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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 일종이다. 19세기에 이런 수차를 가리키는 말로 '터빈(turbine)'이라는 단어가 등장했고, 이후에 기계가 발전하면서 현재와 같이 모든 종류의 유체 운동 에너지를 회전력으로 바꾸는 기계에 대한 용어로 발전하였다. 현대에 수력 발전소에서 사용하는 수차는 터빈이라는 단어의 원래 뜻에 가장 부합하는 물건이다.2. 역사
2.1. 전근대
2.1.1. 중양(남아시아/중동) 및 서양의 수차
고대 그리스인 들에 의해 최초로 발명되었다고 여겨지며[1], 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.
목재 대량 생산을 위한 기술 및 공학적 응용 분야에서 로마 시대의 목재 및 석재 제재소는 잘 알려져 있다. 크랭크와 연결봉, 심지어 톱니바퀴까지 갖춘 제재소도 적지 않으며, 기원후 2세기 또는 그 이전에 만들어진 초기 금속 크랭크축을 사용한 사례도 있다. 고대 석재 제재소는 목재 제재소보다 더 많이 남아 있지만, 동일한 기술이 정밀하게 측정된 균일한 목재 판자를 자르는 데에도 사용되었다. 기어 트레인을 갖춘 수차는 로마 석관에도 묘사되어 있다.
로마 제국은 고대에 수차 기술을 고도로 발전시켰고 이는 유럽, 인도, 아라비아, 페르시아 등으로 전파되어 세계 수차의 기본 모델로 정립된다.
수차가 서역(중양, 서양)에서 전래되었는지 중국의 자체 발명인지는 불분명하지만[3] 중국에서도 기원전부터 사용한 것으로 보인다. 애초 중국은 실크로드를 통해 한일 양국보다 활발히 서역과 교류했으며 하서회랑의 존재 덕분에 인도 및 중동 정도는 친숙한 나라였다.[4]
인도 역시 로마에서 전해된 수차가 꽤 쓰였으며 이는 갠지스강 및 인더스강 유역의 대규모 농업에 도움을 주었다.
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 도정 등에 사용하였다고 한다.
특히, 중국은 14세기까지 수력으로 작동하는 방적기와 풀무 등 수차를 공업용으로도 이용한 것으로 보이는데 이러한 기술혁신은 유럽, 인도, 중동 등과 비교하여 길게는 천여년, 짧아도 수백년은 빠른 것이었다. 애초 중원으로 불리는 북중국의 기후는 인도 및 중동처럼 강수량이 일정치 못하다.[6]
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[7]등 과 더불어 고대 중국의 야금술의 발전을 견인하였다.
원나라 시기 쓰여진 농서인 왕정농서에서는 수력 방적기가 등장하는데, 영국의 산업혁명기에 발명된 방적기보다 500년이나 이르다. 그 효용은 엄청나서, 하루에 100근에 달하는 삼베를 실로 만들 수 있었다고 한다. 그러나 섬유가 긴 삼베와 비단만 만들 수 있고 면화를 다룰 수 없다는 한계가 있었고, 하필 원명 교체기 시기에 면화가 중국 서민들의 보편적인 옷으로 변하면서 중국의 수력 방적기의 맥은 끊기고 만다.
