LIFE & CULTURE
PICK
Archimedes
고대 그리스의 수학자이자 물리학자인 아르키메데스는 ‘공학의 아버지’라 불린다.
그는 지렛대, 도르래, 나선형 펌프 등 공구의 기본이 되는 원리를 연구했으며 이러한 원리를 활용해 다양한 공구 및 기계를 제작하기도 했다. 아르키메데스가 밝힌 원리를 바탕으로 한 공구들을 알아보자.
아르키메데스(B.C.287~B.C.212)는 고대 그리스 시라쿠사 출신의 철학자, 수학자, 천문학자, 물리학자 겸 공학자였다. 아르키메데스라는 이름은 그가 외쳤다는 ‘유레카’로 잘 알려져 있지만 정작 아르키메데스가 현대의 공구 개념에 어떤 원리적 기반을 남겼는지는 잘 조명되지 않았다. 그러나 그의 수많은 발명과 설계는 오늘날의 공구 설계 철학의 출발점이라 해도 과언이 아니다. 아르키메데스는 ‘힘을 다루는 방식’과 ‘효율적 작업구조’를 수학적으로 설명한 최초의 기술인이었고 그의 작업은 단순한 발명이 아닌 원리의 정립이었다.
가장 널리 알려진 그의 발명품 중 하나는 ‘아르키메데스 나선(Archimedean Screw)’이다. 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 퍼 올리는 이 장치는 나선형 나사와 튜브를 이용하여 회전만으로 액체의 지속적인 수송을 가능케 했다. 아르키메데스 나선은 특히 농업용 관개 기술에서 널리 활용되었으며 현대에도 단순한 구조와 높은 내구성으로 여전히 사용 중이다. 이 원리는 배수용 스크루 펌프, 콘크리트 혼합기, 자동화된 시멘트 공급기 등 다양한 전동 공구 및 산업용 장비에 응용되고 있다.
“나에게 충분히 긴 지렛대와 단단한 받침점만 있다면 지구도 들어올릴 수 있다.” 아르키메데스의 이 말은 단순한 수사가 아니라 지렛대의 수학적 원리를 실증한 자신감이었다. 그는 힘과 거리의 상관관계를 수식화하여 지렛대의 작동 원리를 정리했다. 이는 펜치, 니퍼, 바이스, 가위 등 각종 수공구 설계의 핵심 원리가 되었다. 특히 몽키스패너, 파이프렌치, 스크류 잭의 핸들 등은 모두 지렛대의 원리를 바탕으로 설계되어 작은 힘으로 강한 토크를 전달 가능하다. 산업현장에서 무거운 판재를 들어 올릴 때 사용하는 리프팅 잭, 수리 현장에서 볼트를 풀 때 사용하는 라쳇렌치 등도 아르키메데스의 지렛대 원리에 기반한 대표적 도구들이다. 이런 원리를 기반으로 한 아르키메데스의 공학적 사고는 물리적 힘의 분산과 집중을 이해하고 설계하는 데 기초를 제공한다.
아르키메데스는 수학에 능한 천재였지만, 수학을 위한 수학이 아닌 실용적 문제 해결에 수학을 적용했다. 그는 도르래 시스템을 통해 무거운 물체를 쉽게 들어 올릴 수 있다는 것을 시연했고 이러한 도르래의 설계는 오늘날의 스프링밸런스, 윈치, 체인블록 등 중량물 이송 공구에 반영되어 있다. 이러한 공구들에는 도르래의 구조가 담겨 있어 힘의 방향을 바꾸고 힘의 효율을 극대화시킨다. 결국 아르키메데스가 밝힌 간단한 원리는 수천 년이 흐른 지금까지도 산업용 기계와 일상의 공구 속에서 여전히 살아 숨쉬고 있는 것이다.
금관에 은이 섞였다고 의심한 왕의 의뢰로부터 나온 ‘유레카(찾았다)!’라는 아르키메데스의 감탄사는 단순한 발견의 순간이 아닌 부력의 원리를 세상에 드러낸 역사적 장면이었다. 목욕 중 수면이 자신의 몸에 의해 상승하는 것을 보고 물체가 잠긴 부피만큼의 물을 밀어낸다는 사실을 깨달았고 이는 오늘날 ‘아르키메데스의 원리’라 불린다.
아르키메데스의 원리는 현대 유압공구 기술의 철학적 토대가 되었다. 유압공구는 밀폐된 유체를 통해 큰 힘을 전달하는 장비로, 아르키메데스가 발견한 액체의 압력 전달과 밀접힌 관련이 있다. 예를 들어 유압잭, 유압프레스 등은 소량의 힘으로도 무거운 구조물이나 금속을 쉽게 들어올리거나 절단할 수 있다. 고대의 목욕탕에서 시작된 통찰은, 오늘날 고층 건설 현장에서 구조물 해체까지 이르는 유압 공구 기술의 밑그림이 된 셈이다.
아르키메데스는 공구 설계의 정밀함을 수학적 사고로 보완한 최초의 인물 중 하나다. 그는 포물선, 구, 원기둥 등의 부피와 면적을 정밀하게 계산했으며 이는 오늘날 공구 설계와 금형 제작, 절삭공정에서의 수치 해석과 유사한 방식이다. 예를 들어 머시닝 센터, 드릴링 머신 등은 모두 아르키메데스의 수학적 원리를 토대로 치수 제어와 재료 절삭을 구현한다. 특히 그가 밝혀 낸 ‘구체의 부피는 원기둥의 2/3’라는 계산은 이후 유체공학과 정밀기계 설계에 이정표가 되었고 현대 CAD/CAM 설계에도 응용되고 있다.
아르키메데스는 단순히 공구와 기계를 제작한 것이 아니라 그것이 ‘어떻게 작동하는가’를 설명한 사람이다. 그가 말하는 공구란 물리적 힘을 조절하고 전달하며 인간의 능력을 확장시키는 장치였다. 이 철학은 그가 처음 정리한 원리들: 지렛대, 나선, 도르래, 체적 계산 등을 통해 구체화되었고 그 원리들은 전동공구, 측정공구, 수공구, 자동화 작업 장비 등 거의 모든 현대 공구 분야에 원리적 기반을 제공하고 있다. 아르키메데스가 남긴 업적은 단지 고대 과학의 유산이 아니라 현대 공구 설계와 작업 기술에 깊이 스며들어 있는 원리의 언어인 셈이다.
글 _이대훈 / 자료참고 _ wikipedia.org, ronixtools.com, 과학동아 외
