(ตอนที่ 2) วิศวกรรมศาสตร์และ “วิทยาศาสตร์การกีฬา”

ในทุกวันนี้ ทุกครั้งและทุกสถานที่ๆ มีการแข่งขันกีฬาหรือกรีฑา เราจะเห็นเทคโนโลยีรูปแบบใหม่และวิทยาศาสตร์ที่ทันสมัยกว่าเก่าว่า ได้เข้ามามีบทบาทมากในการทำให้สถิติต่าง ๆ ในการแข่งขันดีขึ้น ๆ จากความมุ่งหวังเดิมที่นักกีฬาโอลิมปิกไม่จำเป็นต้องเป็นผู้ชนะ ก็ได้กลายมาเป็นคำขวัญใหม่ว่า “ต้องชนะ” เพื่อความมีชื่อเสียงของวงศ์ตระกูลและประเทศชาติ ตลอดจนถึงการได้รางวัล ซึ่งจะทำให้มีฐานะดีขึ้นด้วย

ประเด็นหนึ่งที่เห็นได้ชัดก็คือ เทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์ได้เข้ามาเสริม และปรับเปลี่ยนร่างกายของนักกีฬา ตั้งแต่เมื่อเริ่มฝึกซ้อม เช่น ช่วยพัฒนาอุปกรณ์การฝึกที่มีประสิทธิภาพ จัดหาอาหารการบริโภค และฮอร์โมนที่จำเป็น รวมถึงต้องตระเตรียมเสื้อผ้าและรองเท้าที่เหมาะสมที่จะใช้ในกีฬาที่จะต้องแข่งขัน ตลอดไปจนถึงอุปกรณ์ที่ช่วยในการตัดสิน เช่น นาฬิกาจับเวลา ที่ละเอียดมากถึงระดับ 0.001 วินาที จนสามารถจะแยกแยะผู้ชนะเหรียญทองจากผู้ชนะเหรียญเงินได้ หรือให้รู้ว่าคนที่พลาดเหรียญ พลาดไปได้อย่างเฉียดฉิวเพียงใด เพราะได้มีการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น กล้องถ่ายรูป hawkeye ซึ่งสามารถช่วยกรรมการในการตัดสินผลของกีฬาเทนนิส ว่ายน้ำ วิ่งเร็ว และ ฟุตบอล ได้อย่างยุติธรรม

และในประเด็นที่เกี่ยวกับการรักษาพยาบาล ผู้ที่ได้รับบาดเจ็บจากการแข่งขัน นักวิทยาศาสตร์สุขภาพก็ได้มาช่วยในการรักษาและอนุบาลคนเจ็บอย่างทันสมัยให้คืนสภาพได้ในเร็ววัน โดยใช้ยาและเทคโนโลยีที่เหมาะสม

เราจึงเห็นได้ว่า ในการแข่งขันกีฬาทุกครั้ง ไม่เพียงแต่นักกีฬาเท่านั้นที่เข้าแข่งขัน แม้แต่นักเทคโนโลยี และนักวิทยาศาสตร์การกีฬาของทุกชาติก็ได้เข้ามาร่วมการแข่งขันด้วย

ตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงของการแข่งขันกีฬาต่างๆ ที่ได้เกิดขึ้นตั้งแต่ในอดีตจนถึงปัจจุบัน ได้แก่

กีฬากอล์ฟ ซึ่งมีการเล่นกันเป็นครั้งแรกที่ St. Andrews ในสกอตแลนด์ เมื่อปี 1552 คือเมื่อ 470 ปีก่อน โดยคนเล่นต้องตีลูกกอล์ฟกลมให้ลงหลุม ด้วยไม้ตีกอล์ฟ ซึ่งทำด้วยไม้ แต่ต่อมาได้เปลี่ยนไปเป็นเหล็ก และปัจจุบันได้ใช้ fiberglass, graphite ซึ่งเบากว่า แข็งแรงกว่าไม้ และไม่เป็นสนิมด้วย ส่วนลูกกอล์ฟนั้น ซึ่งในอดีตถูกหุ้มด้วยยาง balata และมีผิวเรียบเกลี้ยง ก็ได้รับการพัฒนาและเปลี่ยน เพราะในปี 1974 ชาวเยอรมันชื่อ Elmar Achenbach ในประเทศเยอรมนี ได้วิเคราะห์ผลกระทบที่เกิดขึ้นจากการไหลของกระแสลมผ่านผิวที่โค้งเป็นทรงกลมของลูกกอล์ฟ 

