Johna Scotta Russella

Nie mylić z Johnem Russellem Scottem .

Johna Scotta Russella FRSE FRS FRSA
Johna Scotta Russella w 1847 r
Urodzić się	9 maja 1808 ( 09.05.1808 ) Parkhead , Glasgow , Szkocja
Zmarł	08 czerwca 1882 ( 09.06.1882 ) (w wieku 74) Ventnor , wyspa Wight, Anglia
Narodowość	brytyjski
Edukacja	Uniwersytet w Edynburgu , Uniwersytet w St. Andrews , Uniwersytet w Glasgow
Zawód	Inżynier
Współmałżonek	Harriette Russell (z domu Osborne)
Dzieci	Osborne Russell, Norman Scott Russell, Louisa Scott Russell, Mary Rachel Scott Russell, Alice M. Scott Russell
Rodzice)	Davida Russella i Agnes Clark Scott
Kariera inżynierska
Instytucje	Royal Society of Edinburgh (radny 1838-9), Royal Society , Institution of Civil Engineers (wiceprezes), Institution of Naval Architects (wiceprezes), Society of Arts (sekretarz 1845-50)
Nagrody	Nagroda Keitha

John Scott Russell FRSE FRS FRSA (9 maja 1808, Parkhead , Glasgow - 8 czerwca 1882, Ventnor , Isle of Wight) był szkockim inżynierem budownictwa lądowego , architektem marynarki wojennej i stoczniowcem, który zbudował Great Eastern we współpracy z Isambard Kingdom Brunel . Odkrył falę translacji, która dała początek współczesnym badaniom nad solitonami i rozwinął system falowo-liniowy konstrukcji statków.

Russell był promotorem Wielkiej Wystawy w 1851 roku .

Wczesne życie

John Russell urodził się 9 maja 1808 roku w Parkhead w Glasgow jako syn wielebnego Davida Russella i Agnes Clark Scott. Spędził rok na Uniwersytecie w St. Andrews, po czym przeniósł się na Uniwersytet w Glasgow . Podczas studiów na Uniwersytecie w Glasgow dodał nazwisko panieńskie swojej matki, Scott, do swojego, stając się Johnem Scottem Russellem. Ukończył Glasgow University w 1825 roku w wieku 17 lat i przeniósł się do Edynburga , gdzie wykładał matematykę i nauki ścisłe w Leith Mechanics' Institute , osiągając najwyższą frekwencję w mieście.

Po śmierci Sir Johna Lesliego , profesora filozofii naturalnej na Uniwersytecie w Edynburgu w 1832 roku, Scott Russell, choć miał zaledwie 24 lata, został wybrany, aby tymczasowo wypełnić wakat do czasu wyboru stałego profesora, ze względu na jego biegłość w nauk przyrodniczych i popularność jako wykładowca. Ale chociaż zachęcano go do ubiegania się o stałe stanowisko, odmówił konkurowania z innym kandydatem, którego podziwiał, a następnie skoncentrował zawód inżyniera i badania eksperymentalne na dużą skalę.

Życie rodzinne

Ożenił się z Harriette Osborne, córką irlandzkiego baroneta Sir Daniela Tolera Osborne'a i Harriette Trench, córką hrabiego Clancarty w Dublinie w 1839 roku; mieli dwóch synów (Norman przeżył) i trzy córki, Louise (1841–1878), Rachel (1845–1882) i Alice. W Londynie mieszkali przez pięć lat w domu przeznaczonym dla sekretarza Towarzystwa Sztuki , a następnie przenieśli się do Sydenham Hill , które stało się centrum uwagi, zwłaszcza po tym, jak Russell i jego przyjaciele przenieśli szklarnię Paxtona na Wielką Wystawę . do pobliskiego Kryształowego Pałacu .

Arthur Sullivan i jego przyjaciel Frederic Clay byli częstymi gośćmi w domu Scotta Russella w połowie lat sześćdziesiątych XIX wieku; Clay zaręczył się z Alice, a Sullivan zabiegał o Rachel. Podczas gdy Clay pochodził z zamożnej rodziny, Sullivan nadal był biednym młodym kompozytorem z biednej rodziny; Scott Russellowie z zadowoleniem przyjęli zaręczyny Alice z Clayem, który jednak je zerwał, ale zabronił związku między Sullivanem i Rachel, chociaż ta dwójka nadal widywała się potajemnie. W pewnym momencie w 1868 roku Sullivan rozpoczął równoczesny (i tajny) romans z Louise (1841–1878). Oba związki ustały na początku 1869 roku.

