كان ويليام جون ماكوورن رانكين مهندساً ميكانيكياً اسكتلندياً ساهم أيضاً في الهندسة المدنية والفيزياء والرياضيات. كان من المساهمين المؤسسين، جنباً إلى جنب مع Rudolf Clausius و William Thomson Lord Kelvin، في علم الديناميكا الحرارية، مركزاً بشكل خاص على أول القوانين الديناميكية الحرارية الثلاثة. طور مقياس Rankine، وهو معادل لمقياس Kelvin للحرارة، لكن بدرجات فهرنهايت بدلاً من درجات مئوية.
طور رانكين نظرية كاملة عن محرك البخار وفي الواقع عن جميع محركات الحرارة. تم استخدام أدلته في العلوم والممارسة الهندسية لعقود عديدة بعد نشرها في الخمسينيات والستينيات من القرن التاسع عشر. نشر عدة مئات من الأوراق والملاحظات حول المواضيع العلمية والهندسية، من عام 1840 فصاعداً، وكانت اهتماماته متنوعة جداً، بما في ذلك، في شبابه، النباتات ونظرية الموسيقى ونظرية الأعداد، وفي سنواته الناضجة، معظم الفروع الرئيسية للعلوم والرياضيات والهندسة.
كان مغنياً وعازف بيانو وعازف تشيللو هاوياً متحمساً قام بتأليف أغانيه الفكاهية الخاصة.
السيرة الذاتية
وُلد رانكين في Edinburgh لـ Lt David Rankin سيك، مهندس مدني من أصول عسكرية، عمل لاحقاً على خط السكك الحديدية من Edinburgh إلى Dalkeith المعروف محلياً باسم الـ Innocent Railway. كانت والدته Barbara Grahame من عائلة قانونية وبنكية بارزة.
انتقل والده حول Scotland في مختلف المشاريع وانتقلت الأسرة معه. تلقى ويليام تعليمه الأولي في المنزل لكنه التحق لاحقاً بـ Ayr Academy 1828–29 ثم High School of Glasgow 1830. حوالي عام 1830 انتقلت الأسرة إلى Edinburgh عندما حصل الأب على منصب مدير خط السكك الحديدية من Edinburgh إلى Dalkeith. عاشت الأسرة آنذاك في 2 Arniston Place.
في عام 1834 تم إرساله إلى Scottish Naval and Military Academy على Lothian Road في Edinburgh مع الرياضياتي George Lee. بحلول ذلك العام كان ويليام بارعاً جداً بالفعل في الرياضيات وتلقى هدية من عمه، Principia 1687 لـ Isaac Newton باللاتينية الأصلية.
في عام 1836، بدأ رانكين دراسة طيف من المواضيع العلمية في University of Edinburgh، بما في ذلك التاريخ الطبيعي تحت إشراف Robert Jameson والفلسفة الطبيعية تحت إشراف James David Forbes. تحت إشراف Forbes تم تكريمه بجوائز للمقالات حول طرق التحقيق الفيزيائي وحول النظرية الموجية أو نظرية الموجات للضوء. خلال العطل، ساعد والده الذي كان، من عام 1830، مديراً وفيما بعد أميناً فعلياً ومهندساً لخط السكك الحديدية من Edinburgh و Dalkeith الذي جلب الفحم إلى المدينة المتنامية. ترك University of Edinburgh في عام 1838 بدون درجة علمية، وهو أمر لم يكن غير عادي في ذلك الوقت، وربما بسبب الضائقة المالية للعائلة، أصبح متدرباً لدى Sir John Benjamin Macneill، الذي كان آنذاك مساحاً لـ Irish Railway Commission. خلال فترة تدريبه طور تقنية، أصبحت لاحقاً معروفة باسم Rankine's method، لرسم منحنيات السكك الحديدية، مستغلاً بالكامل الـ theodolite وإحداث تحسين كبير في الدقة والإنتاجية على الطرق الموجودة. في الواقع، كانت التقنية قيد الاستخدام المتزامن من قبل مهندسين آخرين - وفي الستينيات من القرن التاسع عشر كان هناك نزاع طفيف حول أولوية رانكين.
