John Scott Russell

John Scott Russell FRSE FRS FRSA (9 de mayo de 1808, Parkhead, Glasgow – 8 de junio de 1882, Ventnor, Isla de Wight) fue un ingeniero civil, arquitecto naval y constructor naval escocés que construyó Great Eastern en colaboración con Isambard Kingdom Brunel. Descubrió la onda de traslación que dio origen al estudio moderno de los solitones y desarrolló el sistema de líneas de onda para la construcción de barcos.

Russell fue un promotor de la Gran Exposición de 1851.

Vida temprana

John Russell nació el 9 de mayo de 1808 en Parkhead, Glasgow, hijo del reverendo David Russell y Agnes Clark Scott. Pasó un año en la Universidad de St. Andrews antes de trasladarse a la Universidad de Glasgow. Fue mientras estaba en la Universidad de Glasgow cuando añadió el apellido de soltera de su madre, Scott, al suyo, para convertirse en John Scott Russell. Se graduó en la Universidad de Glasgow en 1825 a la edad de 17 años y se mudó a Edimburgo, donde enseñó matemáticas y ciencias en la Universidad de Leith Mechanics. Instituto, logrando la mayor asistencia de la ciudad.

A la muerte de Sir John Leslie, profesor de Filosofía Natural en la Universidad de Edimburgo en 1832, Scott Russell, aunque sólo tenía 24 años, fue elegido para cubrir temporalmente la vacante en espera de la elección de un profesor permanente, debido a su dominio de las ciencias naturales y popularidad como conferenciante. Pero aunque se le animó a postularse para el puesto permanente, se negó a competir con otro candidato que admiraba y posteriormente concentró la profesión de ingeniero y la investigación experimental a gran escala.

Vida familiar

Se casó con Harriette Osborne, hija del baronet irlandés Sir Daniel Toler Osborne y Harriette Trench, hija del conde de Clancarty en Dublín en 1839; tuvieron dos hijos (Norman sobrevivió) y tres hijas, Louise (1841–1878), Rachel (1845–1882) y Alice. En Londres vivieron durante cinco años en una casa proporcionada por el secretario de la Sociedad de las Artes y luego se mudaron a Sydenham Hill, que se convirtió en un centro de atención, especialmente después de que Russell y sus amigos trasladaron el invernadero de Paxton para la Gran Exposición a el Palacio de Cristal cerca.

Arthur Sullivan y su amigo Frederic Clay visitaban frecuentemente la casa de Scott Russell a mediados de la década de 1860; Clay se comprometió con Alice y Sullivan cortejó a Rachel. Si bien Clay provenía de una familia adinerada, Sullivan todavía era un joven compositor pobre de una familia pobre; Los Scott Russell acogieron con satisfacción el compromiso de Alice con Clay, quien, sin embargo, rompió, pero prohibió la relación entre Sullivan y Rachel, aunque los dos continuaron viéndose en secreto. En algún momento de 1868, Sullivan inició una relación simultánea (y secreta) con Louise (1841-1878). Ambas relaciones habían cesado a principios de 1869.

El ingeniero estadounidense Alexander Lyman Holley se hizo amigo de Scott Russell y su familia en sus diversas visitas a Londres en el momento de la construcción del Great Eastern. Holley también visitó la casa de Scott Russell en Sydenham. Como resultado de esto, Holley y su colega Zerah Colburn viajaron en el viaje inaugural del Great Eastern desde Southampton a Nueva York en junio de 1860. El hijo de Scott Russell, Norman, se quedó con Holley en su casa de Brooklyn. Norman también viajó en el viaje inaugural, un viaje que John Scott Russell no realizó.

Su hijo, Norman, siguió a su padre y se convirtió en arquitecto naval, contribuyendo a la Institución de Arquitectos Navales que su padre había fundado.

