ジョン・スコット・ラッセル

ジョン・スコット・ラッセル FRSE FRS FRSA
1847年のジョン・スコット・ラッセル
生まれる	1808年5月9日 ( 1808-05-09 ) パークヘッド、グラスゴー、スコットランド
死亡	1882年6月8日（74歳） ( 1882-06-09 ) ヴェントナー、ワイト島、イギリス[1]
国籍	イギリス
教育	エディンバラ大学、セントアンドリュース大学、グラスゴー大学
職業	エンジニア
配偶者	ハリエット・ラッセル（旧姓オズボーン）
子供たち	オズボーン・ラッセル、ノーマン・スコット・ラッセル、ルイザ・スコット・ラッセル、メアリー・レイチェル・スコット・ラッセル、アリス・M・スコット・ラッセル
両親）	デビッド・ラッセルとアグネス・クラーク・スコット
エンジニアとしてのキャリア
機関	エディンバラ王立協会（評議員 1838-9）、王立協会、土木技術者協会（副会長）、造船技師協会（副会長）、芸術協会（書記 1845-50）
受賞歴	キース賞

ジョン・スコット・ラッセル（1808年5月9日、グラスゴーのパークヘッド生まれ– 1882年6月8日、ワイト島のヴェントナー生まれ）は、スコットランドの土木技師、造船技師、造船技師であり、イザムバード・キングダム・ブルネルと共同でグレート・イースタン号を建造した。彼は、現代のソリトン研究のきっかけとなる並進波を発見し、造船の波線システムを開発しました。

ラッセルは1851年の大博覧会の推進者だった。

ジョン・ラッセルは1808年5月9日、グラスゴーのパークヘッドで、デイヴィッド・ラッセル牧師とアグネス・クラーク・スコットの息子として生まれた。彼はセント・アンドリュース大学で1年間過ごした後、グラスゴー大学に転校した。グラスゴー大学在学中に、彼は母親の旧姓スコットを自分の姓に加えて、ジョン・スコット・ラッセルとなった。彼は1825年に17歳でグラスゴー大学を卒業し、エディンバラに移り、リース機械工学研究所で数学と科学を教え、市内で最も出席率の高い学生となった。^[2]

1832年、エディンバラ大学の自然哲学教授ジョン・レスリー卿が死去すると、スコット・ラッセルはわずか24歳であったが、自然科学の知識と講師としての人気により、常任教授の選出までの間、一時的に空席を埋める教授職に選出された。しかし、常任教授職に立候補するよう勧められたものの、彼は尊敬する他の候補者と競争することを拒否し、その後、工学の専門職と実験研究を大規模に集中させた。^[3]

1839年、彼はダブリンでアイルランドの準男爵サー・ダニエル・トーラー・オズボーンとクランカーティ伯爵の娘ハリエット・トレンチの娘ハリエット・オズボーンと結婚し、2人の息子（ノーマンは存命）と3人の娘、ルイーズ（1841年 - 1878年）、レイチェル（1845年 - 1882年）、アリスをもうけた。彼らはロンドンで5年間、芸術協会の書記官のために用意された家に住み、その後シドナム・ヒルに引っ越した。シドナム・ヒルは、ラッセルとその友人たちが万国博覧会用のパクストンの温室を近くの水晶宮に移してからは特に注目の的となった。^[4]

アーサー・サリバンとその友人フレデリック・クレイは、1860年代半ばにスコット・ラッセルの家を頻繁に訪れていた。クレイはアリスと婚約し、サリバンはレイチェルに求愛した。クレイは裕福な家庭の出身であったが、サリバンは貧しい家庭の若い作曲家であった。スコット・ラッセルはアリスとクレイの婚約を歓迎したが、クレイは婚約を破棄した。しかし、サリバンとレイチェルの関係は禁じられた。ただし、2人はひそかに会っていた。1868年のある時点で、サリバンはルイーズ（1841年 - 1878年）と同時期に（そして秘密裏に）情事を始めた。どちらの関係も1869年初頭までに終わった。^[5]

