Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine fue un ingeniero mecánico escocés que también contribuyó a la ingeniería civil, la física y las matemáticas. Fue un contribuyente fundador, junto con Rudolf Clausius y William Thomson Lord Kelvin, a la ciencia de la termodinámica, enfocándose particularmente en la primera de las tres leyes termodinámicas. Desarrolló la escala Rankine, equivalente a la escala Kelvin de temperatura, pero en grados Fahrenheit en lugar de Celsius.

Rankine desarrolló una teoría completa del motor de vapor y de hecho de todos los motores térmicos. Sus manuales de ciencia e ingeniería práctica fueron utilizados durante muchas décadas después de su publicación en los años 1850 y 1860. Publicó varios cientos de artículos y notas sobre temas científicos e ingenieriles, a partir de 1840, y sus intereses fueron extremadamente variados, incluyendo, en su juventud, botánica, teoría musical y teoría de números, y, en sus años de madurez, la mayoría de las ramas principales de la ciencia, las matemáticas y la ingeniería.

Era un cantante, pianista y chelista aficionado entusiasta que componía sus propias canciones humorísticas.

Vida

Rankine nació en Edinburgh en el seno de una familia del teniente David Rankin sic, ingeniero civil de origen militar, que posteriormente trabajó en el ferrocarril Edinburgh a Dalkeith, conocido localmente como el Innocent Railway. Su madre era Barbara Grahame, de una familia prominente de abogados y banqueros.

Su padre se trasladó por varias partes de Escocia en diferentes proyectos y la familia se movía con él. William fue educado inicialmente en casa pero posteriormente asistió a Ayr Academy 1828–29 y luego a la High School of Glasgow 1830. Alrededor de 1830 la familia se mudó a Edinburgh cuando su padre consiguió un puesto como Gerente del ferrocarril Edinburgh a Dalkeith. La familia entonces vivía en 2 Arniston Place.

En 1834 fue enviado a la Scottish Naval and Military Academy en Lothian Road en Edinburgh con el matemático George Lee. Para ese año William ya era altamente competente en matemáticas y recibió, como regalo de su tío, los Principia 1687 de Isaac Newton en latín original.

En 1836, Rankine comenzó a estudiar un espectro de temas científicos en la University of Edinburgh, incluyendo historia natural bajo Robert Jameson y filosofía natural bajo James David Forbes. Bajo Forbes recibió premios por ensayos sobre métodos de investigación física y sobre la teoría ondulatoria o de ondas de la luz. Durante las vacaciones, asistía a su padre quien, desde 1830, fue gerente y, posteriormente, tesorero efectivo e ingeniero del ferrocarril Edinburgh and Dalkeith que traía carbón a la ciudad en crecimiento. Dejó la University of Edinburgh en 1838 sin título, lo que no era entonces inusual y, posiblemente debido a las dificultades financieras familiares, se convirtió en aprendiz de Sir John Benjamin Macneill, quien era en ese momento inspector de la Irish Railway Commission. Durante su período de aprendizaje desarrolló una técnica, posteriormente conocida como el método de Rankine, para trazar curvas de ferrocarril, aprovechando plenamente el teodolito e hizo una mejora sustancial en precisión y productividad sobre los métodos existentes. De hecho, la técnica estaba siendo utilizada simultáneamente por otros ingenieros – y en los años 1860 hubo una disputa menor sobre la prioridad de Rankine.

El año 1842 también marcó el primer intento de Rankine de reducir los fenómenos del calor a una forma matemática pero fue frustrado por su falta de datos experimentales. En el momento de la visita de la Reina Victoria a Escocia, más tarde ese año, organizó una gran hoguera situada en Arthur's Seat, construida con pasajes de aire radiantes bajo el combustible. La hoguera sirvió como una señal para iniciar una cadena de otras hogueras en toda Escocia.

En 1850 fue elegido Miembro de la Royal Society of Edinburgh, siendo su proponente el Prof James David Forbes. Ganó el Keith Prize de la Sociedad por el período 1851–53. Sirvió como Vicepresidente de la Sociedad de 1871 a 1872.

Desde 1855 fue Profesor de Ingeniería Civil y Mecánica en la Glasgow University.

