Уильям Джон Маккуорн Рэнкин FRSE FRS ( / ˈ r æ ŋ k ɪ n / ; 5 июля 1820 — 24 декабря 1872) был шотландским математиком и физиком. Он был основателем, вместе с Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном (лорд Кельвин), в науке термодинамики , особенно сосредоточившись на ее Первом законе. Он разработал шкалу Ранкина , эквивалент шкалы температур Кельвина на основе Фаренгейта, основанной на Цельсии .
Рэнкин разработал полную теорию парового двигателя и, по сути, всех тепловых двигателей. Его руководства по инженерной науке и практике использовались в течение многих десятилетий после их публикации в 1850-х и 1860-х годах. Он опубликовал несколько сотен статей и заметок по научным и инженерным темам, начиная с 1840 года, и его интересы были чрезвычайно разнообразны, включая в юности ботанику , теорию музыки и теорию чисел , а в зрелые годы — большинство основных отраслей науки, математики и техники.
Он также был певцом, пианистом и виолончелистом, а также стрелком. [1] [2]
Рэнкин родился в Эдинбурге в семье лейтенанта Дэвида Рэнкина (так в оригинале), инженера-строителя с военным прошлым, который позже работал на железной дороге Эдинбурга и Далкита (местные жители называют ее «Инносент-железной дорогой»). [2] [3] Его матерью была Барбара Грэм, из известной семьи юристов и банкиров.
Его отец переезжал по Шотландии по разным проектам, и семья переезжала вместе с ним. Уильям изначально получал домашнее образование из-за слабого здоровья [4] , но позже он посещал Академию Эйра (1828–29), а затем Высшую школу Глазго (1830). Около 1830 года семья переехала в Эдинбург, когда отец получил должность управляющего железной дорогой Эдинбург-Далкит. Затем семья жила по адресу 2 Arniston Place. [5]
В 1834 году он был отправлен в Шотландскую военно-морскую академию на Лотиан-роуд в Эдинбурге [6] вместе с математиком Джорджем Ли. К тому году Уильям уже был весьма подкован в математике и получил в подарок от своего дяди «Начала » Исаака Ньютона ( 1687) на латыни в оригинале.
В 1836 году Ранкин начал изучать спектр научных тем в Эдинбургском университете , включая естественную историю у Роберта Джеймсона и естественную философию у Джеймса Дэвида Форбса . Под руководством Форбса он был удостоен премий за эссе о методах физического исследования и о волновой (или волновой) теории света . Во время каникул он помогал своему отцу, который с 1830 года был управляющим, а позднее эффективным казначеем и инженером Эдинбургско -Далкитской железной дороги , которая доставляла уголь в растущий город. Он покинул Эдинбургский университет в 1838 году, не получив степени (что тогда было обычным делом) и, возможно, из-за стесненных финансовых возможностей семьи, стал учеником сэра Джона Бенджамина Макнейла , который в то время был инспектором Ирландской железнодорожной комиссии . Во время ученичества он разработал метод, позже известный как метод Ренкина , для прокладки железнодорожных кривых, полностью используя теодолит и значительно улучшая точность и производительность по сравнению с существующими методами. Фактически, этот метод одновременно использовался другими инженерами – и в 1860-х годах возник небольшой спор о приоритете Ренкина.
1842 год также ознаменовал первую попытку Ренкина свести явления тепла к математической форме, но он был разочарован отсутствием экспериментальных данных. Во время визита королевы Виктории в Шотландию, позднее в том же году, он организовал большой костер, расположенный на Артурс-Сит , сконструированный с радиальными воздушными проходами под топливом. Костер служил маяком для начала цепи других костров по всей Шотландии.
В 1850 году он был избран членом Королевского общества Эдинбурга, его кандидатуру предложил профессор Джеймс Дэвид Форбс . Он выиграл премию Кейта Общества за период 1851–53. Он был вице-президентом Общества с 1871 по 1872 год. [3]
С 1855 года он был профессором гражданского строительства и механики в Университете Глазго . [3]
Он умер в доме 8 по улице Альбион-Кресент (сейчас она называется Доуэнсайд-роуд), Доуэнхилл, Глазго в 23:45 в канун Рождества, 24 декабря 1872 года, в возрасте всего 52 лет . [7] Он не был женат и не имел детей. Его смерть была зарегистрирована его дядей, Алексом Грэхемом (зятем его покойной матери).
