多方向の荷重と機械的動力：方向転換に伴うコストの測定

---

ハンナ・ノウルズ＆コーディー・モラン、カタパルト・スポーツ

主なポイント：

• 見落とされていた需要の半分を捉える：チームスポーツにおける加速需要の約半分は方向転換によるものですが、従来の速度ベースの指標ではこれを完全に見逃してしまいます。「多方向負荷」は、直線加速度、直線減速度、横加速度を個別に抽出することで、機械的負荷の全体像を明らかにします。

• 検証済みの生体力学モデル：機械的仕事（kJ/kg）および機械的出力（W/kg）は、水平、垂直、横方向、および四肢のスイングの力学を考慮した4成分モデルを用いて、動作に伴う身体的コストを定量化します。これにより、高速な直線走と、コンパクトで小規模なドリルを、正確な尺度で比較することが可能になります。

• リアルタイムでの調整と客観的な競技復帰基準：Vector S8ではセッション中に、Vector S7ではセッション終了後に、新たなハードウェアを導入することなく利用可能なこれらの指標により、指導者はセッション中にドリルの強度を調整し、負傷したアスリートが負傷前の自身の客観的なプロファイルに基づいて回復を進められるようにすることができます。

---

アスリートのモニタリングは、位置、速度、および直線加速度に基づいて行われてきました。これらの指標は、アスリートが進行方向に対してどれほどの速さで移動しているかを表しており、その点では十分に機能しています。しかし、これらの指標では方向転換を捉えることができません。チームスポーツにおいて、方向転換は加速度の要求全体の約半分を占めています。

そのギャップは、実務者が毎週直面する問題を引き起こしています。距離走と高速走の2つの練習結果がまったく同じ数値を示しているにもかかわらず、明らかに同じセッションではなかったことがわかります。あるトレーニングブロックの練習量は適切に調整されているように見えますが、実際の競技とはかけ離れています。ある選手は、ランニングを基盤とした競技復帰基準をすべてクリアしているにもかかわらず、ターン時の動きに違和感が見られます。いずれの場合も、重要な情報は測定されていなかったため、その疑問は目視でしか解決できませんでした。

Catapultは、このギャップを埋めるため、30以上の新しいパラメータを公開します。「多方向負荷」は、加速度を伴う動作のうち、速度の変化と方向の変化という2つの要素を区別します。 「Mechanical Work」と「Mechanical Power」は、これら2つの動作に伴う物理的なコストを表します。これらを組み合わせることで、負荷がどこから生じたのか、その量はどれくらいだったのか、そしてアスリートがどれほど激しく動いていたのかがわかります。これらのデータは、Vector S8ではセッション中にリアルタイムで、Vector S7ではセッション終了後に利用可能で、デバイスがすでに収集している位置データから算出されます。

以下では、これらの指標がどのように導き出されたか、どのように検証されたか、何を示しているか、そしてどのように設定するかについて説明します。

なぜ速度に基づく指標では方向転換が把握できないのか

一般的に測定される「加速度」とは、選手の速度がどれほど速く変化するかを示すものです。速度は方向を持たない単一の数値であるため、それに基づいて算出される加速度からは、選手が加速しているか減速しているかということしか判断できません。

しかし、物理学において、加速度とは運動の変化そのものを指し、そこには方向の変化も含まれます。時速40kmの一定速度でロータリーを回る車を想像してみてください。スピードメーターの針は動きませんが、車内の乗員は皆、横方向に押される感覚を覚えます。その横方向への押しが加速度であり、まさに速度に基づく数値では捉えきれないものなのです。

これはアスリートにも当てはまります。一定の速度でターンする選手の測定値はゼロになります。一方、ブレーキをかけてターンする選手の測定値にはブレーキの作用は反映されますが、ターンの動きは一切反映されません。

時速5m/sの一定速度で10mの円を走る選手を例に挙げよう。速度に基づく測定値では、一周を通してゼロと表示される。実際には、選手は曲線を維持するために地面を蹴り、運動全体を通じて2.^{5m/s²の加速度}をかけているが、その加速度は一切記録されない。この旋回運動に、加速や減速を組み合わせると、総加速度、すなわち合加速度が得られる。

加速度を「直線方向」と「横方向」の2つのチャネルに分割する

速度に進行方向を加えると、加速度は自然と2つの部分に分けられます。

直線（接線）加速度とは、選手が移動している方向に沿って速度が増加または減少することを指します。加速時は正の値、減速時は負の値となり、これは速度に基づく指標がすでに捉えている要素です。

