Guillermo Ranking

William John Macquorn Rankine FRSE FRS (5 de julio de 1820 – 24 de diciembre de 1872) fue un ingeniero mecánico escocés que también contribuyó a la ingeniería civil, la física y las matemáticas. Fue colaborador fundador, con Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin), de la ciencia de la termodinámica, centrándose particularmente en su Primera Ley. Desarrolló la escala de Rankine, un equivalente a la escala de temperatura Kelvin, pero en grados Fahrenheit en lugar de 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 de ciencia e ingeniería, desde 1840 en adelante, y sus intereses eran extremadamente variados, incluyendo, en su juventud, la botánica, la teoría musical y la teoría de números, y, en su madurez, la mayoría de las principales ramas de la ciencia., matemáticas e ingeniería.

Era un entusiasta cantante aficionado, pianista y violonchelista que compuso sus propias canciones humorísticas.

Vida

Rankine nació en Edimburgo y es 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 Innocent). Su madre era Barbara Grahame, de una destacada familia de abogados y banqueros.

Su padre se mudó por Escocia en varios proyectos y la familia se mudó con él. William se educó inicialmente en casa, pero luego 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 obtuvo un puesto como Gerente del Ferrocarril de Edimburgo a Dalkeith. La familia entonces vivía en 2 Arniston Place.

En 1834 fue enviado a la Academia Naval y Militar Escocesa en Lothian Road en Edimburgo con el matemático George Lee. Para ese año, William ya era muy competente en matemáticas y recibió, como regalo de su tío, los Principia (1687) de Isaac Newton en el latín original.

En 1836, Rankine comenzó a estudiar una variedad de temas científicos en la Universidad de Edimburgo, incluida la historia natural con Robert Jameson y la 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, ayudaba a su padre, quien, desde 1830, fue gerente y, más tarde, efectivo tesorero e ingeniero del Ferrocarril de Edimburgo y Dalkeith, que traía carbón a la ciudad en crecimiento. Dejó la Universidad de Edimburgo en 1838 sin un título (lo que no era inusual en ese momento) y, quizás debido a las dificultades económicas de la familia, se convirtió en aprendiz de Sir John Benjamin Macneill, quien en ese momento era topógrafo de la Comisión de Ferrocarriles Irlandeses. Durante su aprendizaje, desarrolló una técnica, más tarde conocida como el método de Rankine, para trazar curvas de ferrocarril, 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 fue utilizada simultáneamente por otros ingenieros, y en la década de 1860 hubo una disputa menor sobre la prioridad de Rankine.

El año 1842 también marcó el primer intento de Rankine de reducir el fenómeno del calor a una forma matemática, pero se vio frustrado por la falta de datos experimentales. En el momento 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 radiantes 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 of Edinburgh, siendo su proponente el profesor James David Forbes. Ganó el Premio Keith de la Sociedad para el período 1851–53. Se desempeñó como vicepresidente de la Sociedad de 1871 a 1872.

Desde 1855 fue profesor de Ingeniería Civil y Mecánica en la Universidad de Glasgow.

Murió en 8 Albion Crescent (ahora llamado Dowanside Road), Dowanhill, Glasgow a las 11:45 p. m. en la víspera de Navidad, 24 de diciembre de 1872, con solo 52 años. No estaba casado y no tenía hijos. Su muerte fue registrada por su tío, Alex Grahame (cuñado de su difunta madre).

Termodinámica

Impertérrito, Rankine volvió a su fascinación juvenil por la mecánica del motor térmico. Aunque su teoría de corrientes circulantes de vórtices elásticos cuyos volúmenes se adaptaron espontáneamente a su entorno suena fantasiosa para los científicos formados en un relato moderno, en 1849 había logrado encontrar la relación entre la presión de vapor saturado y la temperatura. Al 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.

Envalentonado por su éxito, en 1851 se dispuso a calcular la eficiencia de los motores térmicos y usó su teoría como base para deducir el principio de que la máxima eficiencia posible para cualquier motor térmico es función únicamente de las dos temperaturas entre 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 vórtices moleculares, más que en la teoría de Carnot o alguna otra suposición adicional. El trabajo marcó el primer paso en el viaje de Rankine para desarrollar una teoría del calor más completa. En 1853, acuñó el término energía potencial.

Más tarde, Rankine reformuló los resultados de sus teorías moleculares en términos de una explicación macroscópica de la energía y sus transformaciones. Definió y distinguió entre energía real que se perdía en procesos dinámicos y energía potencial por la que se reemplazaba. Asumió que la suma de las dos energías era constante, una idea ya conocida, aunque seguramente no por mucho tiempo, 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 energía que explicaba la dinámica en términos de energía y sus transformaciones en lugar de fuerza y movimiento. Este artículo presenta la primera definición publicada de energía en términos de capacidad para realizar trabajo, que rápidamente se convirtió en la definición general estándar de energía. La teoría fue muy influyente en la década de 1890. En 1859 propuso la escala de temperatura de Rankine, una escala absoluta o termodinámica cuyo grado es igual a un grado Fahrenheit. En 1862, Rankine amplió la teoría de la muerte térmica universal de Lord Kelvin y, junto con el propio Kelvin, formuló la paradoja de la muerte térmica, que refuta la posibilidad de un universo infinitamente antiguo.

