발명이란 이전까지 없던 것을 새롭게 만들어 내는 것입니다. 앞 글에서 다이너마이트처럼 새로운 것을 만든 것을 발명했다고 합니다. 이번에도 증기 기관을 어떻게 발명하게 된 것이고 어떤 의미가 있는지 알아보겠습니다.
들어가는 글
우리는 주전자에서 뜨거운 김이 뿜어져 나오고, 주전자 뚜껑이 들썩거립니다. 물이 끓으면서 생긴 수증기가 주전자 뚜껑을 밀어 올리기 때문입니다. 이처럼 수증기의 힘은 생각보다 무척 세서 큰 기계를 돌리기도 하고, 자동차를 움직이기도 한답니다. 그렇다면 이러한 증기의 힘은 어떻게 사용되어 왔는지 알아보겠습니다.
증기기관 발명
유럽에서는 아주 오래전부터 석탄을 캐내는 광산업이 발달했습니다. 그런데 석탄을 캐다 보면 땅속에 있는 물이 솟구치곤 해서, 사람들이 양동이를 이용해 퍼내야만 했습니다. 그러다 보니 석탁을 캐는데 시간이 오래 걸렸고, 힘도 많이 들었습니다. 광산업자들에게 다이너마이트가 필요했듯이, 광산 중간중간 물을 자주 나왔기에 물을 퍼 나르는 기계가 있으면 좋겠다는 생각을 하게 되었습니다. 그래서 광산업자들은 물을 효과적으로 퍼낼 수 있는 방법을 고민하기 시작했습니다. 그러다 1698년 영국의 공학자 토머스 세이버리가 증기의 힘으로 광산에 고인 물을 퍼 올리는 펌프를 개발해 특허를 얻었습니다. 하지만 이 펌프는 힘이 약해서 큰 도움이 되지는 못했습니다. 몇 년 뒤, 토마스 뉴커먼이 세이버리의 펌프를 개량해서 훨씬 성능이 더 좋은 배수용 증기 기관을 만들었습니다. 이 증기 기관은 석탄과 물만 있으면 쉬지 않고 물을 퍼낼 수 있어서 수십 년 동안 광산에서 널리 사용되었습니다. 한편 글래스고 대학에서 기계 수리하는 일을 하던 제임스 와트에게 한 교수가 뉴커먼의 증기 기관 모형을 가져왔습니다. 고장 난 증기 기관을 수리하는 것을 맡은 교수는 증기 기관을 수리하다가 문제점을 하나 발견하였습니다. 바로 피스톤이 들어 있는 커다란 실린더였습니다. 피스턴을 들어 올리고 내리는 것에 많은 석탄이 들어가는 문제점을 해결하고 싶었습니다. 집 근처 산책을 하다가 좋은 생각이 떠올랐습니다. 뜨거워진 증기를 식히는 곳을 따로 만들어 효율을 높이는 아이디어가 생각났습니다. 그렇게 함으로써 실린더를 계속 뜨겁게 유지할 수 있어 석탄을 조금만 사용해도 큰 힘을 낼 수 있게 되었습니다.
증기 기관의 변화, 직선 운동에서 회전 운동까지
그 당시는 아직 농업화 시대였기 때문에 증기 기관에 대한 이해가 부족하여 사람들의 관심을 받지 못하던 시절이었습니다. 공장을 만들어 대량 생산을 하려고 하였지만 자금이 부족한 와트는 친구의 소개로 광산업을 하는 사업가 로벅을 만나 물 퍼내는 증기 기관을 만들기로 했습니다. 그래서 새로운 증기 기관을 만들었지만 잘 작동하지 않았습니다. 그 당시 기술력이 부족해서 피스톤과 실린더가 잘 맞지 않았기 때문이었습니다. 처음에는 실패로 끝났지만, 로벅의 친구인 볼턴을 만나서 같이 증기 기관 회사를 만들기로 했습니다. 볼턴은 와트의 증기 기관의 우수성을 알아보았습니다. 그러나 증기 기관을 찾는 사람이 그리 많지 않았습니다. 그래서 공개 시험을 하기로 했습니다. 그 공개 시험으로 다른 펌프보다 연료가 4분의 1밖에 들지 않고, 속도도 빨랐습니다. 이후 대부분의 광상에서는 와트의 증기 기관을 사용하게 되었습니다. 이렇게 되자 동업자 볼턴은 새로운 시장에서도 사용할 수 있는 증기 기관을 만들어야 한다고 권유했습니다. 그래서 직선 왕복 운동만 하던 증기 기관을 회전 운동이 가능하게 만들었습니다. 이제 여러 가지 기계의 동록으로 쓰일 수 있게 되었습니다.
증기 기관의 산업화
증기 기관의 힘이 얼마나 센지 확인하기 위해서 마력이라는 것을 만들었습니다. 45킬로그램짜리 추를 밧줄에 매달아 우물 밑바닥에 내려놓고 말이 1분 동안 추를 어느 정도 높이로 들어 올릴 수 있는지 실험한 것입니다. 증기 기관은 점차 그 쓰임새가 다양해졌습니다. 실과 옷감을 만들 때뿐만 아니라 밀가루를 빻거나 종이를 만들 때 등 다양한 물건을 만드는 기계에 증기 기관이 사용되기 시작했습니다. 그러자 순식간에 많은 물건이 쏟아져 나오게 되었습니다. 산업화의 시작이었습니다. 자본가들은 더 많은 물건을 더 빠르게 만들기 위해서 너도나도 공장을 세우고 기계를 들여놓았습니다. 한꺼번에 많은 물건이 만들어지게 되면서 물건을 빠르게 운반하기 위한 교통수단도 필요해졌습니다. 1814년 영국의 조지 스티븐슨이 최초의 증기 기관차를 만들었습니다. 이후 작은 도시들을 잇는 철도가 들어서면서 증기 기관차가 철도 위로 많은 사람들과 물건을 싣고 달리게 되었습니다. 또한 1807년 미국의 로보터 풀턴이 증기선을 만들어 미국과 영국의 물길을 오가며 사람들과 물건을 실어 나르는 데 이용되기까지 하였습니다. 이로서 가축의 힘을 빌려서 생활하던 것들이 빠르게 기계로 대체되면서 본격적인 산업화가 진행되게 됩니다.
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