증기기관차는 어떻게 움직일까

기차가 들어옵니다

승강장에 서서 증기기관차가 들어오는 모습을 보면 먼저 크기에 놀랍니다. 큰 급행 기관차의 동륜은 사람 키만 하고, 보일러는 버스보다 높은 곳에 있습니다. 다음에는 소리가 들립니다. 굴뚝에서 나던 박자가 느려지고, 앞쪽 아래에서 증기가 옆으로 쉭 뿜어 나오고, 기차가 멈추면 지붕 위의 안전 밸브가 우렁차게 열립니다. 증기기관차는 아무것도 밀봉된 상자 속에 숨기지 않습니다. 하는 일을 모두 겉으로 드러내고, 그것도 사람이 옆에 설 수 있는 크기로 보여 줍니다.

이 전시도 그렇게 시작합니다. 1942년 한국의 급행 여객 기관차 파시형이 역으로 들어와 내 옆에 섭니다. 승강장의 사람은 내 키로 그려져 있어서, 지름 1,850 mm 인 동륜과 견주어 볼 수 있습니다. 그다음에는 직접 몰 수 있습니다. 불을 때고, 가감 밸브를 열고, 역전기를 움직이고, 객차나 화차를 달고, 선로에 기울기를 주면서 보일러 압력과 수면계의 물, 레일에 거는 힘이 어떻게 바뀌는지 봅니다. 같은 선로에 다른 기관차 다섯 대가 있습니다. 1829년 스티븐슨의 로켓호, 1870년대형 미국 4-4-0, 한국의 화물 기관차 미카형, 1938년 속도 기록의 유선형 맬러드, 1941년 관절식 빅보이입니다.

보일러는 가운데를 잘라 열어 불과 연관과 물을 볼 수 있습니다. 실린더도 열 수 있어서 피스톤과 피스톤 밸브, 양쪽 끝의 증기가 지금 하는 일에 따라 색으로 보입니다. 작은 그래프인 인디케이터 선도는 바퀴가 도는 동안 실린더 한쪽의 압력을 피스톤 위치에 따라 그립니다. 한 세기 전 기술자들이 기관차가 하는 일을 잰 방법이 바로 이것이었습니다. 이 글은 화면에 보이는 것을 차례로 설명하고, 모형이 쓰는 숫자와 그 숫자의 출처를 함께 적습니다.

기관차가 물 상자 속에 불을 피우는 까닭

증기기관차는 발전소를 싣고 다니는 기계입니다. 불이 물을 증기로 바꾸고, 증기가 피스톤을 밀고, 피스톤이 바퀴를 돌립니다. 어려운 점은 불의 열을 물에 충분히 빨리 넣는 것입니다. 그것도 승강장 사이와 다리 밑을 지날 만큼 좁은 몸통 안에서 해내야 합니다.

불은 기관차 뒤쪽 화실 안의 화격자 위에서 탑니다. 화실은 상자 속의 상자입니다. 석탄이 타는 안쪽 상자가 있고, 바깥 덮개와 안쪽 상자 사이의 옆, 앞, 뒤, 위를 물이 채웁니다. 안쪽 상자의 천장인 화실 천장판은 기관차에서 가장 뜨거운 금속이라, 늘 물에 잠겨 있어야 합니다. 모형에서 보일러를 잘라 열면 빨갛게 타는 불, 안쪽 화실, 그 둘레의 파란 물이 보입니다.

석탄은 화실 뒤쪽의 화실 문으로 한 삽씩 들어갑니다. 모형의 운전실에서 화부는 탄수차 앞쪽의 석탄을 향해 돌아서서 삽을 채우고, 다시 돌아서고, 화실 문은 석탄이 들어갈 만큼만 잠깐 열립니다. 무대의 투탄을 누르면 화부가 한 차례 석탄을 넣습니다. 모형의 파시는 힘들게 일할 때 한 시간에 석탄 1.8톤 정도를 태우는데, 그 석탄을 모두 사람이 삽으로 들어 넣습니다. 모형에서는 막대 하나인 투탄량이 그 일 전부를 대신합니다.

뜨거운 불에 새 석탄을 얹으면 깨끗하게 타기 전에 가스부터 나오고, 공기가 모자라면 굴뚝 연기가 검어집니다. 모형에서도 석탄을 넣은 뒤와, 불이 통풍으로 태울 수 있는 것보다 클 때 굴뚝 연기가 검게 바뀌었다가, 불이 따라잡으면 하얀 증기로 돌아갑니다.

로켓호의 답: 관으로 가득 찬 보일러

불에서 나온 뜨거운 가스는 굴뚝으로 가는 길에 물속을 지나야 하고, 지나며 닿는 면이 넓을수록 열을 많이 내줍니다. 영국 과학박물관 그룹은 로버트 스티븐슨이 1829년 레인힐 시험을 위해 설계한 로켓호가, 뒤의 기관차가 따르게 될 두 가지 발전을 한 기계에 모았다고 설명합니다. 여러 개의 관을 넣은 보일러와 송풍관입니다.

