William John Macquorn Rankine était un ingénieur mécanicien écossais qui a également contribué à l'ingénierie civile, à la physique et aux 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 Rankine, équivalente à l'échelle Kelvin de température, mais en degrés Fahrenheit plutôt qu'en Celsius.
Rankine a développé une théorie complète du moteur à vapeur et en effet de tous les moteurs 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 d'ingénierie, à partir de 1840, et ses intérêts étaient extrêmement variés, incluant, dans sa jeunesse, la botanique, la théorie musicale et la théorie des nombres, et, dans ses années de maturité, la plupart des grandes branches de la science, des mathématiques et de l'ingénierie.
Il était un chanteur, pianiste et violoncelliste amateur enthousiaste qui composait ses propres chansons humoristiques.
Vie
Rankine est né à Edinburgh du Lt David Rankin sic, un ingénieur civil d'origine militaire, qui a ensuite travaillé sur le chemin de fer Edinburgh to Dalkeith Railway localement connu sous le nom d'Innocent Railway. Sa mère était Barbara Grahame, d'une famille de premier plan du monde juridique et bancaire.
Son père s'est déplacé dans toute l'Écosse pour divers projets et la famille l'a suivi. William a d'abord été éduqué à la maison mais il a ensuite fréquenté Ayr Academy 1828–29 puis la High School of Glasgow 1830. Vers 1830, la famille a déménagé à Edinburgh lorsque le père a obtenu un poste de directeur de la Edinburgh to Dalkeith Railway. La famille a alors vécu au 2 Arniston Place.
En 1834, il a été envoyé à la Scottish Naval and Military Academy sur Lothian Road à Edinburgh avec le mathématicien George Lee. À cette époque, William était déjà très compétent en mathématiques et a reçu, en cadeau de son oncle, les Principia d'Isaac Newton 1687 dans le latin original.
En 1836, Rankine a commencé à étudier un large éventail de sujets scientifiques à l'Université d'Edinburgh, 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 des ondes lumineuses. Pendant les vacances, il a aidé son père qui, à partir de 1830, était directeur et, plus tard, trésorier effectif et ingénieur de la Edinburgh and Dalkeith Railway qui apportait du charbon dans la ville en croissance. Il a quitté l'Université d'Edinburgh en 1838 sans diplôme, ce qui n'était pas alors inhabituel et, peut-être en raison de difficultés financières familiales, il est devenu apprenti auprès de Sir John Benjamin Macneill, qui était à l'époque arpenteur de la Irish Railway Commission. Pendant son apprentissage, il a développé une technique, plus tard connue sous le nom de méthode de Rankine, pour tracer les courbes de chemin de fer, exploitant pleinement le théodolite et apportant une amélioration substantielle de la précision et de 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 a eu un léger différend concernant la priorité de Rankine.
L'année 1842 a également marqué la première tentative de Rankine de réduire les phénomènes de chaleur à une forme mathématique, mais il a été frustré par son manque de données expérimentales. À l'occasion de la visite de la Reine Victoria en Écosse, plus tard cette année-là, il a organisé un grand bûcher situé sur Arthur's Seat, construit avec des passages d'air radiants sous le combustible. Le bûcher a servi de balise pour initier une chaîne d'autres bûchers à travers l'Écosse.
En 1850, il a été élu Fellow de la Royal Society of Edinburgh, son présentateur étant le Prof James David Forbes. Il a remporté le Keith Prize de la Société pour la période 1851–53. Il a servi en tant que Vice-Président de la Société de 1871 à 1872.
À partir de 1855, il a été Professeur d'ingénierie civile 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, 24 décembre 1872, à seulement 52 ans. Il était célibataire et n'avait pas d'enfants. Son décès a été enregistré par son oncle, Alex Grahame, le beau-frère de sa défunte mère.
Thermodynamique
Indéfectible, Rankine est revenu à sa fascination juvénile pour la mécanique du moteur thermique. Bien que sa théorie de flux circulants de vortex 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 a utilisé 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, en 1851, il s'est mis à calculer l'efficacité des moteurs thermiques et a utilisé sa théorie comme base pour déduire le principe selon lequel l'efficacité maximale possible pour tout moteur thermique est une fonction uniquement des deux températures entre lesquelles il fonctionne. Bien qu'un résultat similaire ait déjà été dérivé par Rudolf Clausius et William Thomson, Rankine a affirmé que son résultat reposait uniquement sur son hypothèse de vortex 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 reformulé 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 était perdue dans les processus dynamiques et l'énergie potentielle par laquelle elle était remplacée. Il a supposé que la somme des deux énergies était constante, une idée déjà, bien que sûrement pas pendant très longtemps, familière dans la loi de conservation de l'énergie. À partir de 1854, il a fait un large usage de sa fonction thermodynamique qu'il a ensuite réalisé être identique à l'entropie de Clausius. En 1855, Rankine avait formulé une science de l'énergétique qui donnait un compte de la dynamique en termes d'énergie et de ses transformations plutôt que de force et de mouvement. La théorie a été très influente dans les années 1890. En 1859, il a proposé l'échelle de température 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 conventionnelle, à sa science et, à partir du milieu des années 1850, il a fait plutôt moins usage de ses vortex moléculaires. Pourtant, il a toujours affirmé que le travail de Maxwell sur l'électromagnétisme était effectivement 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 a reconnu le succès de ces théories rivales. À cette époque, son propre modèle de l'atome était devenu presque identique à celui de Thomson.
