Уильям Джон Рэнкен: Жизнь и вклад в термодинамику и инженерное дело

Введение

Шотландский инженер-механик

Уильям Джон Маккуорн Рэнкин (англ. William John Macquorn Rankine; 5 июля 1820 – 24 декабря 1872) — шотландский математик и физик. Он внес основополагающий вклад в науку термодинамику, наряду с Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном (лорд Кельвин), особенно сосредоточившись на первом законе термодинамики. Рэнкин разработал шкалу Ранкина – эквивалент шкалы Кельвина, основанный на шкале Фаренгейта. Он разработал всеобъемлющую теорию паровой машины и, в целом, всех тепловых двигателей. Его учебники по инженерной науке и практике широко использовались на протяжении многих десятилетий после их публикации в 1850-х и 1860-х годах. Начиная с 1840 года, он опубликовал несколько сотен статей и заметок по научным и инженерным темам, а его интересы были чрезвычайно разнообразны: в юности – ботаника, теория музыки и теория чисел, а в зрелые годы – большинство основных областей науки, математики и инженерии. Рэнкин был увлеченным любителем вокала, игры на фортепиано и виолончели, сочинял собственные юмористические песни.

Жизнь

Ранкин родился в Эдинбурге в семье лейтенанта Дэвида Ранкина (sic), инженера-строителя с военным прошлым, который впоследствии работал на железной дороге Эдинбурга и Далкита (местное название – Innocent Railway). Его матерью была Барбара Грэм, из известной семьи юристов и банкиров. Отец переезжал по Шотландии, работая над различными проектами, и семья следовала за ним. Уильям первоначально получал образование дома, но затем посещал Академию Айра (1828–29) и Школу Глазго (1830). Около 1830 года семья переехала в Эдинбург, когда отец получил должность управляющего железной дорогой Эдинбург – Далкейт. Семья проживала по адресу 2 Arniston Place. В 1834 году он был отправлен в Шотландскую военно-морскую и военную академию на Лотиан-роуд в Эдинбурге, где занимался с математиком Джорджем Ли. К тому времени Уильям уже прекрасно владел математикой и получил в подарок от дяди «Математические начала натуральной философии» Исаака Ньютона (1687) на оригинальном латинском языке. В 1836 году Ранкин начал изучать широкий спектр научных дисциплин в Эдинбургском университете, включая естественную историю под руководством Роберта Джеймсона и естественную философию под руководством Джеймса Дэвида Форбса. Под руководством Форбса он был удостоен премий за эссе о методах физического исследования и о волновой теории света. Во время каникул он помогал отцу, который с 1830 года был управляющим, а затем фактически казначеем и инженером железной дороги Эдинбурга и Далкита, доставлявшей уголь в растущий город. Он покинул Эдинбургский университет в 1838 году без ученой степени (что в то время не было необычным) и, возможно, из-за стесненных семейных обстоятельств, стал учеником сэра Джона Бенджамина Макнейла, который в то время был геодезистом Ирландской железнодорожной комиссии. В период ученичества он разработал технику, впоследствии известную как метод Ранкина, для проектирования железнодорожных кривых, в полной мере используя теодолит и значительно повысив точность и производительность по сравнению с существующими методами. Фактически, эта техника одновременно применялась и другими инженерами, и в 1860-х годах возник небольшой спор о приоритете Ранкина. 1842 год ознаменовался также первой попыткой Ранкина свести явления теплоты к математической форме, но он столкнулся с нехваткой экспериментальных данных. Во время визита королевы Виктории в Шотландию, позднее в том же году, он организовал большой костер на Артурском кресле, построенный с системой радиальных воздушных каналов под топливом. Костер служил маяком для запуска цепи других костров по всей Шотландии. В 1850 году он был избран членом Королевского общества Эдинбурга, его представителем был профессор Джеймс Дэвид Форбс. Он получил премию Кита Общества за период 1851–53 годов. Он занимал должность вице-президента Общества с 1871 по 1872 год. Он не был женат и не имел детей. Его смерть была зарегистрирована его дядей Алексом Грэмом (братом его покойной матери).

