다방향 하중과 기계적 동력: 방향 전환에 드는 비용 측정

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한나 놀스 & 코디 모란, 캐터펄트 스포츠

주요 내용:

• 누락된 수요의 절반을 포착하기: 팀 스포츠에서 방향 전환은 전체 가속 수요의 약 절반을 차지하지만, 기존의 속도 기반 지표들은 이를 전혀 포착하지 못합니다. ‘다방향 부하(Multidirectional Load)’는 선형 가속, 선형 감속, 횡가속을 분리하여 기계적 부하에 대한 종합적인 관점을 제공합니다.

• 검증된 생체역학 모델: 기계적 일(kJ/kg)과 기계적 출력(W/kg)은 수평, 수직, 횡방향 및 사지 스윙 역학을 고려한 4가지 구성 요소 모델을 사용하여 움직임에 드는 신체적 비용을 정량화합니다. 이를 통해 빠른 직선 달리기와 밀집된 소규모 훈련을 정확한 기준으로 비교할 수 있습니다.

• 실시간 조정 및 객관적인 경기 복귀 기준: Vector S8에서는 실시간으로, Vector S7에서는 세션 종료 후 새로운 하드웨어 없이도 확인할 수 있는 이 지표들을 통해, 전문가들은 세션 도중 훈련 강도를 조정하고, 부상당한 선수들이 부상 전의 객관적인 프로필을 기준으로 회복 과정을 진행할 수 있도록 도울 수 있습니다.

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선수 모니터링은 위치, 속도, 선형 가속도를 기반으로 이루어져 왔습니다. 이러한 측정 항목들은 선수가 이동하는 방향에서 얼마나 빠르게 움직이고 있는지를 잘 설명해 줍니다. 하지만 이 측정 항목들이 포착하지 못하는 것은 방향 전환인데, 팀 스포츠에서 방향 전환은 전체 가속 요구량의 약 절반을 차지합니다.

이러한 격차는 실무자가 매주 마주치는 문제를 야기합니다. 거리 및 고속 달리기 훈련 두 가지가 결과상 동일하게 나왔지만, 분명히 같은 훈련 세션은 아니었습니다. 훈련 블록은 훈련량이 적절하게 배분된 것처럼 보이지만 실제 경기와는 거리가 멉니다. 한 선수가 달리기 기반의 경기 복귀 기준을 모두 통과했음에도 불구하고, 방향을 전환할 때 여전히 어색해 보입니다. 각 사례에서 중요한 정보는 측정되지 않았기 때문에, 문제는 육안으로만 판단할 수밖에 없었습니다.

Catapult는 이러한 격차를 해소하기 위해 30개 이상의 새로운 매개변수를 출시합니다. ‘다방향 부하(Multidirectional Load)’는 가속 시 신체가 수행하는 두 가지 동작, 즉 속도 변화와 방향 변화를 구분합니다. '기계적 일(Mechanical Work)'과 '기계적 동력(Mechanical Power)'은 이 두 가지 활동에 드는 물리적 비용을 설명합니다. 이 두 가지 지표를 종합하면, 수요가 어디서 발생했는지, 그 양이 얼마나 되는지, 그리고 선수가 얼마나 열심히 운동했는지를 파악할 수 있습니다. 이 지표들은 Vector S8에서는 세션 중에 실시간으로, Vector S7에서는 세션 후에 확인할 수 있으며, 기기가 이미 수집한 위치 데이터를 바탕으로 계산됩니다.

다음에서는 이러한 지표들이 어떻게 도출되었는지, 어떻게 검증되었는지, 무엇을 보여주는지, 그리고 어떻게 설정하는지에 대해 설명합니다.

속도 기반 지표로는 방향 전환을 파악할 수 없는 이유

일반적으로 측정되는 가속도는 운동선수의 속도가 얼마나 빠르게 변하는지를 나타냅니다. 속도는 방향이 없는 단일 수치이므로, 이를 바탕으로 산출된 가속도는 운동선수가 속도를 높이는지 낮추는지만 알려줄 뿐입니다.

