, G. Turchetti
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: D. Remondini, F. Zanlungo
Gli organismi viventi, dalla più semplice macromolecola di RNA capace di replicarsi, fino all'uomo, non sono descrivibili unicamente in termini di sistemi dinamici. Ciò che differenzia anche il più semplice organismo vivente dalla somma delle molecole che lo costituiscono è il suo livello di organizzazione, cui corrisponde un altissimo contenuto informativo, e la sua capacità di replicarsi. La nostra attività riguarda le reti neurali e di regolazione genica, l'analisi statistica del genoma, lo sviluppo di modelli dinamici per le proteine e per il sistema immunitario. La dinamica dell'espressione genica viene sperimentalmente studiata attraverso la tecnica dei microarrays, che forniscono livelli di espressione di migliaia di geni in sequenza temporale. Questo studio richiede lo sviluppo di adeguate tecniche statistiche. I meccanismi che governano il folding delle proteine vengono analizzati tramite catene classiche di punti materiali o di corpi rigidi che descrivono i singoli aminoacidi. Per il sistema immunitario vengono sviluppati modelli macroscopici per descrivere l'espansione clonale e l'evoluzione delle popolazioni di linfociti T vergini e di memoria sull'intero arco di vita, tenendo conto delle fluttuazioni del carico antigenico.
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: D. Remondini, F. Zanlungo
Gli organismi viventi, dalla più semplice macromolecola di RNA capace di replicarsi, fino all'uomo, non sono descrivibili unicamente in termini di sistemi dinamici. Ciò che differenzia anche il più semplice organismo vivente dalla somma delle molecole che lo costituiscono è il suo livello di organizzazione, cui corrisponde un altissimo contenuto informativo, e la sua capacità di replicarsi. La nostra attività riguarda le reti neurali e di regolazione genica, l'analisi statistica del genoma, lo sviluppo di modelli dinamici per le proteine e per il sistema immunitario. La dinamica dell'espressione genica viene sperimentalmente studiata attraverso la tecnica dei microarrays, che forniscono livelli di espressione di migliaia di geni in sequenza temporale. Questo studio richiede lo sviluppo di adeguate tecniche statistiche. I meccanismi che governano il folding delle proteine vengono analizzati tramite catene classiche di punti materiali o di corpi rigidi che descrivono i singoli aminoacidi. Per il sistema immunitario vengono sviluppati modelli macroscopici per descrivere l'espansione clonale e l'evoluzione delle popolazioni di linfociti T vergini e di memoria sull'intero arco di vita, tenendo conto delle fluttuazioni del carico antigenico.
10.3 Dinamica dei fasci.
Personale universitario: A. Bazzani, S. Rambaldi, G. Turchetti
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: C. Benedetti
Gli acceleratori di alta intensità ad energie intermedie (1-10 Gev) consentono lo studio della fisica fondamentale ad alte densità di energia. Il controllo della qualità del fascio è un fattore critico. L'utilizzo di dipoli superconduttori richiede un controllo delle forze nonlineari dovute agli errori multipolari e di quelle generate dalla carica spaziale. Tali forze agiscono sul fascio per milioni di giri ed il loro effetto va studiato con modelli semplificati. Si utilizzano due tipi di modelli: quelli di campo medio che trascurano gli urti tra le particelle, trattando il moto di una singola particella (o macroparticella) nel campo medio generato dalle altre, e quelli hamiltoniani che, introducendo macro-particelle, tengono conto degli urti coulombiani. Un problema importante è lo studio della fase transiente che conduce all'equilibrio termodinamico e, in particolare, la stima dei tempi di rilassamento. Nel caso bidimensionale, che corrisponde ad una corrente di fascio continua, abbiamo ricavato una legge di scala per i tempi di rilassamento, a partire dall'equazione cinetica di Landau, in ottimo accordo con quanto osservato nelle simulazioni numeriche condotte sulla nostra architettura parallela.
