Smectic liquid crystals as continua with latent microstructure

Smectic liquid crystals are quasi solids, which possess microstructure both of the material and local type (the nematic mictrostructure and the lamellae, respectively). They also exhibit phase transitions: from smectic B to smectic A, to nematic, to isotrtopic liquid (see [1], Ch. 7). Their study, though special, might show up general advantages and drawbacks of different types of mathematical models. Here, while intent on proving the property announced in the title, we set forth the groundwork for the continuum model (see, in a more specific and concrete mode [2]).

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Sommario I cristalli liquidi smettici sono quasi-solidi che possiedono una microstruttura sia di tipo materiale che locale (la microstruttura nematica e le lamelle, rispettivamente). Essi esibiscono anche transizioni di fase: smettici B a smettici A, a nematici, a liquidi isotropi. Il loro studio, sebbene speciale, potrebbe evidenziare vantaggi generali e difetti di vari tipi di modelli matematici. Qui, nel provare la proprietà annunciata nel titolo, si prepara il lavoro di base per il modello continue.

     

Elastic-plastic behaviour with work-hardening: An appropriate model for structural software

Summary A method is proposed for the stress analysis of structures subject to elastic and plastic deformations. The method can be adapted to exploit existing computing programs for elastic stress analysis and is sufficiently subtle to describe a variety of types of work-hardening, on the basis of a limited number of essential material parameters which can be read off usually available test graphs.

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Sommario Si propone un metodo per l'analisi di strutture soggette a deformazioni elasto-plastiche. Il metodo può essere adattato in modo da sfruttare programmi di calcolo, di cui già si disponga, per l'analisi elastica di strutture ed è sufficientemente duttile da consentire la rappresentazione di tipi diversi di incrudimento, con l'uso di un numero limitato di parametri materiali che possono dedursi da grafici sforzo-deformazione generalmente disponibili.

     

Combustion with phase transition

The paper deals with a mathematical problem describing an exothermic chemical reaction in a diffusing substance possibly undergoing a change of phase. Global well-posedness in the classical sense is proved for the corresponding system of PDEs. Moreover, cases in which the phases are separated by sharp interphases or by transition regions are discussed. The limit case of negligible diffusion is also considered.

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Sommario Si studia il problema matematico che descrive una reazione chimica esotermica in una sostanza che diffonde e puo' subire cambiamenti di fase. Si dimostra esistenza globale in senso classico del relativo sistema di equazioni alle derivate parziali e si discute la possibilita' che le fasi siano separate da una regione di transizione e non da una netta superficie di interfase. Il caso limite di assenza di diffusione e' anche brevemente esaminato.

     

Phase transitions and hysteresis in nonlocal and order-parameter models

The paper describes two types of regularization to the basic quasistatic double-well potential problem in one space dimension. One model features a spatially nonlocal term while the other incorporates the use of an order parameter. Some basic existence and regularity results for these modified models are derived and some numerical calculations that show hysteresis and motion of phase boundaries are presented.

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Sommario Il lavoro descrive due tipi di regolarizzazione del problema quasistatico per un potenziale con due minimi in una dimensione. Un modello evidenzia caratteri di non località spaziale, mentre l'altro conduce ad una teoria con parametro d'ordine. Si derivano alcuni risultati di esistenza e regolarità e si presentano alcuni studi numerici che mostrano l'isteresi e il moto delle frontiere tra le fasi.

     

Recent advances in numerical modelling of geomaterials

Geomaterials are modelled as deforming multiphase porous media with a solid, liquid and/or gaseous phase. The models differ according to the mass transfer mechanism taking place at high, medium or low water content. The Finite Element Method is used for the discretization in space of the governing equations.

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Sommario Geomateriali, cioè terre, rocce, calcestruzzi, sono modellati come mezzi porosi multifase, deformabili, composti quindi da una fase solida, da une fase liquida e/o una gassosa. I modelli relativi differiscono secondo il meccanismo di trasporto di massa che prevale ad alto, medio o basso contenuto d'acqua. Il metodo degli elementi finiti è utilizzato per la discretizzazione spaziale e temporale delle equazioni differenziali che governano il problema.

