William John Macquorn Rankine foi um engenheiro mecânico escocês que também contribuiu para a engenharia civil, física e matemática. Ele foi um contribuidor fundador, juntamente com Rudolf Clausius e William Thomson Lord Kelvin, para a ciência da termodinâmica, focando particularmente na primeira das três leis termodinâmicas. Ele desenvolveu a escala Rankine, equivalente à escala Kelvin de temperatura, mas em graus Fahrenheit em vez de Celsius.
Rankine desenvolveu uma teoria completa do motor a vapor e, de fato, de todos os motores térmicos. Seus manuais de ciência e prática de engenharia foram usados por muitas décadas após sua publicação nos anos 1850 e 1860. Ele publicou várias centenas de artigos e notas sobre tópicos de ciência e engenharia, a partir de 1840, e seus interesses eram extremamente variados, incluindo, em sua juventude, botânica, teoria musical e teoria dos números, e, em seus anos de maturidade, a maioria dos ramos principais da ciência, matemática e engenharia.
Ele era um entusiasta cantor amador, pianista e violoncelista que compunha suas próprias músicas humorísticas.
Vida
Rankine nasceu em Edinburgh para o Tenente David Rankin (sic), um engenheiro civil de formação militar, que mais tarde trabalhou na Ferrovia Edinburgh para Dalkeith localmente conhecida como a Innocent Railway. Sua mãe era Barbara Grahame, de uma família proeminente de direito e bancária.
Seu pai se mudou pela Escócia em vários projetos e a família se mudou com ele. William foi inicialmente educado em casa, mas mais tarde frequentou a Ayr Academy 1828–29 e depois a High School of Glasgow 1830. Por volta de 1830 a família se mudou para Edinburgh quando o pai conseguiu um cargo de Gerente da Ferrovia Edinburgh para Dalkeith. A família então morava em 2 Arniston Place.
Em 1834 ele foi enviado para a Scottish Naval and Military Academy na Lothian Road em Edinburgh com o matemático George Lee. Por esse ano William já era altamente proficiente em matemática e recebeu, como presente de seu tio, o Principia 1687 de Isaac Newton no latim original.
Em 1836, Rankine começou a estudar um espectro de tópicos científicos na University of Edinburgh, incluindo história natural sob Robert Jameson e filosofia natural sob James David Forbes. Sob Forbes ele ganhou prêmios por ensaios sobre métodos de investigação física e sobre a teoria ondulatória ou teoria das ondas da luz. Durante as férias, ele auxiliava seu pai que, a partir de 1830, era gerente e, posteriormente, tesoureiro efetivo e engenheiro da Ferrovia Edinburgh and Dalkeith que trouxe carvão para a cidade em crescimento. Ele deixou a University of Edinburgh em 1838 sem um diploma, o que não era incomum na época e, talvez por causa de finanças familiares restritas, tornou-se aprendiz de Sir John Benjamin Macneill, que era naquela época agrimensor da Irish Railway Commission. Durante seu aprendizado ele desenvolveu uma técnica, posteriormente conhecida como método de Rankine, para traçar curvas ferroviárias, explorando plenamente o teodolito e fazendo uma melhoria substancial em precisão e produtividade em relação aos métodos existentes. De fato, a técnica estava simultaneamente em uso por outros engenheiros – e nos anos 1860 houve uma disputa menor sobre a prioridade de Rankine.
O ano 1842 também marcou a primeira tentativa de Rankine de reduzir os fenômenos do calor a uma forma matemática, mas ele foi frustrado pela sua falta de dados experimentais. Na época da visita da Rainha Victoria à Escócia, mais tarde naquele ano, ele organizou uma grande fogueira localizada em Arthur's Seat, construída com passagens de ar radiante sob o combustível. A fogueira serviu como um farol para iniciar uma série de outras fogueiras na Escócia.
Em 1850 ele foi eleito Fellow da Royal Society of Edinburgh seu proponente sendo Prof James David Forbes. Ele ganhou o Keith Prize da Sociedade para o período 1851–53. Ele serviu como Vice-Presidente da Sociedade de 1871 a 1872.
A partir de 1855 ele foi Professor de Engenharia Civil e Mecânica na Universidade de Glasgow.
