물레방아
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1. 개요
물레방아는 물의 힘을 이용하여 기계를 작동시키는 장치로, 기어 장치를 통해 수직형 물레바퀴를 구동하거나 수평형 물레바퀴를 직접 회전시키는 두 가지 유형이 있다. 고대 로마 시대부터 곡물 제분, 제재, 제철 등 다양한 산업에 활용되었으며, 중세 시대에는 유럽, 동아시아, 이슬람 세계 등지에서 널리 사용되었다. 물레방아는 조력, 하천수, 수직, 수평 등 다양한 종류가 있으며, 작동 원리는 물의 흐름이 휠이나 터빈의 날개를 돌려 차축을 회전시키는 것이다. 19세기 말까지 물레방아는 주요 동력원이었으나, 20세기 초 저렴한 전기 에너지의 보급으로 쇠퇴하였다. 현대에는 일부 지역에서 역사적, 상업적 목적으로 운영되거나, 개발도상국에서 곡물 가공에 사용되며, 미니 수력 발전 등 새로운 용도로 재평가되고 있다.
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수차는 물의 힘을 이용하여 회전력을 얻는 기계로, 고대부터 농지 관개나 맷돌 등에 사용되었으며, 충동 수차와 반동 수차로 분류되고, 최근에는 수력 터빈으로 발전하여 전력 생산에 활용된다. - 물레방아 - 스크린 (양수장)
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| 물레방아 |
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2. 역사
물레방아는 헬레니즘 시대 그리스에서 수차와 톱니 기어가 발명되었고, 로마 제국 시대에는 하향식, 상향식, 중향식 물레방아가 사용되었다.[66]
비잔티움의 필론(기원전 280년~220년경)은 물레방아에 대한 가장 오래된 문헌을 남겼다. 사키야(물통 물레방아)의 나선 기구는 프톨레마이오스 왕조 이집트의 기원전 2세기의 벽화에도 그려져 있다.[67]
스트라본은 『지리誌』에서 기원전 71년 이전부터 폰토스의 미트리다테스 6세의 궁전 곁에 수력 제분소가 있었음을 기록하고 있다.[69] 비트루비우스는 기원전 40년부터 기원전 10년경 서양에서 처음으로 물레방아에 대한 공학적인 기록을 남겼다.[70]
테살로니카의 안티파트로스는 기원전 20년부터 기원 10년경의 개량된 상향식 물레방아에 대해 기록하며 인간의 노동을 경감한다는 사실을 칭찬했다.[72] 대 플리니우스는 서기 70년경의 『박물지』에서 이탈리아 반도의 대부분에서 수력 구동의 해머가 사용되고 있음을 기록하고 있다.[75]
바르브갈 수도교에는 16대의 상향식 물레방아가 있었고, 하루에 약 4.5톤의 곡분을 생산하여 당시 알레라테에 살았던 12,500명의 주민이 먹는 빵을 만들기에 충분한 생산량이었다.
히에라폴리스에는 석재 절단용 물레방아가 있었고, 크랭크나 커넥팅 로드와 같은 기계 요소를 사용한 서양에서 가장 오래된 사례로 알려져 있다.[79]
대 플리니우스에 따르면 물레방아는 주로 곡물로 곡분을 만드는 데 사용되었지만, 그 외에도 축융이나 대리석 석재 절단에도 사용되었다.[73]
서로마 제국의 붕괴 이후 민족 대이동 시대에도 물레방아의 중요성은 변하지 않았다. 중세 전기의 물레방아는 법전, 수도원의 헌장, 성인전 등에서 언급이 급증했다.
카롤링거 왕조 시대에는 그 영토 내의 물레방아 수가 "무수히 많다(innumerable)"라고 묘사되었고[88], 둠즈데이 북 (1086년)에는 잉글랜드에서만 5,624개의 물레방아가 기록되어 있지만, 고고학 조사를 통해 정확한 위치가 판명된 곳은 2%에 불과하다.[89]
아일랜드 섬의 해안에서 잇따라 조력 물레방아 유구가 발견되어, 6세기의 수직형 물레방아를 사용한 조력 물레방아는 워터포드 근교의 킬로타란에 있었다.[94] 북아일랜드의 스트랭포드 로우 (호수)에 떠 있는 섬에는 787년의 것으로 추정되는 넨드럼 수도원 물레방아가 있다.
중국에서는 기원전 3세기부터 물레방아가 해머 (또는 절구)나 맷돌을 기계적으로 회전시키는 동력원으로 전역에서 널리 사용되었으며, 각지의 분묘나 유적에서 유구와 부품이 발견되었다.
기원전 2세기의 전한 시대에는 수력을 동력으로 톱니바퀴와 샤프트를 통해 작동시키는 철 제련용 풀무, 가마 조작기, 펌프가 만들어졌다. 후한서에는 두시가 건무 7년(30년)에 크랭크 등의 기계 요소를 사용하여 수배(수력 풀무)를 만들었다는 기술이 있다.[102]
당나라 시대(618년-907년)에는 737년에 수로에 관한 법률이 제정되어 물레방아가 수로를 방해해서는 안 된다고 규정되었다.[104]
일본에 물레방아 기술이 610년 또는 670년에 전해졌다는 설이 있다.[109] 티베트에는 늦어도 641년까지는 전해졌다.[109]
이슬람 세계에서는 동로마 제국과 사산 왕조의 유산인 이란에서 이집트에 걸쳐 널리 사용되던 물레방아를 계승했다. 축융과 제철을 위한 물레방아는 안달루스에서 기독교 세계(스페인)로 12세기에 전해졌다.