Rankine was born in Edinburgh to Lt David Rankin (sic), a civil engineer from a military background, who later worked on the Edinburgh and Dalkeith Railway (locally known as the Innocent Railway). His mother was Barbara Grahame, of a prominent legal and banking family. His father moved around Scotland on various projects and the family moved with him. William was initially educated at home but he later attended Ayr Academy (1828–29) and then the High School of Glasgow (1830). Around 1830 the family moved to Edinburgh when the father got a post as Manager of the Edinburgh to Dalkeith Railway. The family then lived at 2 Arniston Place. In 1834 he was sent to the Scottish Naval and Military Academy on Lothian Road in Edinburgh with the mathematician George Lee. By that year William was already highly proficient in mathematics and received, as a gift from his uncle, Isaac Newton's Principia (1687) in the original Latin. In 1836, Rankine began to study a spectrum of scientific topics at the University of Edinburgh, including natural history under Robert Jameson and natural philosophy under James David Forbes. Under Forbes he was awarded prizes for essays on methods of physical inquiry and on the undulatory (or wave) theory of light. During vacations, he assisted his father who, from 1830, was manager and, later, effective treasurer and engineer of the Edinburgh and Dalkeith Railway which brought coal into the growing city. He left the University of Edinburgh in 1838 without a degree (which was not then unusual) and, perhaps because of straitened family finances, became an apprentice to Sir John Benjamin Macneill, who was at the time surveyor to the Irish Railway Commission. During his pupilage he developed a technique, later known as Rankine's method, for laying out railway curves, fully exploiting the theodolite and making a substantial improvement in accuracy and productivity over existing methods. In fact, the technique was simultaneously in use by other engineers – and in the 1860s there was a minor dispute about Rankine's priority. The year 1842 also marked Rankine's first attempt to reduce the phenomena of heat to a mathematical form but he was frustrated by his lack of experimental data. At the time of Queen Victoria's visit to Scotland, later that year, he organised a large bonfire situated on Arthur's Seat, constructed with radiating air passages under the fuel. The bonfire served as a beacon to initiate a chain of other bonfires across Scotland. In 1850 he was elected a Fellow of the Royal Society of Edinburgh his proposer being Prof James David Forbes. He won the Society's Keith Prize for the period 1851–53. He served as the Society's Vice President from 1871 to 1872. He was unmarried and had no children. His death was registered by his uncle, Alex Grahame (his late mother's brother in law).

Исследования усталости

Ранкин был одним из первых инженеров, признавших, что усталостные разрушения железнодорожных осей вызываются зарождением и ростом хрупких трещин. В начале 1840-х годов он исследовал множество сломанных осей, особенно после крушения поезда в Версале в 1842 году, когда ось локомотива внезапно сломалась, что привело к гибели более 50 пассажиров. Он показал, что оси разрушались в результате постепенного роста хрупкой трещины от плеча или другого источника концентрации напряжений на валу, например, от шпоночного паза. Его поддержал аналогичный непосредственный анализ поврежденных осей, проведенный Джозефом Глинном, который выявил, что разрушение осей происходило из-за медленного роста хрупкой трещины в процессе, теперь известном как усталость металла. Вероятно, передняя ось одного из локомотивов, участвовавших в крушении поезда в Версале, вышла из строя аналогичным образом. Ранкин представил свои выводы в докладе, представленном Институту гражданских инженеров. Однако многие инженеры проигнорировали его работу, продолжая верить, что напряжение может вызывать "перекристаллизацию" металла – миф, который сохраняется даже в наши дни. Теория перекристаллизации была совершенно ошибочной и препятствовала проведению полезных исследований до работ Уильяма Фейрберна спустя несколько лет, которые показали ослабляющее воздействие многократных изгибов на большие балки. Тем не менее, усталость оставалась серьезным и недостаточно изученным явлением, являясь первопричиной многих аварий на железных дорогах и в других областях. Это по-прежнему серьезная проблема, но, по крайней мере, сегодня она гораздо лучше понята, что позволяет предотвращать ее путем тщательного проектирования.

Другая работа

Ранкин занимал должность профессора-региуса гражданского строительства и механики в Университете Глазго с ноября 1855 года до своей смерти в декабре 1872 года, проводя инженерные исследования по различным направлениям в области гражданского и машиностроения. Ранкин сыграл ключевую роль в создании предшественника Офицерского учебного корпуса Университета Глазго – 2-го Ланаркширского стрелкового добровольческого корпуса при Университете Глазго в июле 1859 года, и в 1860 году стал майором после формирования первой роты 2-го батальона 1-го Ланаркширского стрелкового добровольческого корпуса. Он служил до 1864 года, когда ушел в отставку из-за большой загруженности, значительная часть которой была связана с военно-морской архитектурой.

Архитектура кораблей

Рэнкин тесно сотрудничал с судостроителями Клайда, особенно с его другом и давним соратником Джеймсом Робертом Нейпиром, чтобы превратить кораблестроение в инженерную науку. Он был одним из основателей и первым президентом Института инженеров и судостроителей в Шотландии в 1857 году. Он был одним из первых членов Королевского института военно-морских архитекторов (основанного в 1860 году) и регулярно посещал его ежегодные заседания. Вместе с Уильямом Томсоном и другими, Рэнкин входил в состав комиссии по расследованию обстоятельств катастрофического затопления HMS Captain.