하지만 물리학에서 가속도란 운동의 모든 변화를 의미하며, 여기에는 방향의 변화도 포함됩니다. 시속 40km의 일정한 속도로 로터리를 돌고 있는 자동차를 생각해 보세요. 속도계는 움직이지 않지만, 차 안에 있는 사람들은 모두 옆으로 밀리는 느낌을 받습니다. 그 옆으로 밀리는 힘이 바로 가속도이며, 이는 속도라는 수치만으로는 파악할 수 없는 현상입니다.

운동선수에게도 마찬가지입니다. 일정한 속도로 회전하는 선수의 경우 수치는 0으로 나타납니다. 급제동을 하며 방향을 꺾는 선수의 경우 제동은 감지되지만, 회전 자체는 감지되지 않습니다.

시속 5m의 일정한 속도로 10m 원형을 달리는 운동선수를 생각해 보자. 속도에 기반한 측정값은 한 바퀴를 도는 내내 0을 나타낸다. 실제로는 운동선수가 그 곡선을 유지하기 위해 지면을 밀어내며, 운동 전체에 걸쳐 초당 2.^{5m의 제곱 가속도(2}.^5m/s²)를 내고 있지만, 이 중 어느 것도 기록되지 않는다. 회전 운동에 가속이나 감속이 더해지면 총 가속도 또는 합성 가속도가 산출된다.

가속도를 선형 채널과 횡방향 채널로 나누기

속도에 이동 방향을 더하면, 가속도는 자연스럽게 두 부분으로 나뉩니다.

선형(접선) 가속도는 선수가 이동하는 방향을 따라 속도가 빨라지거나 느려지는 현상을 말합니다. 가속할 때는 양수, 감속할 때는 음수 값을 가지며, 이는 속도 기반 지표들이 이미 반영하고 있는 부분입니다.

횡방향(구심) 가속도는 방향이 바뀌는 것으로, 주행 방향을 가로지르는 옆으로의 밀림력을 말합니다. 직선 주행 시에는 0이며, 이는 속도 기반 지표들이 간과하는 부분입니다.

이 두 가지가 합쳐져 총(합성) 가속도를 나타내며, 이는 운동선수가 어떤 방향으로 움직이든 간에 특정 순간에 얼마나 빠르게 가속하고 있는지를 나타냅니다.

일정한 속도로 곡선 구간을 주행할 때는 선형 가속도가 발생하지 않습니다. 주황색 화살표는 횡가속도를 나타내며, 이는 방향 전환을 일으키는 힘으로, 속도 기반 지표에서는 포착되지 않는 요소입니다.

동일한 45초짜리 다방향 회로를 세 가지 방식으로 보여줍니다. 선형 가속도(왼쪽)는 선수가 속도를 높이거나 줄일 때, 횡가속도(가운데)는 방향을 바꿀 때, 합성 가속도(오른쪽)는 이 두 가지를 결합하여 표시합니다. 색상은 2 m·s⁻²를 초과하는 샘플을 나타냅니다.

왼쪽과 가운데 패널을 서로 비교해 보면 그 요지가 저절로 드러납니다. 두 채널은 동일한 회로의 거의 완전히 다른 부분을 조명하고 있으며, 가운데 패널에 표시된 모든 것은 기존 지표로는 기록되지 않았던, 해당 선수가 만들어낸 수요입니다.

회전 시 발생하는 횡가속도의 크기는 두 가지 요인에 의해 결정됩니다. 바로 선수의 주행 속도와 회전 반경입니다. 속도가 더 큰 영향을 미치는데, 속도가 두 배가 되면 횡가속도 요구량은 네 배로 증가하는 반면, 회전 반경을 절반으로 줄여도 횡가속도 요구량은 두 배로만 증가합니다.

횡가속도, m/s². 대시(-)는 해당 속도에서 주행하기에는 코너가 너무 급하다는 것을 나타냅니다.

