[공학] 물과 불을 이용하기 시작하다.

인간은 물을 사용하면서 실용적이지 않지만 기발하고 예언적인 아이디어를 많이 생각해 냈다. 1578년 이전에 자크 베송(Jacques Besson)은 압축 공기로 물을 분사하여 불을 끄는 방법을 생각했다. 1617년 야콥 드 스트라다(Jacob de Strada)는 현대식 터빈과 같은 수평 수차를 계획했다. 1620년 이후 네덜란드의 과학자 코넬리스 야콥스순 드레벨(Cornelis Jacobszoon Drebbel)은 웨스트민스터에서 그리니치까지 템스강을 ‘물속에서 헤엄치는’ 배를 만들었다고 전한다. 1629년에는 지오반니 브랑카(Giovanni Branca)가 증기로 구동되고 물질을 두드리는 장치에 장착된 임펄스 터빈을 고안했다. 공상적인 장치였지만 중요한 의미가 있었다. 증기를 이용한 활발한 실험이 시작된 것이다. 이러한 기계는 거의 제작되지 않았다. 한 가지 이유는 필요한 도구를 개발해야 했기 때문이다. 또 다른 중요한 이유는 아직 아무도 이러한 장치의 필요성을 절실히 느끼지 못했기 때문이다. 불과 물의 힘이 결합했을 때 더 큰 유용성을 발견하는 길을 열게 된 것은 일상 업무에서 인간의 단순한 욕구라는 관점에서 이 문제에 접근했을 때 더욱 확고한 근거를 발견할 수 있었다. 사실 일상적인 필요의 압박은 공학에서 모든 출발의 궁극적인 원인을 가장 잘 나타낼 수 있다.

 

반노치오 비링구치오(Vannoccio Biringuccio)는 1540년에 출간한 《피로테크니아》에서 축적된 지식을 발표하며, 야금술에서 물이 갖는 큰 가치를 강조했다. "…모든 불편함 중에서 물 부족은 피해야 할 가장 큰 문제이다." 그는 "바퀴와 다른 독창적인 기계는 그 힘과 무게로 구동되기 때문에 물은 그러한 작업에서 가장 중요한 재료이기 때문이다."라고 말했다. 그것은 불에 새로운 힘과 활력을 주는 크고 강력한 벨로우즈(bellows)를 쉽게 들어 올릴 수 있으며, 가장 무거운 망치를 치게 하고, 방앗간을 돌리게 하며, (보시다시피) 사람의 힘을 보조하는 다른 유사한 것들을 가능하게 했다. 바퀴의 들어 올리는 힘은 백 명의 사람보다 훨씬 강하고 확실하므로 다른 방법으로는 같은 원하는 목적에 도달하는 것이 거의 불가능하기 때문이다."라고 말했다.

 

비링구치오는 금속 장인과 광부들의 경험을 바탕으로 노동의 효율성에 대해서도 언급했다. 6시간 또는 8시간마다 ‘새로운 사람과 휴식을 취하는 사람’이 교대 근무를 해야 한다는 것이었다. 이는 로마의 노예 대우나 중세의 자유노동 절차를 훨씬 뛰어넘는 제안이었으며, 아직 어떤 곳에도 지켜지지 않는 제안이었다. 물론 동시대 사람들은 그에게 주목하지 않았다. 그리고 그는 ‘모든 번거로움이 따르는 전쟁보다는’ 광업이 부를 얻고자 하는 사람들을 위한 사업이라고 말했다. 광업은 상업보다 우월했는데, 그 이유는 상업은 “세상을 속이고 정직한 사람에게는 불법일 수 있는 다른 귀찮은 일을 하는 것”이었기 때문이다. 비링구치오의 상세한 묘사를 보면 제련과 제강 공정이 잘 발달했음을 알 수 있다. 중세의 대장장이들은 대장간과 망치, 풀무와 불을 다루는 숙련된 장인이었으며, ‘자신이 만들고자 하는 목적에 맞게’ 금속을 만들었다. 하지만 그는 다른 일에도 너무 몰두했다. 비링구치오는 “알다시피, 불행한 일꾼들은 닭의 첫 울음소리와 함께 시작된 고되고 긴 하루가 지친 저녁을 제외하고는 결코 조용한 시간을 즐길 수 없었다. 때로는 저녁 식사도 신경 쓰지 않고 잠들기도 한다.”라고 말했다.

