William Rankine - William Rankine

William John Macquorn Rankine
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William John Macquorn Rankine
Nació ( 07/05/1820 )5 de julio de 1820
Edimburgo , Escocia
Murió 24 de diciembre de 1872 (24/12/1872)(52 años)
Glasgow , Escocia
Nacionalidad escocés
alma mater Universidad de Edimburgo
Conocido por
Premios Medalla Keith (1854)
Carrera científica
Los campos Física , ingeniería , ingeniería civil
Instituciones Universidad de Glasgow
Influenciado Pierre Duhem

William John Macquorn Rankine FRSE FRS ( / r æ ŋ k ɪ n / ; 5 julio 1820 a 24 diciembre 1872) fue un ingeniero mecánico escocés que también contribuyó a la ingeniería civil , la física y las matemáticas. Fue colaborador fundador, con Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin), de la ciencia de la termodinámica , centrándose particularmente en la primera de las tres leyes termodinámicas. Desarrolló la escala Rankine , un equivalente a la escala Kelvin de temperatura, pero en grados Fahrenheit en lugar de Celsius.

Rankine desarrolló una teoría completa de la máquina de vapor y, de hecho, de todas las máquinas térmicas. Sus manuales de ciencia y práctica de la ingeniería se utilizaron durante muchas décadas después de su publicación en las décadas de 1850 y 1860. Publicó varios cientos de artículos y notas sobre temas de ciencia e ingeniería, desde 1840 en adelante, y sus intereses fueron extremadamente variados, incluyendo, en su juventud, la botánica , la teoría musical y la teoría de números y, en sus años de madurez, la mayoría de las principales ramas de la ciencia. , matemáticas e ingeniería.

Fue un entusiasta cantante, pianista y violonchelista aficionado que compuso sus propias canciones humorísticas.

Vida

Rankine nació en Edimburgo y es hijo del teniente David Rankin (sic), un ingeniero civil de origen militar, que más tarde trabajó en el ferrocarril de Edimburgo y Dalkeith (conocido localmente como Innocent Railway). Su madre era Barbara Grahame, de una destacada familia de abogados y banqueros.

Su padre se mudó por Escocia en varios proyectos y la familia se mudó con él. William fue educado inicialmente en casa, pero luego asistió a la Academia Ayr (1828–29) y luego a la High School of Glasgow (1830). Alrededor de 1830, la familia se mudó a Edimburgo cuando el padre consiguió un puesto como Gerente del ferrocarril de Edimburgo a Dalkeith. La familia vivió entonces en 2 Arniston Place.

En 1834 fue enviado a la Academia Militar y Naval de Escocia en Lothian Road en Edimburgo con el matemático George Lee. Para ese año, William ya era muy competente en matemáticas y recibió, como regalo de su tío, los Principia de Isaac Newton (1687) en el latín original.

En 1836, Rankine comenzó a estudiar un espectro de temas científicos en la Universidad de Edimburgo , incluida la historia natural con Robert Jameson y la filosofía natural con James David Forbes . Con Forbes recibió premios por ensayos sobre métodos de investigación física y sobre la teoría ondulatoria (o ondulatoria) de la luz . Durante las vacaciones, ayudó a su padre, quien, desde 1830, fue gerente y, más tarde, efectivo tesorero e ingeniero del ferrocarril de Edimburgo y Dalkeith, que trajo carbón a la ciudad en crecimiento. Dejó la Universidad de Edimburgo en 1838 sin un título (lo que no era inusual en ese entonces) y, tal vez debido a las dificultades económicas de la familia, se convirtió en aprendiz de Sir John Benjamin Macneill , que en ese momento era topógrafo de la Comisión de Ferrocarriles de Irlanda . Durante su pupilaje, desarrolló una técnica, más tarde conocida como método de Rankine , para trazar curvas de ferrocarril, explotando completamente el teodolito y logrando una mejora sustancial en precisión y productividad con respecto a los métodos existentes. De hecho, la técnica fue utilizada simultáneamente por otros ingenieros, y en la década de 1860 hubo una disputa menor sobre la prioridad de Rankine.

El año 1842 también marcó el primer intento de Rankine de reducir el fenómeno del calor a una forma matemática, pero se sintió frustrado por su falta de datos experimentales. En el momento de la visita de la reina Victoria a Escocia, ese mismo año, organizó una gran hoguera situada en Arthur's Seat , construida con conductos de aire radiantes debajo del combustible. La hoguera sirvió como un faro para iniciar una cadena de otras hogueras en Escocia.

