Theoretical studies on heterogeneous deflagration Waves. 2. An approximate ordinary differential equation formulation of the problem

Summary This is the second of a three — part theoretical study on heterogeneous deflagration wave propagation. The theory is of a general nature; but specific reference to a composite solid rocket propellant is made. The ultimate objective of this line of research is to define conditions for statically and dynamically stable deflagration propagation. In the first paper, a quite general model of the problem in terms of a partial differential equation was shown. In this second paper, a transformation of the mathematical problem into an ordinary differential equation is performed. A flame model is used for the gas phase. The important assumptions made are: quasi-steady gas phase, optically opaque condensed phase; collapsed burning surface layer and constant ambient temperature. Under these assumptions, it is found that the dynamics of a deflagrating substance is governed by a nonlinear first order (approximate) ordinary differential equation in the unknown surface temperature history. From this, the stability features of heterogeneous deflagration waves are immediately defined (last part of the study). The theory is verified by computer and experimental work, presently under progress.

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Sommario Questa è la seconda di una serie di tre memorie dedicate all'analisi teorica della propagazione di onde eterogenee di deflagrazione. La teoria è di natura generale, ma per concretezza viene applicata al caso specifico di un propellente solido composito per endoreattori. Lo scopo finale della ricerca è di definire le condizioni necessarie per la stabilità statica e dinamica della propagazione di onde eterogenee di deflagrazione. Nella prima memoria è stato rivisto un modello abbastanza generale del problema basato su di una equazione differenziale alle derivate parziali. In questa seconda memoria il problema matematico è riformulato in termini di una equazione differenziale ordinaria. La fase gassosa è trattata secondo un modello di fiamma. Le ipotesi più importanti riguardano la fase gassosa quasi-stazionaria, la fase condensata otticamente opaca, lo strato reagente superficiale di spessore nullo e la temperatura ambiente costante. Sotto queste ipotesi si trova che la dinamica di una deflagrazione è retta da una equazione (approssimata) differenziale ordinaria nonlineare del primo ordine che descrive la storia della temperatura di superficie. Tale equazione permette di definire immediatamente le proprietà di stabilità di onde eterogenee di deflagrazione (terza memoria). Sono in corso di svolgimento le verifiche numeriche e sperimentali della teoria proposta.

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Support by CNPM (Centro di Studio per Ricerche sulla Propulsione e sull'Energetica) is gratefully aknowledged.     

Frequency response function of burning solid propellants

Summary Burning stability analyses of solid propellants are performed, within the framework of a thermal theory of monodimensional heterogeneous deflagration waves, from a linearized point of view. The frequency response function is determined both for pressure and radiation driven combustion waves. Two limiting schemes for the quasi-steady gas phase are implemented: distributed and sharp flame models. Work available from the literature in this field is reviewed, corrected, and extended. Particular attention is given to the connection between pressure and radiation driven admittance functions. Burning stability properties predicted from linear and nonlinear theories are compared. A way to rate experimentally the dynamic burning stability of condensed substances with optically opaque condensed phase and transparent flame is suggested.

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Sommario Vengono svolte analisi lineari della stabilità di combustione di propellenti solidi per endoreattori, nell'ambito di una teoria termica di onde eterogenee di deflagrazione monodimensionale. Si determina la funzione di risposta in frequenza, o ammettenza acustica, per onde di combustione pilotate sia dalla pressione sia da un fascio di luce monocromatica. Sono discussi due casi limite di modelli di fiamma per la fase gassosa supposta quasi-stazionaria: fiamma distribuita e fiamma concentrata. I lavori svolti in precedenza nel settore in esame sono rivisti, corretti ed estesi. Particolare attenzione viene dedicata alla corrispondenza tra la funzione di ammettenza pilotata dalla pressione e la funzione di ammettenza pilotata da radiazione. Sono confrontate le proprietà di stabilità della combustione predette dalle teorie lineari e dalle teorie non lineari. Viene suggerito un possibile criterio per classificare sperimentalmente la stabilità dinamica di combustione di sostanze condensate con fase condensata otticamente opaca e fiamma trasparente.

