Corso microbiologia alimentare: Vibrio spp. – Yersinia enterocolitica

1.0 GENERALITA’

I vibrioni sono batteri Gram -, ossidasi positivi e asporigeni; sono bastoncelli mobili aerobi ed anaerobi facoltativi. All’osservazione al microscopio il vibrione del colera presenta una tipica forma a virgola; a volte due o più cellule si possono osservare unite con le curve disposte in senso opposto, così da assumere una conformazione a S, oppure possono essere riunite in catena con aspetto ad elica.

I microrganismi appartenenti al genere Vibrio sono ampiamente distribuiti nell’ambiente acquatico dove la loro presenza è comunque difficilmente correlabile a quella degli indicatori di contaminazione fecale in quanto presenti anche in acque dolci non contaminate a livello fecale.

Il genere Vibrio comprende varie specie, tra cui la più conosciuta è Vibrio cholerae, agente eziologico del colera, malattia caratterizzata nell’uomo da una gastroenterite acuta.

Altri microrganismi appartenenti al genere, quali Vibrio parahaemolyticus, V. vulnificus, V. alginolyticus, fanno parte del gruppo dei vibrioni alofili e sono spesso associati a manifestazioni diarroiche, ad infezioni cutanee, otiti e forme setticemiche, prevalentemente in soggetti immunodepressi. In generale questi microrganismi possono causare patologie in seguito ad ingestione di alimenti ed acque contaminati.

Yersinia enterocolita è un coccobacillo Gram – mobile grazie alla presenza di flagelli peritrichi, in grado di crescere senza particolari esigenze nutrizionali a temperature ottimali comprese tra 25-28°C; tuttavia come Listeria monocytogenes è in grado di moltiplicarsi a temperature di refrigerazione di 4°C.

Yersinia enterocolita fa parte del genere Yersinia, che a sua volta si trova all’interno della famiglia delle Enterobatteriaceae; tale microrganismo può causare tossinfezioni alimentari soprattutto in seguito all’ingestione di carne poco cotta, latte non pastorizzato ed acqua contaminata.

 

2.0 TOSSINFEZIONI ALIMENTARI E PATOGENESI

VIBRIO SPP. : I vibrioni possono essere causa di malattie trasmesse da alimenti in seguito all’ingestione di cibi o acque contaminate dagli stessi. La presenza di batteri appartenenti a questo genere nelle acque potabili è rara, grazie ai trattamenti di clorazione cui vengono sottoposte le acque provenienti da acquedotto comunale; in base al Decreto 31/2001 e s.m.i. i vibrioni devono essere assenti in un’acqua potabile (nella normativa si parla di enterobatteri patogeni, tra cui rientrano tali microrganismi). Gli alimenti spesso contaminati da vibrioni sono i prodotti del mare, come molluschi e pesce. Per varie specie di vibrioni tuttavia è sconosciuta la dose minima infettante, o comunque è dubbia e variabile la quantità di cellule necessaria a causare la patologia.

Vedremo di seguito dettagli di alcune specie facenti parte del genere Vibrio, ed alcuni cenni sulla patogenesi di tali batteri.

Vibrio cholerare causa una patologia interessata da diarrea acquosa, crampi addominali, febbre e nausea, che si manifesta dopo l’ingestione di alimenti o acqua contaminata in 12-72 ore; si parla di trasmissione feco-orale poiché i batteri sono espulsi con le feci e possono raggiungere e contaminare le matrici alimentari (ad esempio in seguito a cattiva igiene del personale oppure per irrigazione di ortaggi con acqua contaminata). L’enterotossina colerica, prodotta dai ceppi tossinogeni di Vibrio cholerae, agisce penetrando nelle cellule della mucosa, dove attiva l’enzima adenil-ciclasi presente nella membrana cellulare che catalizza una reazione che favorisce la trasformazione dell’ATP cellulare in AMP-ciclico. L’aumentata concentrazione di questa sostanza determina una notevole ipersecrezione di acqua e di elettroliti. Solitamente la dose infettante è alta, circa 108 cellule/g, tuttavia in soggetti con ipocloridria o con problemi gastrici si abbassa a 103-105 cellule/g.

Vibrio alginolyticus, la cui patogenicità nei confronti dell’uomo è stata dimostrata solo raramente, pare essere responsabile di patologie da ferite o otiti trasmesse dall’acqua di mare. È ritenuto un patogeno opportunista soprattutto per gli animali acquatici e alcuni studi lo riportano come responsabile di vibriosi nei gamberetti.

