| William John Macquorn Rankine | ||
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| Información personal | ||
| Nacimiento | 5 de julio de 1820 Edimburgo, Escocia | |
| Fallecimiento | 24 de diciembre de 1872 Glasgow, Escocia | |
| Sepultura | Sighthill Cemetery | |
| Nacionalidad | escocesa | |
| Lengua materna | Inglés | |
| Educación | ||
| Educado en | Universidad de Edimburgo | |
| Información profesional | ||
| Área | Física, Ingeniería | |
| Conocido por | Termodinámica; Fatiga de materiales | |
| Cargos ocupados |
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| Empleador | Universidad de Glasgow | |
| Obras notables | ||
| Miembro de | Royal Society Royal Society of Edinburgh | |
| Distinciones |
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| Firma | ||
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William John Macquorn Rankine (Edimburgo, Escocia, 5 de julio de 1820-Glasgow, Escocia, 24 de diciembre de 1872) fue un ingeniero y físico escocés. Junto con Rudolf Clausius, William Thomson (Lord Kelvin), fue uno de los pioneros de la termodinámica, y se enfocó particularmente en la primera de las tres leyes de esta rama de la física. Es conocido por proponer la escala Rankine para medir la temperatura.
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.
Biografía
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.
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 marchó a Irlanda en procura de formarse como ingeniero civil, 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.[1] 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.
Entre 1844 y 1848 trabajó para Locke & Errington en la construcción del Ferrocarril de Clydesdale Junction, y seguidamente en varias obras de la Caledonian Railway Company. En 1845/46 diseño una propuesta para obras hídricas en Edimburgo y Leith que fue rechazada por la oposición de la Edinburgh Water Company. En 1849 fue elegido miembro de la Royal Society of Edinburgh, y continuó realizando diversos trabajos como ingeniero civil, En 1852 fue elegido miembro de la Philosophical Society de Glasgow, y el 2 de junio del año siguiente Fellow de la Royal Society de Londres.[2] Por sus investigaciones en el campo de la termodinámica, la Royal Society of Edinburgh le concedió la Medalla Keith en 1854, y en noviembre de 1855 fue designado Regius Professor[nota 1] de Ingeniería Civil y Mecánica en la Universidad de Glasgow, cargo que ocuparía hasta su muerte.[3] Desde esa cátedra trabajó estrechamente con los constructores navales de Glasgow en mejoras sustanciales de diseño de las naves y sus motores. Introdujo los llamados “sandwich courses” (“cursos emparedado”) que requerían a los estudiantes trabajar en firmas locales de ingeniería durante sus vacaciones, como forma de práctica profesional, y promovió vigorosamente el reconocimiento de la Ingeniería como materia de grado. Como resultado de estos esfuerzos, la universidad introdujo un Certificado de Aptitud en Ciencia de la Ingeniería en 1863, y en 1872 se instauró el grado de BSc (bachiller en ciencias) para la ingeniería.[4]
Como consecuencia de una tormenta notable sucedida en 1856, Rankine trabajó sobre la estabilidad de las chimeneas obteniendo importantes conclusiones prácticas.[nota 2] Al año siguiente el Trinity College de Dublín lo distinguió con un doctorado honorífico y fundó la Institución de Ingenieros y Constructores Navales de Escocia, siendo su primer presidente;[5] también elaboró una teoría de la resistencia superficial en las embarcaciones, con base en datos experimentales proporcionados por su amigo J. R. Napier. En 1858 publicó la primera edición de su texto de mecánica aplicada, Applied Mechanics, y en 1859 el Manual of the Steam Engine and other Prime Movers; en julio de ese año, Rankine fue fundamental en la formación del 2.º Cuerpo de Fusileros Voluntarios de Lanarkshire en la Universidad de Glasgow, ingresando como capitán y convirtiéndose en mayor en 1860 al comando del 2.º Batallón del 1.er Regimiento de Fusileros Voluntarios de Lanarkshire de ese Cuerpo, puesto que ocupó hasta 1864, cuando renunció debido a la presión de trabajo relacionado con la arquitectura naval. En 1861 terminó su Manual of Civil Engineering, que publicó en 1862, año en que también fue jurado de maquinaria en la Exposición Universal de Londres; al año siguiente la Institución de Ingenieros de Escocia lo premió con la medalla de oro por un artículo sobre la licuefacción del vapor.
