Многонаправленная нагрузка и механическая мощность: оценка затрат, связанных со сменой направления

---

Ханна Ноулз и Коди Моран, Catapult Sports

Основные выводы:

• Учет «упущенной» половины нагрузки: изменение направления движения составляет примерно половину всей нагрузки, связанной с ускорением, в командных видах спорта, однако традиционные показатели, основанные на скорости, полностью игнорируют этот аспект. Показатель «Многонаправленная нагрузка» выделяет линейное ускорение, линейное замедление и поперечное ускорение, обеспечивая полное представление о механической нагрузке.

• Проверенная биомеханическая модель: механическая работа (кДж/кг) и механическая мощность (Вт/кг) позволяют количественно оценить физические затраты на движение с помощью четырёхкомпонентной модели, учитывающей механику горизонтальных, вертикальных и боковых движений, а также махов конечностей. Это обеспечивает возможность точного сравнения быстрого бега по прямой и упражнений с плотным контактом в небольших группах.

• Корректировка в режиме реального времени и объективная оценка готовности к возвращению в игру: эти показатели доступны в режиме реального времени на Vector S8 и после тренировки на Vector S7 без необходимости установки нового оборудования; они позволяют специалистам корректировать интенсивность упражнений во время тренировки и отслеживать прогресс травмированных спортсменов по сравнению с их собственными объективными показателями, зафиксированными до получения травмы.

---

Мониторинг спортсменов традиционно основывается на таких показателях, как положение, скорость и линейное ускорение. Эти показатели хорошо отражают, насколько быстро спортсмен движется в направлении своего перемещения. Однако они не учитывают смену направления, которая в командных видах спорта составляет примерно половину всех ускорений.

Этот пробел влечет за собой последствия, с которыми специалисты сталкиваются каждую неделю. Результаты двух упражнений по дистанционному и скоростному бегу оказываются идентичными, хотя очевидно, что это были разные тренировки. Тренировочный блок выглядит сбалансированным по объему, но не соответствует условиям соревнований. Спортсмен проходит все критерии готовности к возвращению в игру, основанные на беге, но при поворотах по-прежнему выглядит не так, как нужно. В каждом из этих случаев важная информация так и не была измерена, поэтому вопрос можно было решить только на глаз.

Компания Catapult выпускает более 30 новых параметров, чтобы восполнить этот пробел. Параметр «Многонаправленная нагрузка» разделяет два аспекта движения тела при ускорении: изменение скорости и изменение направления. Показатели «Механическая работа» и «Механическая мощность» описывают физические затраты, связанные с этими двумя процессами. В совокупности они показывают, откуда возникло усилие, какова была его величина и насколько интенсивно работал спортсмен. Эти показатели доступны в режиме реального времени во время тренировки на Vector S8 и после тренировки на Vector S7; они рассчитываются на основе данных о положении, которые уже собирают ваши устройства.

Далее рассказывается, как они были получены, как прошли проверку, что они показывают и как их настроить.

Почему показатели, основанные на скорости, не учитывают повороты

Ускорение, в том виде, в каком его обычно измеряют, — это скорость изменения скорости спортсмена. Скорость представляет собой одно число, не имеющее направления, поэтому любое ускорение, рассчитанное на ее основе, может показать лишь то, ускоряется ли спортсмен или замедляется.

Но в физике ускорение — это любое изменение движения, в том числе и изменение направления. Представьте себе автомобиль, въезжающий на кольцевую развязку с постоянной скоростью 40 км/ч. Спидометр не показывает изменения, но все, кто находится в салоне, чувствуют, как их отбрасывает вбок. Этот боковой толчок и есть ускорение, и именно его не отражает показатель, основанный на скорости.

То же самое касается спортсменов. У того, кто поворачивает с постоянной скоростью, показатель равен нулю. У того, кто тормозит перед поворотом, фиксируется торможение, но не сам поворот.

