Multidirektionale Belastung und mechanische Leistung: Messung der Kosten einer Richtungsänderung

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Hannah Knowles & Codey Moran, Catapult Sports

Das Wichtigste in Kürze:

• Die fehlende Hälfte der Belastung erfassen: Richtungswechsel machen etwa die Hälfte der gesamten Beschleunigungsbelastung im Mannschaftssport aus, werden jedoch von herkömmlichen, auf Geschwindigkeit basierenden Messgrößen völlig außer Acht gelassen. „Multidirectional Load“ isoliert lineare Beschleunigung, lineare Verzögerung und Querbeschleunigung, um ein umfassendes Bild der mechanischen Belastung zu liefern.

• Ein validiertes biomechanisches Modell: Mechanische Arbeit (kJ/kg) und mechanische Leistung (W/kg) quantifizieren den körperlichen Aufwand einer Bewegung anhand eines Vier-Komponenten-Modells, das die horizontale, vertikale, laterale und den Schwung der Gliedmaßen berücksichtigt. Dadurch wird sichergestellt, dass schnelles Laufen in gerader Linie und enge Übungen auf kleinem Raum auf einer präzisen Skala verglichen werden können.

• Echtzeitanpassungen und objektive Rückkehr zum Sport: Diese Kennzahlen sind live auf dem Vector S8 und nach der Trainingseinheit auf dem Vector S7 ohne „New hardware “ verfügbar und ermöglichen es Trainern, die Intensität der Übungen während einer Trainingseinheit anzupassen und verletzte Sportler anhand ihrer eigenen objektiven Profile vor der Verletzung schrittweise wieder an den Sport heranzuführen.

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Athleten Monitoring basiert auf Position, Geschwindigkeit und linearer Beschleunigung. Diese Messgrößen beschreiben, wie schnell sich ein Sportler in seiner Bewegungsrichtung fortbewegt, und das tun sie sehr gut. Was sie jedoch nicht erfassen, sind Richtungswechsel, die im Mannschaftssport etwa die Hälfte aller Beschleunigungsanforderungen ausmachen.

Diese Lücke hat Konsequenzen, mit denen ein Trainer jede Woche konfrontiert ist. Zwei Übungen weisen identische Werte bei der Distanz und beim Hochgeschwindigkeitslauf auf, waren aber eindeutig nicht dieselbe Trainingseinheit. Ein Trainingsblock erscheint vom Umfang her gut dosiert, ähnelt aber nicht einem Wettkampf. Ein Athlet erfüllt alle laufbasierten Kriterien für die Rückkehr ins Spiel, sieht aber beim Abbiegen immer noch nicht richtig aus. In jedem dieser Fälle wurden die entscheidenden Informationen nie gemessen, sodass die Frage nur mit dem Auge geklärt werden konnte.

Catapult veröffentlicht mehr als 30 neue Parameter, um diese Lücke zu schließen. „Multidirectional Load“ unterscheidet zwischen den beiden Vorgängen, die ein Körper bei der Beschleunigung ausführt: Geschwindigkeitsänderung und Richtungsänderung. „Mechanische Arbeit“ und „Mechanische Leistung“ beschreiben den physikalischen Aufwand beider Vorgänge. Zusammen zeigen sie, woher die Belastung kam, wie groß sie war und wie intensiv der Sportler trainiert hat. Diese Werte sind während der Trainingseinheit live auf dem Vector S8 und nach der Trainingseinheit auf dem Vector S7 verfügbar und werden aus den Positionsdaten berechnet, die Ihre Geräte bereits erfassen.

Im Folgenden wird erläutert, wie sie abgeleitet wurden, wie sie validiert wurden, was sie zeigen und wie man sie einrichtet.

Warum geschwindigkeitsbasierte Messgrößen eine Kurve nicht erkennen können

Die Beschleunigung, wie sie üblicherweise gemessen wird, gibt an, wie schnell sich die Geschwindigkeit eines Sportlers ändert. Die Geschwindigkeit ist ein einzelner Wert ohne Richtungsangabe, daher kann eine daraus abgeleitete Beschleunigung nur aussagen, ob ein Sportler schneller oder langsamer wird.