Vagón de vapor

Mientras estuvo en Edimburgo, experimentó con máquinas de vapor, utilizando una caldera cuadrada para la cual desarrolló un método para sujetar la superficie de la caldera que se volvió universal. Se formó la Scottish Steam Carriage Company produciendo un vagón de vapor con dos cilindros que desarrollaban 12 caballos de fuerza cada uno. En 1834 se construyeron seis, bien equipados y equipados con un alto nivel, que desde marzo de 1834 circulaban entre George Square de Glasgow y el hotel Tontine en Paisley a intervalos de una hora a 24 km/h. Los administradores de la carretera objetaron que desgastaba la carretera y colocaban varias obstrucciones de troncos y piedras en la carretera, lo que en realidad causaba más molestias a los carruajes tirados por caballos. Pero en julio de 1834 uno de los vagones volcó y la caldera se hizo añicos, provocando la muerte de varios pasajeros. Dos de los autocares fueron enviados a Londres, donde recorrieron durante un breve período entre Londres y Greenwich.

La ola de traducción

En 1834, mientras realizaba experimentos para determinar el diseño más eficiente para los barcos del canal, descubrió un fenómeno que describió como la ola de traslación. En dinámica de fluidos, la onda ahora se llama onda solitaria de Russell. El descubrimiento se describe aquí en sus propias palabras:

Estaba observando el movimiento de un barco que fue rápidamente dibujado a lo largo de un canal estrecho por un par de caballos, cuando el barco de repente se detuvo - no así la masa de agua en el canal que había puesto en movimiento; se acumula alrededor de la proa del buque en un estado de agitación violenta, luego de repente dejarla atrás, rodó hacia adelante con gran velocidad, asumiendo la forma de una gran elevación solitaria, un canal redondeado, lento y bien definido su velocidad de agua Lo seguí a caballo, y lo superé todavía rodando a una velocidad de unos ocho o nueve millas por hora [14 km/h], preservando su figura original unos treinta pies [9 m] de largo y un pie a un pie y medio [30−45 cm] de altura. Su altura disminuyó gradualmente, y después de una o dos millas [2–3 km] la perdí en los vientos del canal. Tal, en el mes de agosto de 1834, fue mi primera entrevista casual con ese fenómeno singular y hermoso que he llamado la Ola de Traducción.

El fenómeno de las ondas solitarias ya había sido informado anteriormente en 1826 por Giorgio Bidone en Turín, pero el trabajo de Bidone parece haber pasado desapercibido para los investigadores de los Países Bajos y Gran Bretaña, a pesar de haber sido mencionado en el Edinburgh Journal of Science en el mismo año.

Scott Russell dedicó algún tiempo a realizar investigaciones prácticas y teóricas de estas ondas. Construyó tanques de olas en su casa y notó algunas propiedades clave:

• Las ondas son estables, y pueden viajar a distancias muy grandes (las ondas normales tienden a aplanarse, o a empinarse y superar)
• La velocidad depende del tamaño de la ola, y su anchura de la profundidad del agua.
• A diferencia de las ondas normales nunca se fusionarán, por lo que una onda pequeña es superada por una grande, en lugar de las dos que combinan.
• Si una ola es demasiado grande para la profundidad del agua, se divide en dos, uno grande y uno pequeño.

El trabajo experimental de Scott Russell parecía contrastar con las teorías de la hidrodinámica de Isaac Newton y Daniel Bernoulli. George Biddell Airy y George Gabriel Stokes tuvieron dificultades para aceptar las observaciones experimentales de Scott Russell porque las observaciones de Scott Russell no podían explicarse mediante las teorías existentes sobre las ondas de agua. Henry Bazin informó sobre observaciones adicionales en 1862 después de experimentos realizados en el canal de Borgoña en Francia. En 1863, Bazin escribió un artículo de investigación titulado Recherches hidrauliques entreprises par M.H. Darcy (inglés: Investigaciones hidráulicas realizadas por M.H. Darcy) que presentó el trabajo de Scott Russell.