كما كان عام 1842 يمثل محاولة رانكين الأولى لتقليل ظواهر الحرارة إلى شكل رياضي لكنه كان محبطاً من نقص البيانات التجريبية لديه. في وقت زيارة Queen Victoria إلى Scotland، بعد ذلك في نفس العام، نظم حريقاً كبيراً يقع على Arthur's Seat، تم بناؤه بممرات هواء متشعبة تحت الوقود. خدم الحريق كمنارة لبدء سلسلة من الحرائق الأخرى عبر Scotland.
في عام 1850 تم انتخابه Fellow of the Royal Society of Edinburgh مقترحه من قبل Prof James David Forbes. فاز بـ Keith Prize الخاص بالجمعية للفترة 1851–53. خدم كنائب رئيس الجمعية من 1871 إلى 1872.
من عام 1855 كان أستاذ الهندسة المدنية والميكانيكا في Glasgow University.
توفي في 8 Albion Crescent المعروفة الآن باسم Dowanside Road، Dowanhill، Glasgow في الساعة 11:45 مساءً في ليلة عيد الميلاد، 24 ديسمبر 1872، في سن 52 فقط. كان عازباً ولم يكن لديه أطفال. تم تسجيل وفاته من قبل عمه، Alex Grahame زوج شقيق والدته الراحلة.
الديناميكا الحرارية
بلا يأس، عاد رانكين إلى افتتانه الشبابي بميكانيكا محرك الحرارة. على الرغم من أن نظريته عن تيارات دورانية من الدوامات المرنة التي تكيفت أحجامها تلقائياً مع بيئتها تبدو خيالية للعلماء المتشكلين على حساب حديث، بحلول عام 1849، تمكن من إيجاد العلاقة بين ضغط البخار المشبع ودرجة الحرارة. في العام التالي، استخدم نظريته لتأسيس علاقات بين درجة الحرارة والضغط وكثافة الغازات، والتعبيرات عن الحرارة الكامنة لتبخر السائل. توقع بدقة الحقيقة المفاجئة التي مفادها أن الحرارة النوعية الظاهرة للبخار المشبع ستكون سالبة.
مشجعاً بنجاحه، في عام 1851 شرع في حساب كفاءة محركات الحرارة واستخدم نظريته كأساس للاستدلال على المبدأ، بأن أقصى كفاءة ممكنة لأي محرك حرارة هي دالة فقط لدرجتي الحرارة اللتين يعمل بينهما. على الرغم من أن نتيجة مماثلة قد اشتقت بالفعل من قبل Rudolf Clausius و William Thomson، ادعى رانكين أن نتيجته تستند على فرضيته حول الدوامات الجزيئية وحدها، وليس على نظرية Carnot أو بعض الافتراضات الإضافية الأخرى. كان العمل بمثابة الخطوة الأولى في رحلة رانكين لتطوير نظرية أكثر اكتمالاً للحرارة.
أعاد رانكين لاحقاً صياغة نتائج نظرياته الجزيئية من حيث حساب الطاقة العياني وتحولاتها. عرّف وميز بين الطاقة الفعلية التي تم فقدانها في العمليات الديناميكية والطاقة الكامنة التي تم استبدالها بها. افترض أن مجموع الطاقتين يكون ثابتاً، وهي فكرة مألوفة بالفعل، وبكل تأكيد ليس لفترة طويلة، في قانون حفظ الطاقة. من عام 1854، استخدم على نطاق واسع دالة الديناميكا الحرارية الخاصة به والتي أدرك لاحقاً أنها كانت متطابقة مع entropy للـ Clausius. بحلول عام 1855، كان رانكين قد صاغ علم الطاقة الذي قدم حساباً للديناميكا من حيث الطاقة وتحولاتها بدلاً من القوة والحركة. كانت النظرية مؤثرة جداً في التسعينيات. في عام 1859 اقترح مقياس Rankine للحرارة، وهو مقياس مطلق أو ديناميكي حراري درجته مساوية لدرجة فهرنهايت.