여러 관 보일러에서는 화실의 가스가 물속에 길게 누운 수십, 수백 개의 가는 관을 지나 앞으로 가서 굴뚝 아래의 연실로 나옵니다. 가는 관 여러 개는 같은 단면의 굵은 관 하나보다 겉넓이가 훨씬 넓습니다. 미국 국립공원관리청은 빅보이 보일러에 연관과 대연관이 1마일 넘게 들어 있었다고 적었습니다. 모형의 잘라 연 보일러에서 화실에서 연실까지 물속을 지나는 연관과, 위쪽의 굵은 대연관이 보입니다. 뒤 시대 기관차에서는 이 대연관 속에 과열관이 들어갑니다.

로켓호가 이겼습니다. 과학박물관 그룹은 로켓호만이 시험을 끝까지 마쳤고, 평균 시속 12마일에 최고 시속 30마일을 냈으며, 스티븐슨 부자가 상금 500파운드와 리버풀-맨체스터 철도의 기관차 납품 계약을 따냈다고 적었습니다. 출전한 기관차는 사이클로페드, 노벨티, 퍼서비어런스, 상파레이, 로켓호의 다섯 대였습니다. 로켓호 자체는 그 모습으로 오래 남지 않았습니다. 18개월 안에 크게 고쳐졌고 10년 안에 쓰이지 않게 됐으며, 박물관에 있는 것은 고친 뒤의 기관차로, 1862년 빠진 부분이 많은 낡은 상태로 보존됐습니다.

수면계의 물

보일러는 자기 물을 끓여 없애며 증기를 만들기 때문에, 증기가 나가는 만큼 물이 들어와야 합니다. 기관사와 화부는 운전실 보일러 뒤판의 수면계를 봅니다. 위아래가 보일러에 이어진 유리관이라, 관 속 물 높이가 보일러 속 물 높이와 같습니다. 모형에서는 압력계 옆의 작은 관이 수면계이고, 표시판은 물 높이를 수면계의 몇 퍼센트로 알려 줍니다.

물은 인젝터로 들어갑니다. 과학박물관 그룹은 1858년 지파르 인젝터의 원래 형태를 소장하고 있고, 일하고 있는 증기 보일러에 물을 넣는 장치라고 설명합니다. 풀어야 할 문제는 보일러 압력이 꽉 찬 그릇 안으로 물을 넣어야 한다는 것이었습니다. 기관차의 움직임으로 돌리는 펌프는 기관차가 움직일 때만 일합니다. 모형에서는 인젝터 단추가 켜져 있으면 인젝터가 스스로 수면계를 4분의 3 가까이로 유지합니다. 찬물이 들어가 보일러를 조금 식히므로 압력이 약간 떨어지는 값을 치릅니다.

기관차가 힘들게 일하는 동안 인젝터를 끄면 물 높이가 내려갑니다. 화실 천장이 드러날 만큼 내려가면 천장판을 식혀 줄 것이 없어집니다. 그때를 위한 장치가 가용전입니다. 천장판에 박은 마개로, 가운데에 판보다 낮은 온도에서 녹는 금속이 들어 있습니다. 과학박물관 그룹은 1862년 가용전 세 개를 소장하고 있으며, 물이 너무 내려가면 마개가 드러나 금속이 녹고 증기가 화실로 뿜어 나와 승무원에게 위험을 알린다고 설명합니다.

모형에서는 인젝터를 끄고 파시가 400 t 을 달고 힘들게 일하면 6분쯤 지나 가용전이 녹습니다. 증기가 불을 끄고, 압력이 떨어지고, 기관차는 일을 멈춥니다. 미국 국가교통안전위원회가 1995년 펜실베이니아의 화실 사고를 조사한 보고서에는, 가용전이 한 번 녹으면 기관차를 공장으로 보내 고쳐야 하고 그래서 철도마다 가용전을 다는 방침이 달랐다는 내용이 있습니다.

압력과 안전 밸브

불이 물을 끓이면 물 위 공간에 증기가 모이고 압력이 오릅니다. 운전실의 압력계가 이를 보여 주고, 표시판의 막대는 안전 밸브가 열리도록 맞춘 압력인 빨간 선과 견주어 보여 줍니다. 빨간 선에 닿으면 밸브가 열려 압력이 조금 내려갈 때까지 증기가 세차게 뿜어 나옵니다. 불을 잘 피운 기관차가 역에 서 있을 때 들리는 굉음이 그 소리입니다.

안전 밸브가 열린 보일러는 석탄을 버리고 있는 셈입니다. 쓰는 것보다 많은 증기를 만들고 있기 때문입니다. 솜씨 좋은 화부는 압력을 빨간 선 바로 아래로 유지합니다. 오르막 전에는 불을 키우고, 정차 전에는 불을 줄입니다. 실험 칸의 과제 하나가 바로 이것입니다. 압력을 최고의 80% 에서 95% 까지 올리고, 안전 밸브가 열리지 않게 30초 동안 버티는 과제입니다.

모형의 압력은 bar 와 psi(제곱인치당 파운드)로 함께 보여 줍니다. 파시와 미카는 1415 bar(약 200220 psi), 맬러드는 17.2 bar(250 psi), 빅보이는 20.7 bar(300 psi), 로켓호는 3.4 bar(50 psi) 입니다. 출처가 있는 것 말고는 그 종류의 흔한 기관차에 맞춘 모형 값이고, 화면에 그렇게 표시했습니다.

