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Nonlinear phenomena in vibrating tensegrity structures
No full textGeneral consideration is given to the elastic nonlinearity behaviour of oscillating composite structures, that results into threshold or bistable phenomena, as those leading to chaotic generation; particularly, bistability effects are considered, as they may develop from down and up conversion generation of modes and examples are given in acoustic resonators. In addition, few hints are given to the nonlinear elastic behaviour of tensegrity structures, as they could be introduced to model biological tissues and cells
thermal behavior of ultrasound contrast agents for echographic imaging techniques through a photoacoustic system
No full textThe ultrasound contrast agents used in echographic imaging techniques are essentially constituted by a suspension of microbubbles containing gas enclosed within an organic shell. In the present paper, the elastic characteristics of contrast agents have been studied, as they depend upon the temperature, using a photoacoustic technique. Central element of the experimental apparatus is a photoacoustic cell, where the ultrasound contrast agent is inserted and behaves as a Helmholtz resonator. A laser radiation modulated at frequencies in the range 100-1500 Hz, causes the solution volume containing the bubbles to vary; this causes thin membrane, which closes a small pipe inserted on the surface of the photoacoustic cell, to vibrate. The amplitude variations of the membrane, measured through a laser probe interferometer, vs. bubble concentration and temperature of the solution, allow one to investigate microbubbles thermal behavior
Comportamento non lineare di strutture tensintegre
No full textSi è osservato recentemente che le cellule eucariotiche presentano un citoplasma affine alle strutture architettoniche tensegrali descritte per la prima volta da Buckminster Fuller; da ciò è derivata una rappresentazione del comportamento meccanico e strutturale delle cellule in termini della nuova teoria della tensegrità, per la quale i microfilamenti e i filamenti intermedi del citoscheletro (CSK) giocano il ruolo di elementi
estensibili e i microtubuli quello di elementi rigidi. In una struttura siffatta l’equilibrio è stabilito da una condizione di prestress, per la quale gli elementi rigidi sono posti in stato di compressione da quelli estensibili, mentre questi sono in stato di tensione. Nella relazione presente si sono sottoposte a condizioni di sollecitazione statica e dinamica alcune strutture tensintegre modellizzanti il citoscheletro e se ne sono esaminate le risposte, ai fini di identificare eventuali comportamenti meccanici non lineari, di
grande interesse per l’interpretazione biologica. Oggetto dello studio è stato un modello tensegrale di CSK a trenta elementi proposto da Ingber: sei elementi rigidi interconnessi da ventiquattro cavi elastici. Il modello è stato preliminarmente sottoposto a prove statiche per valutarne la simmetria
rispetto al degno della sollecitazione. Per effettuare le prove dinamiche l’eccitazione è stata ottenuta utilizzando un pistone
vibrante. L’ampiezza di oscillazione è stata rilevata tramite un laser diretto verso l’asta di cui si voleva misurare la vibrazione. Per il modello di icosaedro tensegrale realizzato in laboratorio e studiato in via teorica e in via sperimentale è stata trovata la fondamentale relazione di equilibrio che lega la lunghezza degli elastici alla lunghezza e alla distanza tra coppie di elementi rigidi; si è messo in evidenza un comportamento non lineare del sistema a sollecitazioni statiche delle aste costituenti; l’aspetto dinamico della non linearità risulta dalle variazioni della frequenza propria del modo risonante di minore frequenza
Analisi agli elementi finiti delle non linearità di strutture tensintegre
No full textEvidenze sperimentali fanno ritenere che gli stress meccanici agenti sulle cellule ne regolano la forma e la funzione nonché influenzino lo sviluppo e la crescita dei tessuti biologici. Le dinamiche attraverso le quali gli stimoli meccanici vengono convertiti in segnali biochimici sono ancora largamente sconosciute. Nonostante siano stati effettuati numerosi studi sulla risposta meccanica cellulare con diverse metodologie, è necessario mettere a punto un’analisi fisica sistematica al fine di correlare tale risposta con le funzioni biologiche (crescita, divisione, differenziazione).