La energía ofreció a Rankine un enfoque alternativo, y bastante 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 efectivamente una extensión de su modelo. Y, en 1864, afirmó que las teorías microscópicas del calor propuestas por Clausius y James Clerk Maxwell, basadas en el movimiento atómico lineal, eran inadecuadas. Fue solo en 1869 que Rankine admitió el éxito de estas teorías rivales. En ese momento, 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 ecuación Rankine-Hugoniot para la propagación de ondas de choque, gobierna el comportamiento de ondas de choque normal a la corriente que viene. Es nombrado por los físicos Rankine y el ingeniero francés Pierre Henri Hugoniot;
• El ciclo Rankine, un análisis de un motor térmico ideal con un condensor. Al igual que otros ciclos termodinámicos, la máxima eficiencia del ciclo Rankine se da calculando la máxima eficiencia del ciclo de Carnot;
• Propiedades de vapor, gases y vapores.

La historia de la rotordinámica está repleta de interacción entre la teoría y la 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.

Estudios de fatiga

Dibujo de un fallo de fatiga en un eje, 1843.

Rankine fue uno de los primeros ingenieros en reconocer que las fallas por fatiga de los ejes ferroviarios eran causadas por el inicio y crecimiento de grietas frágiles. A principios de la década de 1840, examinó muchos ejes rotos, especialmente después del accidente de tren de Versalles de 1842, cuando el eje de una 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 quebradiza de un hombro u otra fuente de concentración de tensión en el eje, como un chavetero. Fue apoyado por un análisis directo similar de ejes fallados por Joseph Glynn, donde los ejes fallaron por el lento crecimiento de una grieta frágil en un proceso ahora conocido como fatiga del metal. Es probable que el eje delantero de una de las locomotoras involucradas en el accidente de tren de Versalles falle de manera similar. Rankine presentó sus conclusiones en un documento entregado a la Institución de Ingenieros Civiles. Sin embargo, su trabajo fue ignorado por muchos ingenieros que persistieron en creer que el estrés podría causar "recristalización" del metal, un mito que ha persistido incluso hasta tiempos recientes. La teoría de la recristalización estaba bastante equivocada e inhibió la investigación valiosa hasta el trabajo de William Fairbairn unos años más tarde, que mostró el efecto debilitador de la flexión repetida en vigas grandes. Sin embargo, 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. Todavía es un problema grave, pero al menos hoy en día se entiende mucho mejor y, por lo tanto, se puede prevenir mediante un diseño cuidadoso.

Otro trabajo

Rankine en los años 1870

Rankine se desempeñó como profesor regius de ingeniería civil y mecánica en la Universidad de Glasgow desde noviembre de 1855 hasta su muerte en diciembre de 1872, y se dedicó a la investigación de ingeniería en varias líneas de ingeniería civil y mecánica.

Rankine jugó un papel decisivo en la formación del precursor del Cuerpo de Entrenamiento de Oficiales de la Universidad de Glasgow, el 2.° 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 convirtiera en la primera compañía del 2.° Batallón, 1.° Cuerpo de Voluntarios de Fusileros de Lanarkshire; sirvió hasta 1864, cuando renunció debido a la presión del trabajo, en gran parte asociado con la Arquitectura Naval.

Ingeniería civil

Las Conferencias Rankine, organizadas por la Asociación Geotécnica Británica, reciben su nombre en reconocimiento a las importantes contribuciones que Rankine hizo para:

• Fuerzas en estructuras de marco;
• Mecánica del suelo; sobre todo en la teoría de la presión de la tierra lateral y la estabilización de muros de retención. El método Rankine de análisis de presión de la tierra es nombrado por él.

Arquitectura naval

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 de la Institución de Ingenieros &Amp; Shipbuilders en 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.

Premios y distinciones

• Fellow of the Royal Scottish Society of Arts
• Asociado de la Institución de Ingenieros Civiles, 1843 (nunca fue miembro completo)
• Fellow of the Royal Society of Edinburgh, 1850
• Fellow of the Royal Society of London, 1853
• Keith Medalla de la Sociedad Real de Edimburgo, 1854
• Funding President of the Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland, 1857
• LL.D. de Trinity College, Dublín, 1857
• Extranjero de la Real Academia Sueca de Ciencias, 1868
• La escala absoluta de Rankine Fahrenheit es nombrada en su honor.
• Rankine, un pequeño cráter de impacto cerca de la extremidad oriental de la Luna, también es nombrado en su honor.
• En 2013 fue uno de los cuatro inductores del Salón Escocés de la Fama.

Publicaciones

Libros

• Manual de Mecánica Aplicada (1858)
• Manual del motor de vapor y otros primeros movimientos (1859)
• Manual de Ingeniería Civil (1861)
• Construcción naval, teórica y práctica (1866)
• Manual de Maquinaria y Millwork (1869)
• 

  1859 copia de Un manual del motor de vapor y otros primeros movimientos

• 

  Título página a Un manual del motor de vapor y otros primeros movimientos (1859)

• 

  Cuadro de contenidos Un manual del motor de vapor y otros primeros movimientos (1859)

• 

  Introducción a Un manual del motor de vapor y otros primeros movimientos (1859)

Documentos

• Sobre la acción mecánica del calor, especialmente en Gases y Vapours (1850), leído en la Royal Society of Edimburgo, 4 de febrero de 1850
• Sobre la Ley General de Transformación de la Energía (1853), leído en la Sociedad Filosófica de Glasgow
• Sobre la Teoría Termodinámica de las Olas de la Disturión Longitudinal Finita (1869)
• Destacados de la Ciencia de la Energética (1855), leídos en la Sociedad Filosófica de Glasgow

• Este trabajo influyó en el físico francés Pierre Duhem Traité de l'énergétique (1911) en la que consideraba la termodinámica, no la mecánica clásica, como la teoría más fundamental.

Acerca de Rankine

• Rankine, William John MacQuorn (1881). Varios Documentos Científicos. Londres: Charles Griffin y Compañía.