Od Autora

Niniejsza publikacja w całości dotyczy lin stalowych, czyli cięgien nośnych, wykonanych przede wszystkim z drutów stalowych, ale także i innych materiałów, zasadniczo służących do przenoszenia obciążeń wzdłużnych, a w pewnych sytuacjach także obciążeń poprzecznych. Stąd wziął się tytuł książki: Liny stalowe. W zamyśle autora książka jest opracowaniem kompletnym, czyli ujmuje tematykę stosowania lin w ujęciu zarówno historycznym, współczesnym oraz przyszłościowym w czterech głównych aspektach, którymi są:

- budowa - opis sposobów wykonania i podstawowych cech dostępnych dla użytkownika konstrukcji lin stalowych;

- właściwości - opis specyficznych cech konstrukcyjnych, które powodują niezwykłą różnorodność zastosowań lin stalowych;

- eksploatacja - opis zachowywania się lin stalowych pracujących w różnych warunkach eksploatacyjnych;

- zastosowania - opis pracy lin stalowych w ich różnych zastosowaniach w urządzeniach do transportu, w budowlach oraz jako elementy pomocnicze.

Powyżej wyszczególnione cztery aspekty są jednocześnie podtytułami książki, na którą składa się 9 merytorycznych rozdziałów. Rozdział 1 to Zarys historii rozwoju lin. Przedstawiono w nim historyczny rozwój lin od prehistorii, poprzez starożytność, średniowiecze, aż do wytworzenia w 1834 r. przez Wilhelma Alberta w Niemczech pierwszej liny wykonanej z drutów stalowych. W rozdziale tym szczególnie podkreślono innowacyjność i uniwersalność w budowie i zastosowaniach lin, które zdaniem autora są jednym z największych wynalazków w historii technologicznej ludzkości. W rozdziale 2, Liny stalowe, przedstawiono metody produkcji oraz budowę splotek współcześnie produkowanych lin stalowych oraz metody badań drutów w trakcie produkcji. Rozdział 3, Przegląd konstrukcji lin stalowych oraz ich połączeń i zakończeń, poświecono wyrobom finalnym, czyli gotowym do zastosowania linom stalowymi. Ponieważ lina jako taka nie może sama pracować, w rozdziale tym przedstawiono podstawowe metody mocowania i łączenia lin z elementami urządzeń, w których pracują. Omówiono też coraz częściej stasowane w budowie lin tworzywa sztuczne oraz nowe rozwiązania konstrukcyjne. Rozdział 4 to Dobór lin stalowych do określonych warunków pracy. Podano w nim metodyki dobierania lin do określonych warunków pracy. Przedstawiono zasady doboru i obliczeń lin w układach cięgnowych, wielokrążkowych i ciernych. Zachowaniu się lin w różnych warunkach eksploatacji poświęcono rozdział 5 Właściwości eksploatacyjne lin stalowych, a w rozdziale 6 Metody badań i oceny stanu lin stalowych omówiono najważniejszy aspekt eksploatacji lin, czyli sposoby oceny ich aktualnego stanu i zasady wycofywania z eksploatacji. W rozdziale 7, Analiza widmowa sygnału cyfrowego oraz modelowanie zużycia zmęczeniowego i dynamiki pracy lin stalowych, przedstawiono zaawansowane cyfrowe metody analizy sygnału diagnostycznego z badań magnetycznych oraz metody modelowania zużycia zmęczeniowego i dynamiki pracy lin stalowych w różnych zamodelowanych warunkach. Rozdziały 8, Zastosowanie lin stalowych w urządzeniach do transportu ludzi i materiałów, i  9, Pomocnicze zastosowania lin stalowych w układach wybranych maszyn i konstrukcji, zawierają liczne przykłady zastosowania lin stalowych w urządzeniach transportu linowego jako elementy konstrukcji i jako różne elementy pomocnicze.

Podstawowym celem tej publikacji jest przyczynienie się do podniesienia bezpieczeństwa oraz wydłużenia czasu eksploatacji lin stalowych. Adresatami książki są studenci kierunków inżynieryjnych, projektanci urządzeń transportowych wykorzystujących liny, producenci i dostawcy lin, pracownicy zatrudnieni w ośrodkach narciarskich, firmach produkujących, montujących, nadzorujących i remontujących urządzenia suwnicowe, dźwigowe itp., pracownicy dozorów technicznych i w końcu pracownicy firm zajmujących się badaniami specjalistycznymi i usługami w zakresie eksploatacji lin. Książka powstaje w okresie trwania pandemii wywołanej koronawirusem. Spowodowało to, że zdalnie są prowadzone praktycznie wszystkie zajęcia na wyższych uczelniach, zdalnie też swoją pracę wykonuje wielu inżynierów. Autor wyraża nadzieję, że pojawienie się tej publikacji w formie książkowej i elektronicznej pomoże wszystkim zainteresowanym w studiowaniu złożonej tematyki eksploatacji lin stalowych.

Zdaniem autora, jak do tej pory nie ma w żadnym kraju podobnej publikacji dotyczącej wieloaspektowej problematyki eksploatacji lin stalowych. Pierwowzorem całości jest wydana w roku 2004 przez Wydawnictwo "Śląsk", dawno już wyczerpana, książka tego samego autora o tytule Eksploatacja lin stalowych. Niniejsze wydawnictwo jest całkowicie zmienione, ale przyjęte w tamtej książce niektóre założenia zachowano. Do tekstu wprowadzono 524 ilustracje o różnym stopniu złożoności. Zostały one przygotowane w taki sposób, aby mogły być studiowane niezależnie od opisu w tekście. Ilustracje w zdecydowanej większości wykonał autor, a dla ilustracji pochodzących z innych źródeł podano autorów. Maksymalnie starano się także wyeliminować opisy matematyczne tam, gdzie było to możliwe. Zrezygnowano też z podawania wielu szczegółowych danych technicznych, przytaczając jednak i omawiając najważniejsze zdaniem autora normy przedmiotowe z omawianego zakresu. Dociekliwy czytelnik może też ten brak szczegółów zrekompensować, studiując dodatkową literaturę, której obszerny wykaz zamieszczono na końcu książki. Literatura ta mogła być zebrana miedzy innymi dzięki licznym publikacjom ukazującym sią w materiałach konferencyjnych i periodyku organizacji OIPEEC.

Intencją autora było dbanie o najwyższą jakość tekstu i ilustracji. Nie było by to możliwe bez merytorycznej ogromnej pracy redaktorów redakcji PWN w osobach: pani Izabeli Mika, pani Marioli Grzywackiej oraz panów Karola Zawadzkiego i Sławka Ląkocy. Nie mniej jednak wszystkie błędy i usterki, które nie zostały zauważone i wyeliminowane, wyłącznie obciążają autora.

Na koniec pragnę podziękować mojej żonie Marcie za ciągłe wspieranie i zainteresowanie tym projektem. Dziękuję także synowi Mikołajowi za zainteresowanie postępami w pisaniu tej książki.

Andrzej Tytko

Kraków, sierpień 2020 r.

Wykaz ważniejszych, stosowanych skrótów oraz oznaczeń wraz z ich jednostkami

- operator skalujący;

2D, 3D - obraz dwu- lub trójwymiarowy;

? - poziom istotności (najczęściej 0,05);

? - kąt opasania liny na kole pędnym [rad];

?, ?1 - kąt zwicia splotek liny, kąt rozwarcia gniazda, np. klinów [°];

? - średnica drutu linowego [mm];

?SFe - przekrój nośny drutu linowego [mm2];

?B [T] - różnica indukcji mierzonej pomiędzy różnymi przekrojami liny;

?SFe? - umowna (parametry: ? = 0 mm i s = 1 mm) zmiana przekroju liny [mm2];

?SFe - przekrój metaliczny uszkodzenia [mm2];

?X, ?Y, ?Z - rozdzielczość skanowania laserowego w kierunku osi X, Y, Z [mm/piksel];

?f - szerokość okienka częstotliwości [Hz];

?t - czas pomiędzy kontrolami stanu liny;

?t - interwał próbkowania sygnału [ms];

?? - przesunięcie czasowe (długość okienka) [s];

? - odkształcenie, wydłużenie [%];

? - sprawność mechaniczna;

? - kąt nabiegu liny na koła kierujące [°];

? - argument liczby zespolonej;

? - środkowy kąt cięciwy starcia [°];

? - bezwymiarowa pulsacja unormowana;

?k - pulsacja składownika widma sygnału o numerze k [rad/s];

?, ?r - strumień magnetyczny [Wb];

? - gęstość materiału [kg/m3];

? - liczba Poissona;

? - współczynnik tarcia;

?s - współczynnik tarcia klinów w szczękach;

?s = tg ? - współczynnik tarcia klinów o linę;

? - pulsacja (częstość kołowa) [rad/s];

? - prędkość obrotowa bębna linowego [1/min];

? - kąt wytarcia drutu linowego [rad];

yn - funkcja bazowa;

?(t, ?) - funkcja bazowa, czyli falka,

? - promień położenia uszkodzenia względem osi liny [mm];

? - kąt tarcia, kąt tarcia klinów w gnieździe [°];

?, ?(i, j) - naprężenia, naprężenie w drucie j w czasie cyklu iteracyjnego i [MPa];

? - kąt nabiegu liny pracującej jako pochylone cięgno [°];

B - wektor indukcji magnetycznej [T];

Br - składowa radialna wektora indukcji magnetycznej [T];

a - część rzeczywista liczby zespolonej (Re);

an - współczynniki funkcji bazowych,

Ak - amplituda k-tego składnika częstotliwościowego widma [mV];

b - część urojona liczby zespolonej (Im);

c - szerokość wytarcia powierzchni drutu, cięciwa starcia [mm];

cLD - czułość rejestracji sygnału w kanale czujnika indukcyjnego LD [mm/mV];

d, dnom - średnica nominalna liny [mm];

d1 - zmierzony wymiar "falistości" liny [mm];

dr - różnica w obciążeniu kolejnych drutów (postęp arytmetyczny) [kN];

dz - współczynnik dynamiki procesu zużycia liny;

D - średnica koła linowego [mm];

D/d - bezwymiarowy stosunek średnicy koła linowego D [mm] do średnicy liny d [mm];

e - długość splotki w miejscu wprowadzenia jej do rdzenia liny [mm];

E - indukowana siła elektromotoryczna [mV];

El - moduł sprężystości liny stalowej [MPa];

EI - sztywność poprzeczna liny [N-m2];

ES - sztywność wzdłużna liny [N];

f [Hz] - częstotliwość [Hz];

f0 - najmniejsza częstotliwość sygnału [Hz];

fk - częstotliwość k-tego prążka w widmie sygnału [Hz];

fs - częstotliwość próbkowania sygnału [Hz];

f{ } - rozkład losowy;

f(t) - sygnał oryginalny;

F - siła obciążająca linę [kN];

F(i, j) - obciążenie w drucie j w czasie i-tego cyklu iteracyjnego [kN];

Fj - obciążenie drutu o numerze j [kN];

Fx - funkcja opisująca kąt fazowy poszczególnych składników harmonicznych [rad];

Fst - obciążenie statyczne liny [kN];

Fluz - siła potrzebna do zluzowania szczęk uchwytu liny [kN];

Fmax - maksymalna siła zastosowana w trakcie obciążania szczęk [kN];

Fobc - dopuszczalne obciążenie liny, obciążenie zewnętrzne liny podczas i-tego cyklu iteracyjnego [%];

Ferz - wytrzymałość liny ekstrapolowana na podstawie badań magnetycznych [%];

g - przyspieszenie ziemskie [m/s2];

h - długość skoku liny, długość wkładki rdzeniowej w zaplocie liny [mm];

h - krok całkowania sygnału LMA lub krok próbkowania sygnału cyfrowego [ms];

h? - wysokość drutu kształtowego [mm];

Hc - natężenie pola koercji magnetycznej [A/m];

i - numer cyklu iteracyjnego w modelu zużycia zmęczeniowego liny stalowej;

I - natężenie prądu [A];

Iconst - prąd zasilania czujnika hallotronowego [mA];

j - numer drutu liny w modelu zużycia zmęczeniowego, liczba urojona ();

k - liczba falowa, stała przeliczeniowa;

kH - stała Halla;

kHC - stała kalibracji czujnika Halla typu LMA [mm2/mV];

ko - bezwymiarowy współczynnik momentu odkrętu liny stalowej;

kR - współczynnik uwzględniający rezystancję czujnika indukcyjnego LD;

l - długość sygnału, długość liny, długość próbki [mm];

L - długość próbki, długość zaplotu, długość odcinka integrowania sygnału [mm];

Lo - długość obwodu liny bez końca [m];

Ld - szerokość garbu drutów na powierzchni liny [mm];

LD - oznaczenie typu czujnika indukcyjnego (Local Defect);

LL - długość skoku liny (Lay Length) [mm];

LBS - (Loss of Breaking Strength) osłabienie liny [kN];

LMA - (Loss of Metallic Area) oznaczenie typu czujnika hallotronowego;

LMA - ubytek przekroju nośnego liny stalowej [mm2];

LMA - zużycie liny stalowej [%];

M - masa [kg];

M - moment siły [N-m];

Mg - moment gnący [N-m];

Mtlr - teoretyczny moment odkrętu dla rzeczywistego geometrycznego wykonania liny [N-m];

Mtlw - teoretyczny moment odkrętu liny w wykonaniu współzwitym [N-m];

n - indeks czasu oznaczający numer kolejnej próbki w sygnale, współczynnik pewności mocowania liny w zacisku, liczba złomów zmęczeniowych;

n?, t? - trwałość całkowita;

n1, t1 - trwałość pierwotna;

nc - liczba cięgien w układzie linowym;

ns - bezwymiarowy współczynnik bezpieczeństwa;

nw - liczba drutów liny;

N - liczba cykli zmęczeniowych, liczba próbek;

N - siła obciążania (nacisku) [kN];

No - liczba cykli, po której druty zaczynają pękać;

Ntrw - trwałość zmęczeniowa liny;

N(i, j) - liczba cykli o naprężeniu ?(i, j) drutu j w czasie i-tego cyklu iteracyjnego;

