Η χρήση αναφορών από την Ιστορία της Επιστήμης στα σχολικά εγχειρίδια γίνεται μέσα από μια ιδιότυπη ερμηνεία των ιστορικών πηγών από τους συγγραφείς τους, εντός των διαφορετικών κοινωνικών και πολιτισμικών πλαισίων κάθε εποχής, η οποία στοχεύει στην εξυπηρέτηση διδακτικών αναγκών και για το λόγο αυτό την ονομάζουμε διδακτική ανακατασκευή της Ιστορίας της Επιστήμης. Μία σημαντική περίπτωση διδακτικής ανακατασκευής που μελετάμε είναι η καθιέρωση της ονομασίας Θεώρημα του Θαλή στην ευρωπαϊκή και ειδικότερα στη νεοελληνική εκπαίδευση, της οποίας κύριο χαρακτηριστικό είναι ότι αντιστοιχεί σε διαφορετικά θεωρήματα στα εγχειρίδια διαφόρων ευρωπαϊκών χωρών. / Textbook writers uses their own interpetation for the references from the History of Science, through different social and cultural conditions of every era, an interpetation which serves purposes and objectives of the teaching of Science and for this reason we call it didactical reconstrution of the History of Science. An important case of didactical reconstruction which is the main theme our study is the establishment of the name Theorem of Thales in European and especially in Modern Greek education, a name that have as main feature that corresponds to differen ttheorems in the textbooks of different European countries.

Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής αναπτύχθηκε ένα σύνολο συναρτήσεων και κλάσεων το οποίο αποσκοπεί στην διευκόλυνση της συγγραφής προγραμμάτων τρισδιάστατων γραφικών. Σκοπός είναι η δημιουργία ενός API το οποίο να μην απαιτεί από τον χρήστη – προγραμματιστή βαθειά γνώση των τρισδιάστατων γραφικών αλλά μόνο ορισμένες θεμελιώδεις έννοιες και μια επιφανειακή γνώση του OpenGL προκειμένου να στήσει και να σχεδιάσει μια τρισδιάστατη σκηνή γρήγορα και εύκολα. Παράλληλα μπορεί να φανεί χρήσιμο εργαλείο και στον έμπειρο προγραμματιστή ο οποίος χρειάζεται ένα περιβάλλον που να τον απαλλάσσει από τετριμμένες και επαναλαμβανόμενες διαδικασίες που αποτελούν τροχοπέδη στην μελέτη και ανάπτυξη νέων αλγορίθμων και τεχνικών. Όλα αυτά έχουν γίνει με κύριο γνώμονα την αποδοτική σχεδίαση και την απόρριψη μη ορατής γεωμετρίας έτσι ώστε να είναι δυνατή η σχεδίαση πολυπλοκότερων σκηνών. / -

Στην παρούσα εργασία γίνεται μια προσπάθεια να ανιχνευθούν οι πρακτικές των μαθητών στον υπολογισμό του εμβαδού κανονικών και μη σχημάτων, μέσα από τη χρήση ενός κατάλληλου υπολογιστικού περιβάλλοντος. Αυτό το συγκεκριμένο λογισμικό αναπτύχθηκε στη γλώσσα προγραμματισμού ActionScript 3.0, με την οποία κατασκευάστηκε μια εφαρμογή, η οποία βασίζεται στη πλατφόρμα Adobe Flash Player για να τρέξει στον ηλεκτρονικό υπολογιστή του εργαστηρίου της σχολικής μονάδας. Τα έργα τα οποία ανέλαβαν οι μαθητές να διεκπεραιώσουν μέσω του λογισμικού, περιλαμβάνουν εννοιολογικά χαρακτηριστικά του εμβαδού διαφόρων σχημάτων και προσφέρουν στους μαθητές μια γραφική αναπαράσταση, με άμεση απεικόνιση και επαλήθευση των συλλογισμών και εκτιμήσεων τους. / In this paper an attempt is made to detect the practice of students in the calculation of the surface normal, abnormal shapes, through the use of a suitable computing environment. This particular software was developed in the programming language ActionScript 3.0, which built an app , which is based on platform Adobe Flash Player to run in the computer laboratory of the school unit. The projects undertaken by students to carry through the software, include conceptual features of the area of various shapes and provide students with a graphical representation, with direct visualization and verification considerations and estimations.