Murió en 8 Albion Crescent ahora llamado Dowanside Road, Dowanhill, Glasgow a las 23:45 en la víspera de Navidad, 24 de diciembre de 1872, con solo 52 años. Nunca se casó y no tuvo hijos. Su muerte fue registrada por su tío, Alex Grahame, el cuñado de su difunta madre.

Termodinámica

Sin desanimarse, Rankine volvió a su fascinación juvenil con la mecánica del motor térmico. Aunque su teoría de corrientes circulantes de vórtices elásticos cuyos volúmenes se adaptaban espontáneamente a su entorno suene fanciful para científicos formados en una cuenta moderna, para 1849, había logrado encontrar la relación entre la presión de vapor saturado y la temperatura. Al año siguiente, utilizó su teoría para establecer relaciones entre la temperatura, presión y densidad de los gases, y expresiones para el calor latente de evaporación de un líquido. Predijo con precisión el hecho sorprendente de que el calor específico aparente del vapor saturado sería negativo.

Alentado por su éxito, en 1851 se propuso calcular la eficiencia de los motores térmicos y utilizó su teoría como base para deducir el principio de que la máxima eficiencia posible para cualquier motor térmico es una función solo de las dos temperaturas entre las cuales opera. Aunque ya se había derivado un resultado similar de Rudolf Clausius y William Thomson, Rankine afirmó que su resultado se basaba únicamente en su hipótesis de vórtices moleculares, en lugar de la teoría de Carnot u otra suposición adicional. El trabajo marcó el primer paso en el viaje de Rankine para desarrollar una teoría más completa del calor.

Rankine posteriormente reformuló los resultados de sus teorías moleculares en términos de una cuenta macroscópica de la energía y sus transformaciones. Definió y distinguió entre energía real que se perdía en procesos dinámicos y energía potencial por la cual era reemplazada. Asumió que la suma de las dos energías era constante, una idea ya, aunque seguramente no por mucho tiempo, familiar en la ley de conservación de la energía. Desde 1854, hizo un amplio uso de su función termodinámica que luego se dio cuenta era idéntica a la entropía de Clausius. Para 1855, Rankine había formulado una ciencia de la energética que daba una cuenta de la dinámica en términos de energía y sus transformaciones en lugar de fuerza y movimiento. La teoría fue muy influyente en los años 1890. En 1859 propuso la escala Rankine de temperatura, una escala absoluta o termodinámica cuyo grado es igual a un grado Fahrenheit.

La energética ofrecía a Rankine un enfoque alternativo, y algo más principal, a su ciencia y, desde mediados de los años 1850, hizo un uso bastante menor de sus vórtices moleculares. Sin embargo, aún afirmaba que el trabajo de Maxwell sobre electromagnética era efectivamente una extensión de su modelo. Y, en 1864, sostuvo que las teorías microscópicas del calor propuestas por Clausius y James Clerk Maxwell, basadas en el movimiento atómico lineal, eran inadecuadas. Fue solo en 1869 que Rankine admitió el éxito de estas teorías rivales. Para ese momento, su propio modelo del átomo se había vuelto casi idéntico al de Thomson.

Como fue su objetivo constante, especialmente como profesor de ingeniería, utilizó sus propias teorías para desarrollar una serie de resultados prácticos e iluminar sus principios físicos incluyendo:

• La ecuación de Rankine–Hugoniot para la propagación de ondas de choque, que gobierna el comportamiento de las ondas de choque normales al flujo entrante. Lleva el nombre de los físicos Rankine y el ingeniero francés Pierre Henri Hugoniot;
• El ciclo Rankine, un análisis de un motor térmico ideal con condensador. Como otros ciclos termodinámicos, la máxima eficiencia del ciclo Rankine se da calculando la máxima eficiencia del ciclo de Carnot;
• Propiedades del vapor, gases y vapores.

La historia de la rotodinámica está repleta de la interacción de la teoría y la práctica. Rankine realizó por primera vez un análisis de un eje giratorio en 1869, pero su modelo no fue adecuado y predijo que las velocidades supercríticas no podrían alcanzarse.