Vibrio vulnificus è un microrganismo alofilo, un tempo confuso con Vibrio parahaemolyticus, caratterizzato da diffusione ubiquitaria e presente nell’ ambiente marino. Come si evince dal nome, il termine vulnificus deriva dal latino vulnus che significa ferita: questo microrganismo è infatti responsabile di infezioni localizzate come vasculiti, a seguito di contaminazioni di ferite aperte con acqua contaminata. Può anche essere causa di sepsi soprattutto in soggetti immunodepressi che hanno consumato molluschi crudi e nei quali Vibrio vulnificus è in grado di superare la mucosa intestinale. Tale microrganismo è molto diffuso negli Stati Uniti, come causa tossinfezioni alimentari.

Vibrio parahaemolyticus causa patologie con un tempo di incubazione compreso tra 4-92 ore, interessate da diarrea acquosa, talora sanguinolenta, nausea e vomito.

La patogenicità di Vibrio parahaemolyticus sembra essere legata alla presenza di due tossine: TDH, termostabile emolisina diretta e TRH, emolisina termostabile-correlati. Il meccanismo patogenetico attraverso il quale V. parahaemolyticus causa la malattia rimane poco chiaro. Tuttavia , è noto che la TDH è una tossina che provoca la lisi dei globuli rossi e può attaccare le cellule intestinali, a discapito dell’equilibrio elettrolitico. Il meccanismo di azione  della tossina TRH è simile a quello della TDH, interrompe il flusso elettrolitico nelle cellule intestinali.

Vibrio parahaemolyticus in tcbs agar

Vibrio parahaemolyticus in tcbs agar

YERSINIA ENTEROCOLITICA: Il principale serbatoio di Y. enterocolitica è rappresentato dai suini, in cui è possibile isolare il batterio a livello delle tonsille, nell’intestino e nelle feci; inoltre è presente nell’ambiente dove è in grado di sopravvivere per lungo tempo. Il consumo di carni crude o poco cotte, soprattutto di suino, e, più raramente, di vegetali e latte crudo contaminati da materiale fecale infetto, rappresenta la principale via di trasmissione; a volte l’infezione può essere acquisita attraverso il contatto diretto con animali infetti o tra uomo e uomo. La fonte principale di contaminazione per le carni è rappresentata dal processo di macellazione che, se non condotto correttamente, può portare alla contaminazione delle carcasse. Yersinia spp. cresce bene a temperature di refrigerazione (+4°C) e quindi gli alimenti contaminati pronti al consumo, conservati in frigorifero, possono rappresentare un’ulteriore fonte di infezione. La yersiniosi può presentare diversi quadri clinici, quali diarrea, a volte con sangue accompagnata da febbre e dolori addominali che coinvolgono frequentemente il lato destro e che  possono essere confusi con episodi di appendicite; possono inoltre verificarsi complicazioni post-infettive quali eritema, dolori articolari e/o batteriemia, legate soprattutto all’età dell’ospite e allo stato immunitario. I sintomi compaiono nell’arco di 4-7 giorni dall’infezione e generalmente si risolvono nell’arco di 1-3 settimane. Yersinia enterocolitica presenta vari fattori di virulenza, che permettono ai batteri di eludere al sistema immunitario e quindi di invadere la mucosa intestinale; inoltre tale microrganismo è in grado di produrre una enterotossina, che facilità l’invasione e il danneggiamento dei tessuti intestinali.

3.0 ANTIBIOTICO RESISTENZA DI VIBRIO SPP.

 La resistenza agli antibiotici dei batteri risulta essere in aumento, per alcune specie batteriche in particolare ma in generale per tutti i microrganismi.

Per quanto riguarda Vibrio spp. in letteratura si trovano vari articoli in cui si esplicano i meccanismi di antibiotico resistenza e le classi di chemioterapici cui le varie specie appartenenti a tale genere sono resistenti. E’ stata riscontrata resistenza verso streptomicina, polimixina B e ampicillina; sono stati riscontrati anche ceppi multiresistenti ovvero resistenti a più antibiotici contemporaneamente.

Yersinia enterocolitica risulta resistente a crolamfenicolo, trimetropina, ampicillina, streptomicina, eritromicina e tetraciclina.

