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재실험
재실험(再實驗)은 다시 혹은 반복으로 실시하는 실험을 말한다.
목차
개요
실험은 실제로 해보는 일 혹은 이론이나 현상을 관찰하고 측정함을 의미하며 아직 실증되지 않은 이론이나 기술을 전제로 그걸 입증하기 위해 실제로 해보거나 새로운 이론 또는 기술을 찾기 위하여 관측, 제작, 작동 등을 진행한다. 따라서 실험은 어떤 이론을 입증하기까지, 혹은 어떤 기술을 찾기까지 수없이 많은 반복되는 실험을 진행하는 것으로 그 자체가 재실험이다. 물론 개인적으로 한 번 정도 해보는 실험은 예외다.
물리, 화학, 전기, 전자 등 산업 전 분야의 실험은 단 1회의 실험으로 끝나는 경우가 거의 없으며 과학적으로 수없이 많은 재실험을 한다.
과학적 방법
재실험은 문제 해결을 위한 일종의 방법과 수단에 속하며 과학적 방법이다.
과학적 방법(科學的方法, scientific method)은 현상을 연구하고 새로운 지식을 구축하거나 이전의 지식들을 모아 통합할 때 사용되는 기법으로 경험과 측정에 근거한 증거를 사용하여 현상의 원리를 밝히는 과정이다.
과학적 방법은 하나로 정형화되어 있지는 않기 때문에 여러 과학 분야에서 다양한 과정이 사용된다. 그러나 현상을 설명하는 가설을 수립하고, 이 가설에 의한 예측이 들어맞는지를 검증하기 위해 실험을 설계한다는 점은 공통적이다. 과학적 방법에 의해 설계된 실험은 어떠한 실험자가 하여도 실수나 혼동이 없이 재현될 수 있도록 각 단계를 구체적으로 제시하여야 한다. 실험을 통해 수립된 가설은 다시 독립적인 다수의 실험을 통해 동일한 조건에서 그 결과가 같음을 검증받아야 한다. 과학계의 동료 평가를 통해 검증된 가설은 해당 분야의 이론으로 받아들이게 된다. 새롭게 검증된 가설은 이론을 이루고, 이론에 따라 또다시 새로운 가설이 만들어질 수 있다.
오늘날의 과학적 방법은 17세기에 널리 통용되던 과학적 방법과 크게 다르지 않다. 일반적으로 과학적 방법은 다음과 같은 과정을 거치게 된다.
- 문제 정의
- 정보, 자료 수집(관찰)
- 관찰한 사실을 설명할 수 있는 가설 설정
- 실험을 통한 데이터 수집 및 가설 확인
- 데이터 분석
- 분석된 데이터를 기준으로 가설의 평가 및 새로운 가설 설정
- 결과 발표
- 재실험(타 연구자들의 기 발표된 가설 검증 포함)
- 반복된 실험으로 검증된 가설을 이론으로 인정
위 순서에서 3번부터 6번까지 만족할 만한 결과가 나올 때까지 반복되며 여기에 빼놓을 수 없는 것이 재 실험이다.[1]
자동차의 재실험
자동차는 많은 부품과 장치로 구성되어 그 성능과 기능은 서로 복잡하게 연계되어 있어 반드시 시험(test)으로 그 필요한 정보를 얻지 않으면 안 되는 시험의 산물이다.
메이커로서는 전 세계 어떤 고객이 어디에서 어떻게 자동차를 사용하는지 제대로 알 수가 없고 또 고객은 폐차될 때까지 차량의 모든 것을 주시하고 있기 때문에 완벽한 시험을 통한 모든 사용조건과 환경의 시뮬레이션을 해보거나 검증을 하지 않으면 안전도와 품질에 대한 신뢰성을 확보할 수 없다.
이러한 시험은 사실상 시험방법이나 평가 기준이 제정되기 전에 모두 수없이 많은 실험을 실사하여 나온 것으로 재실험의 결과라고 할 수 있다. 따라서 자동차의 재실험은 특별한 항목이 없으며 새로운 기술적인 이론을 찾고자 하거나 더욱 타당한 시험방법 및 평가 기준 등을 검증하기 위하여 진행한다.
현 단계에 있어서는 풍동 실험과 같은 첨단 기술 관련한 재실험을 대표적으로 볼 수 있다.
풍동 실험
풍동시험에 흔히 보게 되는 장면이 있다. 바로 흰 연기를 자동차나 비행기 날개로 뿜어서 흐름을 관찰하는 것인데, 이 시험의 목적은 아직 실물로 나오지 않은 차체의 형태가 공기와 만났을 때 어떤 흐름을 만들어 내는가를 관찰하는 목적으로 실행되는데, 단순히 흐름을 관찰하는 것에 그친다. 게다가 이 시험을 위해 연기를 뿜어내는 파이프 자체가 공기의 흐름에 영향을 주기 때문에 정확한 데이터를 얻기 어렵다는 것이 전문가들의 의견이다. 따라서 계속 재실험을 하는 것이 일상이다.
실험 방식
풍동에서 실험할 수 있는 것은 실로 다양하다. 일단 가장 기본적인 물체 표면을 지나가는 공기의 흐름과 와류가 일어나는 부위를 시각적으로 관찰하는 것이 있다. 여기에 추가적으로 특정 부위에서 발생하는 기압의 변화, 그리고 마찰에 의한 열 발생량을 관찰하는 것도 실험의 목적 중 하나이다.
