Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine era un ingegnere meccanico scozzese che ha contribuito anche all'ingegneria civile, alla fisica e alla matematica. È stato un contributore fondatore, insieme a Rudolf Clausius e William Thomson Lord Kelvin, della scienza della termodinamica, concentrandosi in particolare sulla prima delle tre leggi termodinamiche. Ha sviluppato la scala Rankine, equivalente alla scala Kelvin di temperatura, ma in gradi Fahrenheit anziché Celsius.

Rankine ha sviluppato una teoria completa del motore a vapore e infatti di tutti i motori termici. I suoi manuali di scienze e pratica dell'ingegneria sono stati utilizzati per molti decenni dopo la loro pubblicazione negli anni 1850 e 1860. Ha pubblicato diversi centinaia di articoli e note su argomenti scientifici e ingegneristici, dal 1840 in poi, e i suoi interessi erano estremamente vari, includendo, nella sua gioventù, botanica, teoria musicale e teoria dei numeri, e, negli anni della sua maturità, la maggior parte dei rami principali della scienza, della matematica e dell'ingegneria.

Era un entusiasta cantante dilettante, pianista e violoncellista che componeva le sue stesse canzoni umoristiche.

Vita

Rankine è nato a Edinburgh dal Ten. David Rankin sic, un ingegnere civile con background militare, che in seguito ha lavorato alla Ferrovia Edinburgh-Dalkeith localmente conosciuta come la Innocent Railway. Sua madre era Barbara Grahame, di una famiglia prominente nel settore legale e bancario.

Suo padre si trasferì in vari progetti in tutta la Scozia e la famiglia si trasferì con lui. William è stato inizialmente educato a casa ma in seguito ha frequentato la Ayr Academy 1828–29 e quindi la High School of Glasgow 1830. Intorno al 1830 la famiglia si trasferì a Edinburgh quando il padre ottenne una posizione come Manager della Ferrovia Edinburgh-Dalkeith. La famiglia allora viveva al 2 Arniston Place.

Nel 1834 è stato inviato alla Scottish Naval and Military Academy su Lothian Road a Edinburgh con il matematico George Lee. Entro quell'anno William era già molto competente in matematica e ricevette, come regalo da suo zio, i Principia 1687 di Isaac Newton nell'originale latino.

Nel 1836, Rankine iniziò a studiare uno spettro di argomenti scientifici all'Università di Edinburgh, inclusa la storia naturale sotto Robert Jameson e la filosofia naturale sotto James David Forbes. Sotto Forbes è stato insignito di premi per saggi su metodi di ricerca fisica e sulla teoria ondulatoria o ondulatoria della luce. Durante le vacanze, assistette suo padre che, dal 1830, era manager e, in seguito, tesoriere effettivo e ingegnere della Ferrovia Edinburgh e Dalkeith che portava il carbone nella città in crescita. Ha lasciato l'Università di Edinburgh nel 1838 senza una laurea, il che non era allora inusuale e, forse a causa di difficoltà finanziarie familiari, divenne apprendista di Sir John Benjamin Macneill, che era all'epoca perito per la Irish Railway Commission. Durante il suo tirocinio ha sviluppato una tecnica, successivamente nota come metodo di Rankine, per tracciare curve ferroviarie, sfruttando appieno il teodolite e apportando un miglioramento sostanziale in precisione e produttività rispetto ai metodi esistenti. In realtà, la tecnica era contemporaneamente in uso da altri ingegneri – e negli anni 1860 vi fu una piccola disputa sulla priorità di Rankine.

L'anno 1842 segnò anche il primo tentativo di Rankine di ridurre i fenomeni del calore a una forma matematica, ma fu frustrante dalla sua mancanza di dati sperimentali. Al momento della visita della Regina Vittoria in Scozia, più tardi quello stesso anno, ha organizzato un grande falò situato su Arthur's Seat, costruito con passaggi dell'aria radianti sotto il carburante. Il falò servì da faro per iniziare una catena di altri falò attraverso la Scozia.

Nel 1850 è stato eletto Fellow della Royal Society of Edinburgh, il suo proponente era il Prof James David Forbes. Ha vinto il Keith Prize della Società per il periodo 1851–53. Ha servito come Vice Presidente della Società dal 1871 al 1872.

Dal 1855 è stato Professore di Ingegneria Civile e Meccanica all'Università di Glasgow.

