Khoa học kỹ thuật áp dụng vào thể thao Olympic

KHOA HỌC KỸ THUẬT ÁP DỤNG VÀO THỂ THAO OLYMPIC

Trần-Đăng Hồng, PhD

Thế Vận Hội Olympic London 2012 vừa chấm dứt (12/8/2012). Lần đầu tiên kể từ Olympic 1920, Anh quốc đạt vị trí cao nhất ở hạng 3, sau Hoa Kỳ và Trung Quốc, và kể từ 1908 Toán Anh quốc (Team GB) đạt nhiều huy chương Vàng nhất (29 Vàng).

Tuy nhiên, nếu tính theo đầu người của dân số, thì Anh quốc (29 Vàng, 62 triệu dân) dẫn đầu thế giới, kế tiếp là Hoa Kỳ (46 Vàng, 314 triệu dân), mới tới Trung quốc (38 Vàng, 1347 triệu dân). Bởi vì, để đạt 1 huy chương Vàng thì Anh quốc chỉ cần 2,1 triệu công dân góp sức, trong lúc Hoa Kỳ cần 6,8 triệu người, còn Trung quốc phải huy động 35,4 triệu dân Tàu. Nếu dựa trên tiêu chuẩn này, thì Trung quốc thua xa Nam Hàn (3,8 triệu/Vàng), và các nước Tây Âu như Hòa Lan (2,8 triệu/Vàng), Pháp (5,9 triệu/Vàng), Đức (7,4 triệu/Vàng), Ý (7,6 triệu/Vàng), v.v. và Trung quốc cũng còn thua xa rất nhiều nước ở các châu lục khác.

TẠI SAO CÁC THỂ THÁO GIA ĐẠT NHIỀU KỶ LỤC Ở OLYMPIC 2012?

Hơn bao giờ hết, nhiều lực sỉ (vận động viên thể thao) trong Olympic London 2012 đã đạt nhiều kỷ lục mới, 44 kỷ lục thế giới và 17 kỷ lục Thế vận hội, nhất là trong các bộ môn đua xe đạp đường trường, đua xe đạp trong nhà kín velodrome, chạy trong vận động trường, bơi lội trong hồ bơi, chèo thuyền, v.v.

Chẳng hạn, mọi người ngạc nhiên tại sao 7 trong số 8 lực sỉ chạy đều phá kỷ lục dưới 10 giây đồng hồ, và Usain Bolt của Jamaica chạy dẫn đầu với 9,62 giây. Trong hồ bơi Michael Phelps cũng đạt kỷ lục mới rất huy hoàng. Tương tự như vậy, các lực sỉ đua xe trong nhà velodrome, hay biểu diễn các môn thể thao dụng cụ đều đạt kỷ lục mới. Ngoài thể lực và tài năng của lực sỉ, việc đạt được nhiều kỷ lục mới còn nhờ áp dụng khoa học & kỹ thuật trong các thiết kế tranh đua ở Thế Vận Hội London 2012.

HỒ BƠI (Swimming pools).

Trong Olympic London 2012, các lực sỉ bơi lội đã phá 9 kỷ lục. Ngoài tài năng của lực sỉ, một phần là nhờ thiết kế hồ bơi không có sóng hay nước dao động nhiều. Theo Ian Crockford, giám đốc kế hoạch thiết kế các công trình thể thao Olympic 2012, hồ bơi được thiết kế với mục tiêu giúp lực sỉ phát huy tài bơi nhanh nhất. Yếu tố thiết kế chính là ở độ sâu 3 m, hệ thống ống tại mỗi đầu hồ bơi được thiết lập để loại sóng, giữ nước tỉnh lặng, và hai hệ thống làm nước lưu động, một ở đáy hồ và một ở gần mặt nước.

Vào lúc thi đua, khóa hệ thống nước lưu động ở trên mặt để nước đứng yên. Mỗi lần thi đua chỉ có 8 người lội, nhưng hồ bơi có 10 làn bơi (lanes), như vậy không có ai lội gần vách. Và vách được thiết kế đặc biệt để không có sóng dội ngược trở ra, như vậy người lội, nhất là người lội dẫn đầu, không bị ảnh hưởng bởi sóng, mà là nước phẳng lặng trước mặt. Giữa các làn bơi là hệ thống giây phân cách cũng có nhiệm vụ ngăn chận sóng lan truyền từ làn bơi kế bên.

