Джон Скотт Рассел FRSE FRS FRSA (9 мая 1808, Паркхед , Глазго — 8 июня 1882, Вентнор , остров Уайт) — шотландский инженер-строитель , корабельный архитектор и судостроитель, построивший Great Eastern в сотрудничестве с Изамбардом Кингдомом Брюнелем . Он сделал открытие волны трансляции, которое дало начало современному изучению солитонов , и разработал систему волновых линий для строительства кораблей.
Рассел был сторонником Всемирной выставки 1851 года .
Джон Рассел родился 9 мая 1808 года в Паркхеде, Глазго, в семье преподобного Дэвида Рассела и Агнес Кларк Скотт. Он провел год в Университете Сент-Эндрюс , прежде чем перевестись в Университет Глазго . Именно в Университете Глазго он добавил девичью фамилию своей матери, Скотт, к своей собственной, чтобы стать Джоном Скоттом Расселом. Он окончил Университет Глазго в 1825 году в возрасте 17 лет и переехал в Эдинбург , где преподавал математику и естественные науки в Институте механики Лейта , добившись самой высокой посещаемости в городе. [2]
После смерти сэра Джона Лесли , профессора естественной философии в Эдинбургском университете в 1832 году, Скотт Рассел, хотя ему было всего 24 года, был избран временно заполнить вакансию до выборов постоянного профессора из-за его знаний в области естественных наук и популярности в качестве лектора. Но хотя его и поощряли баллотироваться на постоянную должность, он отказался конкурировать с другим кандидатом, которым он восхищался, и впоследствии сосредоточил инженерную профессию и экспериментальные исследования в больших масштабах. [3]
Он женился на Харриет Осборн, дочери ирландского баронета сэра Дэниела Толера Осборна и Харриет Тренч, дочери графа Кланкарти в Дублине в 1839 году; у них было два сына (Норман выжил) и три дочери, Луиза (1841–1878), Рэйчел (1845–1882) и Элис. В Лондоне они прожили пять лет в доме, предоставленном секретарю Общества искусств , а затем переехали в Сиденхэм-Хилл , который стал центром внимания, особенно после того, как Рассел и его друзья перевезли оранжерею Пакстона для Большой выставки в Хрустальный дворец неподалеку. [4]
Артур Салливан и его друг Фредерик Клей были частыми гостями в доме Скотта Рассела в середине 1860-х годов; Клей обручился с Элис, а Салливан ухаживал за Рэйчел. В то время как Клей был из богатой семьи, Салливан был все еще бедным молодым композитором из бедной семьи; Скотты Расселы приветствовали помолвку Элис с Клэем, который, однако, разорвал ее, но запретил отношения между Салливаном и Рэйчел, хотя они продолжали тайно видеться. В какой-то момент в 1868 году Салливан начал одновременный (и тайный) роман с Луизой (1841–1878). Оба отношения прекратились к началу 1869 года. [5]
Американский инженер Александр Лайман Холли подружился со Скоттом Расселом и его семьей во время своих многочисленных визитов в Лондон во время строительства Great Eastern . Холли также посетил дом Скотта Рассела в Сиденхэме. В результате этого Холли и его коллега Зера Колберн отправились в первое плавание Great Eastern из Саутгемптона в Нью-Йорк в июне 1860 года. Сын Скотта Рассела, Норман, останавливался у Холли в его доме в Бруклине — Норман также отправился в первое плавание, единственное плавание, которое Джон Скотт Рассел не совершил.