Amerykański inżynier Alexander Lyman Holley zaprzyjaźnił się ze Scottem Russellem i jego rodziną podczas jego różnych wizyt w Londynie w czasie budowy Great Eastern . Holley odwiedziła również dom Scotta Russella w Sydenham. W rezultacie Holley i jego kolega Zerah Colburn wyruszyli w dziewiczy rejs Great Eastern z Southampton do Nowego Jorku w czerwcu 1860 roku. Syn Scotta Russella, Norman, przebywał z Holleyem w jego domu na Brooklynie — Norman również podróżował dziewiczy rejs, jedyny rejs, którego nie odbył John Scott Russell.

Jego syn, Norman, poszedł w ślady ojca i został architektem marynarki wojennej, przyczyniając się do powstania Instytutu Architektów Marynarki Wojennej, który założył jego ojciec.

Wagon parowy

Wagon parowy z kotłem pod osią i dwoma tłokami

Podczas pobytu w Edynburgu eksperymentował z silnikami parowymi, używając kwadratowego kotła, dla którego opracował metodę utrzymywania powierzchni kotła, która stała się uniwersalna. Powstała firma Scottish Steam Carriage Company produkująca wagon parowy z dwoma cylindrami o mocy 12 koni mechanicznych każdy. Sześć zostało zbudowanych w 1834 roku, dobrze wysklepionych i wyposażonych w wysokim standardzie, które od marca 1834 roku biegły między George Square w Glasgow a hotelem Tontine w Paisley w odstępach godzinowych z prędkością 15 mil na godzinę. Powiernicy dróg sprzeciwiali się temu, że niszczy on drogę i umieszcza na drodze różne przeszkody z kłód i kamieni, co w rzeczywistości powoduje większy dyskomfort dla powozów konnych. Ale w lipcu 1834 jeden z wagonów przewrócił się, a kocioł rozbił, powodując śmierć kilku pasażerów. Dwa autokary zostały wysłane do Londynu, gdzie kursowały przez krótki czas między Londynem a Greenwich.

Fala tłumaczeń

W 1834 roku, przeprowadzając eksperymenty mające na celu określenie najbardziej wydajnego projektu łodzi kanałowych, odkrył zjawisko, które opisał jako falę translacji . W dynamice płynów fala ta jest obecnie nazywana samotną falą Russella . Odkrycie jest opisane tutaj jego własnymi słowami:

Obserwowałem ruch łodzi, która była szybko ciągnięta wąskim kanałem przez parę koni, kiedy łódź nagle się zatrzymała - nie tak jak masa wody w kanale, którą wprawiła w ruch; zgromadził się wokół dziobu statku w stanie gwałtownego poruszenia, a następnie nagle go zostawił, potoczył się do przodu z wielką prędkością, przybierając postać dużego samotnego wzniesienia, zaokrąglonego, gładkiego i dobrze zaznaczonego stosu wody, który trwał jego przebieg wzdłuż kanału najwyraźniej bez zmiany formy lub zmniejszenia prędkości. Podążyłem za nim konno i wyprzedziłem go, który wciąż toczył się z prędkością około ośmiu lub dziewięciu mil na godzinę [14 km/h], zachowując jego pierwotną postać około trzydziestu stóp [9 m] długości i stopy do stopy i połowę [30−45 cm] wysokości. Jego wysokość stopniowo malała i po 2-3-kilometrowej pogoni zgubiłem go w zakrętach kanału. Tak w sierpniu 1834 roku odbyła się moja pierwsza przypadkowa rozmowa z tym osobliwym i pięknym zjawiskiem, które nazwałem Falą Translacji.

Scott Russell spędził trochę czasu na praktycznych i teoretycznych badaniach tych fal. Zbudował zbiorniki falowe w swoim domu i zauważył kilka kluczowych właściwości:

• Fale są stabilne i mogą przemieszczać się na bardzo duże odległości (normalne fale miałyby tendencję do spłaszczania się lub stromości i przewracania się)
• Prędkość zależy od wielkości fali, a jej szerokość od głębokości wody.
• W przeciwieństwie do normalnych fal, nigdy się nie połączą — więc mała fala jest wyprzedzana przez dużą, a nie dwie połączone.
• Jeśli fala jest zbyt duża w stosunku do głębokości wody, rozdziela się na dwie części, jedną dużą i jedną małą.

Samotna fala w laboratoryjnym kanale falowym .