È morto al 8 Albion Crescent ora chiamato Dowanside Road, Dowanhill, Glasgow alle 23:45 della vigilia di Natale, 24 dicembre 1872, all'età di soli 52 anni. Era celibe e non aveva figli. La sua morte è stata registrata da suo zio, Alex Grahame cognato di sua madre defunta.

Termodinamica

Non scoraggiato, Rankine tornò alla sua giovane fascinazione per la meccanica del motore termico. Sebbene la sua teoria di flussi circolanti di vortici elastici i cui volumi si adattavano spontaneamente al loro ambiente suoni fantastica per gli scienziati formati su un resoconto moderno, entro il 1849 aveva successo nel trovare la relazione tra la pressione del vapore saturo e la temperatura. L'anno successivo, ha usato la sua teoria per stabilire relazioni tra la temperatura, la pressione e la densità dei gas, e espressioni per il calore latente di evaporazione di un liquido. Ha predetto accuratamente il fatto sorprendente che il calore specifico apparente del vapore saturo sarebbe negativo.

Incoraggiato dal suo successo, nel 1851 ha deciso di calcolare l'efficienza dei motori termici e ha usato la sua teoria come base per dedurre il principio che l'efficienza massima possibile per qualsiasi motore termico è una funzione solo delle due temperature tra cui opera. Sebbene un risultato simile fosse già stato derivato da Rudolf Clausius e William Thomson, Rankine ha sostenuto che il suo risultato si basava sulla sua ipotesi di vortici molecolari da soli, piuttosto che sulla teoria di Carnot o su qualche altro assunto aggiuntivo. Il lavoro ha segnato il primo passo nel viaggio di Rankine per sviluppare una teoria più completa del calore.

Rankine in seguito ha ricorretto i risultati delle sue teorie molecolari in termini di un resoconto macroscopico dell'energia e delle sue trasformazioni. Ha definito e distinto tra l'energia effettiva che era persa nei processi dinamici e l'energia potenziale con cui era sostituita. Ha assunto che la somma delle due energie fosse costante, un'idea già, sebbene sicuramente non per molto tempo, familiare nella legge di conservazione dell'energia. Dal 1854, ha fatto ampio uso della sua funzione termodinamica che in seguito ha realizzato era identica all'entropia di Clausius. Entro il 1855, Rankine aveva formulato una scienza dell'energetica che dava un resoconto della dinamica in termini di energia e delle sue trasformazioni piuttosto che forza e movimento. La teoria era molto influente negli anni 1890. Nel 1859 ha proposto la scala di temperatura Rankine, una scala assoluta o termodinamica il cui grado è uguale a un grado Fahrenheit.

L'energetica ha offerto a Rankine un approccio alternativo e piuttosto più mainstream, alla sua scienza e, dalla metà degli anni 1850, ha fatto piuttosto meno uso dei suoi vortici molecolari. Tuttavia, ha ancora sostenuto che il lavoro di Maxwell sull'elettromagnetismo era effettivamente un'estensione del suo modello. E, nel 1864, ha sostenuto che le teorie microscopiche del calore proposte da Clausius e James Clerk Maxwell, basate sul movimento atomico lineare, erano inadeguate. È stato solo nel 1869 che Rankine ha ammesso il successo di queste teorie rivali. A quel tempo, il suo stesso modello dell'atomo era diventato quasi identico a quello di Thomson.

Come era il suo scopo costante, specialmente come insegnante di ingegneria, ha usato le sue stesse teorie per sviluppare una serie di risultati pratici e per chiarire i loro principi fisici includendo:

• L'equazione di Rankine–Hugoniot per la propagazione di onde d'urto, governa il comportamento delle onde d'urto normali al flusso in arrivo. È nominata in onore dei fisici Rankine e dell'ingegnere francese Pierre Henri Hugoniot;
• Il ciclo di Rankine, un'analisi di un motore termico ideale con un condensatore. Come altri cicli termodinamici, l'efficienza massima del ciclo di Rankine è data dal calcolo dell'efficienza massima del ciclo di Carnot;
• Proprietà del vapore, dei gas e dei vapori.

La storia della rotodinamica è ricca dell'interazione tra teoria e pratica. Rankine ha eseguito per la prima volta un'analisi di un albero rotante nel 1869, ma il suo modello non era adeguato e ha predetto che le velocità sopracritiche non potevano essere raggiunte.

