Ранкин Джон Уильям Маккуорн

РАНКИН УИЛЬЯМ ДЖОН МАКУОРН

5.7.1820 – 24.12.1872

Можно только задаваться вопросом,

был ли блеск Уильяма Джона Макуорна

Ранкина наследственный или он был просто одаренным человеком своего

времени. В лекции, представленной перед

Университете Глазго 13 декабря 1972,

Хью Б. Сутерланд, профессор граждан-ского строительства университета Глазго сказал относительно него:

- ' Ранкин был не обычным человеком. '

Он подобострастно описал свою задачу сообщения жизни и времени Ранкина, говоря:

' Это оставило меня с чувством, что все, что я могу рассказать, является данью гиганту прошлого от крошечного смертного из настоящего."

При окончании своей лекции, он заявил:

' Ранкин был наиболее замечательной комбинацией человеческого гения и юмора’.

Уильям Джон Макуорн Ранкин - имя, выгравированное в научной летописи во всем мире. Ранкин наиболее известен за свои достижения в термодинамике (описание эксплуатационного цикла идеального двигателя, используя пар или другие испарения) и механику почвы (земная теория давления). Так же другим звездным признаком этого великого человека было то, что он также был превосходным техническим педагогом. Он подчеркивал взаимную зависимость и гармонию между нормальной теорией и хорошей практикой, и он был ответствен за становление известных универ-ситетских "курсов бутерброда" в сотрудничестве с ведущими промышленниками в Шотландии. Его заявленная цель, " продвиже-ние науки в применении к практике в механических искусствах ", преследовалась во всей его работе как технический ученого и преподавателя.

Родился Ранкин в Шотландии в Эдинбурге 5 июля 1820, в семье инженера. Уже в юные годы смог проявить свои таланты, которые в последствии сделали его знаменитым. В шестнадцать лет, обучаясь в Эдинбургском университете, он получает золотую медаль за очерк по относительной волнообразной теории света, и двумя годами позже получает дополнительный приз за другой очерк по относи-тельным методам физического исследования. Финансовые проблемы вынудили молодого Уильяма оставить учебу на время, поступить на службу в помощники к своему отцу в компанию «Железная дорога Эдинбург&Далкейт». После года работы он уезжает в Ирландию и становится учеником сэра Джона Бенджамина МакНеилла ведущего гражданского инженера, бывшего инспектором Ирландской желез-нодорожной комиссии в то время. В течение этого периода, Ранкин развивал метод отправляющихся круглых кривых, известно с тех пор как " метод Ранкина ". После завершения своего ученичества в 1842, Ранкин возвратился в Шотландию, где работает на железных дорогах, в гаванях вплоть до 1848 года. В это же время молодой Уильям Джон Макуорн Ранкин начинает представлять свои разработки в Институт гражданских инженеров.

С 1848 он начинает ряд исследований в молекулярной физике, которая занимала его в течение всей оставшейся жизни. Но самые крупные исследов-ания и научные труды Ранкин сделал в области технической термодинамики, считаясь теперь, по праву, одним из основателей этого раздела общей физики.

В 1949 выпускает свои первые две работы по теории высокой температуры. Самая ранняя работа, «О зависимости между темпе-ратурой и максимальной эластичностью пара и других испарений»

(« On an Equation between the Temperature and the Maximum Elasticity of Steam and other Vapours») была напечатана в Эдинбург-ском новом философском журнале. И в конце года высылает в Королевское общество в Эдинбурге, членом которого становится в 1853 году, свою работу «О формуле для вычисления расширения жидкостей высокой температурой» ("On a Formula for Calculating the Expansion of Liquids by Heat").