Eksperymentalna praca Scotta Russella wydawała się kontrastować z teoriami hydrodynamiki Isaaca Newtona i Daniela Bernoulliego . George Biddell Airy i George Gabriel Stokes mieli trudności z zaakceptowaniem eksperymentalnych obserwacji Scotta Russella, ponieważ obserwacji Scotta Russella nie można było wyjaśnić istniejącymi teoriami fal wodnych. Jego współcześni spędzili trochę czasu próbując rozszerzyć teorię, ale wyjaśnienie zajęło dopiero lata siedemdziesiąte XIX wieku.

Lord Rayleigh opublikował artykuł w Philosophical Magazine w 1876 r., Aby wesprzeć eksperymentalne obserwacje Johna Scotta Russella jego teorią matematyczną. W swoim artykule z 1876 roku Lord Rayleigh wspomniał nazwisko Scotta Russella, a także przyznał, że pierwszą teoretyczną terapię przeprowadził Joseph Valentin Boussinesq w 1871 roku; Boussinesq wspomniał nazwisko Scotta Russella w swoim artykule z 1871 roku. Tak więc obserwacje Scotta Russella dotyczące samotnych fal zostały uznane za prawdziwe przez niektórych wybitnych naukowców za jego życia.

Korteweg i de Vries w ogóle nie wymienili nazwiska Johna Scotta Russella w swoim artykule z 1895 roku, ale zacytowali artykuł Boussinesqa z 1871 roku i artykuł Lorda Rayleigha z 1876 roku. Chociaż artykuł Kortewega i de Vriesa z 1895 roku nie był pierwszym teoretycznym podejściem do tego przedmiotu, był to bardzo ważny kamień milowy w historii rozwoju teorii solitonów .

Dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku i pojawieniu się nowoczesnych komputerów zaczęto rozumieć znaczenie odkrycia Scotta Russella w fizyce , elektronice , biologii , a zwłaszcza w światłowodach , co doprowadziło do powstania współczesnej ogólnej teorii solitonów.

Należy zauważyć, że solitony z definicji nie zmieniają kształtu i prędkości w wyniku zderzenia z innymi solitonami. Tak więc samotne fale na powierzchni wody nie są solitonami – po interakcji dwóch (zderzających się lub wyprzedzających) samotnych fal zmieniają one nieznacznie amplitudę i pozostaje oscylacyjna reszta.

System linii fali

Schemat łuku zgodnie z zasadą fali

Kiedy Russell miał sposób na obserwowanie łodzi poruszających się z niespotykaną dotąd prędkością na froncie swojej fali translacji, zajął się bardziej fundamentalnym problemem projektowania łodzi, jakim jest znalezienie kształtu kadłuba, który stawia najmniejszy opór. Rozumował, że chodziło o skuteczne usunięcie masy wody z drogi kadłuba, a następnie z powrotem, aby wypełnić lukę po jej przejściu. Dokładnymi pomiarami za pomocą dynamometrów potwierdził swoją teorię, że zwrócona fala sinusoidalna daje idealny kształt.

Początkowo myślał, że rufa może być zwierciadłem dziobu , ale wkrótce zdał sobie sprawę, że usuwająca się woda wytwarzała coś bliższego konwencjonalnym falom niż jego samotne fale i skończyło się na zaokrąglonej rufie o kształcie łańcuszka .

Jego studia przyniosły rewolucję w projektowaniu kadłubów statków handlowych i marynarki wojennej. Większość ówczesnych statków miała zaokrąglone dzioby, aby zoptymalizować ładowność, ale począwszy od lat czterdziestych XIX wieku „ekstremalne klipry ” zaczęły wykazywać wklęsłe dzioby, podobnie jak coraz częściej statki parowe, których kulminacją był Great Eastern . Po tym, jak komandor Fishbourne przedstawił jego poglądy, amerykański architekt marynarki wojennej John W. Griffiths uznał siłę pracy Russella w swoim Traktacie o architekturze morskiej i morskiej z 1850 r., chociaż niechętnie uznawał dług wobec Russella.

efekt Dopplera

Scott Russell dokonał jednej z pierwszych eksperymentalnych obserwacji efektu Dopplera , którą opublikował w 1848 r. Christian Doppler opublikował swoją teorię w 1842 r.

Stowarzyszenie zawodowe

Wiele wczesnych prac eksperymentalnych Russella było prowadzonych pod auspicjami British Association i przez całe życie wnosił wkład w stowarzyszenia naukowe i zawodowe, które zyskiwały na znaczeniu w tamtej epoce.