アメリカ人技術者のアレクサンダー・ライマン・ホーリーは、グレート・イースタンの建造中、ロンドンを何度も訪れたスコット・ラッセルとその家族と親交を深めた。ホーリーはシドナムにあるスコット・ラッセルの家も訪れた。このため、ホーリーと彼の同僚ゼラ・コルバーンは、1860年6月にグレート・イースタンの処女航海でサウサンプトンからニューヨークへ渡った。スコット・ラッセルの息子ノーマンは、ブルックリンにあるホーリーの家に泊まった。ノーマンも処女航海に同行したが、ジョン・スコット・ラッセルは、この航海には参加しなかった。

彼の息子ノーマンは父の跡を継いで造船技師となり、父が設立した造船技師協会に貢献した。^[6]

エディンバラ滞在中、彼は蒸気機関の実験を行い、四角いボイラーを使ってボイラーの表面を固定する方法を考案した。この方法は後に広く普及した。スコットランド蒸気馬車会社が設立され、 2つのシリンダーを持ち、それぞれ12馬力の蒸気馬車を生産した。1834年には6台が製造され、スプリングがしっかりしていて、高水準の装備が施され、1834年3月からグラスゴーのジョージ・スクエアとペイズリーのトンティン・ホテルの間を1時間間隔で時速15マイルで走った。道路管理者は、馬車が道路を摩耗させ、丸太や石で道路にさまざまな障害物を置くため、馬車の運行がさらに困難になるとして反対した。しかし、1834年7月、馬車のうち1台が横転し、ボイラーが壊れ、乗客数名が死亡した。2台の馬車はロンドンに送られ、ロンドンとグリニッジの間を短期間走った。^{[7] [8]}

1834年、運河船の最も効率的な設計を決定するための実験中に、彼は並進波と表現した現象を発見しました。流体力学では、この波は現在ラッセルの孤立波と呼ばれています。この発見は彼自身の言葉で次のように説明されています。^{[9] [10]}

二頭の馬に引かれたボートが狭い水路を急速に進む様子を観察していたところ、ボートが突然止まった。水路の水塊が止まったわけではなく、水塊が激しくかき回された状態で船首の周りに集まり、突然ボートを後に残して猛スピードで前方に転がり、大きな孤立した隆起、丸みを帯びた滑らかで輪郭のはっきりした水の塊の形を取り、形を変えたり速度を落としたりすることなく水路に沿って進み続けた。私は馬に乗ってその水塊を追いかけ、時速約8～9マイル[14 km/h]の速度でまだ進み続けているボートを追い抜いた。長さ約30フィート[9 m]、高さ1フィート～1フィート半[30～45 cm]の元の姿を保っていた。ボートの高さは徐々に低くなり、1～2マイル[2～3 km]追跡した後、水路の曲がりくねった部分でボートを見失った。 1834 年 8 月、私は偶然にも、私が「翻訳の波」と呼んでいる、あの特異で美しい現象に初めて遭遇しました。

孤立波の現象は、1826年にトリノでジョルジョ・ビドーネによって報告されていたが^{[11] [12] [13]}、ビドーネの研究は、同年にエディンバラ科学ジャーナルで言及されたにもかかわらず、オランダとイギリスの研究者には注目されなかったようだ。^[14]

スコット ラッセルは、これらの波の実際的かつ理論的な調査に時間を費やしました。彼は自宅に波の水槽を作り、いくつかの重要な特性に気づきました。

• 波は安定しており、非常に長い距離を移動することができます（通常の波は平らになるか、急峻になって倒れる傾向があります）
• 速度は波の大きさによって決まり、波の幅は水深によって決まります。
• 通常の波とは異なり、それらは決して合体しません。そのため、2 つの波が合体するのではなく、小さな波が大きな波に追い抜かれます。
• 波が水深に対して大きすぎる場合は、波は大きい波と小さい波の 2 つに分かれます。

スコット・ラッセルの実験的研究は、アイザック・ニュートンやダニエル・ベルヌーイの流体力学理論とは対照的であるように思われた。ジョージ・ビデル・エアリーとジョージ・ガブリエル・ストークスは、スコット・ラッセルの実験的観察を、既存の水波理論では説明できなかったため、受け入れるのに苦労した。 1862年、フランスのブルゴーニュ運河で行われた実験の後、ヘンリー・バザンによって追加の観察が報告された。 ^[15] 1863年、バザンは、スコット・ラッセルの研究を特集したRecherches hydrauliques entreprises par MH Darcy（英語：MH Darcyによる水力学的研究）と題する研究論文を執筆した。 ^[16]