Η διδασκαλία των μαθηματικών και ιδιαίτερα της γεωμετρίας στο γυμνάσιο παρουσιάζει αρκετές δυσκολίες. Η ανωριμότητα της σκέψης των παιδιών, η προκατάληψη για το μάθημα των μαθηματικών, η αφηρημένη φύση του μαθήματος καθώς και άλλοι κοινωνικοί παράγοντες συντελούν στο να δημιουργηθεί αρνητική στάση απέναντι στα μαθηματικά. Το μέρος της γεωμετρίας, σε σύγκριση με αυτό της άλγεβρας, είναι περισσότερο παραγκωνισμένο και παρατηρείται πως η πλειοψηφία των μαθητών βρίσκει δυσκολότερη τη γεωμετρία, παρόλο που δεν έχει ασχοληθεί με αυτή. Σε πείραμα που εκτελέσαμε σε τάξη Β’ Γυμνασίου σε σχέση με σύγκριση εμβαδών γεωμετρικών σχημάτων, στο πλαίσιο του μαθήματος “Διδακτική & Επιστημολογία της Γεωμετρίας”, φάνηκε πως μερικοί μαθητές έχουν λανθασμένη εντύπωση περί των ικανοτήτων τους στη γεωμετρία. Συνήθως υποτιμούν τις δυνατότητές τους, ενώ η πραγματικότητα δείχνει αντίθετα αποτελέσματα. Το πείραμα αυτό σχετιζόταν με εμβαδά και σχέσεις μεταξύ γεωμετρικών σχημάτων. Παρατηρήθηκε όμως πως κάποιοι μαθητές, ενώ είχαν την εντύπωση πως δεν τα καταφέρνουν με τη γεωμετρία, έδωσαν απαντήσεις ικανοποιητικές σε μεγάλο βαθμό. Η αντίληψη και η διαίσθηση τους, έδιναν σωστές απαντήσεις και συλλογισμούς. Μπορούμε να πούμε πως υπήρχε, εκτός των άλλων, μια δυσκολία στη χρήση όρων και συμβόλων. Επομένως, θα λέγαμε πως το πρόβλημα βρισκόταν κυρίως στη χρήση της μαθηματικής γλώσσας, παρά στον τρόπο σκέψης. Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι να ερευνήσουμε σε ποιο βαθμό βοηθάει το διπλό τετραγωνικό πλέγμα στην κατανόηση της γεωμετρίας καθώς και στην διδασκαλία των άρρητων μεγεθών. Από άλλες σχετικές έρευνες έχει φανεί πως το τετραγωνικό πλέγμα είναι ένα διδακτικό μέσο κατάλληλο για την διευκόλυνση και κατεύθυνση των μαθητών, προς την κατάκτηση μέρους της γεωμετρικής γνώσης. Ενδεχομένως εάν οι μαθητές εμπιστευτούν τη διαίσθησή τους και αντιληφθούν πως τα μαθηματικά δεν είναι απλώς σύμβολα, τότε θα ξεπεράσουν το στάδιο της φοβίας για τα μαθηματικά και θα περάσουν στο στάδιο της σκέψης για τα μαθηματικά. / --

In the present thesis a novel numerical approach for the optimization of composite structures fabricated from woven composite materials is developed. The aim is to increase the ultimate strength of the structure while at the same time decreasing its weight. The numerical approach is based on a combination of the numerical algorithm of progressive damage modelling (PDM), along with shape optimization (SO) in an iterative subroutine. PDM, which is comprised of three steps, namely stress analysis, failure analysis and material property degradation, is used to predict the initiation and propagation of failure in the structure. During the phase of SO certain geometrical parameters are varied within limits in order to minimize the stresses that lead the structure to ultimate failure as indicated by PDM results. Finally the resulting geometry is solved with PDM to ensure the enhancement in the ultimate strength and the decrease in ultimate weight. Within the frame of this approach, a new methodology for the numerical modeling and the simulation of mechanical behavior of woven composite materials is proposed. The highly inhomogeneous nature of woven composite materials in the micro-scale is taken under