Badania naukowe

Robert Korzeniowski korzysta z obuwia, w którym zainstalowane są specjalne chipy umożliwiające stałą kontrolę rytmu chodu. Adam Małysz, by poprawić szybkość 
najazdu na próg skoczni i prawidłowe odbicie się z niego, ćwiczy w tunelu 
aerodynamicznym. Zawodowy sport to już nie tylko myśl trenerska.

Mariusz Karwowski

Co zrobić, by być najlepszym w swojej dyscyplinie? Jaką dietę zastosować, aby uzyskać rekordowe wyniki? Jaki rodzaj treningu pozwoli przygotować formę na konkretne zawody? W akademiach wychowania fizycznego naukowcy głowią się nad tego typu problemami. Dzisiejszy sport w niczym nie przypomina rywalizacji, jaką znamy z archiwalnych materiałów filmowych. Teraz to już nie jest hobby, lecz sposób na zarabianie niezłych pieniędzy. Zorientowano się, że choć trener jest bardzo ważną częścią tej układanki, to przecież nie jedyną. Kto dziś nie korzysta z podpowiedzi fizjologów żywienia, psychologów, biochemików czy biomechaników, nie może uważać się za profesjonalistę.

Fizyka traktowana była dotąd trochę po macoszemu. Wprawdzie w Uniwersytecie Warszawskim w ramach zajęć pozakierunkowych prowadzone są wykłady z fizyki sportu, ale to tylko czysta teoria. Lukę postanowili wypełnić pracownicy Zakładu Fizyki Doświadczalnej Politechniki Lubelskiej, uruchamiając pierwsze w Polsce Laboratorium Fizyki Sportu.

FRANCUSKA INSPIRACJA

– Na początku lat 90. przebywałem na kontrakcie naukowym w Laboratoire de M?tallurgie Physique w Uniwersytecie w Poitiers – mówi prof. Grzegorz Gładyszewski, kierownik zakładu. – Zajmowałem się tam badaniami dotyczącymi możliwości mixingu jonowego w układach wielowarstwowych o dodatnim cieple formowania. Tam też zetknąłem się z nowym kierunkiem badań, w trakcie których poddawano analizie każdy ruch sportowca – tenisisty, siatkarza, skoczka wzwyż – i starano się uchwycić optymalny cykl ruchów, dający efekt w postaci najlepszego wyniku.
Stosowano w tym celu specjalistyczny sprzęt, jak czujniki na podczerwień czy specjalne kamery o dużej rozdzielczości. Mimo iż prof. Gładyszewski nie był bezpośrednio zaangażowany w te badania, przyglądał się im z ogromnym zainteresowaniem. We Francji już wtedy sport i osiągane rezultaty nierozerwalnie łączono z rozwojem nauki, techniki. W Polsce na taki związek było jeszcze za wcześnie. Dopiero w ostatnich latach pojawiło się sporo nowych urządzeń, opartych na coraz wymyślniejszych technologiach informatycznych. – Ze zdziwieniem jednak stwierdziłem, że często ani zawodnicy, ani nawet trenerzy nie rozumieją działania tych aparatów i nie do końca poprawnie interpretują uzyskiwane z ich zastosowaniem wyniki. Ponadto ceny takich urządzeń są szalenie wysokie i to raczej ze względu na ich jednostkowość niż poziom skomplikowania.

A dziś uzyskiwanie dobrych wyników bez zastosowania najnowszych zdobyczy nauki wydaje się niemożliwe. I to zarówno jeśli chodzi o wyposażenie techniczne, jak i wspomaganie farmakologiczne. – Doping to już prawie przemysł. Jeśli ktoś myśli, że lekkoatleci nie stosują środków wspomagających, to tak, jakby wciąż wierzył w świętego Mikołaja. Cała zabawa polega tylko na tym, by te środki nie były zakazane. Trzeba mieć więc podkładkę. Połowa lekkoatletów to, jeśli wierzyć kartom chorobowym, astmatycy. Dlaczego? Ponieważ leki antyastmatyczne to środki dopingujące. Inny przykład – kawa: kofeina w skoku wzwyż daje ok. 10 cm zysku. Kto tym pogardzi? Ale to brudna nauka. Ja wolę tę czystą, a więc unowocześnianie wyposażenia treningowego i startowego. Wyznaję zasadę: lepszy sprzęt – lepszy wynik.

