장영실의 생각실험실: 해시계와 물시계(생각실험실 시리즈 2)

조선 시대 최고의 과학자 장영실의 머릿속으로!

해시계와 물시계에 숨겨진 천재적인 아이디어

독창적인 조선의 발명품, 해시계 앙부일구와 물시계 자격루



해시계 '앙부일구'와 물시계 '자격루'는 어떤 과정을 통해 만들어졌을까? 『장영실의 생각실험실 : 해시계와 물시계』는 장영실의 머릿속으로 들어가 앙부일구와 자격루가 만들어지는 과정을 생각실험이라는 방식으로 찬찬히 따라가 보는 어린이 교양도서이다.

조선 시대의 과학자 장영실은 세종대왕의 명을 받아 해시계와 물시계를 만들었는데, 그가 만든 해시계 '앙부일구'는 시각과 절기를 동시에 알 수 있는 세계 최초의 해시계였으며, 물시계 '자격루'는 우리나라 최초의 자동 물시계였다. 앙구일부와 자격루는 둘 다 매우 특색 있는 모양을 지녔으며, 세계적으로 아주 뛰어나고 독창적인 시계였다.

장영실의 '앙부일구'는 시각뿐 아니라 절기까지 알려주는 전례 없는 해시계였다. 그러면 장영실은 어떻게 해시계를 통해 절기를 알 수 있게 했을까? 이 부분에서 장영실의 천재성을 엿볼 수 있는데, 장영실은 평평한 모양의 해시계를 과감히 던져버리고, 해시계를 오목한 모양으로 만들었다. '앙부일구(仰釜日晷)'는 '가마솥을 닮은 해시계'라는 뜻이다. 그리고 이렇게 해시계를 오목한 가마솥 모양(반구형)으로 만듦에 따라, 하지에서부터 동지까지 그 그림자를 보는 만으로도 절기를 알 수 있게 되었다. 만약 장영실이 평평한 모양의 해시계를 고집했다면, 앙부일구와 같은 독보적인 해시계는 이 세상에 나타나지 못했을 것이다. 즉, 발상을 전환해 해시계를 오목한 모양으로 만들자, 해시계에서 하지 때의 그림자는 가장 긴 궤적을 그리고, 동지 때의 그림자는 가장 짧은 궤적을 그리게 되었다.

장영실이 만든 자격루는 북과 종과 징 소리로 시각을 알려주는 우리나라 최초의 자동 물시계였다. 장영실은 자격루의 '물을 받는 항아리'로 물이 규칙적으로 떨어지게끔 했을 뿐 아니라, 구슬이 떨어질 때의 힘(에너지)을 이용해 매 시각마다 나무인형이 북과 종과 징을 치게끔 했다.

장영실이 만든 자격루의 독창성은 항아리의 개수를 늘리고 구슬을 사용한 데서 엿볼 수 있다.

구체적으로 말하자면, 장영실은 물을 받는 항아리(수수호) 1개와 물을 떨어뜨려주는 항아리(작은파수호, 큰파수호) 2개를 만든 다음, 큰파수호에서 작은파수호로, 작은파수호에서 수수호로 물을 떨어뜨리는 식으로 물시계를 만들었다. 일정한 시간 동안 일정한 물이 수수호로 들어오도록 관의 길이과 두께, 설치 각도를 정교하게 고안했다. 더 나아가 장영실은 파격적으로, 이러한 물시계를 쌍으로 만들었는데, 수수호 1개, 파수호 2개로 만들어진 물시계 옆에 똑같은 물시계를 나란히 놓았다. 이는 물이 가득 찬 수수호에서 물을 빼낼 때에는 시간을 재기 어려우므로, 수수호에서 물을 빼낼 때 시간을 잴 수 있는 물시계를 하나 더 만든 것이다.

이뿐 아니라, 장영실은 매 시각마다 물시계의 나무인형이 북과 종과 징을 칠 수 있도록, 구슬을 동력으로 이용하는 놀라운 해결책을 생각해낸다. 떨어지는 구슬의 위치에너지와 구르는 구슬의 운동에너지가 나무인형에게 전해져, 나무인형이 북과 종과 징을 치게 만들었던 것이다. 이 방식을 통해 자격루는 사람의 손을 빌리지 않고도 시각을 자동으로 알려주는 조선 시대 최초의 자동 물시계가 되었다.

이처럼 이 책은 장영실의 머릿속으로 들어가 해시계 앙부일구와 물시계 자격루의 창조 과정을 생각실험으로 한 조각 한 조각 끼워 맞춰 나가는 책이다. 이 책과 함께 장영실의 머릿속으로 들어가 해시계와 물시계를 만들어본 어린이들은 조선 시대 최고의 과학자 장영실의 천재성을 그 누구보다도 생생하게 느끼게 될 것이다.



■ 장영실(蔣英實, 1390년 ~ 1450년으로 추정)은 누구일까요?

