מבוא וביוגרפיה
ויליאם ג'ון מקורן רנקין (William John Macquorn Rankine) היה מהנדס מכונות סקוטי שתרם גם להנדסה אזרחית, פיזיקה ומתמטיקה. הוא היה ממייסדי מדע התרמודינמיקה, יחד עם רודולף קלאוזיוס (Rudolf Clausius) וויליאם תומסון, הלורד קלווין (William Thomson, Lord Kelvin), והתמקד במיוחד בחוק הראשון מבין שלושת חוקי התרמודינמיקה. הוא פיתח את סולם רנקין, המקביל לסולם קלווין, אך מבוסס על מעלות פרנהייט במקום צלזיוס. רנקין פיתח תיאוריה מלאה על מנוע הקיטור ובאופן כללי על כל מנועי החום. ספרי ההדרכה שלו בהנדסה ובמדעים שימשו במשך עשורים רבים לאחר פרסומם בשנות ה-50 וה-60 של המאה ה-19.
הוא פרסם מאות מאמרים ורשימות על נושאי מדע והנדסה משנת 1840 ואילך, ותחומי העניין שלו היו מגוונים ביותר. בצעירותו עסק בבוטניקה, בתורת המוזיקה ובתורת המספרים, ובשנות בגרותו עסק ברוב ענפי המדע, המתמטיקה וההנדסה המרכזיים. הוא היה זמר חובב נלהב, פסנתרן וצ'לן שהלחין שירי הומור משלו. חייו: רנקין נולד באדינבורו לסגן דייוויד רנקין (David Rankin), מהנדס אזרחי מרקע צבאי, שעבד מאוחר יותר על מסילת הברזל אדינבורו-דאלקית' הידועה מקומית כ"מסילת התמימים". אמו הייתה ברברה גרהאם (Barbara Grahame), ממשפחה בולטת בתחומי המשפטים והבנקאות. אביו עבר ברחבי סקוטלנד במסגרת פרויקטים שונים והמשפחה עברה יחד איתו. ויליאם קיבל בתחילה חינוך ביתי אך מאוחר יותר למד באקדמיית אייר (1828–1829) ולאחר מכן בבית הספר התיכון של גלאזגו (1830).
חיים מוקדמים וחינוך
סביב שנת 1830 עברה המשפחה לאדינבורו כאשר האב קיבל משרה כמנהל מסילת הברזל אדינבורו-דאלקית'. המשפחה התגוררה אז ברחוב ארניסטון פלייס מס' 2. בשנת 1834 נשלח רנקין לאקדמיה הימית והצבאית הסקוטית ברחוב לות'יאן באדינבורו עם המתמטיקאי ג'ורג' לי (George Lee). עד אותה שנה ויליאם כבר היה מיומן מאוד במתמטיקה וקיבל במתנה מדודו את הספר "פרינקיפיה" (Principia) משנת 1687 מאת אייזק ניוטון (Isaac Newton) בשפתו הלטינית המקורית. בשנת 1836 החל רנקין ללמוד מגוון נושאים מדעיים באוניברסיטת אדינבורו, כולל היסטוריה של הטבע תחת רוברט ג'יימסון (Robert Jameson) ופילוסופיה של הטבע תחת ג'יימס דייוויד פורבס (James David Forbes). תחת הנחיית פורבס הוענקו לו פרסים על חיבורים בנושא שיטות מחקר פיזיקלי ותיאוריית הגלים של האור.
במהלך חופשותיו, סייע לאביו, שהיה החל משנת 1830 המנהל ובהמשך הגזבר והמהנדס בפועל של מסילת הברזל אדינבורו ודאלקית', אשר הובילה פחם לעיר הצומחת. הוא עזב את אוניברסיטת אדינבורו בשנת 1838 ללא תואר, מה שלא היה יוצא דופן באותה עת, ואולי בשל מצבה הכלכלי הדחוק של משפחתו, הפך לשוליה של סר ג'ון בנג'מין מקניל (Sir John Benjamin Macneill), שהיה באותה עת מודד עבור ועדת הרכבות האירית. במהלך התמחותו פיתח טכניקה, שנודעה מאוחר יותר כ"שיטת רנקין", לסימון עיקולי מסילות ברזל, תוך ניצול מלא של תיאודוליט וביצוע שיפור משמעותי בדיוק ובתפוקה לעומת שיטות קיימות. למעשה, הטכניקה הייתה בשימוש במקביל על ידי מהנדסים אחרים – ובשנות ה-60 של המאה ה-19 התקיים סכסוך קטן לגבי הבכורה על המצאת רנקין.