consideration to create accurate representative volume element (RVE) FE models which represent the actual material. Then PDM is used for the simulation of their mechanical response. The calculated properties, in terms of stiffnesses and strengths, are then inserted as inputs in the global FE model of the composite structure. Additionally, the reliability and applicability of a continuum damage model (CDM), in comparison with cohesive zone model (CZM), are assessed in order to use the CDM for the modeling of the adhesive’s mechanical behavior. The mentioned numerical approach is applied in an H-shaped joining element fabricated from two different woven composite materials for the loading case of tension. In the first case NCF composite is used while in the second case the joint is made of 3D fully interlaced weave (FIW) composite. The purpose of the H-shaped element is the joining of two composite plates via the method of adhesive bonding. / Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος αριθμητικής βελτιστοποίησης δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά με σκοπό την αύξηση της αντοχής τους. Η μέθοδος βασίζεται σε έναν αριθμητικό αλγόριθμο Προοδευτικής Εξέλιξης της Βλάβης (ΠΕΒ) και τη Βελτιστοποίηση Σχήματος (ΒΣ) τα οποία συνδυάζονται σε μια επαναληπτική υπό-ρουτίνα. Στην ΠΕΒ περιλαμβάνονται τα βήματα της ανάλυσης τάσεων, ανάλυσης αστοχίας και υποβάθμιση των ιδιοτήτων των στοιχείων. Η χρησιμότητα της έγκειται στην πρόβλεψη της έναρξης και εξέλιξης της αστοχίας στο δομικό στοιχείο κάτι απαραίτητο για την κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς. Η ΒΣ έχει ως σκοπό την μεταβολή συγκεκριμένων γεωμετρικών παραμέτρων για να επιτευχθεί ελαχιστοποίηση των κρίσιμών τάσεων που προκύπτουν από τα αποτελέσματα της ΠΕΒ και οδηγούν στην αστοχία του στοιχείου. Παράλληλα, για την μοντελοποίηση και τον υπολογισμό των μηχανικών ιδιοτήτων πρωτότυπων πλεγμένων σύνθετων υλικών προτείνεται καινούργια μια μεθοδολογία η οποία λαμβάνει υπ’ όψιν την υψηλή ανομοιογένεια των υλικών στην μικρό-κλίμακα για να υπολογίσει τις ιδιότητες τους. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε ένα νέο συνδετικό στοιχείο σχήματος H κατασκευασμένο από δύο διαφορετικά πλεγμένα σύνθετα υλικά, τα μη πτυχωτά και τα τρισδιάστατα πλεγμένα σύνθετα υλικά, για την περίπτωση του εφελκυσμού. Σκοπός του συνδέσμου είναι η ένωση δύο πλακών από σύνθετα υλικά χρησιμοποιώντας κόλλα. Αρχικά το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του συνδέσμου δημιουργείται και επιλύεται με την μέθοδο ΠΕΒ. Για την προσομοίωση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς της κόλλας αναπτύσσεται ένα δι-γραμμικό μοντέλο. Για την προσομοίωση της πλήρης μηχανικής συμπεριφοράς των μη πτυχωτών και τρισδιάστατα πλεγμένων συνθέτων υλικών, αναπτύσσεται μια διαδικασία η οποία περιλαμβάνει τα βήματα της γεωμετρικής μοντελοποίησης, της κατασκευής του μοντέλου πεπερασμένων στοιχειών και την επίλυση αυτού με την μέθοδο ΠΕΒ. Τα αποτελέσματα, σε όρους διαγραμμάτων τάσεων-παραμορφώσεων, χρησιμοποιούνται ως δεδομένα στο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του συνδέσμου το οποίο επιλύεται και υπολογίζεται το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης. Στην συνέχεια, λαμβάνει μέρος η