En 1864 profundizó su atención sobre los problemas de la ingeniería naval y la mecánica de fluidos, investigando la acción de las olas y el rolido de las embarcaciones y dictando conferencias en la Royal School of Naval Architecture (Real Escuela de Arquitectura Naval) sobre resistencia de materiales, nuevamente al año siguiente sobre resistencia de los fluidos, y también en 1866 y 1867. A partir de 1865 comenzó a contribuir regularmente con la revista The Engineer, y el año siguiente vio aparecer el libro Shipbuilding - Theoretical and Practical del que fue editor y autor de varios capítulos. En 1868 fue elegido miembro de la Real Academia de las Ciencias de Suecia. En 1870 se publicó su libro Machinery and Millwork, fue designado en la junta investigadora del hundimiento del HMS Captain, y en diciembre de ese año fue designado miembro del Comité de Navíos de Guerra. Al año siguiente fue elegido vicepresidente de la Royal Society of Edinburgh, y en 1872, junto con el Dr. Stevenson Macadam, investigó e informó sobre las causas de explosiones en los molinos de grano. Falleció el 24 de diciembre de 1872 en su casa de 8 Albion Crescent, Dowanhill, Glasgow.
EPÓNIMO :
Se denomina Rankine (símbolo R) a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859.
El Rankine tiene su punto de cero absoluto a −459.67 °F, y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit.
Cero Rankine (0 R) equivale a −273.15 °C o 0 K. Para convertir de Kelvin a Rankine se multiplica por un factor de 9/5:
Es usado comúnmente en EE. UU. como medida de temperatura termodinámica.
| John William Strutt | ||
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 John William Strutt, III barón de Rayleigh, en 1904. | ||
| Información personal | ||
| Nombre en inglés | John Strutt | |
| Nacimiento | 12 de noviembre de 1842 Langford Grove, Reino Unido | |
| Fallecimiento | 30 de junio de 1919 Witham, Reino Unido | |
| Sepultura | Terling (All Saints) Churchyard | |
| Residencia | Reino Unido | |
| Nacionalidad | británico | |
| Religión | Anglicanismo | |
| Familia | ||
| Padres | John James Strutt Clara Elizabeth La Touche Vicars | |
| Cónyuge | Evelyn Strutt, Baroness Rayleigh of Terling Place (desde 1871) | |
| Educación | ||
| Educación | Bachiller universitario en letras y Maestría en Artes | |
| Educado en | Universidad de Cambridge | |
| Supervisor doctoral | Edward Routh, George Gabriel Stokes y James Clerk Maxwell | |
| Información profesional | ||
| Área | termodinámica, óptica, electromagnetismo | |
| Cargos ocupados |
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| Empleador |
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| Estudiantes doctorales | J. J. Thomson y Jagdish Chandra Bose | |
| Obras notables | ||
| Miembro de |
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| Distinciones |  Premio Nobel de Física (1904) | |
| Firma | ||
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John William Strutt, tercer barón de Rayleigh, también conocido como Lord Rayleigh, (Reino Unido: /lɔːd ˈɹeɪli/; Langford Grove, Essex, 12 de noviembre de 1842-Witham, Essex, 30 de junio de 1919) fue un físico y catedrático universitario británico galardonado con el Premio Nobel de Física en 1904. Estableció la existencia de los gases nobles, descubriendo el argón e investigando las propiedades físicas de los gases.[1]
Biografía
En 1873, a la muerte de su padre, John James Strutt, heredó el título de barón. Debido a su naturaleza enfermiza, padeció problemas de salud durante los primeros años de su vida.
Estudió matemáticas en el Trinity College de la Universidad de Cambridge en 1861, graduándose en 1865. Comenzó a trabajar en 1879 como profesor de física experimental en dicha universidad y como director del Laboratorio Cavendish de física experimental (1879-1884).
