[공학] 중세 시대의 동력원

물, 바람, 동물의 힘은 중세 엔지니어들이 개발한 비인간 동력의 주요 원천이었다. 새로운 원동력은 중세 시대에 발명된 여러 종류의 기계를 작동시키는 데 사용되었다. 현대 기계는 대부분 두 개의 맷돌로 만들어져 서로 회전하며 손으로 작동하는 원시적인 연삭용 쿼른(quern)에서 유래했다. 비트루비우스는 회전하는 차축에서 어떤 각도로든 운동이 전달될 수 있도록 핀과 홈으로 이루어진 톱니바퀴, 즉 기어가 어떻게 고안되었는지를 설명했다. 어떤 독창적인 사람이 회전 운동을 왕복 운동으로 바꾸거나 그 반대로 바꾸는 크랭크를 발명했으며, 그 시대의 위트레흐트 시편에 크랭크가 묘사된 것으로 보아 850년경에 크랭크가 사용되었던 것이 확실하다. 수차는 기원전 1세기에 발명된 것으로 추정하며, 북유럽에서는 북유럽 제분기(Norse mill)라는 유사한 장치가 일찍부터 사용된 것으로 알려져 있다. 인도에서도 이러한 초기 물레방아에 대한 증거가 남아 있다. 수직 축을 가진 수평 바퀴는 물살의 가장자리나 소용돌이 속에 놓지 않는 한 효과적일 수 없었을 것이다. 그러나 핀과 홈으로 된 톱니바퀴가 맷돌의 축과 직각으로 개울의 수직면에 바퀴를 세울 수 있게 되면서 수평축을 가진 수직 수차가 사용되기 시작했다.

 

로마인들은 제국의 마지막 수 세기 동안 유럽의 여러 지역에 수직 수차를 도입했다. 시인 아우소니우스는 4세기에 독일의 모젤강 지류인 로어(Roer)강에서 시끄럽게 옥수수를 갈고 돌을 톱질하는 수차에 관해 썼다. 537년 벨리사리우스가 고트족에게 맞서 로마를 방어할 때처럼 강에 정박해 있던 바지선에 자주 부착되어 있었다. 11세기에는 밀가루를 갈고, 대장간에서 풀무질하고, 톱을 조작하고, 천을 더 조밀하게 만들고, 종이를 만들고, 물을 펌프질하고, 소금 광산, 양조장 또는 공장에서 일하는 등 다양한 종류의 기계 직종에서 바쁘게 일했다.

 

1086년 영국의 토지대장에는 영국에 다양한 종류와 용도의 수차 수천 대가 있으며, 인구는 약 200만 명으로 추산된다고 기록되어 있다. 이 수차는 빠른 물살을 이용하기 위해 종종 다리 아래에 설치되었지만, 그 진동으로 다리가 흔들리기도 했다. 그래서 1413년에 나무로 지어진 파리의 노트르담 대성당은 1440년에 완전히 재건해야 했다. 런던 브리지처럼 조류를 이용하기 위한 바퀴도 개조되었다.

 

누군가 개울에서 흐르는 물의 속도보다 폭포의 높이를 이용하려고 생각한 것이 언제인지는 알 수 없다. 동력의 흐름은 물레방아에서 수레바퀴에 계속 쏟아져 내릴 수 있는 높이만큼이나 안정적일 것이다. 이미 아테네 아고라에서 폭포의 힘을 이용한 로마식 상사식 바퀴의 증거를 제시하지만, 14세기까지 이러한 유형이 일반화되었다는 것을 보여주는 증거는 없다. 비링구치오(Biringuccio)는 야금술에 사용된 다른 모든 장치를 자세히 설명하지만, 단지 물레방아라고만 말하며 독자들이 물레방아에 대해 잘 알고 있다는 것을 당연하게 여긴다. 1556년 아그리콜라는 상사식 수차를 그림으로 그렸다. 15세기에 수차의 조잡한 그림이 등장했는데, 이는 사람들이 수차의 뛰어난 기능을 높이 평가하고 있었음을 나타낸다. 물이 새지 않는 댐과 도랑은 건설하기 어렵고 유지 관리 비용이 많이 들었다. 특히 영국에서는 공공 수로가 개인 둑과 댐으로 막히는 것을 싫어하는 사람들의 강력한 반대가 있었다. 영국의 강을 오갈 수 있는 일반적인 권리에 대한 이러한 간섭으로부터의 자유는 대헌장(Magna Charta)에 명시되어 있었다. 하천 변의 하사식 수차는 교통을 막지 않았고, 종종 지역 주민 누구나 이용할 수 있는 공동의 재산이었다. 그런데도 더 큰 힘을 가진 상사식 바퀴가 결국 하사식 바퀴를 대체했다.