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Paper presented at the V Congresso Nazionale dell'Associazione Italiana Di Aeronautica ed Astronautica (AIDAA), Milano, 22 – 26 October 1979. Project supported by Centro di Studio per Ricerche sulla Propulsione e sulla Energetica. Milano, 24 September 1979.     

Wave propagation in linearly elastic shells

Summary The problem of discontinuity wave propagation in hyperelastic shells is discussed within the framework of the nonlinear theory. A suitable linearization is proposed, such that explicit results can be obtained with direct calculations. Namely the speeds of propagation for acceleration and shock waves are evaluated, within the dependence of their values on the geometrical properties of the shell.

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Sommario Si considera il problema della propagazione di onde di discontinuità in una volta sottile iperelastica nell'ambito della teoria nonlineare. Viene proposta una linearizzazione che consente di ottenere risultati espliciti con calcoli diretti. In particolare vengono determinati i valori delle velocità di propagazione delle onde d'accelerazione e d'urto e viene studiata la loro dipendenza dalle proprietà geometriche della volta.

     

Wave scattering from biased elastic dielectrics

The scattering of harmonic transverse waves is studied in a layered solid half-space which is prestressed and electrically biased. Electromechanic modes propagating normally to the stratification planes are analyzed using a wave-splitting method and a sufficient condition is derived for the existence of the solution. The invariant imbedding technique is employed to obtain a differential equation for the reflectivity matrix. This equation is exploited to formulate the inverse problem whose solution is presented in an iterative form. A useful result is then established about the convergence of the series so determined.

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Sommario Si studia la propagazione di onde armoniche trasversali in un semispazio occupato da un dielettrico elastico stratificato, soggetto a prestress ed elettricamente polarizzato. Si analizzano in particolare i modi elettromeccanici che si propagano normalmente ai piani di stratificazione facendo uso del metodo di wave-splitting e ottenendo una condizione sufficiente per l'esistenza della soluzione. Si riformula poi il problema mediante una equazione di Riccati per la matrice dei coefficienti di riflessione al fine di presentare una soluzione iterativa per il problema inverso. Si dimostra un utile risultato sulla convergenza di questa soluzione.

     

Generalized wavefront expansion properties and limitations

Summary The properties of an asymptotic method for the study of the propagation of weak shock waves in hyperbolic systems are examined in detail in the simple case of the single nonlinear wave equation in one space dimension. The general features of the method are briefly recalled and a comparison between the results obtained by this method and the exact solutions obtained by the shockfitting technique is made. Under appropriate regularity assumptions the method provides an approximation of the exact solution of the desired order for short times.

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Sommario Le proprietà di un metodo asintotico per lo studio della propagazione di onde d'urto deboli in sistemi iperbolici sono esaminate in dettaglio nel semplice caso della singola equazione d'onda non lineare in una dimensione spaziale. Sono richiamate brevemente le caratteristiche generali del metodo e viene fatto un confronto fra i risultati ottenuti con questo metodo e le soluzioni esatte ottenute con la tecnica dello shock-fitting, Sotto opportune ipotesi di regolarità il metodo fomisce una approssimazione della soluzione esatta, all'ordine desiderato per piccoli tempi.

     

Neural networks for computing in the elastoplastic analysis of structures

A neural network model is proposed and studied for the treatment of elastoplastic analysis problems. These problems are formulated as Q.P.P.s with inequality subsidiary conditions. In order to treat these conditions the Hopfield model is appropriately generalized and a neural model is proposed covering the case of inequalities. Finally, the parameter identification problem is formulated as a supervised learning problem. Numerical applications close the presentation of the theory and the advantages of the neural network approach are illustrated.