In der Physik versteht man unter Beschleunigung jedoch jede Änderung der Bewegung, und dazu gehört auch eine Richtungsänderung. Stellen Sie sich ein Auto vor, das mit konstanter Geschwindigkeit von 40 km/h durch einen Kreisverkehr fährt. Der Tacho bewegt sich nicht, doch alle Insassen spüren, wie sie zur Seite gedrückt werden. Dieser seitliche Druck ist Beschleunigung, und genau das kann ein auf der Geschwindigkeit basierender Wert nicht erfassen.

Das Gleiche gilt für Sportler. Wer mit konstanter Geschwindigkeit in eine Kurve fährt, erhält den Wert Null. Wer vor dem Einlenken bremst, registriert zwar das Bremsen, aber nichts von der Kurve.

Nehmen wir einen Athleten, der mit einer konstanten Geschwindigkeit von 5 m/s einen 10-Meter-Kreis läuft. Ein auf Geschwindigkeit basierender Messwert zeigt während der gesamten Runde den Wert Null an. In Wirklichkeit drückt der Athlet gegen den Boden, um diese Kurve während der gesamten Strecke mit^{einer Beschleunigung von 2},^{5 m/s²} zu halten, und nichts davon wird erfasst. Kombiniert man die Kurvenfahrt mit einer Beschleunigung oder Verzögerung, erhält man die Gesamt- oder Resultierbeschleunigung.

Aufteilung der Beschleunigung auf zwei Kanäle: linear und seitlich

Fügt man zur Geschwindigkeit die Bewegungsrichtung hinzu, lässt sich die Beschleunigung ganz natürlich in zwei Teile unterteilen.

Lineare (tangentiale) Beschleunigung bezeichnet die Zunahme oder Abnahme der Geschwindigkeit entlang der Bewegungsrichtung des Sportlers. Sie ist positiv bei Beschleunigung und negativ beim Bremsen und wird bereits von den auf der Geschwindigkeit basierenden Messgrößen erfasst.

Die seitliche (zentripetale) Beschleunigung ist eine Richtungsänderung, der seitliche Schub quer zur Fahrtrichtung. Bei einer geraden Fahrt ist sie gleich Null, und genau dieser Aspekt wird von geschwindigkeitsbasierten Messgrößen nicht erfasst.

Zusammen ergeben sie die Gesamtbeschleunigung (Resultant), also wie stark der Sportler zu jedem Zeitpunkt beschleunigt, unabhängig davon, in welche Richtung er sich bewegt.

In einer Kurve, die mit konstanter Geschwindigkeit durchfahren wird, tritt keine lineare Beschleunigung auf. Die orangefarbenen Pfeile stehen für die Querbeschleunigung: die Kraft, die bei Richtungsänderungen wirkt und von geschwindigkeitsbasierten Messgrößen nicht erfasst wird.

Derselbe 45-Sekunden-Rundkurs mit Richtungswechseln, dargestellt auf drei verschiedene Arten. Die lineare Beschleunigung (links) wird dort hervorgehoben, wo der Athlet beschleunigt und abbremst, die Querbeschleunigung (Mitte) dort, wo er die Richtung wechselt, und die resultierende Beschleunigung (rechts) kombiniert beide. Mit Farbe sind Messwerte über 2 m·s⁻² gekennzeichnet.

Wenn man das linke und das mittlere Feld nebeneinander betrachtet, wird der Sachverhalt von selbst deutlich. Die beiden Kanäle beleuchten fast ausschließlich unterschiedliche Teile desselben Kreislaufs, und alles, was das mittlere Feld zeigt, ist die Belastung, die der Sportler erzeugt hat und die von keiner bestehenden Messgröße erfasst wurde.

Zwei Faktoren bestimmen, wie stark die Querbeschleunigung in einer Kurve ist: die Geschwindigkeit des Sportlers und der Kurvenradius. Die Geschwindigkeit hat den größeren Einfluss: Verdoppelt man sie, steigt die Querbeschleunigung um das Vierfache, während sich die Querbeschleunigung bei halbiertem Kurvenradius nur verdoppelt.

Querbeschleunigung, m/s². Ein Strich kennzeichnet eine Kurve, die bei dieser Geschwindigkeit zu eng ist, um sie zu fahren.

