윌리엄 존 매퀀 랭킨

1. 개요

윌리엄 존 매퀀 랭킨은 영국의 토목 기사이자 열역학자, 물리학자였다. 그는 에든버러에서 태어나 에든버러 대학교에서 다양한 과학 분야를 공부했으며, 글래스고 대학교에서 토목 공학 및 기계 공학 교수로 재직했다. 랭킨은 열역학, 특히 열기관의 효율에 대한 연구로 중요한 업적을 남겼으며, 랭킨 사이클, 랭킨 온도 눈금, 위치 에너지 등의 개념을 제시했다. 또한 금속 피로 현상을 최초로 인식하고 연구했으며, 토목 공학, 조선 공학, 군사 분야에서도 기여했다.

2. 생애

윌리엄 존 매퀀 랭킨은 스코틀랜드 에든버러 출신의 저명한 토목 공학자이자 물리학자이다. 그는 에든버러 대학교에서 수학하고 존 벤자민 맥닐 경 밑에서 실무 경험을 쌓으며 공학자로서의 경력을 시작했으며, 철도 곡선 설계에 있어 '랭킨의 방법'으로 알려진 기술 개발에 기여했다.

1850년 에든버러 왕립 학회 회원으로 선출되었고, 1855년부터는 글래스고 대학교에서 토목 공학 및 역학 흠정 교수로 재직하며 열역학을 포함한 다양한 분야에서 중요한 연구 업적을 남겼다.

랭킨은 학문 활동 외에도 1859년 7월 글래스고 대학교 장교 훈련대의 전신인 제2 라너크셔 라이플 의용대 창설에 기여했으며, 이후 제1 라너크셔 라이플 의용대에서 소령으로 복무하다가 1864년 사임했다.

그는 1872년 12월 24일 글래스고에서 52세의 나이로 사망했다.

2.1. 초기 생애와 교육

윌리엄 존 매퀀 랭킨은 1820년 스코틀랜드 에든버러에서 태어났다. 아버지는 군 출신 토목 기사인 데이비드 랭킨 중위였고, 어머니 바바라 그라함은 법률 및 은행 분야에서 명망 있는 가문 출신이었다. 그의 아버지는 나중에 에든버러-달키스 철도(현지에서는 "인노센트 철도"로 알려짐)에서 일했다.

아버지가 스코틀랜드 전역에서 다양한 프로젝트를 맡아 일하면서 가족은 자주 이사를 다녔다. 랭킨은 어릴 때 건강이 좋지 않아 주로 집에서 교육을 받았다. 이후 에어 아카데미(1828년-1829년)와 글래스고 고등학교(1830년)에 잠시 다녔다. 1830년경 아버지가 에든버러-달키스 철도의 관리자로 임명되면서 가족은 에든버러로 다시 이사하여 2 아니스톤 플레이스에 정착했다.

1834년, 랭킨은 에든버러 로시안 로드에 있는 스코틀랜드 해군 및 군사 학교에 입학하여 수학자 조지 리에게 가르침을 받았다. 이 시기에 그는 이미 뛰어난 수학적 재능을 보였으며, 삼촌으로부터 아이작 뉴턴의 『프린키피아』(1687) 원본 라틴어판을 선물 받기도 했다.

1836년, 랭킨은 에든버러 대학교에 입학하여 다양한 과학 분야를 공부했다. 로버트 제임슨 교수에게 자연사를, 제임스 데이비드 포브스 교수에게 자연 철학을 배웠다. 특히 포브스 교수 지도 아래 물리적 탐구 방법과 빛의 파동 이론에 대한 논문을 작성하여 상을 받았다. 대학 시절 방학 동안에는 1830년부터 에든버러-달키스 철도의 관리자이자 실질적인 재무 담당자 겸 엔지니어였던 아버지를 도왔다. 랭킨은 1838년에 학위를 받지 않고 에든버러 대학교를 떠났는데, 이는 당시에는 드문 일이 아니었다.

2.2. 공학 경력의 시작

1838년, 랭킨은 어려운 가정 형편 때문에 에든버러 대학교를 학위 없이 떠났다. 당시 아일랜드 철도 위원회의 측량가였던 존 벤자민 맥닐 경 밑에서 견습생으로 일하며 공학 분야에 첫발을 내디뎠다. 견습 기간 동안 그는 철도 곡선을 설치하는 새로운 기술을 개발했는데, 이는 나중에 '랭킨의 방법'으로 알려지게 되었다. 이 방법은 경위의를 효과적으로 활용하여 기존 방식보다 정확성과 생산성을 크게 높였다. 하지만 이 기술은 다른 기술자들도 비슷한 시기에 사용하고 있었기 때문에, 1860년대에는 이 방법의 우선권을 두고 작은 논쟁이 벌어지기도 했다.

