Γράφει ο Αδριανός Πούλος
Κατά τις επισκέψεις μας σε κάποιο ναυτικό μουσείο, όλοι στεκόμαστε με απορία στα διάφορα εργαλεία ή συσκευές που βοηθούσαν τους ναυτικούς (εννοώντας κυρίως τους ανθρώπους της γέφυρας) στην προσπάθειά τους να προσδιορίσουν τη θέση του πλοίου και τα στοιχεία του πλού. Έτσι βλέπουμε διάφορα είδη εξάντων (η μόνη συσκευή που βελτιωμένη πλέον παραμένει υποχρεωτικά σαν λύση ανάγκης στις γέφυρες των πλοίων), μηχανικά δρομόμετρα, διαστημόμετρα (ο πρόδρομος του ραντάρ) κ.α. Σπάνια (ή και καθόλου) όμως βλέπουμε αντίστοιχες συσκευές από τα χρόνια που οι ατμομηχανές αντικαθιστούσαν τα ιστία και οι μηχανικοί (πλήρωμα πλέον και αυτοί των πλοίων) έπρεπε να τις ελέγχουν. Την περιγραφή και τη λειτουργία μιας τέτοιας συσκευής θα διαβάσετε στο παρόν άρθρο. Αφορμή στάθηκε η «ανακάλυψη» στα προσωπικά αντικείμενα του παππού μου όπως μου τα παρέδωσε ο πατέρας μου (αμφότεροι Α΄ Μηχανικοί του ΕΝ ) μιας συσκευής για την οποία η μόνη πληροφορία που είχα, ήταν ότι μετρούσε την πίεση των ατμομηχανών. Έπρεπε να περάσουν αρκετά χρόνια και να έχω στη διάθεσή μου τη βοήθεια του διαδικτύου, ώστε να αποκρυπτογραφήσω ότι η συγκεκριμμένη συσκευή είναι ένας ενδείκτης πίεσης τύπου Richards.
Γενική περιγραφή
Από τα πρώτα στάδια εκμετάλευσης του ατμού στην κατασκευή ατμομηχανών, το πρόβλημα που αντιμετώπιζαν οι κατασκευαστές ήταν να βρούν ένα τρόπο μέτρησης της απόδοσής τους. Όταν σήμερα προκειμένου να ελεγχθεί η λειτουργία μιας μηχανής πχ. ενός αυτοκινήτου, ο μηχανικός προσαρμόζει επάνω της κάποια συσκευή τελευταίας τεχνολογίας, δεν κάνει τίποτε αλλο από αυτό που κάνουν οι μηχανικοί εδώ και διακόσια χρόνια.
Το πρώτο όργανο για την ανάλυση της λειτουργίας μιας μηχανής και την καταγραφή των αποτελεσμάτων σε ένα κομμάτι χαρτί εφευρέθηκε λίγο πριν το 1800. Οι περισσότεροι συγγραφείς αποδίδουν την εφεύρεση στον James Watt, αν και άλλοι την αποδίδουν στον John Southern, έναν μηχανικό που δούλευε για τον Watt. H συσκευή ονομάστηκε από τον εφευρέτη της, «ενδείκτης ατμομηχανών» (steam engine indicator), μία ονομασία που διατηρείται μέχρι και σημερα («δυναμοδείκτης» είναι ο όρος που χρησιμοποιείτο στο Ελληνικό Εμπορικό Ναυτικό). H “Bolton και Watt”, η εταιρεία στην οποία εργαζόταν ο Johnson, αναγνώρισε το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα της κατοχής μιας τέτοιας συσκευής, με αποτέλεσμα να κρατήσει την εφεύρεση τόσο μυστική που δεν την κατοχύρωσε καν. Φαίνεται ότι η μυστικότητα που περιέβαλλε τον ενδείκτη του Watt, διατηρήθηκε για περίπου 100 έτη. Η πρώτη φωτογραφία αυτού του ενδείκτη εμφανίζεται το 1906 σε ένα κατάλογο του τμήματος επιστημών του Μουσείου Victoria και Albert στο Λονδίνο (σημερινού Μουσείου Επιστημών). (βλ. σχήμα 1)