NDT - (Non-Destructive Testing) badania nieniszczące;

pmax - naciski powierzchniowe maksymalne [MPa];

pśr - naciski powierzchniowe średnie [MPa];

pH - skala kwasowości i zasadowości (stężenie jonów hydroniowych w roztworach wodnych);

p{ } - prawdopodobieństwo szkodzenia prowadzącego do nagłego (katastroficznego) zerwania liny;

q - masa naczynia wyciągowego [kg];

ql - masa 1 m liny (masa katalogowa) [kg/m];

Q - masa użyteczna [kg];

r - współczynnik korelacji;

r2 - współczynnik determinacji liniowej;

R - siła zacisku liny [kN];

Rm - wytrzymałość drutów na rozciąganie [MPa];

RCS - przekrój pręta kalibracyjnego [mm2];

S? - przekrój drutu linowego [mm2];

s - długość szczeliny uszkodzenia w postaci pęknięcia drutu [mm];

Sk - przekrój splotki liny stalowej po kompaktowaniu [mm2];

SFe - przekrój nośny liny stalowej [mm2];

Smin - minimalny przekrój splotki po kompaktowaniu do jej całkowitego zamknięcia [mm2];

sx - odchylenie standardowe rozkładu normalnego;

T - siły tarcia [kN];

t - czas jako zmienna [s];

tn - kolejny termin badania stanu liny;

tn + 1 = tn + ?t - kolejny termin kontroli stanu liny;

U - napięcie [V];

UH - napięcie Halla [mV];

UI - sygnał integrowany [mV-s];

Us - rejestrowany sygnał napięciowy czujnika indukcyjnego LD lub hallotronowego LMA [mV];

UHC - zmiana sygnału LMA wywołana włożeniem i wyjęciem pręta kalibracyjnego [mV];

v - prędkość ruchu liny [m/s];

x - bezwymiarowy współczynnik bezpieczeństwa;

x(t) - sygnał oryginalny;

xl - długość odcinka liny [m];

X(f) - obraz sygnału w postaci zespolonej;

Xk - moduł k-tego składnika zespolonego w jego widmie częstotliwościowym;

z(tn + 1) [%] - wartość zużycia liny w czasie tn + 1 kontroli stanu;

z [%] - stopień zużycia liny;

zdop - wskaźnik zużycia, dla którego lina powinna być odłożona (ubytek przekroju) [%].

1 Zarys historii rozwoju lin

1.1. Rys historyczny rozwoju lin w starożytności

1.1.1. Wprowadzenie

Zanim pierwsza lina stalowa została zainstalowana na pochylni kopalni Carolina w górach Harzu w roku 1834 [273], liny i podobne wyroby wykonywane z włókien naturalnych (sznurki, sznury, powrozy, szoty) były elementami kultury materialnej wytwarzanymi przez człowieka od zawsze, o czym wspomina Yuval Noah Harrari w swoim bestselerze o powstawaniu kultury społecznej człowieka [85]. Były tak wszechobecne, że praktycznie niezauważalne poprzez wielość i oczywistość zastosowań. Elizabeth Wayland Barber w Prehistory textiles [8] pisze: "Sznurek to broń, która pozwoliła ludziom podbić Ziemię". Z kolei kronikarz i znawca historii obiektów życia codziennego Bill Bryson w Krótkiej historii rzeczy codziennego użytku pisze, że "...sznurek to jeden z najbardziej niedocenionych wynalazków w historii ludzkości" [21]. W almanachu zawierającym wybór i opis 1001 najważniejszych wynalazków ludzkości [29] liny wymienione są jako ważne obok tak oczywistych wynalazków jak ogień, koło i igły. Nasuwa się pytanie: co takiego jest w tych elastycznych cięgnach, że były i są wykorzystywane przez wszystkie kultury, na wszystkich zamieszkałych kontynentach i wyspach przez cały okres dziejów ludzkości? Odpowiedź na to pytanie w części daje rys. 1.1. Po jego lewej stronie przedstawiono trzy struktury mogące przenosić siły wzdłużne: szeregową (łańcuch), równoległą (wiązka włókien) i splotkę, czyli strukturę typową dla lin. Widać, że to trzecie rozwiązanie zapewnia najlepszą integralność całej struktury i ma wbudowaną specyficzną cechę, jaką jest duża odporność na uszkodzenia. W takiej strukturze pojedyncze uszkodzenie (np. przerwanie włókna, a w linie stalowej - drutu) ma charakter jedynie lokalny. Wykonując pierwsze struktury przypominające liny, wykorzystano proste spostrzeżenie, że zespół włókien skręconych lub splecionych ze sobą to coś więcej niż proste współdziałanie tych elementów w strukturze szeregowej (łańcuch elementów) lub równoległej (wiązka). Zaobserwowano, że poprzez skręcanie struktura ma większą zdolność do przenoszenia obciążeń, jest także bardzo giętka i jednocześnie ma większą trwałość.

Rys. 1.1. Rola sił tarcia i spiralnej budowy cięgien skręconych z włókien w przenoszeniu obciążeń wzdłużnych i zapewnieniu integralności struktury (oznaczenia: ?F - siła wzdłużna [kN], ? - kąt skręcenia włókna [°], Fwł, Fnorm, Fst - składowe wektora siły przenoszonej przez włókno [kN], N - siła docisku włókna [kN], ? - współczynnik tarcia, T - siła tarcia pomiędzy włóknami [kN]

Dodatkową zaletą było wyeliminowanie podstawowej wady pojedynczego włókna, jaką jest mała wytrzymałość mechaniczna i ograniczona długość. W splocie przerwanie ciągłości pojedynczych włókien nie ma decydującego wpływu na pełnienie podstawowej funkcji przez całą strukturę. Można więc praktycznie wykonać linę (linkę, sznurek, powróz itp.) o dowolnej długości, dysponując jedynie krótkimi pojedynczymi włóknami.

Skuteczność przenoszenia obciążeń wzdłużnych przez struktury skręcone, splecione czy zwite wynika z istnienie sił tarcia, które powodują, że pojedyncze włókno pomimo przerwania ponownie pracuje, gdyż siły tarcia działające na pewnym odcinku "włączają" je ponownie do struktury. Siły tarcia, co przedstawiono po prawej stronie rys. 1.1, włączają do pracy uszkodzone włókno poprzez ich działanie wywołane siłami wzdłużnymi. Należy zauważyć, że na integralność całej struktury mają duży wpływ jeszcze dwa dodatkowe parametry. Jest to kąt zwicia włókien ? [°] i bezwymiarowy współczynnik tarcia włókna o włókno powszechnie oznaczany literą ?. Współczynnik tarcia nie może być zbyt duży, gdyż włókna, mając ograniczoną wytrzymałość na zrywanie, w procesie skręcania rwałyby się, luzowały i w rezultacie nie dałoby się uzyskać współpracy pomiędzy nimi. Integralność tak wytworzonej struktury zależy ponadto od obciążenia pełnej struktury, co oznaczono na rysunku jako sumę sił przenoszonych przez poszczególne włókna ?F [kN]. Im więcej włókien, tym lepiej, ale podstawowym ograniczeniem nośności całej struktury jest wytrzymałość na rozciąganie użytych włókien. Dlatego też wytwórcy lin od zarania dziejów zawsze brali pod uwagę rodzaj materiału i jego przydatność do danego zastosowania. Wraz ze wzrostem siły wzdłużnej rośnie też wartość składowej stycznej - siła Fstyczne [kN], a wraz z nią moment odkrętu, który ze wzrostem obciążenia będzie dążył do odwinięcia skręconych włókien. Znajomość tego faktu powodowała, że wykonawcy lin włókiennych stosowali różne rozwiązania mające temu zapobiec. Najpowszechniejsze było wykonywanie lin w dwóch, a nawet w trzech etapach. Najpierw skręcano pojedyncze włókna w pośrednie struktury, które nazywamy splotkami, a następnie splotki te skręcano w gotową linę. Stosowano też skręcanie w przeciwne strony splotek i lin, skręcanie lin z wielu warstw splotek, splatanie, przeplatanie, stosowanie oplotów, pokryć itp. Dopracowanie się tych technologii ginie w bardzo odległej przeszłości [41, 85]. Przedstawiony na rys. 1.2 hieroglif, którym w starożytnym Egipcie oznaczano wyroby powroźnicze i tkane wykonane z bawełny, świadczy o tym, że już wtedy rozumiano mechanikę pracy lin wykonanych z wielu włókien. Współczesne badania naukowe wskazują, że pierwsze szyte ubrania ze skór pojawiły się nie później niż 200 tys. lat temu [41], a zszywanie nie jest możliwe bez igły i nici, które są prawdopodobnie jednymi z pierwszych ustrojów wykonywanych podobnie jak współczesne liny, choć w innej skali.

Różnego rodzaju plecionki, sznury i liny wykonywane z włókien roślinnych i zwierzęcych, które zostały niezależnie wynalezione, stosowano we wszystkich kulturach na przestrzeni całych dziejów ludzkości. Nie ma takiej kultury materialnej, która nie wytworzyłaby struktury typu lina z dostępnych na danym terenie materiałów włókiennych. Wykonywano je ręcznie, ponieważ kołowrotek przędzalniczy został wynaleziony w Indiach dopiero ok. 700 r. n.e. [29]. Przykładem mogą być prekolumbijskie wyroby sznurowe i linowe znalezione w grotach w kanionie rzeki Chicamocha w Kolumbii w Ameryce Południowej. Wyrabiano z nich głównie tkaniny, sieci juczne służące do transportu itp. Bardzo dużą różnorodność tych wyrobów przedstawiono na rys. 1.3. Artefakty te świadczą nie tylko o znajomości przez ich wytwórców tworzywa, lecz także różnych technologii wykonywania takich struktur z różnych specyficznych materiałów.

Rys. 1.2. Hieroglif egipski oznaczający wyrób włókienny przedstawiony na płaskorzeźbie w piramidzie Tetiego, Egipt 2325-2175 lat p.n.e. (fot. R. Chaplin)

Rys. 1.3. Prekolumbijskie wyroby sznurowe i linowe znalezione w grocie w kanionie rzeki Chicamocha w Kolumbii w Ameryce Południowej, w Kordylierach

Wyroby linowe wykonywane z włókien były wytwarzane i są wytwarzane również współcześnie z bardzo szerokiej gamy materiałów dostępnych w danym miejscu. Kiedy i gdzie wykonano pierwsze takie wyroby, nie wiadomo. Nie mniej jednak badania genetyczne genomu ludzkich pasożytów, a zwłaszcza wszy odzieżowej [85], wskazują, że mogło się to stać 72 ? 42 tys. lat temu. W tym okresie bowiem rozdzieliły się linie genetyczne wszy ludzkiej (Pediculus humanus capitis) i odzieżowej (Pediculus humanus corporis). Ten drugi gatunek zasiedlił nowe dla siebie środowisko w postaci odzieży szytej. Jest to dowód, że wczesny człowiek naszego gatunku, Homo sapiens, potrafił produkować wyroby tekstylne, w tym wytrzymałe sznurki, nici, cienkie linki itp. Bardziej odległa data oszacowana na podstawie badań genetycznych na ok. 110 tys. lat temu zbiega się ze wzrostem liczebności populacji ludzkiej w Afryce, która 20 tys. lat wcześniej skurczyła się do grupki kilku tysięcy osobników [41, 47, 85]. Środek tego przedziału, szacowany na ok. 70 tys. lat temu, wyznacza prawdopodobny exodus naszego gatunku Homo sapiens, zwany przez antropologów jako tzw. wyjście z Afryki [85]. Dolna granica, oszacowana na ok. 30 tys. lat temu, pokrywa się z wynikami badań paleontologicznych wskazujących na to, że człowiek współczesny zasiedlił już wtedy całą Europę oraz Azję z Oceanią i Australią, a obydwie Ameryki ok. 10 tys. lat p.n.e. [47, 85].

1.1.2. Liny w czasach prehistorycznych

Przedstawiona na rys. 1.4 idylliczna scena pochodzi z filmu popularnonaukowego i pokazuje, jak mogło wyglądać splatanie sznurka z dostępnych na miejscu roślin. Wynalezienie technologii wykonywania sznurów i linek z włókien miało fundamentalne znaczenie dla rozwoju populacji ludzkich. Podobne zjawisko wystąpiło ok. 1,5 mln lat wcześniej [41, 47, 85], kiedy to ówcześni przodkowie człowieka współczesnego (Homo ergaster dawna nazwa Homo erectus) opanowali sztukę utrzymywania i wykorzystywania ognia. Zwiększyło to bezpieczeństwo bytowania oraz dało dostęp do ogromnych zasobów białka w postaci preparowanego w ogniu i dymie mięsa. Dzięki temu ówczesny człowiek zyskał dodatkowy czas umożliwiający nawiązywanie i rozwijanie więzi społecznych [47], bo ognisko stanowiło punkt centralny, wokół którego skupiała się cała społeczność, ponieważ zapewniało ciepło, bezpieczeństwo i ją konsolidowało. Wydarzenia te były bez precedensu w dziejach ludzkości, gdyż po raz pierwszy ludzie przestali być tylko elementem przyrody, a potrafili również ją kształtować, np. poprzez wypalanie sawanny, w której bytowali i która ich żywiła.

Wykorzystanie splatanych włókien naturalnych do produkcji sznurków i linek dało możliwość szycia odzieży, budowy przenośnych namiotów ze skór zwierząt, a także narzędzi do łowienia ryb (w postaci wędek, więcierzy, sieci), również narzędzi do polowania na zwierzęta (jak wnyki, lassa, balsy, łuki itp.), a także do pętania upolowanych zwierząt. Haczyki do łowienia ryb wykonane z kości datowane są na 35 tys. lat temu. Sznury i linki wykonane z włókien mogły być używane do wznoszenia siedzib, służąc do wiązania drewnianych tyczek, mocowania skór itp.

Rys. 1.4. Artystyczna wizja przedstawiająca kobiety splatające włókna w linkę ok. 20 tys. lat temu (scena pochodzi z filmu Jacquesa Malaterre, Odyseja rodzaju ludzkiego, produkcji France3 z 2002 r.)

