دبليو جيه إم رانكين

كان ويليام جون ماكوورن رانكين ( 5 يوليو 1820 - 24 ديسمبر 1872 ) عالم رياضيات وفيزياء اسكتلنديًا. ساهم بشكلٍ أساسي، مع رودولف كلاوزيوس وويليام طومسون ( اللورد كلفن) ، في علم الديناميكا الحرارية ، مع التركيز بشكل خاص على قانونها الأول. وقد طوّر مقياس رانكين ، وهو مقياس فهرنهايتي مكافئ لمقياس كلفن المئوي .

وضع رانكين نظرية شاملة للمحرك البخاري، بل ولجميع المحركات الحرارية. وقد استُخدمت كتيباته في العلوم الهندسية وتطبيقاتها العملية لعقود طويلة بعد نشرها في خمسينيات وستينيات القرن التاسع عشر. ونشر مئات الأبحاث والملاحظات حول مواضيع العلوم والهندسة، بدءًا من عام 1840، وكانت اهتماماته شديدة التنوع، شملت في شبابه علم النبات ونظرية الموسيقى ونظرية الأعداد ، وفي سنوات نضجه، معظم الفروع الرئيسية للعلوم والرياضيات والهندسة.

كان أيضاً مغنياً وعازف بيانو وعازف تشيلو، فضلاً عن كونه رامياً ماهراً. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

وُلد رانكين في إدنبرة لأب يُدعى ديفيد رانكين، وهو مهندس مدني من خلفية عسكرية، عمل لاحقًا في سكة حديد إدنبرة ودالكيث (المعروفة محليًا باسم سكة حديد إينوسنت). ^{[ 2 ] [ 3 ]} أما والدته فكانت باربرا غراهام، من عائلة بارزة في مجال القانون والمصارف.

كان والده يتنقل في أنحاء اسكتلندا بسبب مشاريع مختلفة، وكانت العائلة تنتقل معه. تلقى ويليام تعليمه في المنزل في البداية، نظرًا لضعف صحته، ^{[ 4 ]} ثم التحق بأكاديمية آير (1828-1829) ثم بالمدرسة الثانوية في غلاسكو (1830). حوالي عام 1830، انتقلت العائلة إلى إدنبرة عندما حصل الأب على وظيفة مدير لخط سكة حديد إدنبرة-دالكيث. سكنت العائلة حينها في 2 أرنيستون بليس. ^{[ 5 ]}

في عام 1834، أُرسل إلى الأكاديمية البحرية والعسكرية الاسكتلندية في شارع لوثيان في إدنبرة ^{[ 6 ]} مع عالم الرياضيات جورج لي. وبحلول ذلك العام، كان ويليام قد برع بالفعل في الرياضيات، وتلقى، كهدية من عمه، كتاب إسحاق نيوتن " الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية " (1687) باللغة اللاتينية الأصلية.

في عام ١٨٣٦، بدأ رانكين دراسة مجموعة واسعة من المواضيع العلمية في جامعة إدنبرة ، بما في ذلك التاريخ الطبيعي تحت إشراف روبرت جيمسون ، والفلسفة الطبيعية تحت إشراف جيمس ديفيد فوربس . حصل رانكين، تحت إشراف فوربس، على جوائز عن مقالاته حول مناهج البحث الفيزيائي ونظرية الموجة الضوئية . خلال العطلات، كان يساعد والده الذي شغل منصب مدير، ثم أمين صندوق ومهندس سكة حديد إدنبرة ودالكيث، منذ عام ١٨٣٠، والتي كانت تنقل الفحم إلى المدينة المتنامية. ترك رانكين جامعة إدنبرة عام ١٨٣٨ دون الحصول على شهادة (وهو أمر لم يكن غريباً آنذاك)، وربما بسبب ضائقة مالية عائلية، أصبح متدرباً لدى السير جون بنجامين ماكنيل ، الذي كان آنذاك مساحاً لدى هيئة السكك الحديدية الأيرلندية . خلال فترة تدريبه، طور رانكين أسلوباً، عُرف لاحقاً باسم " طريقة رانكين" ، لرسم منحنيات السكك الحديدية، مستفيداً استفادة كاملة من جهاز الثيودوليت ، ومحققاً تحسناً كبيراً في الدقة والإنتاجية مقارنةً بالأساليب الموجودة. في الواقع، كانت هذه التقنية قيد الاستخدام في نفس الوقت من قبل مهندسين آخرين - وفي ستينيات القرن التاسع عشر كان هناك خلاف بسيط حول أسبقية رانكين.

