The Clock That Winds Itself with the Weather’s Smallest Swings
Artifact
뉴질랜드 더니든의 오타고대학교 물리학과 로비에는 1864년 시계공이자 수학자였던 아서 비벌리가 만든 시계가 서 있다. 오타고대학교 물리학과는 이 시계가 제작된 뒤 사람이 수동으로 감지 않은 채 대기 변화로 동력을 얻어 왔다고 설명한다. 이것은 멈추지 않는 영구기관이 아니다. 청소와 수리, 건물 이전, 환경 변화가 부족한 때에는 실제로 멈췄다.
시계 안에는 약 1입방피트의 공기를 가둔 밀폐 상자가 있다. 하루 동안 온도가 오르면 공기가 팽창하고, 내려가면 수축한다. 기압 변화도 같은 막을 움직이지만 일상 운전에는 온도 변화의 영향이 더 크다. 막의 느린 왕복은 사슬과 래칫을 거쳐 구동추를 조금씩 들어 올리고, 추는 다시 내려오며 시계 장치를 움직인다.
L. E. S. Amon, A. Beverly, J. N. Dodd가 1984년 European Journal of Physics에 발표한 장치 분석은 하루 약 6°F의 온도 변화가 1파운드 추를 약 1인치 들어 올릴 정도의 일을 공급한다고 설명한다. 한 번의 변화는 아주 작지만, 시계는 진동수가 낮은 비틀림 진자와 작은 마찰로 소비를 줄여 그 미세한 일을 시간으로 바꾼다.
Observation
Hero는 오타고대학교에 전시된 비벌리 시계 전체를 보여 준다. 문자판 아래로 긴 프레임과 구동부가 이어져, 에너지가 순간적으로 폭발하는 대신 아주 긴 경로에서 천천히 축적되고 소비된다는 인상을 준다. 다만 사진 정면만으로는 밀폐 공기 상자, 막, 래칫의 연결과 실제 공기 팽창을 직접 볼 수 없다.
이 보이지 않는 부분이 시계의 핵심이다. 주변 온도가 바뀌어도 시계의 바늘이 즉시 그만큼 움직이지 않는다. 공기의 부피 변화는 먼저 막을 밀고, 일방향 기구가 왕복 운동 중 유효한 부분을 골라 추의 위치에 저장한다. 날씨의 오르내림은 그대로 시간이 되지 않는다. 되돌아오는 움직임에서 한 방향의 일을 추출하는 기계적 정류를 거쳐야 한다.
Multiple Lenses
1. 변동이 연료가 된다
시계는 높은 온도나 낮은 온도 자체를 먹지 않는다. 어제와 오늘, 낮과 밤 사이의 차이를 먹는다. 같은 평균 온도라도 오르내림이 사라지면 수확할 에너지도 사라진다.
2. 센서와 발전기가 한 막에 겹친다
밀폐 공기와 막은 온도·기압 변화를 감지하는 동시에 실제 힘을 만든다. 측정값을 전기 신호로 보낸 뒤 별도 모터를 켜는 것이 아니라, 감지한 물질 변화가 곧 구동 운동이다.
3. 왕복을 한 방향의 저장으로 바꾼다
공기는 팽창했다가 원래 부피로 돌아온다. 하지만 래칫과 사슬은 되돌아오는 주기에서 추를 조금씩 같은 방향으로 들어 올린다. 순변화가 0인 환경 주기에서도 장치는 소비 가능한 위치에너지를 축적한다.
4. 안정은 좋은 조건이 아닐 수 있다
정밀 시계에는 일정한 온도가 이상적으로 보인다. 비벌리 시계에는 지나치게 안정된 방이 연료 부족이다. 시간을 정확히 지키려는 장치가 주변의 불안정을 필요로 한다.
Related Works
Atmos 시계
1928년 시작된 Jaeger-LeCoultre의 Atmos는 밀폐 캡슐 속 기체 혼합물이 온도에 따라 팽창·수축하며 태엽을 감는다. 비벌리 시계보다 상업적으로 정제된 계승자이며, 1°C 변화로 약 48시간의 동력을 확보한다. 비벌리 시계가 큰 공기 상자와 기압 변화까지 이용한다면 Atmos는 민감한 캡슐과 극도로 느린 밸런스로 장치를 소형화했다.
자동 태엽 손목시계
자동 손목시계는 착용자의 팔 운동으로 로터를 흔들어 태엽을 감는다. 두 시계 모두 외부의 왕복 운동을 한 방향의 저장으로 정류하지만, 자동시계는 사람의 행동을 필요로 하고 비벌리 시계는 사람이 가만히 있어도 방의 열역학적 변동을 받는다.
Twist
‘한 번도 감지 않은 시계’라는 표현은 영구기관처럼 들린다. 하지만 비벌리 시계는 에너지 없이 시간을 만든 적이 없다. 누군가 태엽 손잡이를 돌리지 않았을 뿐, 건물과 날씨가 공기를 끝없이 데우고 식히며 대신 감아 왔다.
더 흥미로운 사실은 시계가 안정된 세계보다 변하는 세계에서 더 오래 산다는 점이다. 온도와 기압이 완전히 고정되면 정밀한 환경은 마련되지만 동력은 사라진다. 이 시계에서 변동은 제거해야 할 잡음이 아니라, 시간을 계속 움직이게 하는 원재료다.
Core Question
밀폐 공기가 온도와 기압의 작은 오르내림으로 추를 조금씩 들어 올릴 때, 이 시계의 동력은 대기에 이미 저장돼 있었을까 변동을 붙잡는 장치가 차이를 에너지로 만든 걸까?
Related Questions
- Q-0048 — 상태가 저장되어 있기보다 반복되는 유지 행위 속에서 계속 존재하는 경우를 묻는다.
- Q-0112 — 환경 변화를 감지하는 재료와 실제 동작을 만드는 재료가 같은 몸일 수 있는지 묻는다.
Sources
- University of Otago Department of Physics, “Beverly Clock on Seven Sharp”, 27 March 2023.
- L. E. S. Amon, A. Beverly, J. N. Dodd, “The Beverly clock”, European Journal of Physics 5(4), 195–197 (1984).
- Jaeger-LeCoultre, The History of Atmos Luxury Clocks.
- Wikimedia Commons, “Beverly clock.jpg”, Mysterious snapper, 2007, CC BY-SA 3.0/GFDL.