William John Macquorn Rankine, Rudolf Clausius ve William Thomson Lord Kelvin ile birlikte termodinamik biliminin kurucu katkıcısı olan İskoç bir makine mühendisiydi ve aynı zamanda inşaat mühendisliği, fizik ve matematik alanlarına da katkıda bulunmuştur. Özellikle üç termodinamik yasasının ilkine odaklanarak, Rankine ölçeğini geliştirmiştir; bu ölçek, Kelvin ölçeğine eşdeğer olmakla birlikte, Celsius yerine Fahrenheit derece cinsinden ifade edilmektedir.
Rankine buhar makinesi ve aslında tüm ısı motorlarının tam bir teorisini geliştirmiştir. Mühendislik bilimi ve pratiğine ilişkin el kitapları, 1850'ler ve 1860'larda yayınlanmasından sonra onlarca yıl boyunca kullanılmıştır. 1840'tan itibaren bilim ve mühendislik konuları hakkında birkaç yüz makale ve not yayınlamış, ilgi alanları oldukça çeşitli olmuş; gençliğinde botanik, müzik teorisi ve sayı teorisi, olgun yıllarında ise bilim, matematik ve mühendisliğin çoğu ana dalları ile ilgilenmiştir.
Kendine ait mizahi şarkılar bestelediği meraklı bir amatör şarkıcı, piyanist ve çellist idi.
Yaşamı
Rankine, askeri geçmişe sahip ve daha sonra yerel olarak Innocent Railway olarak bilinen Edinburgh-Dalkeith Demiryolu üzerinde çalışan inşaat mühendisi Lt David Rankin'in oğlu olarak Edinburgh'da doğmuştur. Annesi, önde gelen bir hukuk ve bankacılık ailesinden Barbara Grahame idi.
Babası İskoçya'daki çeşitli projeler üzerinde çalışmak için yer değiştirmiş ve aile onunla birlikte taşınmıştır. William başlangıçta evde eğitim almış, ancak daha sonra Ayr Academy'de 1828-29 yıllarında ve ardından Glasgow Lisesi'nde 1830 yılında okumuştur. Yaklaşık 1830 yılında baba Edinburgh-Dalkeith Demiryolu'nun Müdürü olarak bir görev aldığında aile Edinburgh'a taşınmıştır. Aile daha sonra 2 Arniston Place'te yaşamıştır.
1834'te matematikçi George Lee ile birlikte Edinburgh'daki Lothian Road'daki Scottish Naval and Military Academy'ye gönderilmiştir. O yıl itibarıyla William zaten matematik konusunda oldukça yeterli olmuş ve amcasından hediye olarak orijinal Latince Isaac Newton's Principia 1687'yi almıştır.
1836'da Rankine, Robert Jameson'un doğal tarih dersleri ve James David Forbes'in doğal felsefe dersleri olmak üzere Edinburgh Üniversitesi'nde çeşitli bilimsel konuları çalışmaya başlamıştır. Forbes'un altında fiziksel araştırma yöntemleri ve ışığın undulatory veya dalga teorisi hakkında yazılar için ödül kazanmıştır. Tatillerde, 1830'dan itibaren büyüyen şehre kömür getiren Edinburgh ve Dalkeith Demiryolu'nun müdürü ve daha sonra etkin hazine müdürü ve mühendisi olan babasına yardımcı olmuştur. 1838'de Edinburgh Üniversitesi'nden derece almadan ayrılmış (bu o zamanlar olağan değildi) ve muhtemelen aile finansmanının zor olması nedeniyle, o zamanlar İrlanda Demiryolu Komisyonu'nun sörveyörü olan Sir John Benjamin Macneill'e çırak olarak başlamıştır. Çıraklığı sırasında, daha sonra Rankine yöntemi olarak bilinecek olan, teodolitten tam olarak yararlanan ve mevcut yöntemlere kıyasla doğruluk ve üretkenlikte önemli bir iyileştirme sağlayan demiryolu eğrileri oluşturmak için bir teknik geliştirmiştir. Aslında, teknik diğer mühendisler tarafından da aynı anda kullanıldığı için 1860'larda Rankine'nin önceliği konusunda küçük bir anlaşmazlık yaşanmıştır.
