수차
1. 개요
水車
물의 역학적 에너지를 축의 회전 운동 에너지로 전환시키는 기계들의 총칭.
물레방앗간에서 사용된 물레방아도 수차의 일종으로 볼 수 있다.
2. 역사
2.1. 고대
고대 메소포타미아의 시대에 발명되었다고 추측되며, 농지 관개를 위해서 사용되었다는 기록이 남아 있다.
고대 로마의 기술자 비트루비우스가 만든 수차에 대한 기록도 남아있다. 로마인들은 역사상 최초로 산업적 규모의 수력 공장을 운영했으며 대표적인 사례로 히에라폴리스의 제재소와 도시 전체에 밀가루를 공급한 바르베갈의 제분소 복합체가 있다. 사상 최초로 수력 터빈을 개발하고 사용한 민족 또한 로마인이다.
http://researchingfoodhistory.blogspot.com/2014/10/barbegal-super-roman-flour-mill-complex.html
로마는 고대에 수차 기술을 고도로 발전시켰고 이는 유럽과 이슬람, 인도 등으로 전파되어 세계 수차의 기본 모델로 정립된다. 그러나 비슷한시기의 중국과 달리 제철공정에 수차를 이용하는 수준에까진 도달하지 못한 것으로 보인다.
이슬람 세계의 수차는 시리아 하마 지방의 수차가 유명한데 [1] 대규모 17기의 농지 관개 용 수차들이 현재에도 남아 있어 관광 명소가 되고 있다. 아래 사진에서 크고 아름다운 규모의 수차를 확인할 수 있다.
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이슬람을 보면 7세기부터 산업적 규모로 수력 공장을 사용하였고, 알 안달루스에서 중앙아시아까지 전국적으로 확대되었다. 무슬림과 기독교 엔지니어들이 제분소와 양수기에 크랭크축과 터빈과 기어를 사용했으며 제재, 철강, 제분, 탈각, 쇄광, 제당 등 온갖 용도로 수차를 사용했다. 조력 수차와 배 수차도 사용했다.
무슬림과 기독교 엔지니어들은 수차의 산출량을 극대화하기 위해 여러 가지 해결책을 사용했는데 그중 하나는 증가된 유량에서 이점을 취하기 위해 부두 혹은 배에 수차를 설치하는 것이었다. 티크와 철로 만들어진 배 수차(말 그대로 티그리스-유프타레스 강 위에 띄워진 배에 설치된 수차)는 매일 10톤의 밀가루를 바그다드의 곡물 창고로 공급했다.
유럽에서도 풍차와 함께 제분용, 배수용 등으로 널리 사용되었다. 해양성 기후라 수력을 마음껏 쓸 수 있는 환경이었고, 밀이 주식인 특성상 제분 시설은 필수였기 때문이다.
예를 들어 잉글랜드의 둠즈데이 북(1086년)에는 5,624개의 제분소가 기재되어 있다. 이 중 오직 2%만이 고고학적 증거와 불일치하며 후속 연구는 6,082개의 제분소가 당시 잉글랜드 내에 있었다고 추정하고 있다. 당시 유럽에서 산업적으로 운용하던 수차의 종류는 제재 수차, 축융 수차, 제혁 수차, 제련 수차, 탈각 수차, 제지 수차, 날갈이 수차, 풀무 수차, 쇄광 수차, 슬리팅 수차, 용광로 수차 등이 있었다.
한국에서는 수차를 제분용 관개용에 따라 다른 명칭을 붙였다. 곡식을 가는 맷돌로 쓰일 때에는 수연(水碾), 수애(水磑), 수마(水磨), 수롱(水礱) 등으로 불렀고, 곡식을 빻는 방아로 쓰일 때는 수대(水碓) 또는 기대(機碓)라고 불렀다. 한반도에서 수차가 사용되기 시작한 것은 대체로 5, 6세기경부터인 것으로 추측되는데. 그 근거는 아래에도 나와 있는 610년에 고구려의 중 담징이 일본에 건너가 그해에 연자 맷돌을 만들었다는 기록이 있기 때문이다.
그 후 수차에 대한 기록은 ‘고려사’에서 단 한번 나타나는데. 1362년(공민왕 11년) 기록에 따르면 농민들이 저수지와 제방을 쌓아 물을 끌어대는 것에만 의존하여 관청에서 수차를 만들어 보급하고 농민들에게 사용을 장려했다는 내용이다. 이것으로 보아 한반도에서는 고려 말기까지도 수차가 관개용으로 일반화되지 않았다고 짐작된다. 고려가 멸망한 후 조선시대에 세종대왕을 비롯해 농민들에게 여러 번 수차 사용을 장려하기도 했으나, 그 시도들은 성공하지 못했고, 결국 구조적인 발전이나 보급의 확대는 일부 지역에서만 이루어졌다.
한반도에서 수차가 잘 쓰이지 않는 이유는 여러 가지지만, 일반적으로 한반도의 환경이 수차에 적합지 않다는 걸 가장 큰 이유로 든다. 조선이 기술이 있었음에도 수차를 보급시키지 못한 이유 한반도는 강수량 대부분이 장마철에 밀집해 있는 만큼, 수차를 돌릴만한 물이 부족한 상황이 자주 있다는 것. 거기다 겨울에는 물이 얼어버리는지라 사용이 불가능해진다. 당장 실록에 "토양(土壤)의 성분이 푸석하여 물을 받을 수 없는 까닭에 수차의 법은 마침내 이익을 보지 못하였다."라고 언급하고 있다. 천수답이나 보, 제언 등 다른 방법이 있는 상황에서 굳이 비싼 데다 사용하기도 어려운 수차를 만들 이유가 없었다는 것이다. 관련기사.
