William John Macquorn Rankine FRSE FRS ( / ˈræŋkɪn / ; 5 de julio de 1820 - 24 de diciembre de 1872) fue un matemático y físico escocés. Fue uno de los contribuyentes fundadores, junto con Rudolf Clausius y William Thomson ( Lord Kelvin), de la ciencia de la termodinámica , centrándose particularmente en su Primera Ley. Desarrolló la escala Rankine , un equivalente basado en Fahrenheit a la escala de temperatura Kelvin basada en Celsius .
Rankine desarrolló una teoría completa de la máquina de vapor y, de hecho, de todas las máquinas térmicas. Sus manuales de ciencia y práctica de la ingeniería se utilizaron durante muchas décadas después de su publicación en las décadas de 1850 y 1860. Publicó varios cientos de artículos y notas sobre temas científicos e ingenieriles a partir de 1840, y sus intereses eran extremadamente variados, incluyendo, en su juventud, la botánica , la teoría musical y la teoría de números , y, en sus años de madurez, la mayoría de las ramas principales de la ciencia, las matemáticas y la ingeniería.
También fue cantante, pianista y violonchelista, además de fusilero. [1] [2]
Rankine nació en Edimburgo, hijo del teniente David Rankin (sic), un ingeniero civil de origen militar que más tarde trabajó en el ferrocarril de Edimburgo y Dalkeith (conocido localmente como el Ferrocarril Inocente). [2] [3] Su madre era Barbara Grahame, de una destacada familia de abogados y banqueros.
Su padre se trasladó por Escocia en diversos proyectos y la familia se trasladó con él. William fue educado inicialmente en casa, debido a su mala salud, [4] pero más tarde asistió a la Academia Ayr (1828-29) y luego a la Escuela Secundaria de Glasgow (1830). Alrededor de 1830, la familia se mudó a Edimburgo cuando el padre consiguió un puesto como gerente del ferrocarril de Edimburgo a Dalkeith. La familia vivía entonces en el número 2 de Arniston Place. [5]
En 1834 fue enviado a la Academia Naval y Militar Escocesa de Lothian Road, en Edimburgo [6], con el matemático George Lee. Para ese año, William ya era un gran experto en matemáticas y recibió, como regalo de su tío, los Principia (1687) de Isaac Newton en su versión original en latín.
En 1836, Rankine comenzó a estudiar un espectro de temas científicos en la Universidad de Edimburgo , incluyendo historia natural con Robert Jameson y filosofía natural con James David Forbes . Bajo Forbes recibió premios por ensayos sobre métodos de investigación física y sobre la teoría ondulatoria (u ondulatoria) de la luz . Durante las vacaciones, ayudó a su padre, quien, a partir de 1830, fue gerente y, más tarde, tesorero e ingeniero efectivo del Ferrocarril de Edimburgo y Dalkeith , que trajo carbón a la creciente ciudad. Dejó la Universidad de Edimburgo en 1838 sin un título (lo que entonces no era inusual) y, tal vez debido a las finanzas familiares estrechas, se convirtió en aprendiz de Sir John Benjamin Macneill , que en ese momento era topógrafo de la Comisión de Ferrocarriles Irlandeses . Durante su pupilaje desarrolló una técnica, más tarde conocida como el método de Rankine , para trazar curvas ferroviarias, explotando al máximo el teodolito y logrando una mejora sustancial en la precisión y la productividad con respecto a los métodos existentes. De hecho, la técnica era utilizada simultáneamente por otros ingenieros y en la década de 1860 hubo una pequeña disputa sobre la prioridad de Rankine.
El año 1842 también marcó el primer intento de Rankine de reducir los fenómenos del calor a una forma matemática , pero se vio frustrado por su falta de datos experimentales. En la época de la visita de la reina Victoria a Escocia, más tarde ese año, organizó una gran hoguera situada en Arthur's Seat , construida con conductos de aire radiante debajo del combustible. La hoguera sirvió como faro para iniciar una cadena de otras hogueras en toda Escocia.
