William John Macquorn Rankine (5. Juli 1820, Edinburgh – 24. Dezember 1872, Glasgow) war ein schottischer Bauingenieur, Physiker und Mathematiker.
Er war zusammen mit Rudolf Clausius und William Thomson (Lord Kelvin) Begründer der Wissenschaft der Thermodynamik. Schwerpunkt seiner Arbeit war besonders 1. Hauptsatz der Thermodynamik.
Rankine entwickelte eine vollständige Theorie der Dampfmaschine und von allen anderen Wärmekraftmaschinen. Seine Handbücher der Ingenieurwissenschaften und Praxis wurden für viele Jahrzehnte nach ihrer Veröffentlichung in den 1850er und 1860er Jahren verwendet. Er veröffentlichte ab 1840 mehrere hundert Papiere und Notizen über Wissenschaft und Engineering-Themen.
Seine Interessen waren sehr vielfältig. In seiner Jugend interessierte er sich für Musiktheorie, Botanik und Zahlentheorie. In späteren Jahren für die meisten großen Gebiete der Wissenschaft, Mathematik und Technik. Er war ein begeisterter Amateur-Sänger, Pianist und Cellist, der seine eigene humorvolle Lieder komponiert.
Inhalt
Frühes Leben
William John Macquorn Rankine wurde in Edinburgh geboren. Sein Vater war David Rankine, sein Mutter Barbara Grahame. Er wuchs in einer prominenten Richter- und Bankiersfamilie auf. Rankine wurde zunächst zu Hause unterrichtet, aber er besuchte später die Ayr Academy und später die High School of Glasgow.
1830 zog die Familie nach Edinburgh um. Im Jahre 1834 studierte er an einer Militärakademie zusammen mit dem Mathematiker George Lees.
Zu dieser Zeit war er bereits sehr in Mathematik bewandert. Er erhielt als Geschenk von seinem Onkel Newtons “Principia“ (1687) in die ursprünglichen lateinischen Ausgabe.
Im Jahre 1836 begann Rankine verschiedene wissenschaftliche Themen an der Universität von Edinburgh, einschließlich der Naturgeschichte unter Robert Jameson und Naturphilosophie unter James David Forbes zu studieren. Unter Forbes erhielt er Preise für Arbeiten über die Wellentheorie des Lichts.
Während der Ferien hal er seinem Vater. Dieser war Manager und später Schatzmeister und Ingenieur der Edinburgh und Dalkeith Railway.
Er verließ die Universität von Edinburgh im Jahr 1838 ohne Abschluss, was damals nicht ungewöhnlich war und wurde Lehrling bei Sir John Benjamin Macneill, die zu dieser Zeit Vermesser der irischen Eisenbahnkommission war.
Während seiner Ausbildung entwickelte er eine Technik zur Verlegung von Eisenbahnschienen in Kurzven.
Im Jahre 1842 machte Rankine den ersten Versuch, das Phänomen der Wärme in mathematischen Formeln zu fassen. Er war dabei über den Mangel an Daten aus Experimenten frustriert.
Als Königin Victoria zu Besuch in Schottland war, organisierte er auf Arthurs Seat, dem 251 m hohen Hausberg von Edinburgh, ein großes Feuerwerk.
Thermodynamik
Rankines Interesse wendete sich wieder den Wärmekraftmaschinen zu. Er entwickelte eine Theorie von zirkulierenden Strömen elastischer Wirbel, deren Volumen sich spontan an ihre Umgebung anpasst.
Im Jahre 1849 fand er eine Beziehung zwischen Sättigungsdampfdruck und Temperatur. Im folgenden Jahr verwendet er seine Theorie, um Beziehungen zwischen der Temperatur, dem Druck und der Dichte des Gases und der Verdunstungswärme einer Flüssigkeit zu schaffen.
Er sagte vorher, dass die scheinbare spezifische Wärme des gesättigten Dampfes negativ wäre.