En 1850 fue elegido miembro de la Royal Society de Edimburgo , siendo su proponente el profesor James David Forbes . Ganó el Premio Keith de la Sociedad por el período 1851-1853. Se desempeñó como vicepresidente de la Sociedad desde 1871 hasta 1872.

Desde 1855 fue profesor de Ingeniería Civil y Mecánica en la Universidad de Glasgow .

Murió en el número 8 de Albion Crescent (ahora llamado Dowanside Road), Dowanhill, Glasgow a las 11:45 pm en la víspera de Navidad, el 24 de diciembre de 1872, con sólo 52 años. No estaba casado y no tenía hijos. Su muerte fue registrada por su tío, Alex Grahame (cuñado de su difunta madre).

Termodinámica

Sin desanimarse, Rankine volvió a su fascinación juvenil por la mecánica de la máquina térmica . Aunque su teoría de las corrientes circulantes de vórtices elásticos cuyos volúmenes se adaptaron espontáneamente a su entorno suena fantasiosa para los científicos, se formó en una versión moderna, en 1849 había logrado encontrar la relación entre la presión de vapor saturado y la temperatura . Al año siguiente, utilizó su teoría para establecer relaciones entre la temperatura, la presión y la densidad de los gases , y las expresiones del calor latente de evaporación de un líquido . Predijo con precisión el hecho sorprendente de que el calor específico aparente del vapor saturado sería negativo.

Envalentonado por su éxito, en 1851 se propuso calcular la eficiencia de las máquinas térmicas y utilizó su teoría como base para deducir el principio de que la máxima eficiencia posible para cualquier máquina térmica es una función únicamente de las dos temperaturas entre las que opera. . Aunque Rudolf Clausius y William Thomson ya habían obtenido un resultado similar , Rankine afirmó que su resultado se basaba únicamente en su hipótesis de vórtices moleculares, más que en la teoría de Carnot o alguna otra suposición adicional. El trabajo marcó el primer paso en el viaje de Rankine para desarrollar una teoría más completa del calor.

Posteriormente, Rankine reformuló los resultados de sus teorías moleculares en términos de una explicación macroscópica de la energía y sus transformaciones. Definió y distinguió entre la energía real que se perdió en los procesos dinámicos y la energía potencial por la que fue reemplazada. Supuso que la suma de las dos energías era constante, una idea ya, aunque seguramente no por mucho tiempo, familiar en la ley de conservación de la energía . A partir de 1854, hizo un amplio uso de su función termodinámica, que luego se dio cuenta de que era idéntica a la entropía de Clausius. En 1855, Rankine había formulado una ciencia de la energía que daba cuenta de la dinámica en términos de energía y sus transformaciones en lugar de fuerza y movimiento . La teoría fue muy influyente en la década de 1890. En 1859 propuso la escala Rankine de temperatura, una escala absoluta o termodinámica cuyo grado es igual a un grado Fahrenheit .

La energía ofreció a Rankine un enfoque alternativo, y bastante más convencional, a su ciencia y, desde mediados de la década de 1850, hizo un uso bastante menor de sus vórtices moleculares. Sin embargo, todavía afirmaba que el trabajo de Maxwell sobre electromagnetismo era efectivamente una extensión de su modelo. Y, en 1864, sostuvo que las teorías microscópicas del calor propuestas por Clausius y James Clerk Maxwell , basadas en el movimiento atómico lineal, eran inadecuadas. Sólo en 1869 Rankine admitió el éxito de estas teorías rivales. En ese momento, su propio modelo del átomo se había vuelto casi idéntico al de Thomson.

Como era su objetivo constante, especialmente como profesor de ingeniería, utilizó sus propias teorías para desarrollar una serie de resultados prácticos y dilucidar sus principios físicos, entre ellos:

  • La ecuación de Rankine-Hugoniot para la propagación de ondas de choque rige el comportamiento de las ondas de choque normales al flujo que se aproxima. Lleva el nombre de los físicos Rankine y el ingeniero francés Pierre Henri Hugoniot ;
  • El ciclo de Rankine , un análisis de una máquina térmica ideal con un condensador. Como otros ciclos termodinámicos, la eficiencia máxima del ciclo Rankine se da calculando la eficiencia máxima del ciclo de Carnot ;
  • Propiedades de vapores, gases y vapores.