4.0 BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA

  1. Beuchat, Larry R. Food Microbiology : Fundamentals and Frontiers. Ed. Michael P. Doyle and Thomas J. Montville. Grand Rapids: Blackwell Limited, 2001.
  2. Bhunia, Arun K. Foodborne Microbial Pathogens : Mechanisms and Pathogenesis. New York: Springer, 2007.
  3. Feifei Han, Robert D. Walker, Marlene E. Janes, Witoon Prinyawiwatkul, Beilei Ge.  Antimicrobial Susceptibilities of Vibrio parahaemolyticus and Vibrio vulnificus Isolates from Louisiana Gulf and Retail Raw Oysters.
  4. Giorgio Gilli. Professione igienista. Manuale dell’igiene ambientale e territoriale, Casa editrice ambrosiana, 2010. Lo Nostro Antonella, malattie trasmesse da alimenti pp 336-375.
  5. https://www.rki.de/SharedDocs/Bilder/InfAZ/Vibrio_cholerae/EM_Tab_Vibrio_cholerae.html
  6. http://visualsunlimited.photoshelter.com/image/I0000r3XdVpy9cxw
  7. http://web.mst.edu/~microbio/BIO221_2009/Y_enterocolitica.html
  8. http://www.orsacampania.it/vibrio-parahaemolyticus/
  9. http://www.izsalimento.izsto.it/palimenti/index.php/sicurezzaalimenti/pericolibiologici/85-sicurezza-alimenti/pericoli-biologici/134-yersinia-enterocolitica
  10. http://www.foodsafety.gov/poisoning/causes/bacteriaviruses/vibrio_infections/
  11. K Ruckdeschel, A Roggenkamp, V Lafont, P Mangeat, J Heesemann, B Rouot. Interaction of Yersinia enterocolitica with macrophages leads to macrophage cell death through apoptosis. Infection and Immunity, Volume 65, Number 11 (November 1997), pp. 4813-21, <http://ejournals.ebsco.com/direct.asp?ArticleID=44E8BB51C9500978C489&gt;
  12. Li Yu, Yanyan Zhou, Ruibai Wang, Jing Lou, Lijuan Zhang, Jie Li, Zhenqiang Bi, Biao Kan. Multiple antibiotic resistance of Vibrio cholerae serogroup O139 in China from 1993 to 2009.
  13. Nicholas A. Daniels, MD, MPH, Alireza Shafaie, MD; University of California, San Francisco, School of Medicine. A Review of Pathogenic Vibrio Infections for Clinicians.
  14. Pepe, J. C., M. R. Wachtel, E. Wagar, and V. L. Miller. “Pathogenesis of defined invasion mutants of Yersinia enterocolitica in a BALB/c mouse model of infection.” Infection and Immunity 63 (1995): 4557-563.
  15. Terentjeva M., Berzins A. Prevalence and antimicrobial resistance of Yersinia enterocolitica and Yersinia pseudotuberculosis in slaughter pigs in Latvia.
Pubblicato in Microbiologia, News Associazione | Contrassegnato , , , , , , , , , , , , , | Lascia un commento

Corso microbiologia alimentare: muffe e lieviti

 

1.0 GENERALITA’

Muffe e lieviti sono organismi viventi che appartengono al regno dei funghi, e le cellule che li compongono sono cellule eucariote, e non procariote come le cellule batteriche.

I lieviti sono organismi unicellulari non filamentosi con diametro di circa 3-5 μm, e presentano una spessa parete cellulare formata da glucano (60%), mannano (25%), proteine/lipidi (10%) e chitina (5%); aerobi obbligati o anaerobi facoltativi si riproducono per gemmazione. Da una cellula si forma una piccola protuberanza, gemma, che man mano si ingrandisce; avvenuta la divisione del nucleo nella cellula madre, uno dei nuovi nuclei passa nella gemma, in cui si è riversato anche parte del citoplasma con tutti i suoi costituenti. Infine la cellula figlia si separa e può a sua volta gemmare. La stessa cellula madre può produrre più cellule figlie attraverso la gemmazione. Talvolta le cellule dei lieviti e la loro progenie aderiscono le une alle altre formando catene o “pseudoife”; in questo caso assumono forme pseudomiceliali.

fig. 1 saccharomycodes ludwigii, lievito isolato dal vino.

fig. 1 saccharomycodes ludwigii, lievito isolato dal vino.

Le muffe invece, sono organismi pluricellulari costituiti da filamenti definite ife; presentano una spessa parete cellulare formata da chitina (75%), e proteine/lipidi (25%). Aerobi obbligati si riproducono per sporificazione. Il principale elemento della crescita di una muffa è l’ifa, una struttura tubulare ramificata con diametro che varia da 2 a 10 μm, molto più grande cioè di quello di una cellula batterica. Con lo svilupparsi di una colonia le sue ife formano una massa di filamenti intrecciati definita micelio.

fig. 2 spore di muffa al microscopio

fig. 2 spore di muffa al microscopio

Il micelio immerso negli alimenti o nelle superfici è deputato all’assorbimento di sostanze nutritive, il micelio aereo (visibile) invece presenta le cellule riproduttive o spore, e per questo è anche detto micelio riproduttivo.

La riproduzione per sporificazione e gemmazione è definita riproduzione asessuta; tuttavia sia le muffe che i lieviti possono moltiplicarsi anche attraverso la riproduzione sessuata.