Τρόπος λειτουργίας
O ενδείκτης πίεσης ατμομηχανών είναι ένα όργανο σχεδιασμένο να δείχνει την πίεση του ατμού, σε κάθε σημείο της διαδρομής του εμβόλου. Αυτό επιτυγχάνεται με τον ακόλουθο τρόπο: Ένα μολύβι που μετακινείται επάνω και κάτω, σχεδιάζει μία γραμμή σε ένα χαρτί, το οποίο έχει μία κίνηση εμπρός – πίσω που συμπίπτει με αυτήν του εμβόλου. Για να γίνει πιό κατανοητό ας δούμε τον ενδείκτη Watt που παρουσιάζεται στο σχήμα 1. Ο ενδείκτης είναι στερεωμένος σε κάποιο σημείο του κυλίνδρου της μηχανής επικοινωνώντας με το εσωτερικό του. Όταν ανοίξουμε την βαλβίδα στη βάση του ενδείκτη, ο ατμός που υπάρχει στην μηχανή εισέρχεται στον ενδείκτη. Τότε το έμβολο του ενδείκτη ανεβαίνει προς τα επάνω και την ίδια φυσικά κίνηση κάνει και το μολύβι που είναι στερεωμένο επάνω του. Εάν το χαρτί είναι ακίνητο τότε σχεδιάζει μία κατακόρυφη γραμμή, καθώς η πίεση αυξάνεται και μειώνεται και καθώς ο ατμός εισέρχεται στον ενδείκτη, διαστέλλεται και ακολούθως εκτονώνεται. Εάν όμως το χαρτί μπορεί να μετακινηθεί εμπρός – πίσω, καθώς τό έμβολο μετακινείται εμπρός – πίσω και καθώς η πίεση του ατμού αυξάνεται και μειώνεται, τότε το μολύβι θα σχεδιάσει ένα διάγραμμα που θα δείχνει την πίεση στον κύλινδρο σε κάθε σημείο της διαδρομής. Για να επιτευχθεί αυτό, ένας σπάγγος απλά συνδέεται σε κάποιο σημείο του άξονα του εμβόλου της μηχανής και στο πλαίσιο πάνω στο οποίο είναι στερεωμένο το χαρτί, δίνοντας έτσι την δυνατότητα στο χαρτί και στο έμβολο να κινούνται παράλληλα. Επειδή όμως είναι πρακτικά αδύνατο το χαρτί να κάνει την ίδια ακριβώς διαδρομή με το έμβολο της μηχανής, έχει χρησιμοποιηθεί ένας μηχανισμός «μείωσης» έτσι ώστε το χαρτί να κινείται 4 – 6 ίντσες (10 – 15 εκ) ακόμη και εαν το έμβολο κινείται αρκετά πόδια (3 πόδια ≈ 1 μέτρο). Επιλέγοντας κατάλληλα ελατήρια περιορίζεται η κατακόρυφη κίνηση του μολυβιού σε 2 – 3 ίντσες.
Στα σχήματα 2 και 3 βλέπουμε ένα μάλλον εξειδανικευμένο διάγραμμα,όμοιο με αυτό που δημιουργείται από το μολύβι ενός ενδείκτη. Εύκολα αντιλαμβάνεται κάποιος ποσο πολύτιμες ήταν αυτές οι πληροφορίες για τους μηχανικούς Bolton και Watt, όταν για πρώτη φορά ήταν σε θέση να δούν τι συνέβαινε στο εσωτερικό των κυλίνδρων των μηχανών τους και τι ανταγωνιστικό πλεονέκτημα αποκτούσαν έναντι των κατασκευαστών τους.