이것은 훈련 설계 도구입니다. 횡가속도는 속도의 제곱에 비례하여 증가하고, 회전 반경이 넓어질수록 감소하기 때문에, 방향 전환 요구도를 높이고자 하는 코치는 서로 상당히 다른 결과를 초래하는 두 가지 조절 수단을 활용할 수 있습니다. 그리드 간격을 좁히면 각 회전에 대한 요구도는 높아지지만 주행 속도는 낮아집니다. 그리드를 넓히고 진입 속도를 높이면 고속 주행 상황을 유지하면서 횡방향 요구도를 높입니다. 이는 비용이 서로 다른 두 가지 훈련 세션이며, 지금까지는 실제로 어떤 세션을 진행했는지 알려줄 수 있는 측정 기준이 없었습니다.

다방향 하중이 무엇을 나타내는지, 그리고 이것이 가속 하중과 어떤 관련이 있는지

시간에 따른 가속도를 적분하면, 이미 사용 중인 ‘가속도 하중’ 지표와 동일한 척도로 임의의 단위를 가진 하중 값을 얻을 수 있습니다. 현재 ‘가속도 하중’은 가속과 제동을 합친 하나의 절대값입니다. ‘다방향 하중’은 한 걸음 더 나아가, 가속, 감속, 방향 전환을 모두 포괄하는 단일 수치로, 이를 각 구성 요소별로 분리할 수 있습니다.

이 기능이 기존에 사용하던 수치에 어떤 영향을 미치는지 명확히 알아두는 것이 좋습니다. 선형 구성 요소들은 종합적으로 기존 가속 부하와 일치합니다. 가속 및 제동 측정 방식에는 아무런 변화가 없습니다. 단지 이 두 가지가 별개의 비용 항목으로 분리되었고, 여기에 세 번째 구성 요소가 추가된 것뿐입니다.

채널이 어떻게 나뉘는지는 거의 전적으로 선수가 무엇을 하고 있는지에 달려 있습니다:

극단적인 경우는 직관적으로 이해하기 쉽습니다. 20m 스프린트는 거의 전적으로 직선 운동이고, 원을 그리며 달리는 것은 거의 전적으로 횡방향 운동입니다. 중요한 부분은 그 사이의 모든 구간인데, 이는 훈련 세션이 실제로 이러한 요소들로 구성되기 때문이며, 곡선 달리기나 지그재그 달리기에서 횡방향 하중과 직선 하중이 어떻게 혼합되는지는 누구도 육안으로 정확하게 추정할 수 없기 때문입니다. 4가지 팀 스포츠를 대상으로 한 연구에 따르면, 경기 중 횡방향 하중은 총 다방향 하중의 42~53%를 차지합니다.

하중에서 작업으로: 신체적 대가와 그 이면에 있는 생체역학적 모델

임의의 단위로 표시된 다방향 하중은 가속 요구의 방향과 분포를 나타냅니다. 기계적 일은 신체 질량 1kg당 킬로줄(kJ/kg) 단위로 그 물리적 크기를 나타냅니다.

‘캐터펄트(Catapult)’의 기계적 작업량은 동료 심사를 거친 연구(Gray 외, 2018, 2023)를 바탕으로 확장된 4가지 구성 요소로 이루어진 생체역학적 모델에서 도출되었습니다. 이 모델은 네 가지 서로 다른 기계적 요구 사항을 고려하여 이를 하나의 기계적 작업량 값으로 통합합니다:

• 수평: 진행 방향을 따라 속도를 높이거나 낮추는 것
• 수직: 각 보폭마다 몸을 올리고 내리며 발생하는 탄력
• 사지: 걸을 때마다 팔과 다리를 흔들며 걷기
• 측면: 방향 전환: 좌우로 움직이는 운동

이 모델은 제동과 회전을 별도로 고려하기 때문에, 단일 변수 접근법에서 통합 처리되던 두 가지 요인을 별도로 파악할 수 있습니다. 이 장치의 속도와 가속도는 이미 발표된 연구(Ellens 외, 2025)에서 Vicon 모션 캡처 데이터를 기준으로 검증되었습니다. 이후 선형 및 횡방향 가속도 채널도 동일한 기준에 따라 검증되었으며, 전체 결과는 곧 발간될 백서에 게재될 예정입니다.