Dies ist ein Trainingsinstrument. Da die Querbeschleunigung mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunimmt und mit zunehmender Kurvenweite abnimmt, stehen einem Trainer, der den Richtungswechsel stärker fördern möchte, zwei Hebel mit ganz unterschiedlichen Auswirkungen zur Verfügung. Eine Verengung des Rasters erhöht die Anforderungen bei jeder Kurve, hält aber die Laufgeschwindigkeit niedrig. Eine Vergrößerung des Rasters und eine Erhöhung der Einlaufgeschwindigkeit steigern die seitlichen Anforderungen, während gleichzeitig hohe Geschwindigkeiten beibehalten werden. Es handelt sich um unterschiedliche Trainingseinheiten mit unterschiedlichen Anforderungen, und bisher gab es keine Messgröße, anhand derer man erkennen konnte, welche davon tatsächlich durchgeführt wurde.

Was „Multidirectional Load“ angibt und in welchem Zusammenhang dies mit der Beschleunigungsbelastung steht

Durch die Integration der Beschleunigung über die Zeit ergibt sich eine Belastung in beliebigen Einheiten, die auf derselben Skala liegt wie die bereits verwendete Kennzahl „Beschleunigungsbelastung“. Die Beschleunigungsbelastung ist derzeit ein absoluter Wert, der Beschleunigung und Bremsen zusammenfasst. Die multidirektionale Belastung geht noch einen Schritt weiter: Sie ist ein einziger Wert, der Beschleunigung, Verzögerung und Richtungswechsel erfasst und anschließend in die einzelnen Komponenten aufgeschlüsselt werden kann.

Man sollte sich darüber im Klaren sein, wie sich dies auf einen Wert auswirkt, den Sie bereits verwenden. Die linearen Komponenten stimmen insgesamt mit Ihrer bestehenden Beschleunigungslast überein. An der Art und Weise, wie Beschleunigung und Bremsen gemessen werden, hat sich nichts geändert. Sie wurden in separate Kostenfaktoren aufgeteilt, und daneben wurde eine dritte Komponente hinzugefügt.

Wie sich die Kanäle aufteilen, hängt fast ausschließlich davon ab, was der Sportler gerade tut:

Die Extreme sind intuitiv nachvollziehbar. Ein 20-Meter-Sprint verläuft fast ausschließlich linear, ein Rundlauf fast ausschließlich seitlich. Der nützliche Teil ist alles dazwischen, denn genau daraus setzen sich Trainingseinheiten tatsächlich zusammen, und die Mischung bei einem Kurrenlauf oder einem Zickzacklauf lässt sich von niemandem zuverlässig mit bloßem Auge einschätzen. In vier Mannschaftssportarten macht die seitliche Belastung zwischen 42 und 53 Prozent der gesamten multidirektionalen Belastung im Spielbetrieb aus.

Von der Belastung zur Arbeit: die körperlichen Kosten und das dahinterstehende biomechanische Modell

Die multidirektionale Belastung in beliebigen Einheiten beschreibt die Richtung und Verteilung der Beschleunigungsbelastung. Die mechanische Arbeit beschreibt deren physikalische Größe in Kilojoule pro Kilogramm Körpermasse (kJ/kg).

Die „Mechanical Work“ von Catapult basiert auf einem vierkomponentigen biomechanischen Modell, das auf begutachteten Forschungsarbeiten (Gray et al., 2018, 2023) aufbaut. Das Modell berücksichtigt vier unterschiedliche mechanische Anforderungen und fasst diese zu einem einzigen „Mechanical Work“-Wert zusammen:

• Horizontal: Beschleunigen und Abbremsen in Fahrtrichtung
• Vertikal: das Abfedern bei jedem Schritt, das Anheben und Absenken des Körpers
• Gliedmaßen: Bei jedem Schritt die Arme und Beine schwingen
• Seitwärtsbewegung: Richtungswechsel: die Seitwärtsbewegung

Da das Modell das Bremsen und das Kurvenfahren getrennt berücksichtigt, erfasst es zwei Anforderungen, die bei Ansätzen mit nur einer Kennzahl zusammengefasst werden. Die Geschwindigkeit und Beschleunigung des Geräts wurden in einer veröffentlichten Studie (Ellens et al., 2025) anhand der Vicon-Bewegungserfassung validiert. Die Kanäle für die lineare und die seitliche Beschleunigung wurden seitdem anhand desselben Kriteriums überprüft; die vollständigen Ergebnisse werden in einem in Kürze erscheinenden Whitepaper veröffentlicht.