W imię tej dewizy, prof. Gładyszewski, na podstawie obserwacji we Francji, poddał pomysł stworzenia laboratorium, które wspomogłoby zawodników i trenerów, a także umożliwiłoby opracowanie projektów i wykonanie urządzeń opartych na własnej myśli naukowo-technicznej. Koncepcja spodobała się i z początkiem października laboratorium stało się faktem. Wprawdzie, kiedy je tworzono, zupełnie nie zdawano sobie sprawy z tego, że w warunkach polskich jest to pomysł całkowicie pionierski, ale dziś już wiadomo, że tak właśnie jest.

PO GODZINACH ... STRZELEC 

Kto wie, czy kiedykolwiek idea taka miałaby szansę realizacji, gdyby nie zamiłowanie jej autora do sportu. Prawdziwą pasją prof. Gładyszewskiego jest bowiem strzelectwo. W tej dyscyplinie kierownik Zakładu Fizyki Doświadczalnej PL, a po godzinach pracy zawodnik lubelskiego Klubu Strzeleckiego „UNIA”, może poszczycić się wieloma znaczącymi osiągnięciami. Jest m.in. aktualnym mistrzem województwa lubelskiego w konkurencji karabin pneumatyczny (Kpn60) i drugim wicemistrzem Polski w konkurencji karabin dowolny – trzy postawy (Kdw3x10), a w swoim dorobku ma także Puchar Polski amatorów w Kpn. Ponadto pełni zaszczytną funkcję prezesa Wojewódzkiego Związku Strzelectwa Sportowego w Lublinie. Drugim, ale wcale nie mniej ważnym jego hobby jest żeglarstwo. Posiada bowiem także patent sternika jachtowego. To wszystko predestynuje go do zajęcia się sprawami sportu od strony czysto naukowej.

– Kiedy Adam Małysz zaczął latać bardzo daleko, zaczęto interesować się tym, jakie czynniki i działania trenerskie spowodowały tak ogromną zmianę w postawie naszego skoczka. Zaczęto mówić o wykorzystaniu wiedzy naukowej prof. Jerzego Żołądzia oraz dr. Jana Blecharza. Niektórzy traktowali sam fakt wprowadzania treningu mentalnego, zastosowania specjalnych platform tensometrycznych jako wielką nowość. Tymczasem, jako zawodnik strzelectwa sportowego, znałem te zagadnienia od lat.

Mój rozmówca przekonuje, że w gruncie rzeczy każda konkurencja sportowa jest tak naprawdę pochodną fizyki! Oglądając przed telewizorem transmisję z zawodów nie zaprzątamy sobie tym głowy. Ale przecież procedura oddania strzału przez Renatę Mauer to nic innego, jak splot podstawowych zasad fizyki. Są tam i elementy mechaniki – jak statyka, kinematyka, dynamika i teoria drgań – optyki, termodynamiki, a nawet hydrodynamiki, tłumaczy prof. Gładyszewski. Podobnie jest ze skoczkami wzwyż, którzy pokonują poprzeczkę niosąc swój środek ciężkości kilkanaście centymetrów... pod nią. Czyż fizyka nie jest fascynująca?

– Zastosowanie nowoczesnych platform tensometrycznych, skanerów laserowych oraz oprogramowania, budowanych i tworzonych w naszym laboratorium, umożliwi szczegółową analizę procesów w różnych dyscyplinach sportu wyczynowego – wyjaśnia kierownik zakładu.
Laboratorium działa zaledwie przez kwartał, a już powstały w nim dwa programy komputerowe wspomagające działania treningowe oraz kilka elementów wyposażenia sprzętu sportowego, które zostały przetestowane przez najlepszych zawodników w Polsce. Tworzenie prototypów takich urządzeń to zresztą jeden z podstawowych celów funkcjonowania laboratorium. Wykonano już m.in. aparat zwany „elektronicznym sędzią”, który umożliwia bezbłędne ocenianie tarcz w strzelectwie sportowym. – Nie ukrywam, że jest to moje „oczko w głowie”. Jako fizyka denerwuje mnie bardzo, gdy sędziowie błędnie oceniają tarcze, a ja wiem, że często nie wynika to z ich złej woli, tylko z braku odpowiednich urządzeń. Zdradzę, że w opracowanym przez nas aparacie analizując położenie przestrzeliny w obrazie tarczy stosujemy m.in. szybką transformatę Fouriera.