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 수차 기술이 일찍이 전해졌으나, 한반도의 지리 및 기후 문제와 상공업 억제, 기술자 천시 등 복합적인 요인으로 인해 보급과 발전이 매우 제한적이었다. 곡물을 가공하는 물레방아는 타 문명과 비교하여 다소 늦은 조선 시대 중, 후기에 이르러서야 사용이 확대되었고, 관개용 수차는 중국·일본에서 사용하던 기계를 도입하려는 시도가 거듭되었으나 농촌의 일반적인 양수 수단으로는 정착하지 못하였다.[8]2.1.3.1. 도입과 조선 시대 이전 기록
한반도에서 수차가 처음 사용된 시기와 초기 보급 규모는 알려져 있지 않다. 그러나 물레방아의 초기 연원에 관한 기록으로 『일본서기(日本書紀)』에 담징 관련 기사가 전해진다. 서기에 따르면 고구려의 승려 담징은 610년 일본으로 건너가 종이, 먹의 제조법과 함께 연애(碾磑)를 제작하는 법을 전파하였다. 여기서 연애는 곡식을 가는 맷돌로, 수차의 원리를 사용하였다는 명확한 언급은 없으나 일반적인 형태의 맷돌이 이미 일본에서 쓰이고 있었던 것을 감안할 때, 높은 데서 떨어지거나 도랑으로 빨리 흐르는 물의 힘으로 곡식을 가는 물맷돌의 형태였을 것이라 추정된다.[9]이후 수차에 관한 기록은 고려 시대에 다시 나타난다. 충렬왕 2년(1276년) 충렬왕이 물맷돌인 '수애(水磑)'를 구경하였다는 기록이 있으며, 고려 말 공민왕 11년(1362)에는 백문보가 중국 강남의 수차 이용을 참고하여 보급을 건의하였다는 기록이 있다. 그러나 수차는 이후에도 농촌에 널리 정착하지 못하였고, 조선 전기까지 그 도입과 보급이 정책 과제로 남았다.[10]
2.1.3.2. 조선 전기의 수차
조선시대 기록에서 '수차(水車)'는 주로 낮은 곳의 물을 농지로 끌어 올리는 관개용 기계를 가리키며, 인력식과 수력식 등 여러 형태가 있었다. 번차(翻車, 용골차)는 연결된 판을 홈통 안에서 움직여 물을 퍼 올리는 장치로, 사람이 발로 밟거나 축력·수력으로 구동하였다. 통차(筒車)는 바퀴 둘레에 달린 물통으로 물을 퍼 올리는 장치이며, 물살로 바퀴를 돌리는 방식이 대표적이었다.[11]조선 전기에는 왕명으로 수력 시설의 제작이 추진되었다. 『태종실록』 태종 12년(1412) 6월 11일에는 수연(水碾)과 수침(水砧)을 만들도록 명한 기사가 있으며, 『세종실록』 세종 3년(1421) 1월 22일에는 홍제원동의 수연에서 가축을 사육했다는 기록이 나온다.[12] 특히 세종과 문종은 수차의 도입과 보급에 매우 적극적인 왕이었으며, 조선 시대의 수차 기록은 대부분 이 시기에 집중되어 있다.
15-16세기 수차 기술은 이미 조선에서보다 중국과 일본에서 크게 발전하였는데, 당시 외국을 견학한 조선의 관리와 기술자들은 이웃 나라의 수차 활용을 보고 크게 감명받았다. 세종 11년(1429) 12월 3일 박서생은 '일본 농민들이 물살로 저절로 회전하는 수차로 전답에 물을 대고 있다'고 보고하였다. 당시 조선에서 앞서 제작한 것은 인력식 수차였으며, 박서생은 일본에서 본 수력식 수차의 모형을 바탕으로 각 고을에 수차를 제작·설치할 것을 건의하였다.[13]
그러나 수차의 제작과 시험이 이어지는 동안 현장에서는 낮은 관개 효과와 사용 부담이 문제로 대두되었다. 세종 17년(1435)에는 여러 도에 설치한 수차의 양수량이 적고 물을 멀리 보내기 어려운 데다, 관리들의 사용 독려로 농민의 원성이 커진다는 보고가 올라왔다. 이에 자원하는 곳을 제외하고는 수차를 없애도록 하였다. 이후에도 제작·보급 시도는 반복되었으나 뚜렷한 정착 성과는 나타나지 않았고, 조선 전기의 수차 기술은 큰 진전을 이루지 못하였다.[14] 문종 원년(1451) 11월 18일의 교서에서도 수차의 낮은 관개 효과가 거론되었다. 문종은 중국·일본의 관개 이용을 언급하며 조선에서 시행한 수차법이 성과를 거두지 못한 이유를 물을 머금지 못하는 토질에서 찾았다.[15]
2.1.3.3. 조선 후기의 수차
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| 함양군 연암 물레방아 공원에 소재한 물레방아. 박지원이 1792년 제작한 수차를 재현한 것으로, 한국에서 가장 큰 목제 수차이다.[16] |
조선 후기에도 수차의 도입 시도는 계속 추진되었으나 미진하였다. 효종 원년(1650)에는 중국에서 본 수차를 본떠 제작·보급하려 했으나 일반적인 관개 수단으로는 정착시키지 못하였다. 박지원이 1792년 만들었다는 물레방아를 복원한 것이 경상남도 함양군에 설치되어 있는데, 지자체에서도 이 물레방아를 '한국 최초의 물레방아'라고 잘못 소개할 정도로 한국사에서 수차의 보급이 미진했음을 알 수 있다. 정조 22년(1798년) 의 한 교서에서는 당시 조선의 농업 기술을 무려 상고시대 중국 신화 시절과 비교하면서, 관리들에게 수차를 비롯한 선진 농업 기술의 보급이 실패한 것을 지적하는 대목이 나온다.