قدمت الطاقة لرانكين نهجاً بديلاً، وأكثر سيادة إلى حد ما، لعلمه، ومن منتصف الخمسينيات، استخدم بدرجة أقل من الدوامات الجزيئية الخاصة به. ومع ذلك، ظل يؤكد أن عمل Maxwell حول الكهرومغناطيسية كان فعلياً امتداداً لنموذجه. وفي عام 1864، زعم أن النظريات المجهرية للحرارة المقترحة من قبل Clausius و James Clerk Maxwell، بناءً على الحركة الخطية الذرية، كانت غير كافية. لم يكن حتى عام 1869 أن رانكين اعترف بنجاح هذه النظريات المنافسة. بحلول ذلك الوقت، أصبح نموذج الذرة الخاص به متطابقاً تقريباً مع نموذج Thomson.
كما كان هدفه المستمر، خاصة كمدرس للهندسة، استخدم نظرياته الخاصة لتطوير عدد من النتائج العملية وإيضاح مبادئها الفيزيائية بما في ذلك:
- معادلة Rankine–Hugoniot لانتشار موجات الصدمة، تحكم سلوك موجات الصدمة الطبيعية للتدفق القادم. سميت على اسم الفيزيائيين Rankine والمهندس الفرنسي Pierre Henri Hugoniot؛
- دورة Rankine، تحليل محرك حرارة مثالي مع مكثف. مثل الدورات الديناميكية الحرارية الأخرى، تُعطى أقصى كفاءة لدورة Rankine بحساب أقصى كفاءة لدورة Carnot؛
- خصائص البخار والغازات والأبخرة.
تزخر تاريخ ديناميكيات الدوار بالتفاعل بين النظرية والممارسة. أجرى رانكين أول تحليل لعمود دوار في عام 1869، لكن نموذجه لم يكن كافياً وتنبأ بأنه لا يمكن تحقيق السرعات الفائقة الحرجة.
دراسات الإرهاق
كان رانكين من أوائل المهندسين الذين أدركوا أن حالات إرهاق الفشل في محاور السكك الحديدية كانت ناتجة عن بدء نمو الشقوق الهشة. في أوائل الأربعينيات من القرن التاسع عشر، فحص العديد من المحاور المكسورة، خاصة بعد حادث قطار Versailles عام 1842 عندما انكسر محور حركة المحرك فجأة وأدى إلى وفاة أكثر من 50 راكباً. أظهر أن المحاور قد فشلت بسبب النمو التدريجي لشرخ هش من كتف أو مصدر تركيز الإجهاد الآخر على العمود، مثل المفتاح. تم دعمه بتحليل مباشر مماثل للمحاور الفاشلة من قبل Joseph Glynn، حيث فشلت المحاور بسبب النمو البطيء لشرخ هش في عملية تُعرف الآن باسم إرهاق المعادن. من المحتمل أن يكون المحور الأمامي لأحد محركات السكك الحديدية المتورطة في حادث قطار Versailles قد فشل بطريقة مماثلة. قدم رانكين استنتاجاته في ورقة قدمها إلى Institution of Civil Engineers. ومع ذلك، تم تجاهل عمله من قبل العديد من المهندسين الذين استمروا في الاعتقاد بأن الإجهاد يمكن أن يسبب "إعادة تبلور" المعادن، وهي أسطورة استمرت حتى الأوقات الحديثة. كانت نظرية إعادة التبلور خاطئة تماماً، وأعاقت البحث الجدير بالاهتمام حتى عمل William Fairbairn بعد سنوات قليلة، الذي أظهر تأثير الضعف من الانثناء المتكرر على الحزم الكبيرة. ومع ذلك، ظل الإرهاق ظاهرة خطيرة وسيئة الفهم، وكان السبب الجذري للعديد من الحوادث على السكك الحديدية وغيرها. إنها لا تزال مشكلة خطيرة، لكن على الأقل يتم فهمها بشكل أفضل بكثير اليوم، وبالتالي يمكن منع حدوثها من خلال التصميم الدقيق.
