Frederick W. Lanchester
Frederick William Lanchester oli englantilainen insinööri ja yleisnero, joka myötävaikutti merkittävällä tavalla autotekniikan ja aerodynamiikan kehittymiseen. Lisäksi hän oli yhtenä vaikuttajana operaatioanalyysin käsitteen muodostamisessa.
Lanchester kuului brittiläisiin moottoroitujen ajoneuvojen pioneereihin, jonka harrastusmuotoisesta toiminnasta kehittyi autoja teollisesti valmistanut yhtiö Lanchester Motor Company. Häntä pidetään yhtenä kolmesta merkittävimmästä englantilaisesta autoinsinööristä, kaksi muuta ovat Harry Ricardo ja Henry Royce.
Lanchester syntyi Lontoon Lewishamissa kahdeksanlapsisen perheen neljäntenä. Hänen isänsä Henry Jones Lanchester oli ammatiltaan arkkitehti ja äitinsä Octavia yksityisopettaja. Fredrickin ollessa vuoden vanha, perhe muutti Brightoniin. Vartuttuaan nuori Frederick aloitti siellä koulutaipaleensa, siirtyen myöhemmin lähistöllä sijainneeseen sisäoppilaitokseen. Hän ei ollut oppilaana mitenkään poikkeuksellisen lahjakas tai etevä. Frederickin onnistui kuitenkin saada stipendi Southamptonissa sijainneeseen Hartley Institution -oppilaitokseen. Kolme vuotta myöhemmin hän sai stipendin Kensington Collegeen. Frederick täydensi soveltavan insinööritaidon opintojaan ottamalla iltatunteja Lontoossa, "Finsbury Technical School" -oppilaitoksessa, mutta lopetti kouluttautumisensa ennen kuin onnistui saamaan muodollisen pätevyyden.
Päätettyään opintonsa vuonna 1888, hän sai paikan patenttitoimiston teknisenä piirtäjänä, kolmen sen aikaisen punnan viikkopalkalla. Näihin aikoihin hän rekisteröi piirrustuskojeen patentin. Kyseinen koje on geometrisen piirtämisen tärkeä instrumentti.
Vuonna 1919, 51 vuoden ikäinen Frederick avioitui Dorothea Cooperin kanssa. Pariskunta asui aluksi Lontoossa, mutta vuonna he muuttivat vuonna 1924 Moseleyn esikaupunkialueelle, Birminghamin liepeille. Lapseton pariskunta vietti loppuelämänsä siellä, Frederickin itsensä suunnittelemassa talossa.
Frederick valittiin Royal Societyn jäseneksi vuonna 1922, ja vuonna 1926 "Royal Aeronautical Society" huomioi hänet jäsenyydellään ja kultaisella mitalilla.
Vuonna 1925 Lanchester perusti teollisuuden tutkimus- ja kehitystyötä varten "Lanchester Laboratories Ltd." -nimisen yhtiön. Yhtiö kehitti mm. radiota paremmaksi, samoin gramofonin kaiutinta. Suuren laman johdosta hän ei kuitenkaan onnistunut myymään keksintöjään yhdellekään teolliselle valmistajalle. Tästä huolimatta Frederick jatkoi ideoidensa työstämistä, kunnes hänen terveytensä petti ja yhtiön oli suljettava ovensa vuonna 1934. Hänellä diagnosoitiin Parkinsonin tauti, ja tämä, yhdessä molemmissa silmissä olleen kaihin kanssa, estivät häntä tekemästä insinöörityötä enää toisen maailmansodan aikana.
"Institution of Civil Engineers" huomioi Lanchesterin kultaisella mitalilla vuonna 1941 "Institution of Mechanical Engineers" vuonna 1945.
Sen lisäksi että oli loistava insinööri, Frederick Lanchester omasi myös muita lahjoja. Hänellä oli hyvä lauluääni ja pseudonyymillä "Paul Netherton-Herries" hän julkaisi kaksi runokirjaa.
Lanchester, joka ei koskaan ollut onnistunut luomaa taloudellista menestystä, eli loppuvuotensa niukoissa olosuhteissa ja oli ainoastaan hyväntekeväisyyden ansiota, että hän ylipäätään selvityi kotonaan. Frederick Lanchester kuoli Moseleyn Dyott Endin kodissaan maaliskuun kahdeksantena päivänä vuonna 1946.
