Уильям Джон Маккуорн Рэнкин FRSE FRS ( / ˈ r æ ŋ k ɪ n / ; 5 июля 1820 — 24 декабря 1872) — шотландский математик и физик. Вместе с Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) он был одним из основателей науки термодинамики , уделяя особое внимание ее Первому закону. Он разработал шкалу Рэнкина — эквивалент шкалы температуры Кельвина, основанной на шкале Фаренгейта.
Рэнкин разработал полную теорию парового двигателя , да и вообще всех тепловых машин. Его руководства по инженерным наукам и практике использовались в течение 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, и его интересы были чрезвычайно разнообразными, включая в юности ботанику , теорию музыки и теорию чисел , а в зрелые годы - большинство основных отраслей науки. , математика и инженерия.
Он был увлеченным певцом-любителем, пианистом и виолончелистом, сочинявшим собственные юмористические песни. [ нужна цитата ]
Рэнкин родился в Эдинбурге в семье лейтенанта Дэвида Рэнкина (так в оригинале), инженера-строителя с военным прошлым, который позже работал на железной дороге Эдинбург-Далкейт (местно известной как Иннокентская железная дорога). [1] [2] Его матерью была Барбара Грэм из известной юридической и банковской семьи.
Его отец путешествовал по Шотландии в рамках различных проектов, и семья переехала вместе с ним. Первоначально Уильям получил домашнее образование, но позже он поступил в Академию Эйра (1828–29), а затем в Среднюю школу Глазго (1830). Около 1830 года семья переехала в Эдинбург, когда отец получил должность управляющего Эдинбургско-Далкейтской железной дорогой. Семья тогда жила по адресу Арнистон Плейс, 2. [3]
В 1834 году его отправили в Шотландскую военно-морскую академию на Лотиан-роуд в Эдинбурге [4] вместе с математиком Джорджем Ли. К этому году Уильям уже хорошо разбирался в математике и получил в подарок от своего дяди « Начала » Исаака Ньютона ( 1687 г.) в оригинальном латинском языке.
В 1836 году Рэнкин начал изучать ряд научных тем в Эдинбургском университете , включая естествознание под руководством Роберта Джеймсона и натурфилософию под руководством Джеймса Дэвида Форбса . По версии Forbes он был удостоен премий за эссе по методам физических исследований и по волновой (или волновой) теории света . Во время каникул он помогал своему отцу, который с 1830 года был менеджером, а затем эффективным казначеем и инженером железной дороги Эдинбург-Далкейт , которая доставляла уголь в растущий город. Он покинул Эдинбургский университет в 1838 году, не получив ученой степени (что тогда не было чем-то необычным) и, возможно, из-за стесненных семейных финансов, стал учеником сэра Джона Бенджамина Макнила , который в то время был геодезистом Ирландской железнодорожной комиссии . Во время учебы он разработал технику, позже известную как метод Ренкина , для построения железнодорожных кривых, полностью используя теодолит и существенно улучшив точность и производительность по сравнению с существующими методами. Фактически, эту технику одновременно использовали и другие инженеры – и в 1860-х годах возник небольшой спор о приоритете Рэнкина.
1842 год также ознаменовал первую попытку Рэнкина 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 на Троне Артура , построенный с расходящимися воздушными проходами под топливом. Костер послужил маяком, положившим начало цепочке других костров по всей Шотландии.
В 1850 году он был избран членом Королевского общества Эдинбурга, его предложил профессор Джеймс Дэвид Форбс . Он выиграл Премию Кейта Общества за период 1851–1853 годов. Он занимал пост вице-президента Общества с 1871 по 1872 год .
С 1855 года он был профессором гражданского строительства и механики в Университете Глазго . [2]
Он умер по адресу Альбион-Кресент, 8 (теперь называемая Доуэнсайд-роуд), Доуэнхилл, Глазго, в 23:45 в канун Рождества 24 декабря 1872 года, в возрасте всего 52 лет. [5] Он не был женат и не имел детей. Его смерть зарегистрировал его дядя Алекс Грэм (зять его покойной матери).