2.0 MUFFE, LIEVITI E TOSSINFEZIONI ALIMENTARI

Muffe e lieviti raggruppano un insieme di specie diverse tra di loro, alcune delle quali patogene per l’uomo, altre no. Basti pensare al lievito Saccaromyces cerevisiae utilizzato nei processi di panificazione oppure alle muffe del gorgonzola, importanti per conferire al formaggio un gusto particolare. I lieviti si sviluppano in presenza di zuccheri e sono importanti nel settore alimentare perché fermentano i carboidrati producendo alcool e anidride carbonica. Vengono perciò utilizzati nella produzione del vino e della birra e per far lievitare il pane: infatti, l’anidride carbonica prodotta è un gas e fa gonfiare la pasta del pane, della pizza e di tutti gli altri alimenti lievitati (brioches ecc…).

Per quanto riguarda le muffe, alcune specie presenti sulla pelle dei salami svolgono un ruolo fondamentale nella maturazione e nell’affinamento degli insaccati intervenendo in diversi processi, come la regolazione del grado di umidità, la disacidificazione e la proteolisi , e influenzano notevolmente la formazione del gusto del prodotto. Però non tutte le muffe provocano alterazioni gradevoli dei cibi; ad esempio muffe del genere Penicillium si ritrovano spesso sugli agrumi (arance, limoni) dove formano una patina blu-verdastra, mentre nei cereali e nelle farine si può ritrovare l’Aspergillus. Le specie appartenenti al genere Thamnidium si rinvengono frequentemente sulle carni refrigerate dove determinano fenomeni di ammuffimento.

Le muffe patogene che contaminano i cibi possono causare tossinfezioni alimentari, con conseguenti sintomi quali vomito e diarrea; ad esempio la muffa Mucor circinelloides isolata da yogurt può causare patologie gastrointestinali.

fig 3 muffe isolaate da un campione di semola di grano su terreno di coltura dichloran glycerol agar base

fig 3 muffe isolate da un campione di semola di grano su terreno di coltura dichloran glycerol agar base

fig 4 muffe e lieviti su terreno di coltura rose bengal agar base

fig 4 muffe e lieviti su terreno di coltura rose bengal agar base

2.1 Micotossine

Le specie di muffe in grado di produrre micotossine appartengono nella maggior parte dei casi a tre generi molto diffusi, ovvero Aspergillus, Penicillium e Fusarium, mentre altri generi hanno minore importanza (Claviceps, Alternaria, Cladosporium e Rhizopus).

Le muffe in grado di produrre micotossine si sviluppano con formazioni pulverulente bianche, verdastre o nere sugli alimenti, in particolare sulle derrate alimentari come cereali e frutta secca, e sugli alimenti per il bestiame, quali foraggi, insilati, farine di estrazione.

Le micotossicosi, ovvero le sindromi tossiche derivanti dall’esposizione alle micotossine, sono note già da molto tempo, ma la prima forma di micotossicosi fu ufficialmente riconosciuta solo nel 1800, causata dall’ingestione di grano contaminato da Claviceps purpurea.

Le muffe possono vivere in molti tipi di ambienti, adattandosi bene ad un ampio intervallo di temperature (prediligono quelle elevate, senza però disdegnare quelle più basse) e in presenza di un tenore di umidità elevata.

Lo sviluppo di muffe e la produzione di micotossine è possibile nella produzione primaria, ovvero durante la coltivazione delle piante nei terreni, ma può avvenire anche durante le fasi che seguono e che caratterizzano la produzione secondaria, ovvero manipolazione, trasformazione e conservazione dei prodotti alimentari.

Le micotossine presentano strutture chimiche diverse in quanto prodotte da specie diverse o da ceppi diversi della stessa specie fungina, ma si possono tuttavia riunire in gruppi di prodotti simili, ovvero:

  • aflatossine, prodotte soprattutto dall’Aspergillus;
  • fumosinine, zearalenone e tricoteceni, prodotti dal Fusarium;
  • ocratossina e patulina, prodotte dal Penicillium e Aspergillus.

 Vediamo nel dettaglio le varie tipologie di micotossine.

AFLATOSSINE: prodotte da funghi appartenenti alla classe degli Ascomiceti, genere Aspergillus, ed in particolare A. flavus e A. parasiticus. Le aflatossine sono derivati difuranocumarinici, a basso peso molecolare, alto punto di fusione ed elevata. Fra le 18 aflatossine finora isolate 5 sono considerate rilevanti sia per diffusione che per tossicità e sono l’aflatossina B1, l’aflatossina B2, l’aflatossina G1, l’aflatossina G2 e l’aflatossina M1.