Hình 1. Nước tỉnh lặng không một gợn sóng trong hồ bơi

Ngoài ra, bộ áo bơi lội (swimsuits) cũng được cải thiện. Năm 2008 các lực sỉ bơi lội như Michael Phelps mặc bộ áo bơi lội LZR do hảng Speedo của Mỹ thiết kế. Đây là bộ áo quần một mảnh bao phủ hết cả thân thể không có đường may (seamless), được thiết kế mục đích cho oxygen thấm vào cơ thể, và thêm sức đẩy, nên tạo nhiều kỷ lục bơi lội. Nhưng từ năm 2009, Olympic thế giới cấm không được mặc loại áo bơi lội này, cũng như nhiều loại áo bơi bằng polyurethane và cao su. Trong Olympic 2012, loại áo bơi mới “Fastskin3” được hảng Speedo chế tạo do GS Rick Sharp của đại học Iowa State University thiết kế, áo chỉ ôm sát một vài phần cơ thể, ít sức cản và dễ dàng lướt tới. Mủ cũng như kiến mắt cũng được cải thiện làm giảm sức cản của nước.

THỂ DỤC DỤNG CỤ

Tại khu vận động thể dục Bắc Greenwich, các dụng cụ thể dục cũng được cải tiến, từ sàn nhảy cho tới dụng cụ nhảy cao, để giúp lực sỉ đạt tài năng tối đa. Chẳng hạng, sàn nhảy “đó là một loại chất xốp (foam) khác, nhiều lò xo hơn, dễ nhún nhảy hơn, và nhiều thứ khác nữa” giúp vận động viên nhảy cao hơn và hạ cánh an toàn, như cảnh thấy lực sỉ Gabrielle Douglas “bay như con sóc” mà ta chưa hề thấy trước đây.

Hình 2. Lực sỉ đu lộn trên xà

NHÀ ĐUA XE ĐẠP VELODROME

Một áp dụng khoa học quan trọng khác là thiết kế nhà đua xe đạp velodrome. Các tay đua xe đạp Anh quốc đều phá kỷ lục trong tất cả 6 cuộc tranh tài. Velodrome được mênh danh là "The Pringle" (miếng khoai tây khô, potato crisp) bởi vì có mái cong như miếng khoai tây khô khổng lồ. Vận tốc xe đua chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, như hình học đường đua, nhiệt độ và áp xuất bên trong nhà. Velodrome được thiết kế khoa học hơn, nhằm mục đích giúp các tay đua phát huy hết tài năng để chạy nhanh nhất và phá kỷ lục.

Hình 3. Hình dạng velodrome

Đường chạy (track) trong velodrome dài 250 m, có bề mặt láng làm bằng tấm gỗ thông Siberian ghép lại dài tổng cộng 56 km. Vận động trường với các đường chạy trong velodrome có hình bầu dục (oval), và mặt nghiêng thoai thoải như một lòng chảo. Lý do là để tạo lực hướng tâm (centripetal). Nếu đường chạy là một hình tròn và phẳng, như trong các velodrome cổ điển trước đây, khi xe chạy nhanh người cởi rất khó giữ xe trong vị trí đường chạy vì ảnh hưởng của lực ly tâm (centrifuge), nhất là khi qua cua ngặt, hay vượt qua mặt người khác, do đó khi qua cua không ai dám đạp nhanh. Ngược lại, nhờ đường chạy hơi nghiêng trên mặt chảo giúp người cởi xe giữ được vị trí trên đường đua khi đạp thật nhanh, vì nhờ lực hướng tâm, nhờ đó dễ đạt kỷ lục mới.

Muốn vậy, velodrome trong Olympic London 2012 được thiết kế cải thiện, thay vì 2 đường dua dài và phẳng với hai bán nguyệt ở hai đầu như velodrome cổ điển trong các Olympic trước đây, nay được thiết kế khá phức tạp và được tính toán rất khoa học.