2. 1. 서양
헬레니즘 시대 그리스인들은 수차와 톱니 기어를 발명했으며, 로마 제국 시대에는 하향식, 상향식, 중향식 물레방아가 사용되었다.[2] 수도원 헌장, 기독교 성인전, 게르만 법전 등 문서의 등장과 함께 수차에 대한 기록이 급격히 증가했다.[26][27] 카롤링거 왕조 시대에는 프랑크 왕국의 기록에서 수차 언급이 "무수히 많아졌다".[28]1086년 둠즈데이 북에는 노르만 잉글랜드에만 5,624개 수차가 기록되었고,[29] 이후 연구에서는 잉글랜드 북부가 제대로 기록되지 않아 최소 6,082개로 추정한다.[30] 1300년에는 10,000~15,000개로 증가했다.[31] 7세기 초 아일랜드에서도 수차가 확립되었고, 한 세기 후 옛 로마의 라인 강과 도나우 강 국경을 넘어 독일로 퍼져나갔다.[32] 고대에는 증명되지 않았던 선박형 방앗간과 조수 방앗간이 6세기에 도입되었다.[33]
2005년 아담 루카스의 조사에 따르면 서유럽에서 다양한 산업용 방앗간의 첫 등장은 아래 표와 같다. 수력의 혁신적 사용에서 프랑스가 두드러진 역할을 했지만, 다른 국가에서 이 주제 연구가 부족함을 지적했다.
| 중세 유럽의 다양한 산업용 방앗간의 첫 등장, 서기 770-1443 [39] | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 방앗간 유형 | 날짜 | 국가 | |||||||||
| 맥아 방앗간 | 770 | 프랑스 | |||||||||
| 풀링 방앗간 | 1080 | 프랑스 | |||||||||
| 태닝 방앗간 | 1134년경 | 프랑스 | |||||||||
| 대장간 방앗간 | 1200년경 | 잉글랜드, 프랑스 | |||||||||
| 도구 연마 방앗간 | 1203 | 프랑스 | |||||||||
| 삼 방앗간 | 1209 | 프랑스 | |||||||||
| 풀무 | 1269, 1283 | 슬로바키아, 프랑스 | |||||||||
| 제지소[40] | 1282 | 스페인 | |||||||||
| 제재소 | 1300년경 | 프랑스 | |||||||||
| 광석 분쇄 방앗간 | 1317 | 독일 | |||||||||
| 고로 | 1384 | 프랑스 | |||||||||
| 절단 및 슬리팅 방앗간 | 1443 | 프랑스 | |||||||||
2. 1. 1. 고대
헬레니즘 시대의 그리스인들은 물레방아의 두 가지 주요 구성 요소인 수차와 톱니 기어를 발명했으며, 로마 제국과 함께 언더샷, 오버샷, 브레스트샷 수차 제분소를 사용했다.[2] 물로 구동되는 바퀴의 가장 초기의 증거는 그리스의 기술자 비잔티움의 필론(기원전 280-220년)의 기술 논문인 ''Pneumatica''와 ''Parasceuastica''에 나타난다.[3] 영국의 기술사학자 M.J.T. 루이스는 비잔티움의 필론의 기계 논문 중 수차를 설명하는 부분이 이전에 아랍어 삽입으로 간주되었지만 실제로는 기원전 3세기의 그리스 원본으로 거슬러 올라간다는 것을 보여주었다.[4] 사키아 기어는 기원전 2세기의 프톨레마이오스 이집트의 헬레니즘 벽화에서 처음으로 완전히 개발된 형태로 증명되었다.[5]루이스는 수평 바퀴 제분기의 발명을 기원전 3세기 전반의 그리스 식민지인 비잔티움으로, 수직 바퀴 제분기의 발명을 기원전 240년경 프톨레마이오스 시대의 알렉산드리아로 추정했다.[6]
그리스의 지리학자 스트라보는 그의 저서 ''지리학''에서 기원전 71년 전에 소아시아의 카비라에 있는 미트리다테스 6세 에우파토르 왕의 궁전 근처에 수력 제분소가 존재했다고 보고한다.[7]
로마의 기술자인 비트루비우스는 기원전 40/10년에 제작된 수차에 대한 최초의 기술적 설명을 제공한다. 이 장치는 언더샷 바퀴가 장착되어 있으며, 사키아 기어 장치를 통해 동력이 전달된다.[8] 그는 또한 수력 반죽 기계의 존재를 암시하는 것으로 보인다.[9]
그리스의 격언 시인인 테살로니카의 안티파테르는 기원전 20년/서기 10년경에 발전된 오버샷 바퀴 제분소에 대해 이야기한다. 그는 곡물을 제분하고 인간의 노동을 줄이는 데 사용된 것을 칭찬했다.[11]
로마의 백과사전 저술가인 대 플리니우스는 서기 70년경의 저서 ''박물지''에서 이탈리아 대부분 지역에서 작동하는 수력 해머를 언급한다.[13] 서기 73/74년에 로마 시리아의 안티오크에 풀링 제분소가 있었다는 증거가 있다.[14]
서기 2세기의 바르베갈 수로교 및 제분소는 프랑스 남부에 있으며, "고대 세계에서 기계적 동력의 가장 큰 집중지"로 묘사되어 왔다.[15] 이 제분소는 16개의 오버샷 수차를 사용하여 동수의 밀가루 제분소를 작동시켰다. 이 제분소의 용량은 하루 4.5톤의 밀가루로 추정되며, 당시 아를에 거주하던 12,500명의 주민에게 충분한 빵을 공급할 수 있었다.[16] 이와 유사한 제분소가 자니콜로 언덕에도 존재했으며, 로마 인구에 대한 밀가루 공급은 3세기 말에 황제 아우렐리안에 의해 아우렐리안 성벽에 포함될 만큼 중요하다고 평가되었다.