Возьмем, к примеру, спортсмена, бегущего по кругу диаметром 10 м с постоянной скоростью 5 м/с. Показатель, основанный на скорости, будет равен нулю на протяжении всего круга. На самом деле спортсмен отталкивается от земли, чтобы удерживать скорость на повороте на^уровне 2,^{5 м/с²} на протяжении всего усилие, и ничто из этого не фиксируется. Если совместить поворот с любым ускорением или замедлением, то получится общее или результирующее ускорение.

Разделение ускорения на два канала: линейное и поперечное

Если к скорости прибавить направление движения, ускорение естественным образом разбивается на две части.

Линейное (тангенциальное) ускорение — это увеличение или уменьшение скорости движения спортсмена в направлении его движения. Оно имеет положительное значение при ускорении и отрицательное — при торможении, и именно этот показатель уже учитывается в показателях, основанных на скорости.

Боковое (центростремительное) ускорение — это изменение направления движения, то есть боковое усилие, действующее поперек линии движения. При движении по прямой оно равно нулю, и именно этот аспект упускают показатели, основанные на скорости.

Вместе они определяют общее (результирующее) ускорение — то, с какой силой спортсмен ускоряется в любой момент времени, независимо от направления его движения.

При движении по повороту с постоянной скоростью линейное ускорение отсутствует. Оранжевые стрелки обозначают поперечное ускорение: силу, вызывающую изменение направления движения, которую не учитывают показатели, основанные на скорости.

Один и тот же 45-секундный многонаправленный цикл, показанный тремя способами. Линейное ускорение (слева) выделяется там, где спортсмен ускоряется и замедляется, поперечное ускорение (в центре) — там, где он меняет направление, а результирующее ускорение (справа) объединяет оба этих вида. Цветом выделены отрезки с ускорением свыше 2 м·с⁻².

Сравните левую и среднюю панели — и всё станет ясно. Эти два канала освещают практически совершенно разные аспекты одной и той же схемы, и всё, что показано на средней панели, — это нагрузка, которую создавал спортсмен, но которая не фиксировалась ни одним из существующих показателей.

На величину поперечного ускорения, возникающего при повороте, влияют два фактора: скорость спортсмена и радиус поворота. Скорость оказывает более значительное влияние: если её удвоить, поперечное ускорение увеличивается в четыре раза, тогда как уменьшение радиуса поворота вдвое приводит лишь к его удвоению.

Поперечное ускорение, м/с². Черта обозначает поворот, который на данной скорости невозможно пройти.

Это инструмент для составления тренировочных программ. Поскольку поперечное ускорение растёт пропорционально квадрату скорости и снижается по мере расширения поворота, специалист, стремящийся увеличить нагрузку на смену направления, имеет в своём распоряжении два рычага, которые приводят к совершенно разным результатам. Уменьшение шага сетки повышает нагрузку на каждый поворот, но при этом снижает скорость бега. Расширение сетки и увеличение скорости входа в поворот повышают требования к боковому движению, сохраняя при этом возможность тренироваться на высоких скоростях. Это разные тренировочные сессии с разными затратами, и до сих пор не существовало показателя, который мог бы определить, какую из них вы фактически провели.

Что показывает показатель «Многонаправленная нагрузка» и как он связан с показателем «Ускорительная нагрузка»

Интегрирование ускорения во времени позволяет получить нагрузку в произвольных единицах измерения, в том же масштабе, что и уже используемый показатель «Нагрузка от ускорения». В настоящее время «Нагрузка от ускорения» представляет собой одно абсолютное значение, объединяющее ускорение и торможение. «Многонаправленная нагрузка» идет дальше: это единое число, отражающее ускорение, замедление и смену направления движения, которое впоследствии можно разложить на отдельные компоненты.