Studi di affaticamento

Rankine è stato uno dei primi ingegneri a riconoscere che i guasti per affaticamento degli assi ferroviari sono stati causati dall'inizio e dalla crescita di cricche fragili. Nei primi anni 1840 ha esaminato molti assi rotti, specialmente dopo l'incidente ferroviario di Versailles del 1842 quando un asse di locomotiva si è improvvisamente fratturato causando la morte di oltre 50 passeggeri. Ha dimostrato che gli assi avevano fallito per la crescita progressiva di una cricca fragile da una spalla o da un'altra fonte di concentrazione di stress sull'albero, come una serratura. È stato supportato da un'analisi diretta simile degli assi guasti da parte di Joseph Glynn, dove gli assi avevano fallito per la lenta crescita di una cricca fragile in un processo ora noto come affaticamento dei metalli. È probabile che l'asse anteriore di una delle locomotive coinvolte nell'incidente ferroviario di Versailles abbia fallito in modo simile. Rankine ha presentato le sue conclusioni in un articolo presentato all'Institution of Civil Engineers. Tuttavia, il suo lavoro è stato ignorato da molti ingegneri che hanno persistito nel credere che lo stress potesse causare "ricristallizzazione" del metallo, un mito che è persistito fino ai tempi recenti. La teoria della ricristallizzazione era completamente sbagliata e ha inibito la ricerca utile fino al lavoro di William Fairbairn pochi anni dopo, che ha mostrato l'effetto indebolente della flessione ripetuta su travi grandi. Tuttavia, l'affaticamento è rimasto un fenomeno grave e poco compreso ed è stato la causa principale di molti incidenti sulle ferrovie e altrove. È ancora un problema serio, ma almeno è molto meglio compreso oggi e quindi può essere prevenuto con un attento design.

Altro lavoro

Rankine è stato Regius Professor di Ingegneria Civile e Meccanica all'Università di Glasgow da novembre 1855 fino alla sua morte nel dicembre 1872, perseguendo la ricerca in ingegneria su un numero di linee in ingegneria civile e meccanica.

Rankine è stato strumentale nella formazione del precursore del Glasgow University Officer Training Corps, il 2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corps all'Università di Glasgow nel luglio 1859, diventando Major nel 1860 dopo che è stato formato nella prima compagnia del 2nd Battalion, 1st Lanarkshire Rifle Volunteer Corps; ha servito fino al 1864, quando ha rassegnato le dimissioni a causa della pressione del lavoro – gran parte di esso associato all'Architettura Navale.

Ingegneria civile

Le Rankine Lectures, organizzate dalla British Geotechnical Association, sono nominate in riconoscimento dei contributi significativi che Rankine ha dato a:

• Forze nelle strutture di frame;
• Meccanica del suolo; in particolare nella teoria della pressione laterale della terra e nella stabilizzazione dei muri di sostegno. Il metodo di Rankine per l'analisi della pressione della terra è nominato in suo onore.

Architettura navale

Rankine ha lavorato a stretto contatto con i costruttori navali della Clyde, specialmente con il suo amico e collaboratore di tutta la vita James Robert Napier, per trasformare l'architettura navale in una scienza dell'ingegneria. È stato un membro fondatore e primo Presidente dell'Institution of Engineers & Shipbuilders in Scotland nel 1857. È stato un membro iniziale della Royal Institution of Naval Architects fondata nel 1860 e ha partecipato a molte dei suoi incontri annuali. Con William Thomson e altri, Rankine è stato un membro della commissione d'inchiesta nel controverso affondamento dell'HMS Captain.

Premi e onori

• Fellow della Royal Scottish Society of Arts
• Associate dell'Institution of Civil Engineers, 1843 non è mai stato un membro completo
• Fellow della Royal Society of Edinburgh, 1850
• Fellow della Royal Society of London, 1853
• Keith Medal della Royal Society of Edinburgh, 1854
• Presidente fondatore dell'Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland, 1857
• LL.D. dal Trinity College, Dublin, 1857
• Membro straniero dell'Accademia Reale Svedese delle Scienze, 1868
• La scala assoluta Rankine Fahrenheit è nominata in suo onore.
• Rankine, un piccolo cratere d'impatto vicino al lembo orientale della Luna, è anche nominato in suo onore.
• Nel 2013 è stato uno dei quattro nuovi membri della Scottish Engineering Hall of Fame.

Pubblicazioni

• 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.