 

대헌장 (Magna Charta)

 

두 번째로 활용된 동력원은 바람이었다. 유럽 최초의 풍차는 12세기 말에 등장했다. 초기 풍차는 수평축에 수직 돛이 달린 형태였으며, 돛을 바람에 띄우기 위해 방앗간 전체를 회전시켜야 했기 때문에 크기가 작을 수밖에 없었다. 15세기에 이르러 엔지니어들은 바람을 더 효과적으로 잡을 수 있도록 차축과 돛을 기울인 밀을 발전시켰다. 15세기 말에는 보닛 풍차가 발명되었는데, 돛을 바람에 띄우기 위해 상단의 보닛 또는 터릿(turret)만 움직이면 되므로 훨씬 더 큰 풍차를 만들 수 있게 되었다. 풍차는 수차처럼 다양한 종류의 기계를 작동시켰으며, 특히 자연 폭포나 빠르게 흐르는 강이 많지 않은 북서유럽의 평원에서 인기가 높았다. 풍차는 수차를 위해 값비싼 댐을 건설할 필요가 없었기 때문이다.

 

독일식 풍차

 

풍력 발전의 또 다른 중요한 발전은 바람을 거슬러 항해하는 배를 위한 돛을 발명하여 배를 바람의 방향과 노를 젓는 사람의 노력으로부터 독립시킬 수 있게 한 것이었다. 이미 그리스도 시대부터 북유럽 사람들은 사각형 돛이 달린 배를 만들어 어느 정도 바람을 가르며 항해할 수 있었다. 그들은 돛대를 지중해의 조선업자들보다 훨씬 더 후방에 설치하여 선원들이 돛을 거의 앞뒤로 흔들 수 있었기 때문에 배를 고정할 수 있었다. 이 배의 구조는 중세 시대에 개선되어 1066년 정복자 윌리엄이 영국 해협을 건널 때 노가 필요 없는 사각형 구조의 배를 타고 항해했다.

 

북유럽에서 이러한 발전이 이루어지고 있는 동안 지중해에서는 라텐 돛 형태의 앞뒤 돛이 도입되고 있었다. 라텐 돛은 서남아시아에서 유래한 것으로, 7세기 이슬람교도들이 정복한 다음 가져온 것이다. 9세기에는 그리스 선박이 라텐 돛을 사용했고, 11세기 이탈리아 도시의 선박도 라텐 돛을 사용했다. 지중해 상인들이 라텐 돛을 장착한 후에는 더 이상 노가 필요하지 않았다. 12세기 이후에는 모든 유럽 해안에서 앞뒤 라텐 리그가 사용되기 시작했다. 15세기에는 라텐 돛이 북방 사각 돛과 결합하였고, 15세기 말과 16세기 초에 위대한 모험가들이 이 조합 돛으로 세계를 탐험했다. 이 새로운 장비는 승무원의 수를 대폭 줄여 배의 항해 거리를 늘리고, 배의 속도를 두 배 이상 높였으며, 노를 젓는 고된 노동에서 벗어나게 해줬다.

 

세 번째 새로운 동력원은 말이었다. 고대에 말은 기껏해야 가장 비효율적인 동력 생산자였는데, 그 이유는 당시 사용하던 멍에가 말을 많이 끌면 목을 조였기 때문이다. 게다가 못이 박힌 신발이 없으면 발굽이 부러져 쓸모없게 되는 경우가 많았다. 그러나 10세기에 이르러 인간은 말의 어깨에 걸치는 말고삐를 개발하여 말을 당길 때 목이 막히지 않게 했다. 또한 말굽과 두 마리 이상의 말이 짐을 끌 수 있는 직렬 마구가 발명되었다. 말은 소에 비해 빠르고 효율적이어서 농업과 기계 작동에 있어 인간이 아닌 동력의 귀중한 원천으로 입증되었다.

 

수차, 풍차, 돛, 말은 거의 유일한 동력원으로서 인간을 대체할 수 있는 최초의 원동력이었다. 15세기 말 보닛 풍차가 발명된 이후 증기기관이 발명될 때까지 더 이상의 중요한 동력원 개발은 없었다.