أعمال أخرى
خدم رانكين كأستاذ Regius للهندسة المدنية والميكانيكا في University of Glasgow من نوفمبر 1855 حتى وفاته في ديسمبر 1872، ومتابعة البحوث الهندسية على عدة خطوط في الهندسة المدنية والميكانيكية.
لعب رانكين دوراً حاسماً في تشكيل السلف لـ Glasgow University Officer Training Corps، وهو 2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corps في Glasgow University في يوليو 1859، أصبح رتبة Major في عام 1860 بعد تشكيله في أول فوج من 2nd Battalion، 1st Lanarkshire Rifle Volunteer Corps؛ خدم حتى عام 1864، عندما استقال بسبب ضغط العمل - الكثير منها مرتبط بـ Naval Architecture.
الهندسة المدنية
محاضرات Rankine، التي ينظمها British Geotechnical Association، سُميت تقديراً للمساهمات الكبيرة التي قدمها رانكين إلى:
- القوى في هياكل الإطارات؛
- ميكانيكا التربة؛ والأهم من ذلك في نظرية الضغط الجانبي للتربة واستقرار جدران الاستبقاء. يسمى أسلوب تحليل ضغط التربة Rankine على اسمه.
العمارة البحرية
عمل رانكين بشكل وثيق مع بناة السفن على نهر Clyde، خاصة صديقه والمتعاون مدى الحياة James Robert Napier، لجعل العمارة البحرية علماً هندسياً. كان عضواً مؤسساً والرئيس الأول لـ Institution of Engineers & Shipbuilders in Scotland في عام 1857. كان عضواً مبكراً في Royal Institution of Naval Architects المؤسس عام 1860 وحضر العديد من اجتماعاتها السنوية. مع William Thomson وآخرين، كان رانكين عضواً في لجنة التحقيق في الغرق المثير للجدل لـ HMS Captain.
الجوائز والأوسمة
- Fellow of the Royal Scottish Society of Arts
- Associate of the Institution of Civil Engineers، في عام 1843 لم يكن أبداً عضواً كاملاً
- Fellow of the Royal Society of Edinburgh، 1850
- Fellow of the Royal Society of London، 1853
- Keith Medal of the Royal Society of Edinburgh، 1854
- الرئيس المؤسس لـ Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland، 1857
- LL.D. من Trinity College, Dublin، 1857
- عضو أجنبي في Royal Swedish Academy of Sciences، 1868
- مقياس Rankine المطلق فهرنهايت سمي على شرفه.
- Rankine، فوهة تأثير صغيرة بالقرب من حافة القمر الشرقية، سمية أيضاً على شرفه.
- في عام 2013 كان أحد الأربعة المدرجين في قاعة الشهرة الهندسية الاسكتلندية.
المنشورات
- Manual of Applied Mechanics 1858
- Manual of the Steam Engine and Other Prime Movers 1859
- Manual of Civil Engineering 1861
- Shipbuilding, theoretical and practical 1866
- Manual of Machinery and Millwork 1869
- On the Mechanical Action of Heat, especially in Gases and Vapours 1850، قُرئت أمام Royal Society of Edinburgh، 4 فبراير 1850
- On the General Law of Transformation of Energy 1853، قُرئت أمام Glasgow Philosophical Society
- On the Thermodynamic Theory of Waves of Finite Longitudinal Disturbance 1869
- Outlines of the Science of Energetics 1855، قُرئت أمام Glasgow Philosophical Society
- Rankine, William John MacQuorn 1881. Miscellaneous Scientific Papers. London: Charles Griffin and Company