Η Εξέλιξη των ενδεικτών – Ο Ενδείκτης McNaugth
Όπως αναφέρθηκε οι Bolton και Watt είχαν κρατήσει την εφεύρεσή τους κρυφή. Το 1820 ή 1830 σε μία έκθεση στη Ρωσία, ένας Άγγλος μηχανικός ονόματι John Farey ανακάλυψε έναν ενδείκτη προσαρμοσμένο σε μία μηχανή των Bolton και Watt και αμέσως αντιλήφθηκε την σημασία του για τους μηχανικούς. Επιστρέφοντας στην Αγγλία συνεννοήθηκε με κάποιον ονόματι William McNaugth να κατασκευάσει ενδείκτες γι΄ αυτόν. Ο McNaught όχι μόνο κατασκέυασε ενδείκτες, αλλά ανακαλύπτoντας ατέλειες στον ενδείκτη του Watt, έκανε μεγάλες βελτιώσεις στην σχεδίαση πριν προχωρήσει στην παραγωγή. Αυτές οι βελτιώσεις ήταν απαραίτητες δεδομένου ότι οι ατμομηχανές με την πάροδο του χρόνου χρησιμοποιούσαν ατμό με όλο και υψηλότερη πίεση και λειτουργούσαν σε υψηλότερες ταχύτητες καθιστώντας, συν τω χρόνω, τον ενδείκτη του Watt απηρχαιωμένο.
Η μεγαλύτερη συνεισφορά του McNaught στην σχεδίαση των ενδεικτών πίεσης, ήταν η αντικατάσταση του επίπεδου πίνακα στήριξης του καταγραφικού χάρτου με έναν κύλινδρο. Καθώς αύξανε η ταχύτητα των ατμομηχανών, η αδράνεια όλων των εξαρτημάτων του ενδείκτη γινόταν συνεχώς και πιό σημαντική. Το περιστρεφόμενο τύμπανο μπορούσε να γίνει πιό ελαφρύ, με συνέπεια να επιταχύνει, να επιβραδύνει ή να επανέρχεται στην αρχική του θέση πολύ πιό εύκολα από το αρχικό πλαίσιο.
Ο Eνδείκτης Richards
Με την πέροδο του χρόνου οι συνεχείς βελτιώσεις στην κατασκευή των ατμομηχανών, είχαν σαν επακόλουθο και τη συνεχή βελτίωση των ενδεικτών. Το 1861 ο σχεδιαστής μηχανών Charles Porter συνεργάστηκε με κάποιον μηχανικό ονόματι Allen στην κατασκευή μιας μηχανής υψηλών ταχυτήτων. Η επιτυχία αυτής της μηχανής, οδήγησε στην κατασκευή μιας μεγαλύτερης που παρουσιάστηκε στην έκθεση του Λονδίνου το 1862. Η ταχύτητά της ήταν τοσο μεγάλη, που μόνο ο ενδείκτης που είχε σχεδιαστεί ειδικά γι΄αυτήν μπορούσε να παράγει αξιόπιστα και χρήσιμα διαγράμματα πίεσης/χρόνου. Ο σχεδιαστής αυτού του ενδείκτη ήταν ο Charles Brinkerhoff Richards (1833 – 1919) ένας επιτυχημένος μηχανικός (εργαζόταν ως σύμβουλος) από το Brooklyn με τον οποίο ο Porter είχε έλθει σε επαφή. Ο Richards αρνήθηκε να κατοχυρώσει τον ενδείκτη αφήνοντας την κατοχύρωση στον Porter και περιοριζόμενος σε ένα ποσοστό επι των πωλήσεων. Ο Porter κατοχύρωσε την εφεύρεση σε πολλές χώρες το 1862-3 μεταξύ των οποιών οι ΗΠΑ και το Ην. Βασίλειο. Η κύρια καινοτομία αυτού του ενδείκτη αφορούσε τον μηχανισμό ενίσχυσης της παράλληλης κίνησης, η οποία εξασφάλιζε ότι το μολύβι που σχεδίαζε το διάγραμμα, θα κινείται σε ευθεία γραμμή. O ενδείκτης Richards ενθουσίασε τους παρατηρητές της έκθεσης, καθώς παρήγαγε τέλεια διαγράμματα στην πρωτόγνωρη (για την εποχή) ταχύτητα των 150 rpm. Κανείς άλλος ένδείκτης της εποχής αυτής δεν μπορούσε να δουλέψει σε τέτοιες συνθήκες, λόγω της αδράνειας που παρουσίαζαν τα βαρύτερα κινούμενα μέρη και της επίδρασης των κραδασμών των αδύναμων ελατηρίων. Στην έκδοση RecordoftheInternationalExhibition, 1862 περιγράφονται οι βελτιώσεις που παρουσίαζε με την αντικατάσταση « με πολύ ελαφρά κινούμενα μέρη προσαρμοσμένα σε ένα κοντό και κατά συνεπεια, σταθερό ελατήριο, σε αντίθεση με τα συγκριτικά βαρύτερα κινούμενα μέρη, προσαρμοσμένα σε ένα μακρύτερο, αδύναμο και κατά συνέπεια τρεμάμενο ελατήριο». Ο Porter παρέμεινε στο Λονδίνο μετά την έκθεση, προσπαθώντας να προωθήσει τόσο την μηχανή όσο και τον ενδείκτη. Τελικά μετά από κάποιες αποτυχημένες προσπάθειες παραχώρησε την άδεια κατασκευής του ενδείκτη στην εταιρεία Elliott Brothers τον χειμώνα του 1862/3.
