William Rankine - William Rankine

William John Macquorn Rankine
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William John Macquorn Rankine
Née ( 1820-07-05 )5 juillet 1820
Edimbourg , Ecosse
Décédés 24 décembre 1872 (1872-12-24)(52 ans)
Glasgow , Écosse
Nationalité Écossais
mère nourricière Université d'Édimbourg
Connu pour
Récompenses Médaille Keith (1854)
Carrière scientifique
Des champs Physique , ingénierie , génie civil
Établissements Université de Glasgow
Influencé Pierre Duhem

William Rankine FRSE FRS ( / r æ ŋ k ɪ n / , 5 Juillet 1820-1824 Décembre 1872) était un ingénieur mécanicien écossais qui a également contribué à génie civil , la physique et les mathématiques. Il a été un contributeur fondateur, avec Rudolf Clausius et William Thomson (Lord Kelvin), à la science de la thermodynamique , en se concentrant particulièrement sur la première des trois lois thermodynamiques. Il a développé l' échelle de Rankine , un équivalent de l' échelle de température Kelvin , mais en degrés Fahrenheit plutôt qu'en Celsius.

Rankine a développé une théorie complète de la machine à vapeur et en fait de toutes les machines thermiques. Ses manuels de science et de pratique de l'ingénierie ont été utilisés pendant de nombreuses décennies après leur publication dans les années 1850 et 1860. Il a publié plusieurs centaines d'articles et de notes sur des sujets scientifiques et techniques, à partir de 1840, et ses intérêts étaient extrêmement variés, y compris, dans sa jeunesse, la botanique , la théorie de la musique et la théorie des nombres , et, dans ses années de maturité, la plupart des grandes branches de la science. , mathématiques et ingénierie.

C'était un chanteur, pianiste et violoncelliste amateur enthousiaste qui a composé ses propres chansons humoristiques.

La vie

Rankine est né à Édimbourg du lieutenant David Rankin (sic), un ingénieur civil d'origine militaire, qui a ensuite travaillé sur le chemin de fer d'Édimbourg et Dalkeith (connu localement sous le nom de chemin de fer Innocent). Sa mère était Barbara Grahame, d'une famille juridique et bancaire éminente.

Son père a déménagé en Écosse sur divers projets et la famille a déménagé avec lui. William a d'abord fait ses études à la maison, mais il a ensuite fréquenté l' Ayr Academy (1828-1829) puis la High School of Glasgow (1830). Vers 1830, la famille déménage à Édimbourg lorsque le père obtient un poste de directeur du chemin de fer Edinburgh to Dalkeith. La famille habitait alors au 2 Arniston Place.

En 1834, il est envoyé à la Scottish Naval and Military Academy sur Lothian Road à Édimbourg avec le mathématicien George Lee. Cette année-là, William était déjà très compétent en mathématiques et reçut, en cadeau de son oncle, les Principia d' Isaac Newton (1687) en latin original.

En 1836, Rankine a commencé à étudier un éventail de sujets scientifiques à l' Université d'Édimbourg , y compris l'histoire naturelle sous Robert Jameson et la philosophie naturelle sous James David Forbes . Sous Forbes, il a reçu des prix pour des essais sur les méthodes d'enquête physique et sur la théorie ondulatoire (ou ondulatoire) de la lumière . Pendant les vacances, il assista son père qui, à partir de 1830, fut directeur et, plus tard, trésorier et ingénieur efficace du chemin de fer d'Edimbourg et de Dalkeith qui apportait du charbon dans la ville en pleine croissance. Il quitta l'Université d'Édimbourg en 1838 sans diplôme (ce qui n'était pas inhabituel à l'époque) et, peut-être en raison de difficultés financières familiales, devint apprenti de Sir John Benjamin Macneill , qui était à l'époque arpenteur auprès de la Commission irlandaise des chemins de fer . Au cours de sa scolarité, il a développé une technique, connue plus tard sous le nom de méthode de Rankine , pour tracer des courbes de chemin de fer, en exploitant pleinement le théodolite et en améliorant considérablement la précision et la productivité par rapport aux méthodes existantes. En fait, la technique était simultanément utilisée par d'autres ingénieurs - et dans les années 1860, il y avait un différend mineur sur la priorité de Rankine.