Die Einbeziehung der Gliedmaßen ist das, was ein biomechanisches Modell von einem einfachen Produkt aus Beschleunigung und Geschwindigkeit unterscheidet. Das Schwingen der Arme und Beine ist Arbeit, die in der Ganzkörperbeschleunigung nicht zum Ausdruck kommt, jedoch bei Laufgeschwindigkeiten einen erheblichen Anteil am Gesamtwert ausmacht (Minetti, 1998). Ein Modell ohne einen Term für die Gliedmaßen kann dies nicht berücksichtigen. Dies ist nicht nur für die Genauigkeit, sondern auch für die Interpretation von Bedeutung. Ohne einen Term für die Gliedmaßen wird schnelles Laufen in gerader Linie zu niedrig bewertet, sodass eine Laufeinheit mit hoher Geschwindigkeit im Vergleich zu einem Spiel in kleiner Besetzung leichter erscheinen kann, als sie tatsächlich ist. Genau dieser Vergleich wird anhand dieser Zahlen häufig angestellt. 

Ausgedrückt als Rate ergibt dieselbe Berechnung die mechanische Leistung in Watt pro Kilogramm (W/kg). Die angegebenen Werte reichen von der gesamten mechanischen Arbeit (kJ/kg) und der mechanischen Arbeit pro Minute (kJ/kg/min) bis hin zur durchschnittlichen und maximalen mechanischen Leistung (W/kg), wobei die momentane Leistung pro Probe nach Abschluss der Sitzung verfügbar ist.

Multidirektionale Belastung während eines gesamten Spiels

Die neuen Kennzahlen „Multidirektionale Belastung“ und „Mechanische Leistung“ ergänzen bestehende Kennzahlen wie Distanz und Hochgeschwindigkeitslaufen, sodass sie in die aktuellen Spiel- und Trainingsberichte aufgenommen werden können, anstatt diese zu ersetzen.

In einem kompletten Spiel liefert dieselbe Aufschlüsselung ein Richtungsprofil pro Athlet. Für den abgebildeten Stürmer setzt sich die gesamte multidirektionale Belastung von 5.708 AU aus 1.312 AU linearer Beschleunigung, 1.254 AU linearer Verzögerung und 3.142 AU seitlicher Belastung zusammen, aufgeteilt in 1.507 AU links und 1.635 AU rechts. Mehr als die Hälfte der Beschleunigungsanforderungen dieses Athleten entfiel auf einen Bereich, der von keiner Distanz- oder Geschwindigkeitskennzahl erfasst wird.

Die mechanische Leistung wird in konfigurierbaren Intensitätsbändern angezeigt, sodass Trainer Schwellenwerte festlegen können, die auf ihre Sportart und ihre Athletengruppe zugeschnitten sind, und anschließend die in jedem Band zurückgelegte Distanz und Zeit erfassen können. In der gezeigten Trainingseinheit liegen 59 Prozent der Zeit unter 2,5 W/kg und 5 Prozent über 12,5 W/kg. Anhand dieser Verteilung lässt sich überprüfen, ob eine Übung die beabsichtigte Intensität erreicht, und eine Verringerung der Intensität von einer Verringerung des Volumens unterscheiden.

Live auf Vector S8: Die Übung ändern, anstatt sie zu wiederholen

Bei jedem anderen System handelt es sich hierbei um Werte, die der Therapeut erst nach Beendigung der Sitzung abliest – zu diesem Zeitpunkt ist es jedoch bereits zu spät, die Übung, die zu diesen Werten geführt hat, noch zu ändern. Bei Vector S8 werden diese Werte bereits während der Übung auf dem Bildschirm angezeigt. Der Therapeut kann den Spitzenwert innerhalb einer Minute sowie die sich ansammelnden Belastungskomponenten in Echtzeit verfolgen.