I fattori che influiscono sulla produzione di aflatossine possono suddividersi in fisici, nutrizionali e biologici. I fattori fisici includono temperatura, umidità relativa, luce, grado di aerazione e pH. In generale la temperatura ottimale è compresa nell’intervallo 25-28°C. Un clima caratterizzato da temperatura elevata seguita da brusco calo (giornate calde e notti fredde, temporali) favorisce la produzione di aflatossine. La produzione di aflatossine risulta particolarmente abbondante in stagioni con temperature superiori alla media e piovosità inferiore alla media; gli insetti sono da considerare tra i maggiori responsabili della contaminazione sia per la veicolazione delle spore fungine, sia per il danneggiamento alla pianta. Anche l’umidità relativa del substrato e l’umidità relativa ambientale sono fattori critici per la produzione di aflatossine, che aumenta quando la disponibilità di acqua varia in più o in meno (stress idrico) e si porta a livelli non più ottimali per lo sviluppo delle muffe.

Le quantità maggiori di aflatossine sono prodotte a pH acidi. Valori di pH<6 favoriscono B1 e B2, valori di pH>6 favoriscono G1 e G2. Valori massimi di aflatossine si ottengono in un intervallo di pH tamponato tra 5 e 6.

Quanto al substrato su cui crescono le muffe, questo condiziona la produzione di micotossine. A. flavus è aflatossinogeno su arachidi, pistacchi, spezie, frumento, mais, orzo, crusca, semi di soia, semi di cotone, piselli, sorgo e miglio. Non ne produce affatto su riso, ed infatti il riso fermentato da questo micete viene utilizzato per la produzione della bevanda sakè e per la produzione industriale dell’enzima diastasi. In generale, la produzione di aflatossine è più abbondante su substrati ricchi di carboidrati, infatti, le fonti preferite di carbonio per la biosintesi di aflatossine sono glucosio, saccarosio e fruttosio.

fig 5 mais contaminato da spergillus spp.

fig 5 mais contaminato da spergillus spp.

FUMOSININE, ZEARALENONE E TRICOTECENI: prodotte da diverse specie di Fusarium e in particolare da F.graminearum, F. gulmorum e F. equiseti.

Le fumonisine sono un gruppo di sostanze strutturalmente correlate prodotte principalmente dalla specie Fusarium moniliforme e F. proliferatum, sebbene anche altre specie ne siano potenzialmente produttrici. Le fumonisine sono diesteri dell’acido tricarballilico e polialcoli, caratterizzati da una struttura molto simile a quella della sfingosina. Anche le fumonisine, come la gran parte delle altre micotossine, sono dotate di una certa termostabilità. La potente azione inibente delle fumonisine sulla sintesi degli sfingolipidi sembra essere alla base degli effetti tossici provocati da queste sostanze e della loro attività.

Gli zearalenoni sono prodotti da diverse specie di Fusarium e in particolare da F. graminearum, F. gulmorum e F. equiseti. Lo zearalenone è un lattone dell’acido resorcilico, che si ritrova spesso nei cereali, ed in particolare nel mais, frumento, sorgo, orzo e nell’avena.

OCRATOSSINE E PATULINA: le ocratossine sono un gruppo di metaboliti strutturalmente simili, prodotti da funghi del genere Aspergillus e Penicillium, in particolare da A. ochraceus e da P. viridicatum. Quelle attualmente conosciute sono l’ocratossina A (OA) e la B (OB) e delle due quella più tossica è la OA.

Dal punto di vista chimico l’OA è costituita da un derivato cumarinico legato alla fenilalanina, mentre l’OB consiste nell’analogo privo di un atomo di cloro.

La biotrasformazione dell’OA è dipendente dal citocromo P450 sia nell’uomo sia negli animali e porta alla formazione di intermedi metabolicamente attivi probabilmente responsabili dell’azione cancerogena e di altri effetti tossici. Il suo assorbimento avviene nel tratto gastrointestinale e, attraverso la circolazione enteroepatica, può essere escreta e riassorbita.

Il principale organo bersaglio dell’OA è il rene, ma per dosi sufficientemente elevate si ha tossicità anche a livello epatico con infiltrazione grassa e accumulo di glicogeno negli epatociti (per blocco del sistema enzimatico delle fosforilasi).

Tra i prodotti che con più frequenza vengono trovati contaminati vi sono l’orzo, il sorgo, il mais, il caffè crudo in grani (la tostatura denatura le ocratossine) e vari prodotti da forno; ma più preoccupante è la presenza di OA nei mangimi animali.