L'année 1842 marque également la première tentative de Rankine pour réduire les phénomènes de chaleur à une forme mathématique , mais il est frustré par son manque de données expérimentales. Au moment de la visite de la reine Victoria en Écosse, plus tard cette année-là, il organisa un grand feu de joie situé sur Arthur's Seat , construit avec des passages d'air rayonnant sous le carburant. Le feu de joie a servi de phare pour lancer une chaîne d'autres feux de joie à travers l'Écosse.

En 1850 , il a été élu membre de la Royal Society of Edinburgh , son auteur étant le professeur James David Forbes . Il a remporté le prix Keith de la Society pour la période 1851-1853. Il a été vice-président de la Société de 1871 à 1872.

À partir de 1855, il est professeur de génie civil et de mécanique à l'université de Glasgow .

Il est décédé au 8 Albion Crescent (maintenant appelé Dowanside Road), Dowanhill, Glasgow à 23h45 la veille de Noël, le 24 décembre 1872, à l'âge de 52 ans seulement. Il n'était pas marié et n'avait pas d'enfants. Son décès a été enregistré par son oncle, Alex Grahame (le beau-frère de sa défunte mère).

Thermodynamique

Imperturbable, Rankine revint à sa fascination de jeunesse pour la mécanique du moteur thermique . Bien que sa théorie des flux circulants de tourbillons élastiques dont les volumes s'adaptaient spontanément à leur environnement semble fantaisiste aux scientifiques formés sur un compte moderne, en 1849, il avait réussi à trouver la relation entre la pression de vapeur saturée et la température . L'année suivante, il utilisa sa théorie pour établir des relations entre la température, la pression et la densité des gaz , et des expressions pour la chaleur latente d' évaporation d'un liquide . Il a prédit avec précision le fait surprenant que la chaleur spécifique apparente de la vapeur saturée serait négative.

Enhardi par son succès, il entreprend en 1851 de calculer le rendement des moteurs thermiques et se base sur sa théorie pour en déduire le principe que le rendement maximal possible pour tout moteur thermique est fonction uniquement des deux températures entre lesquelles il fonctionne. . Bien qu'un résultat similaire ait déjà été obtenu par Rudolf Clausius et William Thomson , Rankine a affirmé que son résultat reposait uniquement sur son hypothèse des tourbillons moléculaires, plutôt que sur la théorie de Carnot ou une autre hypothèse supplémentaire. Le travail a marqué la première étape du voyage de Rankine pour développer une théorie plus complète de la chaleur.

Rankine a ensuite refondu les résultats de ses théories moléculaires en termes d'un compte macroscopique de l' énergie et de ses transformations. Il a défini et distingué entre l' énergie réelle qui a été perdue dans les processus dynamiques et l'énergie potentielle par laquelle elle a été remplacée. Il a supposé que la somme des deux énergies était constante, une idée déjà, bien que sûrement pas pour très longtemps, familière dans la loi de conservation de l'énergie . A partir de 1854, il fit un large usage de sa fonction thermodynamique dont il réalisa plus tard qu'elle était identique à l' entropie de Clausius. En 1855, Rankine avait formulé une science de l' énergétique qui rendait compte de la dynamique en termes d'énergie et de ses transformations plutôt que de force et de mouvement . La théorie était très influente dans les années 1890. En 1859, il proposa l' échelle de température de Rankine , une échelle absolue ou thermodynamique dont le degré est égal à un degré Fahrenheit .

L'énergétique a offert à Rankine une approche alternative, et plutôt plus traditionnelle, de sa science et, à partir du milieu des années 1850, il a moins utilisé ses vortex moléculaires. Pourtant, il a toujours affirmé que le travail de Maxwell sur l'électromagnétisme était en fait une extension de son modèle. Et, en 1864, il a soutenu que les théories microscopiques de la chaleur proposées par Clausius et James Clerk Maxwell , basées sur le mouvement atomique linéaire, étaient inadéquates. Ce n'est qu'en 1869 que Rankine admet le succès de ces théories rivales. À cette époque, son propre modèle de l'atome était devenu presque identique à celui de Thomson.

Comme c'était son objectif constant, en particulier en tant que professeur d'ingénierie, il a utilisé ses propres théories pour développer un certain nombre de résultats pratiques et élucider leurs principes physiques, notamment :

  • L' équation de Rankine-Hugoniot pour la propagation des ondes de choc , régit le comportement des ondes de choc normales à l'écoulement venant en sens inverse. Il porte le nom des physiciens Rankine et de l'ingénieur français Pierre Henri Hugoniot ;
  • Le cycle de Rankine , analyse d'un moteur thermique idéal à condenseur. Comme les autres cycles thermodynamiques, le rendement maximum du cycle de Rankine est donné en calculant le rendement maximum du cycle de Carnot ;
  • Propriétés de la vapeur, des gaz et des vapeurs.