Skonstruowano także trenażer strzelecki, który spełnia wszystkie funkcje znanych dotychczas urządzeń tego typu (np. znanego systemu SCATT), ale jest kilkakrotnie tańszy i prostszy w obsłudze. Pozwala on śledzić i archiwizować każdy ruch zawodnika przed strzałem, w momencie strzału i po jego oddaniu. – Opracowaliśmy również nowy system zbierania danych i przeprowadzania tzw. części szybkich konkurencji strzeleckich. Kadra województwa lubelskiego już wykorzystuje ten system podczas treningów i na zawodach.

Obecnie trwają zaawansowane prace przy budowie specjalistycznej platformy tensometrycznej, która posłuży do badań sprawnościowych lekkoatletów. Ponieważ laboratorium jest pierwszą tego typu placówką w Polsce, pomagać będzie wielu sportowcom. Ale prof. Gładyszewski nie ukrywa, iż z uwagi na zamiłowanie do strzelectwa, ta dyscyplina miała pierwszeństwo. – Raczej trudno wyobrazić sobie, że zaczniemy od dyscypliny, na której się nie znamy bądź znamy tylko jako bierni obserwatorzy, np. od żużla. Chociaż już w tej chwili przychodzi mi do głowy parę pomysłów dotyczących także tej dyscypliny: optymalność toru jazdy, „złamania” motocykla, obniżenie środka ciężkości na wirażu. Myślę, że tu także byłoby spore pole do popisu.
To jednak na razie melodia przyszłości. W planach jest także współpraca z pracownikami Katedry Ergonomii nad projektowaniem elementów wyposażenia sportowego, tak by ten przysłowiowy ułamek procentu szansy na zwycięstwo dodać do całości już wypracowanej.

NIE TYLKO LABORATORIUM

Laboratorium otrzymuje środki na działalność z budżetu uczelni (w ramach działalności statutowej i badań własnych). Prof. Gładyszewski w najbliższym czasie spodziewa się także funduszy z tzw. limitu dydaktycznego. Jak mówi, już zgłaszają się studenci, którzy chcieliby tu wykonywać prace magisterskie. W nieco dalszej perspektywie planuje się utworzenie specjalności fizyka sportu. – Na pewno nie ograniczymy się do klasycznych źródeł finansowania. Będziemy występowali do Komitetu Badań Naukowych z wnioskami o przyznanie środków w ramach projektów badawczych. Zamierzamy także porozumieć się w tym zakresie z polskimi związkami sportowymi poszczególnych dyscyplin.

Kierownik Zakładu Fizyki Doświadczalnej mówi o laboratorium z największą dumą, niczym o własnym dziecku. Ale nie zapomina o innych badaniach. Jego pracownicy zajmują się przede wszystkim tematyką właściwości fizycznych cienkich warstw i struktur wielowarstwowych oraz oddziaływań nadsubtelnych i strukturą cienkich warstw żelaza. W prace Laboratorium Fizyki Sportu zaangażowana będzie bezpośrednio najwyżej połowa zespołu. Prof. Gładyszewski nie mówi inaczej o swoich podopiecznych, jak o zgranej grupie, więc na pewno pozostałe tematy wiodące na tym nie ucierpią. Tym bardziej że duża część prac będzie prowadzona we współpracy z innymi ośrodkami, m.in. wrocławską AWF, Zakładem Fizyki Ogólnej UMCS czy Instytutem Sportu w Warszawie.
– Fizyka doświadczalna nie jest od nas aż tak daleko. Efektami naszych prac jest większość wszystkich udogodnień, z jakich korzystamy każdego dnia. Po powrocie z pracy do domu zasiadamy w fotelu, by posłuchać ulubionej muzyki odtwarzanej z płyt CD. To, że one w ogóle istnieją, zawdzięczamy fizykom. Ale nie musimy o tym myśleć. Możemy odpoczywać, snuć marzenia, np. o monitorze komputerowym lub telewizorze, który można zwinąć w rulon i schować do kieszeni. Co ciekawe, to już też nie jest tylko fikcja.

Jednym z największych powodów do dumy zespołu prof. Gładyszewskiego, są badania z zakresu rozpraszania promieni rentgenowskich w cienkich warstwach i układach wielowarstwowych. Zarówno jakość tranzystorów cienkowarstwowych, jak i narzędzi precyzyjnych zależy od mikrostruktury materiałów, z których elementy te są wykonane. To właśnie promieniowanie rentgenowskie umożliwia badanie mikrostruktury z dokładnością większą niż 10-10 metra.