Aivan vuoden 1888 lopulla Frederick Lanchester sai paikan Birminghamin Saltleyssa sijainneen Forward Gas Engine Companyn tehtaan apulaisjohtajana. Hänen toimisopimukseensa oli sisällytetty lauseke, jonka perusteella yhtiöllä olisi yksinomaiset oikeudet kaikkiin hänen tekemiinsä kehitystyön tuloksiin. Lanchester kuitenkin vaati tämän ehdon poistamista sopimuksesta, ennen allekirjoitusta. Tämä oli kaukonäköistä, sillä vuonna 1889 hän keksi ja patentoi heilurisäätimen, jonka avulla pystyttiin ohjaamaan moottorin käyntinopeutta. Lanchester sai kymmenen sen aikaisen shillingin rojaltin jokaisesta Forward Enginen moottoriin asennetusta säätimestä. Vuonna 1890 hän patentoi heilurikiihtyvyysmittarin, jonka avulla pystyttiin tallentamaan tietoa maantie- ja kiskokaluston kiihtyvyydestä ja hidastuvuudesta.
Silloisen tehtaan johtajan kuoltua, Lanchester sai nimityksen hänen tilalleen. Tässä toimessaan hän suunnitteli suuremman ja voimakkaamman kaasumoottorin kuin yhtiön siihen asti tuottamat. Moottori oli pystysylinterinen ja sen imu- ja pako-lautasventtiilit olivat vastakkain, makaavassa asennossa. Moottorin puristussuhde oli hyvin matala, mutta se oli käytössä taloudellinen.
Vuonna 1890 Lanchester patentoi kaasumoottorien itsekäynnityskojeen. Sittemmin hän myi keksintönsä oikeudet Crossley Gas Engine Companylle sievoisesta summasta.
Lanchester vuokrasi Forward Companyn tehtaan vierestä pienen verstaan omia kokeellisia töitään varten. Täällä hän kehitti pienen pystymoottorin, joka tuotti tehoa 3 hv @ 600 r/min. Tällä moottorilla pyöritettiin dynamoa, jolla saatiin sähkövaloa Forward Companyn toimistoon ja osaan tehdasta.
Lanchester alkoi kokea tehtaan johtamisen ja oman tutkimustyönsä välisen ristiriidan hyvin harmillisena. Niinpä hän vuonna 1893 irtisnoutui toimestaan, nuoremman George-veljensä hyväksi. Näihin aikoihin hän sai valmiiksi toisen moottorinsa, joka oli samankaltainen kuin aiemmin kehitetty, mutta sen käyttövoimana toimi bentseeni ja se oli edeltäjäänsä nopeakäyntisempi (800 r/min). Lanchesterin uuden moottorin tärkeä osa oli vallankumouksellinen kaasutin, jonka avulla ilma ja polttoaine saatiin sekoitettua oikeassa suhteessa. Hänen keksintönsä tunnetaan sydänlankakaasuttimena, koska siinä polttoaine imeytetään sydänlankaan, josta se sitten kaasuuntuu moottorin imuilmaan. Lanchester patentoi tämän keksinnön vuonna 1905.
Lanchester asensi uuden moottorinsa tasapohjaiseen jokilauttaan, jossa se käytti lautan ahterissa sijainnutta siipiratasta. Lautta rakennettiin Lanchesterin silloisen kodin puutarhassa, Warwickshiren Oltonissa. Alus laskettiin vesille Oxfordissa vuonna 1904 ja se oli mitä luultavimmin ensimmäinen täysin englantilaisvalmisteinen moottorivene.
Kun bensiinimoottori oli saatu veneen voimanlähteeksi, seuraava looginen askel oli soveltaa se maakulkuneuvoon. Frederick Lanchesterin vuonna 1895 valmistunut auto oli ensimmäinen Britanniassa valmistettu nelipyöräinen, bensiinikäyttöinen ajoneuvo. Auto ei ollut myyntivalmis tuote, vaan enemmänkin testimuuli. Alkuun se oli varustettu 1-sylinterisellä, ilmajäähdytteisellä moottorilla, jonka jälkeen se sai voimanlähteekseen Lanchesterin kahdella vastakkaiseen suuntaan pyörivällä kampiakselilla varustetun, ilmajäähdytteisen 2-sylinterisen vastaiskumoottorin. Vaihteistona autossa oli Lanchesterin yksinkertainen planeettavaihde. Vaihteistoa ja sen toimintaa kehitettiin uuden moottorin myötä. Ensimmäisen vesion voiman siirto vetävälle taka-akselille tapahtui ketjun välittämänä, myöhemmin autoon asennettiin kardaaniakseli ja matopyörä-vetopyörästö. Uudemman kehitysasteen autossa oli myös pinnavanteet ja ilmakumipyörät.