1842 yılı ayrıca Rankine'nin ısı fenomenlerini matematiksel forma indirgemesine ilişkin ilk girişimini işaretlemiş, ancak deneysel verilerinin olmaması onu hayal kırıklığına uğratmıştır. Aynı yılın ilerleyen döneminde Kraliçe Victoria'nın İskoçya'yı ziyaret ettiği sırada, yakıt altında ışınsal hava pasajları ile inşa edilmiş Arthur's Seat üzerinde konumlandırılmış büyük bir kamp ateşi düzenlenmiştir. Bu kamp ateşi, İskoçya'daki diğer kamp ateşlerinin zincirleme başlması için bir işaret görevi görmüştür.
1850'de Royal Society of Edinburgh'a Fellow seçilmiş; önerisini Prof James David Forbes yapmıştır. 1851-53 dönemine ilişkin Toplum'un Keith Prize'ını kazanmıştır. 1871-1872 yıllarında Toplum'un Başkan Yardımcısı olarak görev yapmıştır.
1855'ten itibaren Glasgow Üniversitesi'nde İnşaat Mühendisliği ve Mekanik Profesörü olmuştur.
24 Aralık 1872 Noel Arifesi'nde saat 23:45'te şu anda Dowanside Road olarak adlandırılan 8 Albion Crescent'te, Dowanhill, Glasgow'da, 52 yaşında ölmüştür. Evlenmemiş ve çocuğu olmamıştır. Ölümü, geç annesi Alex Grahame'nin enişi olan amcası tarafından kaydedilmiştir.
Termodinamik
Yılmadı, Rankine ısı motoru mekaniklerine ilişkin gençlik aşkına geri döndü. Hacimlerinin çevreye otomatik olarak uyarlandığı dolaşan elastik vorteks akımlarının teorisi modern hesaplamalardan oluşan bilim insanlarına fantezi gibi gelse de, 1849'a kadar, doymuş buhar basıncı ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi bulmada başarılı olmuştur. Ertesi yıl, teorisini gazların sıcaklık, basınç ve yoğunluğu arasında ilişkiler kurarak ve bir sıvının buharlaşma gizli ısısına ilişkin ifadeler türeterek kullanmıştır. Doymuş steam'in görünüşteki spesifik ısısının negatif olacağı şaşırtıcı gerçeğini doğru olarak tahmin etmiştir.
Başarısıyla cesur hale gelen Rankine, 1851'de ısı motorlarının verimliliğini hesaplamaya yönelmiş ve herhangi bir ısı motorunun maksimum verimliliğinin yalnızca çalıştığı iki sıcaklığın bir fonksiyonu olduğu ilkesini çıkarmak için teorisini temel almıştır. Benzer bir sonuç daha önceden Rudolf Clausius ve William Thomson tarafından türetilmiş olmakla birlikte, Rankine, sonucunun Carnot'nun teorisine veya başka bir ek varsayıma değil, yalnızca moleküler vorteks hipotezine dayandığını iddia etmiştir. Bu çalışma, Rankine'nin ısı teorisini daha eksiksiz hale getirme yolculuğundaki ilk adımı işaretlemiştir.
Rankine daha sonra moleküler teorilerinin sonuçlarını enerji ve dönüşümlerine ilişkin makroskopik bir hesapta yeniden şekillendirmiştir. Dinamik süreçlerde kaybedilen gerçek enerji ile onun yerine konulan potansiyel enerji arasında fark koymuş ve tanımlamıştır. Her iki enerjinin toplamının sabit olduğunu varsayımını yapmış; bu fikir, Clausius'un entropisi ile ilgili olan bir enerji korunum yasasında zaten (tabii çok uzun olmasa da) tanıdık gelmiş olmalıdır. 1854'ten itibaren, daha sonra Clausius'un entropisi ile aynı olduğunu fark ettiği termodinamik işlevini yaygın olarak kullanmıştır. 1855'e kadar, Rankine enerji ve dönüşümlerine ilişkin açıklamalı ve kuvvet ve hareket yerine enerji açısından dinamiklerin bir açıklamasını sağlayan bir energetik bilimi formüle etmiştir. Teori 1890'lar döneminde çok etkili olmuştur. 1859'da derecesi Fahrenheit dereceye eşit olan mutlak veya termodinamik bir ölçek olan Rankine sıcaklık ölçeğini önermiştir.