조선 시대 최고의 과학자 장영실은 천민이었어요. 아버지는 원나라 사람이었고 어머니는 동래현의 기생이었어요. 조선 시대는 부모 중 한 사람이라도 천민이면 자식도 천민이 되는 시대여서, 장영실은 관청의 노비가 되었어요. 그런데 참으로 다행스럽게도, 하나둘 장영실의 천재성을 알아보는 사람들이 생겨나기 시작했어요. 장영실은 한양에 올라와 궁중에서 일하게 되었고, 얼마 지나지 않아 세종대왕의 눈에 띄게 되었어요. 세종대왕은 장영실의 남다른 재주를 아껴서 그를 중국으로 파견하기도 했어요. 세종대왕의 총애를 듬뿍 받은 장영실은 해시계 '앙부일구', 물시계 '자격루', 천문관측기 '혼천의', 강우량 측정기 '측우기' 등 아주 뛰어난 발명품을 하나씩 만들어 내기 시작했어요. 정말 하나같이 탁월한 발명품들이었어요. 장영실은 이같이 빛나는 업적을 인정받아 종3품 벼슬까지 올랐답니다.

머리말 · 4



01. 세종대왕은 백성을 사랑했어요

세종대왕 시대엔 어떤 시계가 있었을까요? · 12

돌 한가운데에 막대기가 꽂혀 있어요 · 13

그림자의 위치로 시간을 알 수 있어요 · 20

세종대왕이 장영실을 불렀어요 · 22



02. 장영실이 해시계의 원리를 궁리해요

세종대왕이 해시계를 발명하라고 했어요 · 26

장영실이 해시계에 시각을 표시했어요 · 28

지평일구의 그림자를 따라가 보았어요 · 35

그림자의 길이가 짧아졌어요 · 38

그림자의 길이가 가장 짧아졌어요 · 40

정오와 자정은 이렇게 만들어졌어요 · 42

그림자의 방향이 반대가 되었어요 · 45

그림자가 대칭을 이루었어요 · 48

해시계의 원리를 깨달았어요 · 50



03. 장영실이 해시계를 만들었어요

1년은 24절기로 이루어져 있어요 · 54

하지는 낮이 길고 동지는 낮이 짧아요 · 56

하지 때보다 그림자가 더 길어져요 · 61

그림자가 점점 더 길어져요 · 64

장영실이 해시계에 12절기를 표시했어요 · 67

장영실이 해시계에 24절기를 표시했어요 · 70

장영실이 해시계를 완성했어요 · 75

장영실의 해시계를 사용해 봐요 · 78

장영실이 해시계의 모양을 완성했어요 · 83



그림으로 보는 해시계 · 90



04. 세종대왕은 더 완벽한 물시계를 원했어요

해시계만으로는 부족했어요 · 94

해가 져도 시간을 알고 싶었어요 · 96

물로 시간을 잴 수 있어요 · 98

자동 물시계를 발명하라고 했어요 · 102



05. 장영실이 물시계의 원리를 궁리해요

장영실이 수수호를 만들었어요 · 108

장영실이 파수호를 만들었어요 · 110

파수호의 물이 줄어들어요 · 114

장영실이 큰파수호를 만들었어요 · 117



06. 장영실이 물시계를 만들었어요

물이 누르는 힘에 따라 달라져요 · 124

빠른 물이냐, 느린 물이냐 · 128

물의 빠르기가 일정해야 해요 · 132

큰파수호와 작은파수호와 수수호가 있어요 · 135



07. 장영실이 자동 물시계를 만들었어요

물시계가 자동으로 움직이려면 · 142

물시계에 구슬을 이용했어요 · 146

방목을 어디에 놓을지 고민했어요 · 150

방목을 수수호 위에 올렸어요 · 153

물에 뜨는 부전을 만들었어요 · 156

수수호에 부전을 넣었어요 · 159

구슬이 떨어지면 나무인형의 팔이 움직여요 · 161

자동 물시계를 완성했어요 · 165

세종대왕이 크게 기뻐했어요 · 169



그림으로 보는 물시계 · 170



참고 문헌 · 172

송은영 저자 송은영은 1964년 11월 서울에서 태어나 고려대학교 물리학과와 고려대학교 물리학과 대학원에서 원자핵 물리학을 전공했습니다. 물리학을 공부하면서 얻은 값진 선물 중의 하나는 생각하는 힘이었어요. 과학적 사고는 장영실의 머릿속으로 들어가서 해시계 앙부일구와 물시계 자격루의 탄생 과정을 논리적으로 들여다보는 데 매우 큰 힘이 되어 주었습니다. 『세종대왕의 생각실험실』 , 『장영실의 생각실험실』 과 곧이어 선보일 『이순신의 생각실험실』을 집필하는 데도 과학적 사고는 아주 큰 도움이 되어 주었습니다. 아인슈타인의 머릿속으로 들어가서 상대성이론을 풀이한 『아인슈타인의 생각실험실 1』, 『아인슈타인의 생각실험실2』 과 『미스터 퐁 수학에 빠지다』 , 『미스터 퐁 과학에 빠지다』 등 다수의 책을 썼어요. 제17회 한국과학기술도서상 저술 부문에서 과학기술처 장관상을 수상했습니다.