Una traducción holandesa de la obra de Bazin titulada Verslag aan de Fransche academie van wetenschappen over het gedeelte der verhandeling van Bazin, betrekkelijk de opstuwingen en de voortbeweging der golven (inglés: Informe a la Academia Francesa de Ciencias sobre la parte del tratado de Bazin relativa a las oleadas y la propagación de ondas) apareció en las actas del Koninklijk Instituut van Ingenieurs (inglés: Royal Institute of Engineers) en 1869. En el artículo original francés y en la obra traducida, la velocidad de una onda solitaria se da como:

${displaystyle c={sqrt {g(h+z)}}$

La fórmula se denomina "la ley de Scott Russell" dentro del texto. Sus contemporáneos dedicaron algún tiempo a intentar ampliar la teoría, pero hubo que esperar hasta la década de 1870 antes de que se proporcionara una explicación.

Lord Rayleigh publicó un artículo en Philosophical Magazine en 1876 para respaldar la observación experimental de John Scott Russell con su teoría matemática. En su artículo de 1876, Lord Rayleigh mencionó el nombre de Scott Russell y también admitió que el primer tratamiento teórico fue realizado por Joseph Valentin Boussinesq en 1871; Boussinesq había mencionado el nombre de Scott Russell en su artículo de 1871. Así, las observaciones de Scott Russell sobre ondas solitarias fueron aceptadas como ciertas por algunos científicos destacados durante su propia vida.

Korteweg y de Vries no mencionaron el nombre de John Scott Russell en absoluto en su artículo de 1895, pero sí citaron el artículo de Boussinesq en 1871 y el artículo de Lord Rayleigh en 1876. Aunque el artículo por Korteweg y de Vries en 1895 no fue el primer tratamiento teórico de este tema, sino un hito muy importante en la historia del desarrollo de la teoría del solitón.

No fue hasta la década de 1960 y la llegada de las computadoras modernas que comenzó a comprenderse la importancia del descubrimiento de Scott Russell en física, electrónica, biología y especialmente en fibra óptica, lo que condujo a la moderna teoría general de los solitones.

Tenga en cuenta que los solitones, por definición, no modifican su forma ni su velocidad por una colisión con otros solitones. Por lo tanto, las ondas solitarias en una superficie de agua no son solitones: después de la interacción de dos ondas solitarias (que chocan o se adelantan), su amplitud ha cambiado ligeramente y queda un residuo oscilatorio.

Sistema de líneas onduladas

Una vez que Russell tuvo una forma de observar barcos a velocidades hasta ahora sin precedentes al frente de su ola de traslación, abordó la cuestión más fundamental para el diseño de barcos: encontrar la forma del casco que ofreciera la menor resistencia. Razonó que esto tenía que ver con mover la masa de agua de manera eficiente fuera del camino del casco y luego regresarla para llenar el espacio después de que haya pasado. Mediante cuidadosas mediciones con dinamómetros validó su teoría de que una onda sinusoidal modificada produce la forma ideal.

Al principio pensó que la popa podría ser un espejo de la proa, pero pronto se dio cuenta de que el movimiento del agua producía algo más parecido a las olas convencionales que sus olas solitarias y acabó con una popa redondeada con forma de catenaria.

Sus estudios produjeron una revolución en el diseño de cascos para buques mercantes y de la marina. La mayoría de los barcos de la época tenían proas redondeadas para optimizar la capacidad de transporte de carga, pero a partir de la década de 1840, los "barcos clipper extremos" comenzaron a mostrar arcos cóncavos al igual que cada vez más los barcos de vapor que culminaban con el Great Eastern. Después de que el comandante Fishbourne expusiera sus puntos de vista, el arquitecto naval estadounidense John W. Griffiths reconoció la fuerza del trabajo de Russell en su Tratado sobre arquitectura marina y naval de 1850, aunque se mostró reacio a reconocerlo. una deuda con Russell.

Efecto Doppler

Scott Russell realizó una de las primeras observaciones experimentales del efecto Doppler que publicó en 1848. Christian Doppler publicó su teoría en 1842.