Его сын, Норман, пошел по стопам отца и стал корабельным архитектором, внося вклад в Институт корабельных архитекторов, основанный его отцом. [6]
В Эдинбурге он экспериментировал с паровыми двигателями, используя квадратный котел, для которого он разработал метод поддержания поверхности котла, который стал универсальным. Была образована Scottish Steam Carriage Company , производившая паровой экипаж с двумя цилиндрами, развивающими 12 лошадиных сил каждый. Шесть были построены в 1834 году, хорошо подрессоренные и оснащенные по высоким стандартам, которые с марта 1834 года курсировали между George Square в Глазго и отелем Tontine в Пейсли с часовыми интервалами со скоростью 15 миль в час. Дорожные попечители возражали, что это изнашивает дорогу, и размещали на дороге различные препятствия из бревен и камней, что на самом деле создавало больше неудобств для конных экипажей. Но в июле 1834 года один из экипажей перевернулся, а котел разбился, что привело к гибели нескольких пассажиров. Два из экипажей были отправлены в Лондон, где они некоторое время курсировали между Лондоном и Гринвичем. [7] [8]
В 1834 году, проводя эксперименты по определению наиболее эффективной конструкции лодок для каналов, он открыл явление, которое он описал как волну трансляции . В гидродинамике эта волна теперь называется уединенной волной Рассела . Это открытие описано здесь его собственными словами: [9] [10]
Я наблюдал за движением лодки, которую быстро тащила по узкому каналу пара лошадей, когда лодка внезапно остановилась — не такова была масса воды в канале, которую она привела в движение; она скапливалась вокруг носа судна в состоянии сильного волнения, затем внезапно оставив его позади, катилась вперед с большой скоростью, принимая форму большого одиночного возвышения, округлой, гладкой и четко определенной кучи воды, которая продолжала свой путь по каналу, по-видимому, не изменяя формы или не уменьшая скорости. Я последовал за ней верхом и настиг ее, все еще катившейся со скоростью около восьми или девяти миль в час [14 км/ч], сохранив ее первоначальную форму около тридцати футов [9 м] в длину и от фута до полутора футов [30−45 см] в высоту. Ее высота постепенно уменьшалась, и после преследования в одну или две мили [2–3 км] я потерял ее в изгибах канала. Так в августе 1834 года произошла моя первая случайная встреча с тем необычным и прекрасным явлением, которое я назвал Волной Перевода.
О явлении уединенных волн ранее сообщал Джорджио Бидоне в 1826 году в Турине , [11] [12] [13], но работа Бидоне, похоже, осталась незамеченной исследователями в Нидерландах и Великобритании, несмотря на то, что была упомянута в Edinburgh Journal of Science в том же году. [14]
Скотт Рассел потратил некоторое время на практические и теоретические исследования этих волн. Он построил волновые резервуары у себя дома и заметил некоторые ключевые свойства:
Экспериментальная работа Скотта Рассела, казалось, контрастировала с теориями гидродинамики Исаака Ньютона и Даниила Бернулли . Джордж Бидделл Эйри и Джордж Габриэль Стокс с трудом приняли экспериментальные наблюдения Скотта Рассела, поскольку наблюдения Скотта Рассела не могли быть объяснены существующими теориями водных волн. Дополнительные наблюдения были сообщены Генри Базеном в 1862 году после экспериментов, проведенных в канале де Бургонь во Франции. [15] В 1863 году Базен написал исследовательскую работу под названием Recherches hydrauliques entreprises par MH Darcy (на английском языке: Гидравлические исследования, предпринятые М. Х. Дарси ), в которой была представлена работа Скотта Рассела. [16]
Голландский перевод работы Базена под названием Verslag aan de Fransche academie van wetenschappen over het gedeelte der verhandeling van Bazin, betrekkelijk de opstuwingen en de voortbeweging der golven (английский: Отчет Французской академии наук о части трактата Базена, касающейся скачков напряжения и Распространение волн ) было представлено в материалах голландского Koninklijk Instituut van Ingenieurs (англ. Royal Institute of Engineers ) в 1869 году. В оригинальной французской статье и в переведенной работе скорость уединенной волны определяется как:
В тексте формула обозначена как «закон Скотта Рассела». [17] Его современники потратили некоторое время на попытки расширить теорию, но объяснение было дано только в 1870-х годах.
Лорд Рэлей опубликовал статью в журнале Philosophical Magazine в 1876 году, чтобы подтвердить экспериментальное наблюдение Джона Скотта Рассела его математической теорией. [18] В своей статье 1876 года лорд Рэлей упомянул имя Скотта Рассела, а также признал, что первая теоретическая обработка была сделана Джозефом Валентином Буссинеском в 1871 году; Буссинеск упомянул имя Скотта Рассела в своей статье 1871 года. [19] Таким образом, наблюдения Скотта Рассела над уединенными волнами были признаны истинными некоторыми выдающимися учеными еще при его жизни.
