قبل از سیم بکسل از طناب استفاده می‌شد

طناب‌های ساخته شده از پوست و موی حیوانات یا گیاهان از اولین دستاوردهای تمدن بشری بود. از طناب برای ساخت تور ماهیگیری یا  تله برای شکار حیوانات، برای بلند کردن و کشیدن بارهای سنگین استفاده می‌شد.

نزدیک به 2000 سال تغییری در ساخت و تولید طناب ایجاد نشد. اگرچه لئوناردو داوینچی دو طرح از ماشین‌های تولید طناب کشیده بود اما مانند بسیاری از اختراعات دیگرش، هرگز ساخته نشد. در طراحی‌های داوینچی حتی طرحی از یک قالب برای ساخت سیم آهنی پیدا شد که می‌توانست ساخت سیم بکسل‌ها را امکان‌پذیر کند!

اوایل قرن 19 میلادی، در بالابرهای معدن‌ها از طناب کنفی و زنجیرهای آهنی استفاده می‌شد. اما واردات طناب کنفی گران تمام می شد و تنها در چاه‌های خشک قابل استفاده بود. زنجیرهای آهنی هم فاقد ایمنی کافی بودند زیرا حتی شکستن یک حلقه از زنجیر به افتادن بار منجر می‌شد.

سیم بکسل آلبرت

بین سال‌های 1824 و 1838، یک مهندس آلمانی به نام آلبرت تصمیم گرفت فرآیند نقل و انتقال را در معادن بهبود بخشد. او متوجه شد که آرایش موازی نخ‌ها در طناب کنفی، عامل قدرت آن در حمل بار است. آلبرت تلاش کرد این آرایش منظم را با استحکام آهن ترکیب کند؛ و این اولین تلاش برای ساخت سیم بکسل بود.

اولین سیم بکسل از سه استرند ساخته شده و قطر آن 18 میلی‌متر بود. هر کدام از استرندها چهار مفتول با قطر تقریباً 3.5 میلی‌متر داشت که به وسیله دست، با آرایش لنگ به هم تابیده شده بودند. در 23 جولای 1834 این سیم بکسل برای اولین بار در یک شفت معدن به کار گرفته شد و تمام انتظارات مخترع آن را برآورده کرد. ظرفیت حمل بار این سیم، شش برابر یک طناب کنفی با قطر یکسان و چهار برابر زنجیری با وزن هشت برابر بود.

همه مفتول‌ها در سیم بکسل آلبرت از یک جنس و یک سایز بودند؛ و در شرایط یکسان با طول و شکل یکسان ساخته شده بودند. به علاوه، همه مفتول‌ها را می‌توانست از بیرون بازرسی کند. مورد آخر سیم آلبرت را در تاریخ سیم بکسل و نسبت به همه سیم بکسل‌های بعد از خود متمایز می‌کند؛ و آلبرت به خاطر آن شایسته ی جایگاهی ویژه در بین مخترعان امروزی است.

ساختار سیل از کجا آمد؟

نیاز به نیروی گسیختگی بالاتر و انعطاف‌پذیری بیشتر به طراحی سیم بکسل‌هایی با تعداد مفتول بیشتر منجر شد. استرندهایی که به جای 4 رشته سیم از 6 رشته تشکیل شده و این استرندها حول یک هسته با سایز یکسان تابیده شده‌اند. اگرچه این طراحی برای اختراع آلبرت یک ضعف محسوب می‌شد؛ زیرا در طراحی جدید امکان بازبینی همه مفتول‌ها از بیرون سیم وجود نداشت و هسته از همه زوایا از دید پنهان بود.

در سال 1884 تام سیل آمریکایی تاب موازی را برای سیم بکسل طراحی کرد. تام فکر می‌کرد شکستن سیم‌های داخلی به دلیل انعطاف‌پذیری کم آنها اتفاق می‌افتد. او مطمئن بود اگر سیم‌های داخلی را منعطف‌تر و نازک‌تر و سیم‌های خارجی را نسبت به خوردگی مقاوم‌تر انتخاب کند، این مشکل رفع می‌شود. تام سیل در حین آزمایش‌های خود فهمید که استرندی که تعداد یکسان از مفتول‌های هم‌سایز در هر دو لایه داشته باشد، بسیار خشک و کروی می‌شود. هم‌چنین فهمید که می‌تواند لایه‌ها را به صورت موازی آرایش دهد.

چند سال بعد، یک مهندس آمریکایی به نام جیمز استون سیم بکسلی طراحی کرد که استرندهای آن از 19 مفتول موازی ساخته و فضاهای خالی بین آنها با مفتول‌های نازک پر شده بود. به این ترتیب، ساختار فیلر متولد شد.

اولین ساختار وارینگتون

ساختار وارینگتون نیز احتمالاً بین سال‌های 1884 تا 1890 تولید شده است. مخترع آن گمنام و اساس نام‌گذاری آن نیز نامعلوم است. در ساختار وارینگتون، سیم بکسل از یک هسته و دو لایه سیم با قطر یکسان ساخته ‌شده و فضاهای خالی بین سیم‌های لایه بیرونی با مفتول‌هایی نازک‌تر پر می‌شود. اولین طرح از این ساختار در دفترچه یک مهاجر آلمانی به نام روبلینگ پیدا شد که به عنوان طراح پل بروکلین و بنیان‌گذار صنعت سیم بکسل آمریکا شهرت داشت. روبلینگ 15 سال قبل از اینکه تام سیل استرندهای موازی را طراحی کند، درگذشت. اگر در آن زمان به اهمیت طرح خود پی برده بود، نام روبلینگ به جای تام سیل به عنوان طراح استرندهای موازی ثبت می‌شد.

