Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine war ein schottischer Maschinenbauingenieur, der auch zu Tiefbau, Physik und Mathematik beitrug. Er war ein Gründungsbeitragender, zusammen mit Rudolf Clausius und William Thomson Lord Kelvin, zur Wissenschaft der Thermodynamik, insbesondere konzentriert sich auf das erste der drei thermodynamischen Gesetze. Er entwickelte die Rankine-Skala, ein Äquivalent zur Kelvin-Skala der Temperatur, aber in Grad Fahrenheit statt Celsius.

Rankine entwickelte eine vollständige Theorie der Dampfmaschine und tatsächlich aller Wärmekraftmaschinen. Seine Handbücher der Ingenieurwissenschaft und -praxis wurden viele Jahrzehnte nach ihrer Veröffentlichung in den 1850er und 1860er Jahren verwendet. Er veröffentlichte mehrere hundert Arbeiten und Notizen zu Wissenschafts- und Ingenieurthemen ab 1840, und seine Interessen waren äußerst vielfältig, einschließlich in seiner Jugend Botanik, Musiktheorie und Zahlentheorie sowie in seinen reifen Jahren die meisten großen Zweige der Wissenschaft, Mathematik und des Ingenieurwesens.

Er war ein begeisterter Amateur-Sänger, Pianist und Cellist, der seine eigenen humorvollen Lieder komponierte.

Leben

Rankine wurde in Edinburgh als Sohn von Lt David Rankin sic, einem Tiefbauingenieur mit militärischem Hintergrund, geboren, der später an der Edinburgh to Dalkeith Railway, lokal als die Innocent Railway bekannt, arbeitete. Seine Mutter war Barbara Grahame, aus einer prominenten Rechts- und Bankfamilie.

Sein Vater zog an verschiedene Orte in Schottland für verschiedene Projekte, und die Familie zog mit ihm. William wurde zunächst zu Hause unterrichtet, besuchte aber später die Ayr Academy 1828–29 und dann die High School of Glasgow 1830. Um 1830 zog die Familie nach Edinburgh, als der Vater eine Stelle als Manager der Edinburgh to Dalkeith Railway erhielt. Die Familie lebte dann in 2 Arniston Place.

1834 wurde er zusammen mit dem Mathematiker George Lee zur Scottish Naval and Military Academy in der Lothian Road in Edinburgh geschickt. Zu diesem Zeitpunkt war William bereits hochgradig in Mathematik bewandert und erhielt als Geschenk von seinem Onkel Isaac Newtons Principia 1687 im ursprünglichen Lateinischen.

1836 begann Rankine an der University of Edinburgh ein Spektrum wissenschaftlicher Themen zu studieren, darunter Naturgeschichte unter Robert Jameson und Naturphilosophie unter James David Forbes. Unter Forbes erhielt er Preise für Essays über Methoden physikalischer Untersuchung und über die undulatorische oder Wellentheorie des Lichts. Während der Ferien half er seinem Vater, der ab 1830 Manager und später effektiver Schatzmeister und Ingenieur der Edinburgh and Dalkeith Railway war, die Kohle in die wachsende Stadt brachte. Er verließ die University of Edinburgh 1838 ohne Abschluss, was damals nicht ungewöhnlich war und wurde, möglicherweise wegen angespannter Familienfinanzen, Lehrling bei Sir John Benjamin Macneill, der damals Vermesser der Irish Railway Commission war. Während seiner Ausbildung entwickelte er eine Technik, später als Rankines Methode bekannt, zum Verlegen von Eisenbahnkurven, vollständig ausnutzend das Theodoliten und einen erheblichen Verbesserung in Genauigkeit und Produktivität gegenüber bestehenden Methoden erbringend. Tatsächlich war die Technik gleichzeitig von anderen Ingenieuren in Gebrauch – und in den 1860er Jahren gab es einen kleineren Streit über Rankines Priorität.

Das Jahr 1842 markierte auch Rankines ersten Versuch, die Phänomene der Wärme in eine mathematische Form zu reduzieren, aber er wurde durch seinen Mangel an experimentellen Daten frustriert. Bei Gelegenheit des Besuchs von Königin Victoria in Schottland später in diesem Jahr organisierte er ein großes Feuer auf dem Arthur's Seat, konstruiert mit strahlenden Luftkanälen unter dem Brennstoff. Das Feuer diente als Leuchtfeuer zur Einleitung einer Kette anderer Feuer in ganz Schottland.

1850 wurde er zum Fellow der Royal Society of Edinburgh gewählt, sein Vorschlagender war Prof James David Forbes. Er gewann den Keith Prize der Society für den Zeitraum 1851–53. Er diente als Vizepräsident der Society von 1871 bis 1872.

Ab 1855 war er Professor für Tiefbau und Mechanik an der Glasgow University.

Er starb in 8 Albion Crescent, jetzt Dowanside Road genannt, Dowanhill, Glasgow um 23:45 Uhr am Heiligabend, 24. Dezember 1872, nur 52 Jahre alt. Er war unverheiratet und hatte keine Kinder. Sein Tod wurde von seinem Onkel, Alex Grahame, dem Schwager seiner verstorbenen Mutter, registriert.