Asociación profesional

Gran parte del trabajo experimental inicial de Russell se llevó a cabo bajo los auspicios de la Asociación Británica y a lo largo de su vida contribuyó a las asociaciones científicas y profesionales que estaban adquiriendo más importancia en esa época.

En 1844, el boom ferroviario estaba en su apogeo. Russell había contribuido con un artículo sobre la máquina de vapor y la navegación a vapor para la séptima edición de la Encyclopædia Britannica en 1841, que también apareció en forma de libro. Charles Wentworth Dilke le ofreció el puesto editorial de un nuevo semanario, el Railway Chronicle en Londres y la familia Russell pronto se instaló en un pequeño apartamento de dos habitaciones en Westminster. Al año siguiente también se convirtió en secretario del comité creado por la Royal Society of Arts para organizar una exposición nacional, lo que les proporcionó una casa en Strand. Russell pronto presentó a Henry Cole al comité y cuando, unas semanas antes de la primera exposición en 1847, no había expositores, Russell y Cole pasaron tres días enteros viajando por Londres para reclutar fabricantes y comerciantes. Esta y dos exposiciones posteriores tuvieron tal éxito que se planeó una versión internacional para 1851. Para entonces, Russell había comenzado una vez más a construir barcos, habiendo terminado el auge ferroviario, y aunque se convirtió en el secretario designado de la RSA para la Gran Exposición. En ese momento, Henry Cole estaba tomando la delantera y terminó con solo una medalla de oro como recompensa por su gran trabajo.

Russell se convirtió en miembro de la Institución de Ingenieros Civiles en 1847, asistió regularmente y hizo contribuciones frecuentes, fue elegido miembro de su consejo en 1857 y se convirtió en vicepresidente en 1862. Sin embargo, se vio involucrado en una disputa financiera con Sir William Armstrong. y no llegó a ser presidente. Pero "como orador, y particularmente como orador de sobremesa, tenía pocos iguales". Fue elegido miembro de la Royal Society en 1849, aunque contribuyó menos.

En 1860, en una reunión celebrada en su casa de Sydenham, se creó la Institución de Arquitectos Navales, con Russell como uno de los vicepresidentes profesionales. Asistió a la mayoría de las reuniones y rara vez dejó de hacer comentarios. En 1864 publicó un enorme tratado de tres volúmenes sobre El sistema moderno de arquitectura naval que presentaba los perfiles de muchos de los nuevos barcos que se estaban construyendo.

Su obituario decía de la arquitectura naval:

"se puede decir que al comenzar su carrera lo encontró el más empírico de las artes, y lo dejó uno de los más exactos de las ciencias de ingeniería. A este gran resultado muchos otros contribuyeron en gran medida aparte de sí mismo; pero sus investigaciones personales, y las teorías que él deducía de ellos, dieron el primer impulso a la arquitectura naval científica".

Construcción naval

Alrededor de 1838, Scott Russell trabajó en el pequeño astillero de Thomson y Spires en Greenock, donde introdujo su sistema de líneas onduladas en una serie de barcos de Royal Mail, junto con muchas otras innovaciones. Después de que Caird se hiciera cargo del astillero, decidió mudarse a Londres y en 1848 compró la empresa de construcción naval Millwall Iron Works. Construyó dos barcos para Brunel para la ruta por Australia, muy del mismo tamaño que los SS Great Britain de Brunel, el Adelaide y el Victoria. Los problemas con el reabastecimiento de combustible y el agua llevaron a Brunel a pensar en barcos más grandes para este viaje, pero se construyeron cinco más de la misma clase.