En 1850 fue elegido miembro de la Royal Society de Edimburgo, siendo propuesto por el profesor James David Forbes . Ganó el premio Keith de la Sociedad durante el período 1851-53. Fue vicepresidente de la Sociedad entre 1871 y 1872. [3]
Desde 1855 fue profesor de Ingeniería Civil y Mecánica en la Universidad de Glasgow . [3]
Murió en el número 8 de Albion Crescent (ahora llamada Dowanside Road), Dowanhill, Glasgow, a las 23:45 horas de la víspera de Navidad, el 24 de diciembre de 1872, con tan solo 52 años . [7] No estaba casado y no tenía hijos. Su muerte fue registrada por su tío, Alex Grahame (cuñado de su difunta madre).
Sin desanimarse, [ aclaración necesaria ] Rankine volvió a su fascinación juvenil por la mecánica de la máquina térmica . Aunque su teoría de corrientes circulantes de vórtices elásticos cuyos volúmenes se adaptaban espontáneamente a su entorno suena fantasiosa para los científicos formados en una teoría moderna, en 1849, había logrado encontrar la relación entre la presión de vapor saturado y la temperatura . El año siguiente, utilizó su teoría para establecer relaciones entre la temperatura, la presión y la densidad de los gases , y expresiones para el calor latente de evaporación de un líquido . Predijo con precisión el hecho sorprendente de que el calor específico aparente del vapor saturado sería negativo. [8]
Envalentonado por su éxito, en 1851 se propuso calcular la eficiencia de los motores térmicos y utilizó su teoría como base para deducir el principio de que la máxima eficiencia posible para cualquier motor térmico es una función únicamente de las dos temperaturas entre las que opera. Aunque Rudolf Clausius y William Thomson ya habían obtenido un resultado similar , Rankine afirmó que su resultado se basaba únicamente en su hipótesis de los vórtices moleculares, en lugar de en la teoría de Carnot o en alguna otra suposición adicional. El trabajo marcó el primer paso en el viaje de Rankine para desarrollar una teoría más completa del calor. En 1853 , acuñó el término energía potencial . [9]
Rankine reformuló posteriormente los resultados de sus teorías moleculares en términos de una explicación macroscópica de la energía y sus transformaciones. Definió y distinguió entre la energía real que se perdía en los procesos dinámicos y la energía potencial por la que se la reemplazaba. Supuso que la suma de las dos energías era constante, una idea que ya, aunque seguramente no por mucho tiempo, era familiar en la ley de conservación de la energía . A partir de 1854, hizo un amplio uso de su función termodinámica que más tarde se dio cuenta de que era idéntica a la entropía de Clausius. En 1855, Rankine había formulado una ciencia de la energética que daba cuenta de la dinámica en términos de energía y sus transformaciones en lugar de fuerza y movimiento . [10] Este artículo presenta la primera definición publicada de energía en términos de capacidad para realizar trabajo, [11] que rápidamente se convirtió en la definición general estándar de energía. [12] La teoría fue muy influyente en la década de 1890. En 1859 propuso la escala Rankine de temperatura, una escala absoluta o termodinámica cuyo grado es igual a un grado Fahrenheit . En 1862 , Rankine amplió la teoría de Lord Kelvin sobre la muerte térmica universal y, junto con el propio Kelvin, formuló la paradoja de la muerte térmica , que refuta la posibilidad de un universo infinitamente antiguo. [13]
La energética le ofreció a Rankine un enfoque alternativo, y más convencional, a su ciencia y, desde mediados de la década de 1850, hizo un uso bastante menor de sus vórtices moleculares. Sin embargo, todavía afirmaba que el trabajo de Maxwell sobre el electromagnetismo era en realidad una extensión de su modelo. Y, en 1864, sostuvo que las teorías microscópicas del calor propuestas por Clausius y James Clerk Maxwell , basadas en el movimiento atómico lineal, eran inadecuadas. Fue recién en 1869 cuando Rankine admitió el éxito de estas teorías rivales. Para entonces, su propio modelo del átomo se había vuelto casi idéntico al de Thomson.