서기 2세기 말에 제작된 브레스트샷 바퀴 제분소가 프랑스 레 마르트르 드 베이레에서 발굴되었다.[17]
서기 3세기의 히에라폴리스 수력 석재 제재소는 크랭크 및 커넥팅 로드 메커니즘을 통합한 최초의 기계이다.[18] 또한 크랭크 및 커넥팅 로드 메커니즘으로 구동되는 6세기 수력 석재 제재소는 게라사와 에페수스에서 고고학적으로 증명되었다.[19] 현재 독일에 있는 수력 대리석 톱에 대한 문헌 참조는 아우소니우스의 4세기 시 모젤라에서 찾을 수 있다. 또한 안토니우스의 그레고리오의 시대로 추정되며, 로마 제국의 여러 지역에서 수력의 다양한 사용을 보여준다.[20]
최초의 수력 터빈 제분소는 서기 3세기 말 또는 4세기 초에 제작된 로마 북아프리카의 켐투와 테스투르에서 발견되었다.[21] 프랑스 마르세유에서 수력 고로가 확인되었을 가능성이 있다.[22]
제분소는 곡물을 밀가루로 제분하는 데 일반적으로 사용되었지만 (대 플리니우스가 증명함) 풀링 및 대리석 톱질과 같은 산업적 용도로도 사용되었다.[23]
로마인들은 고정식 및 부유식 수차를 모두 사용했으며, 로마 제국의 다른 지역에 수력을 도입했다. 소위 '그리스식 제분소'는 수평 바퀴(및 수직 샤프트)가 있는 수차를 사용했다. "로마식 제분소"는 수직 바퀴(수평 샤프트에)를 특징으로 한다. 그리스식 제분소는 두 가지 설계 중 더 오래되었고 간단하지만, 높은 유속과 작은 직경의 맷돌에서만 잘 작동한다. 로마식 제분소는 수평 축의 샤프트에서 수직 축의 샤프트로 동력을 전달하기 위해 기어가 필요하므로 더 복잡하다.
현재까지 고고학적으로 추적된 로마 제분소는 수십 개에 불과하지만, 이 시대에 수로교가 널리 사용된 점을 감안하면 발견될 만한 제분소가 많이 남아 있을 것으로 보인다. 예를 들어, 로마 런던에서 최근 발굴된 유적에서는 조수 제분소로 보이는 시설과 플리트 강 옆을 따라 흐르는 수로교로 작동하는 일련의 제분소로 보이는 시설이 발견되었다.[24]
서기 537년에 선박 제분소는 동로마 제국 장군 벨리사리우스에 의해 독창적으로 사용되었는데, 포위된 고트족이 제분소의 물 공급을 차단했을 때였다.[25] 이 부유식 제분소는 급류에 정박된 배에 부착된 바퀴를 가지고 있었다.
2. 1. 2. 중세
수차에 대한 기록은 수도원 헌장, 기독교 성인전, 게르만 법전 등 문서의 등장과 함께 급격히 증가했다. 이러한 문서들은 농촌의 작업 과정인 수차를 고대 도시 중심의 문학 계급보다 더 자세히 다루는 경향이 있었다.[26][27] 카롤링거 왕조 시대에는 프랑크 왕국의 기록에서 수차 언급이 "무수히 많아졌다".[28] 1086년 둠즈데이 북에는 노르만 잉글랜드에만 5,624개 수차가 기록되었다.[29] 이후 연구에서는 잉글랜드 북부가 제대로 기록되지 않아 최소 6,082개로 추정한다.[30] 1300년에는 10,000~15,000개로 증가했다.[31] 7세기 초 아일랜드에서도 수차가 확립되었고, 한 세기 후 옛 로마의 라인 강과 도나우 강 국경을 넘어 독일로 퍼져나갔다.[32] 고대에는 증명되지 않았던 선박형 방앗간과 조수 방앗간이 6세기에 도입되었다.[33]
; 조수 방앗간
최근 고고학적 발견으로 가장 오래된 조수 방앗간 연대가 앞당겨졌는데, 모두 아일랜드 해안에서 발견되었다. 6세기 수직 바퀴 조수 방앗간은 워터퍼드 근처 킬로터란에 있었다.[34] 서기 630년경 쌍둥이 도랑 수평 바퀴 조수 방앗간은 리틀 아일랜드, 코크에서 발굴되었다.[35][36] 옆에는 수직 하류 바퀴로 작동하는 조수 방앗간도 발견되었다.[35][36] 787년 넨드럼 수도원 방앗간은 북아일랜드 스트랑포드 로우 섬에 있었다. 맷돌 지름은 830mm, 수평 바퀴는 최고 7HP 동력을 냈을 것으로 추정된다. 619년 제작된 이전 방앗간 유적도 발견되었다.[37][38]
; 산업용 방앗간 조사
2005년 조사에서 아담 루카스는 서유럽 বিভিন্ন 산업용 방앗간의 첫 등장을 확인했다. 수력의 혁신적 사용에서 프랑스가 두드러진 역할을 했다. 그러나 다른 국가에서 이 주제 연구가 부족함을 지적했다.
