James Bicheno Francis (18 de mayo de 1815 - 18 de septiembre de 1892) fue un ingeniero civil británico-estadounidense que inventó la turbina Francis .
James Francis nació en South Leigh , cerca de Witney , Oxfordshire, en Inglaterra, Reino Unido. Comenzó su carrera de ingeniería a la temprana edad de siete años mientras trabajaba como aprendiz de su padre en Porth Cawl Railway and Harbor Works en el sur de Gales . [1] Cuando cumplió 18 años, decidió emigrar a los Estados Unidos, en 1833. Su primer trabajo fue en Stonington, Connecticut , como asistente del ingeniero ferroviario George Washington Whistler Jr. , trabajando en el Ferrocarril de Nueva York y New Haven . Un año después, James y su jefe, Whistler, viajaron al norte a Lowell, Massachusetts , [2] donde a la edad de 19 años, consiguió un trabajo de dibujante en la Locks and Canal Company , y Whistler se convirtió en ingeniero jefe.
Unos años más tarde, en 1837, Whistler dimitió y se puso a trabajar en los principales ferrocarriles de Rusia. Antes de marcharse, nombró a Francis ingeniero jefe y le vendió su casa de Worthen Street. Ese mismo año, James se casó con Sarah W. Brownell en Lowell el 12 de julio. [3] Su primer hijo, James Jr., nació el 30 de marzo de 1840 y después tuvieron cinco hijos más.
En 1841 llegó su primer proyecto importante para la empresa. Francis debía analizar cuánta agua utilizaba cada fábrica de molinos del sistema de canales de la empresa. Impresionada por sus habilidades, la empresa lo nombró "Gerente de esclusas y canales" en 1845. [1]
Como gerente e ingeniero jefe, Francis fue responsable de la construcción del Canal Norte y el Alimentador de la Calle Moody . Estos dos canales, construidos a fines de la década de 1840 y principios de la de 1850, completaron el sistema de canales de Lowell de 5,6 millas de largo y aumentaron en gran medida el poder industrial de los complejos de molinos de la próspera ciudad industrial.
Durante su trabajo en los sistemas de Lowell, Francis también fue consultado sobre muchos otros proyectos hídricos en todo el país. Cuando Nueva York necesitó aumentar su suministro de agua, fue consultor en la construcción de la presa Quaker Bridge en el río Croton en Nueva York. También fue consultor en la presa de Saint Anthony Falls en el río Mississippi . [1]
Su hijo James luchó en la Guerra Civil estadounidense como segundo teniente en 1861. Fue herido en la mano en la Batalla de Antietam como capitán y terminó la guerra en julio de 1865 como teniente coronel . [4]
Francis fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Americana en 1865. [5]
En 1845, Francis desarrolló el primer sistema de rociadores jamás ideado en Estados Unidos. [6] Sin embargo, cualquier uso del sistema inundaría toda la estructura y su contenido. No fue hasta 1875 que Henry S. Parmelee inventó un cabezal de rociadores que activaba solo un cabezal a la vez. [7]
Francis se fascinó con los diseños de turbinas y experimentó con ellos después de que Uriah A. Boyden demostrara por primera vez su turbina Boyden en Lowell. Los dos ingenieros trabajaron para mejorar la turbina. Y en 1848, Francis y Boyden mejoraron con éxito la turbina con lo que ahora se conoce como la turbina Francis . La turbina de Francis eclipsó a la turbina Boyden en potencia en un 90%. En 1855, Francis publicó estos hallazgos en los "Experimentos hidráulicos de Lowell". [8]
En 1850, Francis ordenó la construcción de la Gran Puerta sobre el Canal Pawtucket para proteger los molinos del centro de la ciudad de cualquier inundación devastadora. Este proyecto rápidamente se conoció como "La locura de Francis", dado que nadie creía que funcionaría, y mucho menos que alguna vez sería necesario. [ cita requerida ] Pero menos de dos años después, en 1852, las puertas salvaron a la ciudad de Lowell de las devastadoras inundaciones de 1852, y nuevamente en 1936 , 1938 , 2006 y 2007 al evitar que el río Merrimack ingresara al sistema de canales. Sin embargo, el daño provocado por un incendio provocado en la puerta de madera en la década de 1970 y el difícil método para derribarla (rompiendo un gran eslabón de cadena) impulsaron a la ciudad a usar un mamparo de viga de acero más moderno en su lugar en 2006. Por sus esfuerzos para salvar a la ciudad de un gran desastre, Francis recibió una enorme jarra de plata y una bandeja de la ciudad de Lowell. [9]
En 1886, Francis se asoció con otros dos ingenieros civiles, Eliot C. Clarke y Clemens Herschel, para estudiar y publicar sus hallazgos en "Prevención de inundaciones en el valle de Stony Brook", que estableció un sistema de prevención de inundaciones para la ciudad de Boston . El estudio detallado examinó las secciones de Forest Hills , Hyde Park , Franklin Park y Roslindale de la ciudad que estaban sujetas a inundaciones. [10]
Francis se mantuvo activo en todos los niveles de participación en la ciudad de Lowell y sirvió como concejal entre 1862 y 1864. [11]
En 1865, Francis investigó y publicó sus hallazgos sobre el hierro fundido y su uso en columnas estructurales en "La resistencia de las columnas de hierro fundido".
