자격루에 대한 기계공학적 해석
분야
doc좌측의 와 를 보면 그냥 단순한 물시계로 오인할 수 있으나 우측의 자동 시보 장치를 자세히 살펴보면 당시로서는 제작이 불가능할 것이라고 생각 될법한 놀라운 기술들이 숨어있다. 기계 공학적인 측면에서 보았을 때 자동제어, 유체역학, 고체역학, 계측공학 등 모든 역학의 결집으로 만들어 진 것이 바로 이 자격루이다. 그러면 그 원리와 함께 기계공학이 어떻게 적용되었는가를 하나씩 간단하게 살펴 보도록 하겠다.
[유체 역학]
앞의 그림에서 파란선 안에는 여러 개의 파수호가 있다. 굳이 하나의 큰 항아리가 아닌 여러 개의 항아리를 둔 것에는 시간이 지남에 따른 물의 흐름을 일정하고 안정적으로 유지하기 위함이다. 만약 큰 항아리 하나로 설계를 했다면 물이 많을 경우 물의 중력과 압력으로 물의 수압이 높아지고 물의 속도도 빨라지게 되지만 물의 양이 적을 경우에는 그 흐름과 압력이 낮아지게 되어 물의 속도가 물의 양에 따라 들락날락 하게 되어 뒷부분의 수수호에 일정한 신호가 전달되지 못하게 된다. 항아리를 여러 개 나눔으로써 물의 양에 따른 신호의 오차를 작게 하려는 설계의 의도가 있었던 것이다.
[고체 역학]
위의 그림에서 구슬이 B의 통을 지나 C의 스위치를 누르면 D의 막대가 올라가 P의 사람이 종을 울리게 된다. 이와 동시에 C는 H의 줄의 잡아당겨서 N부분의 스위치를 열어서 구슬이 M을 통하여 빠져나가게 되고 링크된 S부분의 막대가 내려가고 K인형이 내려오게 된다. K인형은 시간이 표시되어 있어 순차적으로 시간을 알리게 된다.
여기서 구슬이 여러 개의 통을 지날 때 구슬과 통의 재질과 마찰에 의한 손실을 최소화하기 위해서는 고체 역학적 고려가 필요하다. 실제로 장영실은 주머니에 구슬을 가지고 다니면서 통을 만드는 장인들에게 구슬이 꼭 맞으면서도 마찰을 최소화 할 수 있는 통을 만들 것을 지시하였다고 한다. 이러한 마찰에는 통이나 구슬의 재질, 사이즈, 표면 거칠기 등 고체 역학적 요소가 고려되는데 장영실은 이러한 요소들을 고려하였던 것이다.
[동역학]
위의 그림에서 구슬이 떨어지면서 C의 스위치를 누르게 되는데 이는 구슬의 중력에 의한 위치에너지가 낙하에 의하여 운동에너지로 변환한 것인데 위의 설계도를 볼 때 이 에너지를 철저히 고려했을 것으로 판명된다. 왜냐하면 운동에너지가 너무 클 경우 C의 스위치나 H의 줄이 그 강도를 이겨내지 못했을 것이고, 반대로 너무 작을 경우에는 P의 인형이 종을 때릴 수 있을 만한 에너지를 얻지 못했을 것이다. 또한 I부분에는 지렛대의 원리를 이용하여 K인형까지 에너지를 전달함으로써 시간을 알리게 되는데 지렛대의 좌측과 우측의 길이의 적당한 비율 배분도 에너지 전달의 정도에 중요한 요소가 된다.
[기구학]
기구학은 물체의 운동을 다루는 분야인데 예를 들어 행성의 궤도나 운동의 분석이나 위의 그림에서의 링크된 장치의 운동도 기구학의 범주에 속한다. 장영실은 천체의 운동에 관하여 뛰어난 학식을 가지고 있었기 때문에 아마도 기구학 이라는 분야에 정통했을 것으로 생각이 된다. 천체의 운동 원리에 비하면 위의 자격루의 운동장치는 간단하기 때문이다. 위의 그림에서 I, T, N, B, CA 부분에는 핀과 같은 고정 부분이 있는데 이것은 구성 요소와 요소간의 연결을 해주는 부품으로서 이러한 요소간의 연계된 운동을 해석하여 B에서 작용한 힘이 K인형까지 전달되는 총 과정의 분석을 기구학적 원리로 설계한 것이다.
[유압 공학]