Velodrome hiện đại gồm những đoạn thẳng ngắn với độ nghiêng 10 độ hay hơn, những đường cong chuyển tiếp với gia tăng độ nghiêng tới 42-45 độ ở đường viền cong, rồi chuyển tiếp lại với đường thẳng (hình 4).

Ngoài ra, các chuyên viên điều hòa khí hậu cũng được đóng góp để nhiệt độ trên đường đua lúc nào cũng 27,8 độ C (hay 82 độ F). Giải quyết kỷ thuật khó khăn là làm sao giữ vững được nhiệt độ này qua các hệ thống quạt thổi vào và thổi ra nhà kín mà không tạo luồng gió trên đường đua.

Trước nhất là hâm nóng nền nhà. Nhà velodrome có 2 vách kính. Hệ thống điều hòa trong velodrome và hệ thống quạt trong hành lang ngừng hoạt động khi cửa ngoài được mở, và hoạt động trở lại khi cửa đóng. Một hệ thống ngăn ngừa không khí lạnh bên ngoài xâm nhập vào trong nhà. Nền nhà đun ấm tạo một lớp không khí ấm mỏng và yên tỉnh trên đường đua.

Áp xuất không khí cũng là một yếu tố quan trọng. Áp xuất thấp giúp người cởi xe đạp chạy nhanh hơn. May mắn là trong các ngày thi đấu trời thường mây mù, thỉnh thoảng có mưa và áp xuất không khí thấp, nên dễ tạo kỷ lục.

ĐƯỜNG CHẠY ĐUA TRONG VẬN ĐỘNG TRƯỜNG

Hình 4. Điểm bắt đầu chạy đua

Đường chạy đua (running track) cũng được thiết kế đặc biệt do công ty Mondo của Ý thiết kế. Mặt đường mềm hơn, có sức nẩy dội hơn, mặt đường được lót bằng một lớp gờ hình dạng kim cương dày 8 mm, bên trên tráng một lớp mỏng dày 5 mm. Trước kia, các đường chạy có lớp dưới lót bằng vật liệu hình vuông, nên chỉ hấp thụ các chấn động tới hay lui, chứ không chấn động ngang. Với thiết kế mới, nhờ các góc cạnh của gờ, gây chấn động tới, lui hay ngang, tạo lực đẩy mạnh cho người chạy đua. Vận động trường cũng được thiết kế nhằm không có gió dọc theo đường đua.

Chính nhờ vậy, lực sỉ David Rudisha của Kenya chạy phá kỷ lục 800 m trong 1 phút 40.50 giây so với 1 phút 41.01 giây của kỷ lục năm 2010. Cũng nhờ cải thiện đường đua, mà 7 trong 8 lực sỉ chạy 100 m dưới 10 giây, và Usain Bolt của Jamaica chỉ trong 9 giây 62.

TẠI SAO CÁC TAY ĐUA XE ĐẠP ĐỘI ANH THƯỜNG VỀ NHẤT

Trong cuộc đua Vòng quanh nước Pháp (Tour de France), Bradley Wiggins của Anh về nhất và phá kỷ lục, làm kinh ngạc báo chí Pháp. Tờ báo Pháp L'Equipe viết dựa theo điều nghi ngờ của nhà dìu dắt đội Pháp Isabelle Gautheron là có điều gì khuất tất, vì bánh xe của tuyển đội Anh vẫn y hệt bánh xe của hảng Mavic mà đội Pháp xử dụng, nhưng tại sao đội Anh chạy nhanh hơn. Tay đua xe đạp có huy chương đồng Simon van Velthooven của Tân Tây Lan cũng kinh ngạc vì bị đánh bại dễ dàng bởi tay đua Chris Hoy của Anh. Tương tự như vậy, tay đua Pháp Gregory Bauge đã từng quán quân 7 lần đua xe đạp cũng bị thua Jason Kenny của Anh, nên trong một cuộc họp báo đã phải dùng microphone để hỏi các tay đua đội Anh đã dự bị thế nào và có bí quyết gì mà thắng dễ dàng như vậy. Dĩ nhiên, các tay đua Anh trả lời vòng vo, như Kenny “Ơ, tôi đâu có biết, có lẻ là do tập luyện khổ nhọc”, hay của Chris Hoy hay cô Victoria Pendleton là do “khổ công tập luyện”, và “hy sinh lớn” của toán Anh. Chris Hoy vòng vo nói là ông bỏ 35 giờ mỗi tuần để tập luyện, và cũng không đi chợ để dành sức, v.v. rồi ông chỉ cười và nói “Thật khó nói cái gì đã làm toán Anh đặc biệt như vậy”.

