Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine은 기계공학에 기여한 스코틀랜드의 기계 공학자로, 토목공학, 물리학, 수학 분야에도 공헌했다. 그는 Rudolf Clausius 및 William Thomson Lord Kelvin과 함께 열역학 과학의 창립 기여자였으며, 특히 세 가지 열역학 법칙 중 첫 번째에 초점을 맞추었다. 그는 Rankine 척도를 개발했으며, 이는 Kelvin 척도와 동등하지만 섭씨도가 아닌 화씨도로 표현된 온도 척도이다.

Rankine은 증기 엔진의 완전한 이론, 실제로 모든 열 엔진의 이론을 개발했다. 그의 공학 과학 및 실제 응용에 관한 매뉴얼은 1850년대와 1860년대에 출판된 이후 수십 년간 사용되었다. 그는 1840년부터 과학 및 공학 주제에 관한 수백 개의 논문과 노트를 발표했으며, 그의 관심사는 매우 다양했으며, 젊은 시절에는 식물학, 음악 이론, 수론을 포함했고, 성숙한 시기에는 과학, 수학, 공학의 대부분의 주요 분야를 포함했다.

그는 자신만의 유머러스한 노래를 작곡한 열정적인 아마추어 성악가, 피아노 연주자, 첼로 연주자였다.

생애

Rankine은 Edinburgh에서 태어났으며, 그의 아버지는 Lt David Rankin으로, 군부대 배경의 토목공학자로, 나중에 Edinburgh에서 Dalkeith Railway(지역에서는 Innocent Railway로 알려짐)에서 일했다. 그의 어머니는 저명한 법조인 및 은행 가계의 Barbara Grahame이었다.

그의 아버지는 스코틀랜드의 여러 프로젝트를 중심으로 옮겨 다녔고 가족은 그와 함께 이동했다. William은 처음에는 집에서 교육받았지만 나중에 1828-29년 Ayr Academy에 다녔고 그 다음 1830년 Glasgow의 High School에 다녔다. 1830년경 아버지가 Edinburgh to Dalkeith Railway의 매니저로 일하게 되어 가족은 Edinburgh로 이동했다. 가족은 2 Arniston Place에 살았다.

1834년 그는 수학자 George Lee와 함께 Edinburgh의 Lothian Road에 있는 Scottish Naval and Military Academy에 보내졌다. 그 해까지 William은 이미 수학에 고도로 능숙했으며 숙부로부터 원래 라틴어로 된 Isaac Newton의 Principia 1687을 선물로 받았다.

1836년에 Rankine은 Edinburgh University에서 Robert Jameson의 자연사와 James David Forbes의 자연철학을 포함한 과학 주제의 스펙트럼을 연구하기 시작했다. Forbes 아래에서 그는 물리적 조사 방법과 빛의 파동 또는 파동 이론에 관한 에세이에 대한 상을 받았다. 방학 중에 그는 1830년부터 Edinburgh and Dalkeith Railway의 매니저였고 나중에 실질적인 재무담당자이자 공학자였던 아버지를 도왔으며, 이 철도는 성장하는 도시로 석탄을 가져왔다. 그는 1838년에 당시 일반적이지 않던 학위 없이 Edinburgh University를 떠났으며, 아마도 가족의 재정 곤란으로 인해 당시 Irish Railway Commission의 측량사였던 Sir John Benjamin Macneill의 도제가 되었다. 그의 견습 기간 동안 그는 나중에 Rankine의 방법으로 알려지게 된 철도 곡선을 배치하는 기법을 개발했으며, 회전식 망원경을 완벽하게 활용하여 기존 방법에 비해 정확성과 생산성에서 상당한 개선을 이루었다. 실제로 이 기법은 다른 공학자들도 동시에 사용 중이었으며, 1860년대에는 Rankine의 우선권에 대한 경미한 분쟁이 있었다.

1842년은 또한 Rankine이 열의 현상을 수학 형태로 축소하려는 첫 시도를 한 해였지만 그는 실험 데이터의 부족으로 좌절했다. Victoria 여왕이 그 해 나중에 스코틀랜드를 방문할 당시 그는 Arthur's Seat에 위치한 대규모 모닥불을 조직했으며, 연료 아래에 방사형 공기 통로가 있는 구조로 건설되었다. 모닥불은 스코틀랜드 전역의 다른 모닥불 체인을 시작하기 위한 신호등으로 사용되었다.