קריירה מוקדמת ותרמודינמיקה
שנת 1842 סימנה גם את ניסיונו הראשון של רנקין לצמצם את תופעות החום לצורה מתמטית, אך הוא תסכל מחוסר בנתונים ניסיוניים. בזמן ביקורה של המלכה ויקטוריה בסקוטלנד מאוחר יותר באותה שנה, הוא ארגן מדורה גדולה על גבעת ארתורס סיט, שנבנתה עם מעברי אוויר קורנים מתחת לחומר הבעירה. המדורה שימשה כאות להדלקת שרשרת מדורות אחרות ברחבי סקוטלנד. בשנת 1850 הוא נבחר לעמית בחברה המלכותית של אדינבורו, כאשר המציע שלו היה פרופ' ג'יימס דייוויד פורבס. הוא זכה בפרס קית' של החברה לתקופה 1851–1853. הוא כיהן כסגן נשיא החברה בין השנים 1871–1872. משנת 1855 כיהן כפרופסור להנדסה אזרחית ומכניקה באוניברסיטת גלאזגו. הוא נפטר בביתו ברחוב אלביון קרסנט מס' 8, שנקרא כיום רחוב דאונסייד, דאונהיל, גלאזגו, ב-23:45 בערב חג המולד, 24 בדצמבר 1872, בגיל 52 בלבד.
הוא לא היה נשוי ולא היו לו ילדים. פטירתו נרשמה על ידי דודו, אלכס גרהאם (Alex Grahame), גיס של אמו המנוחה. תרמודינמיקה: ללא מורא, חזר רנקין לעיסוקו בנעוריו במכניקה של מנועי חום. אף על פי שהתיאוריה שלו על זרמי מערבולות אלסטיות שנפחן הסתגל באופן ספונטני לסביבתן נשמעת דמיונית בעיני מדענים המבוססים על תפיסות מודרניות, עד שנת 1849 הוא הצליח למצוא את הקשר בין לחץ אדים רווי לטמפרטורה. בשנה שלאחר מכן, השתמש בתיאוריה שלו כדי לבסס קשרים בין טמפרטורה, לחץ וצפיפות של גזים, וכן ביטויים לחום הכמוס של אידוי נוזל. הוא חזה במדויק את העובדה המפתיעה שהקיבול הסגולי לכאורה של קיטור רווי יהיה שלילי.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →מעודד מהצלחתו, בשנת 1851 יצא לחשב את הנצילות של מנועי חום והשתמש בתיאוריה שלו כבסיס להסקת העיקרון, לפיו הנצילות המקסימלית האפשרית עבור כל מנוע חום היא פונקציה של שתי הטמפרטורות ביניהן הוא פועל בלבד. אף על פי שתוצאה דומה נגזרה כבר על ידי רודולף קלאוזיוס וויליאם תומסון, רנקין טען שתוצאתו נשענת על השערת מערבולות מולקולריות שלו בלבד, ולא על התיאוריה של קרנו (Carnot) או על הנחה נוספת כלשהי. עבודה זו סימנה את הצעד הראשון במסעו של רנקין לפיתוח תיאוריה מלאה יותר של חום. מאוחר יותר ניסח רנקין מחדש את תוצאות תיאוריות המולקולריות שלו במונחים של תיאור מאקרוסקופי של אנרגיה ותמורותיה. הוא הגדיר והבחין בין אנרגיה ממשית, שהלכה לאיבוד בתהליכים דינמיים, לבין אנרגיה פוטנציאלית שבאמצעותה הוחלפה.