バザンの著作のオランダ語訳「Verslag aan de Fransche academie van wetenschappen over het gedeelte der verhandeling van Bazin, betrekkelijk de opstuwingen en de voortbeweging der golven」（英語：バザンの論文のサージと波に関する部分についてフランス科学アカデミーに報告）波の伝播）が特集されました。 1869 年のオランダのKoninklijk Instituut van Ingenieurs (英語: Royal Institute of Engineers )の議事録。フランス語のオリジナル論文および翻訳された論文では、孤立波の速度は次のように与えられます。

${\displaystyle c={\sqrt {g(h+z)}}}$

この式はテキストの中で「スコット・ラッセルの法則」として示されています。^[17]彼の同時代人は理論を拡張しようと試みましたが、説明が提供されるまでに1870年代までかかりました。

レイリー卿は1876年に哲学雑誌に論文を発表し、ジョン・スコット・ラッセルの実験的観察を自身の数学理論で裏付けた。^[18] 1876年の論文でレイリー卿はスコット・ラッセルの名前を挙げ、また最初の理論的扱いは1871年のジョセフ・ヴァレンティン・ブシネスクによるものであることを認めた。ブシネスクも1871年の論文でスコット・ラッセルの名前を挙げていた。^[19] こうしてスコット・ラッセルの孤立波に関する観察は、彼の存命中に著名な科学者たちによって真実として受け入れられた。

コルテウェグとデ・フリースは1895年の論文でジョン・スコット・ラッセルの名前を一切挙げなかったが、1871年のブシネスクの論文と1876年のレイリー卿の論文を引用した。1895年のコルテウェグとデ・フリースの論文はこの主題の最初の理論的扱いではなかったが、ソリトン理論の発展の歴史において非常に重要なマイルストーンであった。^[20]

1960年代に近代的なコンピュータが登場して初めて、スコット・ラッセルの物理学、電子工学、生物学、特に光ファイバーにおける発見の重要性が理解され始め、現代のソリトンの一般理論につながった。^[21]

ソリトンは、定義上、他のソリトンとの衝突によって形状や速度が変化しないことに注意する。^[22]したがって、水面上の孤立波はソリトンではない。2つの孤立波（衝突または追い越し）の相互作用の後、それらの振幅はわずかに変化し、振動残差が残る。^[23]

ラッセルは、波の先頭でこれまで前例のない速度で船を観察する方法を手に入れた後、抵抗が最も少ない船体形状を見つけるという、船の設計におけるより基本的な問題に取り組みました。これは、大量の水を船体の邪魔にならないように効率的に移動させ、通過後に隙間を埋めるために戻すことに関係しているとラッセルは考えました。動力計で慎重に測定することにより、彼は、規則的な正弦波が理想的な形状を生み出すという理論を検証しました。

当初、彼は船尾を船首と対称にできると考えていましたが、すぐに水を除去すると孤立波ではなく従来の波に近いものが生成されることを認識し、最終的に懸垂線状の丸い船尾になりました。

ラッセルの研究は、商船や海軍の船体設計に革命をもたらした。当時の船のほとんどは、積載量を最適化するために丸みを帯びた船首を持っていたが、1840年代から「エクストリーム・クリッパー船」は凹型の船首を持つようになり、蒸気船も次第に凹型になり、グレート・イースタンに至った。フィッシュボーン司令官^[24]がラッセルの見解を提唱した後、アメリカの造船技師ジョン・W・グリフィスは、 1850年の著書『海洋造船論』^[25]でラッセルの研究の影響力を認めたが、ラッセルへの恩義を認めることには消極的だった。

