William Rankine

Tout sur les unités de mesure
William John Macquorn Rankine (1820 - 1872)
Ingénieur et physicien britannique né le 5 juillet 1820 à
Édimbourg et mort le 24 décembre 1872 à Glasgow.
William est le fils d’un ancien militaire le lieutenant David
Rankine, devenu ingénieur dans la construction de chemins de
fer et de Barbara Grahame, la fille de banquier. Il a un frère
David qui décédera prématurément.
Il entre au collège de Ayr (comté d’Ayrshire) en 1828 puis en
1830 au lycée de Glasgow. À cette époque, la famille Rankine
d’établit à Édimbourg. D'une santé précaire, il manque
beaucoup les cours si bien que son instruction est complétée
par de nombreux cours particuliers à la maison.
En 1834, il entre à l’Académie militaire et navale d’Édimbourg que dirige le mathématicien
George Lees. Aimant les mathématiques, son oncle lui offre un exemplaire des Principia de
Newton (ouvrage en latin).
En 1836, Rankine se consacre à différentes disciplines scientifiques à l'Université
d'Édimbourg, parmi lesquelles la biologie et la physique, sous la direction du physicien
James David Forbes (1809-1868) qui lui fait obtenir une médaille d'or pour un essai sur la
théorie ondulatoire de la lumière.
En 1838, il est de nouveau récompensé par un prix pour un autre essai sur les méthodes de
recherche en physique.
La même année, il quitte l'Université d'Édimbourg sans aucun diplôme suite aux difficultés
financières de sa famille et devient apprenti ingénieur chez sir John B. Macneill, géomètre en
génie civil, expert pour le compte de l'Irish Railway Commission. Il avait déjà une expérience
dans ce domaine car il avait travaillé à l’Edinburgh and Dalkeith Railway où son père était
ingénieur.
Il met au point une technique de tracé des voies basée sur l’utilisation du théodolite qu’on
appellera « méthode graphique de Rankine ». Vers 1860, on lui contestera à juste titre sa
méthode déjà utilisée auparavant.
William Rankine s'occupe des travaux d'adduction d'eau et ferroviaires à Dublin et Drogheda
en Irlande puis entre à la compagnie ferroviaire Caledonian Railway ou il effectue ses
premiers travaux sur la résistance et fatigue des matériaux.
Dès 1840, il examine des arbres de bogies cassés et démontre que les fractures sont dues à la
progression de fissures initiées dans une zone de concentration de contrainte.
Avec son père, il publie une enquête expérimentale sur les avantages d'une utilisation de roues
cylindriques sur des chemins de fer.
En 1842, il s’intéresse à la thermodynamique et essaie de formuler des lois mathématiques
malheureusement il manque de données expérimentales.
Il est élu membre de la Royal Scottish Society of Arts.
En 1843, il publie ses premiers travaux, appliqués aux essieux de locomotives. Il devient
membre associé de l'Institution of civil engineers.
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De 1844 à 1848, il travaille à la construction des
voies de la Clydesdale Junction Railway, une société
de chemin de fer privée.
En 1849, il est nommé membre de la Royal Society
de d'Édimbourg qui lui remettra la médaille Keith en
1854 pour ses travaux en thermodynamique.
En juillet 1850, il présente un article intitulé
"Elasticity and heat" à la British Association
d’Édimbourg.
En 1851, il se fixe à Glasgow pour y exercer la
profession d'ingénieur en génie civil.
Il est élu membre en 1853 à la Royal Society de
Londres.
Il présente un de ses plus importants articles "On the
general law of the transformation of energy" devant
la Philosophical Society de Glasgow.
En 1855, il obtient une chaire de professeur à l'Université de Glasgow et enseigne le génie
civil et la mécanique. Il gardera ce poste jusqu’à sa mort.
Il développe des méthodes pour résoudre la distribution des forces à l'intérieur des structures.
Son œuvre la plus importante est un manuel de Mécanique "Manual of applied mechanics",
publié en 1858 à l'usage des ingénieurs et architectes.
Puis en 1859, il sort un mémoire sur les machines à vapeur "Manual of the steam engine and
other prime movers" où il énonce une théorie thermodynamique dans laquelle il propose le
cycle qui porte son nom, décrivant les variations d'état de la vapeur dans une machine
thermique. Ce cycle est surtout utilisé dans les cas où il y a condensation du fluide
caloporteur. Il est considéré comme le fondateur de la thermodynamique.
Il établit la distinction entre les énergies mécaniques potentielle et cinétique, créant ainsi
l'énergétique.
Il s'intéresse à de nombreux domaines publiant des articles sur la mécanique des sols et
hydrodynamique, étudiant l'écoulement d'un fluide visqueux autour d'une hélice, les vagues et
les propriétés dynamiques de la vapeur d'eau. L'ensemble de ces travaux est publié dans "On
the thermodynamic theory of waves of finite longitudinal disturbance"
En 1860, il devient commandant de la 1re compagnie du 2e b
ataillon du 1er Lanarkshire Rifle Volunteer Corps, un corps de volontaires de l'Université de
Glasgow qu’il avait contribué à créer en 1859. Il quittera cette fonction en 1864 pour mieux
se consacrer à ses recherches sur l'architecture navale.
Il est élu président de la Philosophical Society de Glasgow en 1861.
En 1865, il est nommé ingénieur conseil auprès de la Highland and Agricultural Society
d’Écosse.
En 1870, il devient membre du Commitee on Designs for ships of war.
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En moins de 6 mois, sa santé se détériore rapidement, perdant progressivement la vision puis,
partiellement paralysé, il meurt le 24 décembre 1872 à Glasgow en Écosse.