至於農器之便利, 東俗尤昧昧, 無異於羲 農以前, 乃庤斯趙固尙矣。 只言其緊且要者, 水車者, 所以備旱也, 役車者, 所以兼人也, 篝(窶) 者, 所以貯穀也, 碓確者, 所以舂糧也。 自古及今, 行者無聞。
농기구를 편리하게 이용하는 방법에 이르러서는, 우리 나라 사람들은 더더욱 어두워서 복희씨(伏羲氏)나 신농씨(神農氏) 시대 이전과 다름이 없으니 이에 대해서는 《시경》에 나오는 창고나 풀 베는 기구가 진실로 지금보다 나았을 것이다. 단지 그 가운데서 긴요한 것만 말한다면, 수차(水車)는 가뭄에 대비하기 위한 것이고, 수레는 두 사람 몫의 일을 하기 위한 것이며, 대바구니는 곡식을 저장하기 위한 것이고, 방아는 곡식을 찧기 위한 것이다. 그러나 예로부터 지금까지 이를 사용한다는 말은 들어보지 못하였다.
정조실록 50권, 정조 22년 11월 30일 기축 1번째 기사. 1798년 청 가경(嘉慶) 3년 (국사편찬위원회)
농기구를 편리하게 이용하는 방법에 이르러서는, 우리 나라 사람들은 더더욱 어두워서 복희씨(伏羲氏)나 신농씨(神農氏) 시대 이전과 다름이 없으니 이에 대해서는 《시경》에 나오는 창고나 풀 베는 기구가 진실로 지금보다 나았을 것이다. 단지 그 가운데서 긴요한 것만 말한다면, 수차(水車)는 가뭄에 대비하기 위한 것이고, 수레는 두 사람 몫의 일을 하기 위한 것이며, 대바구니는 곡식을 저장하기 위한 것이고, 방아는 곡식을 찧기 위한 것이다. 그러나 예로부터 지금까지 이를 사용한다는 말은 들어보지 못하였다.
정조실록 50권, 정조 22년 11월 30일 기축 1번째 기사. 1798년 청 가경(嘉慶) 3년 (국사편찬위원회)
기술적 실패는 실학 시대에도 이어졌다. 중상학파(북학파)의 선구적인 실학자 유수원(柳壽垣, 1694~1755)은 저서인 《우서(迂書)》에서 조선의 고질적인 가난(국허민빈, 國虛民貧)을 해결하기 위해서는 상공업 진흥뿐만 아니라, 농업의 기반인 기술 혁신도 함께 이루어져야 한다고 보고 그 예시로 수차의 보급을 강조하였다. 류형원(柳馨遠, 1622~1673)은 저서 《반계수록》에서 다음과 같이 한탄하기도 했다.
우리나라 농민들은 수차(물레방아)의 이용을 알지 못하여, 논 아래 도랑의 물이 한 길(사람 키 높이 정도)만 내려가도 이를 굽어보기만 할 뿐 감히 끌어올리지를 못한다.
18세기에는 『왕정농서』와 『태서수법』 등을 통해 여러 양수기의 구조와 제작법이 논의되는 등 기술 지식이 확대되었지만, 농업 현장의 보급은 여전히 부진하였다.[17] 1810년 호남 화순의 실학자 하백원이 구상한 자승차(自升車)는 설계도가 전하나, 실제 제작과 성공적인 운용 여부는 알려져 있지 않다. 신영순의 「무자위의 구조와 원리 연구」는 근대에 무자위가 상용화되기까지의 수차 보급 시도를 실패로 평가한다.[18]
2.1.3.4. 수차 보급 실패의 원인
한국사의 수차 보급 실패는 자연 및 지리적 조건, 정치적 실패, 경제 및 과학 기술의 발전 미비, 전통적 농촌 사회의 구조적 문제 등이 복합적으로 작용한 결과이다. 관개용 수차의 보급에는 제작·운영에 필요한 경제적 여건과 설치 지역의 자연조건이 제약으로 작용했다. 주류 역사학계 및 경제사학계에서는 농민의 제작비 부담과 자재 조달의 어려움, 가뭄 때의 수량 부족, 토질과 지형 등을 주요 원인으로 꼽는다. 기존의 관개 방식에 비해 수차를 설치하여 얻을 수 있는 실익이 크지 않았다는 설명도 제시된다.[19]다만 곡물 가공용 물레방아는 조선 후기에 이르러 사용이 다소 늘어났다. 건립과 유지에 상당한 노동력과 자금이 필요하여 지주층의 경제력과 지역 자원에 대한 지배가 중요한 기반을 이루었다. 정진영이 분석한 19세기 고문서에서는 지주층이 산림·하천 등 물레방아 건립에 필요한 자원을 장악하고 있었으며, 하층민의 건립 시도는 자금·노동력의 부족과 양반·지주층의 방해로 제약받았다고 지적한다.[20]
2.2. 근현대
현대 들어서는 수력 발전용으로 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.3. 분류
물의 역학적 에너지를 회전 운동 에너지로 전환시키는 방법에 따라 크게 3가지로 구분된다.3.1. 중력수차
산업혁명이 일어나기 전 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.
