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역사이펀(inverted siphon) 원리를 이용한 로마 수도교 VIDEO:Cross Drainage Works(Aqueducts, Siphon Aqueducts, Super Passage, Canal Siphons)

건설과학 Construction,Science/유용정보 Usefull Info.2021. 7. 19. 17:03

로마 역사에 대한 책을 읽던 중 로마의 수도교(水道橋)에 대하여 알게 되었다. 수도교는 로마에 물을 공급하기 위한 수로(水路)로 평지 구간에는 다리 형태로 건설하고, 높은 산과 계곡에는 사이펀(siphon) 원리를 이용하여 약 400km에 달하는 수로를 건설하였다 한다. 그런데 책을 읽으며 ‘물이 사이펀(siphon) 원리를 이용하면 높은 산과 계곡을 넘을 수 있을까?’ 하는 의문이 생겼다.

당시 만들어진 로마의 수도교(水道橋)는 현대기술로도 구현하기 힘들 만큼 정교하게 시공되었다고 한다. 따라서 로마의 수도교(水道橋)가 실제로 로마에 물을 공급할 수 있었는지 실험을 통해 확인하고 수도교(水道橋) 건설에 사용된 원리를 알아보고 싶었다.

1. 수도교(aqueduct, 水道橋)

하천이나 도로 등의 위를 건너는 상하수도를 받치기 위해 만든 교량으로 로마시대에 물을 공급하기 위해 처음 세워진 교량이다. 로마는 영토 확장과 함께 인구가 늘어나면서 물 사용량이 급격히 늘어나자 근처 산들로부터 물을 끌어오기 위한 수로(水路)를 건설하였다. 수로는 협곡이나 계곡을 통과해야 했으므로 이를 위해 수도교가 건설되었다.

2. 사이펀(siphon) 원리

사이펀(siphon)은 한 곳에 있는 액체를 위로 끌어올려 더 낮은 곳으로 옮기는 장치이다. 사이펀(siphon)은 압력 차에 의해 작동한다. 우선 높은 곳에 올려놓은 수조의 액체 표면에 대기압이 작용하여 누름으로써 짧은 관 속에 있는 액체를 위로 끌어올린다. 그러면 중력 때문에 액체가 관의 낮은 쪽으로 떨어지는 것이다. 사이펀(siphon)은 양쪽 액체의 높이가 같아지면 더 이상 작동하지 않는다.

3. 역사이펀(inverted siphon, 逆-) 원리

올라갔다가 다시 내려오는 보통 사이펀(siphon)과는 달리 한번 내려갔다가 올라가는 사이펀(siphon)을 말하며 주위의 환경에 따라서 장애물 밑을 지나는 경우에는 역사이펀(inverted siphon)으로 한다.

4. 역학적 에너지 보존(mechanical energy, 力學的─)

역학적 에너지란 운동하고 있는 물체의 위치에너지와 운동에너지의 합을 말한다. 만약 외부의 마찰이나 공기의 저항이 없다면 운동하고 있는 물체의 역학적 에너지의 량은 항상 일정한데, 이를 역학적 에너지 보존 법칙이라 한다.

1) 위치에너지

기준면을 기준으로 높은 곳에 위치해있는 물체가 가지고 있는 에너지를 말한다. 위치에너지는 물체의 질량이 클수록, 물체가 위치해있는 높이가 높을수록 커진다. 단위는 J(줄)이다.

2) 운동에너지

운동하고 있는 물체가 가지고 있는 에너지를 말한다. 운동에너지는 물체의 질량이 클수록, 운동하고 있는 물체의 속력이 클수록 커진다. 단위는 J(줄)이다.

5. 로마의 수로 체계

로마의 수로는 맑고 불순물이 없는 수원을 선택하여 수도교를 통해 정수조로 보내 침전물이 가라앉게 만든다. 침전물이 가라앉은 물은 다시 수도교를 통해 로마 도심에 있는 저수조(카스텔룸)으로 보내 저장하고 이를 다시 납관을 통해 공중목욕탕과 같은 공공장소나 가정에 공급하였다.

6. 실생활에 적용된 사이펀(siphon) 원리

1) 변기

변기의 원리는 물탱크에 있던 물이 쏟아져 내려오면서 고여 있는 물의 높이가 올라가 배수관을 넘게 된다. 이때 물이 배수관을 흐르면서 배수관은 진공상태가 되는데, 이를 없애기 위해 물이 변기통 내의 이물질을 쓸어내린다. 모든 배설물과 물이 흘러서 배수관을 빠져나가면 사이펀 원리로 인해 다시 물이 고여 원상 복귀된다.

2) 계영배

계영배의 원리는 액체의 압력과 대기압, 중력의 상관관계를 이용한 사이펀(siphon) 원리를 이용하였다. 술의 높이가 잔 중심에 있는 관의 높이를 넘어서게 되면 술이 흘러내리기 시작한다. 정점을 넘어 긴 관으로 술이 이동한 후에는 액체의 압력이 중력의 방향과 같아지면서 계속 아래로 흐르게 된다.