William John Macquorn Rankine

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William John Macquorn Rankine
Rankine William signature.jpg
Nacimiento 5 de julio de 1820
Edimburgo, Escocia
Fallecimiento 24 de diciembre de 1872
Glasgow, Escocia
Nacionalidad escocesa
Campo Física, Ingeniería
Instituciones Universidad de Glasgow
Alma máter Universidad de Edimburgo
Conocido por Termodinámica; Fatiga de materiales
Sociedades Royal Society
Royal Society of Edinburgh

William John Macquorn Rankine (5 de julio de 1820 - 24 de diciembre de 1872) fue un ingeniero y físico escocés. Junto con Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin), fue uno de los pioneros de la termodinámica, enfocándose particularmente en la primera de las tres leyes de ea rama de la Física.

Rankine desarrolló una teoría completa del motor de vapor y, más generalmente, de todos los motores térmicos. Sus manuales de ciencia y práctica de la ingeniería fueron usados por muchas décadas después de su publicación en las décadas de 1850 y 1860. Publicó centenares de artículos y notas sobre cuestiones de ciencia e ingeniería desde 1840 en adelante, y sus intereses fueron notablemente variados incluyendo, en su juventud, la botánica, la teoría musical y la teoría de números y, en su madurez, la mayoría de las ramas principales de la ciencia, la matemática y la ingeniería. Fue un entusiasta cantor, pianista y violoncelista aficionado que componía sus propias canciones humorísticas. Nunca contrajo matrimonio.

Infancia y juventud[editar]

William John Macquorn Rankine nació el día 5 de julio de 1820 en una familia de Edimburgo. Sus padres fueron David Rankine, teniente del Ejército Británico, y Barbara Grahame, de una prominente familia de abogados y banqueros. Debido a su mala salud fue educado en su hogar, pero más tarde asistió a la Academia Ayr (1828-9) y, por un tiempo muy breve, a la Escuela Superior de Glasgow (1830). Alrededor de 1830 la familia se mudó a Edimburgo, donde en 1834 empezó a estudiar en la Academia Naval con el matemático George Lees. Para entonces ya era muy competente en matemáticas y recibió, como regalo de su tío los Principia de Newton (1687), en latín original.

Rankine en 1836 comenzó a estudiar un amplio espectro de temas científicos en la Universidad de Edimburgo, incluyendo Historia Natural con Robert Jameson, y Filosofía Natural con el físico James David Forbes. Estudiando con Forbes, fue galardonado con premios por los ensayos sobre métodos de investigación física y en la teoría ondulatoria de la luz. Durante las vacaciones, asistía a su padre quien, a partir de 1830, fue gerente y luego tesorero e ingeniero del Ferrocarril Edimburgo y Dalkeith, que llevaba carbón a la creciente ciudad. Salió de la Universidad de Edimburgo en 1838 sin graduarse (hecho que entonces no era inusual) y, tal vez por la estrechez de las finanzas familiares, marchó a Irlanda donde se convirtió en aprendiz de Sir John Benjamin MacNeill, un renombrado ingeniero civil quien era en ese momento inspector de la Comisión de Ferrocarriles de Irlanda, con quien trabajó hasta 1842. Durante su aprendizaje desarrolló una técnica, más tarde conocida como el método de Rankine, para trazar las curvas del ferrocarril, aprovechando plenamente el teodolito y una mejora sustancial en la precisión y la productividad en los métodos existentes. De hecho, al mismo tiempo la técnica era usada por otros ingenieros, y en la década de 1860 hubo una controversia menor sobre la prioridad inventiva de Rankine.


Termodinámica[editar]

El año 1842 marcó también al primer intento de Rankine de reducir los fenómenos de calor a una fórmula matemática, pero su propósito se vio frustrado por la falta de datos experimentales.

Sin desanimarse, volvió a su fascinación juvenil con la mecánica del motor térmico. Aunque su teoría de circulación de las corrientes de los vórtices elásticos cuyos volúmenes espontáneamente adaptados a su entorno pudiera sonar antojadiza para los científicos formados bajo un concepto moderno, en 1849 logró hallar la relación entre la presión de vapor saturado y la temperatura. Al año siguiente utilizó su teoría para establecer relaciones entre temperatura, presión y densidad de los gases, y expresiones para el calor latente de evaporación de un líquido. Predijo con precisión el sorprendente hecho de que el calor específico aparente del vapor saturado sería negativo.[1]

Alentado por su éxito, se dedicó a calcular la eficiencia de los motores térmicos y utilizó su teoría como base para deducir el principio de que la máxima eficiencia de un motor térmico es solo función de las dos temperaturas entre las que opera. Si bien Rudolf Clausius y Wiliam Thomson, Lord Kelvin, habían deducido ya un resultado similar, Rankine alegó que su resultado se apoyaba únicamente en su hipótesis molecular de vórtices, en lugar de hacerlo sobre la teoría de Carnot o alguna otras hipótesi. El trabajo marcó el primer paso en el camino de Rankine para desarrollar una teoría más completa de calor.