شهد عام 1842 أيضًا أول محاولة لرانكين لاختزال ظاهرة الحرارة إلى صيغة رياضية ، لكنه واجه صعوبة بسبب نقص البيانات التجريبية. وفي وقت لاحق من ذلك العام، بالتزامن مع زيارة الملكة فيكتوريا لاسكتلندا، أشعل نارًا ضخمة على جبل آرثرز سيت ، مزودة بممرات تهوية أسفل الوقود. وكانت هذه النار بمثابة إشارة لبدء سلسلة من النيران الأخرى في أنحاء اسكتلندا.

في عام 1850، انتُخب زميلاً في الجمعية الملكية في إدنبرة، وكان مُرشِّحه البروفيسور جيمس ديفيد فوربس . وفاز بجائزة كيث التي تمنحها الجمعية للفترة 1851-1853. وشغل منصب نائب رئيس الجمعية من عام 1871 إلى عام 1872. ^{[ 3 ]}

منذ عام 1855، شغل منصب أستاذ الهندسة المدنية والميكانيكا في جامعة غلاسكو . ^{[ 3 ]}

توفي في 8 ألبيون كريسنت (شارع داونسايد حاليًا)، داونهيل، غلاسكو، في الساعة 11:45 مساءً، 24 ديسمبر 1872، عن عمر يناهز 52 عامًا. ^{[ 7 ]} لم يكن متزوجًا ولم يكن لديه أطفال. تم تسجيل وفاته من قبل عمه، أليكس غراهام (صهر والدته الراحلة).

درس رانكين ميكانيكا المحرك الحراري . ورغم أن نظريته حول تيارات الدوامات المرنة التي تتكيف أحجامها تلقائيًا مع بيئتها تبدو خيالية للعلماء الذين نشأوا على أسس علمية حديثة، إلا أنه بحلول عام ١٨٤٩، نجح في إيجاد العلاقة بين ضغط البخار المشبع ودرجة الحرارة . وفي العام التالي، استخدم نظريته لوضع علاقات بين درجة حرارة الغازات وضغطها وكثافتها ، بالإضافة إلى معادلات لحساب الحرارة الكامنة لتبخر السائل . وقد تنبأ بدقة بحقيقة مثيرة للدهشة، وهي أن ^{الحرارة} النوعية الظاهرية للبخار المشبع ستكون سالبة. [ ^{٨ ]}

بعد نجاحه، شرع رانكين عام 1851 في حساب كفاءة المحركات الحرارية، مستخدمًا نظريته كأساس لاستنتاج مبدأ مفاده أن أقصى كفاءة ممكنة لأي محرك حراري هي دالة فقط لدرجتي الحرارة اللتين يعمل بينهما. ورغم أن رودولف كلاوزيوس وويليام طومسون قد توصلا إلى نتيجة مماثلة ، إلا أن رانكين أكد أن نتيجته تستند إلى فرضيته حول الدوامات الجزيئية وحدها، وليس إلى نظرية كارنو أو أي افتراض إضافي آخر. شكل هذا العمل الخطوة الأولى في رحلة رانكين لتطوير نظرية أكثر شمولًا للحرارة. وفي عام 1853، صاغ مصطلح طاقة الوضع . ^{[ 9 ]}

أعاد رانكين لاحقًا صياغة نتائج نظرياته الجزيئية في إطار وصفٍ ماكروسكوبي للطاقة وتحولاتها. عرّف رانكين وميّز بين الطاقة الفعلية المفقودة في العمليات الديناميكية والطاقة الكامنة التي تُستعاد بها. افترض أن مجموع الطاقتين ثابت، وهي فكرة كانت معروفة بالفعل، وإن لم تكن كذلك لفترة طويلة، في قانون حفظ الطاقة . منذ عام 1854، استخدم رانكين على نطاق واسع دالته الديناميكية الحرارية التي أدرك لاحقًا أنها مطابقة لإنتروبيا كلاوزيوس . بحلول عام 1855، كان رانكين قد صاغ علمًا للطاقة يُفسر الديناميكا من منظور الطاقة وتحولاتها بدلًا من القوة والحركة . ^{[ 10 ]} تُقدم هذه المقالة أول تعريف منشور للطاقة من حيث القدرة على أداء شغل، ^{[ 11 ]} والذي سرعان ما أصبح التعريف العام القياسي للطاقة. ^{[ 12 ]} كان لهذه النظرية تأثير كبير في تسعينيات القرن التاسع عشر . في عام 1859، اقترح رانكين مقياس رانكين لدرجة الحرارة، وهو مقياس مطلق أو ديناميكي حراري تساوي درجته درجة فهرنهايت . وفي عام 1862، وسّع رانكين نظرية اللورد كلفن عن الموت الحراري الكوني ، وصاغ، بالاشتراك مع كلفن نفسه، مفارقة الموت الحراري ، التي تنفي إمكانية وجود كون قديم إلى ما لا نهاية. ^{[ 13 ]}