γεωμετρική βελτιστοποίηση βασιζόμενη στα αποτελέσματα της επίλυσης της αρχικής γεωμετρίας. Σε αυτό το σημείο επιλέγεται η μεταβλητή προς ελαχιστοποίηση στην διαδικασία της βελτιστοποίησης. Το μέγεθος αυτό ονομάζεται Συνάρτηση Σκοπού (ΣΣ) και ορίζεται ως ο συντελεστή βλάβης που ευθύνεται για την τελική αστοχία του δομικού στοιχείου. Ως ένα επιπλέον κριτήριο για την επιλογή της βέλτιστης γεωμετρίας επιλέγεται η μείωση βάρους δεδομένου ότι πρόκειται για αεροπορική κατασκευή. Η γεωμετρία που ελαχιστοποιεί την συνάρτηση σκοπού και ταυτόχρονα είναι ελαφρύτερη από την αρχική, επιλέγεται ως η τελική γεωμετρία. Τέλος, γίνεται η επιτυχής επικύρωση της βελτιστοποίησης με την σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων μεταξύ της αρχικής και τελικής γεωμετρίας. Η μεθοδολογία της ΠΕΒ εφαρμόζεται στην τελική γεωμετρία και τα διαγράμματα δύναμης μετατόπισης συγκρίνονται για να διαπιστωθεί η αύξηση στο μέγιστο φορτίο που μπορεί να φέρει το συνδετικό στοιχείο πριν την τελική αστοχία.

Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η σύνδεση της μοντέρνας θεωρίας σολιτονίων με την κλασική διαφορική γεωμετρία. Ειδικότερα, αρχίζουμε με ένα εισαγωγικό μέρος, όπου παραθέτουμε τις βασικές έννοιες που αφορούν: α) Τις λύσεις μη-γραμμικών μερικών διαφορικών εξισώσεων (ΜΔΕ) που ονομάζονται σολιτόνια (solitons) και β) Την γεωμετρία των ομαλών καμπυλών και επιφανειών του Ευκλείδειου χώρου). Ακολουθεί, το δεύτερο και κύριο μέρος, στο οποίο μελετάμε την σχέση τριών χαρακτηριστικών μη-γραμμικών εξισώσεων εξέλιξης, της εξίσωσης sine-Gordon, της τροποποιημένης εξίσωσης Korteweg de Vries (mKdV) και της μη γραμμικής εξίσωσης Schrödinger (NLS), με την θεωρία καμπυλών και επιφανειών. Αναλυτικότερα, στο πρώτο μέρος και πιο συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε μια ιστορική αναδρομή στην έννοια του σολιτονίου. Στην συνέχεια αναζητούμε κυματικές-σολιτονικές λύσεις για τις εξισώσεις KdV και NLS. Κλείνουμε παραθέτοντας τις προϋποθέσεις κάτω από τις οποίες μια μη γραμμική εξίσωση είναι ολοκληρώσιμη. Επιλέγουμε να αναλύσουμε δύο από αυτές τις προϋποθέσεις, χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα παραδείγματα, ενώ, για τις άλλες δύο, περιοριζόμαστε σε μια συνοπτική περιγραφή . Στο δεύτερο κεφάλαιο του εισαγωγικού μέρους γίνεται μια εκτενής αναφορά σε θεμελιώδεις έννοιες της διαφορικής γεωμετρίας. Πιο συγκεκριμένα, οι έννοιες αυτές σχετίζονται με την θεωρία καμπυλών και επιφανειών και για ορισμένες από αυτές παρουσιάζουμε κάποια αντιπροσωπευτικά παραδείγματα. Ακολουθεί το κύριο μέρος και ειδικότερα το πρώτο κεφάλαιο, στο οποίο, μελετώντας υπερβολικές επιφάνειες, καταλήγουμε σε ένα κλασικό μη γραμμικό σύστημα εξισώσεων. Είναι αυτό που οφείλουμε στον Bianchi και το οποίο ενσωματώνει τις εξισώσεις Gauss-Mainardi-Codazzi. Στην συνέχεια, περιοριζόμαστε στις ψευδοσφαιρικές επιφάνειες και έτσι καταλήγουμε στην εξίσωση sine-Gordon. Ακολουθεί η ενότητα 1.2, στην οποία βρίσκουμε τον μετασχηματισμό auto-Bäcklund για την εξίσωση sine-Gordon και περιγράφουμε την γεωμετρική διαδικασία για την κατασκευή ψευδοσφαιρικών επιφανειών. Στην ενότητα 1.3, χρησιμοποιώντας τον παραπάνω μετασχηματισμό Bäcklund, καταλήγουμε στο Θεώρημα Αντιμεταθετικότητας του Bianchi. Συνεχίζουμε με την ενότητα 1.4, στην οποία παρουσιάζουμε ψευδοσφαιρικές επιφάνειες, οι οποίες αντιστοιχούν σε σολιτονικές λύσεις της εξίσωσης sine-Gordon. Πιο αναλυτικά, στην υποενότητα 1.4.1 κατασκευάζουμε την ψευδόσφαιρα του Beltrami, η οποία αντιστοιχεί στην στάσιμη μονο-σολιτονική λύση. Στην υποενότητα 1.4.2 μελετάμε το ελικοειδές που δημιουργείται από την έλκουσα καμπύλη, δηλαδή την επιφάνεια Dini, την οποία και κατασκευάζουμε. Ακολουθεί η υποενότητα 1.4.3, όπου, χρησιμοποιώντας το θεώρημα μεταθετικότητας, καταλήγουμε στην λύση δύο-σολιτονίων για την εξίσωση sine-Gordon και συνεχίζουμε με την υποενότητα 1.4.4, όπου κατασκευάζουμε περιοδικές λύσεις των δύο-σολιτονίων γνωστές ως breathers. Στο δεύτερο κεφάλαιο μελετάμε την κίνηση συγκεκριμένων καμπυλών και επιφανειών, οι οποίες οδηγούν σε σολιτονικές εξισώσεις. Ειδικότερα, στην ενότητα 2.1 καταλήγουμε στην εξίσωση sine-Gordon μέσω της κίνησης μιας μη-εκτατής καμπύλης σταθερής καμπυλότητας ή στρέψης. Ακολουθεί η ενότητα 2.2, όπου η εξίσωση sine- Gordon προκύπτει ως η συνθήκη συμβατότητας για το 2 2 γραμμικό σύστημα AKNS. Στην συνέχεια, στην ενότητα 2.3 ασχολούμαστε με την κίνηση ψευδοσφαιρικών επιφανειών. Πιο συγκεκριμένα, στην υποενότητα 2.3.1 συνδέουμε την κίνηση μιας ψευδοσφαιρικής επιφάνειας με ένα μη αρμονικό μοντέλο πλέγματος, το οποίο ενσωματώνει την εξίσωση mKdV. Επιπλέον, στην υποενότητα 2.3.2 δείχνουμε ότι η καθαρά κάθετη κίνηση μιας ψευδοσφαιρικής επιφάνειας, παράγει το κλασικό σύστημα Weingarten. Ολοκληρώνουμε την ενότητα 2.3 με την κατασκευή των μετασχηματισμών Bäcklund τόσο για το μοντέλο πλέγματος, όσο και για το σύστημα Weingarten. Το κεφάλαιο κλείνει με την ενότητα 2.4, όπου μέσω της κίνησης μιας μη εκτατής καμπύλης μηδενικής στρέψης, καταλήγουμε στην εξίσωση mKdV. Στην συνέχεια μελετάμε την κίνηση των επιφανειών Dini και τελικά κατασκευάζουμε επιφάνειες που αντιστοιχούν στο τριπλά ορθογώνιο σύστημα Weingarten. Στο τρίτο και τελευταίο κεφάλαιο επικεντρωνόμαστε στην εξίσωση NLS. Πιο συγκεκριμένα, στην ενότητα 3.1 καταλήγουμε στην εξίσωση NLS μ’ έναν καθαρά γεωμετρικό τρόπο. Επιπλέον, κατασκευάζουμε επιφάνειες, οι οποίες αντιστοιχούν στην μονο-σολιτονική λύση της εξίσωσης NLS και παρουσιάζουμε γι’ αυτές κάποιες γενικές γεωμετρικές ιδιότητες. Το κεφάλαιο 3 ολοκληρώνεται με την ενότητα 3.3 όπου αρχικά λαμβάνουμε ακόμη μια φορά την εξίσωση NLS, χρησιμοποιώντας την μελέτη στην κινηματική των Marris και Passman. Κλείνουμε και αυτό το κεφάλαιο με τον auto- Bäcklund μετασχηματισμό για την εξίσωση NLS και επιπλέον παρουσιάζουμε χωρικά περιοδικές λύσεις της, γνωστές ως smoke-ring (δαχτυλίδι-καπνού). / The aim of this diploma thesis is to find a connection between modern soliton theory and classical differential geometry. More particularly, we begin with an introductory section, where we present the basic concepts regarding soliton equations and the geometry of smooth curves ans surfaces. This is followed by the main body of the thesis, which focuses on three partial differential equations, namely, the sine-Gordon equation, the modified Korteweg de Vries equation (mKdV) and the nonlinear Scrödinger equation (NLS), and their connection to the theory of curves and surfaces. The first introductory chapter is a historical overview of the notion of solitons. We then seek