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ウィリアム・ジョン・マクウォーン・ランキンFRSE FRS （ / ˈræŋkɪn / 、 1820年7月5日 - 1872年12月24日）は、スコットランドの数学者、物理学者。ルドルフ・クラウジウス、ウィリアム・トムソン（ケルビン卿）とともに、熱力学、特にその第一法則の創始者の一人として貢献した。彼は、摂氏を基準としたケルビン温度目盛に対応する、華氏を基準としたランキン温度目盛を開発した。
ランキンは蒸気機関、ひいてはあらゆる熱機関の完全な理論を構築した。彼の工学科学と実践に関するマニュアルは、1850年代から1860年代にかけて出版されてから数十年にわたり使用された。彼は1840年以降、科学と工学に関する数百もの論文やノートを発表し、その関心は非常に多岐に渡り、若い頃は植物学、音楽理論、数論など、晩年には科学、数学、工学の主要分野のほとんどすべてに及んだ。
彼はライフル兵であると同時に、歌手、ピアニスト、チェリストでもあった。[ 1 ] [ 2 ]
ランキンはエディンバラで、軍人出身の土木技師で、後にエディンバラ・ダルキース鉄道（地元ではイノセント鉄道として知られる）で働いたデイビッド・ランキンの息子として生まれた。 [ 2 ] [ 3 ]彼の母親は、著名な法律家・銀行家のバーバラ・グラハムだった。
彼の父親はスコットランド各地で様々なプロジェクトに従事し、家族もそれに伴って引っ越した。ウィリアムは当初、健康状態が悪かったため自宅で教育を受けたが、[ 4 ]後にエア・アカデミー（1828～29年）に通い、その後グラスゴー・ハイスクール（1830年）に進学した。1830年頃、父親がエディンバラ・ダルキース鉄道の支配人の職を得たため、一家はエディンバラに引っ越した。一家はその後、アーニストン・プレイス2番地に住んだ。[ 5 ]
1834年、彼は数学者のジョージ・リーと共にエディンバラのロージアン・ロードにあるスコットランド海軍陸軍士官学校に送られた[ 6 ] 。その年までにウィリアムはすでに数学に非常に長けており、叔父からアイザック・ニュートンの『プリンキピア』（1687年）のラテン語原本を贈られた。
1836年、ランキンはエディンバラ大学で、ロバート・ジェイムソンの下で博物学を、ジェームズ・デイヴィッド・フォーブスの下で自然哲学を学ぶなど、幅広い科学分野の研究を始めた。フォーブスの下では、物理学的探究の方法と光の波動説に関する論文で賞を授与された。休暇中は、1830年からエディンバラ・ダルキース鉄道の支配人、後に実質的な会計係兼技師を務め、成長著しい都市に石炭を運んでいた父の仕事を手伝った。1838年に学位を取得せずにエディンバラ大学を中退した（当時は珍しいことではなかった）。おそらく家計が苦しかったため、当時アイルランド鉄道委員会の測量士であったジョン・ベンジャミン・マクニール卿の弟子となった。見習い期間中、彼は後にランキン法として知られる鉄道曲線測量の技術を開発し、セオドライトを最大限に活用することで、既存の方法に比べて精度と生産性を大幅に向上させた。実際、この技術は他の技術者によっても同時に使用されており、1860年代にはランキンの優先権をめぐってちょっとした論争があった。
1842年は、ランキンが熱現象を数学的に定式化しようと初めて試みた年でもあったが、実験データの不足に悩まされた。同年後半、ヴィクトリア女王がスコットランドを訪問した際、ランキンはアーサーズ・シートに巨大な焚き火を設営した。この焚き火は、燃料の下に放射状の空気通路を設けた構造になっていた。この焚き火は、スコットランド各地で次々と焚き火を焚くきっかけとなった。
1850年、彼はエディンバラ王立協会のフェローに選出され、推薦者はジェームズ・デイヴィッド・フォーブス教授であった。彼は1851年から1853年の期間、同協会のキース賞を受賞した。彼は1871年から1872年まで同協会の副会長を務めた。 [ 3 ]
1855年から、彼はグラスゴー大学の土木工学および力学の教授を務めた。[ 3 ]
彼は1872年12月24日午後11時45分、グラスゴーのダウアンヒル、アルビオン・クレセント8番地（現在のダウアンサイド・ロード）で52歳で亡くなった。[ 7 ]彼は未婚で子供はいなかった。彼の死亡は叔父のアレックス・グラハム（亡くなった母親の義理の兄弟）によって届け出された。
ランキンは熱機関の力学を研究した。体積が環境に自然に適応する弾性渦の循環流に関する彼の理論は、現代の科学者にとっては空想的に聞こえるかもしれないが、1849年までに彼は飽和蒸気圧と温度の関係を見つけることに成功した。翌年、彼はその理論を用いて気体の温度、圧力、密度の関係、および液体の蒸発潜熱の式を確立した。彼は飽和蒸気の見かけの比熱が負になるという驚くべき事実を正確に予測した。[ 8 ]
1851年に彼はその成功に勇気づけられ、熱機関の効率を計算することに着手し、自身の理論を基に、あらゆる熱機関で可能な最大効率は、それが動作する2つの温度のみの関数であるという原理を導き出した。同様の結果はルドルフ・クラウジウスとウィリアム・トムソンによって既に導き出されていたが、ランキンは、自身の結果はカルノーの理論やその他の追加的な仮定ではなく、分子渦の仮説のみに基づいていると主張した。この研究は、ランキンがより完全な熱理論を開発する旅の第一歩となった。1853年に彼は位置エネルギーという用語を造語した。[ 9 ]