横方向（求心）加速度は方向を変えるもので、進行線に対して横方向に作用する力です。直線走行時にはゼロになりますが、これは速度に基づく指標では捉えきれない部分です。

これらを合わせると、総加速度（合加速度）となり、選手がどの方向へ動いていようとも、その瞬間にどれほどの勢いで加速しているかを表します。

一定の速度でカーブを走行する場合、直線的な加速度は生じません。オレンジ色の矢印は横加速度を示しており、これは方向を変える力ですが、速度に基づく指標では捉えきれないものです。

同じ45秒間の多方向サーキットを3つの方法で示しています。直線加速度（左）は選手が加速・減速する箇所を、横方向加速度（中央）は方向を変える箇所を、合成分（右）はこれら2つを組み合わせたものをそれぞれ示しています。色は2 m·s⁻²を超えるサンプルを強調表示しています。

左のパネルと中央のパネルを併せて見れば、その要点は自ずと明らかになります。2つのチャネルは、同じサーキットのほぼ全く異なる部分を照らし出しており、中央のパネルに示されているものはすべて、既存の測定指標では記録されていなかった、そのアスリートが生み出した需要なのです。

ターンによって生じる横方向の加速度の大きさは、選手の速度とターンのきつさの2つの要素によって決まります。速度の影響の方が大きく、速度が2倍になれば横方向の負荷は4倍になりますが、ターンのきつさを半分にしても、負荷は2倍になるだけです。

横加速度、m/s²。ダッシュは、その速度では維持できないほどきついカーブを示しています。

これはトレーニング計画策定のためのツールです。横方向の加速度は速度の二乗に比例して増加し、ターン幅が広がるにつれて減少するため、方向転換の負荷を高めたい指導者は、結果が大きく異なる2つの手段を駆使することができます。グリッドを狭めると、各ターンの負荷は高まりますが、走行速度は抑えられます。 グリッドを広げ、進入速度を上げると、高速走行の負荷を維持しつつ、横方向の負荷を高めることができます。これらはコストの異なる異なるトレーニングセッションであり、これまで、実際にどちらを実施したかを判断できる指標は存在しませんでした。

「多方向荷重」が示す内容と、それが「加速度荷重」とどのように関連しているか

時間に対する加速度を積分すると、任意の単位での負荷が得られ、これはすでに使用されている「加速度負荷」指標と同じ尺度となります。現在の「加速度負荷」は、加速と減速を合わせた1つの絶対値です。一方、「多方向負荷」はさらに一歩進んでおり、加速、減速、方向転換を1つの数値で捉えるもので、その後、これらの各要素に分解することが可能です。

これが、すでに使用している数値にどのような影響を与えるのか、明確にしておく価値があります。線形成分は、既存の「加速負荷」と整合しています。加速や制動の測定方法に変更はありません。これらは個別のコストとして区分され、それらに加えて第3の構成要素が追加されただけです。

チャンネルの分け方は、ほぼ完全にその選手が何をしているかによって決まります：

極端な例は直感的に理解しやすい。20メートルのスプリントはほぼすべて直線的な動きであり、円を描くように走る場合はほぼすべて横方向の動きである。有用なのはその中間にあるすべての動きであり、なぜならトレーニングセッションは実際にはそれらを基に構成されており、曲線を描く走法やジグザグ走における動きの割合は、目視だけでは誰も確実に推定できないからだ。4つのチームスポーツにおいて、試合中の横方向の負荷は、総多方向負荷の42～53パーセントを占めている。

負荷から仕事へ：身体的代償と、その背景にある生体力学的モデル

「任意の単位系における多方向荷重」は、加速度要求の方向と分布を表します。「機械的仕事」は、その物理的な大きさを、体重1キログラムあたりのキロジュール（kJ/kg）で表します。

カタパルトの「機械的仕事」は、査読付き研究（Gray et al., 2018, 2023）に基づいて拡張された4要素からなる生体力学モデルに由来しています。このモデルは、4つの異なる機械的負荷を考慮し、それらを単一の「機械的仕事」値に統合しています：

• 水平方向：進行方向に沿って加速・減速する
• 垂直方向：各ストライドにおける跳ね上がり、つまり体を上げ下げすること
• 手足：一歩ごとに腕と脚を振る
• ラテラル：方向転換：左右への動き

このモデルは、制動と旋回を別々に考慮しているため、単一パラメータによるアプローチでは統合されてしまう2つの要求を個別に捉えることができます。本デバイスの速度および加速度については、公表済みの研究（Ellens et al., 2025）において、Viconモーションキャプチャを用いて検証が行われています。その後、直線加速度および横加速度の測定値についても同様の基準に基づいて検証が行われており、その詳細な結果は近日公開予定のホワイトペーパーに掲載される予定です。