Lanchester oli auton kehittämisen myötä siirtynyt suurempiin tiloihin Birminghamin Five Ways'n alueelle. Auton kehitystyötä rahoittaakseen hän oli myynyt talonsa. Toisessa, vuonna 1898 valmistuneessa autossa, käytettiin samaa tekniikkaa kuin ensimmäisessä, lisäksi siinä oli Lanchesterin suunnittelema "cantilever-" eli vipuvarsijousitus. Kyseinen auto palkittiin kultaisella mitalilla vuonna 1898 Lontoon Richmondissa pidetyssä automobiilien näyttely- ja testiajotilaisuudessa. Voittonsa ansiosta auto sai nimen "Gold Medal Phaeton".
Vuonna 1898 Lanchester suunnitteli 8 hv:n moottoristaan nestejäähdytetyn version, joka asennettiin potkurikäyttöisen veneen voimanlähteeksi. Vuonna 1900 Gold Medal Phaeton osallistui Royal Automobile Clubin ensimmäiseen "1000 Miles Trial" -ajoon. Lanchesterin auto selvitti reitin menestyksekkäästi, ainoastaan yhden teknisen vian haitattua matkantekoa.
Vuonna 1899 Frederick Lanchester perusti veljiensä Frankin ja Georgen kanssa "Lanchester Engine Company" -nimisen yhtiön, jonka tarkoituksena oli valmistaa ja myydä autoja suurelle yleisölle. Yhtiön tehdas sijaitsi Birminghamin Sparkbrookin alueella, "Armourer Works" -nimellä tunnetussa kiinteistössä. Uusissa tiloissa Lanchester suunnitteli uuden kaksisylinterisen, 10-hevosvoimaisen moottorin. Autojen voimansiirrossa hän päätyi matopyörän käyttöön ja niiden valmistamista varten hän suunnitteli uuden työstökoneen. Kone patentoitiin vuonna 1905 ja sillä valmistettiin kaikki Lanchesterin matopyörät 25 vuoden ajan. Autossa otettiin käyttöön spooritetut vetoakselit kiila-akseleiden sijaan, tämäkin Frederickin innovaatio, jonka hän patentoi. Taka-akselilla käytettiin rullalaakereita, joiden valmistukseen Frederick Lanchester suunnitteli työstökoneen. Auton moottoria ei sijoitettu keulalle vaan etuistuimien väliin. Ohjaus hoitui ratin sijaan kuljettajan viereen sijoitetulla kammella. Auton voimansiirron yhteydessä oli modernia levyjarrua muistuttava laite, jolla auton vauhtia hillittiin kytkintä jarruttamalla.
Lanchester piti yllä jatkuvan kehityksen linjaa. Vuonna 1902 esiteltiin nestejäähdytteinen moottori ja vuonna 1904 suurempi 18 hv:n malli. Samana vuonna hän esitteli myös hieman suuremman, 20-hevosvoimaisen, nelisylinterisen moottorin. Värinätön käynti oli Lanchesterin moottorisuunnitelmien pääpainoalueita ja uusi nelisylinterinen moottori oli varustettu kahdella tasapainoakselilla, järjestelmä joka on yleisesti käytössä tämän päivän moottoreissa. Vuonna 1907 esiteltiin 38 hv:n kuusisylinterinen moottori ja sen yhteydessä kampiakselin päähän sijoitettu värinänvaimennin.
"Lanchester Engine Co:n" kaaduttua konkurssiin vuonna 1904, sen tilalle perustettiin Lanchester Motor Company -niminen yhtiö, joka jatkoi edeltäjänsä liiketoimia. Frederick pysyi aktiivisesti mukana yhtiön toimissa aina vuoteen 1909 asti, jolloin hän siirtyi osa-aikaiseksi konsultiksi. Lopullisesti hän katkaisi siteet yhtiöön vuonna 1914.
Työskennellessään Lanchester Motor Companylla Frederick teki kokeellista tutkimusta polttoaineen ruiskutuksen ja turboahtimien kanssa. Hän lisäsi ohjauspyörän yhtiön valmistamiin autoihin vuonna 1907 ja suunnitteli kaasupolkimen, joka helpotti moottorin käyttöä. Hän kehitti (tai oli ensimmäisten joukossa ottamassa käyttöön) purettavat pinnapyörät, painevoidellut laakerit, takoteräksiset männät, männänrenkaat, ontot kiertokanget sekä aiemmin mainitut tasapainoakselit ja värinänvaimentimen.
Vuonna 1909 Lanchester otti vastaan paikan Daimlerin konsulttina ja teknisenä neuvonantajana. Hän työskenteli Daimlerille sekä sen emoyhtiö BSA:lle seuraavien kahdenkymmenen vuoden ajan.
Vuonna 1918 Lanchester patentoi männän ristitapin voitelujärjestelmän.