В 1850-х годах успешно занимается научной работой в техни-ческой термодинамике. Параллельно с еще несколькими европей-скими учеными разрабатывает исчисление механической теории теплоты и попытался вывести из нее законы всех явлений, наблю-даемых в газах. Благодаря этим исследованиям, наряду с законом сохранения силы как первым началом, появляется второе начало новой теории теплоты, гласящее , что не всякая теплота заключен-ная в теле, может быть превращена в механическую работу. В связи с этим началом возник длинный спор по вопросу о границах его применимости. Благодаря этому ученые мало помалу вышли из специальной области теории теплоты и вступили в область более общих механических представлений. Второе начало, постепенно расширяясь, превратилось в общее механическое начало. Ранкин в сотрудничестве с Томсоном и Клаузисом разработал новый метод оценки паровых машин, важнейшего для всей теплотехники, наме-ченного еще в работах Карно, бывшего в противоречии с господ-ствовавшей до того теорией Памбурга. Шотландский ученый получил, что даже в наиболее паровой машине не все потребленное ею тепло может быть превращено в работу. Более того, что в силу существующих взаимоотношений, при значительной высоте темпе-ратуры всех применяемых тел над абсолютным нулем, большая часть тепла должна бесполезно переходить с одной части машины на другую или тратиться на изменение внутреннего состояния тела. Его перу принадлежит первые определения энергии и закона сохранения энергии в совершенно общем виде и с ясным сознанием вытекающих отсюда важных последствий. В своей научной работе «Об общем законе преобразования энергии»(«On the general law of the transformation of energy»,1853), представленном в Эдинбург-ском философском обществе, Ранкин написал, что энергия – это всякое свойство вещества, которое представляет собой силу или сравнимо с силой, способной производить изменения, сопровожда-ющиеся преодолением сопротивлений. Действующая энергия есть измеримое и передаваемое или превратимое свойство, присутствие которого в веществе вызывает в нем стремление изменить своё состояние в одном или нескольких отношениях. При наступлении этих изменений действующая энергия исчезает и заменяется потен-циальной энергией, которая измеряется величиной изменения состояния вещества, в связи с величиной того стремления или силы, благодаря которой это изменение произошло. После этого Ранкин выразил закон сохранения энергии в следующей форме: сумма всей энергии (потенциальной и кинетической) во Вселенной остается неизменной. Два года спустя шотландский ученый определенно указал, что цель этих новых определений заключается в том, чтобы взамен лишь гипотетических атомов и их сил дать новые отвлеченные понятия, которые не содержали бы в себе ничего гипотетического и были бы выведены непосредственно из фактов.

В 1853, вместе с Джеймсом Робертом Нейпиром, он запроекти-ровал и запатентовал новую форму воздушного двигателя.

В 1854 году ученый получает Кейтскую медаль (the Keith medal) от Эдинбургского королевского общества, за вклад в развитие и узучение термодинамики.

3 декабря 1855 года, в возрасте 35 лет, Уильям Джон Макуорн Ранкин был назначен королевской комиссией Профессором гражданского строительства и механики в Университете Глазго соответствующим королевским декретом, где проработал до своей смерти, сделав скромный шотландский университет хорошим конкурентом для признанных лидеров обучения того времени. В 1857 году становится первым президентом Института инженеров в Шотландии.

Занятия Ранкина усталостью в металлах железнодорожных осей вели к новым методам строительства. Он также работает над механикой почвы, в которой его изучение земных давлений и стабильности сохранения стен сделало известным вклад в науку.

Все, чем бы ученый не занимался, он делал добросовестно и успешно. Все свои доводы он старался развить и облечь в математическую форму. Уже будучи профессором, Ранкин направляет свое внимание к теории военно-морской архитектуры, и кажется преследует это с алчностью. Он разрабатывает теорию сопротивления волнам судном любой конструкции с твердыми математическими обоснованиями, которая превосходит теорию Скотта Русела о волнах-линиях, основанной большей частью на догадках. Подстрекаемый исследованиями Фроуда Ранкин берется за не менее сложный вопрос о вращении судна среди волн и реше-ние было не менее успешным, чем проблема сопротивления.