사지를 포함시키는 것이 생체역학적 모델을 단순히 가속도와 속도의 곱으로만 표현하는 것과 구별되는 점입니다. 팔과 다리를 휘두르는 동작은 전신 가속도에는 나타나지 않는 일(work)이지만, 달리기 속도에서는 전체의 상당 부분을 차지합니다(Minetti, 1998). 사지 항이 없는 모델은 이를 설명할 방법이 없다. 이는 정확도뿐만 아니라 해석 측면에서도 중요하다. 사지 항이 없으면 빠른 직선 달리기의 부하가 과소평가되므로, 고속 달리기 훈련이 소규모 경기와 비교했을 때 실제보다 덜 힘들어 보일 수 있다. 바로 이러한 비교에 이 수치들이 주로 활용된다. 

이 계산 결과를 비율로 환산하면, 킬로그램당 와트(W/kg) 단위의 기계적 출력이 산출됩니다. 보고된 데이터 세트에는 총 기계적 일(kJ/kg)과 분당 기계적 일(kJ/kg/min)부터 평균 및 최대 기계적 출력(W/kg)까지 포함되며, 세션 종료 후에는 시료별 순간 출력 값도 확인할 수 있습니다.

전체 경기 동안의 다방향 하중

새로운 ‘다방향 하중’ 및 ‘기계적 출력’ 지표는 거리나 고속 달리기 같은 기존 지표와 함께 제공되므로, 기존 경기 및 훈련 보고서를 대체하는 것이 아니라 여기에 추가될 수 있습니다.

전체 경기의 경우, 동일한 분해 분석을 통해 선수별 방향별 프로필을 확인할 수 있습니다. 그림에 표시된 공격수의 경우, 총 다방향 부하 5,708 AU는 선형 가속도 1,312 AU, 선형 감속도 1,254 AU, 그리고 좌측 1,507 AU와 우측 1,635 AU로 나뉘는 횡방향 부하 3,142 AU로 구성됩니다. 이 선수의 가속 요구량의 절반 이상은 거리나 속도 지표로는 측정되지 않는 영역에 속했습니다.

기계적 출력은 설정 가능한 강도 구간별로 표시되므로, 코치들은 해당 종목과 선수 집단에 맞춰 임계값을 설정한 뒤, 각 구간에서 누적된 거리와 시간을 추적할 수 있습니다. 표시된 세션에서, 전체 시간의 59%는 2.5 W/kg 미만, 5%는 12.5 W/kg 이상에서 소요되었습니다. 이러한 분포를 통해 훈련이 의도한 강도에 도달했는지 확인하고, 강도 감소와 훈련량 감소를 구분할 수 있습니다.

Vector S8 생방송: 드릴을 되짚어보기보다는 변경하기

다른 모든 시스템에서는 이러한 수치가 세션이 끝난 후에야 시술자가 확인할 수 있는데, 이때는 해당 수치를 산출한 드릴을 변경하기에는 이미 너무 늦은 시점입니다. Vector S8의 경우, 드릴이 작동하는 동안 화면에 수치가 표시됩니다. 시술자는 1분 이내에 피크 값과 부하 성분이 실시간으로 누적되는 모습을 확인할 수 있습니다.

실제 적용 측면에서는, 남은 시간을 고려하여 강도를 점검하는 데 활용됩니다. 세 번째 반복까지 기계적 힘이 목표 범위에 도달하지 못했다면, 해당 훈련은 의도된 효과를 내지 못할 것이므로, 나머지 훈련 시간을 모두 이 훈련에 할애하기 전에 훈련 시간을 연장하거나 단축할 수 있습니다. 경기 복귀 단계에서도 마찬가지입니다. 측면으로 가해지는 하중이 누적되는 정도를 통해 선수가 규정된 부하량을 충족하고 있는지 확인할 수 있으며, 이에 따라 해당 단계를 계속 진행하거나 중단할 수 있습니다.