Ele morreu em 8 Albion Crescent agora chamado Dowanside Road, Dowanhill, Glasgow às 23h45 na véspera de Natal, 24 de dezembro de 1872, com apenas 52 anos. Ele era solteiro e não tinha filhos. Sua morte foi registrada por seu tio, Alex Grahame cunhado de sua falecida mãe.
Termodinâmica
Sem se desencorajar, Rankine retornou à sua fascinação juvenil pela mecânica do motor térmico. Embora sua teoria de fluxos circulantes de vórtices elásticos cujos volumes se adaptavam espontaneamente ao seu ambiente pareça fantástica aos cientistas formados em uma conta moderna, até 1849, ele havia conseguido encontrar a relação entre pressão de vapor saturado e temperatura. No ano seguinte, ele usou sua teoria para estabelecer relações entre a temperatura, pressão e densidade dos gases, e expressões para o calor latente de evaporação de um líquido. Ele previu com precisão o fato surpreendente de que o calor específico aparente do vapor saturado seria negativo.
Encorajado por seu sucesso, em 1851 ele se propôs a calcular a eficiência dos motores térmicos e usou sua teoria como base para deduzir o princípio de que a eficiência máxima possível para qualquer motor térmico é uma função apenas das duas temperaturas entre as quais ele opera. Embora um resultado semelhante já tivesse sido derivado por Rudolf Clausius e William Thomson, Rankine afirmou que seu resultado se baseava em sua hipótese de vórtices moleculares sozinha, em vez de se basear na teoria de Carnot ou em alguma outra suposição adicional. O trabalho marcou o primeiro passo na jornada de Rankine para desenvolver uma teoria mais completa do calor.
Rankine mais tarde reformulou os resultados de suas teorias moleculares em termos de uma conta macroscópica de energia e suas transformações. Ele definiu e distinguiu entre energia real que foi perdida em processos dinâmicos e energia potencial pela qual foi substituída. Ele assumiu que a soma das duas energias era constante, uma ideia já, embora certamente não por muito tempo, familiar na lei da conservação de energia. A partir de 1854, ele fez amplo uso de sua função termodinâmica que mais tarde percebeu ser idêntica à entropia de Clausius. Em 1855, Rankine havia formulado uma ciência da energética que dava uma conta da dinâmica em termos de energia e suas transformações em vez de força e movimento. A teoria foi muito influente nos anos 1890. Em 1859 ele propôs a escala Rankine de temperatura, uma escala absoluta ou termodinâmica cujo grau é igual a um grau Fahrenheit.
Energética ofereceu a Rankine uma abordagem alternativa e bastante mais convencional, para sua ciência e, a partir de meados dos anos 1850, ele fez um uso bastante menor de seus vórtices moleculares. Ainda assim, ele continuava alegando que o trabalho de Maxwell sobre eletromagnetismo era efetivamente uma extensão de seu modelo. E, em 1864, ele argumentou que as teorias microscópicas do calor propostas por Clausius e James Clerk Maxwell, baseadas em movimento atômico linear, eram inadequadas. Foi apenas em 1869 que Rankine admitiu o sucesso dessas teorias rivais. Naquela época, seu próprio modelo do átomo havia se tornado quase idêntico ao de Thomson.
Como era seu objetivo constante, especialmente como professor de engenharia, ele usou suas próprias teorias para desenvolver um número de resultados práticos e para elucidar seus princípios físicos incluindo:
- A equação Rankine–Hugoniot para propagação de ondas de choque, governa o comportamento de ondas de choque normais ao fluxo oncoming. É nomeada em homenagem aos físicos Rankine e ao engenheiro francês Pierre Henri Hugoniot;
- O ciclo Rankine, uma análise de um motor térmico ideal com um condensador. Como outros ciclos termodinâmicos, a eficiência máxima do ciclo Rankine é obtida calculando a eficiência máxima do ciclo Carnot;
- Propriedades de vapor, gases e vapores.
A história da rotordinâmica está repleta da interação da teoria e prática. Rankine realizou pela primeira vez uma análise de um eixo giratório em 1869, mas seu modelo não era adequado e ele previu que velocidades supercríticas não poderiam ser atingidas.