     

Some examples of electron microscopy studies of microstructures and phase transitions in solids

In this contribution the results of some electron microscopy studies on microstructures related with phase transitions in a variety of materials will be presented. The materials include binary and ternary alloys, high T_C superconductors as well as C₆₀ and C₇₀ fullerenes, while the transitions can be diffusional, displacive or both.

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Sommario Si presentano i risultati di alcuni studi fatti attraverso la microscopia elettronica sulle microstrutture relative a transizioni di fase in una varietà di materiali. I casi comprendono leghe binarie e ternarie, superconduttori T_C e materiali C₆₀ e C₇₀; le transizioni esaminate sono diffusionali, displacive o di entrambi i tipi.

     

Interaction of a weak wave with a characteristic shock in a hyperelastic medium

Summary The transmission and reflection of plane one-dimensional waves across a shock wave in a nonlinear isotropic and isothermal hyperelastic medium is investigated. The amplitudes of both the transmitted and the reflected waves and the jump of the shock acceleration are determined explicitly for a particular class of thermodynamical potentials. It is shown that in the case of Tolotti's potential, the interaction does not affect the propagation of either kind of wave.

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Sommario Si studia la trasmissione e riflessione di onde piane unidimensionali attraverso un'onda d'urto in un mezzo iperelastico non lineare isotropo e isotermo. Vengono determinate esplicitamente per una particolare classe di potenziali termodinamici le ampiezze sia delle onde trasmesse che di quelle riflesse come anche il salto dell'accelerazione d'urto. Si mostra che nel caso del potenziale di Tolotti l'interazione non influisce sulla propagazione di nessuno dei due tipi di onda.

     

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

Summary This paper is designed as a supplement to Part I with a view to adding to the practical value of the theory presented there. Singular critical points which may arise under certain circumstances, and the effect of their presence on the shape of the stability boundary are investigated. It is shown that such points, if they exist, will generally lie on planes in the loading space, and that a simple linear eigenvalue approach will readily yield their location. An example is solved for illustration, and the results of an experiment are reported.

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Sommario Questa nota rappresenta un'integrazione ad una precedente (Parte I) e si propone di accrescere il valore applicativo della teoria ivi sviluppata. Si studiano punti critici singolari che possono presentarsi in certe circostanze, e le conseguenze della loro presenza sulla forma del dominio di stabilità. Si dimostra che se tali punti esistono, appartengono in generale a piani nello spazio dei carichi e che la loro ubicazione può essere facilmente determinata con un semplice procedimento fondato sulla considerazione degli autovalori. La risoluzione di un esempio e risultati sperimentali illustrano le conclusioni raggiunte in sede teorica.

     

A mathematical model for an alloy solidification problem in the presence of an electric field

A one-dimensional mathematical model for a process of solidification of a binary alloy in the presence of an electric field is studied. A situation in which the thermal properties of each phase are different and the latent heat is non-zero is considered. A quasi-static approximation for the thermal and electric fields is used. Local existence and uniqueness of a classical solution to the resulting free boundary problem are proved for two kinds of boundary conditions. Moreover, under particular hypotheses, the monotonicity of the free boundary and the global existence of the solution is proved.

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Sommario Si studia un modello matematico unidimensionale per un processo di solidificazione di una lega binaria in presenza di un campo elettrico. Si considera una situazione in cui le proprietà termiche di ogni fase sono differenti e il calore latente è non nullo. Si usa una approssimazione quasi-statica per i campi elettrico e termico. Si dimostra l'esistenza locale e l'unicità di una soluzione classica per il problema di frontiera libera risultante con due tipi di condizioni di bordo. Inoltre si dimostra, sotto particolari ipotesi, la monotonia della frontiera libera e l'esistenza di soluzione globale.

     

Studies on van der pol coupled systems

Summary Two Van der Pol equations with linear coupling are considered. The equations correspond to the mechanical one mass system with two degrees of freedom and with two types of self excited vibration generation. One due to presence of Van der Pol damping terms and second one due to the coordinate force which causes instability of equilibrium position of abbreviated system. The stationary one and two frequency oscillations as well as regions of parameters for different types of solution are discussed. Two types of bifurcations and amplitude relations are analyzed.