1850년에 그는 Edinburgh의 Royal Society의 펠로우로 선출되었으며, 그의 추천자는 Prof James David Forbes였다. 그는 1851-53년 기간 동안 Society의 Keith Prize를 획득했다. 그는 1871년부터 1872년까지 Society의 부회장으로 봉사했다.

1855년부터 그는 Glasgow University의 토목공학 및 역학 교수였다.

그는 1872년 12월 24일 크리스마스 이브 오후 11시 45분에 Glasgow의 Dowanhill의 8 Albion Crescent(현재는 Dowanside Road로 불림)에서 사망했으며, 나이는 겨우 52세였다. 그는 미혼이었으며 자녀가 없었다. 그의 사망은 그의 고모부인 Alex Grahame(그의 어머니의 형제)에 의해 등록되었다.

열역학

물론 Rankine은 열 엔진의 역학에 대한 젊은 날의 매혹으로 돌아갔다. 비록 그의 탄성 소용돌이의 순환 흐름 이론으로, 그 부피가 환경에 자발적으로 적응했다는 것이 현대적 설명으로 이루어진 과학자들에게는 공상적으로 들렸지만, 1849년까지 그는 포화 수증기 압력과 온도 사이의 관계를 찾는 데 성공했다. 다음 해에 그는 자신의 이론을 사용하여 기체의 온도, 압력, 밀도 사이의 관계를 확립했으며 액체의 증발 잠열에 대한 표현식을 제시했다. 그는 포화 증기의 명백한 비열이 음수가 될 것이라는 놀라운 사실을 정확하게 예측했다.

자신의 성공에 용기를 얻어 1851년에 그는 열 엔진의 효율성을 계산하기 시작했으며 그의 이론을 기초로 하여 어떤 열 엔진의 최대 가능 효율성은 그것이 작동하는 두 온도의 함수일 뿐이라는 원리를 도출했다. 비록 유사한 결과가 이미 Rudolf Clausius와 William Thomson에 의해 도출되었지만, Rankine은 그의 결과가 Carnot의 이론이나 다른 추가 가정이 아닌 분자 소용돌이 가설에만 기초했다고 주장했다. 그 작업은 열에 대한 더 완전한 이론을 개발하기 위한 Rankine의 여정의 첫 번째 단계를 표시했다.

Rankine은 나중에 분자 이론의 결과를 에너지와 그 변환의 거시적 설명으로 재구성했다. 그는 동적 과정에서 손실된 실제 에너지와 그것으로 대체된 위치 에너지를 정의하고 구분했다. 그는 두 에너지의 합을 상수로 가정했으며, 이는 아이디어였으나 확실히 오래되지 않은 에너지 보존 법칙에 익숙한 아이디어였다. 1854년부터 그는 나중에 Clausius의 엔트로피와 동일하다는 것을 깨달은 열역학 함수를 광범위하게 사용했다. 1855년까지 Rankine은 에너지와 그 변환의 관점에서 동역학에 대한 설명을 제공하는 에너지학 과학을 공식화했으며, 힘과 운동이 아니었다. 이 이론은 1890년대에 매우 영향력이 있었다. 1859년에 그는 절대 또는 열역학 척도이며 그 정도는 화씨도와 같은 Rankine 온도 척도를 제안했다.

에너지학은 Rankine에게 그의 과학에 대한 대안이 되었으며, 오히려 더 주류적인 접근 방식을 제공했고, 1850년대 중반부터 그는 분자 소용돌이를 훨씬 덜 사용했다. 그럼에도 불구하고 그는 여전히 Maxwell의 전자기 작업이 사실상 그의 모델의 확장이었다고 주장했다. 그리고 1864년에 그는 Clausius와 James Clerk Maxwell이 제안한 선형 원자 운동에 기초한 열의 미시적 이론이 부적절하다고 주장했다. 1869년이 되어서야 Rankine은 이들 경쟁 이론의 성공을 인정했다. 그 당시 그의 원자 모델은 Thomson의 모델과 거의 동일하게 되었다.

그의 지속적인 목표인, 특히 공학 교사로서, 그는 자신의 이론을 사용하여 여러 실질적인 결과를 개발했으며 그들의 물리적 원리를 명확히 했다:

• Rankine–Hugoniot 방정식은 충격파의 전파, 접근하는 흐름에 정상인 충격파의 동작을 지배한다. 이는 물리학자 Rankine과 프랑스 공학자 Pierre Henri Hugoniot의 이름을 따서 명명되었다;
• 응축기가 있는 이상 열 엔진의 분석인 Rankine 순환. 다른 열역학 순환과 마찬가지로 Rankine 순환의 최대 효율성은 Carnot 순환의 최대 효율성을 계산하여 주어진다;
• 증기, 기체 및 증기의 특성.