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: C. Benedetti
Gli acceleratori di alta intensità ad energie intermedie (1-10 Gev) consentono lo studio della fisica fondamentale ad alte densità di energia. Il controllo della qualità del fascio è un fattore critico. L'utilizzo di dipoli superconduttori richiede un controllo delle forze nonlineari dovute agli errori multipolari e di quelle generate dalla carica spaziale. Tali forze agiscono sul fascio per milioni di giri ed il loro effetto va studiato con modelli semplificati. Si utilizzano due tipi di modelli: quelli di campo medio che trascurano gli urti tra le particelle, trattando il moto di una singola particella (o macroparticella) nel campo medio generato dalle altre, e quelli hamiltoniani che, introducendo macro-particelle, tengono conto degli urti coulombiani. Un problema importante è lo studio della fase transiente che conduce all'equilibrio termodinamico e, in particolare, la stima dei tempi di rilassamento. Nel caso bidimensionale, che corrisponde ad una corrente di fascio continua, abbiamo ricavato una legge di scala per i tempi di rilassamento, a partire dall'equazione cinetica di Landau, in ottimo accordo con quanto osservato nelle simulazioni numeriche condotte sulla nostra architettura parallela.
10.4 Sistemi dinamici.
Personale universitario: A. Bazzani, B. Giorgini, F. Mainardi, F. Mattioli, A. Piva, S. Rambaldi, G. Salustri, G. Servizi, G. Turchetti
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: E. Lunedei, L. Rossi, A. Vivoli
La teoria dei sistemi dinamici coniuga l'evoluzione deterministica con una lettura statistica del moto tramite una misura invariante di probabilità . Tra i sistemi regolari (integrabili) e quelli caotici esiste un ampio spettro di sistemi con comportamenti intermedi nei quali ordine e caos coesistono. L'evoluzione di un insieme di punti con densità iniziale data può essere seguita o numericamente o integrando l'equazione di continuità cui soddisfa la funzione densità di probabilità . Se il sistema è soggetto a un campo con una componente fluttuante per ogni realizzazione del processo si ha una diversa evoluzione governata dalla equazione di continuità mediando sul processo si ottiene l'equazione di Fokker-Planck, o una sua generalizzazione nel caso di rumore correlato. L'attività riguarda l'analisi delle ricorrenze di Poincarè nei sistemi integrabili e nei sistemi misti, il cui comportamento è stato caratterizzato in modo rigoroso. Abbiamo proposto un metodo per il calcolo dei punti fissi basato sulla teoria del grado topologico. Sono inoltre stati studiati processi stocastici in cui il tempo di attesa tra due eventi è aleatorio; in questo caso si ottengono equazioni con derivate frazionarie. Infine sono stati affrontati problemi di onde non lineari e di meccanica della frattura.
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: E. Lunedei, L. Rossi, A. Vivoli
La teoria dei sistemi dinamici coniuga l'evoluzione deterministica con una lettura statistica del moto tramite una misura invariante di probabilità . Tra i sistemi regolari (integrabili) e quelli caotici esiste un ampio spettro di sistemi con comportamenti intermedi nei quali ordine e caos coesistono. L'evoluzione di un insieme di punti con densità iniziale data può essere seguita o numericamente o integrando l'equazione di continuità cui soddisfa la funzione densità di probabilità . Se il sistema è soggetto a un campo con una componente fluttuante per ogni realizzazione del processo si ha una diversa evoluzione governata dalla equazione di continuità mediando sul processo si ottiene l'equazione di Fokker-Planck, o una sua generalizzazione nel caso di rumore correlato. L'attività riguarda l'analisi delle ricorrenze di Poincarè nei sistemi integrabili e nei sistemi misti, il cui comportamento è stato caratterizzato in modo rigoroso. Abbiamo proposto un metodo per il calcolo dei punti fissi basato sulla teoria del grado topologico. Sono inoltre stati studiati processi stocastici in cui il tempo di attesa tra due eventi è aleatorio; in questo caso si ottengono equazioni con derivate frazionarie. Infine sono stati affrontati problemi di onde non lineari e di meccanica della frattura.