L'histoire de la dynamique des rotors regorge d'interactions entre théorie et pratique. Rankine a d'abord effectué une analyse d'un arbre de filature en 1869, mais son modèle n'était pas adéquat et il a prédit que les vitesses supercritiques ne pourraient pas être atteintes.

Études de fatigue

Dessin d'une rupture de fatigue dans un essieu, 1843.

Rankine a été l'un des premiers ingénieurs à reconnaître que les ruptures de fatigue des essieux ferroviaires étaient causées par l'amorçage et la croissance de fissures fragiles. Au début des années 1840, il a examiné de nombreux essieux brisés, en particulier après l' accident de train de Versailles de 1842 lorsqu'un essieu de locomotive s'est soudainement rompu et a entraîné la mort de plus de 50 passagers. Il a montré que les essieux s'étaient rompus en raison de la croissance progressive d'une fissure fragile provenant d'un épaulement ou d'une autre source de concentration de contraintes sur l'arbre, telle qu'une rainure de clavette . Il a été soutenu par une analyse directe similaire des essieux défaillants par Joseph Glynn , où les essieux se sont rompus par la croissance lente d'une fissure fragile dans un processus maintenant connu sous le nom de fatigue du métal . Il est probable que l'essieu avant de l'une des locomotives impliquées dans l' accident du train de Versailles s'est rompu de la même manière. Rankine a présenté ses conclusions dans un document remis à l'Institution of Civil Engineers. Son travail a cependant été ignoré par de nombreux ingénieurs qui ont persisté à croire que le stress pouvait provoquer une « recristallisation » du métal, un mythe qui a persisté jusqu'à ces derniers temps. La théorie de la recristallisation était tout à fait erronée et a empêché des recherches valables jusqu'aux travaux de William Fairbairn quelques années plus tard, qui ont montré l'effet affaiblissant des flexions répétées sur de grandes poutres. Néanmoins, la fatigue est restée un phénomène grave et mal compris, et a été à l'origine de nombreux accidents sur les chemins de fer et ailleurs. C'est toujours un problème sérieux, mais au moins il est beaucoup mieux compris aujourd'hui, et peut donc être évité par une conception soignée.

Autre travail

Rankine dans les années 1870

Rankine a été professeur Regius de génie civil et de mécanique à l' Université de Glasgow de novembre 1855 jusqu'à sa mort en décembre 1872, poursuivant des recherches en ingénierie dans plusieurs domaines en génie civil et mécanique .

Rankine a joué un rôle déterminant dans la formation du précurseur du Glasgow University Officer Training Corps , le 2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corps à l'Université de Glasgow en juillet 1859, devenant major en 1860 après avoir été formé dans la première compagnie du 2nd Battalion, 1st Lanarkshire Rifle Volunteer Corps; il a servi jusqu'en 1864, date à laquelle il a démissionné en raison de la pression du travail - une grande partie associée à l'architecture navale.

Travaux publics

Les Rankine Lectures , organisées par la British Geotechnical Association , sont nommées en reconnaissance des contributions importantes que Rankine a apportées à :

Architecture navale

Rankine a travaillé en étroite collaboration avec les constructeurs navals de Clyde, en particulier son ami et collaborateur de toujours James Robert Napier , pour faire de l'architecture navale une science de l'ingénierie. Il a été membre fondateur et premier président de l' Institution of Engineers & Shipbuilders en Écosse en 1857. Il a été l'un des premiers membres de la Royal Institution of Naval Architects (fondée en 1860) et a assisté à plusieurs de ses réunions annuelles. Avec William Thomson et d'autres, Rankine était membre de la commission d'enquête sur le naufrage controversé du HMS Captain .

Prix ​​et distinctions

Publications

Livres
  • Manuel de mécanique appliquée (1858)
  • Manuel de la machine à vapeur et autres moteurs principaux (1859)
  • Manuel de Génie Civil (1861)
  • Construction navale, théorique et pratique (1866)
  • Manuel des machines et de la menuiserie (1869)
Papiers
À propos de Rankine
  • Rankine, William John MacQuorn (1881). Articles scientifiques divers . Londres : Charles Griffin and Company.

Voir également

Les références

Liens externes