 

로마 시대부터 유럽의 광산에서는 개선이 이루어졌다. 갱도를 가라앉히고, 버팀목을 세우고, 통로를 보강하는 데 더 많은 주의를 기울였다. 더 나은 도구도 있었다. 1520년에는 레일 위를 달리는 최초의 철도 트럭인 4륜 자동차가 지하에 도입되어 생산량을 늘리고 부수적으로 사람의 허리를 도와주었다. 당시 기중기는 주로 말이나 드럼통에 밧줄을 감아 작동하는 방식으로 작동했다. 사람을 위한 엘리베이터도 있었다. 광산에는 사람이나 동물이 돌리는 환풍구와 일종의 선풍기가 있었다. 그리고 마침내 1627년, 1403년 피사의 성벽을 폭파하는 데 사용되면서 화약의 위력이 잘 알려졌지만, 불과 물로 바위를 깨는 고대 방식과 함께 화약이 광산에서 사용되었다. 그러나 펌프는 로마의 팀파늄이나 코첼라보다 낫다고 해도 지하로 쏟아져 들어오는 물줄기에는 미치지 못해 종종 복도에서 익사하기도 했다.

 

1156년 코코 그리피(Cocco Griffi) 영사가 세운 새로운 성벽

 

급수펌프는 1600년 훨씬 이전에 개발되었다. 비트루비우스는 크테시비우스(Ctesibius)의 펌프를 매우 세심하게 묘사했으며, 1486년에 인쇄된 비트루비우스의 저술은 인쇄물로 나온 가장 초기의 작품 중 하나였다. 1556년 게오르그 아그리콜라는 《금속의 재구성》에서 펌프, 흡입, 볼과 체인, 버킷에 관해 설명했는데, 켐니츠(Chemnitz)에 설치된 정교한 펌프는 볼과 체인 설계의 펌프로 3단계에 걸쳐 660피트의 물을 끌어 올렸다. 이 펌프는 96마리의 말이 8마리씩 한 팀을 이루어 4시간씩 일하고 12시간씩 쉬는 방식으로 작동했다. 1589년 《영웅의 스피리탈리아(Hero’s Spiritalia)》에 묘사된 또 다른 디자인은 4개의 흡입 펌프가 서로 직각으로 설치된 크랭크로 움직이며 말 한 마리가 작동하는 방식이다. 이 초기 그림은 크랭크와 막대가 왕복 운동에서 회전 운동으로 바뀌는 것을 보여주며, 200여 년 후 영국에서 특허가 허용되었다. 하지만 펌프는 느리고 힘이 약해 당시의 요구를 충족시키지 못했다. 펌프의 사용자는 에너지 소비량과 작업량 사이의 비율을 계산할 수 없었기 때문이다. 그들은 큰 플랑드르 말들로 구성된 팀이 밤낮으로 일해도 펌프가 광산에서 필요한 작업을 수행하지 못한다는 것을 알고 있었다.

 

헬레니즘 시대의 두 사람인 크테시비우스(Ctesibius)와 헤로(Hero)는 증기의 성질에 관한 연구로 항상 찬사를 받았다. 기원전 200년 이전에 피스톤과 실린더를 발명한 사람은 크테시비우스이고, 이를 사용한 펌프는 비트루비우스가 발명했다고 알려져 있다. 헤로의 저술 중 일부는 16세기에 그리스어에서 1575년 페데리코 코만디노(Federico Commandino)가 라틴어로, 1589년 베르나디노 발디(Bernadino Baldi)가 이탈리아어로 번역한 것이 남아 있다. 헤로는 다양한 장치를 묘사했는데, 그중에는 현재 열기구 또는 증기기관이라고 불리는 기계도 포함되어 있다. 특히 그중 하나는 초기형 반응 증기 터빈으로 영예를 얻었다. 헤로의 아이디어가 실용적인 사고에 얼마나 많은 영향을 미쳤는지는 알 수 없다. 하지만 1601년 지오반니 바티스타 델라 포르타(Giovanni Battista della Porta)는 증기가 응축되면서 진공이 발생하고, 이를 이용해 물을 끌어 올릴 수 있다는 사실에 주목했다. 이것이 바로 100년 후 최초의 실용적인 증기기관의 기본 개념이었다. 1615년 살로몬 드 코즈(Salomon de Caus)는 속이 빈 구에 물을 가열하여 증기가 튜브로 상승하도록 하는 장치를 설명했다. 그는 증기를 응축하여 물을 끌어 올리는 장치에 대해 자세히 기술했지만 실제로 만들지는 못했다. 스코틀랜드의 데이비드 램지(David Ramsay)는 1630년에 ‘열로 낮은 구덩이에서 물을 올리는 장치’에 대한 특허를 받았지만, 그가 무엇을 염두에 두었는지 또는 그 장치로 무엇을 했는지에 대한 정보는 없다. 존 윌킨스(John Wilkins) 주교는 1648년에 영어로 ‘저속한 언어로’ 인쇄된 최초의 역학 서적인 《수학적인 마술(Mathematicall Magick)》을 출판했는데, 이 책에서 그는 물을 담은 ‘오목한 용기’를 가열하면 ‘강하게 계속해서’ 나오는 공기가 나오는 것을 이야기했다. 그는 “굴뚝 모서리에서 돛을 움직이는 데 자주 사용되었으며, 그 돛을 움직이면 꼬챙이를 돌리는 등의 동작에 적용할 수 있다.”라고 말했다.