Najprawdopodobniej włókienne sznury służyły do mocowania krzemiennych ostrz do drzewców oczepów, a kamiennych obuchów do drewnianych styli w celu wykonania siekier. Narzędzia tak wykonane były jednocześnie odnawialne i naprawialne. Najstarszy artefakt plecionej liny liczący 17 tys. lat odkryto w jaskini w Lascoux we Francji. Zdaniem autora opanowanie technologii plecenia lin dało pierwotnemu człowiekowi nieprawdopodobny asumpt rozwojowy w nieprzyjaznym środowisku. Dzięki tej nowo nabytej umiejętności człowiek mógł bezpiecznie funkcjonować w częściowym oderwaniu od środowiska, łatwiej zaopatrując się w żywność, a dzięki wytwarzaniu odzieży mógł egzystować w chłodnym klimacie, a jednocześnie budowa siedzib sprzyjała ochronie kobiet i dzieci, co prowadziło do wzrostu liczebności populacji. Szyte ubrania datowane są na ok. 27 tys. lat temu, co dość dokładnie odpowiada dolnemu szacunkowi pojawienia się wszy odzieżowej jako oddzielnego gatunku [29].

Na rysunkach 1.5, 1.6 i 1.7 są pokazane artefakty wyrobów linowych i narzędzi z okresu ok. 50 tys. lat temu, kiedy to nagle pojawiło się wiele nowych technologii, nowych narzędzi oraz wyroby sztuki w postaci niewielkich rzeźb, rysunków naskalnych i jaskiniowych. Badacze tego okresu w dziejach ludzkości piszą o zmianach wręcz skokowych [41]. Rysunek 1.5 przedstawia drabinę sznurową wykonaną z lin, rys. 1.6 - sieć lub więcierz, a rys. 1.7 - polujących wyposażonych w łuk refleksyjny, którego powstanie datuje się na 20 tys. lat temu [29].

Rys. 1.5. Zbieracz miodu wspinający się po drabinie wykonanej z lin, w ręku trzyma wyplatany z włókien kosz, a włosy są upięte i związane sznurkiem w kok. Malowidło naskalne z epoki mezolitu lub paleolitu najwcześniej ok. 14 tys. lat p.n.e. ([189, 190, 269], tekst źródłowy [153])

Rys. 1.6. Skamieniały fragment sieci rybackiej lub więcierza pochodzący z mezolitu lub paleolitu, ok. 14 do 7 tys. lat p.n.e., znaleziony w Finlandii ([189, 190, 269], tekst źródłowy [63])

Narzędzia wytwarzane przez człowieka z biegiem czasu stawały się coraz bardziej skomplikowane, np. wiertło wykorzystujące poluzowaną cięciwę łuku, co pozwalało zamienić ruch posuwistozwrotny na ruch obrotowy (rys. 1.8).

Rys. 1.7. Rysunek naskalny przedstawiający polujących na sawannie uzbrojonych w łuk refleksyjny i bumerang (Tamrin, Sahara, ok. 3 tys. lat p.n.e. [189])

Rys. 1.8. Narzędzie do wiercenia otworów przy użyciu poluźnionej cięciwy łuku (ok. 6 tys. lat p.n.e., Palestyna [189])

Powstanie tego narzędzia i miejsce jego znalezienia ściśle wiążą się z kształtowaniem się pierwszych miast i pojawieniem się kultur osiadłych, co określa się jako tzw. rewolucję neolityczną. Miało to miejsce ok. 12 tys. lat temu [41].

Człowiek jako jedyny gatunek na Ziemi wytworzył kulturę jako cechę swoistą i niepowtarzalną, charakterystyczną wyłącznie dla naszego gatunku. Zaczął też świadomie eksplorować nie tylko bliskie, ale i najdalsze otoczenie. Epokę tę współcześnie dzieli się na kilka podokresów o nazwach ukutych w XIX w. jako paleolit, mezolit czy neolit, czyli epokę kamienia ze względu na odkrywane artefakty i narzędzia wykonywane głównie z kamienia. Wyroby wykonywane z włókien praktycznie nie zachowały się poza nielicznymi skamieniałymi wyjątkami. Rozpoczęła się era ludzkości. Tę wielką podróż ludzkości w pewnym stopniu przedstawia wizja artysty pokazana na rys. 1.9. Według współczesnych badań [41] nie wyglądało to aż tak tragicznie. Dzięki niezwykłej kreatywności przejawiającej się w tworzeniu kultury niematerialnej i materialnej ludzie byli w stanie dotrzeć do wszystkich zakątków globu. Technologie wykonywania lin i innych podobnych wyrobów z dostępnych w danym miejscu surowców tylko w tym pomagały albo wręcz były warunkiem niezbędnym dla rozwoju wczesnych populacji ludzkich.

Kultury zbierackie mogły się obyć bez koła, które przypuszczalnie wynaleziono ok. 3500 lat p.n.e., ale wykonywanie lin, sznurów, sznurków, powrozów itp. poprzez skręcanie, plecenie, przeplatanie włókien było niezbędne dla ich materialnego funkcjonowania.

Rys. 1.9. Obraz z wystawy paryskiej z 1870 r. przedstawiający symboliczną wędrówkę naszych przodków (Paryż, Muzeum d'Orsay)

Jeszcze dzisiaj podstawowym wyposażeniem plemion zbierackich i koczowniczych są różnego rodzaju linki i różnego rodzaju sznury włókienne. Interesujące jest, że w zależności od zastosowania liny takie mają inną budowę i różnią się nazwami w zależności od sposobu wykonania i funkcji. Znamienne dla obecnych czasów jest to, że współczesne ludy koczownicze (Aborygeni w Australii, Buszmeni w Afryce, Indianie w Amazonii) wykorzystują współcześnie produkowane kolorowe linki z tworzyw sztucznych.

Na etapie przejścia z kultury koczowniczej w osiadłą kulturę rolniczą, a potem w miejską, co nastąpiło ok. 13 tys. lat temu, ludzie niezależnie, w kilku miejscach udomowili wiele roślin, w tym te, z których do tej pory na skalę przemysłową wytwarzane są włókna naturalne. Ze względu na sposób pozyskiwania włókien klasyfikujemy je do kilku grup [207]. Są to:

- okrywy nasion, strąki: kokos (Coccos nucifera), bawełna (Gossypium), kapok, czyli puchowiec (Ceiba pentandra);

- łodygi i łyko: bambus - ok. 1000 gatunków (Bamboos), trawy (np. ostnica peruwiańska), len (Linum usitatissimum), konopie (Cannabis sativa), juta, czyli malwa tropikalna (Corchorus), kenaf, czyli ketmia konopiowata (Hibiscus cannabinus), ramie lub szczymiel (Boehmeria nivea), roselle (Hibiscus sabdariffa), sunn hemp, czyli konopie sunna (Crotalaria juncea), pokrzywa (Urtica dioica) oraz włókna uzyskiwane z ponad 10 tys. różnych gatunków drzew, w tym z brzozy i lipy;

- liście: abaca lub manila, czyli banan manilski (Manilla hemp), agawa lub sizal (Agave sisalina), tęgosz mocny lub len nowozelandzki (Phormium tenax);

- produkty uboczne: źdźbła (słoma) ze zbóż, trzciny cukrowej, ryżu.

W okresie prehistorycznym (12÷3 tys. lat p.n.e.) liny wykonywano z głównie włókien roślinnych właściwych dla danego obszaru geograficznego, kory, ale także ze ścięgien, jelit lub skóry zwierzęcej. Umożliwiały one zakładanie pułapek, pętanie zwierząt, przenoszenie dobytku i wznoszenie siedzib i obiektów kultu.

1.1.3. Liny w starożytności

W kulturze starożytnego Egiptu liny miały ogromne znaczenie ze względu na gospodarkę tego kraju skoncentrowaną wzdłuż Nilu. Różnego rodzaju liny służyły do transportu materiału budulcowego, pełniły różne funkcje w żegludze po Nilu i w jego delcie, służyły do połowów ryb, do wiązania rusztowań, podnoszenia i opuszania urządzeń nawadniających itp. Okres ten obejmuje ok. 3 tys. lat. Liny wykonywano z dostępnych materiałów, tj. skóry, włókien palmowych, a przede wszystkim z włókien celulozowych papirusu. Na malowidłach naściennych odkrytych w grobowcach oraz na płaskorzeźbach w świątyniach do tej pory można oglądać liczne zastosowania lin [189, 190, 269]. Zachowały się tam też liczne artefakty, jak fragmenty tkanin i lin. W grobowcu faraona Tutenchamona (1325 r. p.n.e.) odkryto procę do miotania pocisków z dobrze zachowanym cięgnem wykonanym z włókien roślinnych [29]. Niektóre malowidła przedstawiają w detalach technologię wykonywania lin z różnych naturalnych materiałów włókiennych. Są one swoistym przepisem na ich produkcję.

Na rysunku 1.10 artysta przedstawił produkcję liny z włókien liści palmowych. Dokładnie widać wszystkie etapy procesu produkcji. Włókna palmowe są krótkie, dlatego linę wykonywano w trzech etapach. Gotowa lina jest zrobiona ze splotek skręcanych ze struktur pośrednich (sznurków), które są z kolei skręcone z pojedynczych włókien. Sznurki te zostały nawinięte na szpule, następnie skręcone w splotki, a te w grubą linę o średnicy nawet powyżej 100 mm. Gotowa lina ma wyraźnie widoczne zaplecione końce w rodzaj pętli (podobne do również współcześnie stosowanych zaplotów znanych pod nazwą flemish eye). Współczesne liny włókienne z włókien naturalnych lub tworzyw sztucznych wykonuje się w niemal w ten sam sposób. Jako gotowy wyrób lina tego typu najprawdopodobniej służyła jako zawiesie do podnoszenia i przemieszczania dużych gabarytów przy użyciu żurawia lub jako lina cumownicza.

Rys. 1.10. Produkcja liny z włókna z liści palmowych (malowidło ścienne w komorze grobowej w Tebach, Egipt ([189, 190, 269], tekst źródłowy [148])

Na rysunku 1.11 została zobrazowana produkcja liny z papirusu (Cyperus papyrus). Ponieważ włókna tej rośliny są stosunkowo długie, nawet do 6 m, i mocne, linę wykonywano ze splotek, które są zwite bezpośrednio z włókien. Na malowidle zwraca uwagę technologia preparowania długich celulozowych włókien z łodygi rośliny poprzez usunięcie miękkich tkanek. W dolnej części rys. 1.11 przedstawiono dobrze zachowany fragment tej liny. Jest to lina trójsplotkowa prawa przeciwzwita. Wygląda zupełnie jak współczesna lina cumownicza wykonana z konopi. Przez przeciwne zwicie splotek i liny redukowano moment odkrętu. Średnica liny wynosi kilkadziesiąt milimetrów i biorąc pod uwagę odporność włókien papirusu na gnicie, służyła najprawdopodobniej jako lina cumownicza. Zapotrzebowanie na papirus w starożytnym Egipcie i w całym basenie morzą Śródziemnego było tak duże, że już w starożytności przestał on występować naturalnie w delcie Nilu.

Rysunek 1.12 przedstawia produkcję najbardziej wytrzymałej liny, jaką daje się uzyskać z wyrobów naturalnych, czyli ze skór zwierzęcych. Również współcześnie rozpoznawalny widok rozpostartej skóry sugeruje, że najprawdopodobniej była to skóra kozy lub owcy. Na rysunku widać również, że w trakcie procesu zwicia pojedynczych pasm skóry były one wstępnie napinane w celu wyrównania ich długości.

Rys. 1.11. U góry: produkcja liny z papirusu (malowidło w komorze grobowej, Egipt, Teby, ok. 1500 lat p.n.e. ([189, 190, 269], tekst źródłowy [129]), u dołu: gotowy wyrób znaleziony w komorze grobowej w Tebach

Rys. 1.12. Produkcja liny ze skóry bydlęcej (malowidło ścienne w komorze grobowej w Tebach, Egipt ([189, 190, 269], tekst źródłowy [13])

Gospodarka starożytnego Egiptu opierała się na wymianie towarowej prowadzonej na dolnym Nilu, w obszarze jego delty i wzdłuż wybrzeży wschodniej części morza Śródziemnego. Istniał też kanał łączący Nil z morzem Czerwonym. Wykorzystywano statki budowane z trzciny i papirusu, a później wraz z rozwojem technologii z drewna cedrowego, nazywane gubliji. Już w starożytności zapotrzebowanie na drewno cedru (Cedrus libani) było tak duże, że praktycznie zniknęły one z terenów obecnego Libanu, skąd je sprowadzano. Statki miały długość ponad 20 metrów i szerokość 5 m. Wyposażone były w dwa rzędy po 5 wioseł. Transport z wiatrem ułatwiał żagiel rejowy rozpięty na dwóch rejach. Wyporność była na tyle duża, że wystarczała do transportu wielotonowych bloków kamiennych z kamieniołomów w okolicy ówczesnych Teb na miejsce budowy świątyń. Liny służyły do wzmocnienia i ułożenia żagla, jako wanty stabilizowały maszt oraz służyły do kotwienia, cumowania i mocowania towarów. Przedstawiono to na rys. 1.13.