Posteriormente, Rankine reestructuró los resultados de su teorías moleculares en términos de una cuenta macroscópica de la energía y sus transformaciones. Definió y estabeció distinciones entre la energía real que se pierde en los procesos dinámicos y la energía potencial que la reemplaza. Supuso constante la suma de las dos energías, una idea que que aunque reciente ya era familiar en la ley de conservación de la energía. Desde 1854 hizo amplio uso de su función termodinámica, para darse cuenta más tarde que era idéntica a la entropía de Clausius. Para 1855 Rankine había formulado una “ciencia de la energética” que explicaba la dinámica en términos de energía y sus transformaciones en lugar de fuerza y movimiento. 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.

Su teoría energética ofreció a Rankine una paroximación alternativa, y bastante más convencional, a su ciencia; en consecuencia, desde mediados de la década de 1850 hizo bastante menos uso de sus vórtices moleculares. Sin embargo, reivindicó que los trabajos de James Clerk Maxwell sobre electromagnetismo eran efectivamente una extensión de su modelo. En 1864, alegó que las teorías microscópicas de calor propuestas por Clausius y Maxwell sobre la base del movimiento lineal atómico eran inadecuadas; solamente a partir de 1869 Rankine admitió el éxito de estas teorías rivales. Para ese tiempo, su propio modelo atómico se había vuelto casi idéntico al de Thomson.

Como objetivo constante, especialmente como profesor de ingeniería, usó sus propias teorías para desarrollar un conjunto de resultados prácticos y deducir los principios físicos subyacentes, que incluyen:

La historia de la rotodinámica está repleta de interacciones entre la teoría y la práctica. Rankine efectuó por primera vez un análisis de un eje al girar en 1869, poer su modelo no era adecuado y predijo que no podían alcanzarse velocidades supercríticas.

Fatiga de materiales[editar]

Dibujo de una falla por fatiga en un eje, 1843.

Rankine fue uno de los primeros ingenieros en reconocer que las fallas por fatiga en los ejes del material ferroviario eran causados por el inicio y expansión de grietas quebradizas. A comienzos de la década de 1840 examinó muchos ejes rotos, especialmente después de la catástrofe ferroviaria de Versalles de 1842, cuando el eje de una locomotora se fracturó súbitamente y provocó un accidente que causó la muerte a más de cincuenta pasajeros. Mostró que los ejes había fallado por el crecimiento progresivo de una grieta quebradiza desde un hombro, u otra fuente de concentración de tensiones en la pieza. Sus conclusiones fueron apoyadas por análisis directos similares de Joseph Glynn sobre ejes fallados, que mostraban que la falla se había producido por el lento crecimiento de una grieta quebradiza en un proceso que ahora conocemos como “fatiga de metales]”. Es altamente probable que el eje delantero de una de las locomotoras incolucradas en la catástrofe de Versalles haya fallado de modo similar.

Rankine presentó sus conclusiones en un artículo enviado a la Institution of Civil Engineers (Institución de Ingenieros Civiles). Sine embargo, su trabajo fue ignorado por muchos ingenieros que presistieron en creer que la tensión podía causar “recristalización” del metal, un mito que ha sobrevivido aún hasta tiempos recientes. La teoría de la recristalización era errónea, pero impidió investigaciones útiles hasta que los trabajos de William Fairbairn demostaron, unos años después, el efecto debilitador de la flexión repetida de largas vigas.

Otros trabajos[editar]

Se desempeñó como profesor regius de ingeniería civil y mecánica en la Universidad de Glasgow a partir de noviembre de 1855 hasta su muerte en diciembre de 1872, siguiendo la investigación en ingeniería a lo largo de una serie de líneas en dichas disciplinas.

Rankine fue fundamental en la formación del 2º Cuerpo de Fusileros Voluntarios de Lanarkshire en la Universidad de Glasgow en julio de 1859, convirtiéndose en Mayor en 1860 después de formarse en la primera compañía del 2º Batallón del 1º Cuerpo de Fusileros Voluntarios de Lanarkshire, puesto que ocupó hasta 1864, cuando renunció debido a la presión de trabajo relacionado con la arquitectura naval.

Artículos y publicaciones[editar]

  • 1850 - Mechanical Action of Heat.
  • 1853 - On the General Law of Transformation of Energy.
  • 1858 - Manual of Applied Mechanics.
  • 1859 - Manual of the Steam-engine and Other Prime Movers.
  • 1861 - On the Thermodinamic Theory of Waves of Finite Longitudinal Disturbance.
  • 1861 - Manual of Civil Engineering.
  • 1869 - Manual of Machinery and Millwork.

Reconocimientos[editar]

  • En 1853 es nombrado miembro de la Royal Society.
  • En 1854 recibe la medalla de oro de la Royal Society of Edinburgh.
  • En 1857 es nombrado primer presidente del Instituto de Ingenieros de Escocia.
  • Un cráter de la Luna lleva su nombre.

Referencias[editar]

  1. Rankine, William (1850). “On the Mechanical Action of Heat, especially in Gases and Vapours”. Transactions of the Royal Society of Edinburgh 20:147–190. doi:10.1017/S008045680003307X

Bibliografía[editar]

  • MacLehose, James (1886). «J. Macquorn Rankine». Memoirs and portraits of one hundred Glasgow men (en inglés). Glasgow: James MacLehose & Sons. pp. 269–272. 
  • Parkinson, E. M. (1970-1980). «Rankine, William John Macquorn». En Charles Coulston Gillispie. Dictionary of Scientific Biography (en inglés). Nueva York: Charles Scribner & Sons. ISBN 0-684-10114-9. 

Enlaces externos[editar]