תיאוריות מדעיות ואנרגטיקה
הוא הניח שסכום שתי האנרגיות הוא קבוע, רעיון שכבר היה מוכר, אם כי בוודאי לא לזמן רב, בחוק שימור האנרגיה. החל משנת 1854, הוא עשה שימוש נרחב בפונקציה התרמודינמית שלו, שלימים הבין שהיא זהה לאנטרופיה של קלאוזיוס. עד 1855, ניסח רנקין מדע של אנרגטיקה, שסיפק תיאור של דינמיקה במונחים של אנרגיה ותמורותיה במקום כוח ותנועה. לתיאוריה הייתה השפעה רבה בשנות ה-90 של המאה ה-19. בשנת 1859 הציע את סולם רנקין לטמפרטורה, סולם מוחלט או תרמודינמי שמעלתו שווה למעלת פרנהייט. האנרגטיקה הציעה לרנקין גישה אלטרנטיבית ומיינסטרימית יותר למדע שלו, ומאמצע שנות ה-50 של המאה ה-19, הוא עשה פחות שימוש במערבולות המולקולריות שלו. עם זאת, הוא עדיין טען שעבודתו של ג'יימס קלרק מקסוול (James Clerk Maxwell) על אלקטרומגנטיות הייתה למעשה הרחבה של המודל שלו.
ובשנת 1864, הוא טען שהתיאוריות המיקרוסקופיות של החום שהוצעו על ידי קלאוזיוס ומקסוול, המבוססות על תנועה אטומית ליניארית, אינן מספקות. רק בשנת 1869 הודה רנקין בהצלחתן של תיאוריות יריבות אלו. עד לאותה עת, המודל שלו לאטום הפך כמעט זהה לזה של תומסון. כמטרתו הקבועה, במיוחד כמורה להנדסה, השתמש בתיאוריות שלו כדי לפתח מספר תוצאות מעשיות ולהבהיר את עקרונותיהן הפיזיקליים, כולל: משוואת רנקין-הוגוניו (Rankine-Hugoniot) להתפשטות גלי הלם, השולטת בהתנהגות גלי הלם הניצבים לזרימה מתקרבת. היא קרויה על שם הפיזיקאים רנקין והמהנדס הצרפתי פייר אנרי הוגוניו (Pierre Henri Hugoniot); מחזור רנקין, ניתוח של מנוע חום אידיאלי עם מעבה.
פרקטיקה הנדסית ומחקרי עייפות החומר
כמו מחזורים תרמודינמיים אחרים, הנצילות המקסימלית של מחזור רנקין ניתנת לחישוב על ידי חישוב הנצילות המקסימלית של מחזור קרנו; תכונות קיטור, גזים ואדים. ההיסטוריה של דינמיקת הרוטורים שופעת ביחסי הגומלין בין תיאוריה לפרקטיקה. רנקין ביצע לראשונה ניתוח של ציר מסתובב בשנת 1869, אך המודל שלו לא היה מספק והוא חזה שלא ניתן להגיע למהירויות על-קריטיות. מחקרי עייפות החומר: רנקין היה מהמהנדסים הראשונים שהכירו בכך שכשלים בעייפות של צירי רכבת נגרמו מהיווצרות וצמיחה של סדקים פריכים. בראשית שנות ה-40 של המאה ה-19 הוא בדק צירים שבורים רבים, במיוחד לאחר התרסקות הרכבת בורסאי ב-1842 כאשר ציר קטר נשבר לפתע והוביל למותם של מעל 50 נוסעים.
הוא הראה שהצירים כשלו עקב צמיחה פרוגרסיבית של סדק פריך מנקודת ריכוז מאמצים כגון כתף או חריץ. הוא נתמך על ידי ניתוח ישיר דומה של צירים כושלים על ידי ג'וזף גלין (Joseph Glynn), שם הצירים כשלו עקב צמיחה איטית של סדק פריך בתהליך הידוע כיום כעייפות מתכת. סביר להניח שהציר הקדמי של אחד הקטרים שהיו מעורבים בהתרסקות הרכבת בורסאי כשל בדרך דומה. רנקין הציג את מסקנותיו במאמר שהוגש למוסד המהנדסים האזרחיים. עם זאת, עבודתו התעלמה על ידי מהנדסים רבים שהמשיכו להאמין שמאמץ יכול לגרום ל"גיבוש מחדש" של המתכת, מיתוס שהתמיד עד זמנים מודרניים.
