William John Macquorn Rankine был шотландским механиком, который также внёс вклад в гражданское строительство, физику и математику. Он был одним из основателей науки термодинамики вместе с Rudolf Clausius и William Thomson Lord Kelvin, особенно сосредоточившись на первом из трёх термодинамических законов. Он разработал шкалу Rankine, эквивалент шкале Kelvin для измерения температуры, но в градусах Фаренгейта вместо Цельсия.
Rankine разработал полную теорию паровых двигателей и вообще всех тепловых двигателей. Его руководства по инженерным наукам и практике использовались в течение многих десятилетий после публикации в 1850-х и 1860-х годах. Он опубликовал несколько сотен статей и заметок по научным и инженерным вопросам, начиная с 1840 года, и его интересы были чрезвычайно разнообразны, включая в молодости ботанику, теорию музыки и теорию чисел, а в зрелые годы — большинство основных разделов науки, математики и инженерии.
Он был увлечённым любительским певцом, пианистом и виолончелистом, который сочинял собственные юмористические песни.
Жизнь
Rankine родился в Edinburgh у Lt David Rankin sic, инженера-гражданского, происходящего из военной семьи, который позже работал над железной дорогой Edinburgh to Dalkeith Railway, локально известной как Innocent Railway. Его мать была Barbara Grahame, из известной юридической и банковской семьи.
Его отец переезжал по Шотландии для различных проектов, и семья переезжала вместе с ним. William сначала учился дома, но затем посещал Ayr Academy в 1828–29 годах и затем High School of Glasgow в 1830 году. Около 1830 года семья переехала в Edinburgh, когда отец получил должность менеджера Edinburgh to Dalkeith Railway. Семья тогда жила по адресу 2 Arniston Place.
В 1834 году его отправили в Scottish Naval and Military Academy на Lothian Road в Edinburgh с математиком George Lee. К этому году William уже был весьма опытен в математике и получил в подарок от своего дяди «Principia» Isaac Newton 1687 года в оригинале на латыни.
В 1836 году Rankine начал изучать спектр научных тем в University of Edinburgh, включая естественную историю под руководством Robert Jameson и натурфилософию под руководством James David Forbes. Под руководством Forbes ему были присуждены премии за эссе о методах физического исследования и волновой или волнистой теории света. Во время каникул он помогал своему отцу, который с 1830 года был менеджером и позже эффективным казначеем и инженером Edinburgh and Dalkeith Railway, которая привозила уголь в растущий город. Он оставил University of Edinburgh в 1838 году без диплома, что тогда было не редкостью, и, возможно из-за стеснённого финансового положения семьи, стал учеником у Sir John Benjamin Macneill, который в то время был инспектором Irish Railway Commission. Во время стажировки он разработал технику, позже известную как метод Rankine, для разметки железнодорожных кривых, полностью использующую theodolite и обеспечивающую существенное улучшение точности и производительности по сравнению с существующими методами. На самом деле эта техника одновременно применялась другими инженерами, и в 1860-х годах был небольшой спор о приоритете Rankine.
Год 1842 также отметил первую попытку Rankine свести явления тепла к математической форме, но он был разочарован отсутствием экспериментальных данных. Во время визита Queen Victoria в Шотландию позже в том же году он организовал большой костёр, расположенный на Arthur's Seat, построенный с радиальными воздушными проходами под топливом. Костёр служил маяком для инициирования цепи других костров по всей Шотландии.
В 1850 году он был избран Fellow of the Royal Society of Edinburgh, его предложил Prof James David Forbes. Он выиграл Keith Prize Общества за период 1851–53 годов. Он служил Vice President Общества с 1871 по 1872 год.
С 1855 года он был Professor of Civil Engineering and Mechanics в Glasgow University.
Он умер в 8 Albion Crescent, теперь называемом Dowanside Road, Dowanhill, Glasgow в 23:45 в канун Рождества, 24 декабря 1872 года, в возрасте всего 52 лет. Он был неженат и не имел детей. Его смерть была зарегистрирована его дядей, Alex Grahame, братом покойной матери по браку.
Термодинамика
Не испугавшись, Rankine вернулся к своему юношескому увлечению механикой теплового двигателя. Хотя его теория циркулирующих потоков упругих вихрей, объёмы которых спонтанно адаптировались к их окружению, звучит фантастично для учёных, воспитанных на современных представлениях, к 1849 году он успешно нашёл соотношение между давлением насыщенного пара и температурой. В следующем году он использовал свою теорию для установления соотношений между температурой, давлением и плотностью газов, а также выражений для скрытой теплоты испарения жидкости. Он точно предсказал удивительный факт, что видимая удельная теплота насыщенного пара была бы отрицательной.
Вдохновлённый своим успехом, в 1851 году он приступил к расчёту эффективности тепловых двигателей и использовал свою теорию в качестве основы для вывода принципа, что максимальная эффективность, возможная для любого теплового двигателя, является функцией только двух температур, между которыми он работает. Хотя аналогичный результат уже был получен Rudolf Clausius и William Thomson, Rankine утверждал, что его результат основывался исключительно на его гипотезе молекулярных вихрей, а не на теории Carnot или каком-то другом дополнительном предположении. Эта работа ознаменовала первый шаг на пути Rankine к развитию более полной теории тепла.
Rankine позже переформулировал результаты своих молекулярных теорий в терминах макроскопического описания энергии и её преобразований. Он определил и различал между фактической энергией, которая была потеряна в динамических процессах, и потенциальной энергией, которой она была заменена. Он предположил, что сумма двух энергий постоянна, идея, уже, хотя, конечно, не очень долго, знакомая в законе сохранения энергии. С 1854 года он широко использовал свою термодинамическую функцию, которую позже понял, что она была идентична энтропии Clausius. К 1855 году Rankine сформулировал науку энергетики, которая давала описание динамики в терминах энергии и её преобразований, а не силы и движения. Теория была очень влиятельна в 1890-х годах. В 1859 году он предложил шкалу Rankine температуры, абсолютную или термодинамическую шкалу, степень которой равна градусу Фаренгейта.