Como era su objetivo constante, especialmente como profesor de ingeniería, utilizó sus propias teorías para desarrollar una serie de resultados prácticos y dilucidar sus principios físicos, entre ellos:
La historia de la rotordinámica está repleta de interacciones entre teoría y práctica. Rankine realizó por primera vez un análisis de un eje giratorio en 1869, pero su modelo no era adecuado y predijo que no se podrían alcanzar velocidades supercríticas.
Rankine fue uno de los primeros ingenieros en reconocer que las fallas por fatiga de los ejes de los ferrocarriles eran causadas por la iniciación y el crecimiento de grietas frágiles. A principios de la década de 1840, examinó muchos ejes rotos, especialmente después del accidente ferroviario de Versalles de 1842, cuando un eje de locomotora se fracturó repentinamente y provocó la muerte de más de 50 pasajeros. Demostró que los ejes habían fallado por el crecimiento progresivo de una grieta frágil desde un hombro u otra fuente de concentración de tensión en el eje, como un chavetero . Sus conclusiones fueron respaldadas por un análisis directo similar de ejes fallidos realizado por Joseph Glynn , donde los ejes fallaron por el crecimiento lento de una grieta frágil en un proceso que ahora se conoce como fatiga del metal . Era probable que el eje delantero de una de las locomotoras involucradas en el accidente ferroviario de Versalles fallara de manera similar. Rankine presentó sus conclusiones en un documento entregado a la Institución de Ingenieros Civiles. Sin embargo, muchos ingenieros ignoraron su trabajo y siguieron creyendo que la tensión podía provocar la "recristalización" del metal, un mito que ha persistido hasta tiempos recientes. La teoría de la recristalización era completamente errónea e impidió que se llevaran a cabo investigaciones valiosas hasta que William Fairbairn realizó unos años más tarde su trabajo, que demostró el efecto debilitador de la flexión repetida en vigas de gran tamaño. No obstante, la fatiga siguió siendo un fenómeno grave y poco comprendido, y fue la causa principal de muchos accidentes en los ferrocarriles y en otros lugares. Sigue siendo un problema grave, pero al menos hoy se comprende mucho mejor y, por lo tanto, se puede prevenir con un diseño cuidadoso.
Rankine se desempeñó como profesor regio de Ingeniería Civil y Mecánica en la Universidad de Glasgow desde noviembre de 1855 hasta su muerte en diciembre de 1872, y realizó investigaciones de ingeniería en diversas líneas de ingeniería civil y mecánica .
Rankine fue fundamental en la formación del precursor del Cuerpo de Entrenamiento de Oficiales de la Universidad de Glasgow , el 2º Cuerpo de Voluntarios de Fusileros de Lanarkshire en la Universidad de Glasgow en julio de 1859, convirtiéndose en Mayor en 1860 después de que se formara en la primera compañía del 2º Batallón, 1º Cuerpo de Voluntarios de Fusileros de Lanarkshire; sirvió hasta 1864, cuando renunció debido a la presión del trabajo, gran parte del cual estaba asociado con la Arquitectura Naval.
Las Conferencias Rankine , organizadas por la Asociación Geotécnica Británica , reciben su nombre en reconocimiento a las importantes contribuciones que hizo Rankine a:
Rankine trabajó en estrecha colaboración con los constructores navales de Clyde, especialmente con su amigo y colaborador de toda la vida James Robert Napier , para convertir la arquitectura naval en una ciencia de la ingeniería. Fue miembro fundador y primer presidente [14] de la Institution of Engineers & Shipbuilders de Escocia en 1857. Fue uno de los primeros miembros de la Royal Institution of Naval Architects (fundada en 1860) y asistió a muchas de sus reuniones anuales. Con William Thomson y otros, Rankine fue miembro de la junta de investigación sobre el controvertido hundimiento del HMS Captain .