Кортевег и де Вриз вообще не упомянули имя Джона Скотта Рассела в своей статье 1895 года, но они процитировали статью Буссинеска 1871 года и статью лорда Рэлея 1876 года. Хотя статья Кортевега и де Вриза 1895 года не была первым теоретическим рассмотрением этой темы, она стала очень важной вехой в истории развития теории солитонов . [20]
Только в 1960-х годах и с появлением современных компьютеров значение открытия Скотта Рассела в физике , электронике , биологии и особенно в волоконной оптике стало осознаваться, что привело к созданию современной общей теории солитонов. [21]
Обратите внимание, что солитоны, по определению, не изменяют своей формы и скорости при столкновении с другими солитонами. [22] Таким образом, уединенные волны на поверхности воды не являются солитонами — после взаимодействия двух (сталкивающихся или догоняющих) уединенных волн их амплитуда немного изменилась , и остался колебательный остаток. [23]
Как только Рассел получил возможность наблюдать за судами на невиданных ранее скоростях на фронте своей волны перемещения, он занялся более фундаментальной проблемой проектирования лодок — поиском формы корпуса, которая дает наименьшее сопротивление. Он рассуждал так: это было связано с эффективным перемещением массы воды с пути корпуса, а затем обратно, чтобы заполнить зазор после того, как она прошла. Тщательными измерениями с помощью динамометров он подтвердил свою теорию о том, что обращенная синусоида создает идеальную форму.
Первоначально он думал, что корма может быть зеркальным отражением форштевня , но вскоре понял, что удаляющаяся вода создает нечто более близкое к обычным волнам, чем его одиночные волны, и в итоге получил округлую корму с цепной формой.
Его исследования произвели революцию в проектировании корпусов торговых и военных судов. Большинство кораблей того времени имели закругленные носы для оптимизации грузоподъемности, но начиная с 1840-х годов «экстремальные клиперы » начали демонстрировать вогнутые носы, как и все больше паровых судов, достигших кульминации с Great Eastern . После того, как его взгляды были представлены командором Фишборном [24], американский военно-морской архитектор Джон У. Гриффитс признал силу работы Рассела в своем «Трактате о морской и военно-морской архитектуре» 1850 года [25], хотя он неохотно признал долг перед Расселом.
Скотт Рассел сделал одно из первых экспериментальных наблюдений [26] эффекта Доплера , которое он опубликовал в 1848 году. Кристиан Доплер опубликовал свою теорию в 1842 году.
Значительная часть ранних экспериментальных работ Рассела проводилась под эгидой Британской ассоциации , и на протяжении всей своей жизни он вносил вклад в деятельность научных и профессиональных объединений, которые становились все более важными в ту эпоху.
В 1844 году железнодорожный бум был в самом разгаре. Рассел написал статью о паровом двигателе и паровом судоходстве для 7-го издания Encyclopaedia Britannica в 1841 году, которая также вышла в виде книги. [27] Чарльз Уэнтворт Дилк предложил ему должность редактора новой еженедельной газеты Railway Chronicle в Лондоне, и вскоре семья Рассел переехала в небольшую двухкомнатную квартиру в Вестминстере . В следующем году он также стал секретарем комитета, созданного Королевским обществом искусств для организации национальной выставки, которая предоставила им городской дом на Стрэнде . Вскоре Рассел представил комитету Генри Коула , и когда за несколько недель до первой выставки в 1847 году не нашлось экспонентов, Рассел и Коул провели целых три дня, путешествуя по Лондону, чтобы привлечь производителей и владельцев магазинов. Эта и две последующие выставки имели такой успех, что на 1851 год была запланирована международная версия. К этому времени Рассел снова занялся судостроением, поскольку железнодорожный бум закончился, и хотя он стал назначенным секретарем Королевской ассоциации судостроения для Большой выставки , к тому времени руководство взял на себя Генри Коул, и в итоге он получил лишь Золотую медаль в качестве награды за свою большую работу.
Рассел стал членом Института гражданских инженеров в 1847 году, регулярно посещая его и делая частые взносы, был избран в его совет в 1857 году и стал вице-президентом в 1862 году. Однако он оказался вовлечён в финансовый спор с сэром Уильямом Армстронгом и не стал президентом. Но «как оратор, и особенно как оратор после обеда, ему было мало равных». [28] Он был избран членом Королевского общества в 1849 году, хотя и внёс меньший вклад.
В 1860 году на собрании в его доме в Сиденхэме был создан Институт корабельных архитекторов , одним из профессиональных вице-президентов которого был Рассел. [29] Он присутствовал на большинстве собраний и редко не мог не высказать свое мнение. [30] В 1864 году он опубликовал объемный трехтомный трактат « Современная система корабельной архитектуры» , в котором были изложены профили многих новых строящихся кораблей.