가감 밸브에서 실린더까지

실린더로 가는 증기는 보일러의 가장 높은 곳, 보통 돔 안에서 빼냅니다. 그래야 물이 덜 딸려 갑니다. 가감 밸브가 거기 있고, 기관사는 운전실에서 긴 손잡이로 이를 여닫습니다. 모형의 가감 밸브 막대가 그 손잡이입니다. 닫으면 실린더로 아무것도 가지 않고, 다 열면 거의 보일러 압력 그대로 증기가 갑니다. 증기는 주 증기관을 따라 앞쪽 연실로 갑니다.

모형의 뒤 시대 기관차에서는 가는 길에 과열관을 지납니다. 굵은 대연관 속으로 되돌아 들어가는 가는 관으로, 뜨거운 가스가 증기를 말리고 끓는점보다 훨씬 뜨겁게 데웁니다. 과열 증기는 응결하기 전까지 더 많이 팽창할 수 있어서, 1 kg 이 하는 일이 늘어납니다. 모형에서 과열관이 있는 기관차는 실린더를 같은 만큼 채울 때 과열관이 없는 로켓호와 4-4-0 보다 무게로 4분의 3 정도의 증기만 씁니다.

연실에서 증기관이 아래로 내려가 실린더 위의 증기실로 갑니다. 잘라 연 보일러에서 돔에서 앞쪽으로, 다시 실린더로 내려가는 구리색 관을 따라가 볼 수 있습니다.

증기가 피스톤을 한쪽씩 번갈아 밉니다

실린더는 양쪽 끝이 막혀 있습니다. 증기가 한쪽 끝으로 들어가 피스톤을 반대쪽으로 밀고, 빠져나가면 이번에는 반대쪽 끝으로 증기가 들어가 피스톤을 되밉니다. 그래서 실린더 하나가 바퀴 한 바퀴에 두 번 밉니다. 피스톤 막대는 실린더 뒤로 나와 안내 막대 사이를 미끄러지는 크로스헤드에 이어지고, 주연봉이 크로스헤드와 주동륜의 크랭크 핀을 잇습니다. 연결봉은 한쪽 동륜의 크랭크 핀을 모두 이어 함께 돌게 합니다.

양쪽 크랭크는 4분의 1 바퀴 어긋나 있습니다. 한쪽 피스톤이 행정 끝에 있어 바퀴를 돌릴 수 없을 때, 다른 쪽은 행정 가운데에 있습니다. 그래서 어느 자리에서 섰든 출발할 수 있습니다. 모형의 맬러드는 크랭크 셋이 3분의 1 바퀴씩 어긋나 있고, 세 번째 실린더는 대틀 사이에 있습니다.

속 보기를 켜서 실린더를 열면 이것이 보입니다. 빨강은 막 들어오는 증기, 주황은 밸브가 닫힌 뒤 피스톤 뒤에서 팽창하는 증기, 파랑은 배기로 나가는 쓴 증기, 보라는 되돌아오는 행정 끝에 갇혀 눌리는 약간의 증기입니다.

밸브: 랩, 리드, 차단, 배기 시작

실린더 위 증기실에서는 피스톤 밸브가 자기 막대에 달려 앞뒤로 미끄러집니다. 밸브의 머리 둘이 실린더 양쪽 끝의 구멍을 처음에는 보일러 증기 쪽으로, 다음에는 배기 쪽으로 열고 닫습니다. 밸브는 피스톤과 박자가 맞아야 합니다. 피스톤이 행정을 시작할 때 증기 구멍을 열고, 행정 도중에 닫고, 행정이 끝나기 전에 배기 쪽으로 열어야 합니다.

작은 치수 두 개가 이 일을 해냅니다. 랩은 밸브가 가운데 있을 때 밸브 머리가 구멍을 덮고 남는 길이입니다. 랩 덕분에 밸브는 행정이 끝나기 한참 전에 증기 구멍을 닫을 수 있습니다. 리드는 피스톤이 행정 맨 끝에 있을 때 증기 구멍이 이미 열려 있는 정도로, 피스톤이 되돌아 나설 때 꽉 찬 압력이 기다리고 있게 합니다. 모형은 리드를 랩의 0.18 로 둡니다.

바퀴가 도는 동안 실린더 양쪽 끝은 같은 여섯 사건을 차례로 겪습니다. 흡기, 차단(밸브가 닫히고 증기가 팽창), 배기 시작(행정 끝 조금 전에 밸브가 배기 쪽으로 열림), 배기(되돌아오는 피스톤이 쓴 증기를 밀어냄), 압축(배기 쪽이 닫히고 남은 증기가 눌림), 그리고 다시 흡기입니다. 실험 칸에 이 순서를 맞히는 과제가 있고, 인디케이터 선도 아래 표는 지금 역전기 위치에서 각 사건이 피스톤의 어디에서 일어나는지 보여 줍니다.