四肢を含めることこそが、生体力学モデルを、単なる加速度と速度の積とは一線を画す点である。腕や脚を振る動作は、全身の加速度には現れない仕事であるが、走行速度においては総加速度の相当な割合を占めている（Minetti, 1998）。 四肢の項を含まないモデルでは、これを考慮に入れることができない。これは精度だけでなく、結果の解釈においても重要な点である。四肢の項がないと、高速の直線走の負荷が過小評価されてしまうため、高速ランニングのセッションは、少人数制のゲームと比較すると、実際よりも負荷が軽く見えてしまう。そして、まさにこの比較こそが、これらの数値が用いられる目的である。 

これを率として表すと、同じ計算から、ワット毎キログラム（W/kg）単位の機械的出力が得られます。報告されるデータには、総機械的仕事量（kJ/kg）や1分あたりの機械的仕事量（kJ/kg/min）から、平均および最大機械的出力（W/kg）までが含まれており、セッション終了後にはサンプルごとの瞬時出力も確認可能です。

試合全体にわたる多方向からの負荷

新しい「多方向負荷」および「機械的パワー」の指標は、距離や高速走行といった既存の指標と並んで提供されるため、現在の試合やトレーニングのレポートを置き換えるのではなく、それらに追加することができます。

試合全体において、この同じ分解分析を行うと、選手ごとの方向別プロファイルが得られます。図に示されたフォワードの場合、5,708 AUの「総多方向負荷」は、1,312 AUの直線加速度、1,254 AUの直線減速、および3,142 AUの横方向負荷に分解され、横方向負荷は左が1,507 AU、右が1,635 AUとなっています。 この選手の加速度負荷の半分以上は、距離や速度の指標では報告されない範囲に属していました。

メカニカルパワーは設定可能な強度帯ごとに表示されるため、指導者は競技や対象となるアスリート層に合わせて閾値を設定し、各強度帯で累積した距離や時間を追跡することができます。図示されたセッションでは、時間の59％が2.5 W/kg未満、5％が12.5 W/kgを超えています。この分布があるからこそ、ドリルが意図した強度に達しているかを確認したり、強度の低下と運動量の減少を区別したりすることが可能になるのです。

Vector S8のライブ配信：ドリルの見直しではなく、変更を行う

他のシステムでは、これらはセッション終了後に施術者が確認する数値であり、その数値を生み出したドリルを変更するには手遅れになってしまいます。Vector S8では、ドリルの実行中に画面上にこれらの数値が表示されます。施術者は、1分以内のピーク値や蓄積される負荷成分をリアルタイムで確認することができます。

実用面では、残りの実施時間における強度を確認する手段となります。3回目の反復までに機械的出力が所定の範囲に達していない場合、そのドリルは本来の目的を果たせないため、残りのセッション時間をこれに費やす前に、ドリルの時間を延長するか短縮することができます。これはプレー復帰の段階においても同様であり、サイドごとに蓄積される横方向の負荷によって、選手が所定の負荷条件を満たしているかどうかが判明し、その段階でドリルを継続するか中断するかを判断することができます。

変わるのは内容ではなく、タイミングです。セッション終了時の数値は、次のセッションの指針となります。リアルタイムの数値は、次の反復内容を変えます。

実務家がこれを利用する4つの方法

競技における動作の要求に基づいてドリルを設計する。試合には「負荷のパターン」があり、加速、減速、方向転換といった多方向の負荷がどのように配分されるかが示される。トレーニング週間にも同様のパターンがある。これらをチーム、ポジション、あるいは選手ごとに並べて比較すれば、「特異性」という問題は単なる意見ではなく、客観的な比較対象となる。

方向転換時の負荷の定量化。この比較はドリル単位でも有効です。同じ所要時間と距離の2つのドリルを例に挙げましょう。1つは広々としたスペースで、もう1つは狭いグリッド内で行われます。距離やスピードだけを見れば、両者は同じように見えるかもしれません。しかし、「横方向の負荷」、「高い横方向の負荷」、「機械的仕事量」によって両者を区別することができ、ドリルのスプリットタイムからは、セッションのどの部分で負荷がかかっているかがわかります。

トレーニングブロックが成果を上げているかどうかを確認する。距離や高速走行の量は週ごとに横ばいでも、横方向の負荷や高横方向の負荷は増加していくことがある。これは、安定したランニングの基盤の上に、方向転換の負荷を積み重ねていくものであり、スピードベースの指標では完全に見逃されてしまう要素だ。これにより、そのブロックが計画通りに進歩をもたらしているかどうかがわかる。