En 1887 se trasladó a Londres, donde fue profesor de filosofía natural de la Real Institución hasta 1905. Fue también secretario de la Real Sociedad de Londres (1887-1896) y presidente de la misma (1905-1908). Desde 1892 hasta 1901 actuó como gobernador del condado de Essex por expreso deseo del rey y fue canciller de la Universidad de Cambridge desde 1908 hasta 1919. Fue cristiano.
Investigaciones científicas
Las primeras investigaciones de Rayleigh se recogen en su obra The Theory of Sound (2 vols., 1877-78), en la que se describe un nuevo procedimiento para medir las vibraciones acústicas. En el campo de la óptica realizó una serie de trabajos sobre la polarización de la luz, contribuyó a la teoría de la radiación del cuerpo negro y logró dar una explicación del color azul del cielo. Además fue el responsable de la determinación de unidades eléctricas de medida y realizó trabajos sobre la luz, el color, la electricidad, la dinámica de la resonancia, las vibraciones de gases y los sólidos elásticos.
También hizo estudios acerca de la capilaridad y del electromagnetismo y aportó ideas a la teoría de la formación y estabilidad de las venas líquidas. Pero probablemente su labor científica más importante consistió en la cuidadosa determinación de las densidades de los gases atmosféricos. Buscando una explicación a la diferencia de densidades del nitrógeno del aire y del obtenido a partir del nitrato amónico, descubrió, en colaboración con sir William Ramsay, el elemento argón (1894).
Durante 1919, Rayleigh fue presidente de la Sociedad para la Investigación Psíquica.
Ingresó en la Orden del Mérito con motivo de la coronación de Eduardo VII y en 1904 fue galardonado con el Premio Nobel de Física «por sus investigaciones sobre la densidad de un buen número de gases así como por el descubrimiento del argón».[2]
Eponimia
- El cráter lunar Rayleigh lleva este nombre en su memoria.[3]
- El cráter marciano Rayleigh igualmente lleva su nombre.[4]
- El asteroide (22740) Rayleigh también conmemora su nombre.[5]
En la cultura popular
- El personaje Silvers Rayleigh, del manga y anime One Piece, está aparentemente basado en él.
La dispersión de Rayleigh, también conocida como esparcimiento de tipo Rayleigh, es la dispersión de la luz visible o cualquier otra radiación electromagnética por partículas cuyo tamaño es mucho menor que la longitud de onda de los fotones dispersados. Ocurre cuando la luz viaja por sólidos y fluidos transparentes, pero se ve con mayor frecuencia en los gases. La dispersión de Rayleigh de la luz solar en la atmósfera es la principal razón de que el cielo se vea azul.
Según el electromagnetismo clásico, la dispersión de Rayleigh es el resultado de la polarización eléctrica de las partículas. El campo eléctrico oscilatorio de una onda luminosa actúa sobre las cargas de las partículas provocando que oscilen en la misma frecuencia. La partícula se convierte en un pequeño dipolo radiante cuya radiación visible es la luz dispersada.
Desde un punto de vista semiclásico (cuántico) más moderno, la dispersión de Rayleigh puede considerarse la suma de una dispersión elástica pura (línea central de Cabannes) más una dispersión de Raman puramente rotacional con líneas que ocurren cerca de la línea de Cabannes.[1][2]
Si bien el término dispersión está muy extendido en la literatura científica (junto con el anglicismo scattering, que a menudo se encuentra sin traducir en textos en español), el término recomendado por la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales es esparcimiento, recomendando el uso de dispersión a la dispersión de la luz en los diversos colores que componen su espectro.
Si el tamaño de las partículas es mayor que la longitud de onda, la luz no se separa, no se dispersa en todas las longitudes de onda que la componen, como cuando al atravesar una nube, esta se ve blanca, lo mismo pasa cuando atraviesa los granos de sal y de azúcar. Para que la luz se disperse, el tamaño de las partículas debe ser similar o menor que la longitud de onda.
El grado de dispersión de Rayleigh que sufre un rayo de luz depende del tamaño de las partículas y de la longitud de onda de la luz; en concreto, del coeficiente de dispersión y por lo tanto la intensidad de la luz dispersada depende inversamente de la cuarta potencia de la longitud de onda, relación conocida como ley de Rayleigh-Jeans. La dispersión de luz por partículas mayores a un décimo de la longitud de onda se explica con la teoría de Mie, que es una explicación más general de la difusión de radiación electromagnética.