1842년, 랭킨은 열 현상을 수학적으로 설명하려는 첫 시도를 했으나, 실험 데이터가 부족하여 어려움을 겪었다. 같은 해 빅토리아 여왕이 스코틀랜드를 방문했을 때, 그는 에든버러의 아서의 자리에 큰 모닥불을 피우는 일을 조직했다. 이 모닥불은 연료 아래로 공기가 잘 통하도록 방사형 통로를 만들어 설치되었으며, 스코틀랜드 전역에 다른 모닥불을 피우도록 알리는 신호 역할을 했다.

2.3. 글래스고 대학교 교수 임용과 사망

1850년 그는 제임스 데이비드 포브스 교수의 추천으로 에든버러 왕립 학회의 회원이 되었다. 그는 1851년부터 1853년까지의 공로로 학회의 키스 상을 수상했으며, 1871년부터 1872년까지 부회장을 역임했다.

1855년 11월, 랭킨은 글래스고 대학교의 토목 공학 및 역학(Civil Engineering and Mechanics) 흠정 교수로 임명되어 1872년 12월 사망할 때까지 재직하며 토목 공학과 기계 공학 분야에서 다양한 연구를 수행했다.

그는 1872년 12월 24일 오후 11시 45분, 글래스고 도완힐의 8 알비온 크레센트(현재 도완사이드 로드)에서 52세의 나이로 사망했다. 그는 미혼이었고 자녀는 없었다. 그의 사망 신고는 외삼촌인 알렉스 그라함(Alex Grahame)이 하였다.

3. 열역학 연구

랭킨은 젊은 시절부터 열기관의 역학에 깊은 관심을 가졌고, 이를 바탕으로 열역학 분야에서 중요한 연구를 수행했다. 그는 1849년 포화 증기압과 온도 사이의 관계를 밝히고, 이듬해에는 이를 확장하여 기체 및 액체의 상태 변화에 대한 이론적 기초를 마련했다. 특히 포화 증기의 겉보기 비열이 음수 값을 가질 수 있다는 예측은 당시로서는 획기적인 것이었다.

1851년에는 열기관의 효율을 분석하여 최대 효율이 작동 온도에만 의존한다는 원리를 제시했으며, 이는 이후 랭킨 사이클 개념으로 발전하는 토대가 되었다. 또한 1853년 '[[위치 에너지]]'라는 용어를 도입하고 에너지 보존 개념을 적용하는 등 에너지 연구에 중요한 기여를 했다. 1854년부터는 나중에 엔트로피와 동일한 개념으로 밝혀진 '열역학적 함수'를 연구에 활용했으며, 1855년에는 에너지 변환을 중심으로 역학을 설명하는 '[[열역학|에너지학]](science of energetics)'을 체계화했다.

이러한 이론적 연구를 바탕으로 랭킨은 랭킨 온도 눈금, 랭킨 사이클, 랭킨-위고니오 방정식 등 실제 응용과 관련된 중요한 개념들을 정립했다. 그의 연구는 열역학의 발전에 크게 기여했으며, 특히 공학 분야에 미친 영향이 지대하다.

3.1. 랭킨 사이클

랭킨 사이클은 윌리엄 존 매퀀 랭킨이 열기관의 메커니즘 연구를 통해 개발한 중요한 개념이다. 랭킨은 젊은 시절부터 열기관에 깊은 관심을 보였으며, 1849년에는 포화 증기압과 온도 사이의 관계를 밝히는 데 성공했다. 이듬해에는 이 이론을 바탕으로 기체의 온도, 압력, 밀도 간의 관계와 액체의 증발 잠열에 대한 식을 확립했다. 또한 포화 증기의 겉보기 비열이 음수 값을 가질 것이라는 놀라운 사실을 정확하게 예측하기도 했다.

이러한 연구 성과를 바탕으로 1851년, 랭킨은 열기관의 효율을 계산하기 시작했고, "모든 열기관의 최대 효율은 작동하는 두 온도만의 함수"라는 중요한 원리를 도출했다. 이는 랭킨 사이클의 이론적 기초가 되었다. 비록 루돌프 클라우지우스와 윌리엄 톰슨이 비슷한 시기에 유사한 결과를 발표했지만, 랭킨은 자신의 결과가 카르노의 이론이나 다른 가정 없이 독자적인 분자 소용돌이 가설에 근거한 것임을 강조했다. 이 연구는 랭킨이 보다 완성된 열 이론을 구축하는 데 중요한 첫걸음이 되었다.

랭킨 사이클은 복수기(응축기)를 갖춘 이상적인 열기관을 분석하는 데 사용되는 열역학 사이클이다. 다른 열역학 사이클과 마찬가지로, 랭킨 사이클의 최대 효율은 카르노 사이클의 최대 효율을 계산함으로써 구할 수 있다. 이는 증기 기관과 같은 실제 열기관의 효율을 이해하고 개선하는 데 중요한 이론적 틀을 제공한다.