Đúng vậy, có rất nhiều yếu tố khoa học giúp các tay đua toán Anh đồng loạt đạt thành tích cao: khổ công tập luyện trong đường hầm gió ngược cực mạnh để xác định vị trí thân thể, cách ngồi và đạp xe, với mỗi tốc độ thế nào v.v. để ít bị lực cản của không khí; co ép thân thể trong chiếc áo da (skin suits) không có đường may để giảm thiểu diện tích cơ thể tiếp xúc với gió; phải phấn đấu khắc phục tinh thần để cố vượt các tay đua cừ khôi khác; phải nhờ các nhà tâm lý học (psychologist) cố vấn, huấn luyện tinh thần, v.v.

Giám đốc Hội Đạp xe Anh Quốc phân tích như sau: “Nguyên tắc thành công trong việc đua xe đạp bắt nguồn từ việc cải thiện từng yếu tố nhỏ nhặt, mỗi thứ chỉ cần hoàn thiện thêm 1%, nhưng khi góp nhặt tổng cộng những cải thiện này thì là một cải thiện rất lớn”. Như vậy, ngoài yếu tố cải thiện hoàn mỹ chiếc xe đạp, ngoài tài năng, khôn khéo và sức dẻo dai do luyện tập, cùng tinh thần quyết thắng, còn có nhiều yếu tố nhỏ nhặt khác. Chẳng hạn, như phải nằm ngủ với vị trí thích hợp nào, phải mang theo gối riêng của mình khi đến chỗ lạ để có giấc ngủ ngon dể dàng, phải rửa tay làm sao cho sạch để tránh bệnh, hay phải xịt lên bánh xe dung dịch alcohol để rửa sạch bụi và làm gia tăng độ dính của bánh xe với mặt đường, v.v. Thí nghiệm cũng cho biết là bộ quần áo mặc rất quan trọng, đa số áo thấm ướt mồ hôi. Vì vậy, thiết kế áo quần một mảnh và không có hay ít đường may (seams) nhất.

Tuy nhiên, không tay đua nào nói về chiếc xe đạp cải thiện của mình. Ngày nay, xe đạp đua áp dụng kỹ thuật tân tiến với vật liệu thật nhẹ, thật chắc, với thiết kế tạo ít lực cản của không khí. Chẳng hạn, để giảm sức cản của không khí, bánh xe sau chạy trong nhà đua velodrome là một khối vật liệu rắn chắc, cấu tạo bởi sợi carbon, nhẹ, được xử dụng trong kỷ nghệ làm máy bay tân tiến, nhưng bánh trước có căm để dễ bẻ lái. Tay lái (guidon, handlebar) là một thanh thẳng ngắn, thay vì uốn cong, để ít lực cản.

Nón an toàn Giro’s Air Attack nhẹ, rắn chắc, có hình dạng khí động lực học (aerodynamic shape) để chịu ít lực cản, và có khoảng cách với đỉnh đầu vài millimet để giữ đầu được mát.

Ngoài ra, hảng sản xuất xe đua thiết kế riêng cho mỗi tay đua trong đội Anh chiếc xe phù hợp với tầm vóc mỗi người, với độ khòm lưng thoải mái khi chạy bình thường hay nước rút, với mục đích xử dụng ít sức lực, tạo ít sức cản mà có vận tốc cao nhất.