La intensidad I de la luz dispersada por una pequeña partícula en un haz de luz de longitud de onda λ e intensidad I0 viene dada por:
donde R es la distancia a la partícula, θ es el ángulo de dispersión, n es el índice de refracción de la partícula y d es el diámetro de la partícula.
En el caso de luz polarizada (y si no se puede generalizar) también lo podemos expresar:
donde ahora, aparte de los símbolos anteriores tenemos el coeficiente de dispersión σ, y los ángulos en coordenadas esféricas θ y Φ. En estos, los vectores unitarios se definen respecto al plano que contiene al vector de dirección de propagación de la radiación y al vector que contiene la dirección de la polarización de la onda incidente. Aparte tenemos los coeficientes de la matriz de Jones perpendicular A(θ) y paralelo B(θ) al plano de esparcimiento o dispersión.
La distribución angular de la dispersión de Rayleigh, que viene dada por la fórmula (1+cos2θ), es simétrica en el plano perpendicular a la dirección de la luz incidente, por tanto la luz dispersada iguala a la luz incidente. Integrando el área de la esfera que rodea una partícula obtenemos la sección transversal de la dispersión de Rayleigh, σs:
El coeficiente de dispersión de Rayleigh para un grupo de partículas es el número de partículas por unidad de volumen N veces la sección transversal. Como en todos los efectos de onda, en la dispersión incoherente las potencias son sumadas aritméticamente, mientras que en la dispersión coherente -como sucede cuando las partículas están muy cerca unas de otras- los campos son sumados aritméticamente y la suma debe ser elevada al cuadrado, para obtener la potencia final.
La fuerte dependencia de la dispersión con la longitud de onda (~λ-4) supone que en la atmósfera la luz azul y violeta de longitud de onda más corta se dispersará más que las longitudes de onda más larga (luz amarilla y especialmente la luz roja). En la atmósfera, esto provoca que los fotones de luz azul se dispersen mucho más que los de longitudes de onda mayores a 490 nm; por este motivo vemos el cielo azulado en todas direcciones (que en realidad es una mezcla de todos los colores dispersos, principalmente azul y verde) y solo lo vemos enrojecido cuando el Sol se encuentra próximo al horizonte, debido a que la luz atraviesa mucho más espesor de atmósfera más cercana a la superficie de la tierra, donde es más densa y los rayos que nos llegan están muy empobrecidos en fotones de luz de longitud de onda más corta (azul) y de longitud de onda media (verde), previamente dispersados de la ruta directa del observador. Por lo tanto, la luz restante no dispersada es principalmente de longitudes de onda más larga y parece más roja. Cabe destacar que, a pesar del uso del término fotón, la ley de dispersión de Rayleigh fue desarrollada antes de la invención de la mecánica cuántica y, por lo tanto, no se basa fundamentalmente en la teoría moderna sobre la interacción de la luz con la materia. No obstante, la dispersión de Rayleigh es una buena aproximación a la forma en que la luz es dispersada por partículas mucho más pequeñas que su longitud de onda.
Historia
En 1849, el físico escocés James Clerk Maxwell se preguntó si era posible obtener información sobre el funcionamiento de nuestra percepción visual mediante experimentos sencillos que no hicieran referencia alguna a la anatomía. Intrigado por el uso de peonzas de color de James David Forbes para crear la ilusión de un solo color con la mezcla de primarios, fabricó su propio aparato de color consistente en un conjunto de discos de papel de colores primarios fijados a una peonza de madera donde incorporaba un disco exterior y uno interior más pequeño que le permitía organizar los discos de papel para comparar mezclas de diferente color, permitiéndole obtener cualquier color arbitrario al girarlos.[3]
Elaboró así las ecuaciones de color para la mezcla aditiva de colores que colocó en un triángulo de color con el rojo, verde y azul en las esquinas, precursoras del diagrama de cromaticidad del espacio de color CIE 1931.[4]
En julio de 1870, John William Strutt se propuso replicar los experimentos de Maxwell con el fin de determinar su propio conjunto de coeficientes para las ecuaciones del color. Aunque sus propias mediciones corroboraron los hallazgos físico escocés, en su experimento del 23 de julio se dio cuenta de que para mezclar algunos colores tenía que utilizar una mayor proporción del disco rojo. Al revisar sus notas, encontró que todos los ensayos anteriores se habían realizado bajo un cielo nublado mientras que el 23 de julio fue un día completamente despejado, lo que dejó constancia, aparentemente, de la falta de rayos rojos en la luz del cielo.[5]
En 1869, mientras se intentaba determinar si quedaba algún contaminante en el aire purificado que usaba para los experimentos infrarrojos, John Tyndall descubrió que la luz brillante que se dispersaba de las partículas nanoscópicas tenía un ligero tinte azul.[6][7] Conjeturó que una dispersión similar de la luz solar le dio al cielo su tono azul, pero no pudo explicar la preferencia por la luz azul, ni el polvo atmosférico podría explicar la intensidad del color del cielo.