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Sommario Si propone un modello di rete neurale con l'obiettivo di usarlo per la trattazione di problemi di analisi elastoplastica, formulati come problemi di programmazione quadratica con disequazioni sussidiarie. Allo scopo di trattare queste condizioni si generalizza il modello di Hopfield e si propone un modello neurale che copre il caso di disequazioni. Inoltre il problema di identificazione parametrica viene formulato come un problema di apprendimento guidato. La presentazione della teoria è seguita da esempi di applicazioni numeriche e dalla illustrazione dei vantaggi dell'uso delle reti neurali.

     

Damping in sloshing flow with ceiling effect

Summary The sloshing flow, when the liquid free surface reaches in some instant during the oscillating period the ceiling of the tank, is analyzed. The damping factor is obtained by a simplified theory of small perturbation which evaluates the force at the ceiling on the assumption that the dominant motion of sloshing corresponds with that given by linear theory of a potential flow. The experimental investigation is carried out with a rigid tank partially filled by water, fixed to an oscillating table laterally excited by a sinusoidal force of given frequency and amplitude. The liquid velocity, near the free surface, is measured by a laser doppler velocimeter. The damping factor is obtained by the band width tecnique applied to the analysis of the velocity RMS versus the frequency of the acting force.

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Sommario Si analizza il comportamento di un liquido che riempie parzialmente un serbatoio oscillante quando il pelo libero viene in contatto con la superficie che delimita superiormente il serbatoio. Il fattore di smorzamento è valutato con una teoria di piccole perturbazioni supponendo che il moto dominante sia quello descritto dalla teoria lineare per un flusso potenziale. Prove sperimentali sono state condotte su un serbatoio rigido parzialmente riempito d'acqua e fissato su di una tavola oscillante su cui agisce una forza con andamento sinusoidale di adeguate ampiezza e frequenza. La velocità del liquido è misurata mediante un anemometro laser doppler. Il fattore di smorzamento è ottenuto analizzando il comportamento del valore efficace della velocità al variare della frequenza della forza agente.

     

Multi mass drive systems with stepped shafts

Summary A continuous model of a multi mass drive system with stepped shafts, loaded by external moments, is proposed and analysed by means of one dimensional torsional waves. A procedure is developed for calculation of velocities, strains and displacements in an arbitrary cross-section of the shafts, and some necessary conditions for the stability of angular displacements are formulated.

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Sommario Si propone un modello continuo di un sistema di guida a masse molteplici con alberi a sezione variabile con discontinuità, caricati da coppie esterne. L'analisi è condotta per mezzo di onde torsionali monodimensionali. Si sviluppa un procedimento per il calcolo di velocità, deformazioni e sponstamenti di una generica sezione degli alberi e si formulano condizioni necessarie per la stabilità degli spostamenti angolari.

     

Theoretical analysis of the dynamical motion of a spatial system of rigid bodies for the homokinetic transmission of the motion between angled shafts

Summary This piece of research deals with a general theory for the dynamical analysis of a particular system of rigid bodies capable of transmitting torque and motion between two angled shafts without alteration of the rotary motion at variable relative position of the axes of the shafts. The study, based on an equivalent mechanical model, leads to a system of four non-linear equations of the first order which, by numerical integration at given initial conditions, describes the dynamical behaviour of the system.

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Sommario Il presente lavoro studia una teoria generale per l'analisi dinamica di particolari sistemi spaziali di molti corpi rigidi per la trasmissione omocinetica di moto e di coppia fra due alberi angolati. Lo studio si basa su un modello meccanico equivalente, proposto nel presente lavoro, e perviene ad una equazione differenziale non-lineare in quattro variabili indipendenti che, opportunamente integrata a date condizioni iniziali, descrive il comportamento dinamico del sistema.

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This research has been realized within the activities of the Italian Research Council (C.N.R.), G.N.F.M..     