قدّم علم الطاقة لرانكين منهجًا بديلًا وأكثر شيوعًا في علمه، ومنذ منتصف خمسينيات القرن التاسع عشر، قلّ اعتماده على الدوامات الجزيئية. ومع ذلك، ظلّ يدّعي أن عمل ماكسويل في الكهرومغناطيسية كان امتدادًا لنموذجه. وفي عام ١٨٦٤، زعم أن النظريات المجهرية للحرارة التي اقترحها كلاوزيوس وجيمس كلارك ماكسويل ، والقائمة على الحركة الذرية الخطية، غير كافية. ولم يُقرّ رانكين بنجاح هذه النظريات المنافسة إلا في عام ١٨٦٩. وبحلول ذلك الوقت، أصبح نموذجه للذرة مطابقًا تقريبًا لنموذج طومسون.

وكما كان هدفه الدائم، وخاصة كمدرس للهندسة، فقد استخدم نظرياته الخاصة لتطوير عدد من النتائج العملية ولتوضيح مبادئها الفيزيائية بما في ذلك:

• معادلة رانكين -هوغونيو لانتشار الموجات الصدمية ، تحكم سلوك الموجات الصدمية العمودية على التدفق القادم. وقد سميت على اسم الفيزيائيين رانكين والمهندس الفرنسي بيير هنري هوغونيو ؛
• دورة رانكين ، وهي تحليل لمحرك حراري مثالي مزود بمكثف. ومثل الدورات الديناميكية الحرارية الأخرى، يتم تحديد الكفاءة القصوى لدورة رانكين عن طريق حساب الكفاءة القصوى لدورة كارنو ؛
• خصائص البخار والغازات والأبخرة.

إن تاريخ ديناميكيات الدوارات حافل بالتفاعل بين النظرية والتطبيق. أجرى رانكين أول تحليل لعمود دوار في عام 1869، لكن نموذجه لم يكن كافياً وتوقع أنه لا يمكن الوصول إلى السرعات فوق الحرجة.

كان رانكين من أوائل المهندسين الذين أدركوا أن فشل محاور السكك الحديدية بسبب الإجهاد ناتج عن بدء نمو الشقوق الهشة. في أوائل أربعينيات القرن التاسع عشر، فحص العديد من المحاور المكسورة، لا سيما بعد حادث قطار فرساي عام 1842، عندما انكسر محور قاطرة فجأة، مما أدى إلى وفاة أكثر من 50 راكبًا. بيّن أن المحاور قد فشلت نتيجة النمو التدريجي لشق هش من حافة أو مصدر آخر لتركيز الإجهاد على العمود، مثل مجرى المفتاح . وقد دعمت تحليلات مماثلة أجراها جوزيف غلين على محاور مكسورة ، حيث فشلت المحاور نتيجة النمو البطيء لشق هش في عملية تُعرف الآن باسم إجهاد المعادن . من المرجح أن المحور الأمامي لإحدى القاطرات المتورطة في حادث قطار فرساي قد فشل بطريقة مماثلة. عرض رانكين استنتاجاته في ورقة بحثية قدمها إلى معهد المهندسين المدنيين. مع ذلك، تجاهل العديد من المهندسين عمله، إذ استمروا في الاعتقاد بأن الإجهاد قد يُسبب "إعادة تبلور" المعدن، وهي خرافة استمرت حتى وقت قريب. كانت نظرية إعادة التبلور خاطئة تمامًا، وأعاقت إجراء بحوث قيّمة إلى أن أظهر عمل ويليام فيربيرن بعد بضع سنوات تأثير الانحناء المتكرر على إضعاف العوارض الكبيرة. ومع ذلك، ظلّ الإجهاد ظاهرة خطيرة وغير مفهومة جيدًا، وكان السبب الرئيسي للعديد من الحوادث على السكك الحديدية وغيرها. لا تزال هذه المشكلة خطيرة، ولكنها على الأقل مفهومة بشكل أفضل اليوم، وبالتالي يمكن الوقاية منها من خلال التصميم الدقيق.

شغل رانكين منصب أستاذ الهندسة المدنية والميكانيكا في جامعة غلاسكو من نوفمبر 1855 حتى وفاته في ديسمبر 1872، حيث تابع أبحاثه الهندسية على عدد من الخطوط في الهندسة المدنية والميكانيكية .