3.0 BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA 

  1. Bernard D. Davis, Renato Dulbecco, Herman N. Eisen . Microbiologia.
  2. Formaggi Italiani – Storie e tecniche di preparazione, Mario Vizzardi – Piero Maffeis Muffe e Alimenti, Ivan Dragoni – Carlo Cantoni.
  3. Giorgio Gilli. Professione igienista. Manuale dell’igiene ambientale e territoriale, Casa editrice ambrosiana, 2010. Lo Nostro Antonella, malattie trasmesse da alimenti.
  4. http://www.funsci.com/fun3_it/guida/guida3/micro3.htm
  5. http://www.millevigne.it/index.php/il-periodico/81-n-2-2013/enologia/205-il-controllo-microbiologico-in-vinificazione
  6. http://www.textbookofbacteriology.net/
  7. http://www.terraevita.it/aflatossine-mais-controllo-biologico/
  8. Istituto Zooprofilattico Sperimentale della Lombardia e dell’Emilia Romagna “B. Ubertini” Dr. Roberto Piro Dr. Alberto Biancardi: micotossine.
  9. Introduzione alla microbiologia, Eudes Lanciotti.
  10. Soo Chan Lee, R. Blake Billmyre, Alicia Li, Sandra Carsonb, Sean M. Sykesc, Eun Young Huhd, Piotr Mieczkowski, Dennis C. Ko, Christina A. Cuomo, Joseph Heitman.  Analysis of a Food-Borne Fungal Pathogen Outbreak: Virulence and Genome of a Mucor circinelloides Isolate from Yogurt. american society for microbiology.
  11. Rapporti ISTISAN 05/42 2005¸ Le micotossine nella filiera agro-alimentare. Istituto Superiore di Sanità, Roma, 29-30 novembre 2004. Atti a cura di Marina Miraglia e Carlo Brera.
Pubblicato in Microbiologia, News Associazione | Contrassegnato , , , , , , , , , , , , , , , | Lascia un commento

Analisi del 2015

I folletti delle statistiche di WordPress.com hanno preparato un rapporto annuale 2015 per questo blog.

Ecco un estratto:

La sala concerti del teatro dell’opera di Sydney contiene 2.700 spettatori. Questo blog è stato visitato circa 23.000 volte in 2015. Se fosse un concerto al teatro dell’opera di Sydney, servirebbero circa 9 spettacoli con tutto esaurito per permettere a così tante persone di vederlo.

Clicca qui per vedere il rapporto completo.

Pubblicato in News Associazione | Contrassegnato , , | Lascia un commento

Volontariato presso il Ce.T.R.A.S. 2015

Cari lettori,

con piacere vi diamo notizia che, anche per l’anno 2015, la collaborazione tra la nostra associazione e il Centro Toscano Recupero Avifauna Selvatica si è svolta in maniera ottimale. Grazie all’aiuto di tutti i volontari del Ce.T.R.A.S. e di alcuni dello Scoiattolo Rampante è stato infatti possibile curare e rimettere in libertà numerosi esemplari di volatili, tra i quali ricordiamo varie civette, più individui di gheppi, allocchi, un gabbiano reale…

Inoltre, lo Scoiattolo, grazie all’ospitalità del Ce.T.R.A.S., ha potuto collocare presso la loro struttura la propria sede operativa. Pertanto la collaborazione tra le due associazioni si protrarrà anche nell’anno 2016!

Pubblicato in Etologia, News Associazione, Zoologia | Contrassegnato , , , , , , , , | Lascia un commento

Fisica non lineare: storia del ponte sul Tacoma Narrows

A voler essere sinceri con voi che leggete dovrei dire che questo studio riguarda alcuni aspetti della fisica non lineare. Ma queste due parole, “fisica” e “non lineare”, rischierebbero di mettere in fuga molti lettori. Dirò allora che questo studio riguarda un ponte che oscilla in maniera incredibile. E che non dovrebbe. Una storia realmente successa. E filmata. Ma ancora fino a qualche anno fa non esattamente compresa. Questo articolo si basa su un esercizio di analisi numerica presentato in [3], estratto dagli articoli scientifici di McKenna e Tuama [1] e [2]. Il codice è stato però interamente riscritto da zero, con l’intenzione di veicolare un messaggio tanto semplice quanto spesso non troppo comune (almeno in Italia): ossia, che i computer rendono “direttamente visibili” le equazioni, ossia la fisica.

Ci sono alcuni punti che vorrei che portaste con voi dopo la lettura di questo articolo (take-home points):

1) La Natura è complessa. Anche se tavolta sarebbe piu’ semplice non lo fosse.
2) La Natura è complessa e talvolta lo stupore si annida in questa sua complessità.
3) Se vedete un ponte sospeso in una giornata di vento, ricordatevi di questo articolo.
4) Se vedete un ponte oscillare come fosse di gomma, non attraversatelo.
5) La fisica può essere visualizzata. Quasi sempre.