Ermutigt von seinem Erfolg, machte er sich daran, die Effizienz der Verbrennungsmotoren zu berechnen. Er ging davon aus, dass der maximale Wirkungsgrad nur eine Funktion der höchsten und der niedrigsten Temperatur ist, die im Prozess auftreten. Er machte damit den ersten Schritt zu einer vollständigen Theorie der Thermodynamik.
Rankine fasste später die Ergebnisse seiner molekularen Theorien im Sinne einer makroskopischen Berücksichtigung von Energie und seine Transformationen neu.
Ab 1854 entwickelte er seine “thermodynamischen Funktion“ weiter. Später erkannte er, dass sie identisch mit der Entropie Clausius war.
Im Jahre 1859 schlug Rankine eine Temperaturskala vor, die wie die Kelvin-Skala ebenfalls beim absoluten Nullpunkt begann. Im Unterschied zur Kelvin-Skala entsprach die Teilung nicht der Celsius-Skala sondern der Fahrenheit-Skala.
Rankine war an der Entwicklung von einer Reihe von Theorien beteiligt.
- Rankine-Hugoniot-Gleichung beschreibt das Verhalten von Schockwellen senkrecht zur Anströmrichtung. Rankine entwickelte zusammen mit dem französischen Ingenieur Pierre Henri Hugoniot.
- Der Clausius-Rankine-Kreisprozess beschreibt eine Wäremkraftmaschine mit einem Kondensator.
- Theorie über die Eigenschaften von Dämpfen und Gasen
Seine Rotordynamik entstand im Zusammenspiel von theoretischen Überlegungen und Experimenten.
Rankine stellte seine Theorie der rotierenden Welle im Jahre 1869 vor. Sein Modell war aber nicht ausreichend. Es sagte voraus, dass eine Welle keine überkritische Geschwindigkeit erreichen kann.
Untersuchungen zur Ermüdung
Rankine erkannte als einer der ersten Ingenieure, dass Risswachstum zu Ermüdungsbrüchen führt. In den 1840er Jahren untersuchte er viele gebrochene Achsen, vor allem nach dem Versailler Zugunglück von 1842. Dabei brach eine Achse der Lok. Das Unglück führte zum Tod von mehr als 50 Menschen. Er zeigte, dass die Achsen durch progressives Risswachstum von einer Kerbe aus versagten.
Seine Erkenntnisse wurden durch ähnliche Anaslysen von Joseph Glynn unterstützt. Es ist wahrscheinlich, dass eine Vorderachse der Lokomotive durch Materialermüdung zerstört wurde.
Rankine präsentierte seine Schlussfolgerungen in einem Papier dem Institution of Civil Engineers. Seine Arbeit wurde jedoch von vielen Ingenieuren ignoriert. Es herrschte damals der Glaube vor, dass die Spannungen durch Rekristallisation abgebaut werden könnten. Das stellte sich später als Irrtum heraus. William Fairbairn zeigte ein paar Jahre später die schwächende Wirkung von wiederholter Biegung von großen Balken. Dennoch blieb die Ermüdung ein schlecht verstandenes Phänomen, das noch zu vielen Unfällen bei der Eisenbahn und in anderen Bereichen führte.
Weitere Arbeiten
Rankine war von 1855 bis zu seinem Tod als Professor für Bauingenieurwesen und Mechanik an der Universität von Glasgow tätig. Er forschte an der Grenze zwischen Maschinenbau und Bauingenieurwesen.
Er entwickelte Formeln zur Berechnung der Kräfte in Rahmenstrukturen. Er beschäftigte sich mit der Bodenmechanik und entwickelte Theorien des seitlichen Erddrucks und der Stabilisierung von Stützmauern.
Rankine arbeitete eng mit James Robert Napier zusammen, um den Schiffbau zu einer Ingenieurwissenschaft weiter zu entwickeln.
Er war Gründungsmitglied und erster Präsident der IESIS (Institution of Engineers & Shipbuilders in Scotland).
Er war ein Mitglied der “Royal Institution of Naval Architects” und nahm an vielen der jährlichen Treffen teil.
