Вильгельм Ренкин

Вильгельм Ренкин (полное имя Уильям Джон Макуорн Ренкин, англ. William John Macquorn Rankine; 5 июля 1820, Эдинбург — 24 декабря 1872, Глазго) — шотландский инженер, физик и механик, один из основоположников технической термодинамики и теории упругости. Внёс фундаментальный вклад в развитие паровых машин, теплотехники, механики грунтов и строительной механики. Его имя носит температурная шкала Ренкина и ряд ключевых понятий в инженерных дисциплинах.

Биография

Ранние годы и образование

Родился в семье инженера-железнодорожника Дэвида Ренкина. С детства проявлял способности к математике и механике. Обучался в Эдинбургской академии, затем в Эдинбургском университете, где изучал физику, химию и математику. В 1838 году, не закончив университет, начал работать помощником инженера на строительстве железных дорог под руководством отца. Параллельно занимался самообразованием, изучая труды Лагранжа, Лапласа и Фурье.

Инженерная карьера

В 1840-х годах работал на строительстве ирригационных систем и железнодорожных линий в Шотландии. В 1848 году опубликовал первую крупную работу «О механике машин», где предложил методы расчёта кинематики механизмов. В 1851 году получил должность профессора гражданского инженерии в Университете Глазго, сменив на этом посту Льюиса Гордона. В Глазго основал первую в Великобритании кафедру инженерного дела.

Научная деятельность

Основные исследования Ренкина относятся к термодинамике. В 1850-е годы независимо от Рудольфа Клаузиуса и Уильяма Томсона (Кельвина) сформулировал второй закон термодинамики в виде принципа, связывающего механическую работу и теплоту. В 1859 году опубликовал «Руководство по паровым машинам и другим первичным двигателям» — первый систематический учебник по теплотехнике. В 1862 году ввёл понятие «потенциальная энергия» для описания состояния упругих тел.

В области механики грунтов разработал теорию предельного равновесия сыпучих сред (условие Ренкина), которая до сих пор используется при расчёте подпорных стен и устойчивости откосов. Внёс вклад в теорию кораблестроения, предложив методы расчёта остойчивости судов.

Личная жизнь и смерть

Был женат на Маргарет Браун, детей не имел. Страдал от хронических заболеваний, в том числе подагры. Умер в Глазго в возрасте 52 лет. Похоронен на кладбище Сент-Эндрюс в Эдинбурге.

Научные достижения

Термодинамика

Ренкин является одним из создателей технической термодинамики. Ему принадлежат:

• Цикл Ренкина — термодинамический цикл паросиловой установки, лежащий в основе работы большинства тепловых электростанций. Цикл состоит из изоэнтропийного сжатия, изобарного нагрева, изоэнтропийного расширения и изобарной конденсации.
• Формула Ренкина для расчёта давления насыщенного пара в зависимости от температуры.
• Теория теплового двигателя, в которой он впервые применил понятие «энтальпия» (хотя сам термин ввёл Г. Каммерлинг-Оннес позже).

Механика грунтов

В работе «О равновесии сыпучих тел» (1857) Ренкин вывел условия, при которых грунт в массиве переходит в предельное состояние. Теория Ренкина предполагает, что в предельном равновесии грунт находится в состоянии активного или пассивного давления, а линии скольжения образуют прямые. Эти положения используются при проектировании фундаментов, подпорных стен и насыпей.

Строительная механика

Ренкин разработал методы расчёта статически определимых ферм и арок. Ввёл понятие «линия влияния» для анализа распределения нагрузок. Его учебник «Руководство по гражданскому инженерному делу» (1862) стал стандартным пособием для инженеров XIX века.

Шкала Ренкина

В 1859 году предложил абсолютную температурную шкалу, в которой градус равен градусу Фаренгейта, а нуль соответствует абсолютному нулю (−459,67 °F). Шкала Ренкина (°R) используется в некоторых инженерных расчётах, особенно в США.

Основные труды

• «О механике машин» (1848)
• «Руководство по паровым машинам и другим первичным двигателям» (1859)
• «Руководство по гражданскому инженерному делу» (1862)
• «Руководство по прикладной механике» (1858)
• «О равновесии сыпучих тел» (1857)

Влияние и наследие

Работы Ренкина оказали значительное влияние на развитие теплоэнергетики. Цикл Ренкина остаётся основой для расчёта паровых турбин на АЭС, ТЭС и в судовых силовых установках. Его подход к анализу термодинамических процессов предвосхитил многие идеи XX века, включая эксергетический анализ.

В механике грунтов теория Ренкина, несмотря на упрощения, используется в инженерной практике для первичной оценки устойчивости подпорных стен. В строительной механике его методы расчёта ферм применялись до распространения матричных методов в середине XX века.

Имя Ренкина увековечено в названиях:

• Температурной шкалы Ренкина.
• Кратера на Луне (диаметр 10 км).
• Медали Ренкина — премии Британского института строительных конструкций (с 1969 года).
• Здания инженерного факультета Университета Глазго.

Критика и ограничения

Современные исследования показывают, что теория Ренкина для сыпучих сред не учитывает нелинейное деформирование и сцепление грунтов, что может приводить к завышению или занижению предельных нагрузок. В термодинамике его формулировка второго закона была менее строгой, чем у Клаузиуса, и впоследствии уточнена. Тем не менее, его работы остаются классическими для инженерного образования.

Источники

• Rankine, W. J. M. A Manual of the Steam Engine and Other Prime Movers. — London: Griffin, 1859.
• Rankine, W. J. M. On the Stability of Loose Earth. — Philosophical Transactions of the Royal Society, 1857.
• Cardwell, D. S. L. From Watt to Clausius: The Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age. — Cornell University Press, 1971.
• Timoshenko, S. P. History of Strength of Materials. — McGraw-Hill, 1953.
• Биографический словарь инженеров. — М.: Наука, 1985.