Estudos de fadiga
Rankine foi um dos primeiros engenheiros a reconhecer que as falhas por fadiga dos eixos ferroviários eram causadas pela iniciação e crescimento de trincas frágeis. Nos primeiros anos de 1840 ele examinou muitos eixos quebrados, especialmente após o acidente ferroviário de Versalhes de 1842, quando um eixo de locomotiva se fraturou repentinamente e levou à morte de mais de 50 passageiros. Ele mostrou que os eixos falharam por crescimento progressivo de uma trinca frágil a partir de um ombro ou outra fonte de concentração de tensão no eixo, como uma chaveta. Ele foi apoiado por análise direta semelhante de eixos danificados por Joseph Glynn, onde os eixos falharam por crescimento lento de uma trinca frágil em um processo agora conhecido como fadiga do metal. É provável que o eixo dianteiro de uma das locomotivas envolvidas no acidente ferroviário de Versalhes tenha falhado de forma semelhante. Rankine apresentou suas conclusões em um artigo entregue à Institution of Civil Engineers. Seu trabalho foi ignorado, no entanto, por muitos engenheiros que persistiram em acreditar que o estresse poderia causar "recristalização" do metal, um mito que persistiu até os tempos recentes. A teoria da recristalização era completamente errada e inibiu pesquisas valiosas até o trabalho de William Fairbairn alguns anos depois, que mostrou o efeito de enfraquecimento da flexão repetida em grandes vigas. No entanto, fadiga permaneceu um fenômeno sério e pouco compreendido, e foi a causa raiz de muitos acidentes nas ferrovias e em outros lugares. Ainda é um problema sério, mas pelo menos é muito melhor compreendido hoje, e portanto pode ser prevenido através de um design cuidadoso.
Outros trabalhos
Rankine atuou como Professor Regius de Engenharia Civil e Mecânica da Universidade de Glasgow de novembro de 1855 até sua morte em dezembro de 1872, buscando pesquisa de engenharia ao longo de várias linhas em engenharia civil e mecânica.
Rankine foi instrumental na formação do precursor do Glasgow University Officer Training Corps, o 2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corps na Universidade de Glasgow em julho de 1859, tornando-se Major em 1860 após ser formado na primeira companhia do 2º Batalhão, 1º Lanarkshire Rifle Volunteer Corps; ele serviu até 1864, quando se demitiu devido à pressão de trabalho – muito dela associada à Arquitetura Naval.
Engenharia civil
As Palestras Rankine, organizadas pela British Geotechnical Association, são nomeadas em reconhecimento das contribuições significativas que Rankine fez para:
- Forças em estruturas de quadro;
- Mecânica do solo; mais notavelmente na teoria da pressão lateral da terra e na estabilização de paredes de retenção. O método Rankine de análise de pressão da terra é nomeado em sua homenagem.
Arquitetura naval
Rankine trabalhou em estreita colaboração com construtores de navios Clyde, especialmente seu amigo e colaborador vitalício James Robert Napier, para tornar a arquitetura naval em uma ciência de engenharia. Ele foi membro fundador e primeiro Presidente da Institution of Engineers & Shipbuilders in Scotland em 1857. Ele foi um membro inicial da Royal Institution of Naval Architects fundada em 1860 e frequentou muitas de suas reuniões anuais. Com William Thomson e outros, Rankine foi membro da junta de investigação sobre o naufrágio controverso do HMS Captain.
Prêmios e honrarias
- Fellow da Royal Scottish Society of Arts
- Associado da Institution of Civil Engineers, 1843 ele nunca foi um Membro completo
- Fellow da Royal Society of Edinburgh, 1850
- Fellow da Royal Society of London, 1853
- Medalha Keith da Royal Society of Edinburgh, 1854
- Presidente Fundador da Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland, 1857
- LL.D. do Trinity College, Dublin, 1857
- Membro Estrangeiro da Royal Swedish Academy of Sciences, 1868
- A escala Rankine absoluta Fahrenheit é nomeada em sua honra.
- Rankine, uma pequena cratera de impacto perto da borda oriental da Lua, também é nomeada em sua honra.
- Em 2013 ele foi um dos quatro induzidos ao Scottish Engineering Hall of Fame.
Publicações
- 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, lido na Royal Society of Edinburgh, 4 de fevereiro de 1850
- On the General Law of Transformation of Energy 1853, lido na Glasgow Philosophical Society
- On the Thermodynamic Theory of Waves of Finite Longitudinal Disturbance 1869
- Outlines of the Science of Energetics 1855, lido na Glasgow Philosophical Society
- Rankine, William John MacQuorn 1881. Miscellaneous Scientific Papers. London: Charles Griffin and Company.