왈샤트식 밸브 장치와 역전기

밸브를 움직이는 것은 밸브 장치입니다. 모형의 큰 기관차들은 바깥에 왈샤트식 장치를 달고 있어서 밖에서 보입니다. 이 장치는 두 움직임을 더합니다. 하나는 주크랭크 핀에 달린 되돌이 크랭크에서 옵니다. 크랭크와 4분의 1 바퀴 어긋난 이 움직임이 편심봉을 거쳐, 앞뒤로 흔들리는 홈 파인 곡선 막대인 링크의 아래 끝을 움직입니다. 링크 안에서는 다이 블록이 미끄러지고, 반경봉이 다이 블록의 움직임을 앞쪽의 결합 레버로 전합니다. 다른 하나는 크로스헤드에서 옵니다. 연결 링크가 크로스헤드의 움직임을 결합 레버 아래 끝으로 전합니다. 레버가 둘을 더해 밸브 막대를 움직입니다.

기관사는 역전기로 다이 블록을 링크 위아래로 옮깁니다. 블록이 링크 한쪽 끝에 있으면 밸브가 가장 멀리 움직이고 기관차는 앞으로 갑니다. 반대쪽 끝에서는 움직임이 뒤집혀 뒤로 갑니다. 가운데 가까운 중립에서는 링크의 움직임이 밸브에 거의 닿지 않고, 밸브는 크로스헤드에서 오는 랩과 리드만큼만 움직입니다. 과학박물관 그룹은 시연용으로 만든 왈샤트식 장치 단면 모형을 소장하고 있습니다.

모형의 밸브 위치는 역전기 위치만큼 줄어든 되돌이 크랭크의 몫과, 사점에서 랩과 리드를 주는 크로스헤드의 몫을 더한 값입니다. 다 앞으로 놓았을 때 행정의 75% 에서 증기가 차단되도록 맞췄습니다. 중립에서도 밸브는 사점 둘레에서 리드만큼 열리는데, 그것만으로도 행정의 9% 정도 증기가 들어갑니다. 하지만 열림이 아주 좁고 크랭크가 바퀴를 거의 돌리지 못하는 때라서 미는 힘이 생기지 않습니다. 실험 칸 과제로 해 보세요. 역전기를 가운데에 두고 가감 밸브를 절반 열어도 움직이지 않습니다.

차단율: 증기를 두 번 일하게 하기

역전기는 방향만 고르는 장치가 아닙니다. 밸브가 행정의 어디에서 닫힐지를 정해 차단율을 정하고, 달리기 시작한 뒤 기관사가 기관차를 다루는 가장 중요한 수단이 바로 이것입니다.

다 앞으로 놓으면 행정의 4분의 3 동안 증기가 들어갑니다. 무거운 열차를 출발시킬 때 필요한 가장 센 힘이 나오지만, 증기 대부분이 아직 높은 압력인 채로 실린더를 떠납니다. 역전기를 가운데 쪽으로 당겨 차단율을 줄이면 밸브가 일찍 닫힙니다. 예를 들어 행정의 4분의 1 동안만 증기가 들어오고, 나머지 동안은 증기가 팽창하며 압력이 떨어지는 채로 계속 밉니다. 미는 힘은 작아지지만 증기 1 kg 이 하는 일은 훨씬 늘어납니다.

인디케이터 선도가 이를 보여 줍니다. 모형은 바퀴가 도는 동안 실린더 한쪽의 압력을 부피에 따라 그리고, 고리 안 넓이가 행정 한 번의 일입니다. 다 앞으로 놓으면 고리가 통통하고, 차단율을 줄이면 홀쭉해지며 증기가 팽창하는 긴 비탈이 생깁니다. 서 있는 상태에서 압력을 꽉 채우면, 파시의 행정 평균 압력은 차단율 75% 에서 12.9 bar 로 보일러 압력의 85%, 25% 에서는 6.0 bar 로 40% 입니다.

모형에서도 아낀 만큼이 그대로 드러납니다. 시속 60 km 에서 같은 힘을 낼 때, 파시는 차단율 25% 에 가감 밸브를 다 열면 1초에 증기 2.1 kg 을 쓰고, 차단율 60% 에 가감 밸브를 줄여 맞추면 2.8 kg 을 씁니다. 같은 일에 증기, 그러니까 물과 석탄을 4분의 1 덜 쓰는 셈입니다. 실험 칸의 차단율 과제는 400 t 을 달고 차단율 25% 이하로 시속 80 km 를 유지하라고 합니다.

배기가 불을 끌어당깁니다

쓴 증기는 배기구를 지나 연실의 노즐인 송풍관으로 올라가 굴뚝 밖으로 나갑니다. 배기 한 번이 한 박자, 귀에 들리는 칙 소리입니다. 실린더가 둘이면 동륜 한 바퀴에 네 박자, 셋이면 여섯 박자입니다. 시속 126마일 기록 때 맬러드의 지름 2,032 mm 동륜은 1초에 아홉 번 가까이 돌았고, 모형으로 치면 1초에 53박자쯤이라 하나씩 들을 수 없습니다.

배기에는 두 번째 일이 있고, 로켓호 설계가 기억되는 까닭이 이것입니다. 굴뚝으로 솟는 증기 줄기가 연실의 가스를 함께 끌고 나가 연실의 압력을 낮춥니다. 그러면 불의 가스가 연관을 지나 끌려 나오고, 화격자 아래로 새 공기가 빨려 들어옵니다. 그래서 기관차가 힘들게 일할수록 자기 불을 더 세게 빨아들입니다. 증기를 많이 쓰면 배기가 세지고, 공기가 많이 들어가고, 열이 늘고, 증기가 더 많아집니다. 모형에서도 배기가 불을 끌어당길 때만 화부가 넣는 만큼 불이 탑니다. 서 있을 때는 송풍기가 약한 통풍만 주므로, 불이 끓여 낼 수 있는 물의 양이 줄어듭니다.