Energetik, Rankine'ye alternatif ve biraz daha ana akım bir yaklaşım sunmuş ve 1850'lerin ortasından itibaren, moleküler vortekslerini daha az kullanmıştır. Yine de Maxwell'in elektromanyetizm hakkındaki çalışmasının temelde modelinin bir uzantısı olduğunu iddia etmiştir. Ve 1864'te, Clausius ve James Clerk Maxwell tarafından doğrusal atomik hareketine dayalı olan ısıya ilişkin mikroskobik teorilerin yetersiz olduğunu iddia etmiştir. Rankine, bu rakip teorilerin başarısını ancak 1869'da kabul etmiştir. O zamana kadar, kendi atom modeli Thomson'un modeli ile neredeyse özdeş hale gelmişti.
Özellikle mühendislik öğretmeni olarak sabit amacı olan Rankine, kendi teorilerini kullanarak bir dizi pratik sonuç geliştirmiş ve bunların fiziksel ilkelerini açıklığa kavuşturmuştur:
- Rankine-Hugoniot denklemi, şok dalgalarının yayılması için, gelişleri akışa normal olan şok dalgaların davranışını yönetmektedir. Adı, fizikçiler Rankine ve Fransız mühendis Pierre Henri Hugoniot'dan almıştır.
- Rankine döngüsü, bir kondenserli ideal ısı motoru analizi. Diğer termodinamik döngüleri gibi, Rankine döngüsünün maksimum verimliliği Carnot döngüsünün maksimum verimliliği hesaplanarak verilmektedir.
- Steam, gazlar ve buharların özellikleri.
Rotodinamiklerin tarihi, teorinin ve uygulamanın etkileşimi ile doludur. Rankine ilk olarak 1869'da dönen bir şaftin analizini yaptı, ancak modeli yeterli değildi ve üstün kritik hızlara ulaşılamayacağını tahmin etti.
Yorulma çalışmaları
Rankine, demiryolu akslarının yorulma arızalarının gevrek çatlakların başlatılması ve büyümesi nedeniyle meydana geldiğini tanıyan ilk mühendislerden biriydi. 1840'ların başında, özellikle bir lokomotif aksesinin aniden kırıldığı ve 50'den fazla yolcunun ölümüne yol açan 1842 Versailles tren kazasından sonra birçok kırık aksa incelemiştir. Akslerin, şaft üzerinde omuz veya diğer stres yoğunlaştırma kaynakları (örneğin bir anahtar yolu) gibi yerlerden bir gevrek çatlamanın ilerleyici büyümesi nedeniyle başarısız olduğunu göstermiştir. Joseph Glynn tarafından başarısız olan akslara benzer doğrudan analizle desteklenmiş ve günümüzde metal yorulması olarak bilinen bir işlemde gevrek çatlamanın yavaş büyümesi nedeniyle akslerin başarısız olduğu bulunmuştur. Versailles tren kazasında yer alan lokomotiflerin ön aksesinin benzer şekilde başarısız olması muhtemeldir. Rankine, Başarısız Makineler Enstitüsü'ne sunulan bir makalede sonuçlarını ortaya koymuştur. Ancak, stres "yeniden kristalleştirme" ve hatta yakın zamanlara kadar süren bir efsaneye inanmaya devam eden birçok mühendis tarafından işi görmezden gelinmiştir. Yeniden kristalleştirme teorisi tamamen hatalı olmuş ve birkaç yıl sonra William Fairbairn'in çalışmasına kadar, büyük kirişler üzerindeki tekrarlanan bükülmenin zayıflama etkisini gösteren değerli araştırmaları engellemiştir. Bununla birlikte, yorulma ciddi ve zayıf anlaşılmış bir fenomen olarak kalmış ve demiryolları ve başka yerlerdeki birçok kazanın temel nedeni olmuştur. Halen ciddi bir sorundur, ancak en azından günümüzde çok daha iyi anlaşıldığından, dikkatli tasarımla önlenebilir.