변하는 것은 내용이 아니라 타이밍입니다. 세션 종료 시 기록된 수치는 다음 세션에 반영됩니다. 실시간 수치는 다음 반복 횟수를 변경합니다.

실무자들이 이를 활용할 수 있는 네 가지 방법

경기에서 요구되는 움직임에 맞춰 훈련을 설계하기. 경기에는 ‘부하 패턴’이 존재하는데, 이는 가속, 제동, 방향 전환 시 다방향 부하가 어떻게 분배되는지를 나타냅니다. 주간 훈련 일정에도 마찬가지로 부하 패턴이 존재합니다. 팀, 포지션 또는 선수별로 이 두 가지를 나란히 비교해 보면, ‘특이성’에 대한 논의는 단순한 의견이 아닌 객관적인 비교가 됩니다.

방향 전환 노출량 정량화. 이러한 비교는 훈련 동작 수준에서도 적용됩니다. 지속 시간과 거리가 동일한 두 가지 훈련 동작을 예로 들어 보겠습니다. 하나는 넓은 공간에서, 다른 하나는 좁은 격자 구역에서 수행됩니다. 거리와 속도 측면에서는 두 동작이 똑같아 보일 수 있습니다. 그러나 ‘측면 하중’, ‘높은 측면 하중’, ‘기계적 작업량’을 통해 두 동작을 구분할 수 있으며, 훈련 동작별 분할 기록을 통해 세션 중 어느 시점에 부하가 집중되는지 파악할 수 있습니다.

훈련 블록이 제대로 효과를 내고 있는지 확인하는 방법입니다. 거리와 고속 달리기 수치는 주마다 일정하게 유지되는 반면, ‘측면 부하’와 ‘높은 측면 부하’ 수치는 점차 증가합니다. 이는 안정적인 달리기 기반을 바탕으로 방향 전환 훈련량을 점차 늘려가는 것으로, 속도 기반 지표만으로는 전혀 파악할 수 없는 부분입니다. 이를 통해 해당 훈련 블록이 계획된 대로 발전 효과를 내고 있는지 확인할 수 있습니다.

객관적인 수치를 바탕으로 한 경기 복귀 단계별 진행. 경기 복귀 과정은 일반적으로 직선 달리기에서 단계별 방향 전환으로, 이어서 실제 경기와 유사한 상황으로 진행됩니다. 각 단계는 대개 단계별 복귀 계획과 움직임의 질을 육안으로 판단해 왔습니다. ‘측면 부하(Lateral Load)’는 선수가 각 단계에서 얼마나 많은 방향 전환에 노출되고 있는지를, ‘높은 측면 부하(High Lateral Load)’는 그중 얼마나 많은 부분이 급격한 회전인지, ‘기계적 힘(Mechanical Power)’은 이를 수행하는 동안 선수가 얼마나 많은 힘을 쓰고 있는지를 보여줍니다. 선수의 부상 전 프로필과 비교하여, 선수는 단순히 일정상 시간이 지남에 따라 복귀하는 것이 아니라 이러한 지표에 따라 단계적으로 복귀합니다.

지표가 표시되는 곳: 기기, 플랫폼 및 이용 가능 여부

모든 지표는 기기가 이미 수집하고 있는 추적 데이터를 바탕으로 산출되므로, 새로운 하드웨어가 필요하지 않으며 기기 설정이나 업무 흐름에도 변경 사항이 없습니다.

Vector S8 (Pro 등급): 세션 진행 중( OpenField 콘솔 및 Vector Live 에서)은 물론, 세션 종료 후에도 사용할 수 있습니다.

Vector S7 (Pro 등급): 세션 종료 후, OpenField 콘솔 및 클라우드에서.