| 중세 유럽의 다양한 산업용 방앗간의 첫 등장, 서기 770-1443 [39] | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 방앗간 유형 | 날짜 | 국가 | |||||||||
| 맥아 방앗간 | 770 | 프랑스 | |||||||||
| 풀링 방앗간 | 1080 | 프랑스 | |||||||||
| 태닝 방앗간 | 1134년경 | 프랑스 | |||||||||
| 대장간 방앗간 | 1200년경 | 잉글랜드, 프랑스 | |||||||||
| 도구 연마 방앗간 | 1203 | 프랑스 | |||||||||
| 삼 방앗간 | 1209 | 프랑스 | |||||||||
| 풀무 | 1269, 1283 | 슬로바키아, 프랑스 | |||||||||
| 제지소[40] | 1282 | 스페인 | |||||||||
| 제재소 | 1300년경 | 프랑스 | |||||||||
| 광석 분쇄 방앗간 | 1317 | 독일 | |||||||||
| 고로 | 1384 | 프랑스 | |||||||||
| 절단 및 슬리팅 방앗간 | 1443 | 프랑스 | |||||||||
2. 2. 동아시아
동아시아에서 물레방아는 중국에서 처음 발견된 이후 일본, 티베트 등 여러 지역으로 퍼져나갔다. 610년 또는 670년경에는 한반도를 통해 일본에 도입되었고, 적어도 641년경에는 티베트에도 알려졌다.[49]
2. 2. 1. 중국
물레방아는 기원후 30년경부터 중국에서 발견되었으며, 드롭 해머[41], 풀무를 작동시키는 데 사용되었고,[42][43] 장형의 혼천의처럼 천문 관측을 위해 기계적으로 회전시키는 경우도 있었다.[44][45] 영국의 화학자이자 중국학자인 조지프 니덤은 수력 제분기가 기원후 1세기 한나라 시대에 존재했을 가능성이 있다고 추측하지만, 5세기까지 이에 대한 충분한 문헌 증거는 없다.[46]488년, 수학자이자 기술자인 조충지는 남제 무제 (재위 482–493년)가 검사한 물레방아를 세웠다.[47] 수나라 (581–618)의 기술자 양소는 6세기 초에 수백 개의 물레방아를 운영했다고 한다.[47] 612년에 쓰여진 자료에는 비구가 물레방아에서 얻은 수입을 놓고 다투는 내용이 언급되어 있다.[48]
당나라 (618–907) '수도부 조례'는 737년에 작성되었으며, 물레방아가 하천 운송을 방해해서는 안 되며 경우에 따라 특정 계절에만 사용하도록 제한했다.[47] 8세기 다른 당나라 시대 자료에 따르면, 이 조례가 매우 엄격하게 시행되었으며, 정부는 조례를 인정하지 않거나 정부 규정을 준수하지 않은 대가문, 상인, 불교 사원이 소유한 많은 물레방아를 철거했다.[47] 당 현종 (재위 712–756)을 섬기는 환관 고력사는 748년경에 하루에 밀 300 부셸을 제분하는 5개의 수차를 사용하는 물레방아를 소유했다.[47]
610년 또는 670년경에 물레방아는 한반도를 통해 일본에 도입되었다.[49] 또한 적어도 641년경에 티베트에도 알려졌다.[49]
기원전 2세기 전한 시대에는 수력을 동력으로 톱니바퀴와 샤프트를 통해 작동시키는 철 제련용 풀무, 가마 조작기, 펌프가 만들어졌다. 전한의 학자 환담의 기원후 20년경 저서 『신론』에서 수력에 의한 절구에 대한 언급이 보인다.[101] 또한 후한서에는 두시가 건무 7년(30년)에 크랭크 등의 기계 요소를 사용하여 수배(수력 풀무)를 만들었다는 기술이 있다.[102]
2. 3. 이슬람 세계
칼리파 시대의 기술자들은 초기 무슬림 정복 이전 수세기 동안 오늘날의 시리아, 요르단, 이스라엘, 알제리, 튀니지, 모로코, 스페인을 포함한 비잔틴 제국의 이전 지방에서 물레방아 기술을 도입했다.[51]이슬람 세계에서 물레방아는 제분, 도정, 절구질, 제재, 제철, 제당등의 산업에 사용되었고, 7세기부터 산업적으로 사용되기 시작했다. 수평형 및 수직형 물레방아는 9세기까지 널리 사용되었다. 11세기까지 알-안달루스와 북아프리카에서 중동 및 중앙아시아에 이르기까지 이슬람 세계 전역의 모든 지방에서 산업용 물레방아가 운영되었다.[52] 무슬림 및 중동 기독교 기술자들은 크랭크축과 수력 터빈, 물레방아 및 물을 끌어올리는 기계에 기어를 사용했고, 댐을 건설하여 물레방아와 물을 끌어올리는 기계에 추가 동력을 제공했다.[53] 풀링 밀과 제강소는 12세기에 알-안달루스에서 기독교 스페인으로 확산되었을 수 있다. 11세기와 13세기 사이에는 알-안달루스에 건설된 대규모 공장 단지에도 산업용 물레방아가 사용되었다.[54]