The propagation of the tide inside a lagoon

Summary Propagation of the tide in a lagoon is studied, taking into account expansion of the waves in the shallows, but otherwise utilizing the classic theory of first approximation. The time lag in propagation and the attenuation of the wave may thus be determined.

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Sommario Si studia la propagazione della marea in una laguna, tenendo conto della espansione delle onde sui bassifondi, ma per il resto, utilizzando la teoria classica di prima approssimazione. Si giunge così a determinare il ritardo nella propagazione e l'attenuazione dell'onda.

     

Propagation of periodic long waves

Summary A method is developed for the computation of the steady solution of the shallow water equations with quasi periodic boundary conditions. Because of dissipation the influence of the initial conditions becomes negligible with increasing time and the solution finally depends on the boundary conditions. The unknowns variables (velocity and surface elevation) and the boundary conditions are developed in power series of a small perturbation parameter. The problem is then transformed in a sequence of linear problems which have the same associated homogeneous problem. By separating the time and space variables in the homogeneous problem we obtain an homogeneous elliptic problem of which we compute the first eigenvalues and eigensolutions. These are related to the characteristic oscillations of the water in the basin. The solution of each linear problem is then obtained as an eigensolution expansion with time dependent coefficients. These coefficients are solutions of ordinary differential equations which can be solved directly without proceeding step by step in time. In this way we are reduced to a stationary problem i.e. the determination of the eigenvalues and eigensolutions of the elliptic problem and to the computation of several integrals needed for the determination of the time dependent coefficients. A first test of the method has been carried out for a one-dimensional problem i.e. the tidal wave in a canal of finite length and constant depth. In this case the various steps of the procedure outlined above can be performed analitically. The results have been compared with those obtained by a step by step numerical integration of the shallow water equations. The agreement between these sets of results is good for the range of values of the parameters currently used in the applications.

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Sommario Viene presentato un metodo per il calcolo della soluzione a regime delle equazioni delle onde lunghe, dipendente dalle sole condizioni al contorno quasi-periodiche, dopo aver mostrato che l'influenza delle condizioni iniziali diventa col tempo trascurabile a causa del termine di resistenza. Il metodo si basa sullo sviluppo in serie di potenze di un piccolo parametro sia delle incognite (velocità ed elevazioni del pelo libero) sia delle condizioni al contorno al fine di trasformare il problema non lineare in una serie di problemi lineari aventi lo stesso problema omogeneo associato. Con la separazione delle variabili spazio, tempo quest'ultimo problema viene ricondotto ad un problema ellittico omogeneo di cui si calcolano i primi autovalori ed autosoluzioni. Da ultimo la soluzione di ciascun problema lineare è ottenuta come sviluppo in serie di autosoluzioni a coefficienti dipendenti dal tempo: questi si ricavano risolvendo analiticamente delle equazioni differenziali ordinarie. Si elimina cosi la necessità di procedere passo passo nel tempo analogamente ai classici metodi armonici di soluzione di sistemi lineari. Riassumendo, l'applicazione del metodo riconduce alla soluzione di un problema stazionario (determinazione di autovalori ed autosoluzione del problema ellittico) e quindi al calcolo dei vari integrali necessari per la determinazione dei coefficienti temporali. Il metodo è stato provato nel caso semplice della propagazione di onde di marea in un canale di lunghezza finita e sezione costante. Per questo esempio i vari passi di calcolo possono essere svolti analiticamente. I risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti dalla integrazione numerica delle equazioni col metodo delle caratteristiche, ottenendo un buon accordo.

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Work sponsored by the CNR (National Research Council) in the framework of Project ?Conservazione del suolo? Subproject ?Dinamica dei Litorali? Publ. n° 46.     

