Three-dimensional shapes of looped DNA

The equilibrium shapes of a closed DNA are investigated by employing a model of a thin, homogeneous, isotropic, linearly elastic rod of circular cross section. An equilibrium configuration of such an initially straight and twisted rod, submitted to external forces and moments at its ends only, obeys equations identical to those governing the rotation of a symmetric gyrostat spinning about a fixed point in a gravitational field (the Kirchhoff analogy). To represent the equilibrium of the looped DNA, the model rod must be smoothly closed into a ring. The corresponding BVP results in a system of four nonlinear equations with respect to four parameters. The perturbation analysis and the parameter continuation approach are used to find nonplanar solutions. The conformation change is discussed for various values of parameters.

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Sommario Si analizzano le configurazioni di equilibrio di una molecola chiusa di DNA per mezzo di un modello di trave sottile, omogenea, isotropa e linearmente elastica, con sezione circolare. La configurazione di equilibrio di una tale trave, inizialmente rettilinea e poi ritorta, soggetta a forze esterne e momenti solo alle sue estremità, è descritta dalla soluzione di equazioni identiche a quelle che governano il moto di un girostato simmetrico in rotazione intorno ad un punto fisso in un campo gravitazionale (l'analogie di Kirchhoff). Per poter rappresentare l'equilibrio del cappio di DNA, il modello di trave deve essere racchiuso in un anello, Il corrispondente problema al contorno consiste in un sistema di quattro equazioni nonlineari rispetto a quattro parametri. Le soluzioni del problema fuori del piano vengono ottenute tramite l'analisi perturbativa ed una procedura di continuazione al variare di un parametro. Si discutono le modifiche di configurazione del sistema per diversi valori dei parametri.

     

Deflection of a partially supported elastic beam subjected to non uniform load

Summary The bending of a partially supported, nonhomogeneous elastic beam is studied by means of variational inequalities. Properties of the contact set are obtained along with the continuous dependence of the displacement on the load. Eventually, for a wide class of external forces we give an explicit formula for the contact set and prove further properties for the solution.

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Sommario E' qui studiata mediante disequazioni variazionali la flessione di una trave elastica non omogenea in parte appoggiata. Vengono ottenute proprietà dell'insieme di contatto e della soluzione (spostamento dalla configurazione di riferimento), quali ad esempio la dipendenza continua dal carico e, per un'ampia classe di forze esterne, una formula esplicita per la zona di contatto e la concavità della configurazione di equilibrio.

     

The stability boundary of systems with one degree of freedom (Part I)

Summary It is shown that the stability boundary of a one-degree-of-freedom conservative structural system cannot have convexity towards the region of instability. An example illustrating the essential features of the theory is discussed. The results of two experiments providing qualitative verification of the theory are reported.

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Sommario Si dimostra che il dominio di stabilità di un sistema conservativo ad un grado di libertà è convesso. Si discute un esempio che illustra gli aspetti essenziali della teoria svolta. Si presentano i risultati di due esperienze che forniscono una verifica qualitativa dei risultati teorici.

     

A differential equation for the minors of the state-transition matrix of linear systems

Summary A differential equation for the minors of the state transition matrix of linear time-invariant systems is established.An example is then presented, where the differential equation is employed in order to check the existence of the extremal control of a linear system with a performance index given by the integral of a quadratic form.

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Sommario Si stabilisce un'equazione differenziale per i minori della matrice di transizione dei sistemi lineari stazionari.Si illustra quindi un esempio, in cui tale equazione differenziale viene impiegata per verificare l'esistenza del controllo estremale di un sistema lineare con indice di comportamento dato dall'integrale di una forma quadratica.

     

Theoretical analysis of self-excited vibrations in a machine-tool,isolated mounting-base system

Summary This paper describes the theoretical analysis of the dynamic performance of a machine-tool isolated mounting-base system when unstable behaviour of the moving slider — stick slip motion — occurs owing to low driving speed. The equations of motion are derived from Lagrange's equation when the basic energy expressions of such a system are known.Numerical examples are calculated by making use of the digital computer in order to clarify the relation between the principal parameters governing the behaviour of the vibrating system so that the factors that influence the design and operational conditions of a machine tool supported by a vibration-isolating base may be more clearly understood and specifically identified. By this method a detailed analysis is carried out of the performance of an experimental rig fixed to a concrete mounting base supported on helical springs, in order to investigate the mechanism of frictional damping of machine tool slideways.