Thermodynamik

Unerschrocken kehrte Rankine zu seiner jugendlichen Faszination mit der Mechanik der Wärmekraftmaschine zurück. Obwohl seine Theorie der zirkulierenden Ströme elastischer Wirbel, deren Volumen sich spontan ihrer Umgebung anpassten, für Wissenschaftler, die auf modernen Grundlagen geformt wurden, fantastisch klingt, hatte er bis 1849 die Beziehung zwischen gesättigtem Dampfdruck und Temperatur erfolgreich gefunden. Im folgenden Jahr nutzte er seine Theorie, um Beziehungen zwischen der Temperatur, dem Druck und der Dichte von Gasen sowie Ausdrücke für die Verdampfungswärme einer Flüssigkeit herzustellen. Er sagte genau voraus, dass die scheinbare spezifische Wärme von gesättigtem Dampf negativ sein würde.

Ermutigt durch seinen Erfolg setzte er sich 1851 zum Ziel, die Effizienz von Wärmekraftmaschinen zu berechnen, und nutzte seine Theorie als Grundlage, um das Prinzip abzuleiten, dass die maximale mögliche Effizienz für jede Wärmekraftmaschine nur eine Funktion der beiden Temperaturen ist, zwischen denen sie betrieben wird. Obwohl ein ähnliches Ergebnis bereits von Rudolf Clausius und William Thomson abgeleitet worden war, behauptete Rankine, dass sein Ergebnis allein auf seiner Hypothese der molekularen Wirbel beruhte, nicht auf Carnots Theorie oder einer anderen zusätzlichen Annahme. Die Arbeit markierte den ersten Schritt auf Rankines Weg zur Entwicklung einer vollständigeren Theorie der Wärme.

Rankine fasste später die Ergebnisse seiner Molekültheorien in einer makroskopischen Darstellung der Energie und ihrer Umwandlungen neu. Er definierte und unterschied zwischen tatsächlicher Energie, die in dynamischen Prozessen verloren ging, und potentieller Energie, durch die sie ersetzt wurde. Er annahm, dass die Summe der beiden Energien konstant sei, eine Idee, die bereits, obwohl sicherlich nicht sehr lange, in dem Gesetz der Energieerhaltung vertraut war. Ab 1854 machte er umfangreiche Verwendung seiner thermodynamischen Funktion, die er später als identisch mit der Entropie von Clausius erkannte. Bis 1855 hatte Rankine eine Wissenschaft der Energetik formuliert, die eine Darstellung der Dynamik in Bezug auf Energie und ihre Umwandlungen anstelle von Kraft und Bewegung gab. Die Theorie war in den 1890er Jahren sehr einflussreich. 1859 schlug er die Rankine-Skala der Temperatur vor, eine absolute oder thermodynamische Skala, deren Grad einem Fahrenheit-Grad entspricht.

Die Energetik bot Rankine einen alternativen und ziemlich konventionelleren Ansatz für seine Wissenschaft, und ab der Mitte der 1850er Jahre machte er eher weniger Gebrauch von seinen molekularen Wirbeln. Doch er behauptete immer noch, dass Maxwells Arbeiten zum Elektromagnetismus effektiv eine Erweiterung seines Modells waren. Und 1864 argumentierte er, dass die mikroskopischen Wärmetheorien, die von Clausius und James Clerk Maxwell auf der Grundlage der linearen atomaren Bewegung vorgeschlagen wurden, unzureichend waren. Erst 1869 gab Rankine den Erfolg dieser konkurrierenden Theorien zu. Zu dieser Zeit war sein eigenes Modell des Atoms fast identisch mit dem von Thomson geworden.

Wie es sein ständiges Ziel war, besonders als Lehrer des Ingenieurwesens, nutzte er seine eigenen Theorien, um eine Reihe praktischer Ergebnisse zu entwickeln und ihre physikalischen Prinzipien zu erläutern, einschließlich:

• Die Rankine-Hugoniot-Gleichung für die Ausbreitung von Stoßwellen, regelt das Verhalten von Stoßwellen normal zur ankommenden Strömung. Sie ist nach den Physikern Rankine und dem französischen Ingenieur Pierre Henri Hugoniot benannt;
• Der Rankine-Kreisprozess, eine Analyse einer idealen Wärmekraftmaschine mit Kondensor. Wie andere thermodynamische Kreisprozesse wird die maximale Effizienz des Rankine-Kreisprozesses durch Berechnung der maximalen Effizienz des Carnot-Kreisprozesses gegeben;
• Eigenschaften von Dampf, Gasen und Dämpfen.

Die Geschichte der Rotordynamik ist voller des Zusammenspiels von Theorie und Praxis. Rankine führte 1869 zunächst eine Analyse einer rotierenden Welle durch, aber sein Modell war nicht angemessen und er sagte voraus, dass überkritische Geschwindigkeiten nicht erreicht werden konnten.