이를 두고 원동기형 수차와 달리 용골차는 계절에 상관없다고 주장하는 견해도 있다, 애초에 조선이 보급하려고 했던 건 물살로 돌아가는 상, 하사식 수차가 아니라 그냥 페달을 발로 밟아서 물을 위로 퍼올리는 족답식 양수기고 원래 조선에서 쓰던 용두레의 상위 호환이라는 것이다. 정말 하상계수 문제로 수차를 못썼으면 용두레도 못써야 했으며 그냥 물 있는 곳에 박아놓고 밟아 돌리는 물건에 무슨 기후 탓을 하고 있냐는 것. 용두레 삼각대랑 용골차, 후미구루마 지지대 설치하는 난이도는 별반 차이가 없으며 괜히 조선시대 재야학자부터 임금까지 수세기에 걸쳐 수차 보급 방안을 고심한 게 아니라는 것이다. 그러나 여기에 대해서도 기후 특성 상 수차가 필요할 만큼 날이 가물은 경우에는 용골차로 퍼올릴 물 조차 없었기 때문에 마찬가지로 도입이 미진했다는 반론이 있다. #
물론 보급 시도는 계속 있었다. 잠곡 김육이나 연암 박지원도 중국에서 들여온 수차를 보급했다는 것이 버젓이 업적으로 나와있고, 특히 김육은 충청도 관찰사 때 수차의 보급에 적극 나섰다. 관개용 수차는 빗물과 도랑에만 의존하는 천수답과 기존 관개시설의 문제점을 보완하기 위한 도구이지 그것들의 대체용품이 아니라는 주장도 있다. 실제로 널리 보급되지 않은 것은 분명한 것이, 기존 관개시설과 수차의 이용이 병행되지 못하는 문제점에 대해 조선 후기 재야학자인 반계 유형원은 자신의 저서인 우서에서 '우리나라 농민들은 수차의 이용을 알지 못하여 논 아래 도랑의 물이 한 길만 내려가도 이를 굽어보기만 할 뿐 감히 끌어올리지를 못한다'라며 한탄하기도 했다.참고 그러나 보급 자체가 없었던 것은 아니어서, 순조 시대가 되면 자원이 풍부한 강원도와 경상도 함양, 창원에서는 수차가 널리 보급되었다. 남도형과 북도형의 수차엔 차이가 있었다는 기록도 있다.
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위의 그림을 토대로 재현한 원, 송대의 수차를 이용한 피스톤 풀무
중국 란저우, 황하의 수차
중국에서는 기원전 3세기 이전부터 사용한 것으로 보이며 14세기까지 수력으로 작동하는 방적기와 풀무 등 수차를 공업용으로도 이용한 것으로 보이는데 이러한 기술혁신은 유럽과 비교하여 길게는 천수백년이상, 짧아도 수백년은 빠른 것이었다. 전국시대에 제철공정이 대규모화 되면서 풀무를 가동하는데만 수백필의 말을 동원할 정도였는데 크랭크축과 수차를 이용한 수력풀무는 별다른 노동력을 투입할 필요 없이 더욱 센 바람을 더 일정하게 용광로에 투입할 수 있었다. 수력풀무는 용광로 및 고온환원법과 더불어 고대 중국의 야금술의 발전을 견인하였다. 중국에서 수차는 주로 남방지역에서 주로 쓰였고 북방은 한반도처럼 겨울이 길고 물이 얼거나 말라버리는 조건이라 수차를 못 썼다.
일본, 치쿠고가와 강의 수차
일본 서기에는 610년 고구려로부터 온 승려 담징이 연애(碾磑)라는 수차로 움직이는 맷돌을 만들었다고 있다. 일본도 한국이나 북중국보다는 덜하지만 연중 강수량이 고르지 못한 기후였으나, 관개 수리가 발달하여 수차가 정착할 수 있었다.
2.2. 근대
2.3. 현대
3. 분류
물의 역학적 에너지를 회전 운동 에너지로 전환시키는 방법에 따라 크게 3가지로 구분된다.
3.1. 중력수차
산업혁명이 일어나기전 대부분의 수차는 중력수차였다. 우리가 물레방아라고 부르는 것들이 다 이 부류다.
수차의 어느 높이에 물을 흘리느냐에 따라 종류가 나뉘고 그 종류마다 효율도 다르다.
3.2. 충동수차
물의 역학적 에너지를 거의 모두 운동에너지로 전환시켜 고압의 물을 노즐에서 발사해 수차의 판에 충돌시켜 회전에너지로 전환시키는 방식이다.
충동수차의 경우 물을 받는 판의 형태에 따라 효율이 달라지기도 한다.
댐에서 발전하는 방식이기도 하다. 댐 발전에 대해 설명할때 자주 언급되는 프란시스 수차가 이 부류.
3.3. 반동수차
물이 날개차를 통과하는 사이에 물의 압력과 속도 에너지로 수차가 회전한다
[1] 수차의 도시라는 별칭이 있을 정도