[공학] 고대 로마의 기계

현대 기술은 인간의 근육을 대체하기 위해 엄청난 양의 동력을 사용한다. 복잡한 기계는 천연자원으로부터 풍부한 에너지가 공급된다. 이러한 기계 중 일부는 비효율적이어서 낭비이다. 하지만 로마의 엔지니어는 그 힘과 속도에 놀라움을 금치 못했는데, 그에 비해 로마의 기계는 약하고 느렸기 때문이다. 이 느리고 비교적 단순한 장치는 대부분 사람의 손이나 발로 작동되었고, 동물은 거의 사용되지 않았으며 수차는 거의 사용하지 않았다. 앞서 설명한 위대한 업적은 초보적인 형태의 기계 동력과 막대한 인간 에너지 소비를 통해 만들어졌다. 그렇다고 로마인이 그리스인처럼 균형추와 지렛대를 광범위하게 사용했기 때문에 더 효율적인 건설을 위한 노력 절감 장치에 관심이 없었다는 의미는 아니다. 즉, 이집트인이나 다른 고대 민족들보다 체력을 착취하는 인간의 대량 생산에 더 큰 관심을 두지 않았다는 뜻이다. 로마의 엔지니어와 그 전임자의 위대한 힘은 바로 인간의 노력이었다. 로마인의 파괴적인 군사 투석기, 투석기, 공성 무기에 대해서는 건축 기계보다 더 많이 알려졌지만, 이러한 무기를 쉽게 개조할 수 있는 곳이라면 어디든 건축에 사용되었다고 가정하는 것이 전적으로 합리적이다. 비트루비우스는 몇 가지 기계 장비를 설명했다. 그중에는 태클에 도르래가 세 개 달린 데릭이 있었다. 이 트리스파스토(trispastos)는 일종의 러닝머신인 수평축에서 회전하는 큰 바퀴와 캡스턴을 통해 인력으로 작동했다. 트레드밀에서 사람들이 크레인을 작동하는 모습을 보여주는 부조가 보존되어 있다. 이것이 크레인을 돌리는 데 사용되었는지 아니면 단순히 태클을 작동하는 데 사용되었는지는 확실하지 않으며, 아마도 두 가지 작업이 함께 이루어졌을 것이다. 그렇다면 로마인은 현대식 호이스트 크레인의 원리를 알고 있었다는 것이다. 그들에게 부족했던 것은 기계적인 동력이었다.

 

로마의 엔지니어는 도르래와 크레인과 같은 간단한 도구와 많은 인력을 동원하여 이집트 오벨리스크를 들어 올리고 트라야누스 기둥이 세워진 약 50톤 무게의 파리안 대리석 큐브 18개를 옮겼다. 그리고 이런 방식으로 거대한 수로 다리에 들어가는 수천 톤의 석재도 들어 올렸다. 가장 높은 지점에서 약 75피트 높이의 클라우디안(Claudian) 다리는 7마일 길이에 56만 톤 이상의 채석된 석재가 필요했으며, 14년간의 건설 동안 매년 4만 대 이상의 마차가 필요했다.

 

 

로마인은 팀 파눔(tympanum) 또는 드럼, 달팽이관(cochlea) 또는 아르키메데스 나사, 힘 펌프 등 세 가지 종류의 물을 끌어 올리는 기계를 사용했다. 이들은 항상 수동 크랭크 또는 발의 힘으로 작동했던 것으로 보인다. 특히 스페인의 로마 광산에서 팀 파눔의 표본이 많이 발견되었다. 크기는 다양하지만, 일반적으로 지름이 약 14피트 정도이고 수레바퀴 살의 테두리를 따라 발자국이 있으며, 물을 담을 수 있는 열린 상자나 양동이가 장착되어 있었다. 보통 나무로 만들었지만 때로는 청동 축을 사용하기도 했다. 한 바퀴씩 직렬로 회전하면서 물을 끌어 올리는 거리까지 물을 끌어 올릴 수 있었다. 그러나 각 드럼은 한 명 이상의 남성이 그 위에 앉아 발로 트레드를 밀며 끊임없이 노력해야 했다. 드럼은 로마 광산에서 충분히 잘 작동한 것으로 보인다. 14세기까지 광산에 동물의 힘을 이용했다는 기록은 없다.

 

달팽이관(cochlea)은 그리스인에게도 알려졌지만, 로마 광산에서 거의 표준 장비였기 때문에 여기에 설명한다. 로마인이 이를 개조한 아르키메데스 나사는 길이가 10~12피트 정도였고, 나무 또는 구리 조각을 가장자리로 나선형으로 감아 판자 통에 감싼 나무 심으로 만들어졌다. 철제 들보에 20도에서 45도 각도로 회전하고 손잡이 또는 손잡이로 코어를 돌렸다. 달팽이관 역시 지역 조건이 허용하는 한 물을 높이 올리기 위해 서로 직렬로 배치할 수 있었다. 빠른 속도나 많은 동력이 필요했다고 볼 수는 없지만, 널리 사용되었다는 것은 어느 정도 만족감을 주었음을 시사한다. 아마 달팽이관이 고막보다 더 효과적이었을 것이다. 나사를 돌리는 데 한 사람만 필요했고, 드럼의 무게 때문에 두 명 또는 세 명이 필요했을 수도 있으며 달팽이관의 흐름이 더 안정적일 수 있다. 권위자인 올리버 데이비스에 따르면, 달팽이관은 중세 소금 광산에서 사람 대신 동물을 기계에 연결한다는 아이디어를 떠올릴 때까지 광산을 배수하는 작업에 가장 효율적으로 동력을 적용했다고 말한다.