Οι ενδείκτες Elliott – Richards είχαν βελτιωμένα καταγραφικά μέρη με τη μορφή δύο λεπτών βραχιόνων σε αντίθεση με τον ένα αδύναμο βραχίονα άλλων ενδεικτών. Η καλύτερη σύνδεση του άξονα του εμβόλου με την παράλληλη κίνηση μέσω ενός περιστρεφόμενου μηχανισμού αποδίδεται στο υπάλληλο του Elliott, Edward Darke. Επίσης χρήσιμη καινοτομία ήταν η προμήθεια ανταλλακτικών ελατηρίων. Το 1874 η δυνατότητα των ελατηρίων εκτείνετο από τις 15 lb/sq.in μέχρι τις 175 lb/sq.in. Για να επιτευχθεί αυτή η ευελιξία σε μία μόνη συσκευή, οι ενδείκτες Elliott είχαν μια επιφάνεια εμβόλου της τάξεως της ½ sq.in, διπλάσια από το πρωτότυπο του Richards.
Οι Elliott Brothers κατασκεύασαν «βελτιωμένους» ενδείκτες Richards μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα. Παρά το γεγονός ότι η παραγωγή μειώθηκε μετά την εισαγωγή ακόμη πιό βελτιωμένων ενδεικτών τουλάχιστον 23000 ενδείκτες τύπου Richards κατασκευάστηκαν σε διάφορα μεγέθη. Ο ενδείκτης Richards απαιτούσε προσεκτική κατασκευή και ακριβή τοποθέτηση, ώστε να εργάζεται αποτελεσματικά και ήταν παραδόξως ακριβός. Παρ΄ολα αυτά καθώς οι πιέσεις και οι ταχύτητες των ατμομηχανών αύξαναν δραστικά στα 1860 και 1870, αντίστοιχα αύξανε και η ανάγκη για τις εξελιγμένες αναλυτικές του δυνατότητες. Μέχρι και τη δεκαετία του 1920, πολλοί προμηθευτές εξαρτημάτων ατμομηχανών διαφήμιζαν τους ενδείκτες τύπου Richards (π.χ., οι W.F. Stanley & Co. Ltd στο Λονδίνο). Για μηχανές χαμηλών ταχυτήτων ήταν το ίδιο αξιόπιστοι όπως και οι μετέπειτα ελαφρύτεροι και συνήθως πιό εξελιγμένοι σχεδιαστικά ενδείκτες και κατάλληλοι επίσης για τους λιγότερο εκπαιδευμένους μηχανικούς στους οποίους τους εμπιστεύονταν οι διάφορες εταιρείες. ΄Ηταν επίσης ευρέως διαδεδομένοι για χρήση και στα εμπορικά πλοία της εποχής.
Βιβλιογραφία
- www.farmcollector.com The Story of the Steam Engine Indicator
- http://www.mhs.ox.ac.uk The Museum of the History of Science
- https://archive.org/details/treatiseonrichar00portrich Porter, Charles T:AA Treatise on the Richards Steam-Engine Indicator, with directions for its use.
- http://www.archivingindustry.com/Publications/indicatorbookone.pdf Τhe Autographic Indicator from Watt to Richards