W 1844 r. boom kolejowy był u szczytu. Russell napisał artykuł na temat silnika parowego i nawigacji parowej do 7. wydania Encyclopædia Britannica w 1841 r., Który również ukazał się w formie książkowej. Charles Wentworth Dilke zaproponował mu stanowisko redaktora nowego tygodnika, Railway Chronicle w Londynie, a rodzina Russellów wkrótce zamieszkała w małym dwupokojowym mieszkaniu w Westminsterze . W następnym roku został także sekretarzem komitetu powołanego przez Royal Society of Arts zorganizować wystawę narodową, co zapewniło im kamienicę na Strandzie . Russell wkrótce przedstawił komitetowi Henry'ego Cole'a , a kiedy na kilka tygodni przed pierwszą wystawą w 1847 roku nie było wystawców, Russell i Cole spędzili całe trzy dni podróżując po Londynie, aby pozyskać producentów i sklepikarzy. Ta i dwie kolejne wystawy odniosły taki sukces, że na 1851 r. Zaplanowano międzynarodową wersję. W tym czasie Russell ponownie rozpoczął budowę statków, po zakończeniu boomu kolejowego i chociaż został mianowany sekretarzem RSA ds. Wielkiej Wystawy , Henry Cole objął w tym czasie prowadzenie i skończył tylko ze złotym medalem jako nagrodą za ciężką pracę.

Został członkiem Institution of Civil Engineers w 1847 r. Regularnie uczęszczał i wpłacał składki, został wybrany do jego rady w 1857 r. I został wiceprezesem w 1862 r. Jednak wdał się w spór finansowy z Sir Williamem Armstrongiem i nie „ zostać prezydentem. Ale „jako mówca, a zwłaszcza jako mówca po obiedzie, miał niewielu sobie równych”. Został wybrany członkiem Towarzystwa Królewskiego w 1849 r., Chociaż wniósł mniej.

W 1860 roku na spotkaniu w jego domu w Sydenham powołano Institution of Naval Architects , z Russellem jako jednym z zawodowych wiceprezesów. Uczestniczył w większości spotkań i rzadko nie komentował. W 1864 roku opublikował obszerny 3-tomowy traktat na temat nowoczesnego systemu architektury morskiej , w którym przedstawił profile wielu budowanych nowych statków.

Jego nekrolog mówi o architekturze morskiej:

„można powiedzieć, że rozpoczynając swoją karierę, uznał ją za najbardziej empiryczną ze sztuk i pozostawił jedną z najdokładniejszych nauk inżynierskich. Do tego wspaniałego wyniku przyczyniło się w dużej mierze oprócz niego wielu innych, ale jego osobiste badania i teorie, które z nich wydedukował, dały pierwszy impuls naukowej architekturze morskiej”.

Budowa statku

John Scott Russell (konstruktor), Henry Wakefield (asystent Russella), Isambard Kingdom Brunel (projektant) i Lord Derby podczas inauguracji Great Eastern .

Od około 1838 roku Scott Russell był zatrudniony w małej stoczni Greenock w Thomson and Spires, gdzie wprowadził swój system linii falowych do serii statków Royal Mail , wraz z wieloma innymi innowacjami. Po przejęciu stoczni przez Cairda zdecydował się przenieść do Londynu iw 1848 roku kupił firmę stoczniową Millwall Iron Works . Zbudował dwa statki dla Brunela do Australii, prawie tej samej wielkości co Brunel SS Great Britain , Adelaide i Victoria . Problemy z tankowaniem i wodą skłoniły Brunela do myślenia w kategoriach większych statków na tę podróż, ale zbudowano jeszcze pięć w tej samej klasie.

Cieszył się wielkim szacunkiem Isambarda Kingdom Brunela , który uczynił go partnerem w swoim projekcie budowy Great Eastern . Chociaż oryginalna koncepcja, konstrukcja komórkowa i wspólne użycie wiosła i śruby były pomysłami Brunela, „statek ucieleśnia formę linii fal, podłużny system konstrukcyjny, kompletne i częściowe grodzie oraz inne szczegóły konstrukcyjne, które były szczególnie Scotta Russella”. Projekt był nękany wieloma problemami - Scott Russell złożył ofertę, która była o wiele za niska, w wyniku czego zbankrutował w połowie, chociaż doszedł do siebie, aby dokończyć pracę; ale to Brunel nalegał na wodowanie z boku, a nie na suchy dok, który preferował Russell. Firma Great Eastern została ostatecznie uruchomiona w 1858 roku. Scott Russell był lepszym naukowcem niż biznesmenem, a jego reputacja nigdy w pełni nie wróciła do normy po nieprawidłowościach finansowych i sporach.

W latach pięćdziesiątych XIX wieku argumentował w marynarce wojennej za budową żelaznych okrętów wojennych, a pierwszy projekt, HMS Warrior , jest przez niektórych uważany za „statek Russella”. Później skarżył się na tajemnicę, która uniemożliwia otwartą dyskusję na ten temat, krytykując tych w Marynarce Wojennej, którzy argumentowali, że żelaznych statków nie można chronić.