Estudios de fatiga

Rankine fue uno de los primeros ingenieros en reconocer que los fallos por fatiga de los ejes de ferrocarril fueron causados por la iniciación y crecimiento de grietas frágiles. En los primeros años de los 1840 examinó muchos ejes rotos, especialmente después del desastre ferroviario de Versalles de 1842 cuando un eje de locomotora se fracturó repentinamente y llevó a la muerte de más de 50 pasajeros. Mostró que los ejes fallaron por el crecimiento progresivo de una grieta frágil desde un hombro u otra fuente de concentración de tensión en el eje, como una ranura. Fue apoyado por análisis directo similar de ejes fallidos por Joseph Glynn, donde los ejes fallaron por crecimiento lento de una grieta frágil en un proceso ahora conocido como fatiga del metal. Es probable que el eje delantero de una de las locomotoras involucradas en el desastre ferroviario de Versalles haya fallado de manera similar. Rankine presentó sus conclusiones en un artículo presentado a la Institution of Civil Engineers. Sin embargo, su trabajo fue ignorado por muchos ingenieros que persistieron en la creencia de que el estrés podría causar "recristalización" del metal, un mito que ha persistido incluso hasta tiempos recientes. La teoría de la recristalización fue bastante errónea e inhibió la investigación valiosa hasta el trabajo de William Fairbairn unos años más tarde, que mostró el efecto debilitante de la flexión repetida en vigas grandes. Sin embargo, la fatiga siguió siendo un fenómeno grave y poco comprendido, y fue la causa raíz de muchos accidentes en los ferrocarriles y otros lugares. Sigue siendo un problema grave, pero al menos es mucho mejor comprendido hoy en día, y por lo tanto puede prevenirse mediante un diseño cuidadoso.

Otros trabajos

Rankine sirvió como Regius Professor of Civil Engineering and Mechanics en la University of Glasgow desde noviembre de 1855 hasta su muerte en diciembre de 1872, realizando investigación de ingeniería a lo largo de varias líneas en ingeniería civil y mecánica.

Rankine fue instrumental en la formación del precursor del Glasgow University Officer Training Corps, el 2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corps en Glasgow University en julio de 1859, convirtiéndose en Mayor en 1860 después de ser formado en la primera compañía del 2nd Battalion, 1st Lanarkshire Rifle Volunteer Corps; sirvió hasta 1864, cuando renunció debido a la presión del trabajo – mucho de él asociado con la Arquitectura Naval.

Ingeniería civil

Las Rankine Lectures, organizadas por la British Geotechnical Association, llevan su nombre en reconocimiento de las contribuciones significativas que Rankine hizo a:

• Fuerzas en estructuras de marco;
• Mecánica de suelos; más notablemente en la teoría de la presión lateral de tierras y la estabilización de muros de retención. El método Rankine de análisis de presión de tierras lleva su nombre.

Arquitectura naval

Rankine trabajó estrechamente con los constructores de buques del Clyde, especialmente con su amigo y colaborador de toda la vida James Robert Napier, para convertir la arquitectura naval en una ciencia de la ingeniería. Fue miembro fundador y primer Presidente de la Institution of Engineers & Shipbuilders in Scotland en 1857. Fue un miembro temprano de la Royal Institution of Naval Architects fundada en 1860 y asistió a muchas de sus reuniones anuales. Con William Thomson y otros, Rankine fue miembro de la junta de investigación sobre el hundimiento controvertido del HMS Captain.

Premios y honores

• Miembro de la Royal Scottish Society of Arts
• Asociado de la Institution of Civil Engineers, 1843, nunca fue un Miembro completo
• Miembro de la Royal Society of Edinburgh, 1850
• Miembro de la Royal Society of London, 1853
• Medalla Keith de la Royal Society of Edinburgh, 1854
• Presidente Fundador de la Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland, 1857
• LL.D. del Trinity College, Dublin, 1857
• Miembro extranjero de la Royal Swedish Academy of Sciences, 1868
• La escala absoluta Rankine Fahrenheit lleva su nombre en su honor.
• Rankine, un pequeño cráter de impacto cerca del limbo oriental de la Luna, también lleva su nombre en su honor.
• En 2013 fue uno de cuatro inductores al Scottish Engineering Hall of Fame.

Publicaciones

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