이슬람 세계의 기술자들은 물레방아에서 최대의 출력을 얻기 위해 여러 가지 해결책을 사용했다. 한 가지 해결책은 증가된 흐름을 이용하기 위해 교각에 설치하는 것이었다. 또 다른 해결책은 선박 측면에 장착된 수차에 의해 동력을 얻는 일종의 물레방아인 선박 제분소였다. 이 기술은 10세기에 이라크의 티그리스강과 유프라테스강을 따라 사용되었으며, 티크와 철로 만들어진 대형 선박 제분소는 매일 바그다드의 곡물 창고를 위해 10ton의 옥수수 가루를 생산할 수 있었다.[55]
3. 종류
물레방아에는 크게 두 가지 유형이 있다. 하나는 기어 장치를 통해 수직형 물레바퀴로 구동되는 방식이고, 다른 하나는 그러한 장치 없이 수평형 물레바퀴를 장착한 방식이다. 전자의 유형은 물이 바퀴 날개에 부딪히는 위치에 따라 언더샷(하사식), 오버샷(상사식), 브레스트샷(중사식), 리버스샷 물레방아로 더 세분될 수 있다.
3. 1. 수평형 물레방아
기어 장치 없이 수평형 물레바퀴를 장착한 방식의 물레방아가 있다.3. 2. 수직형 물레방아
물레방아에는 크게 두 가지 유형이 있는데, 하나는 기어 장치를 통해 수직형 물레바퀴로 구동되는 방식이고, 다른 하나는 그러한 장치 없이 수평형 물레바퀴를 장착한 방식이다. 전자의 유형은 물이 바퀴 날개에 부딪히는 위치에 따라 언더샷(하사식), 오버샷(상사식), 브레스트샷(중사식), 리버스샷 물레방아로 더 세분될 수 있다.3. 2. 1. 하사식 물레방아
물레방아에는 기본적으로 두 가지 종류가 있는데, 하나는 수직형 물레방아로 구동하고 톱니바퀴 기구를 통해 동력을 전달하는 것이고, 다른 하나는 수평형 물레방아를 사용하는 것이다. 전자는 물이 물레방아에 닿는 방식에 따라 상사식, 중사식, 하사식 물레방아로 나뉜다.3. 2. 2. 중사식 물레방아
물레방아에는 크게 두 가지 유형이 있는데, 하나는 기어 장치를 통해 수직형 물레바퀴로 구동되는 방식이고, 다른 하나는 그러한 장치 없이 수평형 물레바퀴를 장착한 방식이다. 전자의 유형은 물이 바퀴 날개에 부딪히는 위치에 따라 언더샷, 오버샷, 브레스트샷, 리버스샷 물레방아로 더 세분될 수 있다.더 큰 수차(보통 오버숏 강철 수차)는 수차 바깥쪽 가장자리에 장착된 톱니 모양의 환형 링에서 동력을 전달한다. 이것은 중앙 차축에서 동력을 가져오는 대신 샤프트에 장착된 스퍼 기어를 사용하여 기계를 구동한다. 그러나 기본적인 작동 방식은 동일하게 유지된다. 중력은 흐르는 물의 운동을 통해 기계를 구동한다.[59]
3. 2. 3. 상사식 물레방아
상사식 물레방아는 수차의 후기 혁신으로 하사식 물레방아보다 약 2.5배 더 효율적이었다.[59] 하사식 물레방아는 수차 본체가 단순히 제분소의 물길에 설치되어 수차를 구동하는 주 흐름 뒤에서 물로 들어가고, 주 흐름 앞에서 물에서 수차를 들어 올리는 것 자체가 실제로 작동을 방해한다는 고유한 비효율성을 겪는다. 상사식 물레방아는 물의 흐름을 수차의 상단으로 가져와 이 문제를 해결한다. 물은 하사식 물레방아의 단순한 날개 바퀴 설계가 아닌, 수차에 내장된 통에 채워진다. 통이 채워지면서 물의 무게가 수차를 돌리기 시작한다. 물은 아래쪽 통에서 강으로 되돌아가는 배수로로 쏟아진다. 수차 자체가 배수로 위에 설치되어 있기 때문에 물이 수차의 속도를 방해하지 않는다. 통에 들어간 물의 무게 외에도 수차에 가해지는 물의 충격도 활용된다. 상사식 물레방아는 제분소 위의 강에 댐을 건설하고 더 정교한 제분 연못, 수문, 물길 및 배수로 또는 테일레이스를 필요로 한다.[61]상사식 제분소의 고유한 문제는 수차의 회전을 반전시킨다는 것이다. 제분업자가 가슴걸이 수차를 상사식 수차로 변환하려면 회전 변화를 고려하여 제분소의 모든 기계를 재건해야 한다. 대안적인 해결책은 피치백 또는 백숏 수차였다. '''런더'''는 헤드레이스의 플룸 끝에 설치되어 에너지 손실 없이 물의 방향을 바꾸었고 회전 방향이 유지되었다. 대니얼스 제분소(Bewdley 근처, 우스터셔)는 원래 가슴걸이 수차를 사용했지만 피치백 수차를 사용하도록 개조된 제분소의 한 예이다. 오늘날에는 가슴걸이 제분소로 운영되고 있다.[58]
더 큰 수차(보통 오버숏 강철 수차)는 수차 바깥쪽 가장자리에 장착된 톱니 모양의 환형 링에서 동력을 전달한다. 이것은 중앙 차축에서 동력을 가져오는 대신 샤프트에 장착된 스퍼 기어를 사용하여 기계를 구동한다. 그러나 기본적인 작동 방식은 동일하게 유지된다. 중력은 흐르는 물의 운동을 통해 기계를 구동한다.