และได้เสนอรายงานในวารสาร Journal of Fluid Mechanics ว่า ถ้าผิวโค้งนั้นเรียบ แรงต้านของอากาศจะมากจนทำให้ลูกกอล์ฟที่ถูกตีไม่สามารถพุ่งไปได้ไกลในอากาศ แต่ถ้าทำให้ผิวลูกกอล์ฟเป็นรอยบุ๋มไปทั่ว แม้จะลึกเพียง 0.1 มิลลิเมตร แรงต้านของอากาศก็จะลดลงมาก หลังการค้นพบนี้ ผิวของลูกกอล์ฟจึงเป็นรอยบุ๋มไปทั่วลูก เพื่อในลูกกอล์ฟสามารถพุ่งไปได้ไกลและตรงทิศทางที่ต้องการ ยิ่งถ้าได้เล่นในวันที่อากาศร้อนชื้น ซึ่งแรงต้านอากาศจะมีค่าน้อยกว่าวันที่อากาศร้อนแห้ง ลูกกอล์ฟก็จะพุ่งไปได้ไกลกว่าการเล่นในวันที่อากาศเย็น สำหรับประเด็นลีลาการตีของคนเล่นนั้น นักสรีระวิทยาและนักชีวกลศาสตร์ ก็ได้เข้ามามีบทบาทในการวิเคราะห์สภาพร่างกาย และลีลาการตีโดยใช้ภาพถ่าย 3 มิติ และวิชากลศาสตร์ธรรมดา ๆ ที่สามารถช่วยให้มุมยกของลูกกอล์ฟสามารถไปได้ไกลที่สุด

กีฬายิงธนู ยิงปืน ซึ่งมีกำเนิดมาจากกีฬาล่าสัตว์ และจากการเป็นทหารสู้รบในสงคราม จากเดิมที่เคยใช้คันธนู ซึ่งทำด้วยไม้ธรรมดา ก็ได้เปลี่ยนมาใช้ fiberglass แทน และจากการใช้เชือกธรรมดาทำสายธนู ก็ได้หันมาใช้ carbon fiber หรือเชือก dacron ที่เหนียวกว่า และสามารถยืดหยุ่นได้ดี เพราะจะทำให้ลูกธนูสามารถไปได้ไกลและตรงเป้า 

นอกจากนี้ที่คันธนูก็มีอุปกรณ์ช่วยให้คนยิงสามารถเห็นเป้าได้ชัด และมีอุปกรณ์ช่วยให้คันธนูมีความเสถียร คือ ไม่แกว่งมาก หลังจากที่ลูกธนูพุ่งออกไปแล้ว ด้านลูกธนูก็ทำด้วยอะลูมิเนียม และคนยิงธนูก็มักสวมถุงมือ เพื่อให้สามารถจับคันธนูได้อย่างกระชับ

กีฬาฟุตบอล จากเดิมที่เคยเล่นกันในประเทศจีนเมื่อ 2300 ปีก่อน จนมาถึงยุคกลางในคริสต์ศตวรรษที่ 10 ซึ่งเป็นเวลาที่ชาวยุโรปเริ่มรู้จักการเล่นกีฬาประเภทนี้ และนิยมเล่นกันมากกลางถนนหนทาง จนชาวบ้านเดือดร้อน แต่ในสมัยนั้นยังไม่มีกฎเกณฑ์ห้ามใช้มือสัมผัสลูกบอล เมื่อถึงปี 1863 จึงได้มีกฎห้ามนักกีฬาใช้มือใดๆ ในการเล่น นอกจากนายประตูที่สามารถใช้มือจับลูกบอลได้ และลูกบอลที่ได้ใช้ก็เป็นลูกบอลกลม ทำด้วยยางที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 22 เซนติเมตร สำหรับเรื่องการตัดสินนั้น เพราะมีผู้เล่นมากถึง 22 คน ดังนั้นการที่จะคาดหวังให้กรรมการเห็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นตลอดเวลาจึงเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้ ด้วยเหตุนี้การตัดสินในอดีตจึงมีปัญหามาก แต่เมื่อถึงวันนี้ ในการตัดสินครั้งสำคัญ ๆ จึงต้องมากล้องถ่ายภาพ hawkeye เพื่อช่วยในการเห็นตำแหน่งของลูกบอล ไม่ว่าจะเป็นลูกเทนนิส ลูกฟุตบอล ลูกขนไก่ หรือลูกรักบี้ โดยจัดให้มีกล้องถ่ายภาพชนิดนี้ 6-7 กล้อง ติดตั้งรอบสนาม เพื่อถ่ายภาพเส้นทางการเคลื่อนที่ของลูกบอลจากมุมต่างๆ แล้วนำภาพทั้งหมดมาสังเคราะห์แสดงตำแหน่งของลูกบอล ณ เวลาต่าง ๆ ใน 3 มิติ โดยอุปกรณ์นี้ทำงานผิดพลาดได้ไม่เกิน 3 มิลลิเมตร กล้องถ่ายภาพ hawkeye จึงเป็นกรรมการผู้ช่วยในการแข่งขัน เพื่อให้คนดูทั้งกองเชียร์ และกองแช่ง สบายใจ