Rys. 1.13. Statki transportowe na Nilu. Po lewej: malowidło grobowe z Deir el-Gebrazi w Egipcie [189], ok. 2400 lat p.n.e., przedstawiające statek zbudowany z trzciny; po prawej: płaskorzeźba staroegipska ze świątyni w Tebach, ok. 1500 lat p.n.e., przedstawiająca statek wykonany z drewna cedrowego (gublija)

Na lądzie transport bloków kamiennych odbywał się na drewnianych saniach ciągnionych linami przez zorganizowane zespoły ludzi. Logistyka takiego transportu jest pokazana na rys. 1.14. Malowidło to przedstawia najprawdopodobniej transport jednego z dwóch posągów faraona XIX dynastii Ramzesa II Wielkiego wykonanych dla jego świątyni w Tebach na wschodnim brzegu Nilu. Nie jest jednak wykluczone, że malowidło to przedstawia transport posągów Amenhotepa III, faraona z XVIII dynastii, na miejsce jego świątyni grobowej budowanej na zachodnim brzegu Nilu. Posąg ten jest wykonany z piaskowca, podczas gdy posągi umieszczane w świątyniach kultu doczesnego faraona wykonywano zazwyczaj z twardego czarnego lub czerwonego granitu. Rysunek 1.15 przedstawia pozostałość jednego z posagów znanych od starożytności jako kolosy Memnona, którą to nazwę spopularyzował grecki filozof i podróżnik Herodot urodzony w 484 r. p.n.e. w Halikarnasie (dzisiaj Bodrum w Turcji). Na tym samym rysunku przedstawiono fotografię posągu świątynnego Ramzesa II w Abu Simbel. Posągi te pokazują, przed jakimi problemami logistycznymi stali budowniczowie w starożytnym Egipcie pracujący praktycznie tylko w kamieniu. Jeżeli malowidło grobowe z rys. 1.14 potraktujemy jako zapis technologii transportu na pustyni dużych gabarytów wykonanych z kamienia, to okazuje się, że przedstawiona scena jest bardzo realistyczna i technicznie uzasadniona. Przyjmując, że w transporcie uczestniczy synchronicznie ok. 200 współpracujących ze sobą ludzi, a siła pociągowa o wartości chwilowej przypadająca na jedną osobę to ok. 50 daN, to całkowita siła pociągowa zespołu przy współczynniku tarcia sanie/piasek o wartości ? = 0,2 byłaby wystarczająca do przemieszczania masy rzędu 50 Mg na znaczne odległości. Masa ta w przybliżeniu odpowiada masom prezentowanych na rys. 1.15 posagów. Malowidło przedstawione na rys. 1.14 uwidacznia, że w trakcie transportu obniżano współczynnik tarcia ?, lejąc pod płozy sań mleko lub najprawdopodobniej olej palmowy. Przypuszczenie to wynika z wielkości naczyń niesionych na nosidłach przez tragarzy. Ówcześni inżynierowie mieli świadomość destrukcyjnej roli nacisków wywieranych poprzez cięgna na wytrzymałość obciążanej powierzchni. Na malowidle widać, że pomiędzy cięgnami linowymi opasującymi monument na wysokości goleni nóg umieszczono specjalne przekładki mające na celu zmniejszenie wartości lokalnych nacisków pochodzących od lin, tak aby te nie wyżłobiły rowków w materiale posagu w trakcie transportu. Gdyby monument był wykonany z twardego granitu, takie podkładki były by zbędne. Sugeruje to, że malowidło przedstawia fragment monumentu wykonanego ze stosunkowo miękkiego piaskowca.. Podsumowując, wielkie budowle starożytnego Egiptu nie byłyby wzniesione, gdyby kultura ta nie dysponowała wystarczającą wiedzą techniczną dotyczącą produkcji lin o odpowiedniej wytrzymałości.

Mniej więcej w tym samym okresie w Europie bliżej nieznane ludy celtyckie wznosiły budowle megalityczne wykonane z bloków kamiennych ustawionych pionowo i usytuowanych na współśrodkowych okręgach lub w długich szeregach. Znajdują się one w Anglii, Francji, a także w Polsce. Najwyższy krąg megalityczny, tzw. "bluestones", znajdujący się w Stonenhange w Anglii, zbudowano ok. 2500 r. p.n.e. z bloków szarawo błękitnej twardej skały zwanej sarsen (rys. 1.16).

Rys. 1.14. Transport kolosa przy użyciu sań ciągnionych linami włókiennymi (malowidło grobowe, Teby, ok. 1300 r. p.n.e. [189, 190, 269], tekst źródłowy [148])

Rys. 1.15. Po lewej: lepiej zachowany tzw. kolos Memnona (Luxor, zachodni brzeg Nilu), po prawej: posąg Ramzesa II Wielkiego (świątynia w Abu Simbel)

Skała ta występuję w odległości 25 km od tego domniemanego miejsca kultu księżyca i słońca, jakim było Stonehage. Krąg ten, obecnie w części zrekonstruowany, wzniesiono przy użyciu lin najprawdopodobniej wykonanych ze skór bydlęcych. Bloki z sarsenu na miejsce były przeciągane linami wykonanymi prawdopodobnie z wilgotnego włókna z kory brzozy dostępnej w okolicy w dużej obfitości. Splatano je na miejscu wykorzystania.

Rys. 1.16. Największy megalityczny krąg w Stonehange w Anglii, koło Oxfordu, wzniesiony wraz z innymi kręgami przez kilka kultur celtyckich w okresie od 3 tys. lat p.n.e. do 1600 lat p.n.e. (fot. TobyEditor, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:A_view_of_Stonehenge_from_the_east.jpg)

W ruinach starożytnej Niniwy (stolica Asyrii ok. 2000 r. p.n.e. do 600 r. p.n.e.) odnaleziono splotki lin wykonane z drutów z brązu. Nie wiadomo, jakie było ich przeznaczenie. Podobnie jak Egipcjanie Asyryjczycy wznosili świątynie swoim bogom. Bardzo ważny w panteonie bóg Aszur był przedstawiany na uskrzydlonym byku. Na płaskorzeźbie z pałacu Aszurbanipala (rys. 1.17) jest pokazany transport statui byka przy użyciu lin i wielokrążków. Technologia ta różni się od technologii transportu tej wielkości gabarytów od stosowanej w Egipcie. W celu zmniejszenia oporów tarcia pod transportowany obiekt podkładano okrągłe kłody drewna. Opory tarcia były wówczas mniejsze, gdyż opory toczenia są znacznie mniejsze od oporów tarcia posuwistego. Można było zastosować liny o mniejszej wytrzymałości wykonane z włókien roślinnych. Sądząc po przedstawieniu na płaskorzeźbie, była to lina lewa trójsplotkowa, przeciwzwita o średnicy ok. 150 mm. Starsze malowidło prezentowane na rys. 1.18 przedstawia scenę wojenną z Asyryjczykami w roli najeźdźców i być może Achajami w roli obrońców. Istotą tej płaskorzeźby jest pokazanie zastosowania liny obtaczającej się po krążku. Lina służyła do podnoszenia i opuszczania ciężarów.

Rys. 1.17. Detale linowe z płaskorzeźby przedstawiającej transport statui bóstwa przy użyciu lin i kłód drewna, w Niniwie (ok. 700 lat p.n.e. [139], www.cheops-pyramide.ch)

Rys. 1.18. Reprodukcja płaskorzeźby z Niniwy przedstawiająca obronę murów przed najazdem Asyryjczyków (ok. 800 lat p.n.e. [189])

Jest to jedno z pierwszych przedstawień maszyny prostej, jakim jest pojedynczy nieruchomy krążek linowy służący do zmiany kierunku ruchu liny nośnej. Wynalazek krążka linowego przypisuje się Asyryjczykom, ok. 750 r. p.n.e. [29], choć w powszechnej świadomości uważa się, że wielokrążek wynalazł Archimedes (287-212 p.n.e.). W roku 480 p.n.e. Herodot z Halikarnasu pisał o roli kołowrotu przy budowie mostów w trakcie tzw. wojen perskich. Oznacza to, że w tym samym okresie potrafiono także budować żurawie do podnoszenia ciężarów. Bez tych urządzeń trudno sobie wyobrazić, jak inaczej powstałyby budowle w Stonehange 2200 lat p.n.e., greckie świątynie, czy jeszcze wcześniej, 3 tys. lat p.n.e, egipskie piramidy. W przyszłości rozwiązania takie zdominują technikę podnoszenia ciężarów. Na podstawie rys. 1.18 można wnioskować, że zastosowana do podnoszenia lina wykonana była z włókien naturalnych, miała stałą średnicę, była giętka i wytrzymała na rozciąganie oraz miała niewielki moment odkrętu. Średnica krążka linowego wynosiła ok. 20 cm, a liny ok. 10 mm. Urządzenie to spełniało również współczesne podstawowe kryteria dotyczące wciągników i wciągarek.

Po opanowaniu wschodniej części morza Śródziemnego starożytni Grecy zdynamizowali handel morski. Na swoich statkach (ok. 1 tys. lat p.n.e., rys. 1.19, po lewej) stosowali wiele typów lin. Różniły się one nie tylko budową, a także nazwą ze względu na przeznaczenie. Były liny do kotwienia, stawiania żagli, liny wantowe, cumownicze, liny do przenoszenia i wiązania towarów. Ślady tego nazewnictwa można odnaleźć w Odysei Homera. Kontynuatorzy, starożytni Rzymianie (rys. 1.19 po prawej) handlowali już w całym basenie morza Śródziemnego i na Atlantyku. Ich statki były bardziej pojemne, służyły głównie do transportu zboża z północnej Afryki. Wyposażenie linowe było podobne.

Rys. 1.19. Po lewej: rzeźba w kości słoniowej przedstawiająca dwóch żeglarzy podnoszących żagiel (Sparta, starożytna Grecja [189, 190, 269], tekst źródłowy [144]; po prawej: płaskorzeźba przedstawiająca rzymski statek kupiecki z bogatym wyposażeniem w liny włókienne ([189, 190, 269], tekst źródłowy [126])

Rzymianie są autorami bardzo ważnej innowacji. Wprowadzili liny konopne do różnego rodzaju dźwigów, kołowrotów i maszyn wojennych (rys. 1.20). W katapulcie wykorzystano istotną właściwość lin, tzn. znaczną sztywność wzdłużną, za którą był odpowiedzialny moduł sprężystości o dużej wartości. Napinana na bębnie katapulty i hamowana lina magazynowała energię sprężystą, którą dostarczała praca wydatkowana na jej rozciąganie. Energia ta wyzwolona w krótkim czasie pozwalała na miotanie różnych masywnych obiektów na duże odległości. Była to istotna innowacja umożliwiająca zdobywanie ufortyfikowanych miast. Takie maszyny konstruowano już 400 lat p.n.e. Filip Macedoński używał balisty, a w średniowieczu konstruowano katapulty balisty i trebusze [29].

Rys. 1.20. (a) Rekonstrukcja rzymskiego dźwigu przekazanego miastu Bonn z okazji jego 2000-lecia; autor Qualle CC BY-SA 3.0; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Roemerkran.jpg); (b) rysunek przedstawiający rzymski dźwig używany ok. 100 r. n.e. (autor: Eric Gaba - Wikimedia Commons user: Sting, CC BY-SA 4.0, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Pentaspastos_scheme.svg)

Potęgi imperium rzymskiego strzegły dobrze uzbrojone legiony, które szybko przemieszczały się po dobrze zbudowanych i utrzymanych legendarnych rzymskich drogach. Legiony w czasie pokoju wykorzystywane były do budowy dróg i fortyfikacji. Dlatego były wyposażone nie tylko w uzbrojenie, ale i w niezbędny sprzęt oraz narzędzia budowlane [270]. Przedstawiony na rys. 1.20(b) przewoźmy dźwig umożliwiał podniesienie przez dwóch ludzi masy nawet do 6000 N (ok. 600 kG) na wysokość kilku metrów. Konstrukcja nośna tego urządzenia kotwiona była do gruntu specjalnymi odciągami linowymi. Samo zaś podnoszenie realizowały dwie maszyny proste: kołowrót oraz układ wielokrążkowy. Dla pewności działania takiego urządzenia niezbędna była elastyczna lina o pewnych parametrach geometrycznych (stabilna średnica, mały moment odkrętu) i wytrzymałościowych.

Mniej więcej w tym samym czasie w Chinach dynastia Han (od ok. 200 r. p.n.e. do 200 r. n.e.) zaczęła administracyjnie kontrolować cały ten ogromny kraj. Warunkiem koniecznym było posiadanie dobrze uzbrojonej armii. Właściwą bronią okazał się łuk refleksyjny (rys. 1.21). Wyrzuca on strzałę z dużą energią, która jest kumulowana w odkształcanej nieliniowo listwie (łęczysku) i napinanej cięciwie. Cięciwa jest rodzajem linki o wyjątkowo dużym module sprężystości, splatanym w tamtym okresie z jelit zwierzęcych lub ze skóry. Poprzez napinanie była w niej gromadzona duża energia sprężysta, oddawana impulsowo w momencie wystrzelenia strzały. W broń tę był wyposażony łucznik spieszony, ale broń ta była naprawdę niebezpieczna, kiedy używał jej jeździec, pod warunkiem że mógł kierować koniem. Do tego celu potrzebna jest uzda, wodze, uprząż, popręgi, strzemiona i siodło. Strzemię i siodło zostało wynalezione w Chinach ok. 300 r. p.n.e. [29]. Wszystkie te usprawnienia wymagały zastosowania trwałych i giętkich wyrobów ze sznurów, linek, powrozów lub ze skóry. Jeszcze bardziej niebezpieczna była kusza, w której cała energia wyrzutu bełtu jest pozyskiwana z napiętej cięciwy. Broń tę również wynaleziono ok. 350 lat p.n.e. [29].

Rys. 1.21. (a) Płaskorzeźba przedstawiająca dzikiego konia pochodząca z grobowca cesarza Chu z dynastii Han oraz (b) wojownik dynastii Han wyposażony w łuk refleksyjny (ok. 150 lat p.n.e.), autor: Qiushufang CC BY-SA 4.0 (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Han_crossbow_cavalry.png)

1.2. Rys historyczny rozwoju lin do Rewolucji Przemysłowej

Omawiając problematykę rozwoju konstrukcji lin włókiennych w aspekcie ich różnorodnych zastosowań w okresie do Rewolucji Przemysłowej, której początek arbitralnie przyjmuje się jako rok 1750, należy zauważyć, że obejmuje on prawie 1300 lat od upadku Cesarstwa Rzymskiego, czyli okresy średniowiecza, odrodzenia i oświecenia.

1.2.1. Średniowiecze

W okresie średniowiecza bardzo ważnym rzemiosłem związanym z wyrobami liniarskimi było powroźnictwo [91]. Powroźnicy wytwarzali różne wyroby włókienne: sznurki (umownie do 4 mm), sznury (do 8 mm), linki do (20 mm) i liny (powyżej 20 mm), ale wytwarzano też postronki, stryczki i bicze [91]. Z punktu widzenia tematyki tej książki wszystkie te wyroby były wyrobami liniarskimi. Produkowano je z dostępnych surowców, w Europie głównie z powszechnie dostępnych konopi [139]. Roślinę tę uprawiano w całej Europie, ale głównie w Holandii i na terenach Królestwa Polskiego (później Rzeczypospolitej Obojga Narodów). Należy zauważyć, że Europa w okresie średniowiecza była bardzo podzielona, na mniejsze i większe społeczności feudalne. Nie istniał wspólny zorganizowany rynek towarów, a systemy transportowe, sprawne w okresie Cesarstwa Rzymskiego, praktycznie legły w ruinie. Niektóre szlaki zostały zarzucone i zapomniane. Najważniejszym wspólnym dziedzictwem ówczesnych państw i społeczności był kościół rzymskokatolicki, który w zakonach przechował wiedzę i różne technologie odziedziczone po starożytnych. W wielu miejscach takie zakony jak Benedyktyni i Cystersi tworzyły lokalne ośrodki rzemieślnicze. Zapotrzebowanie na wyroby lniarskie generowała hodowla, budowanie dużych obiektów pałacowych, katedr, budowli obronnych, przemysł szkutniczy i rozwijające się górnictwo surowców mineralnych.