3.2. 에너지와 엔트로피

랭킨은 젊은 시절 매료되었던 열기관의 역학 연구로 돌아갔다. 1849년에는 포화 증기압과 온도 사이의 관계를 밝히는 데 성공했다. 이듬해, 그는 자신의 이론을 이용해 기체의 온도, 압력, 밀도 사이의 관계와 액체의 증발 잠열에 대한 식을 확립했다. 또한, 포화 증기의 겉보기 비열이 음수 값을 가질 것이라는 놀라운 사실을 정확하게 예측했다.

이러한 성공에 힘입어 1851년, 랭킨은 열기관의 효율을 계산하기 시작했고, 자신의 이론에 근거하여 모든 열기관의 최대 효율은 작동하는 두 온도만의 함수라는 원리를 도출했다. 비록 유사한 결과가 이미 루돌프 클라우지우스와 윌리엄 톰슨에 의해 도출되었지만, 랭킨은 자신의 결과가 카르노의 이론이나 다른 추가적인 가정 없이 오직 분자 소용돌이 가설에만 의존한다고 주장했다. 이 연구는 랭킨이 열에 대한 더 완전한 이론을 개발하는 첫걸음이 되었다. 1853년 그는 위치 에너지(potential energy)라는 용어를 만들었다.

랭킨은 이후 자신의 분자 이론 결과를 에너지와 그 변환에 대한 거시적 관점에서 재구성했다. 그는 동적 과정에서 손실되는 실제 에너지(actual energy)와 그에 의해 대체되는 위치 에너지를 정의하고 구별했다. 그는 이 두 에너지의 합이 일정하다고 가정했는데, 이는 에너지 보존 법칙으로 이미 알려진 개념이었다. 1854년부터 랭킨은 열역학적 함수(thermodynamic function)를 광범위하게 사용했으며, 나중에 이것이 클라우지우스의 엔트로피와 동일한 개념임을 깨달았다. 1855년까지 랭킨은 힘과 운동보다는 에너지와 그 변환의 관점에서 역학을 설명하는 에너지학(science of energetics)을 공식화했다. 이 연구는 일 수행 능력의 관점에서 에너지에 대한 최초의 출판된 정의를 제시했으며, 이는 곧 에너지의 표준적인 일반 정의가 되었다. 이 이론은 1890년대에 매우 큰 영향을 미쳤다. 1859년, 그는 화씨 눈금과 동일한 간격을 가지면서 절대 영도를 0으로 하는 절대 온도 척도인 랭킨 온도 눈금을 제안했다. 1862년 랭킨은 켈빈 경의 보편적인 우주의 열 죽음 이론을 확장하고, 켈빈 자신과 함께 열 죽음 역설을 공식화하여 무한히 오래된 우주의 가능성을 반증하는 데 기여했다.

에너지학은 랭킨에게 과학에 대한 대안적이면서도 더 주류적인 접근 방식을 제공했으며, 1850년대 중반부터 그는 분자 소용돌이 모델을 덜 사용하게 되었다. 그러나 그는 여전히 맥스웰의 전자기학 연구가 자신의 모델을 효과적으로 확장한 것이라고 주장했다. 1864년에는 클라우지우스와 맥스웰이 제안한 선형 원자 운동에 기반한 열의 미시적 이론이 부적절하다고 주장하기도 했다. 하지만 1869년에 이르러 랭킨은 이러한 경쟁 이론들의 성공을 인정했으며, 그 당시 그의 원자 모델은 톰슨의 모델과 거의 유사해졌다.

4. 금속 피로 연구

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랭킨은 철도 차축의 피로 파괴가 취성 균열의 발생과 성장으로 인해 발생한다는 것을 최초로 인식한 엔지니어 중 한 명이었다. 1840년대 초, 특히 1842년 베르사유 열차 참사에서 기관차 차축이 갑자기 파손되어 50명 이상의 승객이 사망하는 등 차축 파괴 사고가 빈번하자, 그는 여러 파손된 차축을 조사했다.

랭킨은 조사를 통해 차축의 숄더나 키 홈과 같은 다른 응력 집중 부위에서 취성 균열이 점진적으로 성장하여 결국 파괴에 이른다는 사실을 밝혀냈다. 이러한 발견은 조셉 글린의 연구에서도 뒷받침되었는데, 글린 역시 파손된 차축을 직접 분석하여 현재 금속 피로로 알려진 과정, 즉 취성 균열이 서서히 성장하여 파괴가 일어난다는 결론을 내렸다. 베르사유 열차 참사를 일으킨 기관차 중 하나의 앞 차축 역시 유사한 방식으로 파손되었을 가능성이 높다고 여겨진다.