Diğer çalışmalar
Rankine, Kasım 1855'ten Aralık 1872'deki ölümüne kadar Glasgow Üniversitesi'nde İnşaat Mühendisliği ve Mekanik'in Regius Profesörü olarak görev yapmış; inşaat ve makine mühendisliğinin bir dizi satırında mühendislik araştırması yürütmüştür.
Rankine, Temmuz 1859'da Glasgow Üniversitesi'nde 2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corps'un kurulmasında, Glasgow Üniversitesi Subay Eğitim Korusu'nun öncüsünün kurulmasında araçsal rol oynamış; 1860'da 1st Lanarkshire Rifle Volunteer Corps'un 2. Taburu'nun ilk şirketi olarak kurulduktan sonra Teğmen olmuş ve 1864'te çoğu Naval Architecture ile ilişkili iş yüküne bağlı olarak istifa etmiş olsa da görev yapmıştır.
İnşaat mühendisliği
İngiliz Jeoteknik Derneği tarafından organize edilen Rankine Lectures, Rankine'nin yaptığı önemli katkılar nedeniyle adı verilmiştir:
- Çerçeve yapılarında kuvvetler;
- Toprak mekaniği; özellikle yanal toprak basıncı teorisi ve istinat duvarlarının stabilizasyonunda. Rankine yöntemi de toprak basıncı analizi adıyla bilinmektedir.
Gemi mimarisi
Rankine, arkadaşı ve ömür boyu işbirlikçisi James Robert Napier'in özellikle Clyde tersaneleriyle yakın çalışarak, gemi mimarisini bir mühendislik bilimi haline getirmek için çalışmıştır. 1857'de kurulan İskoçya Mühendisler ve Gemi İnşaatçıları Enstitüsü'nün kurucu üyesi ve ilk Başkanı olmuştur. 1860 yılında kurulan Kraliçe Gemi Mimarları Kurumu'nun ilk üyesi olmuş ve yıllık toplantılarının çoğuna katılmıştır. William Thomson ve diğerleriyle birlikte, Rankine HMS Captain'ın tartışmalı batışı hakkında soruşturma kurulunun üyesi olmuştur.
Ödüller ve onurlar
- Royal Scottish Society of Arts Fellow'u
- Institution of Civil Engineers Associate, 1843 yılında hiçbir zaman tam Üye değildi
- Royal Society of Edinburgh Fellow'u, 1850
- Royal Society of London Fellow'u, 1853
- Royal Society of Edinburgh'dan Keith Medali, 1854
- Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland'ın Kurucu Başkanı, 1857
- Trinity College, Dublin'den LL.D., 1857
- Royal Swedish Academy of Sciences'ın Yabancı Üyesi, 1868
- Rankine mutlak Fahrenheit ölçeği onuruna adlandırılmıştır.
- Rankine, Ay'ın doğu kenarı yakınında bulunan küçük bir çarpma krateri, ayrıca onuruna adlandırılmıştır.
- 2013'te İskoç Mühendislik Ruhu'na dört kimse arasında seçilenlerin biri olmuştur.
Yayınlar
- 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, Royal Society of Edinburgh'da 4 Şubat 1850 tarihinde okundu
- On the General Law of Transformation of Energy 1853, Glasgow Philosophical Society'de okundu
- On the Thermodynamic Theory of Waves of Finite Longitudinal Disturbance 1869
- Outlines of the Science of Energetics 1855, Glasgow Philosophical Society'de okundu
- Rankine, William John MacQuorn 1881. Miscellaneous Scientific Papers. London: Charles Griffin and Company.