Antes de comenzar cualquier negocio juntos, Isambard Kingdom Brunel lo tenía en alta estima, quien lo nombró socio en su proyecto para construir Great Eastern. Aunque la concepción original, la construcción celular y el uso conjunto de paleta y hélice fueron ideas de Brunel, "el barco encarna la forma de la línea de onda, el sistema longitudinal de construcción, los mamparos completos y parciales, y otros detalles de construcción que eran peculiarmente de Scott Russell. El proyecto estuvo plagado de una serie de problemas: Scott Russell hizo una oferta que era demasiado baja y el resultado fue que se arruinó a mitad de camino, aunque se recuperó para terminar el trabajo; pero fue Brunel quien insistió en un lanzamiento lateral en lugar del dique seco que prefería Russell. Great Eastern finalmente se lanzó en 1858. Scott Russell era mejor científico que hombre de negocios y su reputación nunca se recuperó por completo de sus irregularidades financieras, grave negligencia en el deber y disputas. Como escribe L. T. C. Rolt en su biografía de Brunel, "que Russell había engañado a Brunel y traicionado su confianza se estaba volviendo más lamentablemente evidente con cada día que pasaba".

Durante la década de 1850, defendió dentro de la Armada la construcción de buques de guerra de hierro y algunos dicen que el primer diseño, el HMS Warrior, era un "barco Russell". Posteriormente se quejó del secretismo que impedía un debate abierto sobre los temas, criticando a quienes dentro de la Armada argumentaban que los barcos de hierro no podían protegerse.

En una época en la que todos los ferries de tren anteriores eran buques fluviales, Scott Russell diseñó en 1868 un ferry de tren para el servicio en el lago de Constanza, el Bodensee Trajekt, que entró en servicio en 1869. Este era el mundo& #39;el primer ferry de tren que cruza el lago. El Bodensee Trajekt tuvo que cumplir con el inusual requisito de que su calado no excediera los seis pies (1,85 m). Lo logró utilizando la superestructura para soportar las tensiones del tren. (No fue hasta 1892 que entró en servicio el primer ferry que cruzó el lago Michigan, el Ann Arbor No. 1, diseñado por Frank E. Kirby). Scott Russell utilizó el diseño del < i>Bodensee Trajekt como base para un ferry que cruzara el canal y pudiera gestionar el puerto poco profundo de Dover, pero esto no se realizó hasta 1933.

La Rotonda de Viena

Aunque su diseño para la Gran Exposición fue superado por el de Joseph Paxton, Scott Russell sí diseñó la Rotonda para la Exposición de Viena de 1873. Con 108 metros (354 pies) de diámetro, fue durante casi un siglo la cúpula más grande del mundo y no tenía ataduras que obstruyeran la vista. Algunos lo consideran su mayor logro en ingeniería estructural.

Honores y premios

En 1838 la Real Sociedad de Edimburgo le concedió la Medalla Keith de oro por su artículo "Sobre las leyes mediante las cuales el agua se opone a la resistencia al movimiento de los cuerpos flotantes". Fue elegido miembro de la Royal Society en junio de 1849 por sus Memorias sobre "La gran ola solitaria de la Primera Orden, o la ola de traducción" publicado en Transactions of the Royal Society of Edinburgh, y de varias Memorias en Reports of the British Association.

En 1995, el acueducto que lleva el Union Canal (el mismo canal donde observó su Ola de Traslación) sobre la circunvalación de Edimburgo (A720) recibió el nombre de Acueducto Scott Russell en su memoria. También en 1995, el efecto solitón hidrodinámico se reprodujo cerca del lugar donde John Scott Russell observó solitones hidrodinámicos en 1834.

Un edificio en la Universidad Heriot-Watt lleva su nombre.

En 2019 fue incluido en el Salón de la Fama de la Ingeniería de Escocia.

Publicaciones

Su artículo de 1844 se ha convertido en un artículo clásico y se cita con bastante frecuencia en artículos o libros relacionados con solitones incluso después de más de ciento cincuenta años.

• Russell, J. Scott (1845). "Informe sobre las olas". Informe de la 14a reunión de la Asociación Británica para el Adelanto de la Ciencia, York, septiembre de 1844 (PDF). Londres: John Murray. 311–390, Plates XLVII–LVII.
• Russell, J. Scott (1864). El Sistema Moderno de Arquitectura Naval. Londres: Day and Son. OCLC 80429969.
• Russell, J. Scott (1885). La ola de traducción en los océanos del agua, el aire y el éter. Londres: Trübner & Co. OCLC 39005948.