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Sommario Si considerano due equazioni di Van der Pol con l'accoppiamento lineare. Le equazioni corrispondono al sistema meccanico di una massa con due gradi di libertà e con due tipi di generazione di vibrazioni autoeccitanti. Una dovuta alla presenza di termini smorzanti di tipo Van der Pol, l'altra dovuta alla coordinata forza che causa instabilità della posizione di equilibrio del sistema ridotto. Si discutono le due oscillazioni di frequenza stazionarie e le regioni dei parametri per i diversi tipi di soluzione. Si analizzano due tipi di biforcazione e di relazione di ampiezza.

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On study leave at Department of Mechanical Engineering, The University of Alberta, Edmonton, Canada. T6G 2G8.     

The instability of an axially loaded viscoelastic constrained bar in the large displacement range

Summary This paper deals with the behaviour of an axially loaded viscoelastic structure at one degree of freedom in the large deformation range; the stress-strain relation assumed is linearly viscoelastic, with the kernel at non invariant memory, typical of concrete.The study is rigorously conducted for two types of restraint, characterizing, in the elastic range, the instability of both first and second kind; the problem is then stated in respect of a type of mixed restraint, such as can be found in some real structures, an approximate solution of which is here supplied.

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Sommario Vengono analizzate le caratteristiche di comportamento nel tempo di una struttura viscoelastica a un grado di libertà, caricata di punta, nel campo delle grandi deformazioni; il legame sforzi-deformazioni assunto è viscoelastico lineare, con il nucleo a memoria non invariante caratteristico dei calcestruzzi.Lo studio è svolto in forma rigorosa per due tipi di vincolo che caratterizzano, in campo elastico, l'instabilità di prima e quella di seconda specie; viene inoltre impostato il problema corrispondente ad un tipo di vincolo misto, presentato da alcune strutture reali, del quale si fornisce una soluzione approssimata.

     

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.     

From Stokes to cnoidal wave

A type of waves that allows a continuous passage from Stokes waves to cnoidal waves of first approximation is presented. Energy propagation speed and mass transport velocities of all these waves are examined. We particularly want to point out that density of energy always moves with phase speed.

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Sommario Si presenta uno schema che consente un passaggio graduale dalle onde di Stokes alle onde cnoidali di prima approssimazione. Per tutte queste vengono esaminate la celerità di propagazione dell'energia e le velocità indotte sul trasporto di massa. In particolare si evidenzia che la densità di energia trasla con la celerità di fase.

     

Scattering kernels for the boundary conditions of the boltzmann equation on the moving boundary of two-phase systems

Summary This paper deals with the problem of the boundary conditions for the Boltzmann equation on the moving boundary between a liquid and a vapour phase with condensation and vaporization in non-equilibrium conditions. A physical theory is proposed on the basis of the mathematical theory of the scattering kernels, of the kinetic theory and of the statistical theory of phase-transition. The mathematical result of this theory consists in a set of equations correlating, by means of integral operators, the distribution function of the molecules leaving the liquid surface to the one of the molecules arriving on the surface of the liquid phase.

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Sommario Il presente lavoro studia il problema della condizione al contorno per l'equazione di Boltzmann sulla frontiera mobile fra la fase liquida e quella di vapore di un sistema bifasico in condizioni di disequilibrio termodinamico. Si propone, sulla base dei metodi matematici della teoria cinetica e della teoria degli «scattering kernels» e sulla base dei risultati precedenti di una teoria statistica di transizione di fase, una teoria fisico-matematica per lo studio del problema. In termini matematici si ottiene un operatore che correla la funzione di distribuzione delle molecole che lasciano la superficie liquida alla funzione di distribuzione delle molecole che arrivano sulla superficie. Tale operatore rappresenta la formulazione della condizione al contorno.

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This work has been realized within the activities of the Italian Council for the Research, Gruppo Nazionale per la Fisica Matematica, and presented at the Euromech Colloquium 86 on the «Boltzmann Equation».     

A double Hopf bifurcation phenomenon

Summary A degenerate dynamic bifurcation phenomenon exhibited by autonomous systems is analyzed in detail. The situation arises when a key coefficient vanishes at a critical point where Hopf's transversality condition is also violated simultaneously. It is demostrated analytically that, unlike the phenomenon of Hopf bifurcation, in this case the existence of bifurcating family of limit cycles cannot be guaranteed. Indeed, an existence condition emerges as an integral part of the analysis. Under this existence condition, several topologically distinct phenomena may arise, and the conditions giving rise to such cases are discussed. the asymptotic equations of the bifurcating paths, the family of limit cycles and frequency-amplitude relationships are given in general, explicitforms which can be used in the analyses of specific problems directly.