In der Praxis dient dies als Überprüfung der Intensität im Hinblick auf die verbleibende Trainingszeit. Wenn die mechanische Kraft bis zur dritten Wiederholung den angestrebten Bereich noch nicht erreicht hat, wird die Übung nicht den gewünschten Effekt erzielen, und sie kann verlängert oder abgebrochen werden, bevor der Rest der Trainingseinheit dafür aufgewendet wird. Dasselbe gilt für einen Schritt im Rahmen der Rückkehr zum Spielbetrieb, bei dem die seitlich auftretende Belastung zeigt, ob ein Athlet die vorgeschriebene Belastung erreicht, während der Schritt noch bestätigt oder beibehalten werden kann.

Was sich ändert, ist eher der Zeitpunkt als der Inhalt. Eine Nummer nach der Sitzung bestimmt die nächste Sitzung. Eine Live-Nummer ändert die nächste Wiederholung.

Vier Anwendungsmöglichkeiten für Fachleute

Übungen entsprechend den Bewegungsanforderungen des Wettkampfs gestalten. Ein Spiel weist ein bestimmtes Belastungsmuster auf – wie sich die multidirektionale Belastung auf Beschleunigung, Abbremsen und Richtungswechsel verteilt. Auch die Trainingswoche weist ein solches Muster auf. Stellt man beide nebeneinander – nach Mannschaft, Position oder Athlet –, wird die Frage nach der Spezifität eher zu einem Vergleich als zu einer subjektiven Einschätzung.

Quantifizierung der Belastung durch Richtungswechsel. Der gleiche Vergleich lässt sich auch auf der Ebene der Übungen anwenden. Nehmen wir zwei Übungen mit gleicher Dauer und gleicher Distanz: eine auf offenem Gelände und eine in einem engen Raster. In Bezug auf Distanz und Geschwindigkeit können sie identisch erscheinen. Die seitliche Belastung, die hohe seitliche Belastung und die mechanische Arbeit unterscheiden sie voneinander, und die Zwischenzeiten der Übungen zeigen, an welcher Stelle der Trainingseinheit die höchste Belastung liegt.

Überprüfung, ob ein Trainingsblock die gewünschte Wirkung zeigt. Die Laufdistanz und das Laufen mit hoher Geschwindigkeit können von Woche zu Woche konstant bleiben, während die seitliche Belastung und die hohe seitliche Belastung zunehmen. Dabei handelt es sich um das Training von Richtungswechseln auf einer stabilen Laufgrundlage, was bei geschwindigkeitsbasierten Messwerten völlig außer Acht gelassen würde. So lässt sich erkennen, ob ein Block die geplante Fortschrittsentwicklung erzielt.

Schrittweise Rückkehr zum Spielbetrieb anhand objektiver Kennzahlen. Die Rückkehr zum Spielbetrieb verläuft in der Regel vom geradlinigen Laufen über abgestufte Richtungswechsel bis hin zu spielähnlichen Situationen. Jeder Schritt wurde bisher in der Regel anhand des Fortschrittsplans und der Bewegungsqualität visuell beurteilt. „Lateral Load“ zeigt, wie viel Richtungswechselbelastung ein Athlet in jedem Schritt bewältigt, „High Lateral Load“, wie viel davon aus scharfen Drehungen besteht, und „Mechanical Power“, wie stark er dabei beansprucht wird. Im Vergleich zum eigenen Profil des Athleten vor der Verletzung macht der Athlet bei diesen Kennzahlen Fortschritte – nicht nur rein zeitlich.

Wo die Kennzahlen erscheinen: Geräte, Plattformen und Verfügbarkeit

Alle Kennzahlen werden aus den Tracking-Daten berechnet, die die Geräte ohnehin bereits erfassen. Es ist also kein neuer „ hardware “ erforderlich, und es sind keine Änderungen an der Gerätekonfiguration oder am Arbeitsablauf notwendig.

Vector S8 (Pro-Stufe): live während der Sitzung, in der „ OpenField “-Konsole und unter Vector Live sowie nach der Sitzung.

Vector S7 (Pro-Stufe): nach der Sitzung, in der „ OpenField “-Konsole und in der Cloud.

