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1. 개요
수차(水車, waterwheel)는 물의 역학적 에너지를 축의 회전 운동 에너지로 전환시키는 기계를 총칭하는 말이다. 물레방앗간에서 방아를 찧을 때 사용한 물레방아 역시 수차의 일종이며, 현대에 수력발전소에서 사용하는 터빈(turbine) 역시 수차의 한 종류이다.[1]2. 역사
2.1. 전근대
2.1.1. 중동과 서양의 수차
고대 메소포타미아의 시대에 발명되었다고 추측되며, 농지 관개를 위해서 사용되었다는 기록이 남아 있다. 이때는 수평형도 쓰였다. 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 복합체, 제국 광산들에서 쇄광과 배수를 위해 사용한 수차 복합체가 있다.[2] 사상 최초로 수력 터빈을 개발하고 사용한 민족도 로마인이다.로마는 고대에 수차 기술을 고도로 발전시켰고 이는 유럽, 이슬람, 인도 등으로 전파되어 세계 수차의 기본 모델로 정립된다. 수차가 서방에서 전래되었는지 중국의 자체 발명인지는 불확실하지만[3] 중국에서도 늦어도 기원전부터 사용한 것으로 보이는데 중국인들은 기원후 1세기무렵에 이미 제철공정에 수차를 이용하는 수준에 도달하였다.[4]
이슬람 세계에서는 시리아 하마 지방의 수차가 유명한데[5], 17기의 거대한 농지 관개용 수차들이 지금까지도 남아 있어 관광 명소가 되고 있다. 아래 사진에서 크고 아름다운 규모의 수차를 확인할 수 있다.
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 수차는 매일 10톤의 밀가루를 바그다드의 곡물 창고로 공급했다.
유럽에서 수차는 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.
근대 미국에서는 물레방아를 수력발전기로 사용하기도 했다. 당연히 발전소하고 멀리 떨어진 시골에서 썼는데, 전기공학 지식만 있다면 그렇게 어려운 건 아니었다.
2.1.2. 동양의 수차
위의 그림을 토대로 재현한 원, 송대의 수차를 이용한 피스톤 풀무
중국 란저우, 황하의 수차
중국에서는 기원전부터 사용한 것으로 보이며 진나라의 이빙은 대규모 수리 관개 시설인 도강언을 건설한 후 운하의 물길을 이용해 수천개의 수차를 돌려 곡식의 도정등에 사용하였다고 한다.
특히, 중국은 14세기까지 수력으로 작동하는 방적기와 풀무 등 수차를 공업용으로도 이용한 것으로 보이는데 이러한 기술혁신은 유럽, 중동과 비교하여 길게는 천여년, 짧아도 수백년은 빠른 것이었다.
전국시대때부터 제철공정이 대규모화 되면서 풀무를 가동하는데만 수백필의 말을 동원할 정도였는데 한나라 시기에 발명된 수력풀무는 별다른 노동력을 투입할 필요 없이 더욱 센 바람을 더 일정하게 용광로에 투입할 수 있었다. 수력풀무는 용광로 및 초강법[6]등 과 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.
2.1.3. 한국사와 수차
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.다른 문명권에 비해 한반도에는 수차가 널리 보급되지 않았으며, 고고학적 유물이나 문헌기록 등 사료를 통해 남아있는 흔적도 적은 편이다. 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.
그러나 그 후 수차에 대한 기록은 《고려사》에서만 단 한 번 나타난다. 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 않았던 이유는 여러 가지지만, 일반적으로 하상계수가 큰 한반도의 환경이 수차에 적합지 않다는 걸 가장 큰 이유로 든다. 한반도는 강수량 대부분이 장마철에 밀집해 있는 만큼, 수차를 돌릴만한 물이 부족한 상황이 자주 있다는 것. 거기다 겨울에는 물이 얼어버리는지라 사용이 불가능해진다. 실록에도 "토양(土壤)의 성분이 푸석하여 물을 받을 수 없는 까닭에 수차의 법은 마침내 이익을 보지 못하였다."라고 언급하고 있는데, 천수답이나 보, 제언 등 다른 방법이 있는 상황에서 굳이 비싼 데다 사용하기도 어려운 수차를 만들 이유가 없었다는 것이다. #.