กีฬาเทนนิส ซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากการใช้ฝ่ามือตีลูกบอลข้ามเน็ต ในสมัยคริสต์ศตวรรษที่ 12-13 ก็ได้กลายมาเป็นกีฬายอดนิยมในรัชสมัยพระเจ้า Henry ที่ 8 แต่ใช้ไม้แร็กเกตตีลูกบอล เพื่อให้ลูกบอลเคลื่อนที่ได้เร็ว จนคู่ต่อสู้ไม่สามารถรับได้ แล้วทำให้คนดูรู้สึกสนุกสนาน ไม้แร็กเกตในสมัยนั้นทำด้วยไม้ธรรมดา แต่ปัจจุบันไม้แร็กเกตทำด้วยพลาสติก, อะลูมิเนียม, carbon graphite หรือ fiberglass ตัวไม้ก็ยาวขึ้น และหน้าไม้ก็กว้างขึ้น เพื่อให้มีโอกาสตีลูกเทนนิสได้มากขึ้น และเอ็นบนไม้แร็กเกตก็ทำด้วยวัสดุสังเคราะห์ เช่น nylon, kevlar เพื่อให้สามารถเสิร์ฟลูกได้เร็วและรับลูกได้ดี โดยที่ไม้แร็กเกตไม่กระเทือนมาก และคนดูก็รู้สึกสนุกสนานมากขึ้น

กีฬาพุ่งแหลน ซึ่งมีความยาว 2.6 เมตร สำหรับนักกรีฑาชาย และ 2.3 เมตร สำหรับนักกรีฑาหญิงก็ได้มีพัฒนาการที่ทำให้แหลนสามารถพุ่งไปได้ไกลขึ้น ๆ จนถึงปี 1984 Uwe Hohn นักกรีฑาชาวเยอรมันตะวันออก ได้พุ่งแหลนทำสถิติโลกที่ระยะทาง 104.8 เมตร โดยแหลนได้พุ่งออกนอกสนาม และแฉลบลงพื้น โดยไม่ได้ปักหัวลง ทำให้การวัดระยะทางไม่แน่นอน อีกทั้งยังอาจจะเป็นอันตรายต่อคนดูกรีฑาก็ได้ ดังนั้นองค์การ IOC (International Olympic Committee) จึงกำหนดให้มีการออกแบบแหลนใหม่ โดยให้จุดศูนย์กลางมวลของแหลนเลื่อนจากตำแหน่งเดิมไปทางปลายแหลนอีก 4 เซนติเมตร เพื่อทำให้แหลนปักหัวลงเร็วขึ้น การวัดระยะทางที่แหลนพุ่งไป ก็สามารถทำให้ดีขึ้น แต่แหลนไปได้ไกลน้อยกว่า 100 เมตร ด้วยเหตุนี้สถิติโลกของ Hohn ก็คงจะยืนต่อไปอีกเป็นเวลานาน

กีฬาว่ายน้ำ เป็นกีฬาอีกประเภทหนึ่งทีได้รับการปรับเปลี่ยนโดยเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์มาก จากกางเกงว่ายน้ำในอดีต ซึ่งใช้ผ้าธรรมดาเวลาว่าย แต่วัสดุประเภทผ้านี้ทำให้น้ำมีแรงต้านสูง การมีต้านมากจะทำให้นักกีฬาต้องสูญเสียพลังงานมาก นักว่ายน้ำจึงเหนื่อยเร็ว และเมื่อแรงต้านของน้ำขึ้นกับ (ความเร็วของนักว่ายน้ำ)^2 ซึ่งหมายความว่า ถ้าความเร็วเพิ่มขึ้น 2 เท่า แรงต้านของน้ำก็จะมากขึ้น 4 เท่า นั่นคือ ถ้าว่ายน้ำยิ่งเร็ว แรงต้านก็จะยิ่งมาก และแรงต้านนี้ยังขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของน้ำด้วย และเมื่อน้ำมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศประมาณ 1,000 เท่า ดังนั้นการว่ายน้ำของนักว่ายน้ำจะเหนื่อยกว่าการขี่จักรยานของนักแข่งจักรยานในระยะทางที่เท่ากัน