travelling wave solutions for the KdV and NLS equations. Closing, we quote the conditions under which a nonlinear equation is integrable. We choose to analyze in detail two of these conditions while we settle for a brief description of the other two. The second chapter is an extensive report on fundamental concepts of differential geometry, namely, those associated with the theory of curves and surfaces in Euclidean three-dimensional space, and we present some representative examples. Chapter 1 of the main part, opens with the derivation of a classical nonlinear system which we owe to Bianchi and embodies the Gauss-Mainardi-Codazzi equations. We then specialise to pseudospherical surfaces and produce the sine-Gordon equation. Section 1.2 includes the derivation of the auto-Bäcklund transformation for the sine-Gordon equation along with the geometric procedure for the construction of pseudospherical surfaces. In section 1.3, we use the above transformation to conclude to Bianchi’s Permutability Theorem. We continue to section 1.4, where we present certain pseudospherical surfaces. These surfaces correspond to solitonic solutions of the sine- Gordon equation, i.e. in subsection 1.4.1 we construct the pseudosphere which corresponds to the stationary single soliton solution. Also, in subsection 1.4.2 we examine the helicoid that is created by the tractrix, namely, the Dini surface. In section 1.4.3, by use of Bianchi’s Permutability Theorem, we end up in the two-soliton solution for the sine-Gordon equation and continue in the next subsection, where we present periodic two-soliton solutions, known as breathers. In Chapter 2, we show how certain motions of curves and surfaces can lead to solitonic equations. More precisely, in section 2.1, we arrive at the sine-Gordon equation, through the motion of an inextensible curve of constant curvature or torsion. Then, section 2.2 displays how the sine-Gordon equation arises as the compatibility condition for the linear 2 2 AKNS system. In section 2.3 we study the movement of pseudospherical surfaces. In particular, we connect, in subsection 2.3.1, the motion of a pseudospherical surface to a continuum version of an unharmonic lattice model, which encorporates the mKdV equation. Moreover, in subsection 2.3.2, we show that a purely normal motion of a pseudospherical surface produces the classical Weingarten system. We conclude section 2.3 by constructing the Bäcklund transformation both for the lattice model and the Weingarten system. The chapter ends with section 2.4, where through the motion of an inextensible curve of zero torsion, we produce the mKdV equation. Furthermore, we investigate the motion of Dini surfaces and, finally, construct surfaces corresponding to the triply orthogonal Weingarten system. The third and final chapter focuses on the NLS equation. In section 3.1 we produce the NLS equation through a purely geometric manner. We then construct surfaces, that correspond to the single-soliton solution of this equation, and also present certain general geometric properties of them. We conclude the final chapter with the auto-Bäcklund transformation for the NLS equation and the presentation of spatially periodic solutions, known as smoke-ring.