Na rysunku 1.22 przedstawiono produkcję lin konopnych. Liny te były wykonywane w trzech operacjach jako liny trójsplotkowe przeciwzwite. Najpierw skręcano cienkie sznury z pojedynczych włókien konopi, następnie sznury w splotki, a w trzeciej fazie ze splotek skręcano gotową linę. Ta technologia nie uległa zmianie do dzisiaj. Tak wykonana lina miała średnicę ponad 30 mm i służyła najprawdopodobniej do refowania żagli na galeonie. Na rysunku 1.23 u góry jest pokazane zdjęcie odnalezionej, dobrze zachowanej liny używanej na statku Mary Rose. Lina pochodząca z kopalni Soli w Wieliczce (rys. 1.23 na dole) była również wykonana jako lina trójsplotkowa i jako lina przeciwzwita o średnicy ponad 100 mm. Mała dokładność wymiarów liny sugeruje, że służyła do opuszczania górników, materiałów na stemple i wyciągania baryłek soli. Liny, które pracowały w kołowrotach na dole kopalni, wykonywano z konopi. W celu powstrzymania degradacji biologicznej liny włókienne nasączano tłuszczami, najczęściej łojem zwierzęcym. Stanowiły więc źródło pokarmu dla myszy i szczurów, które zasiedlały każdą kopalnię. W nocy wydobycia nie prowadzono i zdarzało się, że podczas porannych zjazdów uszkodzone przez szkodniki liny się urywały, a górnicy ginęli. Wprowadzono więc zasadę kontroli optycznej stanu lin przed każdym zjazdem. Jest to prawdopodobnie pierwszy przypadek w technice świadomego kontrolowania (diagnostyki) stanu obiektu technicznego bez widocznych uszkodzeń, aby zapobiegać niepożądanym zdarzeniom. W przypadku wszystkich obecnie stosowanych lin, we wszystkich krajach, okresowa diagnostyka ich stanu jest niezbędnym i wymaganym przez prawo elementem ich eksploatacji.

Rys. 1.22. Produkcja lin włókiennych z konopi: po lewej drzeworyt Lorenza Saylera z 1425 r., po prawej ilustracja na pergaminie Jeronimusa Schleiffera z 1576 r. [91]

Rys. 1.23. U góry: lina konopna wydobyta z wraku portugalskiego galeonu Mary Rose z XV w. [91] (fot.: Peter Crossman, Mary Rose Trust, CC BY-SA 3.0, źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MaryRose-rope_fragment.JPG), u dołu: fragment liny wykonanej z łyka lipowego odnaleziony w Kopalni Soli w Wieliczce z XIV lub XV w.

1.2.2. Odrodzenie i Oświecenie

Rozwój gospodarczy zapoczątkowany wraz z Odrodzeniem w Europie zbiega się z odkryciami geograficznymi szlaków żeglugowych wokół Afryki oraz z odkryciem obu Ameryk. Znacznie wzrosła wtedy wymiana handlowa oraz rosło zapotrzebowanie na minerały i rudy. Wydobywano je z coraz większych głębokości, gdyż płytkie złoża w Europie były w większości wyczerpane. Sięgano po nie różnego rodzaju kołowrotami, których elementem nośnym były liny konopne lub liny wykonywane z cienkich pasów skórzanych, skręcone albo splatane. Rosło więc zapotrzebowanie na wyroby liniarskie. System kolonialny bogatych państw europejskich dysponował całą flotyllą okrętów żaglowych, które służyły jako statki transportowe i okręty wojenne do ochrony szlaków żeglugowych. Utrzymanie potencjału żeglownego jednego statku wymagało zainstalowania na jego pokładzie nawet 30 ton lin, głównie wykonanych z konopi. W epoce kliprów, czyli bardzo szybkich żaglowców, sprawność żaglowca i niezawodność osprzętu linowego generowała ogromne przychody z dostarczanych do Europy przypraw korzennych, herbaty, kawy, kakao, cukru trzcinowego czy wełny z Indii, Australii, Nowej Zelandii czy Ameryk.

Omawiając technologie produkcji lin włókiennych w tym okresie, nie sposób nie wspomnieć o Leonardo da Vincim (1452-1519). Ten wszechstronnie utalentowany i tajemniczy geniusz był przede wszystkim inżynierem budowlanym. Budował pałace (czego najlepszym przykładem jest klatka schodowa w postaci podwójnej helisy w zamku Chambord), fortece, bastiony dla dział, mury obronne. W wolnych chwilach malował i wymyślał przyszłościowe konstrukcje maszyn, w tym maszyn do latania. Nie były one szerzej znane, a niektóre pomysły zostały zrealizowane dopiero w XX w. Prace budowlane wymagały przemieszczania ogromnych mas ziemi, podnoszenia i przemieszczania ciężarów, a te mogły być realizowane przy użyciu maszyn wyposażonych w liny, jak np. żuraw z kołem deptakowym przedstawiony na rys. 1.24. Zachowały się szkice Leonarda da Vinci maszyn do produkcji lin. Przykład przedstawiono na tym samym rysunku. Niestety nie wiadomo, jak taka maszyna miałaby pracować [190]. Bardzo ciekawym pomysłem była maszyna do wyznaczania wytrzymałości na zrywanie cięgna linowego. Pomysł zasadzał się na spostrzeżeniu, jeśli takie cięgno nie urwie się pod obciążeniem transportowego kosza wypełnionego kulkami ołowianymi (gęstość 11,34 kg/litr), to nie urwie się na pewno pod wpływem wypełnienia masą transportowanego gruntu, nawet bardzo mokrego (gęstość maksymalna 3 kg/litr). Zachowały się przekazy, że da Vinci próbował zbudować linę o dużej wytrzymałości na rozciąganie z drutów wykonanych ze stopu miedzi, prawdopodobnie brązu [190]. Wśród jego pomysłów jest maszyna łatająca o wyglądzie helikoptera. Na rysunku widać, że próbował on stasować linki (najprawdopodobniej wykonane z brązu lub miedzi) jako elementy stężające tej konstrukcji. Podobnie jest we współczesnych konstrukcjach lotniczych, w których cienkie linki stalowe stosowane są jako elementy stężające w płatowcach lub jako linki sterownicze w układach sterowania płatami [140].

Rys. 1.24. Przykłady pomysłów Leonarda da Vinci związanych z produkcją i zastosowaniami lin: (a) szkic przedstawiający ideę najprawdopodobniej maszyny do produkcji lin [189, 190, 269]; (b) pomysł na wyznaczanie wytrzymałości na zrywanie cięgna linowego; (c) żuraw linowy z kołem deptakowym; (d) szkic maszyny latającej (śmigłowca) z licznymi elementami linowymi (domena publiczna, źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Wynalazki_i_konstrukcje_Leonarda_da_Vinci)

Jednak zdaniem autora największym geniuszem epoki w kontekście transportu materiałów przy pomocy lin był Georgius Agricola (1494-1555), autor fundamentalnego dzieła De Re Metallica napisanego w 1550 r., a po raz pierwszy wydanego w 1556 r. w Bazylei po łacinie, już po śmierci autora. Dzieło to (rys. 1.25) zawiera kompendium wiedzy o geologii złóż rud metali, o górnictwie, mechanice oraz metalurgii. Było wydawane i wznawiane przez kolejne 200 lat w kilku językach, m.in. angielskim, w prawie niezmienionej postaci od pierwszego wydania. Liczne miedziorytnicze litografie przedstawiające różne maszyny linowe często są reprodukowane jako dzieła same w sobie (rys. 1.26, po prawej). W kołowrotach przedstawionych na rys. 1.26 znajdowały zastosowanie liny konopne.

Rys. 1.25. Karta tytułowa dzieła De Re Metallica Georgiusa Agricoli z 1556 r. z wmontowanym komputerowo drzeworytem przedstawiającym autora (egzemplarz po renowacji, własność Państwowego Instytutu Geologicznego w Warszawie)

Rys. 1.26. Kołowroty wg projektów Georgiusa Agricoli z późniejszych anglojęzycznych wydań De Re Metallica; po lewej: zdjęcie strony z egzemplarza będącego w posiadaniu Państwowego Instytutu Geologicznego w Warszawie, po prawej; kołowrót linowy z łubkami mocowanymi na linie nośnej (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:De_Re_Metallica_1556_p_158_AQ23_(2).TIF)

Kołowroty konstruowane ma podstawie tych projektów pracowały przez wiele lat w Polsce w kopalniach soli w Bochni i w Wieliczce. Na rysunkach wykonanych do De Re Metallica można doszukać się błędów rytownika. Rytownik na miedziorycie przedstawiał właściwy kierunek zwicia liny dla kierunku nawijania na bęben kołowrotu, podczas gdy obraz reprodukowany w książce jest jego lustrzaną kopią i zwicie liny na rysunku ma przeciwny kierunek.

Ówczesna Rzeczypospolita Obojga Narodów była jednym z głównych w Europie producentów konopi, na które zapotrzebowanie rosło wraz z poznawaniem i podbojem świata. Jednak po z górą 100 latach zapotrzebowanie to raptownie zmalało, gdyż zastosowanie do produkcji lin znalazły inne materiały włókienne, takie jak sizal, juta manila i bawełna, wytwarzane już na miejscu w koloniach. Materiały te były dostępne w dużych ilościach i miały dodatkowe zalety, takie jak odporność na gnicie i dużą wytrzymałość włókien na rozciąganie. Liny konopne miały znaczny wpływ na sposób życia w tamtym okresie. Spełniały wiele istotnych funkcji, ale także pracowały w nietypowych miejscach i urządzeniach, jak mechanizm napędu zegara wieżowego z XVIII w. przedstawiony na rys. 1.27. Służyły do podnoszenia ciężarów specjalnie konstruowanymi żurawiami (rys. 1.28), pracowały w mechanizmach maszyn, np. pras drukarskich, czy też służyły do mechanicznego obracania pieczonego wołu na rożnie w kuchni pałaców wielmożów tamtej epoki.

Rys. 1.27. Po lewej: mechanizm zegara wieżowego z XVII w. napędzany liną konopną obciążoną ciężarkiem opadającym grawitacyjnie w wieży; po prawej: prasa z linowym mechanizmem podnoszenia

Rys. 1.28. Żurawie linowe w starodruku francuskim z XVII w. (biblioteka szwajcarskiej firmy Ferrum S.A.)

1.2.3. Czasy Rewolucji Przemysłowej

Technologie produkcji lin zaczęły zasadniczo zmieniać się w okresie Rewolucji Przemysłowej wraz z wprowadzeniem maszyny parowej i zmechanizowanej produkcji w przemyśle tekstylnym. Również liny wykonywane były przy użyciu maszyn. Dominującymi producentami były Niemcy i Anglia. Po wprowadzeniu do produkcji maszyny parowej również mechanizowano produkcję lin włókiennych. Na rysunku 1.29 przedstawiono rysunki z końca XVIII w., na których widać, że w liniarniach (fabrykach produkujących liny) już w znacznym stopniu stosowano maszyny.

Jednak koniec epoki klasycznych lin włókiennych wyznaczyły okręty wojenne. Na rysunku 1.30 jest pokazany brytyjski okręt wojenny HMS Victory, z którego pokładu admirał Horatio Nelson dowodził flotą angielską w zwycięskiej dla siebie bitwie pod Trafalgarem w 1805 r. przeciwko flocie francusko-hiszpańskiej. Począwszy od tej bitwy (ostatniej wielkiej bitwy żaglowców), rozpoczął się okres brytyjskiego panowania na morzach i oceanach całego świata, co spowodowało pośrednio powstanie brytyjskiego imperium kolonialnego.

Rys. 1.29. Częściowo zmechanizowane wytwarzanie lin włókiennych (J.H. Röding, 1798 r. [91])

Jednak bitwa ta uświadomiła lordom Admiralicji Brytyjskiej, że na okrętach wojennych różne liny zarówno zajmują zbyt dużo miejsca, jak i angażują zbyt wielu członków załogi, a tak naprawdę w starciu liczy się manewrowość, celność i siła ognia armatniego.

Liny włókienne miały strukturalne wady: małą wytrzymałość, duże średnice (liny kotwiące HMS Victory miały średnicę ok. 200 mm i skok o długości 600 mm), łatwo nasiąkały słoną wodą i gniły. Wraz ze wzrostem tonażu statku rosły gabaryty lin. Największa wyprodukowana w Birmingham włókienna lina miała średnicę 38 mm i składała się z 3780 włókien [189, 190]. Stało się oczywiste, że aby zwiększyć siłę ognia na okrętach, należy ograniczyć masę i objętości stosowanych lin. Aby poprawić manewrowość okrętów, należało zwiększyć wytrzymałość i zmniejszyć średnice, zwiększając jednocześnie trwałość lin. Zadanie rozwiązania tego całego szeregu problemów technicznych powierzono Jamesowi Wattowi, który był gigantem innowacyjności w tamtych czasach. To on do przemysłu wprowadził ulepszoną przez siebie maszynę parową i miał świadomość, że istnieje tylko jeden materiał, z jakiego powinny być wykonane nowe liny. Była to stal węglowa, z której już wtedy umiano ciągnąć druty. James Watt wykonał jednak liny według swojego pomysłu z drutów ułożonych w równoległe wiązki, spinane co kawałek bandażami stalowymi, a nie struktury zwijane wokół jednej wspólnej osi. Liny stalowe jego konstrukcji były niepraktyczne, bardzo mało trwałe i sztywne - nieodporne na zginanie. Z tego powodu w Anglii na prawie 30 lat zaniechano wykonywania lin z drutów stalowych. Być może zaważył na tych decyzjach wielki autorytet Watta. Zaawansowanie przemysłu liniarskiego w Anglii wskazywało, że to tam powinna zostać wykonana pierwsza lina z drutów stalowych. Stało się jednak inaczej i pierwszą linę drucianą wymyślono i wykonano w Niemczech.