Именно в 1861 году Фроуд положил перед Институтом военно-морской архитектуры свою теорию вращения судов, имевшая наибольший прогресс, который был сделан в военно-морской архитектуре за почти три четверти столетия. " Этот вопрос, " используя слова Скотта Русела, " был тот, который до настоящего времени абсолютно уклонялся от исследования математиками и устройства военно-морского архитектуры, " и это, следовательно не удивительно, что много выдающихся научных людей с трудом принимали взгляды Фроуда, когда они были сначала представлены публике. Профессор Ранкин, однако, с его обычной проницательностью, сразу почувствовал их правильность, и на следующей сессии Института указал, что самый простой метод достижения отличительного уравнения движения судна состоит в том, чтобы предположить, что фигура волны должна быть трочоидной (trochoidal), вместо принятой гипотезы синусов, которую Фроуд принял как основание своей теории. «Это предпо-ложение,- как Фроуд заявил при разговоре относительно разработки профессора Ранкина,- именно то, что ясно ведет к полному и строгому решению целого вопроса.» Потому как теория Фроуда основывалась большей мере на экспериментах, а ранкинов-ская – на теоретических исследованиях.

В течение этого периода он издал его четыре больших учебника, все из которых пошли в многократные издания: «Руководство Прикладной Механики» (Manual of Applied Mechanics, 1858), «Руководство парового двигателя и других моторов», (Manual of the Steam-engine and Other Prime Movers, 1859); «Руководство гражданского строительства», (Manual of Civil Engineering, 1861) и «Машины и прессы» (Machinery and Millwork, 1869). Эти, книги, однако, не характеризовали полностью огромную энергию Ранкина его многосторонний характер. Он был восторженным и наиболее полезным лидером движения добровольцев, автором, компози-тором и певцом юмористических и патриотических песен, некоторые из которых, как "Трехфутовое Правило" ("The Three Foot Rule”) и "У них никогда не будет Гибралтара" (“They never shall have Gibraltar”), стали известными далеко вне круга его знакомства. Ранкин был самым ранним из трех основателей современной науки Термодинамики. Автор первого формального трактата о предмете. Его вклады в теории Эластичности и Волн занимают место высоко среди событий 19 века математической физики, хотя они - простые единицы среди 150 научных бумаг.

«Руководство парового двигателя и других моторов» считается одним из главных трудов профессора, в котором он описал термодинамический цикл событий (так называемый цикл Ранкина), который использовался как стандарт для работы сооружений паровой мощи, где значительный пар обеспечивает рабочую жидкость. Ранкин здесь объяснил, как жидкость в котле, выпаренном дополнением высокой температуры преобразовывает часть этой энергии в механическую энергию, когда пар расширяется в двигателе. Поскольку исчерпывающийся пар сжат охлаждающейся средой типа воды, высокая температура потеряна от цикла. Сжатая жидкость накачана назад в котел. Эта концепция цикла мощи была полезна для инженеров развивающих оборудование и разрабатывающих электростанции.

Он был болен в течение многих месяцев до своей смерти, и хотя он оправился достаточно, чтобы принять участие на встрече Британской Ассоциации в Брайтоне, в августе 1872 года, те, кто видели его, не могли не заметить, что он выглядит не старше своего возраста. Другое серьезное нападение болезни сломило его снова в октябре, но он еще раз, казалось, восстановил свое здоровье, и его состояние не возбуждало никакой большой тревоги за несколько дней перед Рождеством, когда он быстро терял способность говорить и чувствительность правой стороны тела. Но он так и не окреп, и его смерть произошла на Сочельник 24 декабря 1872 года.

Список использованной литературы:

1. The Hutchinson Dictionary of Scientific Biography© Helicon Publishing Ltd. 1999;
2. Naval Science Vol. II (1873), pp 259-260
3. Розенбергер Ф., История физики, пер. с нем., ч.3, в.2, М.-Л., 1936

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «СТРОИТЕЛЬСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ДОРОГ»

«Уильям Джон Макуорн Ранкин»

Головко И.Н.

Минск 2003