Энергетика предоставила Rankine альтернативный и довольно более обоснованный подход к его науке, и с середины 1850-х годов он значительно реже использовал свои молекулярные вихри. Однако он по-прежнему утверждал, что работа Maxwell по электромагнетизму была фактически расширением его модели. И в 1864 году он утверждал, что микроскопические теории тепла, предложенные Clausius и James Clerk Maxwell, основанные на линейном атомном движении, были неадекватны. Только в 1869 году Rankine признал успех этих конкурирующих теорий. К тому времени его собственная модель атома стала почти идентична модели Thomson.
Как было его постоянной целью, особенно как учителя инженерии, он использовал свои собственные теории для разработки ряда практических результатов и объяснения их физических принципов, включая:
- Уравнение Rankine–Hugoniot для распространения ударных волн, которое управляет поведением ударных волн, перпендикулярных входящему потоку. Оно названо в честь физиков Rankine и французского инженера Pierre Henri Hugoniot;
- Цикл Rankine, анализ идеального теплового двигателя с конденсатором. Как и в других термодинамических циклах, максимальная эффективность цикла Rankine определяется путём расчёта максимальной эффективности цикла Carnot;
- Свойства пара, газов и паров.
История ротординамики полна взаимодействия теории и практики. Rankine впервые провёл анализ вращающегося вала в 1869 году, но его модель была неадекватна, и он предсказал, что надкритические скорости не могут быть достигнуты.
Исследования усталости
Rankine был одним из первых инженеров, которые признали, что отказы при усталости железнодорожных осей были вызваны инициированием и ростом хрупких трещин. В начале 1840-х годов он изучил много сломанных осей, особенно после крушения поезда в Versailles в 1842 году, когда ось локомотива внезапно сломалась и привела к смерти более 50 пассажиров. Он показал, что оси сломались в результате прогрессивного роста хрупкой трещины от плеча или другого источника концентрации напряжений на валу, такого как шпоночный паз. Его поддержал аналогичный прямой анализ сломанных осей Joseph Glynn, где оси сломались в результате медленного роста хрупкой трещины в процессе, теперь известном как усталость металла. Вполне вероятно, что передняя ось одного из локомотивов, участвовавших в крушении поезда в Versailles, сломалась аналогичным образом. Rankine представил свои выводы в докладе, прочитанном в Institution of Civil Engineers. Однако его работа была проигнорирована многими инженерами, которые продолжали верить, что стресс может вызвать «рекристаллизацию» металла, миф, который сохранился даже до недавних времён. Теория рекристаллизации была совершенно неправильной и препятствовала полезным исследованиям до работы William Fairbairn несколько лет спустя, которая показала ослабляющий эффект повторяющихся изгибов на больших балках. Тем не менее, усталость осталась серьёзным и плохо понимаемым явлением и была коренной причиной многих несчастных случаев на железных дорогах и в других местах. Это по-прежнему серьёзная проблема, но, по крайней мере, сегодня она намного лучше понимается, и поэтому может быть предотвращена благодаря тщательному проектированию.
Другая работа
Rankine служил Regius Professor of Civil Engineering and Mechanics в University of Glasgow с ноября 1855 года до его смерти в декабре 1872 года, проводя инженерные исследования по ряду направлений в гражданском и механическом строительстве.
Rankine сыграл важную роль в формировании предшественника Glasgow University Officer Training Corps, 2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corps в Glasgow University в июле 1859 года, став Major в 1860 году после его формирования в первую роту 2-го батальона 1st Lanarkshire Rifle Volunteer Corps; он служил до 1864 года, когда он ушёл в отставку из-за нехватки времени — большая часть которого была связана с Naval Architecture.
Гражданское строительство
Rankine Lectures, организованные British Geotechnical Association, названы в признание значительного вклада, который Rankine внёс в:
- Силы в каркасных конструкциях;
- Механику грунтов; особенно в теорию боковых земляных давлений и стабилизацию подпорных стен. Метод анализа земляного давления Rankine назван в его честь.
Кораблестроение
Rankine тесно сотрудничал с судостроителями Clyde, особенно со своим другом и пожизненным сотрудником James Robert Napier, чтобы превратить кораблестроение в инженерную науку. Он был основателем и первым President of the Institution of Engineers & Shipbuilders in Scotland в 1857 году. Он был ранним членом Royal Institution of Naval Architects, основанного в 1860 году, и посещал многие из его ежегодных собраний. Вместе с William Thomson и другими, Rankine был членом совета расследования спорного затопления HMS Captain.
Награды и почести
- Fellow of the Royal Scottish Society of Arts
- Associate of the Institution of Civil Engineers, в 1843 году он так и не стал полноправным членом
- 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
- Абсолютная шкала Фаренгейта Rankine названа в его честь.
- Rankine, маленький ударный кратер около восточного края Луны, также названа в его честь.
- В 2013 году он был одним из четырёх индуктированных в Scottish Engineering Hall of Fame.
Публикации
- 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, прочитано в Royal Society of Edinburgh, 4 февраля 1850
- On the General Law of Transformation of Energy 1853, прочитано в Glasgow Philosophical Society
- On the Thermodynamic Theory of Waves of Finite Longitudinal Disturbance 1869
- Outlines of the Science of Energetics 1855, прочитано в Glasgow Philosophical Society
- Rankine, William John MacQuorn 1881. Miscellaneous Scientific Papers. London: Charles Griffin and Company.