Rys. 1.30. HMS Victory admirała H. Nelsona w suchym doku w Portsmouth (fot.: Alistair Cunningham, CC BY 3.0, źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:HMS_Victory_in_dry_dock,_Portsmouth_Historic_Dockyard_-_panoramio.jpg), po prawej - maszt z siecią lin wantowych (fot.: Alistair Cunningham, CC BY 3.0, źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:HMS_Victory_-_panoramio_-_Alistair_Cunningham_(1).jpg)

1.2.4. Pierwsze liny wykonane z drutów ciągnionych ze stali węglowych

Wykonanie lin z drutów stalowych zbiega się drugą fazą Rewolucji Przemysłowej w Europie i na świecie. Po tą nazwą kryje się całość zmian technicznych, ekonomicznych i społecznych będących konsekwencją transformacji gospodarki opartej na wykorzystaniu prostych odnawialnych źródeł energii (wiatr, woda, mięśnie, zwierzęta) na rzecz gospodarki opartej na surowcach mineralnych będących nośnikami energii. W wiekach XVIII i XIX był to węgiel, a w wieku XX - ropa naftowa i gaz ziemny. Było to zwieńczenie procesu przechodzenia od systemu opartego na rolnictwie i hodowli na rzecz gospodarki przemysłowej. W tym okresie kształtowała się też współczesna kultura miejska. Nastąpiło to po okresie protoindustralizacji, czyli koncentracji produkcji w jednym miejscu, przy modernizacji starszych technologii i wolnej sile roboczej, czyli systemu manufaktur. System ten zastąpił wcześniejsze systemy pańszczyzny oraz system cechowy.

Liny stalowe powstały w okresie tzw. Drugiej Rewolucji Przemysłowej, która przypada na drugą połowę XIX w. i początki XX stulecia. Spowodowana została gwałtownym rozwojem nauki, któremu towarzyszyło powstanie nowych rozwiązań technicznych, a zwłaszcza unowocześnienie produkcji stali. Aby można było wykonać liny składane z drutów ze stali węglowej, musiały pojawić się nowe technologie na poszczególne fazy produkcji:

- produkcja taniej stali o kontrolowanym składzie i jakości w dużych ilościach;

- technologie ciągnienia drutów o różnych średnicach oraz o wymaganej wytrzymałości i trwałości zmęczeniowej;

- wytrzymałe maszyny umożliwiające skręcanie splotek z drutów o dużej wytrzymałość i splotek w liny jako wyrobu finalnego;

- metody zabezpieczania drutów i wyrobu finalnego przed korozją.

Ludzie opanowali technologię wytwarzania wyrobów ze stali węglowej kutej ok. 1,5 tys. lat p.n.e. Przez prawie 3 tys. lat stal, a właściwie żelazo (w znaczeniu gotowego wyrobu), otrzymywano w postaci ciastowatej, zanieczyszczonej żużlem masy. Należało ją zgrzać w jednorodną bryłę i następnie przerobić w stal węglową o zawartości pierwiastka węgla C do 2,4% metodą kucia w atmosferze tlenowej w wysokiej temperaturze. Jednym z największych zagłębi produkcji tego surowca w Europie w starożytności były polskie Góry Świętokrzyskie. Proces był drogi i mało wydajny. Jego usprawnienie nastąpiło w Anglii. Abraham Darby (1678-1717) w 1709 r. skonstruował wielki piec opalany nie węglem drzewnym, ale koksem. Jednak dopiero z wynalezieniem w 1855 r. przez Henryka Bessemera (1813-1895) procesu poprawiającego jakość stali (rys. 1.31), przez wyeliminowanie składników niemetalicznych ze stopu, stal węglowa stała się podstawowym materiałem konstrukcyjnym w produkcji maszyn. Do tego czasu stal produkowana w procesie wielkopiecowym była droga i kiepskiej jakości.

Rys. 1.31. Piece (tzw. gruszki) Henry'ego Bessemera na rysunku z epoki (źródło: Meyers Konversations-Lexikon, wyd. 6. Auflage z lat 1902-1908, domena publiczna, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bessemeranlage.jpg)

Do produkcji pierwszych lin stosowano stal wytwarzaną w tzw. technologii puddler opracowanej w 1780 r. przez Anglika Henry'ego Corta (ok. 1740-1800), polegającej na wytapianiu składników w wysokich temperaturach w silnie redukującej atmosferze. Po usprawnieniu procesu produkcji wysokiej jakości stali przez Henryka Bessemera, a jeszcze później wskutek opracowania technologii Siemensa-Martina, tzw. martenowskiej, cena stali spadła kilkunastokrotnie. To właśnie było jedną z przyczyn szybkiego rozwoju i doskonalenia konstrukcji lin stalowych w końcu XIX w.

Bardzo wiele informacji na temat produkcji pierwszych lin stalowych zebrała Isabel M.L. Ridge w swojej pracy doktorskiej [189]. Produkcja wysokiej jakości drutów na liny była możliwa już w połowie XIX w., gdyż w 1854 r. James Horsfall opatentował proces cieplnego ulepszania drutów polegający na naprzemiennym ich ciągnieniu oraz wyżarzaniu w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury perlitycznej i ponownym ciągnieniu, aż do uzyskania docelowej średnicy i pożądanej wytrzymałości na zrywanie. Liczba ciągnień wynikała z docelowej średnicy drutu. Było ich tyle, aby zaczynając od wyjściowej średnicy walcówki, nie przekroczyć wartości pojedynczego zgniotu równej 20%. Elementy nowości w patencie Horsfalla na proces ciągnienia drutów zostały bardzo dobrze zastrzeżone. Patent był prawie niemożliwy do obejścia, tak że do dzisiaj proces ten w hutnictwie stali jest znany jako proces patentowania. Dzięki temu procesowi możliwe było wykonanie drutów o wytrzymałości jednostkowej przekraczającej 1000 MPa, co z kolei zaowocowało wzrostem wytrzymałości lin stalowych przy zachowaniu ich niewielkiej średnicy.

Procesy produkcji drutów linowych są ciągle ulepszane i do chwili obecnej nie ma lepszego materiału na nie niż stal węglowa zwykłej jakości. Rozwojowi produkcji lin stalowych sprzyjało też zawansowanie technologii maszynowych do produkcji lin włókiennych, głównie w Anglii. Wprowadzenie drutów stalowych jako materiału na liny bardzo szybko przełożyło się na rozwój tego segmentu maszynowego. Opracowano dwa podstawowe typy maszyn:

- maszyny wrzecionowe do produkcji lin o małych średnicach lub do wykonywania splotek dla lin o większych średnicach (Andrew Smith, rys. 1.32);

- maszyny karuzelowe do produkcji lin o większych gabarytach z wcześniej wykonanych splotek (skonstruował je wynalazca mechanicznego krosna z 1785 r. Edmund Cartwight, 1743-1823, rys. 1.33).

W czasach, w których opracowano produkcję drutów linowych, znano już sposób zabezpieczania stali przed korozją metodą pokrywania cynkiem (Zn). Była to tzw. metoda ogniowa, w której metalowy element zanurzano w kąpieli z roztopionego cynku o temperaturze ponad 420°C. Drut wcześniej był rozgrzewany w kąpieli ciekłego ołowiu (Pb) o temperaturze ponad 330°C. Metoda ta była jednak w tamtych czasach niewydajna i droga. Problem taniego zabezpieczenia antykorozyjnego stalowych drutów linowych został rozwiązany wraz z wynalazkiem Brugnotelliego z 1805 r. Opracował on technologię pokrywania galwanicznego powierzchni metali cynkiem w metodzie elektrolitycznej, w której w specjalnej kąpieli jony cynku są przenoszone z anody w postaci płyty wykonanej z cynku na katodę - czyli na drut linowy. Cienka warstwa cynku osadzona na powierzchni drutu utlenia się, wytwarzając tlenkową warstwę pasywną odporną na dalsze utlenianie. Obie metody cynkowania drutu, elektrolityczna i ogniowa, są stosowane również obecnie. Technologia cynkowania elektrolitycznego była tak skuteczna, że po wynalezieniu w 1865 r. drutu kolczastego zupełnie zmieniła gospodarkę hodowlaną i stosunki własnościowe w zachodnich stanach USA, dając możliwość taniego ogradzania rozległych farm. Jednocześnie w tym okresie rozpoczął się w USA tzw. boom naftowy. Skutkiem było wprowadzenie do gospodarki wielu produktów ropopochodnych, w tym smarów. Opracowane w tamtym okresie metody cynkowania drutów, ogniowa i galwaniczna, oraz smary ropopochodne są stosowane w przemyśle liniarskim również obecnie.

Rys. 1.32. Szybkoobrotowe maszyny do produkcji cienkich lin lub splotek wg koncepcji Andrew Smitha ([189, 190], tekst źródłowy [200])

Rys. 1.33. Patent na maszynę karuzelową do produkcji lin włókiennych lub stalowych ([189, 190], tekst źródłowy [28])

1.2.5. Lina Alberta

Pomimo przewagi technologicznej Anglii nad Europą kontynentalną pierwsza stalowa lina została wymyślona, wykonana i zastosowana w kołowrocie linowym na pochylni kopalni Carolina w górach Harzu w 1834 r. przez Wilhelma Alberta, tamtejszego radcę górniczego [267, 273]. Choć lina ta była użyta zaledwie tylko kilkukrotnie, powszechnie uważa się ją za protoplastkę wszystkich lin stalowych. Przekrój poprzeczny tej liny wykonany wg. technologii wynalazcy jest pokazany na rys. 1.34. Samą zaś linę przedstawiono u dołu tego rysunku. Pierwsza lina stalowa o średnicy 17 mm była wykonana ręcznie z trzech splotek, składających się z czterech drutów każda. Lina ta była wykonana jako prawa przeciwzwita, co dokładnie widać na rysunku. Każda z trzech splotek składała się z wielu krótkich kilkunastometrowych odcinków drutów, łączonych na zakładkę. Długość całej liny wyniosła 605 m. Ze względu na bardzo małą trwałość zmęczeniową konstrukcja ta nie upowszechniła się, ale zastosowany sposób zwicia przeszedł do historii jako tzw. zwicie Alberta. Głównym powodem małej trwałości był brak stabilnej średnicy, co wynikało z przyjętej budowy splotek i liny, a także było rezultatem mało precyzyjnego sposobu zwijania nienaprężonych drutów w splotki i splotek w linę. Średnica drutów była też, jak na liny pracujące w kołowrotach, zbyt duża. Interesujące jest to, że lina ta nie mogła wtedy konkurować ze współcześnie stosowanymi linami sizalowymi, konopnymi czy łańcuchami stalowymi. Nie mniej jednak łatwość, z jaką została wykonana, i niska cena pokazały właściwy kierunek rozwoju. Wynalazca spopularyzował swoje rozwiązanie, publikując artykuł o tej linie w Europie i USA w 1837 r., w języku angielskim.

Rys. 1.34. Technologia produkcji liny drucianej opracowana przez Wilhelma Alberta w 1834 r.: u góry: produkcja splotek z 4 drutów, u dołu: produkcja liny z 3 splotek (widoczne różnice w średnicach i kierunkach zwijania)

W 150. rocznicę wykonania liny przez Wilhelma Alberta w Politechnice w Stuttgarcie (TU Stuttgart) wykonano jej replikę i poddano badaniom wytrzymałościowym [266]. Widok repliki w postaci przycisku do papieru przedstawiono na rys. 9.48 (str. 710). Przeprowadzone badania wytrzymałościowe potwierdziły, że główna wada tej liny wynika z niewłaściwej konstrukcji powodującej niemożność uzyskania tej samej średnicy na całej długości liny. Ilustruje to rys. 1.35, na którym przedstawiono różne możliwe ustawienia splotek w przekroju poprzecznym liny. Średnica liny różni się w skrajnych przypadkach (pierwszy i ostatni) o kilka procent.

Rys. 1.35. U góry: przekroje poprzeczne liny Alberta, u dołu: artefakt ze zbiorów R. Verreta (Wire Rope Technology, Aachen) pokazany na wystawie przy okazji konferencji OIPEEC w Stuttgarcie w 2009 r. [266, 269]

1.3. Pierwsze nowoczesne liny stalowe

Korzystając z publikacji i wiedzy Isabel M.L. Ridge [189], można odtworzyć pierwsze burzliwe lata, w których kształtowała się historia powstawania nowoczesnych lin stalowych. Po zbudowaniu i zastosowaniu pierwszej liny stalowej w Niemczech dalszy postęp od razu nastąpił w Anglii. W Anglii pierwsza lina z drutów stalowych została wykonana w 1835 r. przez J. Binksa jako czterosplotkowa struktura o średnicy 18 mm, składająca się z 43 drutów w układzie prawym przeciwzwitym. W latach następnych Binks i Newall, który znał wynalazek Alberta, oraz Andrew Smith opracowali liczne konstrukcje oraz zbudowali maszyny do splatania lin i splotek. Przedsięwzięcia te były doraźne i nietrwałe, ale w rezultacie pojawiły się liny sześciosplotkowe zbudowane z kilku drutowych splotek, które w tamtym okresie były rozwiązaniem na tyle zadawalającym, że wynalazek zaczął wygrywać konkurencję z linami włókiennymi.

Konstrukcje wymyślone przez Andrew Smitha przedstawia rys. 1.36, na którym druga lina od prawej wygląda bardzo współcześnie i być może jest to pierwsza realistyczna koncepcja wykonania liny dwuzwitej w wykonaniu prawym przeciwzwitym. Można sądzić, że pewien udział w sukcesie lin 6-splotkowych o splotkach 7-drutowych miała liczba ? powodującą pojawienie się szczeliny pomiędzy drutami o jednakowych średnicach. Przedstawiono to na rys. 1.37. Szczeliny pomiędzy splotkami, jak widać z obu rysunków, zależały od średnicy i wykonania rdzenia. Rdzeń tej liny również wygląda bardzo współcześnie. W tamtym okresie wykonywano liny o splotkach wyłącznie z drutów o jednakowej średnicy w układzie 7-drutowym w splotce i 6-splotkowym w linie. Musiały się więc pojawić niezamierzone szczeliny pomiędzy drutami. Szczeliny te miały bardzo pozytywny wpływ na giętkość, zwiększały elastyczność na zginanie, co w rezultacie skutkowało większą trwałością lin.