Dziewiczy rejs Bodensee Trajekt , 1869.

W czasie, gdy wszystkie poprzednie promy kolejowe były statkami rzecznymi, w 1868 roku Scott Russell zaprojektował prom kolejowy do obsługi Jeziora Bodeńskiego , Bodensee Trajekt , który wszedł do służby w 1869 roku. Był to pierwszy na świecie prom kolejowy przecinający jezioro. Bodensee Trajekt musiał spełnić niezwykłe wymaganie, aby jego zanurzenie nie przekraczało sześciu stóp (1,85 m). Osiągnął to, wykorzystując nadbudówkę do przenoszenia naprężeń pociągu. (Dopiero w 1892 roku pierwszy prom kolejowy przez jezioro Michigan , Ann Arbor nr 1 , zaprojektowany przez Franka E. Kirby'ego , wszedł do służby.) Scott Russell wykorzystał projekt Bodensee Trajekt jako podstawę promu przez kanał, który mógłby zarządzać płytkim portem Dover, ale nie zostało to zrealizowane aż do 1933 roku.

Rotunda Wiedeńska

Rotunda

Chociaż jego projekt Wielkiej Wystawy został przebity przez projekt Josepha Paxtona , Scott Russell zaprojektował Rotundę na Wystawę Wiedeńską w 1873 roku . Mając 108 metrów (354 stóp) średnicy, przez prawie sto lat była największą kopułą na świecie, nie mając żadnych wiązań zasłaniających widok. Niektórzy uważają to za jego największe osiągnięcie w inżynierii strukturalnej.

wyróżnienia i nagrody

Tablica oznaczająca warsztat Johna Scotta Russella przy 8 Stafford Street w Edynburgu .

W 1838 roku został odznaczony złotym medalem Keitha przez Towarzystwo Królewskie w Edynburgu za artykuł „O prawach, za pomocą których woda przeciwstawia się oporowi ruchu pływających ciał”. Został wybrany członkiem Towarzystwa Królewskiego w czerwcu 1849 r. Za Wspomnienia na temat „Wielkiej samotnej fali Pierwszego Zakonu lub Fali Tłumaczeń” opublikowanych w Transactions of the Royal Society of Edinburgh oraz kilku Wspomnień w Raportach z stowarzyszenie brytyjskie .

W 1995 roku akwedukt, który prowadzi Union Canal - ten sam kanał, w którym obserwował swoją Falę Tłumaczeń - nad obwodnicą Edynburga (A720) został nazwany akweduktem Scotta Russella w jego pamięci. Również w 1995 roku hydrodynamiczny efekt solitonowy został odtworzony w pobliżu miejsca, w którym John Scott Russell zaobserwował hydrodynamiczne solitony w 1834 roku.

Jego imieniem nazwano budynek na Uniwersytecie Heriot-Watt .

W 2019 roku został wprowadzony do Scottish Engineering Hall of Fame

Publikacje

Jego artykuł z 1844 roku stał się artykułem klasycznym i jest dość często cytowany w artykułach lub książkach związanych z solitonem , nawet po ponad stu pięćdziesięciu latach.

• Russell, J. Scott (1845). „Raport o falach”. Sprawozdanie z czternastego spotkania British Association for the Advancement of Science, York, wrzesień 1844 (PDF) . Londyn: John Murray. 311–390, tablice XLVII–LVII.
•   Russell, J. Scott (1864). Nowoczesny system architektury morskiej . Londyn: dzień i syn. OCLC 80429969 .
•   Russell, J. Scott (1885). Fala translacji w oceanach wody, powietrza i eteru . Londyn: Trübner & Co. OCLC 39005948 .

Źródła

•   Ainger, Michael (2002). Gilbert i Sullivan - podwójna biografia . Oksford: Oxford University Press. ISBN 0-19-514769-3 .
•   Darrigol, Olivier (2005). Światy przepływu: historia hydrodynamiki od Bernoullisa do Prandtla . Oxford University Press. ISBN 0-19-856843-6 . obejmuje dyskusję na temat odkrycia solitonów
•   Emmerson, George S. (1977). John Scott Russell: wielki wiktoriański inżynier i architekt marynarki wojennej . Johna Murraya . ISBN 0-7195-3393-7 .
• „Nekrolog Johna Scotta Russella” . Czasy . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 25 maja 2011 r.

Linki zewnętrzne

• John Scott Russell i samotna fala