Hình 5. Victoria Pendleton với mủ an toàn dạng aerodynamic

Victoria Pendleton còn tiết lộ sau khi thắng cuộc đua là cô ta, cũng như các tay đua khác trong đội Anh, mang “quần lót ấm chạy pin”. Kỹ thuật mới này được hợp tác nghiên cứu bởi Hội Đua Xe Đạp Anh quốc, Đại Học Loughborough và nhà sản xuất thể tháo Adidas trong 4 năm, và được thử nghiệm thấy có nhiều kết quả tốt trong 18 tháng qua, giúp người đua xe đạp hay bơi lội cảm thấy thoải mái trong cuộc thi. Vấn đề tuy nhỏ nhưng rất quan trong cho lực sỉ, là trước mỗi cuộc đua hay trận đấu, ai cũng vận động làm ấm thân thể (warmer-up), nhưng thân nhiệt trở lại bình thường trong thời gian chờ đợi lâu để bắt đầu cuộc thi, và một phần do tâm lý sốt ruột, hồi hộp. Vì vậy, sau khi chấm dứt vận động làm ấm cơ thể, lực sỉ mặc “quần lót ấm chạy pin” để duy trì thân nhiệt tối hảo cho cuộc thi, và tháo bỏ khi bắt đầu cuộc đua. Với loại dây kéo (zip) đặc biệt tháo gở nhanh chóng khi bắt đầu cuộc thi, quần lót đặc biệt này giúp mong và hán có nhiệt độ tối hảo 38 độ C. Đó là một yếu tố tới hạn nhỏ nhặt nhưng rất quan trọng khi bắt đầu cuộc thi.

Kẻ thù của tay đua xe là sức cản không khí. Mánh lới để thắng cuộc đua xe là biết áp dụng luật “khí động lực” (aerodynamic). Tay đua dẫn đầu chịu sức cản không khí nhiều nhất, nên phải xử dụng nhiều sức lực. Ngược lại, tay đua kế sau, núp bóng kẻ trước, chịu một lực cản không khí ít hơn, nên ít dùng sức hơn và vẫn giữ cùng vận tốc. Càng gần sát người trước càng tốt, vì khoảng cách dài quá chiếc xe đạp thì mất hết hiệu quả trên. Theo Dr Lisa Jardine-Wright ở phòng thí nghiệm khí động lực học Cavendish Laboratory, thuộc Cambridge University "Khoảng cách phải chừng một inch (2,5 cm) hay 2 inches (5 cm), đó là lý do các xe dễ bị đụng chạm nhau”. Trong trường hợp này, tay đua dẫn đầu tốn 1/3 năng lượng nhiều hơn kẻ chạy kế sát sau.

Hình 6. Chạy kế sát đằng sau

GS Michael Leschziner, Giáo sư Động lực học ở Imperial College London, áp dụng công thức của ông để tính lực cản, nếu biết được vị trí cơ thể người trên xe đạp, và vận tốc xe, và như vậy ông có thể giúp vận động viên đua xe phải chạy sát với xe trước ở khoảng cách nào, với vận tốc nào để giữ sức dùng vào phút chót nước rút để vượt lên trước. Vì vậy, mỗi tay đua trong toán Anh phải vào thử nghiệm trong phòng khí động lực học của ông, trong hầm với luồng gió có vận tốc kiểm soát, và ở mỗi thế ngồi, độ khòm lưng, và vận tốc xe đạp, ông tính chính xác khoảng cách chạy sau ở mỗi tình huống vận tốc khác nhau.

Theo GS Leschziner, một cách tổng quát, một dĩa đang bay thật nhanh tạo đằng sau nó một chiều dài không gian không có lực cản bằng 3 lần đường kính của dĩa. Như vậy một dĩa có chiều ngang 1 m di động thật nhanh sẽ tạo một không gian sau nó dài 3 m không có lực cản của không khí. Ai đạp xe trong vùng này sẽ không bị gió cản, tương tự như núp bảo sau một bức tường cao.

Tuy nhiên, người cởi xe không có hình dáng của một dĩa. Vị trí ngồi trên xe, quần áo và chiếc xe phải được thiết kế thế nào để tạo sức cản tối thiểu với gió, mà sức cản chánh là do cơ thể người cởi xe. Vì vậy, khối không gian không có sức cản đằng sau người cởi xe bao giờ cũng nhỏ hơn 3 lần chiều rộng của thân thể, đó là lý do người đua phải cố chạy gần sát với người chạy đằng trước.

Hình 7 . Áp dụng khí động lực học

Đối với vận tốc, lực cản không khí tăng theo bình phương của vận tốc (v²), như vậy nếu tăng vận tốc gấp đôi, người cởi xe chịu một lực cản gấp 4 lần.