ในปี 2000 ซึ่งมีการแข่งขันกีฬาโอลิมปิก ที่กรุงเอเธนส์ ในประเทศกรีซ นักว่ายน้ำได้สวมกางเกงรูปแบบใหม่ ซึ่งใช้วัสดุที่ลดแรงต้านทานของน้ำขณะไหลผ่านตัวนักกีฬา และชุดว่ายน้ำนี้ได้ทำให้สถิติของคนว่ายดีขึ้น 0.01 วินาที ซึ่งถึงแม้จะมีค่าไม่มาก แต่ก็เพียงพอสำหรับการตัดสินที่ทำให้เขาได้รับเหรียญ ในเวลาต่อมาบริษัท Speedo ก็ได้พัฒนาชุดว่ายน้ำขึ้นใหม่ชื่อ Fastskin ซึ่งมีผิวเป็นร่องเป็นริ้ว และมีฟันเล็ก ๆ คล้ายหนาม เหมือนผิวของปลาฉลาม ซึ่งเป็นสัตว์ที่ว่ายน้ำได้เร็วมาก ฟันเล็ก ๆ ที่กางเกงว่ายน้ำได้ทำให้การไหลของน้ำในบริเวณใกล้คนว่ายปรากฏเป็นวงเล็ก ๆ (vortices) ที่ทำให้กระแสน้ำไหลผ่านตัวนักว่ายน้ำได้อย่างสะดวกขึ้น แรงต้านของน้ำจึงลดลง แต่การวิจัยในเวลาต่อมาได้แสดงให้เห็นว่า ผิวตามอวัยวะส่วนต่าง ๆ ของฉลามมีฟันเล็ก ๆที่ ไม่เหมือนกัน ด้วยเหตุนี้ Fastskin ของ Speedo จึงต้องมีการพัฒนาให้เป็นไปตามสรีระของนักว่ายน้ำแต่ละคนด้วย ด้านชุดว่ายน้ำของผู้หญิงก็ต้องได้รับการออกแบบให้ลดแรงเสียดทานตรงบริเวณหน้าอกและสะโพกให้มากที่สุด ซึ่งถ้าจัดวัสดุที่มีผิวเหมาะสมและใช้เทคนิคการคำนวณ เรื่อง กลศาสตร์ของไหล ขณะของไหลเคลื่อนที่ผ่านตัวนักว่ายน้ำ ก็อาจจะสามารถช่วยลดแรงเสียดทานของน้ำได้มากถึง 4%

การแข่งจักรยานก็เป็นกีฬาอีกประเภทหนึ่งที่มีวิวัฒนาการ เช่น ชุดแต่งกายของนักกีฬาและจักรยานเองก็ได้รับการปรับเปลี่ยนเพื่อให้แรงต้านจากอากาศลดลง ขณะจักรยานและคนขี่กำลังเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความเร็ว 18 เมตร/วินาที หรือ 65 กิโลเมตร/ชั่วโมง โดยการออกแบบชุดที่สวมได้เหมาะสม ร่างกายของนักกีฬาจะสามารถระบายความร้อนและเหงื่อออกจากร่างกายได้ดี ซึ่งจะทำให้นักกีฬาไม่รู้สึกอึดอัด สำหรับเรื่องของจักรยานที่ใช้ในการแข่งขันนั้น ทางบริษัทเช่น Metron Advanced Equipment ที่ประเทศอังกฤษได้ออกแบบจักรยานที่ทำด้วย carbon fiber และใช้เทคนิคคำนวณ finite element analysis ซึ่งแบ่งโครงสร้างของจักรยานออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ แล้วดูการเคลื่อนที่ของแต่ละชิ้น ขณะถูกแรงกระทำ (แรงต้านของอากาศและแรงปั่น) แล้วใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์วิเคราะห์ว่าอะไรจะเกิดขึ้นกับจักรยาน เพื่อให้จักรยานสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้เร็วและทรงตัวได้ดี นั่นคือวิศวกรกีฬาจะต้องหาวิธีลดแรงต้านของอากาศ และหาวิธีลดพลังงานที่นักกีฬาจะต้องสูญเสียตลอดเวลาที่มีการแข่งขัน ซึ่งอาจทำได้โดยการหมอบตัวลงต่ำ ให้พื้นที่ภาคตัดขวางของผู้เข้าแข่งขันลดลง เพราะการยืดตัวตรงจะทำให้ตรงเผชิญกับอากาศอย่างเต็มตัว และมีผลทำให้เกิดแรงต้านมาก ด้านชุดที่สวมใส่อาจจะทำด้วยวัสดุ polyurethane ที่จะแนบสนิทกับลำตัว และหมวกที่ใช้สวมในการแข่งขันก็ต้องได้รับการออกแบบใหม่ ไม่ให้ผมกระจุยกระจายจนกระทั่งสร้างแรงต้านได้ และให้อากาศสามารถไหลผ่านศีรษะไปได้สะดวก แล้วผ่านไปทางด้านหลังของลำคอ โดยใช้หลักของอากาศพลศาสตร์ (aerodynamics)