תיאוריית הגיבוש מחדש הייתה שגויה לחלוטין, ועיכבה מחקר ראוי עד עבודתו של ויליאם פיירביירן (William Fairbairn) כמה שנים לאחר מכן, שהראתה את השפעת ההיחלשות של כיפוף חוזר ונשנה על קורות גדולות. עם זאת, עייפות החומר נותרה תופעה רצינית ובלתי מובנת, והייתה סיבת השורש לתאונות רבות ברכבות ובמקומות אחרים. זו עדיין בעיה רצינית, אך לפחות מובנת הרבה יותר כיום, ולכן ניתן למנוע אותה על ידי תכנון קפדני. עבודה אחרת: רנקין כיהן כפרופסור המלכותי להנדסה אזרחית ומכניקה באוניברסיטת גלאזגו מנובמבר 1855 ועד מותו בדצמבר 1872, תוך שהוא עוסק במחקר הנדסי במספר קווי פעולה בהנדסה אזרחית ומכנית.
שירות אקדמי וצבאי
רנקין היה גורם מרכזי בהקמת החלוץ של חיל ההכשרה לקצינים של אוניברסיטת גלאזגו, חיל המתנדבים הרובאים השני של לנארקשייר (2nd Lanarkshire Rifle Volunteer Corps) באוניברסיטת גלאזגו ביולי 1859, והפך למייג'ור בשנת 1860 לאחר שהוקמה הפלוגה הראשונה של הגדוד השני, חיל המתנדבים הרובאים הראשון של לנארקשייר; הוא שירת עד 1864, אז התפטר עקב עומס עבודה – שרובו קשור לאדריכלות ימית. הנדסה אזרחית: הרצאות רנקין, המאורגנות על ידי האגודה הגיאוטכנית הבריטית, נקראות כך בהכרה בתרומות המשמעותיות של רנקין ל: כוחות במבני מסגרת; מכניקת קרקע; ובמיוחד בתאוריית לחץ עפר צדי וייצוב קירות תומכים. שיטת רנקין לניתוח לחץ עפר קרויה על שמו.
אדריכלות ימית ותארים
אדריכלות ימית: רנקין עבד בשיתוף פעולה הדוק עם בוני ספינות מקלייד, במיוחד עם חברו ושותפו לכל החיים ג'יימס רוברט נאפייר (James Robert Napier), כדי להפוך את האדריכלות הימית למדע הנדסי. הוא היה חבר מייסד ונשיא ראשון של המוסד למהנדסים ובוני ספינות בסקוטלנד בשנת 1857. הוא היה חבר מוקדם במוסד המלכותי של אדריכלים ימיים שנוסד ב-1860 והשתתף ברבות מאסיפותיו השנתיות. יחד עם ויליאם תומסון ואחרים, רנקין היה חבר בוועדת חקירה בנושא הטביעה השנויה במחלוקת של אה"מ קפטן (HMS Captain).
פרסים ותארים: עמית בחברה הסקוטית המלכותית לאמנויות; חבר שותף במוסד המהנדסים האזרחיים, 1843 (הוא מעולם לא היה חבר מן המניין); עמית בחברה המלכותית של אדינבורו, 1850; עמית בחברה המלכותית של לונדון, 1853; מדליית קית' של החברה המלכותית של אדינבורו, 1854; נשיא מייסד של המוסד למהנדסים ובוני ספינות בסקוטלנד, 1857; תואר LL.D. מטריניטי קולג', דבלין, 1857; חבר זר באקדמיה השוודית המלכותית למדעים, 1868. סולם רנקין המוחלט (פרנהייט) קרוי על שמו. המכתש רנקין, מכתש פגיעה קטן ליד הגבול המזרחי של הירח, קרוי אף הוא על שמו. בשנת 2013 הוא היה אחד מארבעה שנכנסו להיכל התהילה של ההנדסה הסקוטית.
פרסומים
פרסומים: מדריך למכניקה יישומית (1858); מדריך למנועי קיטור ומניעים עיקריים אחרים (1859); מדריך להנדסה אזרחית (1861); בניית ספינות, תיאורטית ומעשית (1866); מדריך למכונות ועבודות טחנות (1869); על הפעולה המכנית של חום, במיוחד בגזים ובאדים (1850), נקרא בחברה המלכותית של אדינבורו, 4 בפברואר 1850; על החוק הכללי של תמורת אנרגיה (1853), נקרא בחברה הפילוסופית של גלאזגו; על התיאוריה התרמודינמית של גלים של הפרעה אורכית סופית (1869); מתווה למדע האנרגטיקה (1855), נקרא בחברה הפילוסופית של גלאזגו; רנקין, ויליאם ג'ון מקורן, 1881. מאמרים מדעיים שונים. לונדון: צ'ארלס גריפין ושות'.