Sức lực cần thiết của người cởi xe gia tăng theo tỷ lệ lủy thừa 3 của vận tốc (v³), như vậy muốn gia tăng gấp đôi vận tốc, người cởi xe phải tăng sức lực 8 lần nhiều hơn.

Tóm lại, phải làm thân thể mình càng nhỏ, thon, càng tốt để giảm sức cản, như mặc áo da thật khít và mỏng, nhưng như vậy làm cơ bắp thịt co thắt khó vận động, vì vậy người cởi xe phải dung hòa.

THIẾT KẾ GIÚP TRỌNG TÀI, GIÁM KHẢO

Ngoài các thiết kế, khoa học & kỹ thuật để giúp lực sỉ phát huy hết tài năng để đạt huy chương và kỷ lục, Olympic London 2012 còn xử dụng và áp dụng nhiều máy móc tối tân để giúp trọng tài hay ban giám khảo có quyết định chính xác và nhanh chóng để cho điểm. Chẳng hạn xử dụng đồng hồ có độ chính xác 1 phần trăm của giây (0,01 second), khi phát súng vừa nổ thì có máy tự động phát hiện ai chạy hay lội sớm hơn chỉ 1 phần 10 của giây.

Trong cuộc tranh tài thi phóng từ sàn nhảy xuống hồ nước (diving), chỉ chớp nhoáng trong nháy mắt là lực sỉ đã rơi xuống tới nước, khó biết được lực sỉ đã quay cuộn tròn hay uốn éo thân thể mấy vòng, vị trí thân thể khi tới mặt nước như thế nào, v.v. Vì vậy có rất nhiều thiết bị tối tân ghi hình ảnh ở mọi góc cạnh, rồi quay chậm tường trình cho ban giám khảo trong tức khắc để chấm điểm. Để có hình thật chính xác thấy rõ ràng các động tác của lực sỉ trong lúc nhảy và rơi, một hệ thống camera cho rơi xuống từ sàn nhảy cùng lúc với lực sỉ, vì theo luật rơi tự do, người và thiết bị rơi cùng vận tốc, rơi song song nên ghi đầy đủ các động tác xoay tròn hay uốn éo thân thể (Hình .

Hình 8. Hệ thống camera rơi theo người nhảy để ghi rõ động tác

Ở đường chạy đua, ngoài hệ thống camera, video, một hệ thống tia laser chiếu ngang đặt ở từng khoảng cách trên đường và ở mức đến, cùng với các thiết bị nhạy cảm (sensor) tí hon mang ở giày của lực sỉ, sẽ cho biết ai đến trước, đến sau, và tính ra thời gian của người chạy, chưa kể cả một loạt camera ghi hình ảnh ở mọi góc cạnh.

Trong bộ môn đấu vỏ, như các cú đá, cú đấm chớp nhoáng mắt thường khó nhận thấy, hay bị che khuất trọng tài khó biết, nhưng nhờ các thiết bị tối tân giúp trọng tài quyết định nhanh chóng. Chẳng hạn ở môn vỏ Đại Hàn Tae Kwon Do, một thiết bị tính điểm PSS (Protector and Scoring) mới được xử dụng, máy này đo được sức mạnh của một cú đấm hay đá vào vị trí thân thể của địch thủ, rồi cho điểm tức thì, đồng thời một hệ thống video gồm 6 máy chiếu lại (replay) cú đấm đá đó ở mọi góc cạnh. Kỷ thuật này giúp trọng tài và ủy ban chấm điểm khách quan.

Và để cho khoảng 3 tỷ người trên khắp thế giới theo dỏi tất cả các bộ môn trên màng ảnh TV, dỉ nhiên các đài như BBC, Sky, CNN v.v. cũng có những thiết bị tối tân để truyền khắp thế giới những hình ảnh đẹp và trung thực.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_population

2. Five science lessons the cycling taught us. http://www.bbc.co.uk/news/magazine-19166035

3. London 2012 Olympics: Hidden Technology You Probably Don’t Know. http://www.hongkiat.com/blog/london-olympics-technology/

4. An Olympics Built for Records. http://online.wsj.com/article/SB10000872396390443991704577579320489432242.html?mod=googlenews_wsj

Reading, 8/2012

Trần Đăng Hồng, PhD