客観的な数値に基づいて競技復帰の段階を進めていく。競技復帰のプロセスは、通常、直線走から段階的な方向転換へ、そして実戦に近い状況へと進んでいく。 各段階は通常、復帰計画と動作の質を目視で判断して進められてきました。「横方向負荷」は各段階で選手がどれだけの方向転換に耐えているかを示し、「高横方向負荷」はそのうちどれだけの部分が急な方向転換であるかを示し、「機械的パワー」はその動作中に選手がどれだけの力を出しているかを示します。選手自身の負傷前のプロファイルと比較することで、選手は単なるカレンダー上の日程だけでなく、これらの指標に基づいて着実に復帰を進めていくことになります。

指標が表示される場所：デバイス、プラットフォーム、および利用状況

すべての指標は、デバイスがすでに収集している追跡データから算出されるため、新しいハードウェアは必要なく、デバイスの設定やワークフローを変更する必要もありません。

Vector S8（Pro プラン）：セッション中（OpenField コンソールおよびVector Live 内）およびセッション終了後にも利用可能です。

Vector S7（Pro プラン）：セッション終了後、OpenField コンソールおよびCloud上で。

パワーバンドの設定

機械的出力は、2つのセットに分かれており、最大8つの設定可能なバンドで報告されます。「絶対セット」では、すべての選手に共通の固定閾値が使用されます。これにより、チーム全体で尺度の一貫性が保たれ、ドリルの比較やポジションごとのプロファイリング、さらには試合での要求度の説明に適しています。「相対セット」では、各選手の自己最大値に対する割合として表された閾値が適用され、競技復帰や個別のトレーニング処方に向いています。 最大速度と同様に、「OpenField 」では、選手が新しい最大メカニカルパワーを記録した際にユーザーに通知され、通知からプロファイルを更新することで、相対的なバンドの情報を常に最新の状態に保つことができます。各バンドについては、持続時間と距離が、絶対値およびパーセンテージの両方で表示されます。

モデルがどのような前提を置いているか、そして何が捉えられていないか

「機械的仕事」と「機械的出力」は体重1キログラムあたりで報告されるため、体格の異なる選手同士を直接比較することができます。体格に対する需要ではなく、総出力に関する質問に対応するため、絶対値も併せて報告されています。

これらは、選手が地面上をどのように移動するかから算出される外的な指標です。これらは、衝突や接触を考慮しておらず、筋肉の働きの種類を区別しておらず、また、1回のトレーニングセッションにかかる内部的な生理的負荷についても説明していません。

「多方向荷重と機械的出力」のまとめ

「多方向負荷」は、そのセッションにどの程度の加速度の要求が含まれていたか、またそれが加速、制動、方向転換のどの動作に起因するかを示します。「機械的仕事量」は、それがアスリートにどのような身体的負荷をもたらしたかを示します。「機械的出力」は、その瞬間ごとにアスリートがどれほどの強度で運動していたかを示します。

これにより、この記事の冒頭で挙げた3つの状況は、答えのある問いへと変わります。距離の面で同一の結果を示した2つのドリルは、横方向の負荷と機械的仕事量によって区別され、ドリルの分析結果からは、セッションのどの部分でその違いが生じたかが明らかになります。ボリュームの面で適切に調整されているように見えたブロックは、単なる主観ではなく、試合そのものの負荷特性と、ポジションごとに比較検討することができます。 すべてのランニング基準をクリアしているものの、ターン時の動きに違和感が見られる選手は、重要な指標である「横方向の負荷」について、負傷前のプロファイルと並べて比較することで、その状態を確認できるようになった。

方向転換は、チームスポーツにおいて常にその要求の半分を占めてきた。そして今や、それは評価基準の半分となっている。

参考文献

Minetti AE. (1998). 陸上移動における機械的内部仕事の予測のためのモデル方程式. J Biomech 31(5):463-468.

Ellens S、Moran C、Varley MC. (2025). 「Catapult Vector S8 GNSSデバイス」の同時妥当性およびデバイス間信頼性。PLoS One 20(10):e0333792.

Gray AJ、Shorter K、Cummins C、Murphy A、Waldron M. (2018). コンタクト系チームスポーツにおけるGPS機器を用いた運動エネルギー消費量のモデル化：限界と解決策。Sports Med 48:1357-1368.

Gray A、Andrews M、Waldron M、Jenkins D. (2023). 地上走行における機械的負荷を算出するためのモデル。Sports Biomech 22(10):1256-1277.