Rys. 1.36. Liny konstrukcji Andrew Smitha ([189, 190], tekst źródłowy: [208])

Rys. 1.37. Szczelina pomiędzy drutami splotki 7-drutowej

Pierwsze naprawdę nowoczesne liny stalowe powstały jednak w USA [198]. Był to swoisty transfer technologii europejskiej do USA przez Andrew Smitha-Goldiego, syna Andrew Smitha, i Niemca z pochodzenia Johna (Johanna) Roeblinga (1808-1869). Ten ostatni jest głównie znany z faktu zaprojektowania i wyprodukowania lin nośnych na most Brooklyński zbudowany w Nowym Yorku w latach 1870-1883. Szybki rozwój technologii produkcji i konstrukcji lin stalowych w USA miał kilka źródeł. Po pierwsze, po zakończeniu wojny secesyjnej w 1864 r. nastąpiło wieloletnie ożywienie gospodarcze związane z podbojem tzw. "zachodu" i gorączką złota w Kalifornii. W kraju bez infrastruktury drogowej wzrosło zapotrzebowanie na stal w związku z prosperitą i potrzebą budowy mostów, statków i transkontynentalnych linii kolejowych. Rozwijało się górnictwo i hutnictwo. Wysokie budynki w miastach wschodniego wybrzeża wymagały zastosowania właśnie wynalezionych przez Elishę Otisa dźwigów osobowych [213], pojawiały się też wiertnie naftowe i urządzenia dźwigowe służące do wznoszenia coraz wyższych budynków i do przeładunku w portach. Urządzenia te wymagały niezbyt grubych, elastycznych oraz trwałych i tanich lin.

Pierwsza lina spełniającą te warunki została opracowana przez Johna Augustusa Roeblinga w 1854 r. [198] jako tzw. lina "trójwymiarowa". Nie została ona nigdy opatentowana, a jej opis pochodzi z notatek wynalazcy przedstawionych na rys. 1.38. Pomysł polegał na wykonaniu splotki złożonej z dwóch warstw drutów nawiniętych w tym samym kierunku na drucie rdzeniowym. W pierwszej warstwie jest 6 drutów o średnicy drutu rdzeniowego, a w drugiej i ostatniej warstwie jest 12 drutów o nieznacznie zróżnicowanych średnicach, ułożonych naprzemiennie w taki sposób, aby druty grubsze leżały w "dolinkach" pomiędzy drutami warstwy spodniej, a druty cieńsze na ich "wierzchołkach". Przypatrując się szkicom na rys. 1.38, można zauważyć, że Roebling bardzo precyzyjnie dobierał średnice poszczególnych drutów, gdyż miał świadomość, że zbyt ciasne ich ułożenie będzie skutkowało zbyt dużą sztywnością liny. Dodatkowym założeniem było skręcenie obu warstw z tym samym kątem zwicia.

Rys. 1.38. Koncepcje lin o splotkach o liniowym styku opracowana przez J. Roeblinga, współcześnie splotka o takiej budowie ma nazwę Warrington i oznaczana jest literą W ([189, 190], tekst źródłowy [197])

W rezultacie styk tych dwóch warstw w splotce jest liniowy, ale efekt ten nie był przez twórcę zamierzony. Taki układ drutów stwarzał możliwość wykonania splotki w jednym procesie składania, o co głównie chodziło wynalazcy, który dążył do minimalizacji kosztów produkcji. Splotki były skręcone w linę w przeciwną stronę niż druty w splotce. W rezultacie powstała tania, bardzo elastyczna struktura o liniowym styku drutów charakteryzująca się bardzo dużą trwałością zmęczeniową w porównaniu z linami wtedy stosowanymi. Lina ta znana jest jako Warrington, być może na cześć miasta w Anglii znanego z produkcji lin. Splotki lin stalowych wykonane w ten sposób są obecnie oznaczane literą W. Brak patentu spowodował, że wytwórcy mogli produkować tę linę bez konieczności kupowania licencji. Dzięki temu wzrosła też popularność jej stosowania, zwłaszcza że liny o tej budowie mogły być produkowane w szerokim zakresie średnic.

Po 1870 roku zarówno w USA, jak i w Europie powstało wiele patentów na liny stalowe, które są znane i stosowane do dzisiaj. Newall i Roebelling uzyskali patenty na liny nieodkrętne. W 1879 roku J. Lang uzyskał patent na linę o tzw. długim skoku. Dzisiaj niekiedy symbolem LL oznacza się linę współzwitą znaną w krajach anglosaskich jako lina Langa (Lang's Lay), a w krajach niemieckojęzycznych jako lina o długim skoku (Long Lay).

Kolejną konstrukcję liny o liniowym styku drutów opatentował w 1884 r. Thomas Seale [199]. Pracował on jako inżynier w firmie Kalifornia Street Line. Odkrył, że druty w eksploatowanych w systemie trakcji tramwajów San Francisco pękają w środku liny na skutek zużycia zmęczeniowego. Dzisiaj konstrukcję tę znamy jako linę o splotkach Seale, a w oznaczeniach wyróżniamy ją literą S. Tom Seale w zastrzeżeniu patentowym umieścił sformułowanie o zasadzie jednakowych średnic drutów w jednej warstwie splotki. Oczywistym jest, że istota tego wynalazku była wzorowana na pomyśle J. Roebelliga, gdyż sam T. Seale nazwał ją "trójwymiarową konstrukcją splotki". Publikację patentu na ten wynalazek przedstawiono na rys. 1.39 po lewej.

W roku 1889 została opracowana przez J.B. Stona ostatnia znana oryginalna konstrukcja liny o liniowym styku drutów, znana jako splotka typu Filler. Współcześnie splotki w takim wykonaniu oznacza się literą F. Lina ta powstała według takiego samego pomysłu, jaki miał T. Seale. Chodziło również o zbudowanie splotki o liniowym styku drutów w kolejnych warstwach, ale przy użyciu drutów o minimalnie różnych średnicach. Taki pomysł obchodził zastrzeżenie patentowe sformułowane przez T. Seale w jego opisie patentowym i otwierało przed J.B. Stonem możliwość uzyskania patentu. W tym rozwiązaniu puste przestrzenie między drutami kolejnych warstw, jako naturalna konsekwencja stosowania drutów o przekroju kołowym, są wypełnione cienkimi drutami, tzw. "wypełniającymi". Jest to uwidocznione w nazwie, gdyż angielski czasownik "to fill" oznacza wypełniać. Publikacja patentu na ten wynalazek jest pokazana na rys. 1.39 po prawej. Rysunki wykonane przez wynalazcę do tej publikacji podkreślają liniowość kontaktu pomiędzy drutami w splotce jako unikatową cechę tego rozwiązania.

Rys. 1.39. Patenty na liny o liniowym styku drutów w splotce. Po lewej: patent T. Seale'a na splotkę współcześnie nazywaną Seale i oznaczaną literą S (United States Patent and Trademark Office, Patent no 315077 1885 r.). Po prawej: patent J. Stone'a na splotkę współcześnie nazywaną Filler i oznaczaną literą F (United States Patent and Trademark Office, Patent no 416189 1889 r.)

Obecnie wszystkie trzy rozwiązania na liny o liniowym styku drutów, W, S, i F, oraz liny klasyczne o układzie drutów w splotce 1-6, 1-6-12, 1-6-12-19 są najczęściej produkowanymi i stosowanymi linami na świecie.

W Europie w firmie Latch and Batchelor zostały opracowane trzy bardzo popularne konstrukcje lin. W 1883 roku opracowano liny o splotkach płaskich. W ten sposób w tej firmie zmierzono się z problemem odkrętności lin wyciągowych. W roku 1897 opracowano liny konstrukcji zamkniętej z drutami kształtowymi, a w roku 1888 - liny trójkątnosplotkowe. Liny konstrukcji zamkniętej i półzamkniętej pełnią obecnie w wielu urządzeniach linowych i konstrukcjach wolnostojących lub wiszących bardzo ważną funkcję lin nośnych i lin odciągowych. Koncepcję budowy lin zamkniętych przedstawiono na rys. 1.40. Należy jednak zaznaczyć, że współcześnie produkowane liny zamknięte i półzamknięte mają inną budowę niż wtedy opracowane. Liny trójkątnosplotkowe, ze względu na swoje właściwości, na wiele lat opanowały górnicze wyciągi szybowe, zwłaszcza z napędem ciernym. Być może są to eksploatacyjnie najlepiej poznane konstrukcje lin, co spowodowało, że zostały zastosowane w najgłębszym szybie świata w kopalni złota Moab Khotsong w Afryce Południowej. Wkrótce potem liny o splotkach owalnych i trójkątnych zostały udoskonalone - opracowano aparat do nadawania splotkom odpowiedniego skrętu przez odkształcenie plastyczne tuż przed złożeniem splotki w gotową linę. Deformatory dla splotek okrągłych przedstawiono na rys. 1.41. Miały one za zadanie nadać splotce helikalną linię śrubową, jaką będzie ona miała w gotowej wykonanej linie.

W okresie międzywojennym ubiegłego wieku opracowano liny wielowarstwowe. Udoskonalono też produkcję wszystkich typów lin przez stosowanie odprężania splotek wskutek wstępnego deformowania ich geometrii przed skręceniem w gotową linę [71]. Rozwiązania te początkowo służyły do zabezpieczenia urządzeń linowych służących do mechanicznej transmisji mocy na odległość przy użyciu linek stalowych. Pękanie drutów było niebezpieczne dla pracujących ludzi i często powodowało groźne uszkodzenia konstrukcji. Liny odprężone generalnie tej wady nie miały i mogły pracować nawet z pewną liczbą pękniętych drutów, gdyż ich końce się nie odwijały.

Obecnie w linach o budowie owalnej i trójkątnej splotki zawsze są deformowane plastycznie przed złożeniem ich w gotową linę. Deformowanie plastyczne splotek i ich odprężanie jest też dość powszechną praktyką w przypadku lin okrągło-splotkowych, w produkcji których przyjęła się metoda odprężania systemem o nazwie Tru-lay. Polega on na nadaniu właściwej krzywizny splotkom przed ich złożeniem w linę za pomocą nastawianego systemu rolek [71].

Ogromny wpływ na postęp w doskonaleniu nowych konstrukcji lin stalowych miał rozwój kopalń głębinowych i różnych rozwiązań pędni linowych i maszyn wyciągowych [136, 137]. Zaowocowało to powstaniem lin płaskich [283], lin owalnosplotkowych i trójkątnosplotkowych oraz bardzo różnorodnych rozwiązań lin wielowarstwowych cechujących się zmniejszonym momentem odkrętu [176, 271].

Rys. 1.40. Koncepcje lin konstrukcji zamkniętej proponowane przez firmę Latch and Batchelor ([189, 190, 269])

Rys. 1.41. Projekty deformatorów splotek przed złożeniem ich w linę: (a) głowica Quilla, (b) deformator rolkowy Briggsa ([189, 190, 269], tekst źródłowy [60])

Obecnie w dziedzinie technologii produkcji lin stalowych i doskonalenia ich konstrukcji nie obserwuje się rewolucyjnych zmian. Chociaż koncepcje lin o zmiennej masie czy lin hybrydowych są nowatorskie. Obserwuje się za to wyraźny trend polepszenia jakości produkowanych wyrobów. Producenci doskonalą produkcję drutów, które obecnie osiągają wytrzymałość 2700 MPa (dla bardzo cienkich drutów). Ważnym czynnikiem zmian technologicznych są wymogi ochrony środowiska, stąd druty na liny stalowe patentuje się w nowoczesnych piecach ze złożem fluidalnym, a obiegi wodne i substancji szkodliwych dla środowiska są zamknięte. W dziedzinie budowy lin stalowych stosuję się różne materiały na rdzenie i na wypełnienia. Są to tworzywa wykonane z polietylenu, PVC, poliamidu, polipropylenu, gumy i innych materiałów syntetycznych.

W dziedzinie zarządzania obserwuje się dążność do wprowadzenia w fabrykach lin systemów jakości zgodnych z normami ISO serii 9000 i EN serii 46000. Następuje konsolidacja organizacyjna i kapitałowa firm wytwarzających i badających liny stalowe. Niektórzy producenci wytwarzają produkty liniarskie, które w katalogu tworzą listę nawet 10 000 pozycji. W ofercie lin specjalnych obserwuje się tendencje do specjalizacji produkcyjnej dla poszczególnych segmentów rynku liniarskiego. Wyraża się to m.in. w rejestrowaniu nazw handlowych dla poszczególnych konstrukcji lin.

Na ziemiach polskich pierwsze "druciane" liny (liny wykonane z drutów stalowych ciągnionych) złożono na Górnym Śląsku już w 1844 r., a pierwsza lina stalowa została zastosowana w Kopali Soli w Wieliczce w 1853 r. Liczne fabryki lin powstały na Śląsku: fabryki A. Deichsla - w 1855 r. w Zabrzu oraz w 1881 r. w Sosnowcu. Produkowano w nich w 1919 r. wszystkie znane wtedy konstrukcje lin, w tym liny trójkątnosplotkowe. W roku 1881 powstała fabryka w Radomsku znana z produkcji lin stalowych płaskich szytych. W latach 1935-1936 fabryka w Sosnowcu wykonała komplet lin, w tym konstrukcji zamkniętej, dla właśnie budowanej kolei linowej Kasprowy Wierch. Liny nośne konstrukcji zamkniętej, wykonane w tej fabryce, pracowały jeszcze do roku 1984 r., a obecnie stanowią zabudowane cięgna nośne dachu hali sportowej Zakładów Azotowych w Tarnowie. W roku 1970 we Włocławku została wybudowana bardzo nowoczesna na tamte czasy fabryka lin i drutu Drumet S.A. z przeznaczeniem do produkcji lin dźwigowych i dźwignicowych. W latach 90. XX w. w naszym kraju nastąpił okres przekształceń własnościowych także we wszystkich fabrykach lin w Polsce i trwa on z różnymi rezultatami do dzisiaj. Także wielkie i znane na świecie fabryki lin jak Casar, Trefileurope, British Ropes, Raedelli zmieniły właścicieli, a czasem i nazwy.