과학박물관 그룹은 6분의 1 크기의 연실·송풍관 모형을 소장하고 있고, 영국 국립철도박물관은 맬러드의 킬샵 배기 장치를 속도 기록 도전에 알맞은 기관차로 만든 혁신 가운데 하나로 꼽습니다.

끄는 힘의 세 가지 한계

기관차는 얼마나 세게 끌 수 있을까요? 한국민족문화대백과사전의 「열차」 항목이 분명한 답을 줍니다. 견인력을 세 가지로 나눕니다. 바퀴가 레일 위에서 헛돌지 않고 붙잡는 점착 견인력, 실린더에 비례하고 바퀴 지름에 반비례하는 실린더 견인력, 보일러가 증기를 만들어 낼 수 있는 능력인 보일러 견인력입니다. 실제 견인력은 이 가운데 가장 작은 것으로 정해집니다. 그 힘이 속도와 기울기, 곡선에서 생기는 저항보다 크면 빨라지고, 작으면 느려지고, 같으면 같은 속도를 유지합니다.

실험 칸은 무대 위 기관차의 세 힘을 속도에 따라 그립니다. 점착 선은 평평합니다. 동륜에 실린 무게에 마찰 계수를 곱한 값으로, 모형은 마른 레일에서 0.25, 모래를 뿌리면 0.33 을 씁니다. 실린더 선은 서 있을 때 가장 높고 빨라질수록 내려갑니다. 증기가 구멍을 지날 시간이 줄어들기 때문입니다. 보일러 선은 속도에 따라 가파르게 내려갑니다. 보일러가 대 줄 수 있는 출력은 정해져 있고, 출력은 힘에 속도를 곱한 값이기 때문입니다. 점선은 셋 가운데 가장 작은 값입니다. 이 점선이 파란 선(고른 열차와 기울기의 저항)과 만나는 곳이 그 기관차가 낼 수 있는 가장 빠른 속도입니다.

느릴 때는 대개 점착 한계가 결정합니다. 바퀴에 힘을 더 걸면 헛돌기만 합니다. 빠를 때는 보일러가 결정합니다. 그 사이에서는 실린더와, 기관사가 고른 차단율과 가감 밸브가 결정합니다.

견인력 어림 계산

기술자들은 기관차를 치수로 계산한 출발 견인력으로 견주었습니다. 실린더가 둘이면 보일러 압력의 0.85 배에 실린더 지름의 제곱과 행정을 곱하고 동륜 지름으로 나눕니다. 0.85 는 보일러에서 피스톤까지 가는 동안 잃는 압력을 감안한 값입니다. 실린더가 셋이면 1.5 배, 넷이면 2 배를 합니다.

맬러드의 실린더 셋(18.5 × 26인치), 250 psi, 동륜 80인치를 넣으면 35,455파운드힘(157.7 kN)이 나옵니다. 빅보이의 실린더 넷(23.75 × 32인치), 300 psi, 동륜 68인치를 넣으면 135,375파운드힘(602 kN)입니다. 모형이 인디케이터 선도에서 직접 계산한 출발 힘은 여섯 대 모두 이 어림 값과 2% 안쪽으로 맞습니다.

공개된 숫자와 견줄 수 있는 것이 하나 있습니다. 국가유산청은 제주에 있는 미카 304호를 동륜 지름 1,450 mm, 무게 90.65 t, 견인력 15,430 kg 으로 적어 두었습니다. 실린더 지름 530 mm, 행정 660 mm, 압력 13.73 bar 인 모형의 미카는 15,216 kg 으로 1.4% 적게 나옵니다. 이 실린더 크기와 압력은 모형 값입니다. 실험 칸에 미카의 견인력을 직접 계산하는 과제가 있습니다.

동륜에 실린 무게를 견인력으로 나누면 점착 계수가 나옵니다. 너무 낮으면 조금만 세게 몰아도 바퀴가 헛돌고, 너무 높으면 실린더를 더 키울 수 있었던 무게를 싣고 다니는 셈입니다. 모형에서는 뒤의 다섯 대가 3.9~4.5, 로켓호가 6.9 입니다. 로켓호는 실린더 크기에 비해 하나뿐인 동축에 무게가 많이 실려 있습니다.

헛바퀴와 모래

무거운 열차를 달고 가감 밸브를 활짝 열면 실린더가 바퀴가 붙잡을 수 있는 것보다 세게 밀 수 있습니다. 바퀴가 헛돌고 기관차는 끌기를 멈추며 막대들이 마구 돕니다. 모형에서도 바퀴가 헛돌고, 레일에서 불꽃이 튀고, 표시판의 힘 막대가 빨갛게 바뀝니다.