Parmi les honneurs, il a également été élu à l'Académie américaine des arts et des sciences en
1856 et à l'Académie royale suédoise des sciences en 1868.
En 1857, il a reçu le titre de ‘docteur honoris causa’ en droit de l’Université de Dublin
(Trinity College).
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Ses ouvrages :
De 1848 à sa mort, W. Rankine a publié plus de 150 articles scientifiques, dont la plupart sur
la conversion de la chaleur en travail et réciproquement.
Son nom reste associé à deux domaines de la physique : la température et les moteurs
thermiques.
- On
the Means of improving the Water Supply of Glasgow - 1852
http://books.google.fr/books?id=sAOAAAAYAAJ&dq=On+the+Means+of+improving+the+Water+Supply+of+Glasgow&printsec=frontcover&sourc
e=bl&ots=kEQ5iuIXru&sig=mcFJAKT1lIkH0DlKDmG1jaILHSE&hl=fr&ei=VxKbStfgMqXajQfcmqXABQ&sa=X&oi=boo
k_result&ct=result&resnum=1#v=onepage&q=&f=false
- Mechanical laws and tables - 1856
- A Manual of Applied Mechanics - 1858
http://books.google.fr/books?id=90kOAAAAYAAJ&dq=A+Manual+of+Applied+Mechanics&printsec=frontcover&s
ource=bl&ots=ZhL1NCIFIq&sig=yu8Q6OjLdjsTZB0czJvEib59vw0&hl=fr&ei=Ag6bSrr9BpmhjAfQz4G6BQ&sa=X&oi=
book_result&ct=result&resnum=1#v=onepage&q=&f=false
- Manual of the Steam Engine and Other Prime Movers - 1859
http://books.google.fr/books?id=tisOAAAAYAAJ&dq=Manual+of+the+Steam+Engine+and+Other+Prime+Movers
&printsec=frontcover&source=bl&ots=y7YCS-qRQp&sig=W4gor5RO_6q7J6fenxVAkeIiKok&hl=fr&ei=Xg2bSo-GpqRjAftk4GsBQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1#v=onepage&q=&f=false
- A Manual of Civil Engineering – 1862 (24 éditions jusqu’en 1911)
http://www.archive.org/details/amanualcivileng00millgoog
- Useful Rules and Tables Relating to Mensuration, Engineering, Structures, and Machines 1866
http://books.google.fr/books?id=vjcDAAAAQAAJ&dq=Useful+Rules+and+Tables+Relating+to+Mensuration,+En
gineering,+Structures,+and+Machines&printsec=frontcover&source=bl&ots=vuJHxRfqcY&sig=XWEoU8rCpbSuXVP
YYhfg0W6b7XA&hl=fr&ei=3Q6bSp7RDIjSjAfCotm7BQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1#v=onepage&q
=&f=false
- Shipbuilding, theoretical and practical - 1866 (avec T. Watts, F. K. Barnes et J. R. Napier)
- Mechanics - 1868
- The cyclopaedia of Machine and Hand Tools - 1869
- A Manual of Machinery and Millwork - 1869
http://www.archive.org/details/manualofmachiner00rankiala
- Songs and Fables - 1874
http://www.archive.org/details/songsandfables00rankgoog
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Le cycle de Rankine
C'est le cycle des opérations thermodynamiques successives au sein d'une machine thermique.
Le fonctionnement d'une machine à vapeur peut être modélisé par un cycle de Rankine. L'eau
subit des transformations dont certaines consistent à réaliser des échanges thermiques avec
deux sources de chaleur, chaque source étant à température constante. Ces échanges peuvent
provoquer des transitions de phase liquide ⇔ vapeur.
Le cycle de Rankine s'approche au plus près du cycle d'une vraie machine à vapeur que ne le
fait le cycle de Carnot, prévoyant donc une efficacité thermique idéale moindre.
Description du cycle :
Le réchauffeur élève la température à pression
constante (p1 = 50 bar).
Il se produit une détente isentropique à travers une
turbine (p1 → p2 = 0,1 bar).
La vapeur est introduite à la pression constante p2
dans un condenseur.
L’eau condensée est comprimée isentropiquement
(entropie constante) par la pompe à la pression p1.
Lexique :
- processus isentropique : à entropie constante
- processus adiabatique : à température constante (pas d’échange thermique)
Un processus isentropique et adiabatique peut conduire à une transformation réversible.
Contribution au domaine des unités : le degré Rankine
La température en degré Rankine vaut 1,8 fois la température en Kelvin.
T(°R) = 1,8 T(K)
T(°R) = 1,8 × T(°C) + 491,67
Le zéro degré Rankine est le zéro absolu. L'échelle Rankine est à l'échelle Fahrenheit, ce que
l'échelle Kelvin est à l'échelle Celsius.
T(°R) = T(°F) + 459,67
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Sources
- Dictionary of National Biography par Leslie Stephen, Sidney Lee vol. 47 - 1896
http://books.google.fr/books?id=5IM0yQMSCDsC&pg=PA291&lpg=PA291&dq=An+experimental+inquiry+into+t
he+advantages+attending+the+use+of+cylindral+wheels&source=bl&ots=R4j5R8nHrB&sig=b4irCDjzBkBbZvEab
ysKkvVjgBE&hl=fr&ei=pxibSqqTB5ahjAfTtuzDBQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=3#v=onepage&q=&f
=false
- Memoirs and portraits of one hundred Glasgow men : J. Macquorn Rankine par
Glasgow digital Library
http://gdl.cdlr.strath.ac.uk/mlemen/mlemen078.htm
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Cette page est extraite d'un site concernant les unités de mesure dont l'adresse est :
http://www.utc.fr/~tthomass/Themes/Unites/index.html
décembre 2010
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