مخطط المؤشر

مخطط المؤشر هو رسم بياني يُستخدم لقياس الأداء الحراري، أو أداء الأسطوانة، لمحركات البخار الترددية ومحركات الاحتراق الداخلي والضواغط. ^{[ 1 ]} يسجل مخطط المؤشر الضغط داخل الأسطوانة مقابل حجم الهواء الذي يكتسحه المكبس، خلال شوطي المكبس الأربعة التي تُشكل دورة المحرك أو الضاغط. يُستخدم مخطط المؤشر لحساب الشغل المبذول والطاقة المُنتجة في أسطوانة المحرك ^{[ 2 ]} أو المُستخدمة في أسطوانة الضاغط.

طُوِّر مخطط المؤشر بواسطة جيمس وات وموظفه جون ساذرن للمساعدة في فهم كيفية تحسين كفاءة المحركات البخارية . ^{[ 3 ]} في عام 1796، ابتكر ساذرن تقنية بسيطة، ولكنها بالغة الأهمية، لإنشاء المخطط عن طريق تثبيت لوحة بحيث تتحرك مع المكبس، وبالتالي رسم محور "الحجم"، بينما يتحرك قلم رصاص ، متصل بمقياس ضغط ، بزاوية قائمة على المكبس، لرسم محور "الضغط". ^{[ 4 ]}

يُعدّ مخطط المؤشر أحد أقدم الأمثلة على الرسوم البيانية الإحصائية . ولعلّ من المهمّ الإشارة إلى أن وات وساوثرن طوّرا مخطط المؤشر في نفس الوقت تقريبًا الذي نشر فيه ويليام بلايفير (موظف سابق في شركة بولتون ووات، والذي استمرّ في مراسلات ودّية مع وات) كتاب "الأطلس التجاري والسياسي"، وهو كتاب يُشار إليه غالبًا بأنه أول كتاب يستخدم الرسوم البيانية الإحصائية. ^{[ 5 ]}

مكّن المقياس وات من حساب الشغل المبذول بواسطة البخار مع ضمان انخفاض ضغطه إلى الصفر بنهاية الشوط، مما يضمن استخلاص كل الطاقة المفيدة . ويمكن حساب إجمالي الشغل من المساحة المحصورة بين محور "الحجم" والخط المرسوم. وقد أدرك ديفيز جيلبرت هذه الحقيقة الأخيرة في وقت مبكر من عام 1792، واستخدمها جوناثان هورنبلوور في دعوى قضائية ضد وات بشأن براءات اختراع لتصاميم مختلفة. كما كان لدى دانيال برنولي فكرة عن كيفية حساب الشغل. ^{[ 6 ]}

استخدم وات الرسم التخطيطي لإجراء تحسينات جذرية على أداء محرك البخار، وحافظ عليه سرًا تجاريًا لفترة طويلة. ورغم نشره في رسالة إلى مجلة العلوم الفصلية عام 1822، ^{[ 7 ]} إلا أنه ظل غامضًا إلى حد ما، ولم يعلم به جون فاري الابن إلا عندما رآه قيد الاستخدام، على الأرجح من قبل رجال وات، خلال زيارته لروسيا عام 1826.

في عام 1834، استخدم إميل كلابيرون مخططًا للضغط مقابل الحجم لتوضيح دورة كارنو وشرحها ، مما رفعها إلى مكانة مركزية في دراسة الديناميكا الحرارية . ^{[ 8 ]}

استخدمت الأجهزة اللاحقة لمحركات البخار ( انظر الشكل التوضيحي ) ورقًا ملفوفًا حول أسطوانة تحتوي على مكبس ضغط بداخلها، حيث يتم ربط دوران الأسطوانة برأس المكبس بواسطة سلك مشدود بوزن أو زنبرك. ^{[ 9 ]}

في عام 1869، كتب المهندس البحري البريطاني نيكولاس بروكتور بورغ كتابًا كاملاً عن مخطط المؤشر يشرح فيه الجهاز خطوة بخطوة. وقد لاحظ أن "نسبة كبيرة جدًا من المهندسين الشباب ينظرون إلى مخطط المؤشر على أنه منتج غامض". ^{[ 10 ]}

تم تطوير مؤشرات لمحركات البخار، ثم جرى تحسينها لتناسب محركات الاحتراق الداخلي نظرًا لتغيرات الضغط السريعة الناتجة عن الاحتراق، وسرعاتها العالية. فبالإضافة إلى استخدام مخططات المؤشرات لحساب القدرة، تُستخدم هذه المؤشرات لفهم أحداث الإشعال وتوقيت الحقن والاحتراق التي تحدث قرب النقطة الميتة، عندما يكون مكبس المحرك وأسطوانة المؤشر في حالة شبه توقف. ويمكن الحصول على معلومات أدق خلال هذه المرحلة من الدورة عن طريق إزاحة حركة المؤشر بمقدار 90 درجة بالنسبة لعمود المرفق، مما ينتج عنه مخطط مؤشر مُزاح. تُسجل الأحداث عندما تكون سرعة الأسطوانة قريبة من أقصى قيمة لها، وتُعرض مقابل زاوية عمود المرفق بدلًا من شوط المكبس. ^{[ 11 ]}

• مخطط الضغط والحجم
• مخطط درجة الحرارة والإنتروبيا
• دورة الديناميكا الحرارية

• كاردويل، دي إس إل (1971). من وات إلى كلاوزيوس: نشأة الديناميكا الحرارية في العصر الصناعي المبكر . هاينمان: لندن. ص 79-81 . ISBN  0-435-54150-1.
• بيسي، أ. ج. وفيشر، س. ج. (1967) "دانيال برنولي والحيوية الكامنة للهواء المضغوط"، المجلة البريطانية لتاريخ العلوم 3 (4)، ص 388-392، doi : 10.1017/S0007087400002934
• هيئة النقل البريطانية (1957)، دليل مشغلي قاطرات البخار للسكك الحديدية ، لندن  : هيئة النقل البريطانية، ص 81، (نسخة طبق الأصل منشورة بواسطة إيان آلان (1977)، رقم ISBN 0-7110-0628-8)

• والتر، جون. "مؤشر المحرك: دليل لهواة جمع التصاميم الميكانيكية والبصرية/الميكانيكية، من عام 1800 حتى الآن" . archivingindustry.com.