Leistungsbereiche einrichten

Die mechanische Leistung wird in bis zu acht konfigurierbaren Bereichen in zwei Sätzen dargestellt. Der absolute Satz verwendet feste Schwellenwerte, die für jeden Athleten identisch sind. Dadurch bleibt die Skala innerhalb einer Mannschaft konstant und eignet sich neben der Beschreibung der Spielanforderungen auch für den Vergleich von Übungen und die Erstellung von Positionsprofilen. Der relative Satz wendet Schwellenwerte an, die als Anteil des eigenen Maximums jedes Athleten ausgedrückt werden, was sich für die Rückkehr ins Spiel und individuelle Trainingsempfehlungen eignet. Wie bei der Höchstgeschwindigkeit benachrichtigt „ OpenField “ die Nutzer, wenn ein Athlet eine neue maximale mechanische Leistung erreicht, und das Profil kann über die Benachrichtigung aktualisiert werden, sodass die relativen Bereiche stets auf dem neuesten Stand bleiben. Für jeden Bereich werden Dauer und Distanz sowohl als Rohwerte als auch in Prozent angegeben.

Was das Modell annimmt und was es nicht berücksichtigt

Die mechanische Arbeit und die mechanische Leistung werden pro Kilogramm Körpergewicht angegeben, wodurch Sportler unterschiedlicher Statur direkt miteinander verglichen werden können. Absolutwerte werden zusätzlich angegeben, um Fragen zur Gesamtleistung und nicht zum Bedarf im Verhältnis zur Körpergröße zu beantworten.

Es handelt sich hierbei um externe Messgrößen, die anhand der Bewegungen des Athleten auf dem Boden berechnet werden. Sie berücksichtigen weder Zusammenstöße noch Körperkontakt, unterscheiden nicht zwischen verschiedenen Arten von Muskelaktivitäten und geben keinen Aufschluss über den inneren physiologischen Aufwand einer Trainingseinheit.

Zusammenfassung: Mehrrichtige Belastung und mechanische Leistung

„Multidirectional Load“ gibt Aufschluss darüber, wie hoch die Beschleunigungsanforderungen während einer Trainingseinheit waren und woher sie stammten – Beschleunigen, Bremsen oder Richtungswechsel. „Mechanical Work“ zeigt, welche körperliche Belastung dies für den Sportler bedeutete. „Mechanical Power“ gibt Auskunft darüber, wie intensiv er zu jedem Zeitpunkt trainierte.

Dadurch werden die drei Situationen am Anfang dieses Artikels zu Fragen mit Antworten. Die beiden Übungen, die hinsichtlich der Distanz identische Ergebnisse lieferten, unterscheiden sich in Bezug auf die seitliche Belastung und die mechanische Arbeit, und die Aufschlüsselung der Übungen zeigt, an welcher Stelle der Trainingseinheit der Unterschied lag. Der Block, der hinsichtlich des Volumens gut dosiert erschien, kann Position für Position anhand der belastungsspezifischen Merkmale des jeweiligen Spiels überprüft werden, anstatt sich auf eine subjektive Einschätzung zu stützen. Der Athlet, der zwar alle Laufkriterien erfüllt, bei den Drehbewegungen jedoch nicht richtig aussieht, kann nun anhand des entscheidenden Maßstabs überprüft werden: der seitlichen Belastung, im direkten Vergleich mit seinem Profil vor der Verletzung.

Der Richtungswechsel war schon immer die Hälfte der Anforderungen im Mannschaftssport. Heute ist er die Hälfte des Maßstabs.

Referenzen

Minetti AE. (1998). Eine Modellgleichung zur Vorhersage der mechanischen inneren Arbeit bei der Fortbewegung an Land. J Biomech 31(5):463-468.

Ellens S, Moran C, Varley MC. (2025). Parallele Validität und geräteübergreifende Reliabilität des GNSS-Geräts „ Catapult Vector S8“. PLoS One 20(10):e0333792.

Gray AJ, Shorter K, Cummins C, Murphy A, Waldron M. (2018). Modellierung der Bewegungsenergetik mithilfe von GPS-Geräten in Kontaktsportarten: Grenzen und Lösungen. Sports Med 48:1357–1368.

Gray A., Andrews M., Waldron M., Jenkins D. (2023). Ein Modell zur Berechnung der mechanischen Belastungen beim Laufen auf festem Untergrund. Sports Biomech 22(10):1256–1277.