 

1659년 런던의 토마스 리치(Thomas Leach) 인쇄소에서 다커스(D’acres)가 쓴 《물을 끌어 올리는 요소》라는 잘 알려지지 않은 작은 책이 나왔다. 이 책의 표지는 “광물 세계의 서비스를 개선하고, 우리에게 가장 필요한 사격, 도시와 마을의 물 조달, 경내의 급수 및 배수를 위해”라고 적혀 있었다. 이 책은 영국 작가가 이 주제를 다룬 최초의 작품으로, 저자는 열기관을 자세히 묘사한 최초의 영국인이었다. 당시 물 문제로 문제가 있었던 것으로 알려진 워릭셔(Warwickshire) 탄광 근처에 살았던 로버트 손튼(Robert Thornton)이었을 가능성이 높다. 로버트 손튼은 대부분의 ‘증류 용기’가 증발을 위한 완벽한 ‘코엘리스티얼(Coelistial) 성능’의 패턴이며, “2피트 반 정도의 퀵실버(quicksilver) 튜브가 32피트의 물과… 지구와 대기 사이에 있다”라고 지적한다.

 

그의 말을 직접 들어보자. "가장 좋은 가열은 밀폐된 용광로의 향기로운 공기에 의한 것이고, 가장 빠른 냉각은 물에 의한 것이다.… 이 두 가지 반대의 더 빠른 연결을 위해 하나는 실린더 안에 적용할 수 있다. 다른 하나는 실린더 바깥쪽 또는 공기 영역에 적용할 수 있다. 냉각수는 들어가지 않을 수 있는데, 왜냐하면 그것은 반드시 물의 상승을 방해하기 때문이다. 용광로에서 나온 가열된 공기는 (콕을 돌려서) 불에 들어갈 수 있으므로 열은 순식간에 작용한다. 그런 다음 재료와 글로브가 모두 저수조나 물통에 있으면, (콕을 돌려서 열을 돌린 후에) 빠르게 냉각되어, 희박한 공기가 응축되고, 물이 올라가고, 바닥에 놋쇠 빨판이나 딸각거리는 소리가 나서, 다시 나갈 수 없지만, 콕을 돌리면, 가장 위쪽의 물이 나와서 주둥이에 있는 빨판으로 나가는 물을 밀어내고, 같은 동작으로 불붙은 공기가 뒤따른다. 콕을 다시 돌려주면 물이 이전처럼 올라간다."

 