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Sommario Il lavoro analizza in dettaglio un fenomeno di biforcazione dinamica degenere che si presenta in sistemi autonomi. La situazione sorge quando un coefficiente si annulla in un punto critico dove viene anche simultaneamente violata la condizione di trasversalità di Hopf. Si dimostra analiticamente che, a differenza del fenomeno di biforcazione alla Hopf, in questo caso l'esistenza di una famiglia biforcante di cicli-limite non può essere assicurata; infatti una condizione di esistenza emerge come parte integrante dell'analisi. Sotto tale condizione possono sorgere diversi fenomeni topologicamente distinti; si discutono le condizioni che danno luogo a questi casi. Le equazioni asintotiche degli itinerari di biforcazione, la famiglia di ciclilimite e le relazioni frequenza-ampiezza vengono fornite in forme generalied espliciteche possono essere usate direttamente nelle analisi di problemi specifici.

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The financial support of NSERC of Canada is acknowledged. A part of this paper was presented at 1984 IEEE Int. Sym. on Circuits and Systems, Montreal, Canada [1].     

The influence of surface energy on stress-free microstructures in shape memory alloys

Certain alloys such as In-Tl, Ni-Ti, Ag-Cd or Cu-Al-Ni display remarkable mechanical properties such as the shape memory effect or pseudo-elasticity. This behaviour is related to a solid-solid phase transformation which leads to a complicated microscopic arrangement of different phases. In recent studies such microstructures have been analyzed by the minimization of elastic energy. We discuss the influence of additional surface energy terms on the existence of stress-free microstructures both in the nonlinear and a geometrically linear setting.

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Sommario Certe leghe come quelle di In-Tl, Ni-Ti, Ag-Cd o Cu-Al-Ni mostrano proprietà meccaniche notevoli quali la memoria di forma o la pseudoelasticità. Questo comportamento è determinato da una trasformazione di fase solido-solido che conduce a complicati arrangiamenti a livelo microscopico. In studi recenti tali microstrutture sono state analizzate attraverso la minimizzazione dell'energia elastica. Noi discutiamo l'influenza di termini addizionali di energia superficiale sull'esistenza di microstrutture in uno stato naturale sia in un contesto lineare che non lineare.

     

Bias in modal parameters due to aliasing in the time domain

This paper deals with some aliasing effects in the time domain that can lead to unacceptable misestimations of modal parameters. When a frequency response function of a vibrating system is sampled and inverse Fourier transformed, the resulting impulse response is given by an infinite geometric series, the single term of which is the impulse response itself shifted in time. For this reason, some modal parameters, if estimated in the time domain, are biased; in particular, while the damping factor and the natural frequency are not influenced by the aliasing phenomenon, the magnitude and phase of the residue can be highly biased. Corrective terms are theoretically evaluated and their efficiency is shown in numerical simulations.

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Sommario In questo articolo e' presentato un metodo per correggere gli errori che si compiono nella stima di alcuni parametri modali, quando essi vengono ricavati nel dominio del tempo. Infatti se la funzione di risposta in frequenza e' ottenuta con eccitazioni particolari—quali ad esempio lo pseudo-random, lo stepped-sine a passo costante o lo sweep in frequenza-la risposta impulsiva, ottenuta per mezzo dell'antitrasformata discreta di Fourier, risulta periodica, con periodo pari all'inverso della spaziatura tra le righe spettrali. Cio' comporta un errore nella stima dell'ampiezza e della fase del residuo, mentre nessuna conseguenza si ha sulla frequenza naturale e sul fattore di smorzamento. L'errore sulle stime risulta tanto piu' grande, quanto meno smorzata e' la risposta impulsiva all'interno dell'intervallo di osservazione.Partendo dall'inviluppo e dalla fase istantanea dei segnali complessi, ottenibili per mezzo della trasformata di Hilbert, si sono ricavati i termini correttivi sia per il modulo, che per la fase del residuo. La validita' delle correzioni e' mostrata con esempi numerici.