회전 동역학의 역사는 이론과 실제의 상호 작용으로 가득 차 있다. Rankine은 1869년에 회전하는 샤프트의 분석을 처음 수행했지만 그의 모델은 부적절했으며 그는 초임계 속도를 달성할 수 없다고 예측했다.

피로 연구

Rankine은 철도 축의 피로 파손이 취성 균열의 시작과 성장으로 인한 것임을 인식한 최초의 공학자 중 한 명이었다. 1840년대 초반 그는 특히 기관차 축이 갑자기 파열되어 50명 이상의 승객이 사망한 1842년 Versailles 기차 충돌 이후 많은 부러진 축을 검사했다. 그는 축이 축의 어깨 또는 키웨이와 같은 다른 응력 집중 근원으로부터 취성 균열의 점진적인 성장으로 인해 고장났음을 보여주었다. 그는 Joseph Glynn의 유사한 고장 축의 직접 분석으로 지원받았으며, 축은 현재 금속 피로로 알려진 과정에서 취성 균열의 느린 성장으로 인해 고장났다. Versailles 기차 충돌에 관련된 기관차 중 하나의 전방 축이 유사한 방식으로 고장났을 가능성이 높다. Rankine은 Civil Engineers 제도에 제출한 논문에서 그의 결론을 제시했다. 그러나 그의 작업은 응력이 금속의 "재결정화"를 일으킬 수 있다고 믿는 많은 공학자들에 의해 무시되었으며, 이는 최근까지 지속된 신화이다. 재결정화 이론은 완전히 잘못되었으며, 몇 년 후 큰 보에 반복된 굴곡의 약화 효과를 보여준 William Fairbairn의 작업까지 가치 있는 연구를 방해했다. 그럼에도 불구하고 피로는 심각하고 이해하기 어려운 현상으로 남았으며, 철도 및 기타 곳의 많은 사고의 근본 원인이었다. 오늘날 그것은 여전히 심각한 문제이지만 적어도 훨씬 더 잘 이해되고 있어, 신중한 설계로 예방할 수 있다.

기타 작업

Rankine은 1855년 11월부터 1872년 12월 사망할 때까지 Glasgow University의 토목공학 및 역학의 Regius 교수로 일했으며, 토목 및 기계공학의 많은 방면에서 공학 연구를 수행했다.

Rankine은 1859년 7월 Glasgow University에서 2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corps의 전신인 Glasgow University Officer Training Corps의 형성에 결정적인 역할을 했으며, 2nd Battalion, 1st Lanarkshire Rifle Volunteer Corps의 첫 번째 회사로 형성된 후 1860년에 소령이 되었다; 그는 1864년에 많은 Naval Architecture와 관련된 작업의 압력으로 사임할 때까지 봉사했다.

토목공학

British Geotechnical Association에서 조직한 Rankine Lectures는 Rankine이 다음에 기여한 것을 인정하는 이름을 따서 명명되었다:

• 틀 구조의 힘;
• 토양 역학; 특히 측면 토압 이론과 옹벽의 안정화에서. Rankine의 토압 분석 방법이 그의 이름을 따서 명명되었다.

해양 건축

Rankine은 특히 그의 친구이자 생각을 함께한 협력자인 James Robert Napier와 함께 Clyde 조선소와 긴밀하게 협력했으며, 해양 건축을 공학 과학으로 만들었다. 그는 1857년 Institution of Engineers & Shipbuilders in Scotland의 창립 멤버이자 초대 회장이었다. 그는 1860년에 설립된 Royal Institution of Naval Architects의 초기 멤버였으며 많은 연례 회의에 참석했다. William Thomson 및 기타 인사들과 함께 Rankine은 HMS Captain의 논쟁이 많은 침몰에 대한 조사 위원회의 멤버였다.

상 및 영예

• Fellow of the Royal Scottish Society of Arts
• Associate of the Institution of Civil Engineers, 1843 그는 완전한 회원이 아니었다
• 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
• Founding President of the Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland, 1857
• LL.D. from Trinity College, Dublin, 1857
• Foreign member of the Royal Swedish Academy of Sciences, 1868
• Rankine 절대 화씨도 척도는 그의 영예를 기리기 위해 명명되었다.
• Rankine은 달의 동쪽 가장자리 근처의 작은 충돌 분화구로 그의 영예를 기리기 위해 명명되었다.
• 2013년에 그는 Scottish Engineering Hall of Fame에 입선된 4명의 피내자 중 한 명이었다.

출판물

• 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.