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Sommario Nell'articolo è effettuata l'analisi teorica del comportamento dinamico di un sistema costituito da una macchina utensile con relativa fondazione, quando il moto rettilineo della slitta, alle basse velocità, manifesta condizioni instabili dipendenti dall'insorgere di vibrazioni autoeccitate. Le equazioni del moto sono ottenute dalle equazioni di Lagrange una volta calcolate le espressioni energetiche del sistema.Mediante un calcolatore digitale sono stati elaborati alcuni esempi numerici per definire la relazione esistente tra i principali parametri da cui dipende il comportamento del sistema vibrante, in modo da valutare la complicata interdipendenza dei fattori che influenzano il progetto e le condizioni operative di una macchina utensile vincolata ad una fondazione isolata dal terreno con supporti elastici.Con il metodo numerico proposto è stato studiato il comportamento dinamico di un'apparecchiatura sperimentale, fissata ad una fondazione in cemento sostenuta da molle elicoidali, predisposta per valutare gli effetti combinati dello smorzamento e dell'attrito nelle guide di una macchina utensile.

     

Determination of absolute retardations by vectorial reconstruction

Summary In this paper is described the application of the vectorial reconstruction to the holographic determination of absolute retardation fringes. The method requires a double-exposure hologram recorded with two reference beams. During the reconstruction process the image emerging from the hologram is viewed through a linear polarizer. Where the polarization direction is parallel to one of the principal stresses, only the corresponding family of absolute retardations is observed. By rotating the polarizer it is possible to observe the fringes over the whole model. The method is demonstrated experimentally using a deep beam centrally loaded.

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Sommario In questa memoria si applica la ricostruzione vettoriale alla determinazione delle frange dei ritardi assoluti. Il metodo richiede l'esecuzione di un ologramma ad esposizione doppia registrato con due raggi di riferimento. In fase di ricostruzione l'immagine emergente dall'ologramma viene osservata attraverso un polarizzatore lineare. Nei punti del modello in cui la direzione di polarizzazione è parallela ad una tensione principale, si osserva la corrispondente famiglia dei ritardi assoluti. Ruotando il polarizzatore è quindi possibile osservare le frange dei ritardi assoluti in tutto il modello. Quale esempio di applicazione si riporta la determinazione delle frange dei ritardi assoluti in una trave corta caricata in mezzeria.

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Paper presented at IV AIAS Conference held in Roma on September 30 – October 2, 1976.     

A numerical program for dealing with finite-amptlitude disturbances in plane parallel laminar flows

Summary For plane flows the behaviour of finite-amplitude disturbances, periodic in the direction of motion, is studied here in a way which is somehow similar to a numerical simulation. In fact the foundamental hypothesis which in the linear approach conducts for transverse disturbances to the well known Örr-Sommerfeld system of equations — namely that the periodic disturbance depends on time both by an exponential factor for the amplitude and a constant velocity for the phase — is not made here.This requires to solve a system of non-linear partial differential equations respect both to time and to the space coordinate orthogonal to the wall(s).Boundary conditions are written also for walls wavy in the transverse sense.Solution is found integrating step-by-step with a Runge-Kutta procedure and respect to time a system of ordinary first order differential equations obtained using a finite difference approximation for space derivatives.The method allows to study also disturbances far from the neutral ones and to have detailed information on their interaction with main flow.As an example plane Poiseuille flow at a low Reynolds number is considered.

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Sommario Il comportamento delle perturbazioni periodiche di ampiezza finita nei moti laminari piani viene studiatò con un metodo numerico che somiglia ad una simulazione.Sostanzialmente non viene fatta l'ipotesi che le perturbazioni dipendano dal tempo tramite una velocità di fase costante ed una ampiezza di tipo esponenziale; ipotesi che conduce nel caso lineare alle note equazioni di Örr-Sommerfeld.Si deve così risolvere un sistema di equazioni non lineari alle derivate parziali sia rispetto al tempo che alla coordinata ortogonalle alla parete con condizioni sulle pareti che sono state generalizzate per pareti ondulate con scanalature ortogonali al moto, anche dipendenti dal tempo.Le equazioni del moto si riducono ad un sistema ordinario di equazioni differenziali se si esprimono le derivate parziali tramite delle differenze finite. La loro integrazione rispetto al tempo è fatta col metodo di Runge Kutta-Gill del quarto ordine.Si possono così studiare anche perturbazioni lontane dalla curva di neutralità. Come esempio si studia il flusso piano di Poiseuille ad un basso numero di Reynolds.