Iniziamo il nostro viaggio.

Il 7 novembre 1940 un forte vento laterale di 64 km/h induce inizialmente movimenti verticali nel ponte di Tacoma. Questo genere di oscillazioni erano gia’ state osservate anche in precedenza: si era quindi provveduto a dotare il ponte di alcuni accorgimenti per smorzare le vibrazioni. Che tuttavia (come ben evidente nel video!) risultarono inutili. Quel giorno però accade qualcosa di ancor più anomalo: il ponte comincia a mostrare moti torsionali, per i quali risulta totalmente vulnerabile: alle ore 11.00 locali il Tacoma Narrows Bridge collassa nel canale che collega le città di Tacoma e Gig Harbor.

La commissione di inchiesta che studiò le cause del collasso non giunse ad una spiegazione esaustiva: si individuò nell’instaurarsi di vortici aerodinamici (“Vortici di Von-Karman”) una delle cause principali del collasso. Ma questi vortici, che sono responsabili di un moto verticale sull’intera campata del ponte ad andamento sinusoidale nel tempo, da soli non riescono a spiegare il collasso, poiché le frequenze indotte dal vento non sono simili a quelle di risonanza della struttura o di sue parti portanti. Viene cioè a mancare la condizione base per mettere in risonanza il ponte con la sollecitazione esterna del vento. Resta poi il mistero di come una sollecitazione in direzione verticale possa aver indotto moti torsionali così evidenti e pronunciati.

McKenna e Tuama nel 1999 [1] hanno proposto una teoria interessante che potrebbe completare il puzzle finora irrisolto. Cosa succederebbe se i cavi di sostegno della sede stradale fossero modellizzati da molle non-lineari al posto di comuni molle lineari? Potrebbe una forza puramente verticale (i vortici generati dal vento) generare dei moti torsionali? O, come logica vorrebbe, solo movimenti verticali? (Dopo tutto la forza è solo verticale…). Quali condizioni iniziali sono richieste perché ciò avvenga?

Tutti noi conosciamo le molle. Dai nostri materassi fino al bungee-jumping, il mondo che ci circonda è descritto da oggetti fisici che oppongono una forza di richiamo se allungati, e da una forza di espansione se compressi: tutti questi oggetti, siano essi cavi, funi, elastici possono essere descritti fisicamente col modello della “molla”. Chiamiamo “molla lineare” un qualunque oggetto che esprima una forza fisica contraria al suo allungamento/compressione secondo la legge:

1

Cosa significa questo? Che ad esempio un allungamento doppio produrrà una forza di richiamo doppia. Nel piano “Forza vs. Allungamento” questa relazione è descritta da una retta. Per quanto molti modelli fisici ed ingegneristici approssimino il comportamento di un oggetto elastico con la “molla lineare”, purtroppo non sempre questo è lecito, come vedremo nel caso del ponte sul Tacoma Narrows.

Cosa succederebbe infatti se ipotizzassimo che le funi che sostenevano la sede stradale avessero un comportamento leggermente non-lineare? Ossia se esercitassero una forza di richiamo diversa da quella di espansione a parità di allungamento (o accorciamento)? Supponiamo che le funi del ponte seguissero una legge non-lineare, con una non-linearità espressa in funzione di un parametro “a” (una costante).

2_new

La figura seguente, che rappresenta la forza che esercita una molla in funzione di quanto viene allungata o accorciata, chiarisce il succo della questione più delle formule. Nel caso non lineare la forza esercitata dalla molla, rappresentata in rosso, non segue perfettamente la retta passante per l’origine (molla lineare, rappresentata in blu), ma si discosta da essa: non di molto, ma di quel tanto che basta per poter dire che la molla non-lineare eserciterà una forza maggiore se allungata rispetto a quando sarà compressa.

3_new

E’ interessante notare come per buona parte del grafico le due curve siano molto ben sovrapponibili. Quindi sarebbe lecito approssimare la non-linearità con la linearità… O forse no? Il modo più semplice, ma anche meno matematico, di risolvere la faccenda è di testare il modello.

Approssimeremo la forza esercitata dal vento con una sinusoide:

4_new2

la cui ampiezza è scelta appositamente per innescare i moti torsionali. Non tutti i valori di A infatti sono sufficienti ad amplificare i moti torsionali: questo rappresenta un elemento critico in ogni sistema non-lineare, in quanto solitamente alcuni fenomeni possono apparire solo con determinate condizioni iniziali. Il che rende l’analisi dei sistemi ancor più delicata. Infatti questo comporta che in fase di progettazione si debba aver cura di indagare quali valori plausibili possano verificarsi nei parametri di un problema, con l’incognita però che anche un piccolo errore o una negligenza in questo studio possa poi comportare problemi grossi nel mondo reale, qualora si verifichino condizioni non ben investigate in fase di progettazione.