นอกจากนี้นักกีฬาก็อาจจะมีตัวรับสัญญาณ (sensor) ที่แนบติดกับลำตัว เพื่อให้ข้อมูลของร่างกายนักกีฬาเอง เช่น อัตราการเต้นของหัวใจ, ความดันโลหิต, อุณหภูมิร่างกาย ฯลฯ เพื่อให้นักกีฬาขณะฝึกซ้อมใช้ในการปรับตัวในการฝึก เพื่อให้รู้ว่ามีการสูญเสียพลังงานมากเพียงใด และในร่างกายสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อใดด้วย

คำถามที่ตามมา สำหรับการมีเทคโนโลยีเหล่านี้ คือ การใช้อุปกรณ์การฝึกที่มีประสิทธิภาพสูงๆ นี้ จะถือเป็นการโกงหรือไม่ สำหรับเรื่องนี้องค์การกีฬาทุกหนแห่ง จึงได้มีการจับตาและระแวดระวังการกระทำที่แอบแฝงและไม่มีใครรู้ เพื่อการแข่งขันจะได้มีความยุติธรรม สำหรับความสงสัยในประเด็นนี้ องค์การกีฬานานาชาติ เช่น FINA (Fédération Internationale De Natation) ซึ่งรับผิดชอบการแข่งขันกีฬาทางน้ำทุกประเภท เช่น ว่ายน้ำ, โปโล, กระโดดน้ำ และระบำใต้น้ำ ฯลฯ ได้ออกกฎห้ามการใช้ชุดว่ายน้ำที่ทำด้วย polyurethane เพื่อลดแรงต้านของน้ำ และเพิ่มแรงพยุงของน้ำด้วยแล้ว อีกทั้งยังได้กำหนดให้ขอบของกางเกงว่ายน้ำผู้ชายจะต้องสูงไม่ถึงสะดือ และยาวไม่เกินเข่าของผู้เข้าแข่งขัน เป็นต้น

ในอนาคต โลกก็จะมีเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่จะนำวัสดุชนิดใหม่ๆ มาใช้ในการกีฬาอีกมาก การควบคุมที่เป็นมาตรฐานจึงเป็นเรื่องจำเป็นที่จะต้องกระทำอย่างเข้มงวดตลอดเวลา และในทุกสถานที่ เพื่อสถิติโลกที่ได้จะเป็นสถิติที่ปราศจากมลทิน และเป็นที่ยอมรับ ซึ่งก็เป็นเรื่องที่ยากสำหรับการแข่งขันระดับท้องถิ่น แต่ถ้าเป็นการแข่งขันระดับโลก เราก็มีความมั่นใจว่าการควบคุมเรื่องการทุจริตหรือการโกงจะสามารถทำได้ดีกว่า ซึ่งการโกงในที่นี้ หมายถึง การใช้ยากระตุ้น การใช้ยาเสริมพลัง หรือการตัดสินแบบลำเอียงก็จะไม่มีอีกต่อไป

การกีฬาก็เช่นเดียวกับกิจกรรมทุกอย่างของมนุษย์ คือ หาความบริสุทธิ์หมดจดได้ยาก แต่เราก็ต้องทำ เพราะผลดีที่เกิดต่อสุขภาพ และความสามัคคีจะมีมากกว่าผลเสียมาก

อ่านเพิ่มเติมจาก Advantage Play: Technologies that Changed Sporting History โดย Steve Haake จัดพิมพ์โดย Arena Sport ปี 2018

ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน – ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ “โลกวิทยาการ” ได้ทุกวันศุกร์