19세기 말에는 펠턴 수차의 발명으로 일부 제분소 소유주들이 상사식 및 하사식 수차를 펜스톡을 통해 구동되는 펠턴 수차 터빈으로 교체하도록 장려했다.
4. 작동 원리
물레방아는 크게 두 가지 유형으로 나뉜다. 하나는 기어 장치를 통해 수직형 물레바퀴로 구동되는 방식이고, 다른 하나는 그러한 장치 없이 수평형 물레바퀴를 장착한 방식이다. 전자의 유형은 물이 바퀴 날개에 부딪히는 위치에 따라 언더샷(undershot), 오버샷(overshot), 브레스트샷(breastshot), 리버스샷(reverse shot) 물레방아로 더 세분될 수 있다.[57]
일반적으로 물은 강, 댐 또는 제분소 연못에서 수로, 파이프(용수로, 도수로, 도수관)를 따라 터빈 또는 수차로 흐른다. 물의 움직임의 힘은 휠 또는 터빈의 블레이드를 구동하며, 이는 차례로 제분소의 다른 기계를 구동하는 차축을 회전시킨다. 휠 또는 터빈을 떠나는 물은 배수로를 통해 배수되지만, 이 채널은 또 다른 휠, 터빈 또는 제분소의 도수로가 될 수도 있다. 물의 통과는 수문 게이트에 의해 제어되며, 이는 유지 보수 및 어느 정도의 홍수 제어를 가능하게 한다. 대규모 제분소 단지는 여러 건물 및 산업 공정에 공급하는 복잡하게 상호 연결된 수로를 제어하는 수십 개의 수문을 가질 수 있다.
수차는 두 종류로 나눌 수 있는데, 하나는 수평 차축에 수평 수차가 있고 다른 하나는 수직 차축에 수직 수차가 있다. 이 중 가장 오래된 것은 물의 힘이 흐름에 맞춰 수평으로 설정된 간단한 패들 휠을 치는 수평 제분소로, 휠에서 직접 위로 이어지는 샤프트 꼭대기에 있는 밀린드 위에 균형을 이루는 러너 스톤을 돌렸다. 바닥돌은 회전하지 않는다. 이 유형의 제분소의 문제는 기어링이 부족하여 발생했다. 물의 속도가 러너 스톤의 최대 속도를 직접 설정했고, 이는 차례로 제분 속도를 설정했다.
유럽과 미국의 수차장에서 사용되는 수직형 수차는 하사식, 상사식, 중사식으로 분류된다. 수평 축을 회전시키므로, 이것을 직접 사용하여 망치나 절구를 들어 올릴 수 있으며, 대장장이나 축융 등의 작업을 할 수 있다. 그러나 맷돌을 회전시켜 곡분을 만들기 위해서는 회전축을 수직으로 할 필요가 있다. 이를 위해서는 톱니바퀴 기구가 필요하며, 톱니 수를 조절하여 회전수를 올릴 수 있다. 유럽과 미국의 제분용 수차장에서는 수차가 수평 축을 회전시키고, 그 선단에 톱니바퀴가 있다. 이 톱니바퀴가 수직 축에 설치된 톱니바퀴와 맞물려 같은 축상에 설치된 큰 톱니바퀴를 회전시킨다. 여기에 다른 작은 톱니바퀴를 맞물려 회전시키고, 그 축에 설치된 맷돌이 회전한다. 구동할 수 있는 맷돌의 수는 수량에 의존한다. 19세기에 이 기구가 개량되어, 하나의 수차로 맷돌을 4개까지 구동 가능하게 되었다.[114] 각 단계의 기어비를 조정하면 맷돌의 회전 속도를 올릴 수 있다. 수문의 열림 정도를 조정하여 수량의 계절 변동을 보상할 수 있다.