En 1871, lord Rayleigh fue el primero en explicarla, en 1871.[8] Publicó dos artículos sobre el color y la polarización de la luz del cielo para cuantificar el efecto Tyndall en gotas de agua en términos de volúmenes de partículas diminutas e índices de refracción.[9][10][11][12] En 1881, mediante la prueba de la naturaleza electromagnética de la luz de James Clerk Maxwell de 1865, demostró que sus ecuaciones se derivaban del electromagnetismo.[13] En 1899, demostró que se aplicaban a moléculas individuales, con términos que contenían volúmenes de partículas e índices de refracción reemplazados por términos de polarizabilidad molecular.[14]
Del sonido en sólidos amorfos
La dispersión de Rayleigh también es un mecanismo importante de dispersión de ondas en sólidos amorfos como el vidrio, y es responsable de la amortiguación de ondas acústicas y la amortiguación de fonones en vidrios y materia granular a temperaturas bajas o no demasiado altas.[15] Esto se debe a que en los vidrios a temperaturas más altas, el régimen de dispersión de tipo Rayleigh queda oscurecido por el amortiguamiento anarmónico (normalmente con una dependencia de ~λ−2 de la longitud de onda), que se vuelve cada vez más importante a medida que la temperatura sube.
La dispersión de Rayleigh en gases, estrictamente hablando, es inducida por fluctuaciones dipolares microscópicas en el campo electromagnético de la luz visible. En sólidos amorfos, se han propuesto teorías que argumentan que la dispersión de tipo Rayleigh surge debido a la dispersión de ondas de fluctuaciones espaciales macroscópicas en el módulo de cizalladura elástico.[16] Más recientemente, sin embargo, se ha derivado una dependencia cuártica de tipo Rayleigh del coeficiente de amortiguamiento de la longitud de onda del sonido, ~λ−4, a partir de primeros principios basados en la dispersión de ondas a partir de movimientos microscópicos de los átomos o partículas (es decir, los bloques de construcción microscópicos del sólido), conocidos como movimientos "no afines", que son de importancia crucial para la elasticidad de los sólidos amorfos. El efecto ha sido derivado por Baggioli & Zaccone[17] y confirmado numéricamente, de forma independiente, por Szamel & Flenner.[18] El análisis numérico también ha revelado que la contribución de ~λ−4 de las fluctuaciones macroscópicas del módulo de corte es cuantitativamente insignificante en comparación con la contribución de ~λ−4 de dispersión de movimientos no afines. Además, la teoría microscópica es capaz de recuperar el cruce de la dispersión de tipo difusivo ~λ−2 que domina en vectores de onda más bajos al tipo Rayleigh ~λ− 4 dispersión en vectores de onda más altos.
En materiales porosos
La dispersión de tipo Rayleigh λ−4 también puede ser exhibida por materiales porosos. Un ejemplo es la fuerte dispersión óptica de los materiales nanoporosos.[20] El fuerte contraste en el índice de refracción entre los poros y las partes sólidas de alúmina sinterizada da como resultado una dispersión muy fuerte, con luz que cambia completamente de dirección cada cinco micrómetros en promedio. La dispersión de tipo λ−4 es causada por la estructura nanoporosa (una distribución estrecha del tamaño de los poros alrededor de ~70nm) obtenida mediante sinterización polvo de alúmina monodispersiva.
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