수차

움직이는 물이 날개에 힘을 가하면 바퀴가 회전하고, 이 회전은 수차축을 통해 기계에 전달된다.

수차는 인간과 가축을 대신한 최초의 기계 동력원이었으며, 처음에는 물을 끌어올리거나 곡물을 빻는 일 등에 사용되었다. 중세부터는 종종 기어 장치를 포함한 전동 링크 장치와 수차를 조합한 제분기를 사용했다. 아마도 최초의 단식수차는 3가지의 서로 다른 수력제분기 중 수력을 받는 날개가 달린 수직수차였을 것이다. 다음은 바퀴에 붙인 수직축을 통해 맷돌을 돌리는 수평수차가 있다.

3번째로는 수평축을 가진 수직수차로 돌리는 기어식 제분기이다. 이것은 앞에 나온 2개의 분쇄기보다 더 많은 지식과 공학적 기술이 필요하지만, 더 뛰어난 능력을 발휘할 수 있다. 수직수차는 바퀴와 접하는 물의 위치에 따라 하사식(下射式)·브레스트·상사식(上射式)으로 나뉜다. 이들은 보통 물의 운동 에너지를 이용했으며, 조력제분기(潮力製粉機)도 11세기에 등장했다(하사식 수차, 브레스트 수차, 상사식 수차).

각 제분기는 독특한 장·단점이 있다.

중세 이전의 제분기에 대해서는 비교적 알려진 바가 없지만, 이들의 몇 가지 특징으로 이용 가능성과 구조의 복잡성을 통해 출현 순서를 추측할 수 있다. 단순한 수직바퀴는 별도의 설비가 필요없지만, 힘과 동력발생률은 물흐름의 특성과 바퀴 크기에 따라 다르다. 동력방향의 변화는 무관하므로, 이 수차는 일련의 단지들을 체인으로 구동시켜 물을 끌어올릴 수 있다. 수평수차제분기(때때로 노르웨이나 그리스의 제분기)도 보조설비가 거의 필요하지 않으며, 상단의 맷돌이 수직축에 붙어 있으므로 제분에 적합하다.

그러나 이 제분기는 제분에 적합한 물흐름에서만 사용할 수 있다.

기어식 수직수차제분기는 용도가 더 다양하다. 이 수차가 하사식일 경우 강·바다·인공수로에 관계없이 수차의 날개가 물 속에 들어갈 수 있으므로 구조는 비교적 간단하다. 기어 비를 조절하면 물의 흐름속도와 동력효율을 조절할 수 있으며, 수차는 다리의 아치나 하천 중앙에 정박시킨 거룻배에 설치될 수 있다.

BC 1세기의 로마 건축가인 비트루비우스는 최초의 기어식 수직수차에 대해 묘사했는데, 그것은 당시의 그 모습이 어떠한지 알려준다. 이 제분기는 근력 이외의 것을 이용하기 위해 기어 장치를 최초로 사용했다는 데 큰 의미를 갖는다. 이것은 하사식 수차를 사용하므로 브레스트나 상사식과는 달리 떨어지는 물의 하중을 이용하지 않는다. 기어가 달린 브레스트와 상사식 수차제분기는 더 많은 보조설비가 필요하지만, 수력을 가장 많이 이용할 수 있도록 설계되어 있다.

그러나 수차 크기에 적합하게 물이 떨어지는 곳에 제분기를 설치해야 하는 문제점이 있다. 이것은 상류의 긴 수로나 댐에서 사용될 수 있다.

비트루비우스가 살던 당시부터 12세기까지 기어식 제분기의 발전에 대해서는 자세히 알려진 바가 없다. 프랑스 아를 근처의 바르베갈에 있는 곡물제분기가 유명하며, 이것은 나무 기어 장치와 지름이 2m인 상사식 수차 16개가 직렬로 연결되어 있다.

이 제분기는 8만 명의 수요를 충족시킬 수 있었다. 물흐름을 바꿀 수 있는 장치가 있어 쉽게 적용할 수 있는 기어식 제분기는 로마 제국에서 사용되었지만, 역사적으로 산업에서 가장 눈부신 성과는 중세 서유럽에서 있었다. 13세기 이후에는 상사식 수차가 하사식보다 더 널리 쓰였다. 중세의 기어식 제분기는 동력을 이용하는 데 가장 널리 쓰인 장치였다. 말이나 소를 이용한 제분기의 동력은 보통 2~5Hp를 내는 상사식 수차에 비해 작았다.→ 물레방아