많은 경우, 수직 축의 큰 톱니바퀴로 구동하는 것은 하나의 맷돌이지만, 하나의 건물에 이러한 기구가 여러 개 존재하는 경우도 드물지 않다. 하나의 수차로 여러 개의 맷돌을 구동하는 기구를 처음 그린 사람은 헨리 베이턴으로 1723년의 일이다. 그것을 1744년, 존 데사굴리에가 출판했다.[115]
상사식 수차는 비교적 나중에 나온 기술 혁신으로, 기존의 하사식의 약 2.5배의 효율이다.[114] 하사식에서는 수차를 단순하게 수로의 물 흐름에 설치한 것으로, 물 흐름에 의해 회전한 날개가 후방에서 물 흐름에서 나올 때 회전을 방해하는 힘이 작용하기 때문에, 본질적으로 효율이 낮다. 상사식은 물 흐름을 수차 위로 가져옴으로써 이 문제를 해결했다. 수차에는 단순한 날개뿐만 아니라 바구니 모양의 물을 담는 부분이 있어, 위에서 오는 물을 거기에 담는다. 그 무게로 수차는 회전하기 시작한다. 바구니는 내려감에 따라 기울어지므로 물이 거기에서 흘러내린다. 수차 자체는 그 배수로에 잠겨 있지 않으므로, 회전을 방해하는 저항이 발생하지 않는다. 물의 무게뿐만 아니라, 위에서 수차에 떨어지는 물의 충격도 회전에 이용된다. 상사식 수차를 사용하려면 수차보다 높은 위치에 물을 저장할 필요가 있으며, 저수지나 수로 및 수문 등을 건설할 필요가 있다.
19세기 말까지 펠톤 수차가 발명되었고, 기존의 수차 대신 도수관과 펠톤 수차의 터빈을 설치하는 수차장도 있었다.
수차(강제)의 선단에 톱니바퀴의 톱니를 붙이고, 축이 아닌, 그 톱니바퀴를 다른 톱니바퀴와 맞물리는 방식으로 구동하는 방식도 있다.
조력을 사용한 수차장은 동력원으로 강물을 사용하지 않고, 해안의 작은 만 입구에 방파제나 도로를 건설하여 거기에 설치한다. 간조 시 수문을 열어 서서히 올라오는 바닷물을 만 내로 넣는다. 만조가 되면 수문을 닫는다. 바깥쪽 조수가 어느 정도 빠지면 수차로의 수문을 열어 안쪽 바닷물을 흘려 수차를 회전시킨다. 이것은 캐나다의 펀디만처럼 조수 간만의 차가 큰 곳에서 특히 효과를 발휘한다. 현재도 작동하는 예로 엘링 조력 제분소가 있다.
또한, 큰 다리에서는 교각 사이의 물 흐름이 그 전후보다 빠르기 때문에, 거기에 수차를 설치하는 경우가 있다. 런던 브리지 아래에는 한때 수차장이 다수 있어, 뱃사공들이 통과하기 어렵다고 불평했다.
| 종류 | 그림 | 설명 |
|---|---|---|
| 언더샷 수차 | -- | 기원전 1세기부터 물 제분에 사용[8] |
| 오버샷 수차 | -- | 기원전 1세기부터 물 제분에 사용[10] |
| 피치백 수차 | -- | 브레스트샷 휠에서 생성되는 전력을 증가시키는 데 자주 사용[58] |
| 브레스트샷 수차 | -- | 서기 3세기부터 물 제분에 사용[17] |
5. 용도
물레방아는 J. T. 데사굴리에가 1744년에 출판한 헨리 베이튼의 1723년 그림에서 처음으로 하나의 수차가 여러 쌍의 돌을 구동하는 모습이 묘사되었다.[60]
물레방아는 다음과 같은 다양한 용도로 사용되었다.