В его некрологе о военно-морской архитектуре говорилось следующее:
Примерно с 1838 года Скотт Рассел работал на небольшой верфи Гринок компании Thomson and Spiers, где он внедрил свою систему волновых линий на ряд судов Королевской почты , а также множество других инноваций. После того, как верфь перешла под контроль Кэрда , он решил переехать в Лондон и в 1848 году купил судостроительную компанию Millwall Iron Works . Он построил два корабля для Брюнеля для австралийского рейса, примерно такого же размера, как и SS Great Britain Брюнеля , Adelaide и Victoria . Проблемы с дозаправкой и водой заставили Брюнеля задуматься о более крупных кораблях для этого рейса, но в том же классе было построено еще пять. [31]
До того, как они начали какой-либо совместный бизнес, он пользовался большим уважением у Изамбарда Кингдома Брюнеля , который сделал его партнером в своем проекте по строительству Great Eastern . [32] Хотя изначальная концепция, ячеистая конструкция и совместное использование лопасти и винта были идеями Брюнеля, «корабль воплощает форму волнообразной линии, продольную систему конструкции, полные и частичные переборки и другие детали конструкции, которые были свойственны Скотту Расселу». [28] Проект был осложнен рядом проблем — Скотт Рассел сделал ставку, которая была намного ниже, в результате чего он обанкротился на полпути, хотя он восстановился, чтобы закончить работу; но именно Брюнель настоял на боковом спуске на воду, а не на сухом доке, который предпочел Рассел. [33] В конечном итоге Great Eastern был спущен на воду в 1858 году. Скотт Рассел был больше ученым, чем бизнесменом, и его репутация так и не была полностью восстановлена из-за его финансовых нарушений, грубого пренебрежения обязанностями и споров. Как пишет подполковник Ролт в своей биографии Брюнеля: «То, что Рассел действительно ввел Брюнеля в заблуждение и предал его доверие, становилось все более прискорбно очевидным с каждым днем» [34] .
В 1850-х годах он выступал на флоте за строительство железных военных кораблей, и первый проект, HMS Warrior , как говорят некоторые, был «кораблем Рассела». [35] [36] Впоследствии он жаловался на секретность, которая мешала открытому обсуждению вопросов, критикуя тех на флоте, кто утверждал, что железные корабли не могут быть защищены. [37] [38]
В то время, когда все предыдущие железнодорожные паромы были речными судами, в 1868 году Скотт Рассел спроектировал железнодорожный паром для обслуживания на Боденском озере , Bodensee Trajekt , который вступил в эксплуатацию в 1869 году. Это был первый в мире железнодорожный паром для переправы через озеро. Bodensee Trajekt должен был соответствовать необычному требованию, чтобы его осадка не превышала шести футов (1,85 м). Он добился этого, используя надстройку для переноса нагрузок от поезда. (Только в 1892 году первый железнодорожный паром для переправы через озеро Мичиган , Ann Arbor No. 1 , спроектированный Фрэнком Э. Кирби , вступил в эксплуатацию.) Скотт Рассел использовал конструкцию Bodensee Trajekt в качестве основы для парома для переправы через канал, который мог бы обслуживать мелководную гавань Дувра, но это не было реализовано до 1933 года. [39] [40] [41] [42]
Хотя его проект для Большой выставки был перекрыт проектом Джозефа Пакстона , Скотт Рассел спроектировал Ротунду для Венской выставки 1873 года . При диаметре 108 метров (354 фута) он в течение почти столетия был самым большим куполом в мире, не имея связей, которые могли бы загораживать вид. Некоторые считают это его величайшим достижением в области структурной инженерии. [43]
В 1838 году он был награжден золотой медалью Кейта Королевским обществом Эдинбурга за свою работу «О законах, по которым вода противостоит сопротивлению движению плавающих тел». Он был избран членом Королевского общества в июне 1849 года за мемуары о «Великой одиночной волне первого порядка, или волне перевода», опубликованные в Трудах Королевского общества Эдинбурга, и за несколько мемуаров в Отчетах Британской ассоциации . [44]
В 1995 году акведук, который несет канал Union Canal — тот самый канал, где он наблюдал свою Волну Трансляции — через Эдинбургский Обход (A720), был назван Акведуком Скотта Рассела в его память. Также в 1995 году эффект гидродинамического солитона был воспроизведен недалеко от места, где Джон Скотт Рассел наблюдал гидродинамические солитоны в 1834 году.
В его честь названо здание Университета Хериот-Уотт .
В 2019 году он был включен в Зал славы инженеров Шотландии [45].
Его статья 1844 года стала классической и довольно часто цитируется в статьях и книгах, посвященных солитонам, даже спустя более ста пятидесяти лет.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )