William John Macquorn Rankineはスコットランドの機械エンジニアで、土木工学、物理学、数学にも貢献した。彼はRudolf Clausius及びWilliam Thomson Lord Kelvinと共に、特に3つの熱力学法則の最初の法則に焦点を当てた熱力学科学の創立的貢献者であった。彼はRankine温度スケールを開発した。これはKelvinスケールと同等だが、Celsiusではなく華氏の度数である。
Rankineは蒸気機関の完全な理論、さらに実はすべての熱機関の理論を開発した。彼の工学科学と実践に関するマニュアルは、1850年代と1860年代の出版後、数十年間使用された。彼は1840年以降、科学と工学のトピックに関する数百の論文と注釈を出版した。彼の興味は非常に多様で、若い頃は植物学、音楽理論、数論を含み、成熟した時代には科学、数学、工学のほとんど主要な分野に及んだ。
彼は熱心なアマチュア歌手、ピアニスト、チェロ奏者であり、ユーモラスな歌を自ら作曲していた。
人生
Rankineはエディンバラで、軍事的背景を持つ土木エンジニアであるLt David Rankinに生まれた。彼の父は後にEdinburgh to Dalkeith Railwayで働いた。この鉄道はInnocent Railwayとしても知られていた。彼の母はBarbara Grahameで、著名な法律および銀行業の一族の出身であった。
彼の父はスコットランド中の様々なプロジェクトで移動し、家族も彼と共に移動した。Williamは最初は自宅で教育を受けたが、後に1828～29年にAyr Academyに、1830年にGlasgowの高等学校に出席した。1830年頃、父がEdinburgh to Dalkeith Railwayのマネージャーの職を得たため、家族はエディンバラに移った。その後、家族は2 Arniston Placeに住んでいた。
1834年、彼はエディンバラのLothian Road上のScottish Naval and Military Academyに、数学者George Leeと共に入学した。その年までに、Williamはすでに数学に非常に精通しており、彼の叔父から、オリジナルのラテン語でのIsaac Newtonの『プリンキピア』1687を贈り物として受け取った。
1836年、Rankineはエディンバラ大学で科学トピックの広範なスペクトラムを研究し始めた。これにはRobert Jamesonの指導下での自然史、James David Forbesの指導下での自然哲学が含まれた。Forbesの下で、彼は物理的調査の方法とその光の波動または波動理論に関するエッセイで賞を受賞した。休暇中、彼は1830年から始まりエディンバラ市の成長する石炭を輸送したEdinburgh and Dalkeith Railwayのマネージャーであり、その後実質的な財務責任者かつエンジニアであった彼の父を補助した。彼は1838年にエディンバラ大学を学位なしで去った。これはその当時は珍しくなかった。おそらく家族の経済的困難のため、彼はアイルランド鉄道委員会の測量官であったSir John Benjamin Macneillの弟子になった。彼の見習い期間中、彼は後にRankineの方法として知られるようになった、測量機を十分に活用して鉄道曲線のレイアウト技術を開発し、既存の方法より精度と生産性において大幅な改善を実現した。実際、この技術は同時に他のエンジニアにも使用されており、1860年代には、Rankineの優先権についての小さな紛争があった。
1842年も、Rankineが熱の現象を数学的な形式に変えようとする最初の試みの年であった。しかし、彼は実験データの不足によって挫折した。その年後の女王Victoria訪問スコットランドの時点で、彼はArthur's Seat上に位置する大きなかがり火を組織した。このかがり火は燃料の下に放射状の空気通路で構成されていた。このかがり火はスコットランド全体で他のかがり火の連鎖を開始するビーコンとして機能した。
1850年、彼はエディンバラの王立協会のフェローに選出された。提案者はProf James David Forbesであった。彼は1851～53年の期間の協会のKeith賞を受賞した。彼は1871年から1872年まで、協会の副会長を務めた。
1855年から彼はGlasgow大学の土木工学および力学の教授であった。