     

Dislocation theory as a physical field theory

Dislocations are the elementary carriers in many situations of plastic flow. Since they can be seen, counted and typified, e.g. in the electron microscope, and since their presence changes the state of the (elastoplastic) medium, the dislocations have the status of a physical state quantity. In spite of this a continuum theory of elastoplasticity can be built up which does not use the concept of dislocation. However, disregarding the dislocations implies approximation, and this approximation is not always good, in spite of the smallness of the dislocation diameter (order atomic distance). It is discussed how a field theory of dislocations can be developed which takes full account of the dislocational degrees of freedom.

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Sommario In molte situazioni le dislocazioni sono i portatori puntiformi del flusso plastico. Poiché esse possono essere viste, contate e classificate, per esempio mediante il microscopio elettronico, e poiché la loro presenza cambia lo stato del mezzo (elastoplastico), le dislocazioni svolgono il ruolo di una variabile di stato. Nonostante ciò, si può formulare una teoria dell'elastoplasticità che non usa il concetto di dislocazione. Tuttavia, il trascurare le dislocazioni comporta un'approssimazione, e tale approssimazione non è sempre buona nonostante la piccolezza delle dislocazioni (dell'ordine della distanza interatomica). Si discute come si possasviluppare una teoria di campo delle dislocazione che tenga conto completo del loro grado di mobilità.

     

Chemical convective instability and quasi-equilibrium thermodynamics

Summary A nonlinear stability analysis is described for the Bénard problem for a chemically reacting fluid heated from above; the findings are compared with those of Wollkind & Frisch. Next an energy stability analysis is given for the model of Wollkind & Frisch and it is shown that instabilities may occur.

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Sommario Si sviluppa un'analisi non lineare della stabilità per il problema di Bénard relativo ad un fluido chimicamente reagente e riscaldato dall'alto; i risultati sono confrontati con quelli trovati in precedenza da Wollkind & Frisch. Successivamente si elabora un'analisi non lineare della stabilità proprio per il modello di Wollkind & Frisch e si mostra che si possono presentare delle instabilità.

     

Torsional oscillations in constant — velocity drives incorporating two cardan joints: The present state of knowledge and the design of an experimental research

Summary The paper reports a survey and a comparison between theoretical predictions (as well as few experimental findings already known) on dinamic stability of torsional oscillations in two-Cardan-joint constant-velocity drives.In such a drive self excited oscillations arise due to the periodic velocity ratios through the joints, which may be brought out of phase by the intermediate shaft twist. The survey deals mainly with systems having a single-degree-of-freedom and with analysis made by means of both linear and non-linear oscillations theories; these ones predict the existence of parameters critical ranges, in which instability conditions or at least very high amplitude of oscillations will take place; more, they predict that these ranges will be found not only in the vicinity of resonance between revolving speed and sistem's natural circular frequency but also in the vicinity of unit fraction values of the natural frequency.Then the paper reports the design of a special test apparatus, later built and used as we will see in a forthcoming paper, allowing to experience a broad range of testing conditions (revolving speed, misalignment, damping, all variable or settable at will) and to measure and record the oscillatory relative motion of the drive output shaft.

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Sommario Il lavoro riferisce circa la rielaborazione e il confronto fra previsioni teoriche (nonchè alcuni risultati sperimentali già pubblicati) sulla stabilità dinamica delle oscillazioni torsionali in trasmissioni omocientiche a doppio giunto di Cardano. In tali trasmissioni, oscillazioni autoeccitate sono provocate dalla periodicità dei rapporti di trasmissione attraverso i giunti, che possono trovarsi sfasati a causa della torsione dell'albero intermedio.L'indagine riguarda sistemi a un grado di libertà analizzati sia con la teoria delle oscillazioni lineari che con quella delle non lineari; esse prevedono l'esistenza di campi critici dei parametri — nei quali si ha instabilità o almeno ampiezza di oscillazione molto grande — non solo vicino alla velocità di rotazione corrispondente alla pulsazione naturale del sistema, ma anche vicino a valori frazionari di quella.Il lavoro riferisce quindi circa la progettazione di una apposita apparecchiatura di prova, poi effettivamente costruita e utilizzata, tale da consentire di sperimentare una vasta gamma di condizioni di prova, rilevando e registrando il moto, oscillatorio, di rotazione relativa dell'albero d'uscita.