スコット・ラッセルはドップラー効果 の最初の実験的観測の一つ ^[26]を行い、1848年に発表した。クリスチャン・ドップラーは1842年に理論を発表した。

ラッセルの初期の実験研究の多くは英国協会の後援の下で行われ、彼は生涯を通じて、当時ますます重要になりつつあった科学および専門の協会に貢献しました。

1844年、鉄道ブームは最高潮に達した。ラッセルは1841年にブリタニカ百科事典第7版に蒸気機関と蒸気航行についての記事を寄稿しており、同記事は書籍としても出版された。 ^[27] チャールズ・ウェントワース・ディルケはラッセルにロンドンで新しく創刊された週刊紙「レールウェイ・クロニクル」の編集長のポストをオファーし、ラッセル一家はすぐにウェストミンスターの小さな2部屋のアパートに移った。翌年、ラッセルは王立芸術協会が全国博覧会を企画するために設置した委員会の書記にもなり、委員会は一家にストランド地区のタウンハウスを提供した。ラッセルはすぐにヘンリー・コールを委員会に紹介し、1847年の最初の博覧会の数週間前に出展者がいなかったため、ラッセルとコールは製造業者や小売店主を募るために丸3日かけてロンドン中を旅した。この博覧会とその後の2回の博覧会は大成功を収め、1851年には国際版の開催が計画された。この頃までにラッセルは再び造船業を開始し、鉄道ブームは終焉を迎えていた。彼はRSAの任命による万国博覧会の事務局長となったが、この時点ではヘンリー・コールが主導権を握っており、多大な労力の割に彼が得た報酬は金メダルのみであった。

ラッセルは1847年に土木技術者協会の会員となり、定期的に出席して頻繁に寄付を行い、1857年に評議会に選出され、1862年に副会長となった。しかし、ウィリアム・アームストロング卿との金銭紛争に巻き込まれ、会長にはなれなかった。しかし、「講演者として、特に夕食後の講演者として、彼に匹敵する者はほとんどいなかった」^[28]。1849年に寄付は少なかったものの、 王立協会の会員に選出された。

1860年、シドナムの自宅で開かれた会議で造船技師協会が設立され、ラッセルは副会長の一人となった。^[29]彼はほとんどの会議に出席し、ほとんど意見を述べなかった。^{[30] 1864年、彼は}「造船の近代システム」という3巻からなる大著を出版し、建造中の多くの新造船の概要を示した。

彼の死亡記事には造船業について次のように記されている。

「彼はキャリアを始めたとき、それが最も経験的な芸術であることに気づき、それを最も正確な工学科学の1つとして残したと言えるでしょう。この偉大な成果には、彼自身以外にも多くの人が大きく貢献しましたが、彼の個人的な研究とそこから導き出された理論は、科学的な造船学に最初の推進力を与えました。」^[28]

1838年頃から、スコット・ラッセルはグリノックの小さな造船所トムソン・アンド・スパイアーズに勤務し、そこでウェーブラインシステムをロイヤルメール船シリーズに導入するなど、多くの革新的技術を導入した。造船所がケアードに買収された後、彼はロンドンに移ることを決め、1848年にミルウォール・アイアン・ワークス 造船会社を買収した。彼はオーストラリア航路用にブルネルのために2隻の船を建造したが、これはブルネルのSSグレートブリテン、アデレード、ビクトリアとほぼ同じ大きさだった。燃料補給と給水の問題から、ブルネルはこの航海のために大型船を検討したが、同じクラスでさらに5隻が建造された。^[31]

彼らが一緒に事業を始める前に、彼はイザムバード・キングダム・ブルネルから高く評価され、グレート・イースタンを建造するプロジェクトのパートナーとなった。^[32]元々の構想、セル構造、パドルとスクリューの併用はブルネルのアイデアであったが、「この船は波型の形状、縦方向の建造システム、完全および部分的な隔壁、そしてスコット・ラッセル特有の建造の細部を体現している」。^[28]このプロジェクトは多くの問題に悩まされた。スコット・ラッセルはあまりにも低い入札額を提示したため、途中で破産したが、仕事を終えるまで立ち直った。しかし、ラッセルが好んだ乾ドックではなく横向きの進水にこだわったのはブルネルだった。^[33] グレート・イースタンは最終的に1858年に進水した。スコット・ラッセルはビジネスマンというより科学者であり、彼の評判は財政上の不正、重大な職務怠慢、論争から完全に回復することはなかった。ロルト中佐はブルネルの伝記の中で「ラッセルがブルネルを欺き、信頼を裏切ったことは、日が経つごとにますます嘆かわしいほど明らかになっていった」と書いている。^[34]