Неустрашимый, [ нужны разъяснения ] Рэнкин вернулся к своему юношескому увлечению механикой теплового двигателя . Хотя его теория циркулирующих потоков упругих вихрей, объемы которых самопроизвольно адаптируются к окружающей среде, кажется учёным фантастичной, сформированной с современной точки зрения, к 1849 году ему удалось найти взаимосвязь 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 тот удивительный факт, что кажущаяся удельная теплота насыщенного пара будет отрицательной. [6]
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 максимальный КПД любой тепловой машины является функцией только двух температур, между которыми она работает. . Хотя аналогичный результат уже был получен Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном , Рэнкин утверждал, что его результат основан только на его гипотезе о молекулярных вихрях, а не на теории Карно или каком-либо другом дополнительном предположении. Эта работа стала первым шагом на пути Рэнкина к разработке более полной теории тепла. В 1853 году он ввёл термин «потенциальная энергия» . [7]
Позже Рэнкин переработал результаты своих молекулярных теорий с точки зрения макроскопического объяснения энергии и ее преобразований. Он определил и различал реальную энергию , теряемую в динамических процессах, и потенциальную энергию , которой она заменяется. Он предположил, что сумма двух энергий постоянна, и эта идея уже, хотя, конечно, не очень давно, известна в законе сохранения энергии . С 1854 года он широко использовал свою термодинамическую функцию , которая, как он позже понял, идентична энтропии Клаузиуса. К 1855 году Рэнкин сформулировал науку об энергетике , которая объясняла динамику с точки зрения энергии и ее преобразований, а не силы и движения . [8] В этой статье представлено первое опубликованное определение энергии с точки зрения способности выполнять работу, [9] которое быстро стало стандартным общим определением энергии. [10] Эта теория имела большое влияние в 1890-х годах. В 1859 году он предложил шкалу температуры Рэнкина — абсолютную или термодинамическую шкалу, градус которой равен градусу Фаренгейта . В 1862 году Рэнкин расширил теорию лорда Кельвина о всеобщей тепловой смерти и вместе с самим Кельвином сформулировал парадокс тепловой смерти , опровергающий возможность существования бесконечно старой Вселенной. [11]
Энергетика предложила Ренкину альтернативный и более распространенный подход к его науке, и с середины 1850-х годов он стал гораздо меньше использовать свои молекулярные вихри. Тем не менее, он по-прежнему утверждал, что работа Максвелла по электромагнетике фактически является расширением его модели. А в 1864 году он утверждал, что микроскопические теории тепла, предложенные Клаузиусом и Джеймсом Клерком Максвеллом , основанные на линейном движении атомов, неадекватны. Лишь в 1869 году Рэнкин признал успех этих конкурирующих теорий. К этому времени его собственная модель атома стала почти идентичной модели Томсона.
Как и было его постоянной целью, особенно в качестве преподавателя инженерного дела, он использовал свои собственные теории для разработки ряда практических результатов и выяснения их физических принципов, в том числе:
История роторной динамики полна взаимодействия теории и практики. Рэнкин впервые провел анализ вращающегося вала в 1869 году, но его модель была неадекватной, и он предсказал, что сверхкритические скорости не могут быть достигнуты.
Рэнкин был одним из первых инженеров, осознавших, что усталостные разрушения железнодорожных осей вызваны возникновением 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 вышли из строя из-за постепенного роста хрупкой трещины от уступа или другого источника концентрации напряжения на валу, такого как шпоночная канавка . Его поддержал аналогичный прямой анализ вышедших из строя осей Джозефа Глинна , где оси вышли из строя из-за медленного роста хрупкой трещины в процессе, теперь известном как усталость металла . Вероятно, аналогичным образом вышел из строя передний мост одного из локомотивов, попавших в аварию поезда в Версале . Рэнкин представил свои выводы в документе, представленном Институту инженеров-строителей. Однако его работа была проигнорирована многими инженерами, которые упорно верили, что напряжение может вызвать «перекристаллизацию» металла, миф, который сохранился даже до недавнего времени. Теория рекристаллизации была совершенно ошибочной и препятствовала проведению стоящих исследований до тех пор , пока несколько лет спустя не появилась работа Уильяма Фэйрберна , которая показала ослабляющий эффект многократного изгиба на большие балки. Тем не менее, усталость остается серьезным и плохо изученным явлением и является основной причиной многих несчастных случаев на железных дорогах и в других местах. Это по-прежнему серьезная проблема, но, по крайней мере, сегодня ее гораздо лучше понимают, и поэтому ее можно предотвратить путем тщательного проектирования.
Рэнкин занимал должность королевского профессора гражданского строительства и механики в Университете Глазго с ноября 1855 года до своей смерти в декабре 1872 года, проводя инженерные исследования по ряду направлений гражданского 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. Корпус; он служил до 1864 года, когда ушел в отставку из-за напряженной работы, большая часть которой была связана с военно-морской архитектурой.
Лекции Рэнкина , организованные Британской геотехнической ассоциацией , названы в знак признания значительного вклада Рэнкина в:
Рэнкин тесно сотрудничал с кораблестроителями Клайда, особенно с его другом и постоянным соратником Джеймсом Робертом Нэпьером , чтобы превратить военно-морскую архитектуру в инженерную науку. Он был одним из основателей и первым президентом [12] 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 присутствовал на многих его ежегодных собраниях. Вместе с Уильямом Томсоном и другими Рэнкин был членом комиссии по расследованию скандального затопления HMS Captain .