Lubricated Plane Slider Bearing: Analytic and Numerical Approach

For lubricated slider bearing the elementary theory of lubrication does not allow to describe the pressure build up at the entrance section.In this work the whole flow field is subdivided into three regions: a first one, upstream of the entrance, where the fluid behaves like a perfect fluid; a second region, immediately downstream, where the two boundary layers gradually grow, extending up to a distance determined by means of a model based on analytic functions. The third region is described by Navier–Stokes and solved by adopting a shooting method.Numerical computations were carried out to determine the pressure distribution and the position of the center of pressure for different values of Reynolds number and pad angle. Sommario. La teoria elementare della lubrificazione nel caso del pattino piano lubrificato non è in grado di evidenziare il fenomeno della sovrappressione nella sezione di ingresso.Nel presente lavoro viene proposto un modello che suddivide il campo di moto in tre regioni: una prima a monte della sezione di ingresso, in cui il fluido si comporta come un fluido perfetto; una seconda regione immediatamente a valle, in cui si tiene conto del graduale sviluppo dello strato limite e la cui estensione è determinata tramite un modello basato sulle funzioni analitiche. La terza regione è studiata risolvendo l'equazione di Navier–Stokes con tecnica numerica basata su un metodo di shooting.In questo lavoro viene riportato l'andamento della pressione all'interno del cuscinetto e la posizione del centro di pressione per differenti valori del numero di Reynolds e per varie inclinazioni del pattino.     

Vibrations of a viscoelastic rod with small non-linearities

Summary A partial differential equation is considered whose dominant linear term involves third order time derivatives and which contains a nonlinear term multiplied by a small parameter. The solutions of initial-boundary-value problems for the equation are investigated using an extension of the Krylov-Bogoliubov-Mitropolskii asymptotic method. The vibrations of a viscoelastic rod lead to an equation of the type considered when the material constitutive relation is that of a standard linear solid together with additional small nonlinearities of behaviour, and this particular physical problem is investigated in detail. It is shown that under appropriate initial conditions only a single mode of vibration is excited to lowest order, and some numerical results are given which illustrate the effects of the nonlinearity on these single mode solutions.

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Sommario Viene considerata una equazione differenziale alle derivate parziali il cui termine lineare dominante implica derivate del terzo ordine del tempo e che contiene un termine non lineare moltiplicato per un parametro di piccola entità. Vengono studiate le soluzioni dell'equazione con le condizioni iniziali e al contorno usando una estensione del metodo asintotico di Krylov-Bogoliubov-Mitropolskii. Le vibrazioni in una sbarra viscoelastica portano ad una equazione del tipo considerato quando la soluzione costitutiva è quella di un normale solido lineare con l'aggiunta di piccole non-linearità di comportamento. Viene studiato nel dettaglio questo particolare problema fisico. Viene mostrato che, con appropriate condizioni iniziali, viene eccitato solo il primo modo di vibrare. Vengono inoltre forniti alcuni risultati numerici che illustrano gli effetti della non linearità per questo particolare modo.

     

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.

     

Stress,body force,and momentum balance in mixture theory

Summary A general momentum balance for a mixture constituent is motivated from corpuscular considerations. The interpretations of stress and internal body force in the separate cases of ionic and non-ionic species are indicated. The Gurtin-Oliver-Williams paradox concerning the interpretation of partial stress is resolved, and relations between total and inner stress shown to be more complex than usually assumed. Comparison is made with kinetic theory.

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Sommario Una relazione generale di bilancio della quantità di moto per un costituente di una mistura è ricavata sulla base di considerazioni particellari. Interpretazioni di stress e forza interna di volume sono fornite per costituenti sia carichi sia neutri. In tal modo il paradosso di Gurtin, Oliver e Williams sull'interpretazione degli stress parziali viene risolto e, inoltre, le relazioni tra stress totali e parziali risultano in generale più complesse di quanto si assuma solitamente. Infine si effettua un confronto con la teoria cinetica.