 

비트루비우스의 말을 빌리자면, “다음으로 물을 높이 끌어 올리는 크테시비아(Ctesibian) 기계에 관해 설명하겠다.” 헬레니즘 세계의 엔지니어는 이 기계에 대해 아무것도 하지 않았고 비트루비우스는 이 기계를 크게 발전시켰기 때문에 이 장에서 로마에 관한 이야기를 남겨두었다. 비트루비우스가 황동 레버와 실린더, 기름칠 피스톤과 밸브, 파이프와 공기 압력, 왕복 운동에 대해 자세히 설명한 것을 보면 로마의 엔지니어가 왕복 동력 펌프의 원리와 제작 방법을 잘 알고 있었다는 것을 알 수 있다. 그는 “원운동이 없는 직선 운동이나 직선 운동이 없는 회전 운동 모두 하중을 올릴 수 없다”라고 썼다. 그의 스케치는 원고와 함께 보존되어 있지 않지만, 그의 설명이 너무 명확하여 물을 올리는 장치의 구조를 착각할 수 없다. 그가 암시했듯이 물레방아나 디딜방아와 쉽게 연결될 수 있었을 것이다. 이 장치가 얼마나 널리 사용되었는지 또는 얼마나 효과적이었는지는 확실하지 않다. 비트루비우스는 낮은 저수지에서 높은 공공 분수대까지 물을 끌어 올리는 데 사용되었다고 썼지만, 얼마나 광범위하게 사용했는지는 밝히지 않았다. 그는 수력발전에 필요한 동력에 대해서는 더 이상 언급하지 않았고, 로마 시대의 다른 증거도 없다. 서기 100년경 위대한 수로를 자랑하고 로마의 수도 시스템에 대해 자세히 설명한 프론티누스는 이러한 수력 펌프의 건설이나 사용에 대해서는 언급하지 않았다.

 

로마인은 때때로 동물과 사람을 보충하고 심지어 대체하기 위해 수력을 사용했다. 그들은 밀가루를 갈기 위해 원시인들이 사용하던 수공 방앗간, 즉 쿼른(quern)을 개선했다. 윗부분의 돌은 속이 비어 있고 모래시계 모양이었다. 아래쪽 돌은 원뿔형 받침대 위에 장착되었고 위쪽은 곡물을 넣을 수 있는 호퍼(hopper)를 만들었다. 양쪽에는 회전 레버가 삽입되어 있었다. 서기 79년 베수비오 화산에 의해 파괴된 폼페이 유적지에는 이런 종류의 방앗간에 나귀 한 마리가 매달려 있는 부조가 남아 있다. 이 재앙이 일어나기 2년 전에 <자연사>를 완성하고 그 속에서 목숨을 잃은 플리니우스 원로에 따르면, 대부분의 이탈리아인은 이런 방앗간에서 밀가루를 손으로 빻아 먹었다고 전한다. 하지만 제분기는 고도로 발달해 있었다. 비트루비우스는 이미 직각으로 맞물려 수평축에서 회전하는 물레방아의 힘을 수직축에서 회전하는 맷돌에 전달하는 톱니바퀴에 대해 명확하게 설명한 바 있다.

 

로마 문헌에서 수차에 대한 다른 언급은 거의 없지만 로마의 도시에서 수력 제분소가 얼마나 중요했는지를 증명하는 데는 충분하다. 언덕의 가파른 경사면을 따라 흘러내리는 아쿠아 트라야나(Aqua Traiana) 저수지에서 넘친 물을 잡기 위해 야니쿨룸(Janiculum) 옆에 여러 개가 있었다. 이들은 개울에 쉽게 놓을 수 있으므로 언더샷 바퀴였을 것이 분명하지만, 로마인들은 밀레이스(millrace) 아래에 설치되어 무게와 떨어지는 물의 충동으로 회전하도록 설계된 오버샷 바퀴를 알고 사용했다는 증거가 있다. 이러한 로마 수차의 석조물은 아테네 아고라에서 여전히 볼 수 있다. 지름이 약 10피트이고 밀레이스 또는 플룸(flume)이 4½피트 위에 있었으며 아마도 서기 457년에서 474년 사이에 건설된 것으로 추정된다.

 

그러나 로마 역사상 가장 유명한 수차는 중세 초기인 서기 537년 유스티니아누스 황제의 위대한 사령관이었던 벨리사리우스가 로마를 방어하기 위해 테베레강에 설치한 언더샷 수차였다. 고트족은 테베레강 건너편에 있는 수로를 차단하여 도시의 제분 공장을 멈추게 했다. 벨리사리우스에는 강을 가로지르는 호선이 줄지어 있었고 바지선이 쌍으로 정박해 있었다. 각 쌍 사이에는 물레방아가 매달려 있었고 바지선의 맷돌과 연결되어 있었다. 따라서 벨리사리우스는 강물의 흐름을 이용하여 포위 기간 내내 도시 사람들에게 밀가루를 공급할 수 있었다고 전한다.