Стоит четко понимать, как это скажется на показателе, который вы уже используете. Линейные компоненты в совокупности согласуются с вашей существующей нагрузкой при ускорении. В способе измерения ускорения и торможения ничего не изменилось. Они были выделены в отдельные показатели затрат, а рядом с ними был добавлен третий компонент.

Распределение каналов зависит почти исключительно от того, чем занимается спортсмен:

Крайние случаи интуитивно понятны. Спринт на 20 м — это почти исключительно линейное движение, а бег по кругу — почти исключительно боковое. Полезная часть — это всё, что находится между ними, поскольку именно из этого и строятся тренировочные сессии, а соотношение движений при беге по кривой или зигзагом невозможно достоверно оценить на глаз. В четырёх командных видах спорта доля боковой нагрузки составляет от 42 до 53 процентов от общей многонаправленной нагрузки во время матча.

От нагрузки к работе: физические затраты и лежащая в их основе биомеханическая модель

«Многонаправленная нагрузка в произвольных единицах» описывает направление и распределение ускорительной нагрузки. «Механическая работа» описывает её физическую величину в килоджоулях на килограмм массы тела (кДж/кг).

Понятие «механическая работа катапульты» основано на четырехкомпонентной биомеханической модели, разработанной на основе рецензируемых научных исследований (Gray et al., 2018, 2023). Модель учитывает четыре различных механических нагрузки и объединяет их в одно значение механической работы:

• По горизонтали: ускорение и замедление в направлении движения
• Вертикальная: отскок при каждом шаге, подъем и опускание тела
• Конечности: раскачивание рук и ног при каждом шаге
• Боковое движение: смена направления: работа из стороны в сторону

Поскольку в модели торможение и поворот учитываются отдельно, она отражает два вида нагрузки, которые в подходах с использованием одной модели объединяются. Скорость и ускорение устройства были проверены с помощью системы захвата движения Vicon в рамках опубликованного исследования (Ellens et al., 2025). Впоследствии каналы линейного и поперечного ускорения были проверены по тому же критерию; полные результаты будут опубликованы в готовящемся к выпуску техническом документе.

Учет конечностей — это то, что отличает биомеханическую модель от простого произведения ускорения и скорости. Размахивание руками и ногами — это работа, которая не отражается в ускорении всего тела, однако составляет значительную долю от общего значения при скоростях бега (Minetti, 1998). Модель без слагаемого, учитывающего конечности, не может это учесть. Это важно не только для точности, но и для интерпретации результатов. Без учета конечностей интенсивность быстрого бега по прямой занижается, поэтому тренировка по бегу на высокой скорости может показаться менее интенсивной по сравнению с игрой в малых составах, чем она есть на самом деле. Именно для такого сравнения и используются эти цифры. 

Если выразить этот показатель в виде коэффициента, то в результате того же расчёта получается механическая мощность в ваттах на килограмм (Вт/кг). В отчёте представлены следующие показатели: от общего объёма механической работы (кДж/кг) и механической работы в минуту (кДж/кг/мин) до средней и максимальной механической мощности (Вт/кг), а мгновенная мощность по каждому образцу становится доступной по завершении сеанса.

Многонаправленная нагрузка на протяжении всего матча

Новые показатели «Многонаправленная нагрузка» и «Механическая мощность» дополняют уже существующие показатели, такие как расстояние и бег на высокой скорости, поэтому их можно добавлять в текущие отчеты о матчах и тренировках, а не заменять ими прежние показатели.

В полноценном матче такая же разбивка дает профиль направленности нагрузки по каждому спортсмену. Для показанного нападающего общая многонаправленная нагрузка в 5 708 AU распределяется следующим образом: 1 312 AU — линейное ускорение, 1 254 AU — линейное замедление и 3 142 AU — боковая нагрузка, из которых 1 507 AU приходится на левую сторону и 1 635 AU — на правую. Более половины ускорительной нагрузки этого спортсмена приходилось на диапазон, который не отражается ни в одном показателе дистанции или скорости.