증기기관 개발의 공로를 인정받을 자격은 없지만 다커스나 손튼보다 더 유명한 사람은 그의 동시대 인물인 에드워드 서머싯(Edward Somerset)으로, 우스터(Worcester) 후작이다. 1663년에 출간된 그의 업적에 대한 잘 알려진 기록인 《현재 내가 시도하고 완성할 수 있는 발명품의 이름과 허접한 것들에 대한 한 세기》에서 우스터는 100개의 다른 생각를 논의했다. 그리고 그는 1663년 의회에서 ‘물로 움직이는 엔진’에 대해 99년 동안 독점권을 확보했다. 우스터는 자신의 발명을 ‘전 세계에서 가장 놀라운 작품’이라고 극찬했다. 프랑스 왕의 역사가 사무엘 소르비에르(Samuel Sorbiere)는 “한 사람이 이 기계의 도움으로 순식간에 40피트 높이의 큰 양동이 네 개에 가득 찬 물을 8인치 길이의 파이프를 통해 끌어 올렸다”라고 기록해 우스터의 주장을 뒷받침한 것으로 보인다. 그러나 이 성능은 한 사람의 힘만으로는 불가능했고, 소르비에르는 증기에 대해 구체적으로 언급하지 않았다. 나머지 증거는 너무 정황적이고 가설적이어서 우스터가 증기기관을 발명한 사람으로 칭송받아야 한다는 것을 증명하기에는 부족하다. 몇 년 동안 후작이 거주했던 몬머스셔(Monmouthshire)의 래글런 성(Raglan Castle)에는 증기 펌프의 잔해로 추정되는 흔적이 남아 있다. 당혹스럽기는 하지만 14세기 성벽의 구조적 부분이라는 점을 고려할 때 우스터의 증기기관 흔적이라고 생각하기는 어렵다. 게다가 이 성은 1646년 내전 중 불에 탄 후 다신 사용하지 않았다.

 

래글런 성(Raglan Castle)

 

'찰스 2세의 기계공'으로 불리는 사무엘 모랜드(Samuel Morland)는 나중에 수력학 실험을 통해 압력과 온도 사이의 관계를 보여주는 최초의 증기 테이블을 만들었다. 프랑스의 과학자 데니스 파팽(Denis Papin)은 현재 압력밥솥으로 불리는 'digestor'를 발명했다. 그는 역사상 최초로 안전밸브를 장착할 만큼 현명했다. 파팽은 또한 원심 증기 펌프의 아이디어에 근접하여 공압 케이슨을 제안했다고 한다. 그는 증기를 응축하여 피스톤 아래에서 진공을 생성할 것을 최초로 제안했다. 그러나 델라 포르타(Della Porta)에서 파팽에 이르는 이들 중 누구도 자기 생각을 효과적으로 활용하지 못했다는 점에서 증기기관을 발명한 토머스 세이버리(Thomas Savery)만큼의 공로를 인정받을 만한 사람은 없다. 세이버리는 1698년 광산 배수 장치, 마을 서비스, 제분소 작동 장치에 대한 특허를 획득했을 뿐만 아니라 1702년 런던 솔즈베리 코트에 세계 최초의 증기기관 공장을 설립하고 《광부의 친구》라는 책으로 광고를 시작하기도 했다.

 

세이버리의 발명품에는 콕과 체크 밸브 외에는 움직이는 부품이 없었다. 보일러에서 나온 증기를 용기로 보내기 위해 손으로 율동적으로 돌려야 했고, 그다음에는 손튼이 제안한 대로 외부의 물로 어느 정도 냉각시켜야 했다. 세이버리는 매번 사이클마다 찬물을 부어 증기를 응축시키고 완벽하지는 않지만 진공 상태를 만든 다음 델라 포르타가 설명한 흡입을 시작했다. 이렇게 해서 물을 흡입 파이프를 통해 용기로 끌어 올린 다음 거기에서 증기를 더 주입하여 계속 진행했다. 증기를 응축하는 과정에서 열 손실이 컸음에도 불구하고 이 작동 주기를 1분에 약 5회 반복할 수 있었다. 1872년 특허를 받은 움직이는 부품이 없는 현대식 펄소미터(pulsometer)는 여전히 계약업체에서 사용하고 있으며, 본질적으로 세이버리 펌프를 개량한 것이다.

 

시간과 연료가 많이 들고 용량과 속도가 엄격하게 제한되어 있었지만 1702년 세이버의 증기기관, 즉 펌프가 선구적인 역할을 했다. 수 세기 동안 사용되어 온 물의 무게와 이동성에 대한 에너지의 효율성은 몇 배나 뛰어넘게 되었다. 이제 인간은 물에 불을 붙이고 증기를 발생시킬 수 있게 되었다.

 

※ 세이버리(Savery, Thomas): 영국의 공학자(1650?~1715). 증기압과 대기압을 응용한 광산용 양수(揚水) 펌프를 발명하였다.

※ 파팽(Papain, Denis): 프랑스의 물리학자(1647~1712?). 진공 기관을 연구하고 압력솥을 발명하였으며, 공기 펌프와 증기력에 관하여 연구하여 증기 기관을 발전시키는 기초를 마련하였다.