5_new

Nel momento più critico il vento faceva oscillare verticalmente il ponte una volta ogni due secondi (ω≈3)(NOTA 1).Il nostro modello, supersemplificato, descriverà il moto di una barra rigida (ossia la sede stradale di larghezza 12 metri) sotto l’azione del vento, nel caso in cui sia sostenuta da cavi lineari e non-lineari. A riposo la sede stradale si troverà ad una altezza tale per cui la forza esercitata dalle molle sulla barra bilancia esattamente il peso della barra stessa: chiameremo y lo scostamento della sede stradale da questa posizione di equilibrio. I due set di equazioni differenziali che descrivono il moto della strada nel caso lineare e non-lineare sono rispettivamente:

6_new

Il video allegato (Link) mostra la risoluzione di questo sistema di equazioni, con maggiore attenzione al caso non-lineare. Le condizioni iniziali sono riportate nella tabella 1 e sono quelle suggerite in [3]. Si noti come attorno ai 200 secondi il moto del caso non-lineare cominci ad essere totalmente differente rispetto a quello lineare (mostrato nella figura in piccolo).

7_new

In particolare è interessante ricordare cosa successe quel giorno, dalle parole del professor F.B. Farquharson, testimone dell’evento: “…fu notato un violento cambio nel moto. Questo cambiamento sembrò accadere senza nessun preavviso e con una così estrema violenza che la sede stradale apparve capovolgersi completamente”. Nel video questa transizione sembra avvenire in effetti abbastanza bruscamente e inaspettata.

Affinché possa avvenire questa transizione alcune specifiche condizioni iniziali sul sistema devono essere richieste. Ad esempio un piccolo angolo iniziale deve essere presente. Questo significa che un ponte perfettamente rigido, che non oscilli lateralmente (angolo perfettamente uguale a zero), non darebbe il via a moti torsionali. Questo aspetto merita qualche parola in più, in quanto legato col punto (2) della premessa all’articolo. Chi di voi abbia mai visto Jurassic Park (il primo, quello vero!) avrà sicuramente sentito parlare dell’effetto farfalla, secondo il quale un battito di ali a Pechino produrrebbe un uragano a Miami. Che non è altro che non una stupenda immagine per introdurre il concetto di caos. Uno degli aspetti che contraddistingue un sistema caotico è la forte dipendenza dalle condizioni iniziali. Una piccola variazione nelle condizioni iniziali porterà due sistemi identici ad avere comportamenti molto diversi dopo un certo lasso di tempo. Ciò che spesso sfugge è che la ragione matematica, e fisica, di tutto questo si annida nel fatto che le equazioni che descrivono un sistema sono non-lineari! Il fatto che ci sia una non-linearità (proprio come nelle nostre strane molle del ponte) può portare ad una forte dipendenza dalle condizioni iniziali.

Cosa implica questo? Che anche un piccolissimo angolo iniziale nella campata del ponte (centesimi di radiante, del tutto possibili in condizioni di vento) può fare una differenza abissale alla lunga. Da notare infatti come pure il caso lineare, nel video, abbia le stesse condizioni iniziali.

Per chiudere è bene ricordare i take-home points:

1) La Natura è complessa. Anche se tavolta sarebbe piu’ semplice non lo fosse.
2) La Natura è complessa e talvolta lo stupore si annida in questa sua complessità.
3) Se vedete un ponte sospeso in una giornata di vento, ricordatevi di questo articolo.
4) Se vedete un ponte oscillare come fosse di gomma, non attraversatelo.
5) La fisica può essere visualizzata. Quasi sempre.

Con l’aggiunta di un sesto punto:

6) Battiti di ala e uragani non sono poi così distanti concettualmente da ponti che crollano.

Nota 1: NOTA1

Scarica questo articolo in pdf: SR – Fisica non lineare storia del ponte sul Tacoma Narrows

Bibliografia:
[1] McKenna, P.J., “Torsional oscillations in suspension bridges revisited: fixing an old approximation,” Amer. Math. Monthly, 106, 1-18 (1999).
[2] McKenna, P.J. and O Tuama, C., “Large torsional oscillations in suspension bridges visited again: vertical forcing creates torsional response,” Amer. Math. Monthly, 108, 738-745 (2001).
[3] http://www.sml.ee.upatras.gr/uploadedfiles/00-!ode-ch6-nice!.pdf

Pubblicato in Fisica | Contrassegnato , , , , , , , , , , , , | Lascia un commento