Механическая мощность отображается в настраиваемых диапазонах интенсивности, что позволяет тренерам устанавливать пороговые значения с учетом особенностей конкретного вида спорта и группы спортсменов, а затем отслеживать накопленное расстояние и время в каждом из них. В показанном примере 59 процентов времени приходится на диапазон ниже 2,5 Вт/кг, а 5 процентов — выше 12,5 Вт/кг. Именно такое распределение позволяет убедиться, что упражнение выполняется с заданной интенсивностью, а также отличить снижение интенсивности от снижения объема.

В прямом эфире на Vector S8: изменение подхода вместо его пересмотра

В любой другой системе эти показатели специалист видит только по окончании сеанса, когда уже слишком поздно менять упражнение, которое их вызвало. В Vector S8 они отображаются на экране прямо во время выполнения упражнения. Специалист может в режиме реального времени наблюдать за пиковыми значениями и накоплением компонентов нагрузки.

Практическое применение заключается в проверке интенсивности с учетом времени, оставшегося на выполнение упражнения. Если к третьему повторению механическая мощность не достигла заданного диапазона, упражнение не принесет ожидаемого результата, и его можно продлить или сократить, прежде чем посвятить ему оставшуюся часть тренировки. То же самое касается этапа возвращения к игре, когда накопление боковой нагрузки по сторонам показывает, соответствует ли спортсмен предписанной нагрузке, при этом этап можно либо подтвердить, либо приостановить.

Изменяется скорее время выполнения, чем содержание упражнения. Показатель, зафиксированный после серии, определяет параметры следующей серии. Показатель, зафиксированный в режиме реального времени, влияет на следующее повторение.

Четыре способа, которыми специалисты будут использовать эту технологию

Разработка упражнений с учетом двигательных требований соревнований. У каждого матча есть своя «характеристика нагрузки» — то, как многонаправленная нагрузка распределяется между ускорением, торможением и сменой направления. У тренировочной недели тоже есть своя характеристика. Если сопоставить эти две характеристики — по команде, позиции или спортсмену — вопрос о специфичности становится скорее сравнением, чем субъективным мнением.

Количественная оценка нагрузки при смене направления. То же сравнение можно провести на уровне отдельных упражнений. Возьмем два упражнения одинаковой продолжительности и дистанции: одно — на открытом пространстве, другое — в условиях плотной сетки. По дистанции и скорости они могут выглядеть одинаково. Их можно различить по показателям «Боковая нагрузка», «Высокая боковая нагрузка» и «Механическая работа», а промежуточные результаты упражнений показывают, в какой части тренировки наблюдается наибольшая нагрузка.

Проверка эффективности тренировочного блока. Показатели дистанции и скоростного бега могут оставаться неизменными от недели к неделе, в то время как показатели «Боковой нагрузки» и «Высокой боковой нагрузки» растут. Речь идет о нагрузке, связанной со сменой направления движения, которая наращивается на основе стабильной беговой подготовки и которую показатели, ориентированные на скорость, полностью упускают из виду. Это позволяет определить, обеспечивает ли данный блок запланированный прогресс.

Поэтапное возвращение к соревнованиям на основе объективных показателей. Процесс возвращения к соревнованиям обычно начинается с бега по прямой, переходит к постепенному изменению направления движения, а затем к ситуациям, имитирующим игровые условия. Каждый этап обычно оценивается визуально с учетом плана прогрессирования и качества движений. Показатель «Боковая нагрузка» отражает, насколько спортсмен справляется со сменой направления движения на каждом этапе; показатель «Высокая боковая нагрузка» — какую долю в этом составляют резкие повороты; а показатель «Механическая мощность» — насколько интенсивно он при этом работает. Сравнивая эти показатели с собственными данными спортсмена до травмы, можно видеть, что он прогрессирует не только по календарю, но и по этим метрикам.