L’approccio classico considera la cellula come un guscio elastico continuo che circonda un nucleo viscoso o viscoelastico. In base a tale teoria le deformazioni cellulari derivano principalmente dalle sollecitazioni distribuite sulla membrana e trasmesse at-traverso il citoplasma secondo le leggi della meccanica del continuo. Questa modellizzazione non contempla esplicitamente, però, gli elementi della microstruttura cellulare e non è in grado di descrivere perfettamente il comportamento (deformabilità) delle cellule aderenti (endoteliali, epiteliali, fibroblasti).
Nell’ultima decade un numero crescente di studi ha individuato nel citoscheletro (CSK) il responsabile della trasmissione degli stress meccanici dalla superficie cellulare fino al nucleo attraverso il citoplasma e della resistenza alle distorsioni di forma. Il cito-scheletro, che assicura la deformabilità e stabilizza la struttura, è composto da tre diffe-renti tipi di polimeri proteici molecolari chiamati microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli.
È stato osservato che le cellule eucariotiche presentano un citopla-sma affine alle strutture architettoniche tensegrali descritte per la prima volta da Buckminster Fuller. Nella loro più semplice rappresentazione queste possono essere definite come l’interazione di un set di elementi di compressione isolati con un set continuo di elementi di tensione. Il prestress, fenomeno che permette alle strutture di stabilizzare se stesse, ne è la caratteristica fondamentale: anche in assenza di forze esterne, tutti i componenti della struttura sono già in uno stato di tensione o di compressione. I membri rigidi resistenti alla compressione, infatti, allungano i membri flessibili che resistono alla tensione, mentre questi ultimi comprimono le strutture rigide. Il termine tensegrità si riferisce, quindi, ad un sistema che stabilizza meccanicamente se stesso grazie al modo in cui le forze di tensione e di compressione sono distribuite all’interno della struttura.
L’idea fondamentale di Ingber è che all’interno del CSK i microfilamenti e i filamenti intermedi giocano il ruolo degli elementi estensibili mentre i microtubuli quello degli elementi rigidi. Nel presente lavoro è stato sviluppato un modello ad elementi finiti di CSK tensegrale mediante il software per il calcolo strutturale Straus7 al fine di analizzarne il comportamento meccanico non lineare in risposta a diverse condizioni di carico statico. È possibile effettuare diversi parallelismi tra il comportamento delle strutture tensegrali ed osservazioni in vivo sulle cellule. In primo luogo la struttura tensegrale presenta una rigidità iniziale che cresce al crescere del livello di prestress. Questo risultato è consistente con l'osservazione che la rigidità del CSK misurata in cellule vive endoteliali è maggiore nelle cellule allungate piuttosto che in quelle di forma sferica, quindi la rigidità iniziale delle cellule potrebbe derivare dal livello di prestress nel CSK. La risposta della struttura allo stress è non lineare, anche se le caratteristiche meccaniche degli elementi che la costituiscono rimangono costanti. Si può concludere che i principali artefici della deformabilità cellulare sono l’organizzazione del CSK ed il prestress piuttosto che le proprietà meccaniche dei singoli componenti.