نام وارینگتون احتمالاً از شهری با همین نام در بریتانیای کبیر گرفته شده که در قرن 19 میلادی دو کارخانه سیم بکسل وایت‌کراس و وارینگتون را در خود جای داده بود. اگرچه در کاتالوگ‌های هیچ‌کدام از این شرکت‌ها هیچ سرنخی وجود ندارد که نشان دهد ساختار وارینگتون در آن زمان طراحی شده است!

سیم‌های فولادی پر قدرت

سیم بکسل‌های فولادی اولین بار در ساخت پل معلق بروکلین به کار گرفته شدند (قبل از آن سیم بکسل از آهن ساخته می‌شد). این پل در سال 1883 افتتاح شد و در آن زمان بلندترین پل دنیا به حساب می‌آمد. سیم بکسل‌ها در کارخانه روبلینگ ساخته شده بود. سیم بکسل‌های پل بروکلین بعد از گذشت بیش از یک قرن جایگزین شدند.

پریفرمینگ (Preforming)

استفاده از فولاد به جای آهن در ساخت مفتول‌های سیم بکسل مشکلاتی به وجود آورد: سیم‌های فولادی نسبت به آهن سخت‌تر بودند و شکل‌دهی آنها به فرم مارپیچ سخت بود. ماکسهام در سال 1886 روشی طراحی کرد که در آن استرندها را قبل از اینکه به هم تابیده شده و سیم بکسل را بسازند، دور یک استوانه می‌پیچیدند. به این ترتیب با ساختار مارپیچی سیم بکسل که حول هسته تشکیل می‌شد، راحت‌تر سازگار می‌شدند. اما از پیش فرم دادن استرندها بسیار گران تمام می‌شد و بنابراین طرح ماکسهام کاربردی نشد.

تا آنجا که می‌دانیم پریفرمینگ استرندها تا قبل از دهه 1920 انجام نشد.

تاب لنگ

جان لنگ مدیر تولید یک کارخانه در انگلستان بود و در سال 1829 طراحی تاب لنگ را برای سیم بکسل به نام خود ثبت کرد. اما مدیران شرکت اهمیتی به طرح او ندادند؛ به همین دلیل جان لنگ استعفا داد و حق تولید سیم بکسل لنگ را به شرکت کردداک (Craddock) داد. در سال 1888 شرکت کردداک شرکت وایت‌کراس (یکی از دو کارخانه مستقر در شهر وارینگتون) را به نقض حق ثبت اختراع لنگ متهم کرد. وایت‌کراس با استناد به قطعه‌ای که از سیم بکسل آلبرت در موزه بریتانیا باقی مانده بود، دادگاه را برنده شد. آن قطعه نشان می‌داد که تاب لنگ حدود 50 سال قبل از آن اختراع اما با گذشت زمان فراموش شده بود. متأسفانه این قطعه دیگر در موزه بریتانیا وجود ندارد.

تاب لنگ با تاب معمولی سیم بکسل چه فرقی دارد؟

در تاب معمولی مفتول‌ها و استرندها در دو جهت مخالف هم تابیده می‌شوند. مثلاً مفتول ها به صورت راستگرد و استرندها به صورت چپگرد بافته شده‌اند و یا برعکس. از بیرون به نظر می‌رسد که مفتول ها نسبت به خط مرکزی سیم، به صورت موازی قرار گرفته‌اند. در مقابل، در تاب لنگ مفتول‌ها و استرندها همه در یک جهت تاب خورده‌اند و در ظاهر به نظر می‌رسد نسبت به خط مرکزی سیم، حالت مورب دارند.

سیم بکسل نتاب

در سال 1887 تلفورد بچلر (Telford Batchelor) طرحی ارائه کرد که در آن لایه‌های سیم بکسل یکی در میان به راست و چپ تابانده می‌شدند. با این روش میل استرندها برای باز شدن، توسط استرند دیگر خنثی می‌شد. در سال 1902 کارخانه برونتون در اسکاتلند اولین آزمایش‌ها را بر روی طرح بچلر انجام داد و دو سال بعد از آن سیم بکسل نتاب برای اولین بار نصب و به کار گرفته شد.

آیا با تولید طناب‌های قدرتمند و سبک، سیم بکسل در آینده نقشی در صنعت خواهد داشت؟

شکی نیست که در آینده طناب‌های ساخته شده از الیاف‌های پر قدرت در بسیاری از کاربردها جایگزین سیم بکسل خواهند شد. این طناب‌ها سبک‌ترند، در برابر خوردگی حساس نیستند و (حداقل بعضی از آنها) به شدت در برابر خستگی (fatigue) مقاومند. با این حال، در زمینه‌های دیگر سیم بکسل‌های فولادی جایگاه خود را تا مدت زیادی حفظ خواهند کرد. با وجود همه پیشرفت‌ها، سیم بکسل هنوز نسبت به رقبای سبک‌وزن خود‌ ضریب کشسانی بیشتری دارد و در مقابل آسیب‌های مکانیکی حساسیت کمتری نشان می‌دهد. علاوه بر آن، در مقایسه با بسیاری از الیاف‌های قدرتمند، سیم بکسل‌های فولادی نسبت به اشعه فرابنفش مقاوم‌ترند و پایان عمر آنها را با اطمینان بیشتری می‌توان تعیین کرد.