Ermüdungsstudien

Rankine war einer der ersten Ingenieure, der erkannte, dass Ermüdungsausfälle von Eisenbahnachsen durch die Initiierung und das Wachstum von spröden Rissen verursacht wurden. In den frühen 1840er Jahren untersuchte er viele gebrochene Achsen, besonders nach dem Versailles-Zugunglück von 1842, als eine Lokomotivachse plötzlich brach und zum Tod von über 50 Fahrgästen führte. Er zeigte, dass die Achsen durch progressives Wachstum eines spröden Risses von einer Schulter oder einer anderen Spannungskonzentrationsstelle auf der Welle, wie beispielsweise einer Passfeder, fehlgeschlagen waren. Er wurde durch ähnliche direkte Analyse fehlgeschlagener Achsen von Joseph Glynn unterstützt, wobei die Achsen durch langsames Wachstum eines spröden Risses in einem Prozess fehlgeschlagen waren, der jetzt als Metallermüdung bekannt ist. Es war wahrscheinlich, dass die Vorderachse einer der am Versailles-Zugunglück beteiligten Lokomotiven auf ähnliche Weise fehlgeschlagen ist. Rankine präsentierte seine Schlussfolgerungen in einer Arbeit, die der Institution of Civil Engineers vorgelegt wurde. Seine Arbeit wurde jedoch von vielen Ingenieuren ignoriert, die weiterhin glaubten, dass Stress eine „Rekristallisierung" des Metalls verursachen könnte, ein Mythos, der bis in die jüngste Zeit angehalten hat. Die Theorie der Rekristallisierung war ganz falsch und hinderte förderliche Forschung, bis die Arbeiten von William Fairbairn wenig später, die die schwächende Wirkung wiederholter Biegung auf große Balken zeigten. Nichtsdestotrotz blieb Ermüdung ein ernstes und schlecht verstandenes Phänomen und war die Grundursache vieler Unfälle auf Eisenbahnen und anderswo. Es ist immer noch ein ernstes Problem, aber wird zumindest heute viel besser verstanden, und kann daher durch sorgfältiges Design verhindert werden.

Weitere Arbeiten

Rankine diente als Regius Professor für Tiefbau und Mechanik an der University of Glasgow von November 1855 bis zu seinem Tod im Dezember 1872, wobei er Ingenieurforschung entlang einer Reihe von Linien im Zivil- und Maschinenbau verfolgte.

Rankine war instrumental bei der Bildung des Vorläufers des Glasgow University Officer Training Corps, des 2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corps der Glasgow University im Juli 1859, und wurde 1860 Major, nachdem er in die erste Kompanie des 2. Bataillons, 1. Lanarkshire Rifle Volunteer Corps umgewandelt wurde; er diente bis 1864, als er wegen Arbeitsdruck zurücktrat – vieles davon verbunden mit Marinearchitektur.

Tiefbau

Die Rankine Lectures, organisiert von der British Geotechnical Association, sind benannt zur Anerkennung der bedeutenden Beiträge, die Rankine leistete zu:

• Kräften in Stabwerkstrukturen;
• Bodenmechanik; besonders in der Lateralerddrucktheorie und der Stabilisierung von Stützmauern. Die Rankine-Methode der Erddruckanalyse ist nach ihm benannt.

Marinearchitektur

Rankine arbeitete eng mit Clyde-Schiffbauern zusammen, besonders mit seinem Freund und lebenslangen Mitarbeiter James Robert Napier, um Marinearchitektur zu einer Ingenieurwissenschaft zu machen. Er war ein Gründungsmitglied und erster Präsident der Institution of Engineers & Shipbuilders in Scotland 1857. Er war ein frühes Mitglied der Royal Institution of Naval Architects, gegründet 1860, und besuchte viele ihrer jährlichen Tagungen. Mit William Thomson und anderen war Rankine Mitglied des Untersuchungsausschusses zum umstrittenen Untergang der HMS Captain.

Auszeichnungen und Ehren

• Fellow der Royal Scottish Society of Arts
• Associate der Institution of Civil Engineers, 1843 war er niemals vollständiges Mitglied
• Fellow der Royal Society of Edinburgh, 1850
• Fellow der Royal Society of London, 1853
• Keith Medal der Royal Society of Edinburgh, 1854
• Gründungspräsident der Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland, 1857
• LL.D. von Trinity College, Dublin, 1857
• Ausländisches Mitglied der Royal Swedish Academy of Sciences, 1868
• Die Rankine absolute Fahrenheit-Skala ist zu seinen Ehren benannt.
• Rankine, ein kleiner Einschlagkrater in der Nähe des östlichen Randes des Mondes, ist ebenfalls zu seinen Ehren benannt.
• 2013 war er einer von vier Aufnahmen in die Scottish Engineering Hall of Fame.

Veröffentlichungen

• 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, read at the Royal Society of Edinburgh, 4 February 1850
• On the General Law of Transformation of Energy 1853, read at the Glasgow Philosophical Society
• On the Thermodynamic Theory of Waves of Finite Longitudinal Disturbance 1869
• Outlines of the Science of Energetics 1855, read at the Glasgow Philosophical Society
• Rankine, William John MacQuorn 1881. Miscellaneous Scientific Papers. London: Charles Griffin and Company.