랭킨은 자신의 연구 결과를 정리하여 영국 토목 학회에 논문으로 제출했다. 그러나 당시 많은 엔지니어들은 응력이 금속의 "재결정"을 일으킨다고 잘못 믿고 있었기 때문에 그의 연구는 무시되었다. 이 재결정 이론은 완전히 잘못된 것이었으며, 몇 년 후 윌리엄 페어번이 대형 보에서 반복적인 굽힘의 약화 효과를 실험적으로 증명하기 전까지 금속 피로에 대한 가치 있는 연구를 저해하는 결과를 낳았다.

그럼에도 불구하고, 금속 피로는 당시 심각하면서도 잘 이해되지 않는 현상으로 남아 철도 및 여러 분야에서 발생하는 많은 사고의 근본 원인이었다. 오늘날에는 금속 피로 현상에 대한 이해도가 훨씬 높아져 신중한 설계를 통해 예방할 수 있게 되었지만, 여전히 중요한 공학적 문제로 다루어지고 있다.

5. 기타 연구 및 업적

랭킨은 열역학과 공학 분야에서 중요한 여러 개념과 이론을 정립했다. 그의 이름을 딴 대표적인 업적으로는 다음이 있다.

* 랭킨 사이클
* 랭킨 소용돌이(Rankine vortex)
* 랭킨-위고니오 방정식

그는 1855년 11월부터 1872년 12월 사망할 때까지 글래스고 대학교에서 토목 공학과 기계 공학 분야의 레기우스 교수로 재직하며 다양한 연구를 수행했다.

5.1. 토목 공학

랭킨은 토목 공학 분야에서 중요한 업적을 남겼다. 주요 기여 분야는 다음과 같다.

* 골조 구조물의 힘
* 토질 역학, 특히 측방 토압 이론과 옹벽의 안정화

토압 해석에 사용되는 랭킨법은 그의 이름을 딴 것이다. 영국 지반공학회(British Geotechnical Association)는 랭킨의 공적을 기리기 위해 랭킨 강좌(Rankine Lecture)를 제정하여 운영하고 있다.

5.2. 조선 공학

랭킨은 조선공학을 공학적 과학으로 만들기 위해 클라이드 지역 조선업자들, 특히 그의 친구이자 평생의 협력자인 제임스 로버트 네이피어와 긴밀히 협력했다. 그는 1857년 스코틀랜드 기술자 및 조선 기술자 협회의 창립 멤버이자 초대 회장이었다. 또한 1860년 설립된 왕립 해군 건축가 협회의 초기 멤버였으며, 협회의 연례 회의에 여러 차례 참석했다. 랭킨은 윌리엄 톰슨 등과 함께 논란이 된 HMS Captain호 침몰 사건에 대한 조사 위원회의 위원이었다.

5.3. 군사 관련 활동

랭킨은 1859년 7월 글래스고 대학교에서 글래스고 대학교 장교 훈련단의 전신인 제2 라나크셔 소총 의용군을 창설하는 데 중요한 역할을 했다. 1860년에는 제1 라나크셔 소총 의용군 제2 대대 제1 중대가 창설되자 소령으로 임관했다. 그는 1864년까지 복무했으나, 해군 건축 및 선박 공학과 관련된 업무 과중으로 사임했다.

6. 수상 및 영예

* 스코틀랜드 왕립 예술 협회 회원
* 토목 기사 협회 준회원 (1843년, 정회원이 된 적은 없음)
* 에든버러 왕립 학회 회원 (1850년)
* 왕립 학회 회원 (1853년)
* 키스 메달 (에든버러 왕립 학회, 1854년)
* 스코틀랜드 기술자 및 조선업자 협회 창립 회장 (1857년)
* 더블린 트리니티 칼리지 법학 박사 (1857년)
* 스웨덴 왕립 과학 아카데미 외국인 회원 (1868년)
* 랭킨 절대 화씨 척도는 그의 이름을 따서 명명되었다.
* 랭킨 (달의 동쪽 가장자리 근처에 있는 작은 충돌구) 역시 그의 이름을 따서 명명되었다.
* 2013년, 그는 스코틀랜드 공학 명예의 전당에 헌액된 4명 중 한 명이었다.

7. 주요 저서

* https://archive.org/stream/manualappmecha00rankrich#page/n8/mode/1up 응용 역학 매뉴얼(Manual of Applied Mechanics^영어) (1858)
* 증기 기관 및 기타 원동기 매뉴얼(Manual of the Steam Engine and Other Prime Movers^영어) (1859)
* 토목 공학 매뉴얼(Manual of Civil Engineering^영어) (1861)
* 조선, 이론과 실제(Shipbuilding, theoretical and practical^영어) (1866)
* 기계 및 제재소 매뉴얼(Manual of Machinery and Millwork^영어) (1869)