실험 칸의 첫 기관차 과제가 이것을 보여 줍니다. 미카가 100분의 1 오르막에서 화차 1,000 t 을 달고 있습니다. 그 열차를 기울기에서 붙들고 있는 데만 112.5 kN 이 들고, 굴러가게 하려면 화차 저항으로 15 kN 정도가 더 듭니다. 동륜에 실린 60 t 이 마른 레일을 붙잡는 힘은 147 kN 입니다. 가감 밸브를 다 열면 실린더가 149 kN 으로 붙잡는 힘보다 조금 세게 밀어서 바퀴가 헛돕니다. 가감 밸브를 아주 조금만 열면 미는 힘이 모자라 움직이지 않습니다.

빠져나갈 길은 둘입니다. 가감 밸브를 살살 열어 미는 힘을 필요한 힘과 레일이 받아 줄 힘 사이에 맞추거나, 모래를 누르는 것입니다. 동륜 앞에 모래를 떨어뜨리면 모형에서 붙잡는 힘이 194 kN 으로 올라 기관차가 출발합니다. 모형의 모래통은 보일러 위에 있고, 관이 동륜 앞 레일까지 내려갑니다.

기울기와 열차 무게

열차의 저항은 베어링, 레일 위의 바퀴, 공기에서 생기고, 기울기에서는 중력이 더해집니다. 모형은 W. J. 데이비스가 1926년 『제너럴 일렉트릭 리뷰』에 발표한 식을 씁니다. 차축에 실린 무게에 따른 몫, 속도에 따라 커지는 몫, 속도의 제곱에 따라 커지는 공기 몫으로 나뉘고, 맨 앞 차량의 공기 계수가 뒤 차량보다 큽니다. 지금도 철도에서 이 식을 고쳐 씁니다.

중력은 금세 나머지를 넘어섭니다. 객차 400 t 을 단 파시는 평지 시속 100 km 에서 28 kN 의 저항을 받는데, 100분의 1 오르막은 54.8 kN 을, 그 두 배를 더합니다. 실험 칸의 「만약에」 표는 압력을 꽉 채우고 차단율 45% 로 달릴 때 무대 위 기관차가 유지할 수 있는 가장 빠른 속도를 열차 무게 네 가지와 기울기 다섯 가지로 적고, 아예 버틸 수 없으면 그렇다고 알려 줍니다.

맬러드의 기록이 가장 좋은 예입니다. 기록 때와 같은 240 t 을 단 열차는 모형에서 시속 200 km 일 때 저항이 43.9 kN 인데, 200분의 1 내리막에서는 중력이 그중 19.9 kN 을 돌려줍니다. 모형에서 그 내리막을 시속 120 km 로 내려가기 시작해 가감 밸브를 열고 차단율 40% 로 두면 맬러드는 시속 200 km 를 넘깁니다. 영국 국립철도박물관이 전하는 스토크 뱅크의 실제 기록과 같은 모습입니다. 같은 열차로 평지에서는 모형이 시속 176 km 정도까지 냅니다.

바퀴 세기: 화이트 표기법

기관차는 바퀴로 이름을 붙입니다. 미국 국립공원관리청이 스팀타운 소장품 연구에서 설명한 화이트 표기법은 양쪽 바퀴를 모두 세어 앞에서부터 묶음별로 적습니다. 앞 대차의 바퀴, 동륜, 뒤쪽 바퀴 순서입니다. 로켓호는 0-2-2 로, 앞 바퀴가 없고 동륜 한 쌍, 뒤 바퀴 한 쌍입니다. 맬러드는 4-6-2 입니다. 동륜 묶음이 둘인 빅보이는 4-8-8-4 입니다.

미국에서는 배치마다 이름이 있었습니다. 4-4-0 은 아메리칸, 4-6-2 는 퍼시픽, 2-8-2 는 미카도였습니다. 한국은 같은 형식을 일본식 줄임말로 불렀습니다. 의왕 철도박물관은 파시가 퍼시픽에서, 미카가 미카도에서 왔다고 설명합니다. 또 파시는 1922년 무렵 들어와 서울부산 급행 여객열차를 끌었고, 미카는 1919년 무렵 부산신의주 화물용으로 들어왔다고 적었습니다.

앞 바퀴는 기관차를 커브로 이끌고, 뒤 바퀴는 동륜 사이에 들어가지 못할 만큼 큰 화실의 무게를 받칩니다. 동륜이 많으면 레일을 붙잡을 무게가 많이 실려 화물에 맞고, 동륜이 크면 같은 속도에서 덜 돌아 여객열차에 맞습니다. 실험 칸에는 옆에서 그린 바퀴 배치 열여섯 가지로 푸는 퀴즈가 있습니다. 세 번 연속 맞혀 보세요.

존 불과 미국의 4-4-0

스미소니언 국립 미국사 박물관은 존 불을 소장하고 있습니다. 1831년 영국의 로버트 스티븐슨 회사가 캠던 앤드 앰보이 철도를 위해 표준형 0-4-0 플래닛형으로 만든 기관차입니다. 박물관은 이 기관차를 미국 뉴저지에서 조립한 사람이 기관차를 한 번도 본 적 없는 젊은 증기선 기계공 아이작 드립스였다고 적었습니다. 고르지 않은 미국 선로에서 존 불이 자꾸 탈선하자, 드립스는 앞쪽에 틀을 달고 안내 바퀴 한 쌍을 붙였습니다. 박물관은 이 앞 대차가 조차장용 기관차를 빼고 미국 증기기관차 거의 모두에 쓰였다고 설명합니다. 존 불은 35년 동안 달렸고, 1981년 다시 달려 지금 남은 기관차 가운데 움직일 수 있는 가장 오래된 기관차가 됐습니다.