In conclusione si può affermare che i modelli cellulari derivanti da architetture ten-segrali costituiscono non solo una possibile interpretazione fisica dell'organizzazione e dell'interconnessione del citoscheletro, ma forniscono anche le basi per la comprensione delle modalità di risposta dell'intera cellula agli stimoli meccanici.Tensegrity models for the cytoskeleton structure of living cells is largely used nowadays for interpreting the biochemical response of living tissues to mechanical stresses. Microtubules, microfilaments and filaments are the microscopic cell counterparts of struts (microtubules) and cables (microfilaments and filaments) in the macroscopic world: the formers oppose to compression, the latters to tension, thus yielding an overall structure, light and highly deformable. Specific cell surface receptors, such as integrins, act as the coupling elements that transmit the outside mechanical stress state into the cell body. Reversible finite deformations of tensegrity structures have been widely demonstrated experimentally and in a number of living cell simulations
Studio del comportamento termico di agenti di contrasto per ecografia diagnostica mediante un sistema fotoacustico
No full textLa tecnica fotoacustica è un consolidato metodo di indagine sperimentale in base al quale un campione stimolato mediante una radiazione ottica emette segnali acustici. Questa tecnica è largamente utilizzata per la determinazione di varie proprietà di solidi, liquidi e gas. Nel presente lavoro, l’apparato sperimentale realizzato prevede l’utilizzo di una struttura chiusa, detta cella fotoacustica, mediante la quale lo studio del campione viene eseguito in condizioni di risonanza, ottenute modulando la radiazione elettromagnetica di eccitazione alle frequenze dei modi fondamentali della struttura stessa. Il campione indagato è una sospensione di microbolle in liquido, che costituisce i farmaci utilizzati in ecografia diagnostica per aumentare il contrasto delle immagini ecografiche. Il comportamento della cella fotoacustica è riconducibile a quello di un risuonatore di Helmholtz, al quale si sovrappone quello di un oscillatore armonico causato dalle particolari condizioni di chiusura della struttura, determinando complessivamente la presenza di due modi propri in corrispondenza dei quali è valutato il comportamento dell’agente di contrasto. Le due frequenze di risonanza che caratterizzano la struttura vengono evidenziate in presenza di sola acqua distillata e successivamente rilevate inserendo nella cella l'agente di contrasto; la presenza di questo provoca una diminuzione delle due frequenze, oltre all’inversione del rapporto tra le ampiezze a esse corrispondenti, rispetto alla situazione iniziale, dovuta all'oscillazione delle microbolle gassose costituenti l'agente di contrasto incapsulate in un guscio fosfolipidico
Thermal dependence of ultrasound contrast agents scattering characteristics for echographic imaging techniques
No full textUltrasound contrast agents (UCA), used in echographic imaging techniques, may represent an interesting solution to the problem of realizing non-invasive thermometers, based on some thermal variations of their physical properties. UCA, indeed, are inserted into blood circulation and they reach the most important organs inside the human body; consequently, any thermometric property they share, it could be exploited for realizing a non-invasive thermometer. UCA essentially are a suspension of microbubbles, containing a gas enclosed within an organic shell. In the present paper, the acoustic scattering efficiency of such structures has been studied, as it depends upon the temperature, using a pulse-echo technique. This method is a commonly used and well-established experimental system for examining the acoustic behaviour of the UCA, around the resonance frequency. The experimental apparatus is composed of a test tube which contains the UCA solution and a spherical concave piezoelectric transducer that generates in a water cell ultrasound bursts focused on a plate mirror, that reflects the signal back to the transducer after passing twice through the test tube with the sample solution. Since the whole apparatus is immersed in a thermostatic bath, the spectrum of the received signal bears the frequency dependence from temperature of the scattering properties of the microbubble solution
Generation of a backward Lamb wave by means of mode conversion
No full textThis experimental work deals with the reflection of a Lamb wave at the free edge of a thin metal plate. A wave packet of the symmetric first mode S1 is generated with a wedge transducer on a plate and mode conversion phenomena at the free edge is observed. Under experiment conditions, the incident wave packet is totally converted in a reflected wave packet of different characteristics. Actually, the reflected wave packet belongs to the same symmetric mode S1 but it is generated in a zone of the dispersion curve in which the group velocity is counter-directed with respect to phase velocity so to become a so called backward Lamb wave. While the energy sent to the edge of the plate is reflected back, the wave vector direction is not inverted by means of the reflection. The efficiency of mode conversion is high and the backward wave packet reflected has an amplitude even greater than if it would be generated under the same conditions directly by the wedge transducer
Studio preliminare del comportamento non lineare di agenti di contrasto per ecografia diagnostica mediante la tecnica di scattering a impulsi
No full textGli ultrasuoni sono alla base di numerose tecniche usate in diagnostica medica per ottenere immagini di parti interne del corpo umano tramite l’elaborazione elettronica degli echi da esse riflessi. Gli ultrasuoni, infatti, vengono diffusi e riflessi dalle disomogeneità presenti nei tessuti derivanti da zone aventi differente impedenza acustica, quest’ultima essendo data dal prodotto tra la densità del mezzo e la velocità di fase dell’onda acustica che si sta propagando nel mezzo: il contrasto presente nelle immagini ottenute tramite ultrasuoni riflette, pertanto, la differenza di impedenza acustica esistente tra le differenti parti della zona visualizzata. Lo scopo di introdurre un mezzo di contrasto in un vaso sanguigno è quello di aumentare
localmente e per un breve periodo di tempo l’impedenza acustica del sangue incrementando, conseguentemente, l’intensità degli echi da esso riflessi così da accrescere l’informazione potenzialmente disponibile per un’indagine diagnostica. Ad
esempio, lo studio del flusso del sangue in piccoli capillari e della perfusione del sangue attraverso i tessuti, aspetto quest’ultimo estremamente importante nel miocardio, sono impossibili da affrontare senza l’uso di mezzi di contrasto per ultrasuoni. Vi sono varie tecniche di imaging ultrasonoro basate sullo scattering degli ultrasuoni da parte di micro bolle, ma l’interesse maggiore, a causa aumento della risoluzione che è potenzialmente in grado di generare, si dirige verso quella che sfrutta l’oscillazione non lineare della micro bolla con conseguente emissione di un’onda acustica di frequenza doppia, da qui l’aumento della risoluzione spaziale, rispetto alla frequenza dell’onda elastica incidente.
In questo lavoro vengono riportati i risultati sperimentali, ottenuti mediante la tecnica di scattering di impulsi ultrasonori, del comportamento non lineare, con particolare riguardo alla generazione di seconda armonica, di un mezzo di contrasto per ecografia disponibile in commercio: il SonoVue® prodotto dalla Bracco (Milano, Italia
MISURA DELLA VELOCITA’ DI GRUPPO E DI FASE DELL’ONDA DI LAMB RETROGRADA
No full textLe onde di Lamb, ovvero i modi propri di vibrazione di una piastra libera, isotropa, infinitamente estesa e di spessore costante, sono ampiamente usate nell’analisi non distruttiva di strutture piane: esse permettono la rilevazione di difetti sia superficiali che interni e sono particolarmente utilizzate, ad esempio, in aeronautica anche per l’analisi di strutture complesse costituite da larghe piastre variamente assemblate tra loro. Vi sono, tuttavia, difficoltà (sia sperimentali che teoriche) nell’interpretazione dei risultati derivanti dall’utilizzo di onde di Lamb in test non distruttivi poiché, nelle situazioni reali, le lamine hanno dimensioni finite e, spesso, vi sono giunzioni tra piastre di diverso spessore.
La riflessione delle onde di Lamb dalla superficie di separazione tra due mezzi di differenti caratteristiche elastiche, date le condizioni al contorno che devono essere soddisfatte sulla superficie – continuità dello sforzo e dello spostamento – dà luogo al fenomeno conversione dei modi: a differenza delle onde di volume, la diffusione delle onde di Lamb da parte di ostacoli, e quindi anche la loro riflessione da parte di una superficie di discontinuità, genera un campo di onde elastiche costituito non solo dal modo incidente, ma anche da tutti i possibili modi, ricavabili dalla relazione di dispersione alla frequenza dell’onda incidente, che nascono per mutua interferenza. Conseguentemente, lo studio delle interazioni delle onde di Lamb con una varietà di geometrie e difetti, riveste un ruolo non secondario per l’utilizzo di questi modi di piastra in applicazioni di test non distruttivi.
In questo lavoro viene riportato uno studio sperimentale sull’interazione delle onde di Lamb con il bordo libero di una sottile piastra di acciaio; in particolare è stata studiata la conversione di modi che si verifica quando il primo modo simmetrico delle onde di Lamb, indicato convenzionalmente come modo S1, incide normalmente al bordo libero della piastra: sono state imposte condizioni sperimentali tali da generare un unico modo riflesso ancora di tipo S1, ma avente velocità di gruppo con verso opposto rispetto alla velocità di fase ottenendo quello che in letteratura si chiama un backard propagating mode (onda retrograda). E’ stato evidenziato l’antiparallelismo tra la velocità di gruppo e la velocità di fase e sono stati misurati i moduli di quest’ultime: i valori ottenuti, nei limiti degli errori sperimentali, sono in accordo con quelli ricavabili dalla curva di dispersione del modo
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