이를 종합적으로 관찰하기 위해서 최근에 사용하는 방법은 입자 영상 유속계를 이용해 입자의 흐름을 가시화하는 방법이다. 이렇게 설명하면 상당히 복잡해 보이는데, 실제로도 그리 간단한 실험은 아니다. 여러 가지 방법들이 있지만, 주로 풍동 실험실 내에 미세한 입자를 분사한 다음 레이저를 이용해 각 입자들이 어느 방향으로 흘러가며 어느 부분에서 어떻게 변화하는지 관찰하는 방법이 이용되고 있다.
이를 PIV(Particle Image Velocimetry)라고 하는데, 비단 자동차 분야뿐만 아니라 비행기나 선박의 제작에도 이 연구 방법이 동원된다. 심지어 이 실험 방법은 의료계에서도 사용되는데, 미세한 혈관에 혈액의 유동을 관찰하여 혈관의 절개 및 문합 방법을 고찰하는데 쓰이고 있다고 합니다. 실제로 풍동실험은 기체 또는 액체의 흐름, 그러니까 유체 역학이 필요한 분야에 거의 모든 데이터를 실험할 수 있다는 뜻이다. 물론 액체의 경우는 조금 다른 조건들이 필요하지만, 비슷한 연구 방법들이 사용되고 있다.
이 외에도 점성이 있는 형광물질이 함유된 페인트를 차체나 기체에 바른 다음 이 페인트가 어떤 방향으로 흘러가는지 관찰하는 방법도 있으며, 압력센서를 부착해 특정 부분에 기압 변화를 관찰하는 방법도 동원된다. 그러니까 풍동에서는 차체에서 일어날 수 있는 공기의 흐름과 압력의 변화에 대한 거의 모든 것을 실험한다고 봐도 좋을 것이다.
전산 유체 역학 프로그램
그런데 풍동에서 실험을 하고자 하면 일단 존재하는 유형의 형태가 필요하다. 그러니까 덩어리로 구성된 물체가 반드시 있어야 한다는 뜻인데, 복잡한 형상의 물체일수록 제작비가 상당히 비싸다.
자동차의 차체라면 제작 또는 실험할 차체와 동일한 모양의 모형이 필요하다는 뜻이며, 이런 모형을 원하는 값의 공기 역학적 특성에 맞게 몇 차례나 수정해야 하는데, 모형 내부에도 각종 센서들이 포함되어야 해서, 한 개의 차체를 만들기 위해 수없이 많은 모형을 제작해야만 한다.
개당 제작비용이 엄청나서 많이 실험하면 할수록 비용이 증가하며, 특히 한 개의 풍동은 막대한 양의 전기 에너지를 소모하기 때문에 자주 실험할수록 유지 비용도 증가한다.
만약 실험을 위해 제작한 모델이 실패한 형태라면 그 비용은 고스란히 버려지는 셈이다. 그래서 최근에 이러한 비용을 줄이기 위해 사용하는 것이 바로 전산 유체 역학 프로그램인 CFD이다.
CFD는 컴퓨터로 가상의 모델을 그린 후, 그 모델의 주변으로 공기 혹은 액체가 어떻게 흘러가며, 어떠한 변화를 일으키는지 그래픽으로 볼 수 있는 방법이다. 자동차뿐만 아니라 터보차저 내부의 공기 흐름이던지, 배의 스크루에서 일어나는 공기의 흐름 등을 실제 모형을 제작하지 않고도 파악할 수 있어 많이 이용되고 있다.
특히 PIV 실험 방법을 위해서는 막대한 비용의 시설이 필요한데, CFD는 이런 비용의 일부를 줄여줄 수 있어서 다양한 분야에 쓰이고 있다. 간단하게는 바람의 흐름을 관찰하는 것부터, 온도 변화에 따른 유체의 흐름과 압력의 변화, 그리고 밀도 차이에 의한 압력과 유속의 변화 등을 가상의 이미지로 실험할 수 있다.
재실험의 이유
사실 바람의 흐름을 인간이 정확하게 파악하기란 거의 불가능에 가깝다. 이는 마치 지금 당장 바람이 어디에서 어디로 불 것이며, 온도가 언제 어느 시점에 어떻게 변하게 될지 정확히 파악하라는 것과 같은 것이다. 인간은 아직 이것에 대해 정확히 알지 못한다. 하지만 공기는 분명히 인간이 알지 못하는 어떠한 변화로 인해 흐름이 바뀌고 압력이 바뀌며 온도가 달라진다.
그래서 풍동 실험을 거쳤다고 해도 여전히 완벽하다고 말할 순 없다. 물론 현재는 기술의 발달로 인해 상당 수준까지 비슷하게 맞출 수 있다고 하지만, 그럼에도 완벽하진 못하다는 것이 일반적인 의견이다. 그러나 언젠가는 더 나은 실험 방법들로 인해 보다 완벽한 물체 혹은 공기 흐름 제어 시스템들이 나올 것이다. 보다 더 나은 효율성을 위해서 말이다.[2]
각주
- ↑ 〈과학적 방법〉, 《위키백과》
- ↑ 한국교통안전공단, 〈풍동 실험, 더 나은 공기 역학적 특성을 연구하다〉, 《네이버 블로그》, 2016-06-27
참고자료
- 〈과학적 방법〉, 《위키백과》
- 한국교통안전공단, 〈풍동 실험, 더 나은 공기 역학적 특성을 연구하다〉, 《네이버 블로그》, 2016-06-27
같이 보기