Где отображаются показатели: устройства, платформы и доступность

Все показатели рассчитываются на основе данных отслеживания, которые устройства и так собирают, поэтому не требуется ни нового оборудования, ни изменений в настройках устройств или рабочем процессе.

Vector S8 (уровень Pro): в режиме реального времени во время сеанса в консоли « OpenField » и на сайте Vector Live, а также после завершения сеанса.

Vector S7 (уровень Pro): после сеанса, в консоли OpenField и в облаке.

Настройка диапазонов мощности

Механическая мощность отображается в виде до восьми настраиваемых диапазонов, сгруппированных в два набора. Абсолютный набор использует фиксированные пороговые значения, одинаковые для всех спортсменов, что обеспечивает постоянство шкалы для всей команды и подходит для сравнения упражнений, профилирования по позициям, а также для описания требований матча. Относительный набор применяет пороговые значения, выраженные как доля от личного максимума каждого спортсмена, что подходит для возвращения в игру и индивидуальных рекомендаций. Как и в случае с максимальной скоростью, система « OpenField » уведомляет пользователей, когда спортсмен фиксирует новый максимальный показатель механической мощности, и профиль можно обновить прямо из уведомления, чтобы относительные диапазоны оставались актуальными. Для каждого диапазона отображаются данные о продолжительности и расстоянии как в абсолютных величинах, так и в процентах.

Что учитывает модель, а что она не учитывает

Механическая работа и механическая мощность указываются в расчете на килограмм массы тела, что позволяет напрямую сравнивать спортсменов разного телосложения. Абсолютные значения приводятся параллельно для ответов на вопросы об общей производительности, а не о потребности, соотносимой с размером тела.

Это внешние показатели, рассчитываемые на основе данных о том, как спортсмен перемещается по поверхности. Они не учитывают столкновения или контакты, не позволяют различать типы мышечной активности и не отражают внутренние физиологические затраты, связанные с тренировкой.

Краткий обзор многонаправленной нагрузки и механической мощности

Показатель «Многонаправленная нагрузка» показывает, какую нагрузку, связанную с ускорением, содержал тренировочный сеанс и откуда она исходила — от ускорения, торможения или смены направления. Показатель «Механическая работа» показывает, каких физических затрат это стоило спортсмену. Показатель «Механическая мощность» показывает, с какой интенсивностью спортсмен работал в любой момент времени.

Благодаря этому три ситуации, описанные в начале этой статьи, превращаются в вопросы, на которые есть ответы. Два упражнения, показавшие одинаковые результаты по дистанции, различаются по боковой нагрузке и механической работе, а разбивка по упражнениям показывает, в какой части тренировки проявилась эта разница. Блок, который казался оптимальным по объему, можно сравнивать с характерной нагрузкой конкретного матча — позиция за позицией — а не просто опираться на субъективное мнение. Спортсмена, который соответствует всем критериям бега, но не выглядит правильно при поворотах, теперь можно проверить по тому показателю, который имеет значение: боковой нагрузке, сравнивая его данные с профилем до травмы.

Смена направления всегда составляла половину требований к командным видам спорта. Теперь она составляет половину критериев оценки.

Ссылки

Минетти А. Э. (1998). Модельное уравнение для прогнозирования механической внутренней работы при наземном передвижении. J Biomech 31(5):463–468.

Элленс С., Моран К., Варли М. К. (2025). Параллельная валидность и межустройственная надежность устройства GNSS « Catapult Vector S8». PLoS One 20(10):e0333792.

Грей А. Дж., Шортер К., Камминс К., Мерфи А., Уолдрон М. (2018). Моделирование энергетики движений с использованием устройств глобальной системы позиционирования в контактных командных видах спорта: ограничения и решения. Sports Med 48:1357–1368.

Грей А., Эндрюс М., Уолдрон М., Дженкинс Д. (2023). Модель расчета механических нагрузок при беге по твердой поверхности. Sports Biomech 22(10):1256–1277.