2 Liny stalowe

2.1. Elementy budowy lin stalowych

Termin lina stalowa (dawniej lina druciana, ang. wire rope) określa mniej lub bardziej złożoną strukturę przestrzenną zbudowaną z drutów stalowych skręconych heliakalnie w strukturę ostateczną lub w struktury pośrednie. Może to także być struktura splatana, jak to jest w przypadku szytych lin płaskich. W przypadku lin dwuzwitych układ helikalny tworzą splotki skręcone z drutów (występuje tutaj podwójne helikalne skręcenie przestrzenne drutów). W przypadku dość rzadko spotykanych lin trójzwitych są to liniska zbudowane ze splotek, a te z drutów (występuje tutaj aż potrójne helikalne skręcenie przestrzenne drutów). Ważną funkcjonalnie i zawsze centralnie usytuowaną częścią struktury liny są rdzenie. Rdzeniem może być pojedynczy drut lub splotka wykonana z kilku drutów, lub niezależna lina wykonana ze splotek z drutów stalowych, lub lina wykonana z włókien naturalnych bądź syntetycznych.

Podstawowym przeznaczeniem większości lin jest przenoszenie obciążeń wzdłużnych powodowanych przez siły rozciągające, a w niektórych przypadkach także (dodatkowo) siły poprzeczne [39, 57, 71, 95, 114]. Na rysunku 2.1 są przedstawione podstawowe elementy składowe typowej liny wykonanej z drutów stalowych: liny z rdzeniem metalicznym w postaci niezależnej liny stalowej (IWRC, ang. Independent Wire Rope Core) i liny z rdzeniem włókiennym (FC, ang. Fibre Core). Liny z rdzeniem włókiennym były i są również obecnie najczęściej stosowanymi linami stalowymi.

Aby zbudować linę stalową, oprócz drutów ze stali węglowej konieczne są także inne materiały. Są one wykorzystywane do wykonania przede wszystkim rdzeni. W wielu konstrukcjach niezbędne jest stosowanie również elementów wypełniających, materiałów na powłoki drutów, materiałów syntetycznych na powłoki splotek i powłoki gotowych lin. Bardzo zauważalnymi organoleptycznie, ale często pomijanymi w charakterystyce lin materiałami, są smary i oleje. Bardzo często to one decydują o trwałości eksploatacyjnej lin stalowych. Udział tych wszystkich dodatkowych, poza stalą, materiałów w budowie nowoczesnych lin jest coraz większy, a w niektórych konstrukcjach (liny płaskie stalowo-gumowe) ich masa jest większa niż masa elementów nośnych, czyli splotek (lin, lin, linisk) wykonanych z drutów stalowych.

Rys. 2.1. Budowa dwuzwitej liny stalowej: po lewej - lina z rdzeniem metalicznym, po prawej - lina z rdzeniem włókiennym

Druty stalowe stanowią podstawowy element konstrukcyjny i nośny każdej liny stalowej, a także lin hybrydowych. Druty w procesie składania są odkształcane, toteż po wypleceniu z liny druty przyjmują postać przestrzennej linii śrubowej, zwanej helisą, o pojedynczej, podwójnej lub potrójnej krzywiźnie. Krzywizna ta wynikaj z krotności zwicia pojedynczego drutu [39]. W najbardziej złożonych konstrukcyjnie linach jest to zwicie trzykrotne, a w najprostszych (tzw. linach jednozwitych) jednokrotne. W najczęściej spotykanych i powszechnie stosowanych linach jest to zwicie dwukrotne. Takie liny nazywamy linami dwuzwitymi. Występują one w dwóch wariantach: jako liny współzwite i liny przeciwzwite. Na rysunku 2.2 przedstawiono trajektorię jednego z drutów splotki, w wykonaniu zarówno współzwitym, jak i przeciwzwitym, na tle przestrzennej helisy wyznaczonej przez oś symetrii splotki. W zależności od kierunku zwicia trajektoria osi drutu jest trójwymiarową krzywą o złożonym kształcie i różnych lokalnych kątach pochylenia w odniesieniu do płaszczyzny prostopadłej do jej osi. Ma to duży wpływ na wartości naprężeń w konkretnym drucie w zależności od jego położenia w linie wzdłuż jej długości.

Liny stalowe są przeznaczone do przenoszenia obciążeń wzdłużnych (rozciągających) i jedynie w pewnych okolicznościach mogą przenosić i częściowo przenoszą obciążenia poprzeczne. Tylko niektóre liny są zbudowane w taki sposób, aby przenosić przede wszystkim obciążenia poprzeczne. Zdolność do przenoszenia obciążeń wzdłużnych wynika ze struktury przestrzennej liny. Druty skręcone są w splotki, a w wyniku działania obciążeń wzdłużnych są w stanie przenosić obciążenia nawet wtedy, gdy niektóre z nich są przerwane, gdyż pomiędzy sąsiadującymi drutami występują siły tarcia.

Rys. 2.2. Trajektorie przestrzennego położenia osi drutu w splotce liny współzwitej (kolor zielony) i przeciwzwitej (kolor czerwony), linia filetowa wyznacza linię helisy osi splotki

Siły te są tym większe, im większe są obciążenia i im bardziej złożona jest struktura przestrzenna liny. Wynika z tego, że pojedynczy pęknięty drut jedynie lokalnie wpływa na wytrzymałość całej splotki i liny, co jest pokazane na rys. 1.1 (str. 22).

W większości liny stalowe charakteryzują się bardzo dużą sztywnością wzdłużną przy bardzo małej sztywności poprzecznej, stąd chętnie są stosowane w układach, w których są wielokrotnie przeginane. Kompromis pomiędzy dużą wytrzymałością wzdłużną i małą sztywnością poprzeczną to podstawowa cecha charakteryzująca liny stalowe jako cięgna. W wielu zastosowaniach liny służą nie tylko do przenoszenia obciążeń, ale także do przekazywania energii mechanicznej, na małe i na duże odległości. Pośredniczą w tym siły tarcia pomiędzy liną a kołem lub bębnem linowym pełniącymi funkcję pędni. W wielu maszynach (przenośniki taśmowe i linowo-taśmowe) liny pracują jako cięgna transmisyjne do przenoszenia (transmisji) mocy i jako elementy wsporcze taśm transporterów. W urządzeniach służących do transportu ludzi lub materiałów na duże odległości, jak koleje linowe i taśmociągi, długości lin transmitujących momenty napędowe (moc) dochodzą nawet do kilkudziesięciu kilometrów. Liny stalowe znajdują bardzo szerokie zastosowanie jako elementy układów napędowych i nośnych urządzeń pracujących w bardzo trudnych warunkach ze względu na ukształtowanie terenu i warunki środowiskowe.

Liny stalowe należą do bardzo nietypowej, ale charakterystycznej grupy urządzeń technicznych, których długość jest nawet kilkaset tysięcy razy większa od pozostałych dwóch wymiarów poprzecznych. W przypadku kolei i wyciągów linowych sprowadza się to do zestawienia długości obiektów liczonych w kilometrach do wymiaru średnicy lin okrągłych o najczęściej występujących wartościach kilkudziesięciu milimetrów. W przypadku taśm przenośnikowych jest to zestawienie długości kilkudziesięciu kilometrów do szerokość nieprzekraczającej 4 m i grubości kilkunastu milimetrów. W przypadku lin płaskich wyrównawczych jest to zestawienie długości osiągającej nawet 1100 m do ich wymiarów poprzecznych liczonych w centymetrach. Cecha ta i specyfika pracy lin stalowych powoduje, że układy linowe jako całość wyodrębniają się w układach mechanicznych i w całych złożonych konstrukcjach, w których są stosowane. Podobna, w sensie geometrycznym, grupa urządzeń technicznych to rurociągi, żerdzie wiertnicze, światłowody, kable energetyczne itp. Kable energetyczne i niektóre światłowody są budowane w taki sposób, aby przenosić obciążenia wzdłużne i w małym zakresie obciążenia porzeczne. Dlatego też konstrukcyjnie przypominają liny, chociaż najczęściej wykonywane są z innych materiałów niż stal (miedź Cu, aluminium Al, a nawet srebro Ag i złoto Au (w przypadku kabli urządzeń audiofilskich)).

Liny stalowe są powszechnie spotykane w najbliższym technicznym otoczeniu każdego człowieka. Zdaniem autora właśnie ta bliskość, oczywistość zastosowań i użyteczność sprawiają, że są niedoceniane, bo oczywiste i przez to niezauważalne. Różnorodność konstrukcji lin stalowych jest ogromna i w skrajnych przypadkach nie są one wizualnie nawet podobne do siebie. Katalog prawie każdego poważnego wytwórcy [99÷104, 185, 186, 283] zawiera zestaw co najmniej kilkuset konstrukcji bardzo różnych lin stalowych, o różnych zastosowaniach i budowie. Liny są czasem wykonane tylko z kilku, ale najczęściej z kilkudziesięciu drutów. Współczesne, bardziej wymyślne liny stalowe są zbudowane nawet z kilkuset drutów. Liny stalowe mogą być bardzo cienkie, nawet o średnicy mniejszej niż 0,5 mm, często niewidoczne, gdy są zawulkanizowane jako element kordu, np. w gumie opony samochodowej, albo wykonane w półprzezroczystej osłonie poliuretanowej. Największe gabarytowo liny, tzw. kablowe, wykonane są z kilku tysięcy drutów stalowych. Mogą one być bardzo grube. W niektórych zastosowaniach osiągają średnice do kilkuset milimetrów, gdy pracują jako liny nośne mostów lub liny wantowe służące do podwieszania mostów, lub jako liny odciągowe platform, lub odciągi i zawiesia dużych dźwigów. Właśnie takie przeznaczenie miały dwie, jak do tej pory największe gabarytowo wyprodukowane na świecie liny o średnicy 310 mm. Masa jednego metra takiej liny wynosiła 320 kg. Liny te wyprodukowano w Schalkeseil GmbH, siostrzanej firmie Thyssen Draht AG w Niemczech. Liny składały się z 2755 stalowych drutów każda. Siła zrywająca jednej liny wynosiła 41 MN. Zastosowano je w dwóch żurawiach pływającego dźwigu Saipem firmy HEEREMA (dźwig ten został w końcu XX w. przebudowany). Każdy żuraw mógł podnieść 7000 Mg. Urządzenia tego typu są przeznaczone do transportu i stawiania platform wiertniczych na polach naftowych zlokalizowanych na szelfach kontynentalnych.

Ze względu na charakter pracy liny stalowe są elementami szczególnej troski, gdyż pracują w układach transportowych i decydują o bezpieczeństwie ich pracy. Zawsze są eksploatowane jako elementy o ograniczonej trwałości zmęczeniowej i wysokiej odpowiedzialności, która w decydującym stopniu determinuje poziom bezpieczeństwa danego urządzenia linowego. Oznacza to, że liny muszą być wymieniane na nowe z chwilą osiągnięcia arbitralnego, dopuszczalnego poziomu zużycia. Poziom ten najczęściej jest określony odpowiednimi liczbowymi wartościami kryteriów odkładania, ujętymi w obowiązujących przepisach prawa lub przepisach eksploatacji. Termin dopuszczalny oznacza, że w przypadku lin stalowych istnieją środki i metodyki umożliwiające określenie aktualnego poziomu zużycia lin stalowych. Poziom ten wyznacza oczekiwany resurs pracy dla bezpiecznej eksploatacji obiektów linowych. Liny stalowe dobierane są do niektórych zastosowań z bardzo wysokimi wartościami tzw. współczynników bezpieczeństwa. Współczynnik bezpieczeństwa określa liczbowo zdolność do przenoszenia przez cięgno linowe statycznego obciążenia o znanej wartości siły zrywającej. Jest to iloraz siły zrywającej linę i jej obciążenia statycznego uwzględniającego masę samego cięgna. To niezbyt nowoczesne podejście do obliczania lin stalowych jest stosowane również współcześnie, ponieważ jest to postępowanie stosunkowo proste i bardzo praktyczne, a dla większości urządzeń transportu linowego określono bezpieczne wartości współczynników bezpieczeństwa. Największe wartości współczynników bezpieczeństwa wynoszą 16 (w niektórych urządzeniach dźwigowych), a najmniejsze wartości - powyżej 2 - mają liny stosowane w budownictwie i pod tym względem nie odbiegają one od wartości współczynników bezpieczeństwa innych stosowanych tam materiałów budowlanych. Wartości średnie współczynnika bezpieczeństwa lin stalowych wynoszą od 4 do 7. Tego rodzaju liny są używane jako liny nośne kolei linowych, układów wielokrążkowych, górniczych wyciągów szybowych itp.

Specyficzne cechy lin (zarówno stalowych, jak i wykonanych z innych materiałów) używanych w maszynach transportowych powodują, że urządzenia, w których zastosowane są liny jako elementy pędne lub nośne, są klasyfikowane jako oddzielna grupa urządzeń określana jako urządzenia transportu linowego. Liny stalowe i urządzenia, w których one pracują, są prawie zawsze obiektem nadzoru w różnych obszarach działania właściwych dozorów technicznych. W Polsce liny stalowe pracujące w górniczych urządzeniach wyciągowych [142, 284], w wiertnictwie poszukiwawczym naftowym i gazowym, w maszynach podstawowych górnictwa odkrywkowego podlegają Wyższemu Urzędowi Górniczemu w Katowicach, liny pracujące w dźwigach osobowych, osobowo-towarowych, dźwignicach i różnego typu dźwigach podlegają Urzędowi Dozoru Technicznego w Warszawie, liny pracujące w kolejach linowych i innych urządzeniach transportowych podlegają Transportowemu Dozorowi Technicznemu, także w Warszawie. Dozory specjalistyczne: Dozór Wojskowy i Urząd Lotnictwa Cywilnego oraz Polski Rejestr Statków zajmują się linami stalowymi eksploatowanymi w obszarze ich jurysdykcji. Dozory techniczne w Polsce działają z mocy prawa na mocy Prawa o Dozorze Technicznym. W innych krajach eksploatacja lin jest też regulowana prawnie. Przykładem mogą być liny stosowane w wyciągach górniczych w Republice Południowej Afryki [210] lub cienkie, ale bardzo odpowiedzialne liny stosowane w statkach powietrznych [140].