En 1874, Francis formó parte del comité de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles encargado de investigar la causa de la ruptura de la presa del río Mill en Massachusetts . [12] También formaban parte del comité los ingenieros Theodore Ellis y William Worthen. La investigación se desarrolló con rapidez y su informe se publicó un mes después del desastre. Concluyó que ningún ingeniero fue responsable del diseño y que se trató de “obra de personas no profesionales”. “Los restos de la presa presentan defectos de ejecución de la mayor gravedad”. [13]
Francis originó métodos científicos para probar maquinaria hidráulica y fue miembro fundador de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles y su presidente en 1880.
En 1883, Francis completó sus normas de cálculo para los caudales de agua, ahora conocidas como ecuación de Francis o fórmula de Francis , que se utilizan habitualmente en dinámica de fluidos junto con el cálculo de vertederos . La ecuación es
dónde:
Q es la descarga en pies cúbicos por segundo sobre el vertedero,
L es la longitud del vertedero en pies, y
h 1 es la altura del agua por encima del borde superior del vertedero. [14] [15] [ se necesita más explicación ]
Permaneció en la Locks and Canal Company durante toda su carrera, hasta su jubilación en 1884 a la edad de 69 años, y continuó como consultor hasta su muerte. Su hijo James asumió el cargo de ingeniero jefe. El resto de su vida lo pasó con su esposa Sarah y sus seis hijos en su casa de Worthen Street, que era la antigua casa de Whistler y ahora es el Museo de Arte Whistler House .
Francis fue llamado a filas en 1889 como miembro de un comité de la ASCE para examinar la causa del desastre de la inundación de Johnstown cuando la presa South Fork en Johnstown, Pensilvania, se rompió, matando a más de 2200 personas. [9] [16] Aunque el informe se completó en enero de 1890, fue inmediatamente suprimido y no se entregó a otros miembros de la ASCE ni al público hasta mediados de 1891, dos años después de la inundación de 1889. [17] El propio Francis presentó los resultados de la investigación en la convención de la ASCE en Chattanooga, Tennessee. Los otros tres miembros del comité no asistieron. Aunque el nombre de Francis encabezaba el informe, el presidente de facto del comité era Max Becker, un ingeniero ferroviario con sede en Pittsburgh que prácticamente no tenía experiencia en presas o ingeniería hidráulica. Según Francis, fue Becker quien retrasó la publicación del informe. En 2018 se publicó un análisis detallado de la investigación de South Fork, los ingenieros participantes y la ciencia detrás de la inundación de 1889. [18]
Francis murió el 18 de septiembre de 1892, a la edad de 77 años, y está enterrado en el cementerio de Lowell bajo un enorme pilar de piedras de granito cortadas, que simbolizan las piedras utilizadas para hacer los canales. [19]
Por todas sus contribuciones al mundo de la ingeniería y su generosidad personal, se nombran en su honor las siguientes personas:
En la actualidad, la turbina Francis es la turbina hidráulica más utilizada en el mundo, incluida la nueva presa de las Tres Gargantas de China , que será la segunda central hidroeléctrica más grande del mundo, con una capacidad instalada futura de 22.500 MW. Con la incorporación de la turbina Francis en casi todas las presas hidroeléctricas construidas desde 1900, es responsable de generar casi una quinta parte de toda la electricidad del mundo:
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