동륜을 한 쌍 더하고 앞에 네 바퀴 대차를 달면 4-4-0 이 됩니다. 국립공원관리청은 4-4-0 이 19세기 중반 미국의 대표 기관차가 되어 아메리칸형이라고 불렸다고 적었습니다. 스미소니언의 주피터는 1876년 볼드윈이 산타크루즈 철도를 위해 만든 협궤 4-4-0 으로, 균형 현가 장치를 씁니다. 울퉁불퉁한 선로에서 바퀴가 따로 오르내려도 동륜마다 실리는 무게가 거의 같게 유지됩니다. 모형의 4-4-0 은 1870년대의 일반적인 모습을 따라 나무 운전실, 놋쇠 돔, 불티를 막는 마름모 굴뚝, 앞쪽 배장기를 갖췄고, 치수는 모형 값입니다.

맬러드와 속도 기록

맬러드는 나이절 그레슬리가 런던 앤드 노스이스턴 철도를 위해 설계한 유선형 퍼시픽 A4 35대 가운데 하나입니다. 과학박물관 그룹의 기록에 따르면 A4 는 1935년에 나왔고 처음 네 대는 은회색이었으며, 1938년에는 가터 블루가 표준 색이었습니다. 국립철도박물관은 A4 의 모양을 공기를 잘 가르도록 풍동에서 다듬어 시속 120마일 이상을 낼 수 있게 했다고 설명합니다.

1938년 7월 3일, 제동 시험을 이어 하던 중에 맬러드는 그랜섬과 피터버러 사이 스토크 뱅크에서 시속 126마일을 냈습니다. 박물관 블로그는 이 주행이 제동 시험이라는 명목으로 이뤄졌다고 적었고, 박물관의 기록 이야기에는 기관차 뒤의 동력계 차가 내리막에서 5마일 동안 시속 120마일을 기록했다고 나옵니다. 동력계 차는 열차 속도를 종이 두루마리에 기록하는 달리는 실험실이었습니다. 프랑스에서 설계한 플라망 속도 기록계가 지금도 맬러드 운전실에 달려 있습니다.

시속 126마일은 약 203 km 로, 지금도 증기 기록입니다. 증기기관차가 시속 100마일을 넘겼다는 말이 처음 나온 때는 아닙니다. 과학박물관 그룹이 소장한 편지에는 1904년 5월 9일 한 계측자가 시티 오브 트루로가 끈 열차에서 잰 시속 102.3마일을 발표하는 일이 적혀 있습니다. 그런데 국립철도박물관은 1934년의 플라잉 스코츠맨을 공식으로 처음 시속 100마일에 이른 증기기관차라고 적습니다. 실험 칸의 기록 그래프는 1904년 숫자를 비공식으로 표시합니다.

맬러드는 1963년 운행을 마치고 클래펌의 영국 교통 박물관에 전시됐으며, 1975년 요크의 국립철도박물관이 문을 연 뒤로 큰 홀에 있습니다.

빅보이

산을 넘는 무거운 화물을 끌기 위해 유니언 퍼시픽은 아메리칸 로코모티브 컴퍼니에 빅보이 25대를 주문해 1941년에 20대, 1944년에 5대를 받았습니다. 4012호를 스팀타운 국립 사적지에 보존하고 있는 미국 국립공원관리청은 빅보이가 힘을 위해 만들어졌다고 설명합니다. 유타와 와이오밍 산악에서 화차 120량, 3,800톤짜리 열차를 시속 40마일로 끌었습니다. 한 대에 지름 68인치 동륜 16개, 넓이 150제곱피트의 화격자, 1마일이 넘는 연관과 대연관이 있었고, 탄수차까지 길이 132피트 9인치, 운전 상태 무게 1,189,500파운드였습니다.

이렇게 긴 기관차는 한 덩어리 대틀로 급한 커브를 돌 수 없어서, 앞쪽 동륜 묶음이 따로 된 대틀에 얹혀 나머지와 경첩으로 이어지고, 묶음마다 실린더 한 쌍이 따로 있습니다. 국립공원관리청은 이 경첩을 스위스 설계자 아나톨 말레의 생각이라고 적었고, 사람들이 대개 뜻밖이라고 여기는 사실도 덧붙였습니다. 빅보이는 가장 무거운 기관차였지만 가장 힘센 기관차는 아니었다는 것입니다.

모형의 빅보이는 3,800 쇼트톤을 미터법으로 바꾼 3,447 t 을 달고 평지에서 시속 100 km 정도까지 내고, 최대 출력은 약 6,300마력으로 국립공원관리청의 6,200마력과 가깝게 나옵니다. 25대 가운데 8대가 남아 있습니다. 4014호는 2019년 다시 달릴 수 있게 복원됐고, 스미소니언 잡지에 따르면 2026년 7월 미국 건국 250주년을 맞아 동서로 미국을 가로질렀습니다.