彼は8 Albion Crescent（現在Dowanside Roadと呼ばれている）、Glasgow、Dowanhill地区で、クリスマスイブ1872年12月24日午後11時45分に死亡した。彼は当時52歳であった。彼は未婚で、子供がいなかった。彼の死亡は、彼の叔父、Alex Grahame（彼の亡き母の義兄弟）によって登録された。
熱力学
臆することなく、Rankineは熱機関のメカニズムへの若い頃の魅力に戻った。彼の循環する弾性渦の流れの理論は、その体積が環境に自発的に適応する場合、現代の説明で形成された科学者にとって空想的に聞こえるかもしれないが、1849年までに、彼は飽和蒸気圧と温度の関係を見出すことに成功した。翌年、彼は自分の理論を使用して、ガスの温度、圧力、密度の間の関係を確立し、液体の蒸発潜熱の表現を求めた。彼は飽和蒸気の見かけの比熱が負になるという驚くべき事実を正確に予測した。
彼の成功に励まされて、1851年に彼は熱機関の効率を計算し始め、彼の理論を基礎として、任意の熱機関が可能な最大効率は、それが動作する2つの温度だけの関数であるという原則を推論するために使用した。同様の結果がRudolf ClausiusとWilliam Thomsonによってすでに導出されていたが、Rankineは彼の結果はCarnot理論またはいくつかの他の追加的な仮説ではなく、分子渦の仮説のみに基づいていると主張した。この仕事はRankineが熱のより完全な理論を開発する道への最初のステップであった。
Rankineは後に分子理論の結果をエネルギーとその変換のマクロスコピックな説明で組み直した。彼は動的プロセスで失われた実際のエネルギーと、それで置き換えられた位置エネルギーを定義し、区別した。彼は2つのエネルギーの合計が一定であると仮定した。これはすでに、おそらくあまり長くはないが、エネルギー保存の法則に精通していた考え方であった。1854年から、彼は彼の熱力学的関数を広く使用し、その後、それがClausius の熵と同じであることに気付いた。1855年までに、Rankineはエネルギーとその変換の観点から力学の説明を与えるエネルギティクスの科学を策定した。この理論は1890年代に非常に影響力があった。1859年に彼はRankine温度スケールを提案した。これは絶対またはサーモダイナミック・スケールで、その度数はFahrenheit度に等しい。
Energeticsは、Rankineに彼の科学への代替手段、およびかなりより主流のアプローチを提供した。1850年代半ばから、彼は分子渦のかなり少ない使用をした。しかし、彼は依然としてMaxwellの電磁気学の仕事は実質的に彼のモデルの拡張であると主張した。そして1864年に、彼はClausiusとJames Clerk Maxwellによって提案された熱の顕微鏡理論、線形原子運動に基づいているもの、は不十分であると主張した。1869年にRankineがこれらのライバル理論の成功を認めたのはその時だった。その時までに、彼の原子のモデルはThomsonのモデルとほぼ同一になっていた。
特に工学の教師としての彼の継続的な目標は、彼の理論を使用して実践的な結果をいくつか開発し、それらの物理的原理を明確にすることであった。:
- Rankine–Hugoniot方程式は衝撃波の伝播のためのもので、入来流に対して法線の衝撃波の挙動を支配する。これはRankineと物理学者およびフランスの工学者Pierre Henri Hugoniotにちなんで名付けられている。
- Rankineサイクルは、コンデンサを備えた理想的な熱機関の分析である。他の熱力学的サイクルのように、Rankineサイクルの最大効率はCarnot サイクルの最大効率を計算することで与えられる。
- 蒸気、ガス、蒸気の特性。
回転力学の歴史は理論と実践の相互作用に満ちている。Rankineは1869年に最初に回転軸の分析を実行したが、彼のモデルは不十分ではなく、超臨界速度は達成できないと予測した。
疲労研究