파워 밴드 설정하기

기계적 출력은 두 세트로 나뉘어, 최대 8개의 구성 가능한 구간으로 보고됩니다. 절대 세트는 모든 선수에게 동일한 고정 임계값을 사용하며, 이는 팀 전체에 걸쳐 척도를 일관되게 유지하여 훈련 비교 및 포지션별 프로파일링은 물론, 경기 요구 사항 설명에도 적합합니다. 상대적 세트는 각 선수의 개인 최대값 대비 비율로 표현된 임계값을 적용하며, 이는 경기 복귀 및 개별 처방 계획에 적합합니다. 최대 속도와 마찬가지로, ‘ OpenField ’는 선수가 새로운 최대 기계적 출력을 기록하면 사용자에게 알림을 보내며, 알림을 통해 프로필을 업데이트할 수 있어 상대적 구간이 최신 상태로 유지됩니다. 각 구간은 지속 시간과 거리를 원값 및 백분율 단위로 모두 표시합니다.

모델이 가정하는 것과 반영하지 못하는 것

기계적 작업량과 기계적 출력은 체중 1kg당 단위로 표시되므로, 체격이 다른 선수들을 직접 비교할 수 있습니다. 체격에 따른 요구량보다는 총 출력에 대한 정보를 얻기 위해, 절대값도 함께 표시됩니다.

이는 선수가 지면을 가로지르며 움직이는 방식을 바탕으로 산출된 외부적 지표들입니다. 이러한 지표들은 충돌이나 접촉을 고려하지 않으며, 근육 활동의 유형을 구분하지도 않고, 훈련 세션이 초래하는 내부적인 생리적 비용을 설명하지도 않습니다.

다방향 하중 및 기계적 동력의 요약

‘다방향 부하’는 해당 세션에 얼마나 많은 가속 요구가 포함되었는지, 그리고 그 가속 요구가 가속, 제동, 방향 전환 중 어디에서 비롯되었는지를 알려줍니다. ‘기계적 일’은 그로 인해 선수가 신체적으로 얼마나 많은 부담을 겪었는지를 나타냅니다. ‘기계적 출력’은 특정 순간에 선수가 얼마나 열심히 운동하고 있었는지를 보여줍니다.

이로써 이 글의 상단에 언급된 세 가지 상황은 답이 있는 질문으로 바뀌게 됩니다. 거리 측면에서 동일한 결과를 보인 두 가지 훈련은 횡방향 부하와 기계적 작업량에서 차이가 나며, 훈련 분할 데이터를 통해 세션 중 어느 부분에서 차이가 발생했는지 확인할 수 있습니다. 훈련량이 적절해 보였던 블록은 단순한 의견이 아닌, 경기 자체의 부하 패턴과 포지션별로 비교하여 검증할 수 있습니다. 모든 달리기 기준을 통과했지만 회전 동작이 자연스럽지 않아 보이는 선수는 이제 중요한 지표인 ‘측면 하중’을 통해 부상 전 프로필과 나란히 비교하여 확인할 수 있습니다.

방향 전환은 항상 팀 스포츠의 요구 사항 중 절반을 차지해 왔습니다. 이제는 이를 평가하는 기준의 절반을 차지합니다.

참조

Minetti AE. (1998). 지상 이동 시 발생하는 기계적 내부 일의 예측을 위한 모델 방정식. J Biomech 31(5):463-468.

Ellens S, Moran C, Varley MC. (2025). ‘ Catapult Vector S8’ GNSS 기기의 동시 타당도 및 기기 간 신뢰도. PLoS One 20(10):e0333792.

Gray AJ, Shorter K, Cummins C, Murphy A, Waldron M. (2018). 접촉형 팀 스포츠에서 GPS 기기를 활용한 운동 에너지 모델링: 한계와 해결 방안. Sports Med 48:1357-1368.

Gray A, Andrews M, Waldron M, Jenkins D. (2023). 지상 달리기의 기계적 부하를 계산하기 위한 모델. Sports Biomech 22(10):1256-1277.