한국의 증기기관차

한국의 철도는 증기로 시작했습니다. 한국민족문화대백과사전은 1899년 9월 18일 노량진과 인천 사이 경인철도에 처음 기차가 달렸고, 기관차는 미국 브룩스사 제품이었다고 적었습니다. 철도산업정보센터는 이 기관차를 모갈형 탱크 기관차로 설명합니다. 그 뒤 1905년 미국에서 푸러형 탱크 기관차와 터우형 텐더 기관차가, 1911년 아메리칸형 텐더 기관차가, 1914년 과열 증기 기관차가, 1919년 미카형이, 1921년과 1923년 파시형이 들어왔습니다. 1927년에는 서울 공작창이 터우형 2량을 만들었는데, 한국에서 처음 만든 기관차입니다.

같은 자료에 따르면 1945년 12월 27일 우리 기술로 만든 첫 기관차가 영등포와 수원 사이에서 시운전했습니다. 2,000마력에, 객차 20량을 달고 시속 100 km 를 낼 수 있었습니다. 한국전쟁 중에 디젤 전기 기관차가 들어왔고, 1967년 8월 31일 뒤로 본선의 증기기관차 운행이 멈췄습니다.

여러 대가 국가등록문화유산으로 남아 있고, 2008년 10월 17일 함께 등록됐습니다. 1942년 일본에서 만들어 경성 공장에서 조립한 파시 23호는 국내에 하나 남은 파시형입니다. 국가유산청은 동륜 지름을 1,850 mm, 높이를 4,750 mm 로 적었습니다. 광복 뒤 중유를 태우도록 개조되어 1960년대까지 간선 여객열차를 끌었고, 2024년 의왕 철도박물관에서 보존 처리를 마쳤습니다. 1944년 미카 304호는 제주 삼무공원에 있습니다. 대전 국립현충원의 미카 129호는 2025년 6월 12일 등록이 해제됐습니다.

1988년 문을 연 철도박물관에는 터우 700호도 있습니다. 1914년에 만들어 1919~1935년 달린 뒤 철도학교에서 단면을 잘라, 80년 넘게 학생들에게 기관차 속을 보여 주는 데 썼습니다. 이 전시의 잘라 연 보일러와 실린더가 하는 일과 같습니다.

방향 바꾸기와 급수

노선 끝에서 굴뚝을 뒤로 하고 돌아가야 하는 기관차는 방향을 바꿉니다. 모형의 전차대에서는 기관차와 탄수차가 둥근 구덩이 위의 다리 위에 서고, 다리는 가운데 축을 중심으로 돌며 양끝 바퀴가 둥근 레일을 따라 구릅니다. 화살표나 전차대 막대로 반대쪽을 보게 돌려 보세요. 과제는 1° 안쪽으로 180° 돌리기입니다. 전차대는 그곳에 오는 가장 긴 기관차와 탄수차보다 길어야 하고, 모형의 구덩이는 빅보이가 들어가도록 지름 44 m 로 만들었습니다.

물은 석탄보다 훨씬 먼저 떨어집니다. 모형에서는 석탄 1 kg 이 물 6~7 kg 을 끓이므로, 탄수차는 무게로 석탄보다 몇 배 많은 물을 싣습니다. 모형의 파시 탄수차는 물 25,000리터를 싣고, 보일러가 최대로 일할 때 두 시간쯤 버팁니다. 승강장의 급수탑에서 팔이 탄수차 급수구 위로 돌아오고, 가죽 호스가 물탱크를 채웁니다. 속 보기를 켜면 탄수차 안의 물이 차오르는 것이 보입니다.

모형이 실제와 다른 점

여섯 대는 각 형식의 일반적인 비례로 만들었고, 제작사 도면을 쓰지 않았으며, 번호와 제작사 판이나 표시도 없습니다. 출처가 치수를 알려 주면 그 값을 썼습니다. 맬러드의 동륜 2,032 mm 와 104.6 t, 파시의 동륜 1,850 mm, 미카의 동륜 1,450 mm 와 90.65 t, 빅보이의 동륜 68인치와 전체 무게가 그렇습니다. 실린더 크기, 압력, 보일러 출력 같은 나머지는 모형 값입니다.

보일러는 하나의 뜨거운 물 저장소로, 만든 증기와 쓴 증기의 차이에 따라 압력이 오르내립니다. 불은 투탄량을 따라가고 통풍으로 제한되는 숫자 하나입니다. 실제 보일러는 더 느리게 반응하고, 실제 투탄은 여러 해 익히는 기술입니다. 실린더 속 증기는 단순한 곡선을 따라 팽창합니다. 실제 실린더는 벽으로 열을 잃고, 구멍이 증기를 조이는데, 모형은 이를 피스톤 속도에 따라 커지는 계수 하나로만 비슷하게 흉내 냅니다. 열차 저항은 데이비스 식을 따르고 곡선은 빼 두었습니다. 선로는 직선이고, 고른 기울기는 화면을 기울이지 않은 채 계산에만 넣습니다.

시간은 밸브 장치를 보도록 10분의 1 로 늦추거나, 오르막 하나를 다 달리도록 30배로 빠르게 할 수 있습니다. 승무원과 승강장의 사람은 얼굴 없는 매끈한 마네킹입니다.