| 용도 | 설명 |
|---|---|
| 나무 껍질 제분소 | 참나무 또는 밤나무의 나무 껍질을 갈아 제혁에 사용되는 거친 가루를 생산했다. |
| 칼날 제분소 | 새로 만들어진 칼날을 날카롭게 하는 데 사용되었다. |
| 고로, 정련 제철소, 주석판 공장 | 증기 기관이 도입되기 전까지 거의 예외 없이 수력으로 작동되었다. 용광로와 제철소는 때때로 철 제분소라고 불렸다. |
| 보빈 제분소 | 면 및 기타 섬유 산업용 나무 보빈을 만들었다. |
| 카펫 공장 | 카펫 및 러그를 만드는 데 때때로 수력으로 작동되었다. |
| 방적 공장 | 수력으로 가동되어 생 면화를 제면하고, 뮬 방적기와 링 프레임을 구동하는 데 사용되었다. 증기 기관은 처음에는 바퀴로의 물 흐름을 증가시키는 데 사용되었고, 이후 산업 혁명이 진행되면서 직접 샤프트를 구동하는 데 사용되었다. |
| 풀링 공장 | 모직물에 대한 마감 공정에 사용되었다. |
| 곡물 제분소 | 곡물을 밀가루로 갈았다. |
| 제련소 | 납은 큐폴라(a 반사로)가 도입되기 전에는 일반적으로 제련소에서 제련되었다. |
| 바늘 제분소 | 제조 과정에서 바늘을 연마하기 위한 바늘 제분소는 대부분 수력으로 작동되었다(예: Forge Mill Needle Museum). |
| 유압기 | 유채를 분쇄하는 데 사용되었으며, 풍력 또는 수력으로 작동될 수 있었다. |
| 제지 공장 | 동력뿐만 아니라 제조 과정에서도 대량의 물을 필요로 했다. |
| 화약 공장 | 화약 (흑색 화약 또는 무연 화약)을 만드는 데 일반적으로 수력으로 작동되었다. |
| 압연기 | 롤러 사이를 통과시켜 금속의 형상을 만들었다. |
| 제재소 | 목재를 판재로 절단했다. |
| 슬리팅 밀 | 쇠막대를 얇은 막대 모양으로 자르는 데 사용되었으며, 이 막대는 다시 못으로 만들어졌다. |
| 스포크 밀 | 목재를 마차 바퀴의 스포크로 가공했다. |
| 스탬프 밀 | 비철금속 광산에서 채취한 광석을 분쇄하는 데 사용되었다. |
| 방직 공장 | 실을 잣거나 천을 짜는 데 때때로 수력으로 작동되었다. |
| 제분 | 맷돌을 회전시켜 곡물을 갈아 곡분으로 만든다. 가장 일반적이다. |
| 정미 | 절구를 상하로 움직여 현미를 찧어 백미로 만든다. 일본에서는 에도 시대 중기 이후 도시부를 중심으로 확산되었다. |
| 제당 | 사탕수수를 압착하여 즙을 짜낸다. |
| 축융 | 모직물 마무리 공정. |
| 제재 | 톱을 작동시켜 나무를 절단하여 목재로 만든다. 또한, 원목의 수피를 벗겨 가루로 만들어 피혁의 무두질에 사용할 수 있도록 한다. |
| 방적 | 목화에서 면사를 만든다. 산업 혁명 초기에 물레방아를 동력원으로 사용했다. 이와 관련하여 목제 보빈도 물레방아를 동력원으로 제작했다. |
| 기계 직조 | 실로 직물을 만든다. 융단 등을 짜는 공장에서도 물레방아를 동력원으로 사용하는 경우가 있었다. |
| 흑색 화약이나 무연 화약 제조 | |
| 고로, 정련로, 양철 세공 | 증기 기관이 등장하기 전에는 수력을 사용했다. 또한, 용광로의 풀무를 조작하는 동력으로 물레방아가 사용되었다. |
| 칼날의 연마 | |
| 쇠막대를 일정한 길이로 절단하여 못을 만든다. | |
| 금속의 압연 | |
| 제지 | 동력으로 물레방아를 사용하는 동시에 제조 공정 자체에도 대량의 물이 필요했다. |
| 비철금속 광석을 절구로 분쇄 | |
| 바늘 제조 | 과거에는 수력을 사용했다. |
| 유채유나 참기름 제조 | 과거에는 수력이나 풍력으로 압착기를 조작했다. |
| 발전 | 발전기 기술 향상과 금속제 톱니바퀴 조합으로 10rpm 이하의 물레방아에서도 유효한 발전을 할 수 있게 되면서, 최근 미니 수력, 마이크로 수력과 같은 발전용 동력으로 재평가가 진행되고 있다. |
6. 현대의 물레방아
1870년 당시 영국의 곡물 제분에 사용되는 동력의 2/3는 여전히 물레방아에서 생산되었다.[62] 20세기 초, 저렴한 전기 에너지 보급으로 선진국에서 물레방아는 쓸모없어졌지만, 일부 소규모 농촌 방앗간은 20세기 후반까지 상업적으로 계속 운영되었다.
미국 워터 밀, 뉴린 밀, 예이츠 밀과 같은 몇몇 역사적인 방앗간과 영국 다를리 밀 센터는 시연 목적으로 여전히 운영되고 있다. 영국 다니엘스 밀, 리틀 살켈드 밀, 레드번버리 밀에서는 소규모 상업 생산이 이루어지고 있는데, 이는 코로나19 팬데믹 기간 동안 밀가루 부족을 해결하기 위해 증진되었다.[63]
일부 오래된 방앗간은 사우스 서머셋 수력 발전 그룹에서 작업한 방앗간처럼 현대 수력 발전 기술로 업그레이드되고 있다.
6. 1. 한국의 현대 물레방아
20세기 초, 선진국에서는 전력을 저렴하게 사용할 수 있게 되면서 물레방앗간은 쇠퇴했지만, 1960년대까지 시골의 물레방앗간에서 운영이 계속된 곳도 있었다. 지금도 운영되는 곳은 주로 관광용이 대부분이며, 물레방아를 동력원으로 하여 생산을 하는 곳은 드물다.[116]개발 도상국에서는 지금도 제분에 물레방앗간을 사용하는 나라도 있다. 예를 들어 네팔에는 25,000곳, 인도에는 200,000곳의 물레방앗간이 있는 것으로 추정된다.[116] 그 대부분은 옛 방식 그대로지만, 일부는 나무 부품을 금속으로 교체하여 효율을 향상시키고 있다. 예를 들어 [http://crtnepal.org Centre for Rural Technology, Nepal]은 2003년부터 2007년 사이에 2,400곳의 물레방앗간을 개조했다.[117]
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