     

Propagation of discontinuities in vibrating strings subject to solid friction

Summary We study the propagation, in a vibrating string subject to solid friction, of discontinuities of acceleration and curvature, which correspond to the starting and stopping, for finite or infinite waiting time, of the string. Those discontinuities related to the discontinuity of the friction law, propagate with a velocity which, in general, differs from the characteristic velocities. After a general study of the problem, examples are given.

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Sommario Si studia la propagazione, in una corda vibrante soggetta ad attrito secco, di discontinuità di accelerazione e curvatura, che corrispondono all'avviarsi e al fermarsi della corda, in un tempo finito o infinito. Le discontinuità collegate con la discontinuità della legge d'attrito si propagano con una velocità che, in generale, differisce dalle velocità caratteristiche. Dopo uno studio generale del problema si danno esempi.

     

Study of the propagation of a torsional wave in a curved wire

Summary The problem of the propagation of a torsional wave in a curved wire is examined. The displacements with a natural and with a forced curvature are calculated and the corresponding dispersion relations are obtained on the basis of a purely elastic model.The results are discussed in connexion with the problem of the propagation of a signal in a wire-type acoustic delay line and compared with the results previously obtained by other workers.

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Sommario Si esamina il problema della propagazione di un'onda torsionale in un filo curvato. Viene svolto il calcolo degli spostamenti con curvatura sia naturale, sia imposta e si ottengono le corrispondenti relazioni di dispersione sulla base di un modello puramente elastico. Si discutono inoltre i risultati ottenuti, in relazione al problema della propagazione di un segnale in una linea di ritardo meccanica, confrontandoli con quelli precedentemente acquisiti da altri Autori.

     

On alternative energy sources. Wave power availability in water of finite depth

Summary In this paper, the theory of wave height variation, due to refraction and friction on the sea bottom, is adopted to estimate the amount of mechanical power available at depths ranging from 5 to 25 m where it seems reasonable to place devices to capture and convert wave energy. The refraction theory and the power estimation method are sketched, while the evaluation of the wave power available at a location near the Italian coast of Southern Adriatic is presented as an application.

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Sommario In questo lavoro il modello di calcolo della variazione di altezza delle onde marine, dovuta a fenomeni di rifrazione e attrito sul fondo, è applicato alla valutazione dell'energia meccanica disponibile su fondali di 5 – 25 metri, dove è ragionevole collocare sistemi di sfruttamento e conversione in energia elettrica. Dopo aver riassunto la teoria, ne viene presentata una applicazione concreta: la valutazione della potenza disponibile nell'Adriatico Meridionale, sulle coste del Gargano.

     

Discontinuity wave propagation in continua with dislocations

Summary The problem of discontinuity wave propagation is treated for an elastic body with a continuous distribution of dislocations and explicit values for speeds are obtained.

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Sommario Nell'ambito della teoria dei continui elastici con una distribuzione continua di dislocazioni viene affrontato il problema della propagazione di onde ordinarie di discontinuità e vengono dati esplicitamente i valori delle velocità.

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Work done in the sphere of activity of the G.N.F.M. of Italian C.N.R.     

Thermodynamics of apolar viscoelastic dielectrics

Summary In this paper we propose a thermodynamic theory for apolar viscoelastic dielectrics. Within this framework we discuss the possibility of accounting for the Maxwell effect, i.e., the birefringence phenomenon due to the motion of the continuum in study. To this end we show that the proposal made by Toupin, in order to account for the Maxwell effect, does not contrast with the second law of Thermodynamics.

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Sommario In questo lavoro viene formulata una teoria termodinamica dei dielettrici viscoelastici apolari. Nell'ambito di tale teoria viene esaminata la possibilità di descrivere l'effetto Maxwell, ossia il fenomeno della birifrangenza dovuta al moto del continuo. A questo proposito si mostra che il termine proposto da Toupin per tener conto dell'effetto Maxwell non è in contrasto con la seconda legge della Termodinamica.

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This work was supported by the Gruppo Nazionale per la Fisica Matematica of CNR.