Lanchester alkoi tutkia aeronautiikkaa vakavasti vuonna 1892, yksitoista vuotta ennen ensimmäistä onnistunutta konevoimaista lentoa. Olleesaan laivamatkalla Yhdysvaltoihin, hän paneutui seuraamaan lokkien lentoa ja sitä, kuinka ne siipiään liikuttamatta liitivät pitkiä matkoja, hyödyntäen ilmavirran nosteita. Lanchester suoritti eri lintulajeilla mittauksia, saadakseen tuloksia siitä, mikä oli paino- ja tukipisteiden välinen suhde. Pohdintojensa lopputulemana Lanchester muodosti lentämisen kiertovirtausten teorian, joka on sekä aerodynamiikan että siipiprofiiliteorian kulmakiviä. Vuonna 1894 hän testasi teoriaansa lukuisilla malleilla. Vuonna 1897 hän esitteli tutkimustensa yhteenvedon nimellä "The soaring of birds and the possibilities of mechanical flight" tiedeyhteisö "Physical Societylle". Teoria kuitenkin lytättiin täysin, valtaosin koska se oli niin paljon aikaansa edellä, että sitä ei ymmärretty. Lanchester näki ja ymmärsi myös sen, että konevoimaisen lennon suorittamiseen tarvittiin huomattavasti paremman teho-painosuhteen omaava moottori, kuin mikään sen aikaisista oli. Hän lupautui suunnittelemaan ja valmistamaan tarvittavanlaisen moottorin, mutta häntä neuvottiin luopumaan hankkeesta, koska kukaan ei ottaisi häntä sen jälkeen vakavasti.
Lanchester turhautui hänen aeronautiikan teorioitaan kohdanneesta ylenkatseesta ja keskittyi seuraavien kymmenen vuoden ajan ainoastaan autojen kehitystyöhön. Vuonna 1907 hän julkaisi kaksiosaisen teoksen he "Aerial Flight", jossa paneuduttiin konevoimaisen lentämisen problematiikkaan. Teoksessaan hän kehitti mallin siiven takana lennon aikana tapahtuvasta pyörteilystä, lisäksi siinä annetaan ensimmäistä kertaa täysi kuvaus lentamiseen vaikuttavista nosteesta ja vastuksesta. Englannissa hänen teoksensa ei juurikaan saanut vastakaiua, mutta sen sijaan Saksassa se herätti suurta mielenkiintoa. Saksalainen tiedemies Ludwig Prandtl osoitti matemaattisilla laskelmilla Lanchesterin pyörreteorian todeksi. Teoksen toisessa osassa Lanchester kohdistaa huomionsa ilma-aluksen vakauteen, "aerodonetiikkaan", kehittämänsä fugoiditeorian pohjalta, johon sisältyy kuvaukset heilahtelusta ja sakkaamisesta. Tällä työllään Lanchester loi suuntaviivat valtaosalle ilma-alusten rakenteellisista ratkaisuista. Lanchester sai tunnustuksen myötävaikuttamisestaan aeronautiikan kehittymiseen vasta elämänsä ehtoopuolella.
Vuonna 1909 Britannian silloinen pääministeri Herbert Henry Asquith perusti ilmailun tulevaisuutta pohtineen "Royal Advisory Committee on Aeronautics" -komitean, johon Lanchester nimitettiin jäsenenä. Lanchester näki lentokoneiden roolin mahdollisissa sotatoimissa hyvinkin merkityksellisenä, toisin kuin vanhakantainen aatelinen sotilaspäällystö, joidenka mielestä sodankäynnin tavat eivät tulisi suuresti poikkeamaan aiemmista.
Vuonna 1909 Lanchester patentoi vastakkaisiin suuntiin pyörivän lentokonepotkurin rakenteen. Vuodesta 1909 vuoteen 1911 Lanchester toimi lentokonevalmistaja White and Thompson Co:n konsulttina. Hänen käsialaansa olivat yhtiön kaksitason monet innovatiiviset ominaisuudet, kuten alumiinipäällysteiset siivet ja ontoin teräsputkin toteutettu kolmiotukirakenne. Testikone, jonka suunnittelussa Lanchester oli ollut mukana, tuhoutui koelennolla vuonna 1911. Tämän jälkeen Lanchester vetäytyi käytännön aeronautiikan parista.
Vuonna 1916, ensimmäisen maailmansodan aikana Frederick Lanchester johti ryhmän differentiaaliyhtälöitä, jotka kuvasivat taistelevien osapuolten keskinäistä voimasuhdetta. Näihin yhtälöihin lukeutuivat "Lanchesterin lineaarinen laki", joka soveltuu antiikkisen sodankäynnin kuvaamiseen ja "Lanchesterin neliölaki", joka puolestaan soveltuu moderniin sodankäyntiin, jossa käytetään pitkän kantaman tuliaseita.