Rankineは、鉄道車軸の疲労破損が脆性亀裂の開始と成長によって引き起こされることを認識した最初のエンジニアの1人であった。1840年代初期、彼は多くの破損した車軸を検査した。特にVersailles鉄道事故の1842年以降、機関車の車軸が突然破損し、50人以上の乗客の死亡につながった。彼は、車軸が軸の肩またはキーウェイなどの他の応力集中源からの脆い亀裂の段階的な成長によって破損したことを示した。彼はJoseph Glynn による同様の破損した車軸の直接分析によってサポートされ、車軸はその後金属疲労として知られるプロセスで脆い亀裂の遅い成長によって破損した。Versailles鉄道事故に関与した機関車の1つの前の車軸が同様の方法で破損した可能性が高い。Rankineは土木工学協会に提示された論文で彼の結論を提示した。しかし、彼の仕事は、応力が金属の「再結晶化」を引き起こす可能性があると信じ続けた多くのエンジニアによって無視された。この神話は最近まで続いている。再結晶化の理論は非常に間違っており、価値のある研究を阻害した。William Fairbaijnの数年後の仕事まで、大きな梁への繰り返される屈曲による弱化効果を示した。しかし疲労は深刻で、ほぼ理解されていない現象のままであり、鉄道やその他の場所での多くの事故の根本的な原因であった。それは今でも深刻な問題だが、少なくともこんにちはより良く理解されており、慎重な設計によって防ぐことができる。
その他の仕事
Rankineは1855年11月から1872年12月の死亡まで、Glasgow大学の摂政土木工学および力学の教授を務め、土木工学および機械工学の多くの路線に沿って工学研究を追求した。
Rankineは1859年7月にGlasgow大学でGlasgow University Officer Training Corpsの前身である2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corpsの形成に重要な役割を果たし、1860年にMajorになった。これは第1 Lanarkshire Rifle Volunteer Corps の第2大隊の最初の会社の形成後であった。彼は1864年まで務めたが、仕事の圧力のため辞任した。この仕事の多くは海軍建築に関連していた。
土木工学
British Geotechnical Associationによって組織されたRankine Lecturesは、Rankineが以下にした重要な貢献の認識として名付けられた。:
- 枠構造における力。
- 土壌力学。特に横方向の土圧理論と擁壁の安定化における。Rankine地圧分析法は彼にちなんで名付けられた。
造船学
Rankineは、造船学を工学科学にするために、Clydeの造船業者、特に彼の友人で生涯的な協力者James Robert Napierと密接に協力した。彼は1857年にスコットランドのエンジニア・造船学協会の創立メンバーかつ初代会長であった。彼は1860年に設立された王立海軍建築学協会の初期メンバーであり、多くの年間会議に参加した。William Thomsonおよび他のものと共に、Rankineはボードメンバーであり、HMS Captainの波乱万丈な沈没についての調査委員会であった。
賞と栄誉
- Royal Scottish Society of Arts フェロー
- 土木工学協会のアソシエイト、1843年彼は完全なメンバーではなかった。
- エディンバラ王立協会のフェロー、1850年
- ロンドン王立協会のフェロー、1853年
- エディンバラ王立協会のKeithメダル、1854年
- スコットランドのエンジニア・造船学協会の創立会長、1857年
- Trinity College、Dublin、LL.D.、1857年
- スウェーデン王立科学アカデミーの外国人メンバー、1868年
- Rankine絶対華氏スケールは彼の栄誉の為に名付けられた。
- 月の東辺近くにあるRankineという小さなインパクトクレーターは、同様に彼の栄誉の為に名付けられた。
- 2013年に、彼はスコットランド工学ホール・オブ・フェームへの4つの入会者の1人であった。
出版物
- 応用力学マニュアル 1858年
- 蒸気機関およびその他の原動機マニュアル 1859年
- 土木工学マニュアル 1861年
- 造船学、理論と実践 1866年
- 機械と製粉所のマニュアル 1869年
- 熱の機械的作用について、特にガスと蒸気について 1850年、エディンバラ王立協会で読まれた、1850年2月4日
- エネルギー変換の一般法則について 1853年、Glasgow Philosophical Societyで読まれた
- 有限の縦方向の撹乱の波の熱力学的理論について 1869年
- エネルギティクスの科学の概要 1855年、Glasgow Philosophical Societyで読まれた
- Rankine, William John MacQuorn 1881年. 雑多な科学論文集. ロンドン: Charles Griffin and Company.