그러나 이에 대해 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.
| 함양군 연암 물레방아 공원에 소재한 물레방아. 박지원이 1792년 제작한 수차를 재현한 것으로, 한국에서 가장 큰 목제 수차이다.[7] |
조선 후기에도 수차를 보급하려는 시도는 이어졌다. 잠곡 김육이나 연암 박지원 등이 중국에서 들여온 수차를 보급하려 시도했는데, 특히 김육은 충청도 관찰사 때 수차의 보급에 적극 나섰다. 이 당시에도 조선에 수차가 널리 보급되지 않은 것은 분명한 것이, 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 이러한 노력에 힘입어 순조 시기 이후 자원이 풍부한 강원도와 경상도 함양, 창원에서는 수차가 보급되었다.[8] 남도형과 북도형의 수차엔 차이가 있었다는 기록도 있다.
2.2. 근현대
현대 들어서는 수력발전용으로 절찬리에 쓰이고 있는데, 위에 보이는 수차들과는 모양이 좀 다른 충동 수차를 많이 쓴다. 발전용 수차는 대체로 댐 등으로 막은 물을 높은 곳에서 떨어뜨려 강제로 유속을 증가시킨 다음 수차에 강하게 충돌시키고서 수차 아래쪽으로 빠져나가게끔 통로가 만들어져있는데 이 덕분에 강하게 수차에 부딪힌 물은 수차를 빠르게 회전시키며, 이걸 발전기에 연결시켜서 전기를 뽑아낸다. 참고로 이 수차에 쓰이는 터빈은 날개의 각도부터 소재의 사용까지 현대 공학기술의 결정체라고 불릴 만한 물건이다.수차에 관한 농담으로 수차를 이용해 닭을 돌려서 골고루 굽는 방법이 있다. 간단하다. 물의 힘으로 수차가 돌면서, 나무에 꽂힌 닭도 함께 돈다.
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. 충동 수차
물의 역학적 에너지를 거의 모두 운동에너지로 전환시켜 고압의 물을 노즐에서 발사해 수차의 판에 충돌시켜 회전에너지로 전환시키는 방식이다.충동 수차의 경우 물을 받는 판의 형태에 따라 효율이 달라지기도 한다.
소수력발전에서 이 터빈을 쓰며, 댐 발전에 대해 설명할때도 자주 언급되는 펠턴 수차가 이 부류로, 사진의 수차가 바로 펠턴 수차다.
3.3. 반동 수차
물이 날개차를 통과하는 사이에 물의 압력과 속도 에너지로 수차가 회전한다. 프란시스 수차, 카플란 수차 등이 있다. 댐 등 대규모 수력발전 때 펠턴 수차와 함께 프란시스 수차가 많이 사용된다. 사진의 수차가 프란시스 수차로, 자동차 엔진의 터보차저와 유체의 흐름이 비슷하다. 이 과급기도 배기가스가 옆쪽으로 들어와서 압력으로 터빈을 밀어 회전시키고 가운데로 빠져나가는데, 발전용 수차들도 에너지 전달 매개체가 배기가스 대신 물일 뿐, 터빈을 미는 방식은 비슷하다.
[1] 본래 용어 '터빈(turbine)'은 19세기에는 수차를 가리키는 말이었으며, 이후에 기계가 발전하면서 현재와 같이 모든 종류의 유체 운동 에너지를 회전력으로 바꾸는 기계에 대한 용어로 발전하였다.[2] 이 기술은 중세유럽에서 재발견된다.[3] 양수기는 로마로부터 전래되었다.[4] 서양에서는 중세때부터 제철공정에 수차가 쓰였다.[5] 수차의 도시라는 별칭이 있을 정도[6] 철을 녹인 용선의 탄소함유량을 조절하여 강철을 만드는 방법으로 인류는 초강법을 통해 비로소 강철을 대량 생산할수 있는 수준에 도달하였다.[7] 한국사에서 워낙 수차가 드물었던 탓에, 경남도민일보 등 지역 신문은 이를 '1792년 한국에서 처음 만들어진 물레방아'라고 오보하기도 했다.# 상술했듯 실제로는 18세기 이전 한반도에도 수차 기술이 존재했다.[8] 영조~순조 시기 100여 년간 경상도 지역에는 저수지 등 수리시설이 타 지방에 비해 폭증했다. 이 지역은 소백산맥 등의 영향으로 인해 겨울에 충분히 눈이 오지 않고, 충분한 양의 강수량이 쌓이지 않으면 그대로 봄 가뭄으로 이어지기 때문이다.