– Na pewno sukcesem możemy nazwać wprowadzenie na „rynek naukowy” naszego modelu trójwymiarowej struktury supersieci metalicznych. W latach 1985-90 komputery pozwalały nam na symulację struktur jednowymiarowych. Badane układy przybliżane więc były bardzo uproszczonymi modelami. Nic dziwnego, że wyciągane wnioski i opracowane wyniki z konieczności należało traktować jako przybliżone.

ŚCISŁE KONTAKTY

W latach 1993-95, wspólnie z prof. Y. Bruynseraede’em z Laboratorium VSM Katolickiego Uniwersytetu w belgijskim Leuven, zespół z Politechniki Lubelskiej opracował dwuwymiarowy model supersieci, który po zastosowaniu do interpretacji widm niskokątowej dyfrakcji promieni rentgenowskich w tych materiałach umożliwiał dokładniejsze określanie budowy i struktury badanych warstw. Praca prezentująca model została opublikowana w prestiżowym czasopiśmie amerykańskim „Physical Review B.” Później – już w ramach prowadzonych prac w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej – zwrócono uwagę na fakt, iż próba interpretacji rentgenowskich widm dyfrakcyjnych w obszarze niezwierciadlanego rozpraszania wysokokątowego na podstawie modelu dwuwymiarowej struktury prowadziłaby już do poważnych błędów.

– Popularnie stosowana do badania naprężeń metoda „sin2psi” dawała rezultaty różniące się nawet o kilkaset procent od wartości rzeczywistych. Nasi partnerzy zagraniczni zwrócili się do nas z prośbą o rozwiązanie tego problemu. Dlatego w ciągu ostatnich kilku lat dużo wysiłku włożyliśmy w rozbudowę modelu, by umożliwić symulację rozpraszania promieni rentgenowskich w strukturze trójwymiarowej. Model zdał egzamin na piątkę, jego szczegóły i przykładowe zastosowania stały się zaś głównym tematem projektu Polonium 2000-02.

Ten międzynarodowy program realizowany jest wspólnie z prof. Olivierem Thomasem z Laboratorium TECSEN Uniwersytetu w Marsylii. Lubelska uczelnia ma spory wkład w tę współpracę, gdyż opracowany w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej PL model trójwymiarowej struktury supersieci metalicznych oraz oparty na nim program komputerowy jest właściwie jedynym narzędziem pozwalającym poprawnie interpretować pomiary dyfrakcyjne w obszarze wysokokątowym niezwierciadlanego rozpraszania promieni X w supersieciach.

– Utrzymujemy także ścisłe kontakty z Uniwersytetem w Poitiers. Nasz zakład jest partnerem tamtejszego Laboratorium Metalurgii Fizycznej. Wspólnie z prof. Christianem Jaouenem doprowadziliśmy nawet do podpisania umowy międzynarodowej naszych uczelni. Współpraca dotyczy głównie badań nad modyfikowaniem naprężeń w układach cienkich warstw metalicznych metodami implantacji jonów oraz wygrzewania. Nie ukrywam jednak, że w zaistniałej sytuacji będę chciał rozszerzyć tę współpracę o tematykę zastosowań fizyki w sporcie.

W Politechnice rozpoczęto także tworzenie międzynarodowego konsorcjum w ramach 6. Programu Ramowego Unii Europejskiej. Przewiduje się, że weźmie w nim udział kilkunastu partnerów z uczelni oraz małych i średnich przedsiębiorstw z Francji, Niemiec, Danii, Szwecji i Polski. Zakład Fizyki Doświadczalnej podjął się odpowiedzialnej roli koordynatora takiego projektu. Będzie on poświęcony jednemu z priorytetowych obszarów badawczych – nanotechnologii i nauce o materiałach.

Wróćmy na koniec do laboratorium, które już wkrótce dla niejednego sportowca może stać się równie istotnym źródłem informacji, co gabinet fizjologa czy pokój trenera. Nie będzie ono jednak na pewno fabryką czempionów.

– Zawodnicy zwykle źle znoszą natłok informacji i szybki postęp techniczny. Sport to prosta działalność. Trzeba szybko pobiec, wysoko skoczyć, celnie strzelić albo daleko rzucić. To wszystko. Jeśli zasypie się zawodnika stosem wyników analiz fizjologicznych, statystyką, rezultatami z trenażerów, to straci on to, co najważniejsze – wiarę i zaufanie w swoje możliwości i umiejętności. Opowiadam się więc jak najbardziej za rozwojem nauki i techniki, ale jestem zdecydowanie przeciwny próbom sztucznego programowania sportowca – mówi prof. Grzegorz Gładyszewski.

Komentarze