1850年代、彼は海軍内で鉄の軍艦の建造を主張し、最初の設計であるHMS ウォーリアーは「ラッセル船」であると言われる。^{[35] [36]}その後、彼は問題についてのオープンな議論を妨げる秘密主義に不満を述べ、海軍内で鉄の船は防御できないと主張する人々を批判した。^{[37] [38]}

それまでの列車連絡船がすべて河川船だった時代に、スコット・ラッセルは1868年にボーデン湖で運航する列車連絡船、ボーデン湖トラジェクトを設計し、1869年に就航した。これは世界初の湖を横断する列車連絡船であった。ボーデン湖トラジェクトは喫水が6フィート（1.85メートル）を超えないという珍しい要件を満たす必要があった。彼は列車の応力を上部構造で支えることでこれを達成した。（フランク・E・カービーが設計したミシガン湖を横断する最初の列車連絡船、アナーバーNo.1が就航したのは1892年のことだった。）スコット・ラッセルはボーデン湖トラジェクトの設計を基にドーバーの浅い港を通過できる海峡横断船を設計したが、これが実現したのは1933年になってからだった。^{[39] [40] [41] [42]}

万国博覧会の設計はジョセフ・パクストンに負けたが、スコット・ラッセルは1873年のウィーン万博のためにロタンドを設計した。直径108メートル（354フィート）のこのドームは、視界を遮るつなぎがなく、ほぼ1世紀にわたって世界最大のキューポラであった。これを彼の最大の構造工学上の功績と考える人もいる。^[43]

1838年、彼は論文「水が浮遊体の運動抵抗に対抗する法則について」でエディンバラ王立協会から金のキースメダルを授与された。 1849年6月、エディンバラ王立協会紀要に掲載された「第一級の大孤立波、または並進波」に関する回想録と、英国協会報告書に掲載されたいくつかの回想録により、王立協会会員に選出された。^[44]

1995 年、スコット ラッセルが並進波を観測したユニオン運河をエディンバラ バイパス (A720) に架ける水路が、スコット ラッセルを記念してスコット ラッセル水路と名付けられました。また、1995 年には、ジョン スコット ラッセルが 1834 年に流体ソリトンを観測した場所の近くで、流体ソリトン効果が再現されました。

ヘリオット・ワット大学の建物は彼の名にちなんで名付けられている。

2019年にスコットランド工学殿堂入りを果たした^[45]

彼の 1844 年の論文は古典的な論文となり、150 年以上経った今でも ソリトン関連の論文や書籍で頻繁に引用されています。

• ラッセル、J. スコット (1845)。「波に関する報告」。ヨーク、1844 年 9 月、英国科学振興協会第 14 回会議の報告(PDF)。ロンドン: ジョン マレー。311–390、図版 XLVII–LVII。
• ラッセル、J. スコット (1864)。『近代造船システム』。ロンドン: デイ アンド サン。OCLC 80429969  。
• ラッセル、J. スコット (1885)。『水、空気、エーテルの海における並進の波』ロンドン: Trübner & Co. OCLC  39005948。

• エインガー、マイケル (2002)。ギルバートとサリバン - 二重の伝記。オックスフォード：オックスフォード大学出版局。ISBN 0-19-514769-3。
• ダリゴル、オリヴィエ（2005年）。『流れの世界：ベルヌーイからプラントルまでの流体力学の歴史』オックスフォード大学出版局。ISBN 0-19-856843-6。ソリトンの発見についての議論を含む
• エマーソン、ジョージ S. (1977)。ジョン・スコット・ラッセル: 偉大なビクトリア朝のエンジニアおよび造船建築家。ジョン・マレー。ISBN 0-7195-3393-7。
• 「ジョン・スコット・ラッセルの死亡記事」。タイムズ。2011年5月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。

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• ジョン・スコット・ラッセルと孤立波