ランキンは後に、自身の分子理論の結果をエネルギーとその変換の巨視的な説明という観点から再定式化した。彼は、動的プロセスで失われる実際のエネルギーと、それを補う位置エネルギーを定義し、区別した。彼は、2 つのエネルギーの合計が一定であると仮定したが、これは、エネルギー保存の法則において、長くは続かなかったものの、すでに馴染みのある考え方であった。1854 年以降、彼は、後にクラウジウスのエントロピーと同一であると気づいた熱力学的関数を広く使用した。1855 年までに、ランキンは、力と運動ではなく、エネルギーとその変換という観点から動力学を説明するエネルギー学を定式化した。[ 10 ]この論文は、仕事をする能力という観点からエネルギーを初めて発表した定義を示しており、[ 11 ]これはすぐにエネルギーの標準的な一般的な定義となった。[ 12 ] この理論は、1890 年代に非常に大きな影響力を持った。 1859年、彼はランキン温度目盛を提案した。これは絶対温度目盛または熱力学的目盛であり、その目盛は華氏温度目盛に等しい。1862年、ランキンはケルビン卿の普遍的熱死の理論を拡張し、ケルビン自身とともに、無限に古い宇宙の可能性を否定する熱死のパラドックスを定式化した。[ 13 ]
エネルギー論はランキンに、自身の科学に対するより主流的なアプローチを提供し、1850年代半ば以降、彼は分子渦をあまり利用しなくなった。しかし、彼は依然として、マクスウェルの電磁気学の研究は実質的に自身のモデルの拡張であると主張していた。そして1864年、彼はクラウジウスとジェームズ・クラーク・マクスウェルが提唱した、直線的な原子運動に基づく熱の微視的理論は不十分であると主張した。ランキンがこれらの競合理論の成功を認めたのは1869年のことだった。その頃には、彼自身の原子モデルはトムソンのモデルとほぼ同一になっていた。
特に工学の教師として、彼は常に自身の理論を用いて数々の実用的な成果を生み出し、それらの物理的原理を解明しようと努めた。その例としては以下のようなものがある。
ローターダイナミクスの歴史は、理論と実践の相互作用に満ちている。ランキンは1869年に初めて回転軸の解析を行ったが、彼のモデルは不十分であり、超臨界速度は達成できないと予測した。
ランキンは、鉄道車軸の疲労破壊が脆性亀裂の発生と成長によって引き起こされることを認識した最初の技術者の一人でした。1840年代初頭、彼は多くの破損した車軸を調査しました。特に、1842年のヴェルサイユ列車事故では、機関車の車軸が突然破損し、50人以上の乗客が死亡しました。彼は、車軸がキー溝などの軸上の肩部やその他の応力集中源から発生する脆性亀裂の漸進的な成長によって破損したことを示しました。彼の見解は、ジョセフ・グリンによる破損した車軸の同様の直接分析によって裏付けられました。グリンでは、車軸は金属疲労として知られるプロセスで脆性亀裂がゆっくりと成長することによって破損していました。ヴェルサイユ列車事故に関与した機関車の1台の前車軸も同様の方法で破損した可能性が高いと考えられます。ランキンは、土木学会で発表した論文で自身の結論を発表しました。しかし、彼の研究は、応力によって金属が「再結晶化」するという誤った考えを頑なに信じていた多くの技術者によって無視された。この誤った考えは、近年まで根強く残っている。再結晶化の理論は全くの誤りであり、数年後にウィリアム・フェアバーンが大型梁への繰り返し曲げによる強度低下効果を示す研究を行うまで、有益な研究を阻害していた。それでもなお、疲労は深刻かつ十分に理解されていない現象であり、鉄道をはじめとする多くの事故の根本原因となっていた。現在でも深刻な問題ではあるが、少なくとも今日でははるかに理解が進み、慎重な設計によって防止できるようになっている。
ランキンは、1855年11月から1872年12月に亡くなるまで、グラスゴー大学の土木工学および力学の勅許教授を務め、土木工学と機械工学の様々な分野で工学研究を行った。
ランキンは、グラスゴー大学士官候補生訓練隊の前身である第2ラナークシャーライフル義勇兵隊の設立に尽力し、1859年7月にグラスゴー大学でその組織が第1ラナークシャーライフル義勇兵隊第2大隊第1中隊に編成された後、1860年に少佐に昇進した。彼は1864年まで勤務したが、仕事のプレッシャー（その多くは造船設計に関連するものだった）のために辞任した。
英国地盤工学会が主催するランキン講演会は、ランキンが以下の分野に多大な貢献をしたことを称えて名付けられました。
ランキンは、クライドの造船業者、特に友人であり生涯の協力者であったジェームズ・ロバート・ネイピアと緊密に協力し、造船学を工学科学へと発展させた。彼は1857年にスコットランド技術者・造船業者協会の創設メンバーであり、初代会長を務めた[ 14 ]。彼は王立造船技師協会（1860年設立）の初期メンバーであり、その年次総会に何度も出席した。ウィリアム・トムソンらとともに、ランキンは物議を醸したHMSキャプテン号沈没事故の調査委員会のメンバーであった。