소수력 발전에서 이 터빈을 쓰며, 댐 발전에 대해 설명할 때도 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 수력 발전 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.
4. 여담
공대 유머 중 '수차로 닭을 굽는 법은?'이라는 실없는 농담이 있다. 수차와 닭고기 구이라는 아무 상관 없는 것을 연결해서 복잡할 거 같이 해놓고서, 그냥 수차의 축과 닭을 꽂은 꼬치를 연결하면 수차가 돌면 닭이 빙빙 돌아가며 골고루 익는다는 허무한 개그.[1] 필론(학자)는 저술에서 역사상 최초로 수차를 기술하고 있다.[2] 이 기술은 중세 유럽에서 재발견된다.[3] 양수기는 로마로부터 전래되었다.[4] 중국의 국토가 동서로 넓어서 서부 신장 위구르 자치구 및 티베트 자치구는 중앙아시아에 속한다. 중국사에선 무려 한나라 시기부터 실크로드를 통해 로마 제국과 교류해왔다. 그래서 중국인들은 한일 양국과 달리 중동도 자연스럽게 '아시아"의 일부로 인식한다.[5] 수차의 도시라는 별칭이 있을 정도[6] 참고로 북중국인들의 주식도 남아시아 및 중동처럼 밀이다.[7] 철을 녹인 용선의 탄소함유량을 조절하여 강철을 만드는 방법으로 인류는 초강법을 통해 비로소 강철을 대량 생산할 수 있는 수준에 도달하였다.[8] 염정섭, 「수차(水車)」, 『조선왕조실록사전』. 본문; 문중양, 「물레방아」, 『한국민족문화대백과사전』. 참조.[9] 『일본서기』 권22, 스이코 천황 18년 3월조. 센슈대학 고대동유라시아연구센터의 해당 사료 안내 #. 국립국회도서관 레퍼런스 협동 데이터베이스의 담징 관련 서지·해설 #.[10] 이정호, 「벼 재배 기술의 발달」, 국사편찬위원회 『우리역사넷』. 『고려사』 권79, 식화지2, 농상, 공민왕 11년 기사를 인용한 해설이다. #[11] 문중양, 「수차」, 『한국민족문화대백과사전』, ‘구조와 원리’. #[12] 『태종실록』 권23, 태종 12년 6월 11일. 원문·국역; 『세종실록』 권11, 세종 3년 1월 22일. 원문·국역[13] 『세종실록』 권46, 세종 11년 12월 3일, 「박서생이 시행할 만할 일들을 갖추어 아뢰다」. 원문·국역[14] 『신편 한국사』 27권, 「수리기술과 기계장치」. 『세종실록』 권68, 세종 17년 6월 정미 기사 재인용. 본문과 주석[15] 『문종실록』 문종 원년 11월 18일. 원문·국역[16] 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.[17] 문중양, 「수차」, 『한국민족문화대백과사전』, ‘수차 보급의 역사’. 본문[18] 문중양, 「자승차」, 『한국민족문화대백과사전』. 본문; 신영순, 「무자위의 구조와 원리 연구」, 『역사민속학』 58, 2020, 273~301쪽. 서지·초록[19] 국사편찬위원회 『한국사』, 「물리학과 그 기술」 중 ‘물레바퀴와 기계장치’. #.[20] 문중양, 「물레방아」, 『한국민족문화대백과사전』. 본문; 정진영, 「19세기 물레방아의 건립과정과 그 주체」, 『고문서연구』 23, 2003, 185~210쪽. 서지·초록. 이 연구는 19세기 고문서와 1900년 광무양안에 나타나는 물레방아의 건립·소유 사례를 분석하였다.