Comme l'était son objectif constant, en particulier en tant qu'enseignant en ingénierie, il a utilisé ses propres théories pour développer un certain nombre de résultats pratiques et pour élucider leurs principes physiques, notamment :
- L'équation Rankine–Hugoniot pour la propagation des ondes de choc, qui gouverne le comportement des ondes de choc normales au flux entrant. Elle porte le nom des physiciens Rankine et de l'ingénieur français Pierre Henri Hugoniot ;
- Le cycle Rankine, une analyse d'un moteur thermique idéal avec un condenseur. Comme d'autres cycles thermodynamiques, l'efficacité maximale du cycle Rankine est donnée en calculant l'efficacité maximale du cycle de Carnot ;
- Propriétés de la vapeur, des gaz et des vapeurs.
L'histoire de la rotordynamique est riche de l'interaction entre la théorie et la pratique. Rankine a d'abord effectué une analyse d'un arbre tournant en 1869, mais son modèle n'était pas adéquat et il a prédit que les vitesses supercritiques ne pouvaient pas être atteintes.
Études de fatigue
Rankine a été l'un des premiers ingénieurs à reconnaître que les défaillances par fatigue des essieux de chemin de fer étaient causées par l'initiation et la croissance de fissures fragiles. Au début des années 1840, il a examiné de nombreux essieux cassés, en particulier après l'accident de train de Versailles de 1842 quand un essieu de locomotive s'est soudainement cassé et a entraîné la mort de plus de 50 passagers. Il a montré que les essieux avaient échoué par la croissance progressive d'une fissure fragile à partir d'une épaulement ou d'une autre source de concentration de contrainte sur l'arbre, comme une rainure de clavette. Il a été soutenu par une analyse directe similaire des essieux défaillants par Joseph Glynn, où les essieux ont échoué par la croissance lente d'une fissure fragile dans un processus maintenant connu sous le nom de fatigue des métaux. Il est probable que l'essieu avant de l'une des locomotives impliquées dans l'accident de train de Versailles a échoué de manière similaire. Rankine a présenté ses conclusions dans un article présenté 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 causer une « recristallisation » du métal, un mythe qui a persisté jusqu'à récemment. La théorie de la recristallisation était tout à fait fausse et a inhibé la recherche utile jusqu'aux travaux de William Fairbairn quelques années plus tard, qui a montré l'effet d'affaiblissement de la flexion répétée sur les grandes poutres. Néanmoins, la fatigue est restée un phénomène sérieux et mal compris, et a été la cause profonde de nombreux accidents sur les chemins de fer et ailleurs. C'est toujours un problème sérieux, mais c'est au moins beaucoup mieux compris aujourd'hui et peut donc être prévenu par une conception soignée.
Autres travaux
Rankine a servi en tant que Regius Professor of Civil Engineering and Mechanics à l'Université de Glasgow de novembre 1855 jusqu'à sa mort en décembre 1872, poursuivant la recherche en ingénierie sur plusieurs lignes en génie civil et mécanique.
Rankine a joué un rôle instrumental 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 sa formation en première compagnie du 2nd Battalion, 1st Lanarkshire Rifle Volunteer Corps ; il a servi jusqu'en 1864, quand il a démissionné en raison de la pression du travail – dont une grande partie était associée à l'architecture navale.
Ingénierie civile
Les conférences Rankine, organisées par la British Geotechnical Association, portent le nom en reconnaissance des contributions importantes que Rankine a apportées à :
- Les forces dans les structures de cadre ;
- La mécanique des sols ; notamment dans la théorie de la pression des terres latérales et la stabilisation des murs de soutènement. La méthode Rankine d'analyse de la pression des terres porte son nom.
Architecture navale
Rankine a travaillé en étroite collaboration avec les constructeurs navals de Clyde, en particulier son ami et collaborateur de toute une vie James Robert Napier, pour faire de l'architecture navale une science de l'ingénierie. Il était un membre fondateur et premier Président de l'Institution of Engineers & Shipbuilders in Scotland en 1857. Il était un ancien membre de la Royal Institution of Naval Architects fondée en 1860 et a assisté à de nombreuses réunions annuelles. Avec William Thomson et d'autres, Rankine était membre du conseil d'enquête sur le naufrage controversé du HMS Captain.
Prix et honneurs
- Fellow de la Royal Scottish Society of Arts
- Associate of the Institution of Civil Engineers, 1843 il n'a jamais été un membre à part entière
- Fellow de la Royal Society of Edinburgh, 1850
- Fellow de la Royal Society of London, 1853
- Keith Medal de la Royal Society of Edinburgh, 1854
- Président fondateur de l'Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland, 1857
- LL.D. de Trinity College, Dublin, 1857
- Membre étranger de la Royal Swedish Academy of Sciences, 1868
- L'échelle Rankine absolue Fahrenheit porte son nom en son honneur.
- Rankine, un petit cratère d'impact près du limbe oriental de la Lune, porte également son nom en son honneur.
- En 2013, il a été l'un des quatre nouveaux membres du Scottish Engineering Hall of Fame.
Publications
- Manual of Applied Mechanics 1858
- Manual of the Steam Engine and Other Prime Movers 1859
- Manual of Civil Engineering 1861
- Shipbuilding, theoretical and practical 1866
- Manual of Machinery and Millwork 1869
- On the Mechanical Action of Heat, especially in Gases and Vapours 1850, read at the Royal Society of Edinburgh, 4 February 1850
- On the General Law of Transformation of Energy 1853, read at the Glasgow Philosophical Society
- On the Thermodynamic Theory of Waves of Finite Longitudinal Disturbance 1869
- Outlines of the Science of Energetics 1855, read at the Glasgow Philosophical Society
- Rankine, William John MacQuorn 1881. Miscellaneous Scientific Papers. London: Charles Griffin and Company.