Неустрашимый [ необходимо разъяснение ] Рэнкин вернулся к своему юношескому увлечению механикой тепловой машины . Хотя его теория циркулирующих потоков упругих вихрей, объемы которых спонтанно адаптировались к окружающей среде, звучит фантастично для ученых, сформированных на современном уровне, к 1849 году ему удалось найти связь между давлением насыщенного пара и температурой . В следующем году он использовал свою теорию для установления связей между температурой, давлением и плотностью газов, а также выражений для скрытой теплоты испарения жидкости . Он точно предсказал удивительный факт , что кажущаяся удельная теплота насыщенного пара будет отрицательной. [8]
Воодушевленный своим успехом, в 1851 году он приступил к расчету эффективности тепловых двигателей и использовал свою теорию в качестве основы для вывода принципа, согласно которому максимально возможная эффективность любого теплового двигателя является функцией только двух температур, между которыми он работает. Хотя аналогичный результат уже был получен Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном , Ранкин утверждал, что его результат основывается только на его гипотезе молекулярных вихрей, а не на теории Карно или каком-либо другом дополнительном предположении. Работа ознаменовала первый шаг на пути Ранкина к разработке более полной теории тепла. В 1853 году он ввел термин потенциальная энергия . [9]
Позже Ранкин переформулировал результаты своих молекулярных теорий в терминах макроскопического учета энергии и ее преобразований. Он определил и провел различие между фактической энергией , которая терялась в динамических процессах, и потенциальной энергией , которой она заменялась. 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 , которая, как он позже понял, была идентична энтропии Клаузиуса . К 1855 году Ранкин сформулировал науку энергетики , которая давала отчет о динамике в терминах энергии и ее преобразований, а не силы и движения . [10] В этой статье представлено первое опубликованное определение энергии в терминах способности выполнять работу, [11] которое быстро стало стандартным общим определением энергии. [12] Эта теория была очень влиятельной в 1890-х годах. В 1859 году он предложил шкалу температур Ранкина , абсолютную или термодинамическую шкалу, градус которой равен градусу Фаренгейта . В 1862 году Рэнкин расширил теорию всеобщей тепловой смерти лорда Кельвина и вместе с самим Кельвином сформулировал парадокс тепловой смерти , который опровергает возможность бесконечно старой Вселенной. [13]
Энергетика предложила Ренкину альтернативный и более общепринятый подход к его науке, и с середины 1850-х годов он стал гораздо меньше использовать свои молекулярные вихри. Тем не менее, он все еще утверждал, что работа Максвелла по электромагнетизму была фактически расширением его модели. И в 1864 году он утверждал, что микроскопические теории тепла, предложенные Клаузиусом и Джеймсом Клерком Максвеллом , основанные на линейном движении атомов, были неадекватными. Только в 1869 году Ренкин признал успех этих конкурирующих теорий. К тому времени его собственная модель атома стала почти идентичной модели Томсона.
Поскольку его постоянной целью, особенно как преподавателя инженерного дела, было использование им собственных теорий для разработки ряда практических результатов и разъяснения их физических принципов, в том числе:
История роторной динамики изобилует взаимодействием теории и практики. Ренкин впервые провел анализ вращающегося вала в 1869 году, но его модель оказалась неадекватной, и он предсказал, что сверхкритические скорости не могут быть достигнуты.
Рэнкин был одним из первых инженеров, осознавших, что усталостные разрушения железнодорожных осей были вызваны возникновением и ростом хрупких трещин. В начале 1840-х годов он исследовал много сломанных осей, особенно после крушения поезда в Версале в 1842 году, когда ось локомотива внезапно сломалась и привела к гибели более 50 пассажиров. Он показал, что оси вышли из строя из-за прогрессирующего роста хрупкой трещины от плеча или другого источника концентрации напряжения на валу, такого как шпоночный паз . Его поддержал аналогичный прямой анализ вышедших из строя осей Джозефом Глинном , где оси вышли из строя из-за медленного роста хрупкой трещины в процессе, теперь известном как усталость металла . Вполне вероятно, что передняя ось одного из локомотивов, участвовавших в крушении поезда в Версале, вышла из строя аналогичным образом. Рэнкин представил свои выводы в докладе, представленном в Институт гражданских инженеров. Однако его работа была проигнорирована многими инженерами, которые упорно верили, что напряжение может вызвать «рекристаллизацию» металла, миф, который сохранился даже до недавнего времени. Теория рекристаллизации была совершенно неверной и препятствовала стоящим исследованиям до работы Уильяма Фейрберна несколько лет спустя, которая показала ослабляющий эффект повторного изгиба на больших балках. Тем не менее, усталость оставалась серьезным и плохо изученным явлением и была первопричиной многих аварий на железных дорогах и в других местах. Это все еще серьезная проблема, но, по крайней мере, сегодня она гораздо лучше понята, и поэтому ее можно предотвратить путем тщательного проектирования.
С ноября 1855 года до своей смерти в декабре 1872 года Рэнкин занимал должность профессора кафедры гражданского строительства и механики в Университете Глазго , занимаясь инженерными исследованиями по ряду направлений в области гражданского строительства и машиностроения .
Рэнкин сыграл важную роль в формировании предшественника Корпуса подготовки офицеров Университета Глазго , 2-го Ланаркширского стрелкового добровольческого корпуса в Университете Глазго в июле 1859 года, став майором в 1860 году после того, как он был сформирован в первую роту 2-го батальона 1-го Ланаркширского стрелкового добровольческого корпуса; он служил до 1864 года, когда ушел в отставку из-за перегрузки работой, большая часть которой была связана с кораблестроением.
Лекции Ренкина , организованные Британской геотехнической ассоциацией , названы в знак признания значительного вклада Ранкина в:
Рэнкин тесно сотрудничал с судостроителями Клайда, особенно со своим другом и пожизненным соратником Джеймсом Робертом Нейпиром , чтобы превратить корабельную архитектуру в инженерную науку. Он был одним из основателей и первым президентом [14] Института инженеров и судостроителей в Шотландии в 1857 году. Он был одним из первых членов Королевского института корабельных архитекторов (основанного в 1860 году) и присутствовал на многих его ежегодных заседаниях. Вместе с Уильямом Томсоном и другими Рэнкин был членом комиссии по расследованию спорного затопления HMS Captain .