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This work has been performed within the research group no. 7 of Consiglio Nazionale delle Ricerche.     

On the free motions of a uniform elastic helicoidal bar

Summary A thorough and rigorous analysis for the decoupling of a first-order partial differential system of four (3×1)-vectorial equations (with constant coefficients), governing the free three-dimensional dynamic equilibrium of an arc element of an elastic circular helicoidal bar, is presented. Through this decoupling procedure the equivalent to the system differential equation, with respect to one of the generalized displacements, results of the twelfth-order. Under the assumption that the general integral of this equation is given and for the most general case of response, the transcendental equation for the determination of the natural frequencies of the system is formulated. Finally, as an application on the method and under some restrictions the general integral of the differential equation of harmonic motions of an elastic helicoidal bar is determined in the form of elementary functions.

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Sommario Si presenta un'analisi completa e rigorosa al fine di disaccoppiare un sistema di quattro equazioni vettoriali ordinarie (a coefficienti costanti) che governano l'equilibrio dinamico tridimensionale libero di un elemento d'arco di una barra eliocoidale elastica. Attraverso questo procedimento di disaccoppiamento il sistema differenziale equivalente risulta, rispetto ad uno degli spostamenti generalizzati, del dodicesimo ordine. Sotto l'ipotesi che l'integrale generale di questa equazione sia dato si formula, per il tipo più generale di risposta, l'equazione trascendente che determina le frequenze naturali del sistema. Infine, come applicazione del metodo e sotto alcune ipotesi restrittive, si determina l'integrale generale dell'equazione differenziale dei moti armonici di una barra elicoidale elastica per mezzo di funzioni elementari.

     

Equations of motion of a multibody system and Lie groups

Usually, the methods used for forming the equations relating to the motion of a complex system are based either on the use of general theorems or on the use of conventional techniques of analytical mechanics (Lagrange or Hamilton equations). In this case the formation of the equations of motion was made using a method allowing us to draft these equations in a more synthetic form. It uses the properties of the displacement group as a LIE group. Its main advantage is that it allows a totally intrinsic analytical calculation in the vector space of the wrenches or complex forces [8]. A symbolic calculus code has been designed in order to apply this approach. Initially, we have used and tested it in any open loop multibody system. The symbolic calculus code was applied, for instance, in the context of a study into the crash of a vehicle driven into a barrier.

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Sommario I metodi più comunemente usati per formulare le equazioni relative al moto di un sistema complesso si basano o su teoremi generali o su tecniche convenzionali della meccanica analitica (equazioni di Lagrange o di Hamilton). Nel presente studio, invece, le equazioni del moto vengono formulate usando una metologia che ne permette la scrittura in una forma più sintetica, sfruttando le proprietà del gruppo degli spostamenti come di un gruppo di Lie: il principale vantaggio del metodo è di permettere un calcolo analitico totalmente intrinseco nello spazio vettoriale delle forze complesse [8]. Per poter applicare questo approccio, è stato sviluppato un codice di calcolo simbolico. Per cominciare, l'approccio è stato usato e sperimentato per un generico sistema multicorpo a loop aperto: per esempio, nel contesto di uno studio sull'urto di un veicolo su di una barriera.

     

A new class of flexure-free torsional vibrations of annular rods

It is shown that the system of partial differential equations governing small amplitude vibrations of an elastic ring has solutions describing motions in which the axial curve C of the ring remains rigid, but executes a rocking motion while the cross-sections undergo torsional rotations about C that vary periodically both in time and in distance along C. This type of flexure-free torsional vibration can occur both in rings that are stress-free in a circular equilibrium configuration and in rings formed by bringing together and sealing, with or without the addition of twist, the ends of rods that are stress-free when straight.

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Sommario Si mostra che le equazioni che governano le oscillazioni di piccola ampiezza di travi elastiche anulari hanno soluzioni che corrispondono a moti nei quali l'asse C della trave è sottoposto a un'oscillazione rigida e le sezioni trasversali subiscono una rotazione torsionale che varia periodicamente nel tempo e con l'ascissa lungo C. Questo tipo di vibrazione torsionale, non accompagnata da flessione dell'asse, si presenta sia quando la configurazione anulare è priva di sforzi sia quando tale configurazione può pensarsi ottenuta inflettendo una trave che in uno stato privo di sforzi è ad asse rettilineo, imprimendo ad essa una eventuale deformazione torsionale, e collegando fra loro le sue estremità.

     

Elastic stability of a uniform cantilevered beam on elastic foundation with a shear layer subjected to a follower force

Summary The problem of the elastic stability of a uniform contilevered beam on an elastic elements connected by shear layers and subjected to a follower force, is there reopened.The critical loads for several values of the tangency coefficient and modulus of the foundation are shown.

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Sommario Viene riproposto il problema della stabilità elastica di una trave uniforme a sbalzo su una fondazione generalizzata, sottoposta ad una forza di tipo follower.Si indicano i valori dei carichi critici per differenti valori del coefficiente di tangenza e delle costanti della fondazione.

     

On the role of the adjoint problem in dissipative,nonconservative problems of elastic stability

Summary The asymptotic stability of linear isotropic Kelvin-Voigt solids subjected to external damping and noncon-servative surface tractions which are linear functions of displacements and displacement gradients is considered. The boundary value problem that is adjoint to the original system is derived, and a variational principle from which these two boundary value problems may be generated is stated. The variational principle serves as a basis for an approximate method (similar to the Ritz method) for solving nonconservative stability problems in which the effects of internal and external damping are present. The method is applied to determine the value of the critical load intensity Q_cr in a cantilever and a clamped-simply supported beam subjected to a linearly distributed tangential load as well as to internal and external damping forces. Plots of the variation of Q_cr with the two damping parameters are given, and it is shown the nature of the boundary conditions can have a significant effect on the manner in which Q_cr varies as a function of the damping parameters.

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Sommario Si considera la stabilità asintotica di solidi isotropi e lineari di Kelvin e Voigt sollecitati da forze smorzanti proporzionali alla velocità e carichi superficiali non conservativi, i quali sono funzioni lineari di spostamenti e derivate di spostamenti. Si deduce il problema ai limiti che è aggiunto al sistema originario di equazioni di campo, e si imposta un principio variazionale dal quale si generano questi due problemi ai limiti. Il principio variazionale serve come base per un procedimento approssimato (simile al metodo di Ritz) per risolvere problemi non conservativi di stabilità elastica nei quali sono presenti gli effetti di smorzamento interno ed esterno. Si applica questo procedimento per constatare il valore critico del parametro dell'intensità del carico, Q_cr, in una mensola e una trave con un estremo incastrato e l'altro incernierato, caricate da una distribuzione continua di forze di modulo che varia linearmente con la coordinata di posizione e retta d'azione solidale con la deformata del l'asse della trave. Si mostrano grafici dell'andamento di Q_cr con i due parametri di smorzamento, e si nota che il tipo di vincolo alle estremità della trave può avere un effetto significante sulla maniera in cui Q_cr varia come una funzione dei parametri di smorzamento.

     

A variational theorem for Mises' solids based on stress potentials

Summary A theorem is given which provides variational formulation for compatibility and plasticity conditions in rigid-perfectly plastic solids, through the most general stress functions. The relation existing between this theorem and a known variational principle of limit analysis is shown. The type of boundary value problems governed by the proposed theorem is illustrated by means of a simple example at the end.

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Sommario Viene presentato un teorema che fornisce una formulazione variazionale per le condizioni di compatibilità e di plasticità nei corpi rigido-perfettamente plastici attraverso le più generali funzioni di sforzo. Viene anche mostrata la relazione esistente tra tale teorema ed un noto principio variazionale dell'analisi limite. Un semplice esempio di applicazione ad un caso assialsimmetrico piano illustra il tipo di problemi al contorno governati dal teorema qui presentato.

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The results presented in this paper are part of a research supported by the (Italian) National Research Council (C.N.R.).     

Fluid flow through a narrow sphere - cylinder meatus with very close diameter values

Summary Results are reported of an experimental hydraulic study on a centering system for the basis of fuel elements in a nuclear reactor. The system employs a cylindrical seat as a guide and a spherical centering element integral with the rod. Tests have been carried out for several values of the thikness of the meatus between sphere and cylinder, and, for every value of the thikness, with the perfectly centred sphere and with the totally eccentric sphere (touching the cylinder internally). Hydraulic characteristics of the system were obtained, in terms of dimensionless Euler-Reynolds numbers. Cavitation threshold has been determined for all the tested cases. A simple formula is further proposed, of very general validity, for approximate evaluation of the correction factor of the Stokes formula for a sphere in slow motion in a viscous fluid on the axis of an indefinite cylinder.

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Sommario Si riportano i risultati di un'indagine idraulica sperimentale effettuata su un sistema di centraggio per il piede di elementi di combustibile in un reattore nucleare. Il sistema è fondato sull'impiego di una sede cilindrica di guida e di un elemento sferico di centraggio solidale con la barra. Le esperienze condotte per vari valori dello spessore dell'intercapedine sfera-cilindro e, per ogni spessore, con riferimento sia all'assetto perfettamente centrato sia a quello totalmente eccentrico, hanno condotto alla determinazione delle caratteristiche idrauliche del sistema in termini di numero di Eulero - numero di Reynolds. Sono state condotte prove per la determinazione della soglia di cavitazione per i vari casi sperimentati. Viene inoltre proposta una formula approssimata di validità molto generale per la stima del coefficiente di correzione della formula di Stokes per il caso di moto lento di una sfera in un fluido viscoso lungo l'asse di un cilindro infinitamente lungo.

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Research supported by CNEN - PRV (Fast Reactor Project).     

On the Ljapunov stability of a system with known first integrals

Summary The differential equations of the perturbed motion with known independent first integrals are considered, and it is shown that a sufficient condition for the stability of the imperturbed motion of the complete system is given by the total stability of the corresponding solution of a certain reduced system, of lower rank. This theorem finds an interesting application in the study of the stability of the merostatic motions of a holonomic system with ignorable coordinates and acted upon by dissipative forces.

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Sommario Si considerano sistemi di equazioni differenziali del moto perturbato per i quali siano noti alcuni integrali primi indipendenti, e si dimostra che una condizione sufficiente per la stabilità del moto non perturbato del sistema completo è data dalla stabilità totale della corrispondente soluzione di un certo sistema ridotto, di rango inferiore. Questo teorema trova una significativa applicazione nello studio della stabilità dei moti merostatici di un sistema olonomo con coordinate ignorabili e soggetto a sollecitazioni dissipative.

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Research supported by the Gruppo di Ricerca No. 7 of the C. N. R.     

Flexural instabilities of elastic rods

In the framework of Antman's theory of elastic rods, it is shown that the behavior of a rod subject to end couples is ruled by a non-linear ordinary differential equation whose solutions describe the instability phenomena observed in severe bending tests of tubes, such as ovalization and necking of the cross section.

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Sommario Nell'ambito della teoria di Antman per le travi elastiche, si mostra che il comportamento di una trave soggetta a coppie concentrate agli estremi è regolato da un'equazione differenziale ordinaria non lineare, le cui soluzioni descrivono fenomeni di instabilità osservati nelle prove di grande flessione di tubi, quali l'ovalizzazione e la strizione della sezione trasversale.

     

A Method for Determining Model‐Structure Errors and for Locating Damage in Vibrating Systems

A method is proposed for the determination of natural frequencies and mode shapes of a system which is constrained so that unknown stiffnesses are replaced by rigid connections. The constraint is not imposed physically but only in mathematics so that the behaviour of the constrained system is inferred from the unconstrained measurements. Since stiffnesses which are made rigid cannot experience any elastic strain they can have no effect on the inferred measurements. A procedure for comparing the inferred measurements with similarly constrained finite element predictions can be used to determine modelstructure errors. Damage, such as a crack in a beam, can be located by comparing the inferred measurements from the structure in its undamaged and current states. It is demonstrated how unmeasured rotations may be constrained by using rigidbody modes and a reduction/expansion transformation from a finite element model.Sommario. Viene proposto un metodo per la determinazione delle frequenze proprie e dei modi di vibrazione di un sistema vincolato in modo tale che alcuni elementi elastici siano sostituiti da collegamenti rigidi. Il vincolo non viene imposto fisicamente, ma solo matematicamente, e pertanto il comportamento del sistema vincolato viene dedotto dalle misure sul sistema non vincolato. Poiché gli elementi che sono resi rigidi non possono subire alcuna deformazione elastica, essi non hanno certamente alcun effetto sulle misure dedotte per il sistema vincolato. Una procedura che mette a confronto le misure dedotte per il sistema vincolato con le previsioni fornite da un modello ad elementi finiti con analoghi vincoli, può essere utilizzata per determinare errori nella struttura del modello. Danni del tipo di una cricca su una trave possono essere localizzati confrontando le misure dedotte – per sistemi analogamente vincolati – da quelle effettuate sulla struttura non danneggiata e sulla struttura danneggiata. Si dimostra come si possono imporre vincoli sulle rotazioni (non misurate) utilizzando i modi di corpo rigido dell'elemento e una tecnica di riduzione/espansione dei gradi di libertà di un modello ad elementi finiti.     

Complex and chaotic response of a non-linear oscillator with an isothermal gas spring

In this paper we study the dynamics of a non-linear one-degree-of-freedom system subjected to an external harmonic excitation, representing a simplified model for the synchronous hydraulic oscillations that can occur in the draft tube of Francis turbines at partial loads. The application of different typical numerical techniques has shown the existence of multiple coexisting periodic solutions, and the non-periodic bounded solutions which exhibit deterministic chaotic behaviour. The relevant strange attractor has been defined and the loss of memory associated with an exponential divergence in time of close initial conditions resulting in chaotic dynamics have been found and measured. A partial classification of qualitatively different dynamical behaviours for the system has been outlined in the control parameter space.

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Sommario In questo articolo viene studiata la dinamica di un sistema non-lineare ad un singolo grado di liberta' soggetto ad una forzante armonica esterna, rappresentante un modello semplificato per le oscillazioni idrauliche sincrone che hanno luogo nei diffusori delle turbine tipo Francis a carico parziale. Applicando differenti tecniche numeriche, viene mostrata l'esistenza di soluzioni periodiche multiple, oltre che soluzioni non-periodiche limitate con tipico comportamento caotico deterministico. L'attrattore strano corrispondente e' stato definito e caratterizzato: la perdita di memoria associata alla divergenza esponenziale di orbite inizialmente vicine, tipica della dinamica caotica, e' stata individuata e calcolata numericamente. Una prima parziale classificazione dei vari comportamenti dinamici per il sistema viene evidenziata attraverso la rappresentazione nello spazio parametrico.

     

On a magneto-elastic system with discontinuous coefficients and the propagation of a weak discontinuity

Summary In this paper we deduce the magneto-elastic system of equations in the three-dimensional case. As an application we study the propagation of a weak discontinuity when a strong discontinuity also occurs.

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Sommario In questa Nota si deduce un sistema di equazioni per la Magneto-elasticità con deformazioni finite nel caso tridimensionale. Come Applicazione si studia la propagazione di una discontinuità debole nella ipotesi che i coefficienti delle equazioni risultano essi stessi discontinui. Tale ipotesi risulta verificata, ad es., quando si considerano due differenti mezzi magneto-elastici uno in contatto con l'altro.

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Work supported by the CNR through the Gruppo Nazionale per la Fisica-Matematica.     

The exact deflection of an elastic beam over a soft obstacle

Summary We consider the problem of an elastic beam which is in unilateral contact with a soft obstacle. More precisely, we calculate the bending moments in the beam and the positions of the points where the beam leaves the obstacle.

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Sommario Si considera il problema di una trave elastica a contatto unilaterale con un ostacolo soffice. Più precisamente, si calcolano i momenti flettenti nella trave e le posizioni dei punti dove la trave abbandona l'ostacolo.