كان رانكين له دور فعال في تشكيل النواة الأولى لفيلق تدريب ضباط جامعة غلاسكو ، وهو فيلق متطوعي بنادق لاناركشاير الثاني في جامعة غلاسكو في يوليو 1859، وأصبح رائدًا في عام 1860 بعد أن تم تشكيله في أول سرية من الكتيبة الثانية، فيلق متطوعي بنادق لاناركشاير الأول؛ وخدم حتى عام 1864، عندما استقال بسبب ضغط العمل - الذي يرتبط معظمه بالهندسة البحرية.

• زميل الجمعية الملكية الاسكتلندية للفنون
• زميل في معهد المهندسين المدنيين ، 1843 (لم يكن عضواً كاملاً قط)
• زميل الجمعية الملكية في إدنبرة ، 1850
• زميل الجمعية الملكية في لندن، 1853 ^{[ 15 ]}
• ميدالية كيث من الجمعية الملكية في إدنبرة، 1854
• الرئيس المؤسس لمؤسسة المهندسين وبناة السفن في اسكتلندا ، 1857
• حصل على درجة الدكتوراه في القانون من كلية ترينيتي، دبلن ، عام 1857
• انتُخب عضواً في جمعية مانشستر الأدبية والفلسفية في 19 أبريل 1859 ^{[ 16 ]}

• عضو أجنبي في الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم ، 1868
• سُمّي مقياس رانكين المطلق للفهرنهايت تكريماً له.
• كما سميت فوهة رانكين ، وهي فوهة صغيرة ناتجة عن اصطدام نيزكي بالقرب من الطرف الشرقي للقمر ، تكريماً له.
• في عام 2013، كان أحد أربعة أعضاء تم إدخالهم إلى قاعة مشاهير الهندسة الاسكتلندية . ^{[ 17 ]}

الكتب

• دليل الميكانيكا التطبيقية (1858)
• دليل المحرك البخاري والمحركات الرئيسية الأخرى (1859)
• دليل الهندسة المدنية (1861)
• بناء السفن، نظرياً وعملياً (1866)
• دليل الآلات والنجارة (1869)

• 
  نسخة من عام 1859 من كتاب "دليل المحرك البخاري والمحركات الرئيسية الأخرى"
• 
  صفحة العنوان لكتاب "دليل المحرك البخاري والمحركات الرئيسية الأخرى " (1859)
• 
  جدول محتويات كتاب "دليل المحرك البخاري والمحركات الرئيسية الأخرى " (1859)
• 
  مقدمة لكتاب "دليل محرك البخار والمحركات الرئيسية الأخرى " (1859)

أوراق

• حول التأثير الميكانيكي للحرارة، وخاصة في الغازات والأبخرة (1850)، قُرئ في الجمعية الملكية في إدنبرة ، 4 فبراير 1850
• حول القانون العام لتحويل الطاقة (1853)، تمت قراءته في الجمعية الفلسفية في غلاسكو ^{[ 18 ]}
• حول النظرية الديناميكية الحرارية للأمواج ذات الاضطراب الطولي المحدود (1869)
• موجزات علم الطاقة (1855)، قُرئت في الجمعية الفلسفية في غلاسكو

• ألهمت هذه المقالة ويليام طومسون وبي جي تايت لكتابة رسالة في الفلسفة الطبيعية (1867).
• كما أثر ذلك على الفيزيائي الفرنسي بيير دوهيم في كتابه " Traité de l'énergétique " (1911) الذي اعتبر فيه الديناميكا الحرارية ، وليس الميكانيكا الكلاسيكية ، هي النظرية الأكثر جوهرية.

حول رانكين

• رانكين، ويليام جون ماككورن (1881). أوراق علمية متنوعة . لندن: تشارلز جريفين وشركاه.

• نظرية الزخم
• دالة الحالة
• منحنى انتقال المسار
• منحنى السلسلة الموزون

• أعمال من تأليف أو عن دبليو جيه إم رانكين في أرشيف الإنترنت
• أعمال دبليو جيه إم رانكين على موقع LibriVox (كتب صوتية متاحة للجميع)
• باركنسون، إي إم (2008). "ويليام جون ماكورن رانكين" . في: جيليسبي، تشارلز (محرر). قاموس السير العلمية . نيويورك: سكريبنر والمجلس الأمريكي للجمعيات العلمية. ISBN 978-0-684-10114-9.
• ج. ماكوورن رانكين
• تشيشولم، هيو ، محرر (1911). "رانكين، ويليام جون ماكورن"  . الموسوعة البريطانية (  الطبعة الحادية عشرة). مطبعة جامعة كامبريدج.