La historia de la rotordinámica está repleta de la interacción de la teoría y la práctica. Rankine realizó por primera vez un análisis de un eje giratorio en 1869, pero su modelo no era adecuado y predijo que no se podrían alcanzar velocidades supercríticas.

Estudios de fatiga

Dibujo de una falla por fatiga en un eje, 1843.

Rankine fue uno de los primeros ingenieros en reconocer que las fallas por fatiga de los ejes ferroviarios fueron causadas por la iniciación y el crecimiento de grietas frágiles. A principios de la década de 1840, examinó muchos ejes rotos, especialmente después del accidente del tren de Versalles de 1842 cuando un eje de locomotora se fracturó repentinamente y provocó la muerte de más de 50 pasajeros. Mostró que los ejes habían fallado por el crecimiento progresivo de una grieta frágil de un hombro u otra fuente de concentración de tensión en el eje, como un chavetero . Joseph Glynn lo apoyó en un análisis directo similar de ejes defectuosos , donde los ejes fallaron por el lento crecimiento de una grieta frágil en un proceso que ahora se conoce como fatiga del metal . Es probable que el eje delantero de una de las locomotoras involucradas en el accidente del tren de Versalles fallara de manera similar. Rankine presentó sus conclusiones en un documento entregado a la Institución de Ingenieros Civiles. Sin embargo, su trabajo fue ignorado por muchos ingenieros que persistieron en creer que el estrés podría causar la "recristalización" del metal, un mito que ha persistido incluso hasta tiempos recientes. La teoría de la recristalización estaba bastante equivocada e inhibió la investigación que valía la pena hasta el trabajo de William Fairbairn unos años más tarde, que mostró el efecto debilitador de la flexión repetida en vigas grandes. Sin embargo, la fatiga siguió siendo un fenómeno grave y poco comprendido, y fue la causa fundamental de muchos accidentes en los ferrocarriles y en otros lugares. Sigue siendo un problema grave, pero al menos hoy en día se comprende mucho mejor y, por lo tanto, se puede prevenir mediante un diseño cuidadoso.

Otro trabajo

Rankine en la década de 1870

Rankine se desempeñó como Profesor Regius de Ingeniería Civil y Mecánica en la Universidad de Glasgow desde noviembre de 1855 hasta su muerte en diciembre de 1872, realizando investigaciones de ingeniería a lo largo de una serie de líneas en ingeniería civil y mecánica .

Rankine jugó un papel decisivo en la formación del precursor del Cuerpo de Entrenamiento de Oficiales de la Universidad de Glasgow , el 2do Cuerpo de Voluntarios del Rifle de Lanarkshire en la Universidad de Glasgow en julio de 1859, convirtiéndose en Mayor en 1860 después de que se formara en la primera compañía del 2do Batallón, 1er Voluntario del Rifle de Lanarkshire. Cuerpo; sirvió hasta 1864, cuando renunció debido a la presión del trabajo, en gran parte asociado con la arquitectura naval.

Ingeniería civil

Las conferencias Rankine , organizadas por la Asociación Geotécnica Británica , se nombran en reconocimiento a las importantes contribuciones que hizo Rankine a:

Arquitectura naval

Rankine trabajó en estrecha colaboración con los constructores navales de Clyde, especialmente con su amigo y colaborador de toda la vida James Robert Napier , para convertir la arquitectura naval en una ciencia de la ingeniería. Fue miembro fundador y primer presidente de la Institución de Ingenieros y Constructores Navales de Escocia en 1857. Fue uno de los primeros miembros de la Real Institución de Arquitectos Navales (fundada en 1860) y asistió a muchas de sus reuniones anuales. Con William Thomson y otros, Rankine fue miembro de la junta de investigación sobre el controvertido hundimiento del Capitán del HMS .

Premios y honores

Publicaciones

Libros
  • Manual de mecánica aplicada (1858)
  • Manual de la máquina de vapor y otros motores principales (1859)
  • Manual de Ingeniería Civil (1861)
  • Construcción naval, teórica y práctica (1866)
  • Manual de maquinaria y carpintería (1869)
Documentos
Sobre Rankine
  • Rankine, William John MacQuorn (1881). Artículos científicos diversos . Londres: Charles Griffin and Company.

Ver también

Referencias

enlaces externos